研究地球各圈層、宇宙天體以及各種地質作用中元素的豐度、存在形式、化學反應、分佈、遷移、分散、富集和演化規律的學科。地球化學的一個分支。元素地球化學研究對宇宙演化、地球形成、各種地質作用的元素示蹤、化學反應機理、礦產形成等規律和解決找礦技術、環境治理等實際問題有重要意義。
研究簡史 1929年，元素地球化學的創始人V.M.戈爾德施密特應用靈敏精確的定量量光譜法進行瞭硼、鎵、鍺、磷、鈦等元素的地球化學研究，1932年發表瞭《硼的地球化學》；1954年在他的《地球化學》專著中，論述瞭幾乎所有元素的地球化學行為。蘇聯地球化學傢V.I.維爾納茨基在《地球化學概論》(1934)中，論述瞭碘和溴的地球化學、遊離氧的歷史、錳的地球化學史、矽和地殼中的矽酸鹽、碳以及放射性元素的地球化學。1950年芬蘭K.蘭卡馬和Th.G.薩哈馬編寫的《地球化學》詳盡地論述瞭各種元素的地球化學行為。20世紀60年代末至70年代初，德國K.H.韋德波爾主編的《地球化學手冊》系統整理瞭各個元素的地球化學資料，堪稱是元素地球化學的經典文獻。稀有氣體元素地球化學及元素在生態系統和人類生活環境中的行為和作用的研究現已取得突出的進展。
中國元素地球化學研究開始於20世紀50年代。1963年出版的《中國鈮、鉭、稀土礦床、礦物及地球化學》和《中國鋰、鈹礦床、礦物及地球化學》兩本專著，總結瞭中國稀有和稀土元素地球化學的研究成果。此後南京大學地質系和中國科學院地球化學研究所都發表瞭華南花崗巖中微量元素的地球化學研究成果。1984年，劉英俊等編著的《元素地球化學》是該分支學科的一本比較系統的專著。
研究內容 元素地球化學一方面根據礦產資源、能源以及改善人類生活環境等方面的需要，著重研究諸如金、鎢、鐵、鍺、鉬、稀有元素、放射性元素等地球化學；另一方面根據研究地球演化、成巖成礦作用等基礎理論的需要，開展瞭稀土元素地球化學、微量元素地球化學及揮發性元素地球化學等方面的研究。前者著重探討元素的活動規律，尋找它的富集條件或構成礦床的可能性；後一方面重點探討元素的量變及組合規律，找出這種變化與地質及物理化學條件間的內在聯系。元素地球化學的研究內容主要包括：
①元素的物理、化學和晶體化學性質。包括元素的原子結構、各種物理及化學參數、晶體化學參數。根據元素的這些性質可從本質上闡明它們在各種地質作用中的行為特征。
②元素在自然界的分佈和分配。研究元素在宇宙、星球、隕石及地球中的豐度和元素在地殼中及不同巖石類型中的平均含量。
③元素的遷移形式及元素的賦存狀態。探討地球化學作用中元素遷移活動的溫度、壓力、酸堿度、氧化還原電位和能量變化等物理化學條件，揭示元素在自然界中各種賦存形式及其所占的比例等。
④元素的演化、循環歷史。研究元素在地球各時代和不同地質作用中的地球化學行為。從空間和時間上追蹤元素循環和演化的歷史。如元素在地球各層圈中的組合及富集規律：地核為Fe、Ni；下地幔特征元素組合為Mg、Fe、O；上地幔為Mg、Fe、Si、O；地殼為Si、Al、Na、K、O；水圈為H2O及溶解鹽類；大氣圈為N2、O2；生物圈為C、H、O、N、S、P。
⑤元素的共生組合關系及地球化學示蹤。元素的共生組合及其含量變化，可作為物質來源、地質構造環境，以及地質作用物理化學條件的示蹤劑，因此元素的組合和分類有成因意義。這方面的研究包括微量元素地球化學、稀土元素地球化學及稀有氣體地球化學等領域。如在地幔中，根據元素進入地幔主體礦物橄欖石、輝石和尖晶石結晶格架的難易程度，劃分為相容元素（如Ni、Co、Zn、Cr、Cu等）和不相容元素（Ti、Ca、Na、K、Rb、Cs、稀土元素、Nb、Ta、Zr、Pb、U、Th、Ba、Sr等）。文獻中也稱Be、Li、Si、Al等小離子為不相容元素。此外，在地幔中還有一組氣相揮發分元素（如H、He、F、Cl、Br、I、P、B、C、Hg、As、Sb、Se、Te、Ge等）存在。
⑥確定元素的富集途徑及主要礦床類型，指明找礦方向。隨著環境地球化學的興起，闡明元素在生態系統中各個環節的行為及其影響也受到重視。
⑦研究元素的地球化學分類。根據共同的地球化學性質和行為，可以對化學元素進行地球化學分類。維爾納茨基、戈爾德施密特、A.Ye.費爾斯曼、A.N.紮瓦裡茨基等都提出過不同的元素地球化學分類法。戈爾德施密特以地球起源和內部構造的假說為基礎，並根據化學元素的性質與其在各地圈內的分佈之間的關系，將元素分為4個地球化學組（見圖）：ⓐ
戈爾德施密特元素地球化學分類圖
親石元素（親氧元素），離子最外層具有2個或8個電子，呈惰性氣體型穩定結構，與O、F、Cl親和力強，多組成氧化物或含氧鹽，主要集中在巖石圈；ⓑ親銅元素（親硫元素），離子最外層具有18個電子的銅型結構，與S、Se、Te親和力強，多形成硫化物和復雜硫化物；ⓒ親鐵元素，離子最外層具有8～18個電子的過渡型結構，與O及S的親和力均較弱，集中在地球深部鐵鎳核中；ⓓ親氣元素，為惰性氣體，呈原子或分子狀態集中在地球的大氣圈中。此外，戈爾德施密特還劃分出親生物元素（C、H、O、N、S、P），富集在生物圈中。
研究方法 元素地球化學特別是對於微量元素和稀有元素的研究，與高精度、高靈敏度的分析技術、儀器進步和實驗室條件改善密不可分。各種地球化學模擬實驗，對於瞭解元素在地質作用中的遷移形式、沉淀富集條件、礦物形成條件、穩定范圍以及元素的地球化學行為等是重要的手段。同時運用物理化學、熱力學等基礎科學理論分析元素的地球化學性質和行為規律，以及元素在自然作用中富集分散的條件。
推薦書目
劉英俊等. 元素地球化學. 北京: 科學出版社, 1984.