中外《地球化学》教科书内容体系的对比与启示

张德会

中国地质大学（北京）地球科学与资源学院，北京 100083

比较教育研究

中外《地球化学》教科书内容体系的对比与启示

张德会

中国地质大学（北京）地球科学与资源学院，北京 100083

本文将张德会和赵仑山主编的《地球化学》教科书与过去20年间国外8本和国内1本同类教科书内容体系进行对比，力图找出差距，获得启示，扬长补短，推进本科生教科书水平的提升，适应现代地球科学快速发展对地球化学教科书的时代要求。通过与国外地球化学教科书内容体系的对比，获得了许多有益的启示，在此基础上，讨论和总结了新编《地球化学》教科书的特色、优势以及有待改进之处。

地球化学；教科书；内容体系；中外比较

20世纪初，地球科学大家庭中诞生了一个新的成员，称为“地球化学”。历经一个世纪的发展，在相关化学基础学科和地球科学快速发展的推动下，作为将化学原理应用于地球科学的地球化学，研究领域有了深广的拓展，真正到了170年前瑞士化学家Schonbein提出“地球化学”这一名称时所预言的“一定要有了地球化学，才能有真正的地质科学”的时代。

随着地球科学的飞速发展，地球化学在地球科学领域将日益重要和不可或缺。“地球化学”是中国地质大学（北京）地球科学与资源学院地质类和资源勘查工程专业一门专业基础和必修课，“地球化学导论”则是向全校所有专业本科生开设的一门全校公选课程。两门课程的开设对地质类院校本科生理解地球科学精髓和培育自然科学素养十分必要。在此基础上，我校地球化学教研室8位教师，用5年时间编著的《地球化学》教科书（以下简称“新编教科书"）在2013年正式出版。为了对新编教科书内容体系进行深入全面的研究，以便在再版或修编时将教科书提升到一个新的水平，笔者对国内外，特别是国外20世纪90年代以来地球化学教科书内容体系进行了对比研究，力图从中找出差距和获得启示，以扬长补短，推进本科生教材建设，提高国际化水平，以适应地球科学快速发展对地球化学教科书的时代要求。

一、教科书的选择

据不完全统计，从1995年迄今的20年间，国外已经出版了11部地球化学教科书或教材，这还不包括以同位素地球化学等为名和元素地球化学方面的教科书。有意思的是，有的地球化学教科书在很短时间内再版，如Albarede编著的《Geochemistry: An Introduction》，2003年出版，2009年出第二版，时隔6年；Walther编著的《Essentials of Geochemistry》，2005年出版，2009年出第二版，时隔仅仅4年。这样一门专业性很强教科书版本的多样性和出版节奏的快速更替，与友邻学科如矿床学形成了鲜明对比。作为教科书的矿床（地质）学，在2000年后出版了三本，包括Misra编著、2000年出版的《Understanding Mineral Deposits》；Robb编著、2005年出版的《Introduction to Ore-Forming Processes》以及Guilbert and Park编著、2007年再版的《The Geology of Ore Deposits》，实际上后者仅是重印而非修改再版。作为地球科学基础学科和地球物质科学支柱学科的地球化学，学科发展速度之迅猛、应用领域扩张之广阔以及对基础理论、基本原理和基本方法需求之渴望由此可见一斑。

笔者选择过去20年间国外11部地球化学教科书中的8部，与国内2000年后出版的两本地球化学教科书进行对比（表1和表2）。这其中6本是美国的教科书，2本来自欧洲，后者中一本的作者是意大利热那亚大学Ottonello教授，另一本的作者是法国里昂高等师范学校的Albarede教授。国外的8本教科书基本代表了过去20年间西方国家地球化学学科的内容体系。

二、教科书内容体系的总体概览

8本国外地球化学教科书，其中4本出版于2000年前，代表了20世纪末期的水平。4本出版于2009年以后，代表了当今地球化学学科的发展现状。

表1 国外《地球化学》教材（2000年前）内容体系对比

作为地球化学教科书的主要内容，可以概括为4个主要部分:地球化学原理，地球化学作用（过程）、地球化学应用与地球化学研究方法。地球化学原理部分包括:元素的性质和行为，包括原子的电子结构、元素周期表和原子量、化学键、离子半径和晶体、元素在矿物中的类质同象等；地球化学热力学，包括热力学概念、溶液和多组分体系热力学、矿物相平衡和相图以及地质温压计等；反应速率和质量传输，即地球化学动力学，以及表面化学等。地球化学作用（过程）包括沉积和成岩作用地球化学、变质作用地球化学、岩浆作用地球化学、表生或风化作用地球化学以及成矿作用地球化学等。地球化学应用包括化学风化作用或风化壳、矿床的化学风化作用、地球化学循环、大气圈地球化学、环境地球化学、海洋地球化学以及勘查地球化学等。地球化学研究方法包括微量元素地球化学、放射性同位素地球化学与地质年代学以及稳定同位素地球化学等。

表2 中外《地球化学》教材（2004年后）内容体系对比

由于地球化学学科的迅猛发展，研究领域和触角几乎遍及和渗透于地球科学的所有领域，特别是作为对地球历史年代厘定和地质示踪做出独特贡献的地球化学独有研究方法:微量元素地球化学和同位素地球化学，更是成为当今现代地球科学研究不可或缺的研究方法和手段。基于此，随着时间的推移，学科的内容体系日益庞大，但因篇幅所限，任何地球化学教科书都不可能对地球化学上述四方面的内容做出全面系统的阐述。

8本国外地球化学教科书，字数（折合为中文）从23万字到80万字，平均约58万字。从页码来看，最少248页，最多894页，不考虑开本大小，平均页数为608页。从内容分章看，最少有9章，最多有25章，平均15章，有的在章之上还分为4到5篇。可见作为一本主要对象是本科生的大学教科书，很难将所有地球化学内容都揽入其中。实际上这样做既不可能，也没有必要。

因此，地球化学教科书编著者所需要认真思考的，或许也是最难的就是限于篇幅教科书内容的取舍问题。

三、地球化学教科书内容体系的对比

1. 2000年前与2009年后的对比

由表1和表2可知，2000年前的4本地球化学教科书的主要特征就是相对比较全面，上述地球化学内容的4个方面都有涉足，如Krauskopf and Bird和Brownlow的书中，都单列有作用地球化学的篇章，特别是沉积作用、岩浆作用与变质作用地球化学。Krauskopf and Bird的书中还专列了热液矿床地球化学一章，说明当时正值国际上矿产资源寻找的高峰期，体现了社会对矿床地球化学研究需求旺盛的特征。Faure的书中还单列出地球化学在解决全球问题方面的应用一篇，包含7章内容，占全书25章篇幅的近30%。

受教科书篇幅约束，2009年以来地球化学教科书内容体系的发展趋势是，更加突出地球化学内容体系中作为理论基础和基本原理部分的内容，相对弱化地球化学过程和地球化学应用所占的篇幅和比例。在2009年后出版的4本教科书中，基本上没有作用地球化学和应用地球化学的章节。尽管如此，教科书篇幅之庞大仍然很明显，如White的书达80万字，Walther的书达100万字以上。

2.美国和欧洲教科书的对比

与美国教科书相比，来自欧洲的两本教科书很有特色。Ottonello的教科书内容庞大，含有4 篇11章，篇幅近900页，是页码最多的教科书。它的特色也很鲜明，如同书名所示:Principles of Geochemistry》主要内容基本上围绕地球化学原理展开。包括晶体地球化学、硅酸盐熔体地球化学、流体地球化学以及地球化学方法四部分。第四篇的地球化学方法包括两章:微量元素地球化学和同位素地球化学，占143页，占全书总内容的18%。包括稳定和放射性同位素在内同位素地球化学只有93页。另一本为法国Albarede教授编著的《Geochemistry : An Introduction》，确实如书名所写，是一本地球化学引论，只有英文单词约15万字，约合中文23万字。尽管篇幅不大，但涵盖的内容仍然相当广泛，内容精炼，文字简洁，适于阅读。该书最大特色就是如许多欧洲学者的著述那样，对问题的论述充满哲理和思辨性。书中有一用猫和狗、黑猫和白猫对比来阐明元素分异和同位素分馏之区别的卡通图，把一枯燥深奥的科学问题拟人化解为可爱的宠物形象，使读者对两个概念既理解透彻又印象深刻，是一值得学习的最佳教学范例。

3. 两本国内版教科书与国外教科书的对比

出版于2004年、由陈俊和王鹤年主编的《地球化学》，内容庞大，分为十三章，内容体系类似于国外2000年前的教科书，有5章内容涉及作用和应用地球化学。出版于2013年、由张德会和赵仑山主编的《地球化学》内容体系与国外2009年后的教科书更为相似，更加突出和加重了地球化学原理和方法内容所占的份量。

四、 国外地球化学教科书内容体系的特征

将中外地球化学教科书进行对比，获得启示，找到差距，在新编或再版《地球化学》教科书时进一步提高教材的学术水平，追赶学科前沿，适应学科快速发展的趋势，满足学界对地球化学教科书内容更新的需求。纵观国外教科书内容体系和学科的发展趋势，有如下几个鲜明特征:

（1）突出加强地球化学热力学内容的阐述。Rock and Casey指出（1999），地球化学热力学是地球化学的第一工具。作为本科生的地球化学教科书，地球化学阐述的内容是地球化学平衡体系，地球化学作用基本是在一个地球化学体系中进行的。因此，地球化学热力学的基本概念、三大定律以及多组分体系的热力学等内容，是深刻理解元素的地球化学迁移、地球化学作用和过程的第一工具。许多教科书在这方面不惜笔墨，如White（2013）的教科书热力学论述占了1/4篇幅。McSween等（2003）书中5章都是热力学方面的内容，占总篇幅15章的1/3。实际上地球化学教科书始终都贯穿着地球化学热力学的内容和思维，并且也大多被安排在教材前面几章进行阐述。

（2） 基本都含有地球化学动力学的内容。除少数以外，大多数教科书都含有地球化学动力学内容，且多单列为一章。说明地球化学热力学解答的只是地球化学反应是否能够进行以及反应进行的方向等问题，而不涉及地球化学过程。地球化学热力学的“不”是绝对的，然而“是”实际上只是一种可能性，这种可能性取决于反应进行的速率，这就涉及地球化学动力学问题。最终解决地球化学过程（作用）的问题只能依赖于地球化学动力学。

（3）元素地球化学性质、化学键和晶体化学等，是大多数教科书不可回避的内容。这与地球化学研究的对象是自然界的元素及其地球化学性质有关，而地球化学性质又直接决定了元素在地球化学迁移和反应过程中的行为和特征。元素在自然界多存在于固体地球的矿物岩石中，因此晶体化学包括元素类质同象是教学必须讲授的内容之一。

（4）水或流体化学是必不可少的内容。这归结为因元素丰度决定了水溶液或流体是地质体系两大迁移介质之一（另一个是硅酸盐熔体），而地球化学过程绝大多数又都是水—岩反应的原因。水地球化学，英文为aquatic geochemistry，是适应于当今固体地球向流体地球思维转变的大趋势。没有水，就没有花岗岩，就没有海洋，就没有大陆。水是我们这颗充满生机蓬勃发育的地球与太阳系其他行星最大的区别之一。

（5）所有地球化学教科书都含有同位素包括稳定和放射性同位素以及地质年代学的内容，原因是不言自明的。但这部分内容所占篇幅的多少、论述的深入程度等还是有所差异。如Ottonello书中这部分内容所占篇幅不大。这就要从地球化学学科整体和全局来考虑，因为还有单独出版的地球化学分支同位素地球化学，包括有关稳定同位素或放射性同位素地球化学的教科书。

（6） 微量元素地球化学内容，多数教科书中并未将其单列为一章，而是将其包含于其他章节中，如固体地球、地核—地幔—地壳系统以及岩浆作用地球化学等章中。

（7）多数教科书都有有机地球化学或生物地球化学一章，或与风化作用或碳循环等相联系组成章节。

（8）大多数教科书未将元素在太阳系和地球系统中的分布和分配，即元素丰度和克拉克值等单列为一章，而是分布在其他章节中。

（9）值得借鉴的是，所有教科书都有附在最后的名词索引。

五、 国外地球化学教科书内容体系的启示和思考

由于“地球化学”学科发展的迅猛和内涵外延的扩张，力图通过一本教科书将所有地球化学的教学内容都囊括其中的想法是不切实际的，在将其作为本科生48～64学时教学时长的教科书，内容必须有所取舍，重点必须明确突出。教科书内容体系的总体发展趋势是:加强地球化学热力学内容的系统阐述，夯实地球化学研究的平衡热力学基础；作为发展的方向，适当介绍地球化学动力学的内容；突出元素地球化学性质与晶体化学的内容，包括对相邻化学学科最新研究进展的引入，如离子电位和硬软酸碱原理等；作为元素地球化学迁移的两种主要介质:硅酸盐熔体和水溶流体的内容不可或缺，或者将其单列章节，或者将主要内容融入其他作用地球化学中进行阐述；微量元素地球化学和同位素地球化学是地球化学对地球科学最重要的研究方法上的两大贡献，应该单列章回进行深入的阐述。

1. 我们教科书的特色与优势

与国外过去20年主要地球化学教科书的对比，如同“以铜为镜可以正衣冠，以人为镜可以明是非”一样，以国外教科书为镜，可以知己的长处和不足，从而扬长补短，促使我们编著的地球化学教科书既能与科学发展同步，又能作为初学地球化学读者的适用教科书，从基本原理概念入手，达到地球化学教学之目的—学会地球化学思维方法。对比国外地球化学教科书，包括部分国内教科书，由张德会和赵仑山主编的《地球化学》有如下特色和优势。

作为本科生地球化学教科书需要讲授的最基本内容书中都有阐述。其特色和优点包括:将太阳系和地球系统化学元素的分布和分配单独列为第一章，其中含有宇宙（太阳系）、陨石、月球以及地球、地壳元素分布、分配和丰度的信息，蕴含着作为质量作用定律的元素丰度对于元素地球化学行为的约束原理；第二章为地球物质与元素的结合习性，亦即元素的地球化学性质和行为，以元素的地球化学亲和性为提纲和纽带将元素的分类、晶体化学、类质同象、元素存在形式等紧密地联系在一起；第三章为地球化学热力学和动力学的内容；第四章为元素的地球化学迁移，其中含有水（流体）地球化学和硅酸盐熔体地球化学的内容；第五章为微量元素地球化学，以能斯特分配定律为基本原理，深刻阐明了元素分配系数及其地球化学意义，将稀土元素地球化学作为实例单列一节，有其作为微量元素示踪剂的深刻内涵意义；第六章和第七章为放射性同位素和稳定同位素地球化学；第八章为有机地球化学；第九章为历史地球化学。

整个地球化学教科书体系是以元素及其同位素为主要研究对象。地球与有关天体中的元素具有量和质的双重属性。元素分布及丰度就是体现元素量的一面，继而进入阐述元素质的另一面，即元素的地球化学性质；元素的性质和行为体现在迁移过程中，即元素的地球化学迁移；物质世界中元素处于永恒的运动中，运动和迁移中的元素需要驱动能量，由此引入能量守恒与转化的基本原理:地球化学热力学和地球化学动力学；元素的地球化学迁移主要体现在两种主要地壳流体，即水流体和硅酸盐熔体中的迁移；最后是地球化学两种主要研究方法:微量元素和同位素地球化学。前者受能斯特分配定律控制，后者受同位素衰变定律和同位素分馏效应控制，为地质作用过程提供绝对年龄确定和示踪研究的独特方法。

此外，与国内外教科书对比，该教科书最大的亮点就是将美国学者Railsback 2003年发表在《Geology》上的《地球科学家用的元素及其离子周期表》引入教科书中。这一新的周期表是在离子电位和硬软酸碱原理基础之上，根据硬软酸碱原理将周期表从左到右分为6个区块:稀有气体区、硬或A型（没有最外层电子）阳离子区、过渡阳离子到软或B型（至少含有一些最外层电子）阳离子区、天然单质（不带电荷）元素区、阴离子区和稀有气体区。再根据离子电位等值线将各区块元素连接在一起。与传统周期表相比，新表建立在基础化学最新研究进展基础上，极大深化了对作为离子形式存在的元素地球化学性质的理解。新周期表是地球化学整体论的充分体现，是对地球、地壳、海洋等地球化学体系元素共生组合和演化趋势的综合，赋予元素地球化学亲和性一种更清晰的多维标度下的透视，具有比其他周期表更为独特的不可替代的优势，必将成为地质学和地球化学的必修内容和入门工具。

2.我们教科书的不足之处

与国外教科书对比，我们的教科书尚存在如下不足之处。（1）地球化学热力学部分的阐述尚显薄弱，特别是与地球化学应用的紧密结合有待强化。一些内容需要加以补充，如地质温度计和地质压力计的内容，有关地球和地壳温度、热流和压力等物理化学状态的基础内容（Walther， 2009）等。（2）部分内容的论述需要进一步优化，如放射性同位素地球化学部分。不依定年方法不同来分节阐述，代之以针对同位素衰变方程，根据确定和得到自然体系形成时母体同位素原子数P0方法的不同，将同位素计时方法分为:①直接确定P0的放射性核素测定法，如14C法。②忽略D0（初始子体同位素原子数）的高母/子体比值体系法，如K-Ar法，锆石U-Pb法等。③低母/子体比值体系年龄确定的等时线法，如Rb-Sr， Re-Os等方法。这种基于原理的方法阐述可能更易于为读者所接受。（3）历史地球化学的取舍。多数教科书没有这部分内容，可以考虑根据教科书篇幅加以取舍。如果需要，该部分内容也还需要进一步提炼精华。

六、结语

地球化学是一门博大精深的地球科学基础学科，是地球科学与化学的联姻，或者说是使用化学原理来理解地球和阐明地质过程是如何运行的。地球化学已经成为一门成熟的科学，在地球科学中起着中心学科的作用。过去3/4个世纪以来发展迅猛，从建立岩石、土壤、水、地壳和地幔物质化学组成的分析方法角度出发，已经成为地球科学中解疑释惑的学科 （Allegre，1995）。地球化学将许多大胆的推测转化为理解（Faure，1998）。地球化学的魅力主要在于它所处的精确科学（化学、物理和数学）与自然科学之间的中间位置（Ottonello，1997）。将地球化学这一令人着迷学科的内容真实准确地体现在所编著的教科书中，使读者在学习地球化学精华时能够沉醉于其中蕴含的深厚科学原理之中而流连忘返，手不释卷，应当是教科书编写者继续努力的方向。

［1］ 张德会，赵仑山.地球化学［M］.北京:地质出版社，2013：1-534.

［2］ 陈俊，王鹤年.地球化学［M］.北京:科学出版社，2004：1-418.

［3］ Albarede F. Geochemistry: An introduction（2nded ）［M］. Cambridge: Cambridge University Press， 2009.

［4］ Allegre C J. Foreword［M］//Albarede F. Introduction to Geochemical Modeling. Cambridge: Cambridge University Press，1995.

［5］ Brownlow A H. Geochemistry（2nded） ［M］. Upper Saddle River: Prentice Hall， 1996:1-580.

［6］ Faure G. Principles and Applications of Geochemistry（2nded） ［M］. Upper Saddle River: Prentice Hall， 1998: 1-600.

［7］ Krauskopf K B， Bird D K. Introduction to Geochemistry（3rded） ［M］. New York: McGraw-Hill Book Company， 1995:1-647.

［8］ Li Yuan-Hui. A Compendium of Geochemistry［M］. Princeton: Princeton University Press， 2000:1-475.

［9］ McSween Jr H Y ， Richarddson S M，et al. Geochemistry:Pathway and Processes（2nded） ［M］. New York: Columbia University Press，2003:1-363.

［10］ Misra K C. Introduction to Geochemistry［M］. Chichester: WILEY-BLACK WELL， 2012:1-438.

［11］ Ottonello G. Principles of Geochemistry［M］. New York: Columbia University Press， 1997:1-894.

［12］ Railsback B. An earth scientist's periodic table of the elements and their ions［J］. Geology，31（9）:737-740.

［13］ Rock P A， Casey W H. Geochemical thermodynamics［M］// Marshall C P， Fairbridge R W. Encyclopedia of Geochemistry. Dordrecht: Kluwer Academic Publishers， 1999:271-277.

［14］ Walther J V. Essentials of Geochemistry（2nded） ［M］. Sudbury: Jones and Bartlett Publishers， 2009:1-797.

［15］ White W M. Geochemistry［M］. Chichester: WILEY-BLACK WELL， 2013:1-660.

geochemistry； textbook； content system； comparison between China and foreign countries

G642

A

1006-9372（2015）02-0081-06

2015-03-02；

2015-04-01。

中国地质大学（北京）2014年度教学研究与教学改革项目。

张德会，男，教授，博士生导师，主要从事地球化学的教学和研究工作。

投稿网址： www.chinageoeducation.net.cn 联系邮箱:bjb3162@cugb.edu.cn

引用格式:张德会.中外《地球化学》教科书内容体系的对比与启示［J］.中国地质教育，2015，24（2）:81-86.

Title: Comparison and Enlightenment of Content System of Geochemistry Textbooks at Home and Abroad

Author（s）: ZHANG De-Hui