1908年，F.W.克拉克发表了《地球化学资料》，这是地球化学学科独立成型的标志。该书一版再版，第五版与华盛顿（H.S.Washington）合作，改名为《地壳组成》。这是世界第一部基础地球化学著作。这一时期地球化学不断地从化学、物理化学的发展中获得坚实的理论基础和分析测试手段，在日益深入研究地壳化学组成的同时，对地壳的某些化学作用和化学演化进行了研究，并逐步形成一门具独立的理论基础和研究方法的学科。这一时期在地球化学发展史上属于经典地球化学发展时期。
F.W.克拉克和H.S.华盛顿是代表人物，他们开创了研究地壳及其各部分化学组成的工作，发表了第一份地壳元素平均含量，即克拉克值表。这一期间，地球化学研究机构开始建立。如1907年成立的美国卡内基研究所地球物理实验室，该实验室的一些尖端领域也包括地球化学研究工作（“高温高压实验岩石学”、“氨基酸生物地球化学”和“同位素地球化学”等）。这个阶段主要是化学家在进行地球化学工作和资料积累工作。1912年A.E.费尔斯曼在莫斯科沙尼亚夫斯基人民大学设置了地球化学课程，标志着地球化学教育起步了。A.E.费尔斯曼在27岁的时候晋升为矿物学教授；1912年，A.E.费尔斯曼在讲课的时候一再特别强调说：“我们要做地壳的化学家。矿物只是各种元素暂时稳定的结合体，所以我们不但要研究矿物的分布和生成的情况，而且还要研究元素本身，研究元素的分布、变化和运动”。十月革命后不久，列宁格勒工艺学院开设了全世界第一个培养专门地球化学人才的地球化学系。
除了化学家以外，越来越多的地质学家、矿物学家投身于地球化学的研究行列，他们应用光谱半定量分析等手段和物理化学，尤其是晶体化学原理和方法，研究矿物、岩石及地质作用过程中元素的分配和运移规律，探讨元素-原子的运动历史。这一阶段的地球化学工作者也非常重视野外科研。例如，35岁就荣任前苏联科学院院士的A.E.费尔斯曼在阐述地球化学和矿物学的科学原理的时候都将野外调查资料列在第一位。在科拉半岛的希宾苔原，植物茂盛的费尔干流域，炎热的中亚细亚的卡拉-库姆沙漠和克孜勒-库姆沙漠，贝加尔湖沿岸和外贝加尔的大密林地区，森林密布的乌拉尔东部山坡，阿尔泰山，乌克兰，克里木，北高加索，南高加索等地，都留下了他的足迹、汗水和成果。A.E.费尔斯曼的著作是非常多的，他发表了将近1500种文章、书籍和长篇的专业论文，除了结晶学、矿物学、地质学、化学、地球化学、地理学和航空摄影测量方面的著述以外，在天文学、哲学、艺术、考古学、土壤学、生物学和其他方面也都有著述。A.E.费尔斯曼不仅是地球化学科学家，而且也是出色的政治家、社会活动家和天才的作家。托尔斯泰称赞他是“写石头的诗人”。
这一时期地球化学的主要代表人物还是挪威的V.M.戈尔德施密特，前苏联的B.И.维尔纳茨基和A.E.费尔斯曼，他们对地球化学的发展都做出了重要的贡献。在20世纪40年代，美国学者修斯（H.E.Suess）和尤里（H.C.Urey）提出了核素宇宙丰度的概念，为宇宙化学（天体化学）的创立做出了贡献。另外，在这个阶段中，由于地球化学的发展，系统的地球化学专著开始出版，如B.И.维尔纳茨基的《地球化学概论》（1924）、《生物圈》（1926）和《生物地球化学概论》（1940），A.E.费尔斯曼1934～1939年完成的四卷本《地球化学》，B.B.谢尔宾纳的《地球化学》（1941）等。地球化学学术活动明显增加。
由上述可见，这一时期的研究领域是地球的岩石圈、水圈、大气圈和生物圈，也包括部分天体化学。研究内容是化学元素（呈原子或离子形式）的分布和迁移；研究手段主要是无机化学、分析化学和晶体化学方法。这些都是地球化学兴旺发达的表现。
经典地球化学分为三大学派。
1）F.W.克拉克学派：这一学派着重研究化学元素在地壳中的分布及其丰度值，这里所指的地壳包括岩石圈、水圈、大气圈和生物圈。
2）B.И.维尔纳茨基-A.E.费尔斯曼学派：这个学派认为地球化学应该研究地壳中原子的历史、分布和迁移以及原子的成因，B.И.维尔纳茨基开创了生物地球化学和放射性同位素地球化学的研究，首先提出地球化学旋回的概念，并用它阐述化学元素在前后相继的地球化学作用中的演变历史。A.E.费尔斯曼开创区域地球化学和地球化学找矿法，提出晶格能和共生序数等。
3）V.M.戈尔德施密特学派：被誉为现代地球化学之父的V.M.戈尔德施密特1917年在挪威奥斯陆创立了晶体化学新学科。这个学派在晶体化学基础上开创了微量元素地球化学的研究，揭示了微量元素在岩石及矿物中存在的形式和分布规律。1930年V.M.戈尔德施密特在德国哥廷根大学建立了地球化学研究中心，将化学元素性状的概念引入地球化学，创立了“哥廷根大学”学派。1933年他提出了晶体化学第一定律，并拟定了元素地球化学分类。后来他又提出了地球化学循环的概念（国家自然科学基金委员会，1996）。他有远见地指出地球化学不仅要研究元素的分布和丰度，而且要研究同位素的分布和丰度以及支配其分布的规律。他指出不仅要研究地球的物质成分，还要研究宇宙的物质成分。他提出的地球化学平衡的计算也是开创性的成果。
这一时期，中国的地球化学先驱者做了不少工作。例如，谢家荣（1923）、章鸿钊（1927）、朱文鑫（1933）收集和描述过中国的陨石。1924年，《中国地质学会会志》第3卷第2期上，舒文博发表了《河南北部红山侵入体地质调查结果》，李四光发表了《火成侵入体地质调查之新法》。谭勤余（1935）将В.И.维尔纳茨基的《地球化学》译成中文介绍给国人，促进了地球化学思想在中国科技界的传播。地球化学思想在近代中国开始传播和兴起。
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