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咫尺理塘归去来Garrels-世界著名经济地质学家(四十二)

已有 4156 次阅读 2017-11-1 10:21 |系统分类:科普集锦

化学邂逅地质,恰如水滴浸润纸背,从此有了地球化学。地球化学发轫于十九世纪前半叶,兴盛于二十世纪后半叶,经过一百余年,无数地球化学学家的努力,如今她已广泛渗透于地学各个领域。生命的起源与演化,大气的对流与循环,矿产的形成与保存,年代的测量与确定,环境的污染与治理……无不用到地球化学。地球化学离不开科技进步,X射线衍射、核磁共振、拉曼与红外光谱、质谱计、离子探针、大型计算机等现代高新技术的应用将地球化学推向更快的速度,更高的灵敏度、准确度与精确度,从而使人类可以更好地了解地球家园,甚至宇宙空间。曾几何时,火成岩与变质岩因为矿物多样、晶体粗大便于研究,理所当然被看做地球化学系统,而沉积岩空产出大量矿产与石油却连个地球化学“候补委员”都谈不上,直到Robert M.Garrels的横空出世。Garrels对沉积岩地球化学之功绩可与Norman L.Bowen对火成岩地球化学之功绩相媲美。Garrels也如他的学生Helgeson一样将触角伸向了更宽广的天空,曲高弥寡、阳春白雪,才竹杖芒鞋、一蓑烟雨看别样风光,有他样人生。

Robert M.Garrels1916-1988,来自文献3

Garrels1916824日出生于密歇根州最大城市底特律(Detroit),是家中第二个孩子。他的父亲Margaret A. Garrels年轻时是一名优秀的运动员,曾经参加过1908年伦敦第四届夏季奥林匹克运动会,获得了110米栏亚军和铅球比赛第三名,同时还是美国国家足球队一员,退役后则成为一名颇有成就的化学家。Garrels继承了他父亲热爱运动的天赋,有一段时间,他是57岁以上成年组跳高与三级跳远世界纪录保持者。6-12岁时,Garrels来到了弗吉尼亚西南部山区,在爬山、游泳、游戏中度过了他快乐的童年。他喜欢玩耍妈妈洗衣服的肥皂水,由于肥皂的碱性作用,他的手指甲不幸脱落,算是科学给了他个小教训。后来Garrels在未出版的自传中概括了激励他走上科学道路的三个要素:第一是他父亲的专业及兴趣,常会接触到各种矿物岩石;第二是弗吉尼亚丰饶的物产。这里有大量盐矿,常会吸引动物的目光,更新世形成的化石在挖掘中也常被发现,环绕城镇的小山上则有许多古生代化石;第三则是一个叫James Moore的中年单身汉,他是一个一流的业余天文学家,使Garrels对宇宙产生了强烈的求知欲。12岁时,Garrels回到密歇根州Grosse Ile镇上中学,他数学、化学成绩突出,喜欢阅读与运动,在钢琴方面也有天赋。他第一次表现出对科学的兴趣来自自制了一台频闪观测器,以测量一家百货公司购物车车轮的转数,从而获得了丰厚的奖品。其实他也注意到车轮的旋转速度并不恒定,小小年纪心中就有了科学的怀疑精神。

1933年,Garrels考入密歇根大学人文科学学院,最初的想法是成为一名像他父亲一样的化学家或小说家。大学二年级由于不喜欢给他上课的化学老师开始厌恶起化学来,同时认识到即兴写作也非他的专长,他转向了地质,尽管当时他对地质了解甚少,但喜爱户外,热爱科学的不忘初心让他做出了影响一生的抉择。

1937年,Garrels毕业后去了西北大学研究生院,因为当时这所学校招聘助理教员,每月薪水50美金,而他所能找到最好的工作薪水也不过75美金。西北大学地质系虽然规模狭小,但是教学科研都出类拔萃,再加上许多优秀、热情的研究生同学,Garrels过得比较舒心惬意。他很快学完了地质课程,并重拾对化学的兴趣。John T.Stark教授知识面宽广,常故意持相反意见与学生就某一问题展开争论,学生都非常喜欢听他的课,Garrels也慢慢学会了这种方法并在实践中加以应用。Arthur L.Howland教授是他的硕士指导老师,当时在加拿大纽芬兰省有一个有关BIFBanded Iron Formation)沉积型铁矿的项目,1938Garrels作为助手陪伴开展了野外工作,从此拉开了GarrelsBIF浪漫共舞的序幕。1939Garrels硕士毕业了。

BIF铁矿,产于澳大利亚西部(来自维基百科)

Charles.H.Behre是他的博士指导老师,给他安排了一个有关密西西比河谷型铅锌矿硫化物成因课题,同时安排了化学系的F.T.Gucker教授指导他实验室工作。Gucker要求非常严格,每周都制定学习内容,并教会了许多他不曾掌握的化学知识,培养了他解决困难问题的自信心。这项研究主要在实验室进行,使用电化学技术分析水溶液中Pb-Cl体系的络合物形成问题。1941Garrels博士毕业了,获得了西北大学年度最佳论文Sigma Xi奖。在后来GSA的一次会议上,Garrels向与会人员陈述了地下水中金属络离子的运移问题,遗恨地是没有几个人积极响应,因为那时这个问题太前沿了,无人赏识。

博士毕业后,Garrels留在了西北大学当老师。1944年,由于二战,Garrels成为华盛顿美国地质调查局军事地质部门的一员,被派到夏威夷美国陆军工兵部队海岸工程局,为美国军队从日本手中夺取太平洋岛屿控制权做军事地质调查工作。他后来向别人透露,如果不是美国向日本广岛投放了两颗原子弹,他就要秘密被派往日本最大岛屿-本岛开展海岸填图和调查工作,以为美国军队攻占日本本土做先期准备。

1945年二战结束后,Garrels返回了西北大学,先后身为助理教授和副教授,研究矿床,教授普通地质学,1951年出版了《A Textbook of Geology,由于其内有大量物理、化学内容,销量并不大,但却明示了他看待地球科学的新思维,这种非同一般的思想认识,大大提前他那个时代要求。在这期间,他研究了水饱和岩石中的扩散,流体包裹体以推断Pb-Cl水溶液的温度条件和活度系数,克林顿铁矿(Clinton iron)以及晶体生长。1952年发表了使用pHEh对化学沉积岩分类的经典文献,几乎每一个当时研究沉积岩的学者都要阅读这篇文献,一时之间Eh-pH图成为Garrels的代名词。

1952Garrels离开西北大学去了美国地质调查局地球化学和岩石学分支机构,成为固体小组的一把手,注意力转向二战后兴起的UV元素的实验和理论地球化学研究,发表了大量与之相关的Eh-pH图。Garrels越来越不喜欢行政领导这个角色,乱事缠身,难以静心,还是搞研究比较惬意。1955年他接受了哈佛大学给他提供的副教授职位,1957年晋升为教授。实践证明这是一个正确的抉择,他的研究及教学蓬勃发展,放眼全美,只有在这里,学生能学到地球化学的实验与理论课程。Garrels的实验室成为“大学生活动中心”,测量Eh-pH,理论计算,让水通过土包,把硫化物放入有电极的溶液……1960年出版了《Mineral Equilibria at LowTemperature and Pressure》,书中详述了如何通过热力学资料建立的相图解决具体的地质问题,随后又出版了《Solutions, Minerals, and Equilibria》,这两本书被奉为经典,影响深远,SCI的高引用率说明了这点。除此之外,他还研究黄铁矿的氧化,碳酸盐的稳定以及海水中离子的活动性问题。

不知不觉,Garrels成了哈佛大学地质系主任,但实在不喜欢领导管理职务,1965年他二进西北大学。在这里通过和同事交流,他有了海水化学组分受海水与硅酸盐、碳酸盐反应影响的想法,逆风化作用的概念应运而生。即带入海洋的细粒不含阳离子的黏土物质通过吸收阳离子和SiO2,重新生成硅酸盐,从而导致CO2又从碳酸根释放出来,此类反应可以解释海水中组分平衡问题。他还研究了地下水的成因,泉水和湖水的化学组分,不可逆化学反应的理论计算。1971年出版了《Evolution of Sedimentary Rock》,书中详细论述了沉积物的风化、溶解、侵蚀、运移、沉积、成岩作用,统统纳入沉积岩化学循环的范畴,这个概念源于赫顿(Hutton),但一个半世纪后才真正开花结果。

1969年,Garrels去了斯克里普斯海洋研究所(Scripps Institution of Oceanography),在这里呆了2年,又去了夏威夷大学,又呆了2年。在这期间,他通过理论计算研究了硅酸盐的热力学性质,出版了经典的随地质时间推进CSO的循环文献,1980s大气中O的演化成为热点研究问题。今日,CSO的循环与沉积型硫化物(特别是黄铁矿)结合,科学家可以深入洞察自然变化与生命起源。1974年,Garrels三进西北大学,通过PCS用计算机模拟地球化学循环问题,预测显生宙岩石中SC同位素含量密切相关,这在后来得到了证实。

沉积硫化物同全球SCO循环的关系(来自文献7

1979年,他来到了圣彼得堡(St. Petersburg,)南佛罗里达大学,成为一名研究型教授。虽然已是六十花甲之年,但老夫聊发少年狂,思想活跃没有一点儿褪色,研究兴趣依然集中于CO2O2等气体的循环与演化问题。19875月,Garrels被诊断出癌症,这种情况下他与人合作出版了有关矿物热力学方面的一本书。他最后一篇文章又回到了他的起点,讨论了前寒武纪BIF铁矿的成矿模式。尽管化疗和放射性疗法使他本来就虚弱的身躯雪上加霜,他依然提笔回复了一些有关BIF铁矿成矿模式的评论,并在GSA会议上发言。198838日,Garrels闭上了双眼,与世长辞。他再也没有机会研究地球表面的起源与环境变迁了,再也没有机会到百慕大划船游泳,喝上几杯金汤力鸡尾酒(gin and tonic)了。

大西洋百慕大群岛(来自网络)

Garrels一生共经历两次婚姻,在二进西北大学期间,他与结婚29年的第一任妻子Jane离婚,随后在1970年娶了Cynthia A. HuntHunt不仅是他的第二任妻子,还是他灵感的启点,实际上他们一起合作还出版了两本书,婚后他们一直生活幸福,直到去世。Garrels去世时,Hunt正在参加一个学术会议,当消息传来时,许多人眼含泪光,Hunt强忍心痛,告诉大家要保持镇定,认真准备会议发言稿,不要去圣彼得堡,多么伟大的女人!

Garrels是个独树一帜的革命者,他不仅将物理化学带人地球科学,而且使地质学家理解并广泛应用。他使人类思考岩石循环与再循环,并使人们定量化明白地球化学循环的重要性。他告诉我们如何看待海水、湖水、泉水的成分,并用少量资料合理推断重要的结论。他发展推进了前寒武纪BIF铁矿的新思想。他从来不攻击或批评对手,他只是不同意他们的意见。无论对待天资聪颖还是资质愚钝的学生,他都一视同仁,耐心讲解。他幽默、谦逊、乐观、豁达,成为人们学习的榜样。他是地球化学领域的巨人,名望直逼V.M.Goldschmidt,他的陨落使地球科学的天空失去了一颗耀眼的星。

参考文献

1.William M.White,Geochemstry,John-HopkinsUniversity Press,2003,1-2

2.AlexanderE.Gates, A to Z of Earth Scientists,91-92

3.RobertA.Berner, Robert Minard Garrels1916-1988 in Biographical Memoirs Volume 61,National Academy Of Sciences Of The United States Of America,1992,195-212

4.Lee R.Kumps,Rock Stars-Robert M. Garrels,GSA Today,February 2016,20-21

5.L,L,Sloss andRobert A.Berner, Memorial to Robert M. Garrels 1916-1988, The GeologicalSociety of America,1989,5-10

6.Fred T.Mackenzie,Memorial of Robert Minard Garrels August 24,1916-March 8,American Mineralogist, 1988,Volume 74, 497-499

7.David Rickard,etal.,SedimentarySulfides,Elements ,2017,Vol.13,117-122




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