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地球化學主要研究地球和地質體中元素及其同位素的組成，定量地測定元素及其同位素在地球各個部分(如水圈、氣圈、生物圈、巖石圈)和地質體中的分布；研究地球表面和內部及某些天體中進行的化學作用，揭示元素及其同位素的遷移、富集和分散規律；研究地球乃至天體的化學演化，即研究地球各個部分，如大氣圈、水圈、地殼、地幔、地核中和各種巖類以及各種地質體中化學元素的平衡、旋回，在時間和空間上的變化規律。

基于研究對象和手段不同，地球化學形成了一些分支學科。

元素地球化學是從巖石等天然樣品中化學元素含量與組合出發，

比如已經測得太陽系各行星形成的年齡為45～46億年，太陽系元素的年齡為50～58億年等等。另外在礦產資源研究中，

有機地球化學是研究自然界產出的有機質的組成、結構、性質、空間分布、在地球歷史中的演化規律以及它們參與地質作用對元素分散富集的影響。生命起源的研究就是有機地球化學的重要內容之一。

天體化學是研究元素和核素的起源，元素的宇宙豐度，宇宙物質的元素組成和同位親組成及其變異，天體形成的物理化學條件及在空間、時間的分布、變化規律。

環境地球化學是研究人類生存環境的化學組成化學作用、化學演化及其與人類的相互關系，

礦床地球化學是研究礦床的化學組成、化學作用和化學演化。著重探討成礦的時間、物理化學條件、礦質來源和機理等問題。它綜合元素地球化學、同位素地球化學、勘查地球化學和實驗地球化學等分支學科的研究方法和成果，為礦產的尋找、評價、開發利用服務。

區域地球化學是研究一定地區某些地質體和圈層的化學組成、化學作用和化學演化，為劃分元素地球化學區和成礦遠景區提供了依據。

勘查地球化學是通過對成礦元素和相關元素在不同地質體及區帶的含量和分布研究，

導致發現地幔組成的不均一性(垂向的和區域的)，

在研究方法上，地球化學綜合地質學、化學和物理學等的基本研究方法和技術，形成的一套較為完整和系統的地球化學研究方法。這些方法主要包括：

在思維方法上，對大量自然現象的觀察資料和巖石、礦物中元素含量分析數據的綜合整理，廣泛采用歸納法，得出規律，建立各種模型，用文字或圖表來表達，稱為模式原則。

如量子力學、化學熱力學、化學動力學核子物理學等，以及電子計算技術的應用使地球化學提高了推斷能力和預測水平。

地球化學的分析測試手段也將更為精確快速，微量、超微量分析測試技術的發展，將可獲得超微區范圍內和超微量樣品中元素、同位素分布和組成資料。