“數據”在地球化學教學中的應用探討①

張天繼

(1.青海大學地質工程系，青海西寧810016;2.青藏高原北緣新生代資源環境重點實驗室，青海西寧810016)

地球化學是地球科學與化學的交叉學科，它與側重于自然地質現象描述的傳統地學相比，不僅有著定性描述的特點，還具有用“化學”數據來做半定量－定量解釋的特點。隨著社會和科學技術的迅速發展，精密和先進的分析測試儀器的成功研制，可以使我們獲得大量的地球化學數據信息，這促進了當代地球化學的研究范圍和研究課題不斷擴大，在礦產資源和能源的開發，人居環境與自然災害防治和研究，以及地球科學基礎理論的研究與應用等方面起著越來越多的作用。在地學院校及系所中，面向地質、礦產專業的學生普遍開設地球化學課程。

青海大學資源勘查工程專業自2004年恢復開設以來，地球化學一直是一門重要的專業基礎課。本著為青藏高原礦產資源開發服務、培養應用型人才的宗旨，該課程的教學目的是使學生不僅建立地球化學科學思維方法，更重要的是掌握分析研究各種地質作用地球化學機理的基本技能，具備應用地球化學理論和方法解決實際問題的能力，從而在走上工作崗位后，更好地服務地方經濟發展。

筆者在承擔“地球化學”授課任務時，最初是按照傳統的授課方式進行授課，教學結構和內容以及教學思維是根據選用的教材框架的安排，在課程講授過程中注重地球化學理論知識的闡述，雖有一些實際應用的穿插，但是不夠深入，理論講授與實例講解相脫離。這樣使學生對課本知識的認識停留在文字認知階段而非本質認知和拓展認知，學生在學習過程中甚至考試結束之后仍然不知道自己所學的知識能在什么地方應用，怎么應用，結果導致學生學習目的性模糊，學習興趣不高，最終是教與學兩方面都理論與實際脫節。注意到這些問題后，筆者等在教研室的支持下進行教學上的改革。注意到地球化學數據在理論教學及實驗教學中的作用，將地球化學數據的獲取、處理、理論依據、解釋等一系列過程做為貫穿教學的主線，對每一個教學環節進行了精心的設計。

一 地球化學數據介紹

1.地球化學數據的類型

一般來說，地球化學數據有主量元素、微量元素、放射性成因同位素、穩定同位素數據［1］。

主量元素一般指在體系中占絕對多量的元素，如Si，Al，Fe，Mg，K等，一般用氧化物重量百分數來表示他們的含量。一些揮發成份如H2O，CO2和S一般也包括在主要元素分析數據中。微量元素是指在體系中含量低于0.1%的那些元素。放射性成因同位素包括那些因天然放射性而自發衰變的同位素以及衰變體系的最終子體。地球化學中的穩定同位素一般指那些因質量差異而發生同位素之間分餾的輕穩定同位素。

2.地球化學數據的應用

地球化學因其眾多的分支學科而難以總結地球化學數據的應用領域，但毋庸置疑的是它的廣泛應用。在本科教學過程中，我們也是僅對它在地質礦產方面的應用做簡單的介紹。而在地質和礦產方面，它們的主要應用體現在:主量元素在巖石分類、定名方面的應用，微量元素在示蹤方面的應用，放射性成因同位素數據在測年及示蹤方面的應用，穩定同位素在測溫、示蹤方面的應用［2-3］。

二 課程內容安排

國內高校開設的大學本科地球化學課程，教材一般選用韓吟文主編的《地球化學》(2003年出版)［2］，最新的教材有張宏飛、高山主編的《地球化學》(2012年出版)［3］，課時量主要安排為48課時左右，教學內容主要包括太陽系和地球系統元素的豐度、元素結合規律和賦存形式、微量元素地球化學、同位素地球化學等。從選用的教材和教學內容上不難看出，教學中是需要運用大量地球化學數據來說明問題的(如表1)。

三 教學過程探討

1.教學前數據的準備

青海大學地質系恢復辦學時間較短，硬件設施不能和國內其他高校相比，缺乏元素測試分析儀器，學生缺乏動手實踐的機會，因此授課教師要準備教學中適用的地球化學數據來輔助教學。筆者選擇了東昆侖祁漫塔格地區基礎地質、礦區地質的大量地球化學數據來進行教學。祁漫塔格地區具有優越的成礦條件［4］，是國家“十二五”地質勘查規劃的十大資源戰略基地之一，近年來地質勘查成果也較為豐富，大量的地球化學數據適合用于教學。

表1 地球化學課程教學內容

2.教學過程

該課程的教學，是在學生理解地球化學理論的基礎上，著重強調學生對知識的運用，培養學生動手能力。結合教學條件，對學生的培養主要是地球化學數據的處理，因而按照地球化學數據類型，將教學內容分成六部分，每一部分融入相應的地球化學數據。具體教學過程如下。

第一部分主要是對課程的了解認識部分，用2個課時來完成。主要講解本課程體系、教學要求、學習方法，以及本課程在專業學習中的地位和意義。課堂中給出一些地球化學方法解決地質問題的實例，激發學生興趣。同時介紹教學所用地球化學數據的來源，介紹祁漫塔格地區的地質背景，為理解和處理地球化學數據打下基礎。

第二部分為主量元素教學。共安排4個課時的教學和2個課時的實驗。前兩個課時安排為介紹巖石化學數據的應用前的檢查與調整及應用，后面兩個課時放在實驗之后。實驗環節介紹現在最常用的地球化學小軟件Geokit［5］，并處理原始數據。安排這一環節的教學，主要是考慮到巖石化學的教學在《巖石學》教學中的缺失。從多所設置地礦類專業高校來看，由于近年來專業課時的壓縮調整，巖石學的教學內容中多不安排巖石化學數據處理教學，或者做簡單介紹，而《地球化學》教材中普遍缺失這一環節。主量元素在巖石定名等方面有著廣泛的應用，作為培養應用型人才的高校，理當補充這些知識。在教學中，由于學生已經具備巖石學知識，而巖石學教材上也不乏巖石化學數據投點圖，由這一點切入到地球化學教學中，不僅能夠激發他們的興趣，而且有利于學生克服課程難學的心理，認真學好課程知識。在這一部分，課堂上圍繞“祁漫塔格地區巖石化學原始分析數據”，講解清楚這些數據從樣品的采集到分析的過程，在獲得原始數據后并不能馬上進行投影作圖來解釋地質現象，而是要進行檢查。因為主量元素是用氧化物重量百分數來表示他們的含量的，對于“Fe”，在還原環境呈+2價，地表樣品被氧化而呈+3價，不能代表其在地下深處的原始狀態，因而在數據處理過程中要根據應用情況進行調整。在講清楚數據的預處理后，結合巖石學教材，回顧巖石化學主要參數的計算，火成巖成巖系列，以及巖石類型圖解。在課堂結束時，留給學生一個問題:用什么軟件可以快速做成地球化學圖解?怎么做?并要求學生查閱文獻，在實習課上應用軟件處理數據。讓學生自己去探索，自己去研究。并將原始數據發到公共郵箱，讓學生可以先自己動手處理數據。在實習課上，將學生分成幾個小組，在用Excel完成數據預處理后，用預習的軟件來成圖，然后小組間交流。

在這個環節完成之后，根據教學經驗，這個時候學生基本上都有了學習熱情，可以適時講解元素的起源、演化、分配、遷移等基本知識。這些知識不需深入講解，因為這些知識與普通化學、普通地質學、結晶學與礦物學等有重復，例如類質同象內容，學生在結晶學中已經接觸并了解，課堂上針對地球化學內容做闡述。

第三部分安排為微量元素的教學。這一部分安排為8個課時的教學和2個課時的實驗以及2個課時的討論。對微量元素的把握主要是對微量元素分配定律的理解，這一點必須給學生講解清楚。學生對分配系數有了透徹的理解后，對巖漿作用過程中微量元素的定量模型才能有深刻的理解。這分別需要2個課時來進行講授。對于微量元素中一般做為整體活動的稀土元素，也需要2課時來講解。實驗環節主要是微量元素蛛網圖、稀土元素配分圖、稀土元素參數的計算，通過做圖和計算，學生把握得才能更深。微量元素的示蹤、測溫測壓方面的應用用2課時來做介紹。討論課則偏重對微量元素示蹤的研究，要求學生大量閱讀文獻，自己總結微量元素示蹤的應用，并進行舉例說明，以讀書報告的形式或者PPT的形式匯交，并請學生做匯報。這一環節一般安排在課程結束之際。

第四部分，是放射性成因同位素地球化學的教學工作。這一部分安排為12個課時的教學、2個課時實驗、2個課時討論。放射性同位素數據的主要應用是測年、示蹤方面。理論授課時使學生熟悉測年的基本原理，各種測年方法的適用范圍、數據處理與數據解釋。Isoplot(ver 3.0)是樣品的加權平均年齡計算及諧和圖的繪制采用的宏，加載在Excel中。實驗課時引導學生動手運用Isoplot處理同位素測年分析的原始數據，計算獲得年齡值，使他們更深層次地理解和掌握測年原理和所得數據的意義。討論課則探討放射性子體同位素及其穩定同位素的示蹤作用，同樣是由學生閱讀文獻總結，并通過匯報完成。

第五部分，是穩定同位素的教學，這一部分安排6個課時的理論教學和2課時的實驗環節。穩定同位素教學研究對象主要是一些輕穩定同位素如C、H、O、S、N等，主要通過這些同位素比值的變化來研究穩定同位素的分布規律和在各種條件下的遷移和演化規律，并運用這些規律來解釋物質來源及成因等地質問題。實驗課則是給出祁漫塔格地區科研中運用的數據，指導學生計算并分析其所代表的意義。

第六部分，簡介一些流體包裹體地球化學知識，用2個理論課時完成。根據目前的資料，從包裹體研究可以獲得下列主要參數，它們是:溫度、壓力、鹽度、成分、密度、流體體系、流體的 pH、流體的 Eh、流體的穩定同位素組成(δ18O、δD、δ13C 和 δ15N 等)、流體捕獲的時間(K － Ar、Rb－Sr和Sm－Nd年齡)、巖漿的冷卻史、流體的流動速率以及找礦暈等［6］。這些知識應用比較廣泛，但是多安排在研究生學習階段深入學習，對于本科生來說了解這種方法及其原理，有助于在工作需要時自己能夠快速入手進行自主學習研究。

四 效果評述

經過以上教學過程，學生基本上掌握了地球化學的思維，更重要的是會應用地球化學知識來解決地質問題，掌握了地球化學數據處理的小軟件GeoKit的使用，掌握了微量元素、稀土元素的處理及示蹤應用，學會處理放射性測年數據以獲得年齡，了解流體包裹體的一些前沿知識，真正達到了學以致用，學能致用的效果。

［1］Hugh R.Rollison.巖石地球化學［M］.楊學明，楊曉勇，陳雙喜，譯.合肥:中國科學技術大學出版社，2000.

［2］韓吟文，馬振東，張宏飛，等.地球化學［M］.北京:地質出版社，2003.

［3］張宏飛，高 山.地球化學［M］.北京:地質出版社，2012.

［4］李榮社，計文化.昆侖山及鄰區地質［M］.北京:地質出版社，2008.

［5］路遠發.GeoKit:一個用VBA構建的地球化學工具軟件包［J］.地球化學，2004，9，33(5):459 －464.

［6］盧煥章，范宏瑞，倪 培，等.流體包裹體［M］.北京:科學出版社，2004.