地球化学产生于20世纪，但地球化学的萌芽思想却源远流长。2500年前我国的《山海经》中就描述了70多种金属和非金属矿物及其产地；西周时期我国就对地球物质状态进行了分类，“五行”说把自然物质分为“水、火、木、金、土”。距今1500年前的“地镜图”中：“草茎赤秀，下有铅；草茎黄秀，下有铜……”亚里士多德将地球物质运动看成是四元素（火、气、土、水）与四性（热、冷、干、湿）的结合和变化转换等。

18世纪起，在矿物学和矿床学研究的基础上地球化学资料开始迅速积累。18世纪后期，工业革命促进了采矿和地质学的迅猛发展，分析化学中的重量分析、容量分析逐渐完善；化学元素周期律的发现以及原子结构理论的重大突破，为地球化学的形成奠定了基础。

1938年瑞士化学家舍恩拜因第一次提出了“地球化学”这个名词。1842年他语言“一定要有了地球化学，才能有真正的地质学家”。20世纪前半叶，在结晶学、矿物学、物理学和化学等有关学科研究不断深入的基础上，地球化学学科应用而生。

美国克拉克（F.W.Clarke）致力于探讨地壳、水圈和气圈的平均化学水平。1908年，克拉克发表《地球化学资料》（date of geochemistry）一书。在这部著作中，克拉克广泛地汇集和计算了地壳及其各部分的化学组成。1905年美国华盛顿卡耐基研究所建立了“地球物理实验室”，将物理化学原理应用于地质过程的研究，开辟了试验地球化学方向。

同一时期，挪威沃格特和布勒格创立了另一个地球化学派。随后，戈尔德施密特在《元素的地球化学分布规则》中指出化学元素在地球上的分布，不仅与其原子的物理化学性质有关，而且还与它在晶格中的行为特性有关。1938年他进一步成功地阐明了元素在矿物中地分配和结合规律。结合定量光谱分析方法，他在元素地球化学研究方面取得了重要成果。

1922年费尔斯曼发表《俄罗斯地球化学》一书，系统论述了各地区的地球化学，是第一部区域地球化学基础著作。1924年维尔纳茨基发表了《地球化学概论》一书，首次为地球化学提出了研究原子历史的任务，最先注意到生物对于地壳、生物圈中化学元素迁移、富集和分散的巨大作用。1927年他组织和领导了世界上第一个地球化学研究机构——生物地球化学实验室。

与此同时，放射性衰变规律的认识、同位素的发现、质谱仪的发明与改进，导致了同位素地球化学，特别是同位素地质年代学的开拓。

20世纪70年代以来，地球化学进入了现代地球化学发展阶段。各种精密、灵敏、高效地分析技术不断引入微区、微量分析和试验模拟技术不断得到改进；随宇航、超深钻、深海探测等研究地进展，人类得以更全民深入地观察和认识地球。基础学科成果地引入和广泛运用，提高了地球化学地理解能力和认识深度。另外，地球化学与相邻学科地相互渗透和结合，推动着它不断开拓前进，使得地球化学地分支早已超过20多个。

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