地球化学复习要点及答案

绪论1.地球化学定义、研究对象、学科性质、研究的基本任务√定义：韦尔纳茨基(苏)于1922年提出：地球化学科学地研究地壳中的化学元素，即地壳的原子，在可能的范围内也研究整个地球的原子。地球化学研究原子的历史、它们在空间上和时间上的分配和运动，以及它们在地球上的成因关系。费尔斯曼(苏)在同年也提出了定义：地球化学科学地研究地壳中的化学元素—原子的历史及其在自然界各种不同的热力学与物理化学条件下的行为。德国著名的地球化学家戈尔德施密特于1933年认为：地球化学的主要目的，一方面是定量地确定地球及其各部分的成分，另一方面要发现控制各种元素分配的规律。美国地球化学委员会于1973年对地球化学的定义为：地球化学是关于地球和太阳系的化学成分及化学演化的一门科学，它包括了与它有关的一切科学的化学方面。1985年涂光炽提出的地球化学定义为：地球化学是研究地球（包括部分天体）的化学组成、化学作用和化学演化的科学。研究对象：地球化学以地球及其子系统为直接研究对象。性质：地球系统和太阳系的物质运动可以表现为力学的、物理学的、化学的和生物学的运动形式，而且各种运动形式相互作用，构成综合、复杂的高级运动。对地球及各子系统中各类基础运动形式的综合研究，是地球科学的目标和任务。地球物质的各种运动形式可互相依存、互相制约和互相转化。寓于地球物质运动中的不同运动形式总是相互依存、相互影响和相互制约，有着不可分割的联系。地球化学同地球物理学和地质学同为地球科学支持学科，他们均应考虑多种形式运动的因素，从而需要寓于地球系统物质运动中的某种形式基础运动的学科作为支撑。地球化学实质是研究地球物质化学运动的学科，他的产生与发展也是应地球科学为了实现自身的现代化，精确而重视吸收现代自然基础学科成果的表现之一。基本任务：地球化学的基本任务为研究地球的化学组成、化学作用及化学演化。2.地球化学体系3.地球化学与其他地质类学科的联系与区别地球化学的实质是研究地球物质化学运动的学科，是以地球物质运动和地质运动中客观存在的化学运动形式为依据，将地学需要与化学结合的边缘学科，并不断吸收现代自然基础科学，使之实现自身的现代化和精确化。地球化学的研究目标与其它地球科学一致，它与其它地球科学之间只是在解决问题的途径上有所不同。以地球及其子系统为直接研究对象的地学类学科均应考虑影响多种运动形式的因素，从而需要寓于地球系统物质运动中的某种形式基础运动的学科作为支撑。因此，地球化学与地球物理、地质学同为地球科学的支撑学科。第一章1.元素分布与分配概念元素分布是指元素在某个宇宙体或地质体(太阳、行星、陨石、地球、地圈、地壳)中的整体(平均)含量。分配是指元素在各宇宙体或地质体内部不同部分或区段中的含量。对元素分配进行观察的参考点来自元素的分布。2.元素丰度概念通常将化学元素在任何宇宙体或地球化学体系(如地球、地球各圈层或各个地质体等)中的平均含量称之为丰度。3.元素在地壳中的克拉克值和浓度克拉克值概念4.太阳系、地球及地壳中元素丰度的研究方法1）太阳和其它星系的辐射谱线研究2）陨石的研究3）宇航事业4）根据星体的密度和行星表面天文观察资料间接推断化学成分5.太阳系、地球及地壳中元素丰度特征并讨论它们的异同√太阳系：1）元素的丰度随着原子序数增大而降低。在低原子序数段，元素丰度降低较快；在原子序数Z45的区间则变为近似水平线。元素丰度与原子核的质量数和中子数之间也分别存在类似关系。2）原子序数为偶数的元素的丰度明显高于相邻原子序数为奇数的元素的丰度。同时具有偶数质量数(A)或偶数中子数(N)的同位素或核素的丰度也总是高于相邻具有奇数A或N的同位素或核素。3）质量数为4的倍数的核素或同位素具有较高的丰度，原子序数或中子数为“幻数”(2、8、20、50、83、126等)的核素或同位素分布最广、丰度最高。4）宇宙(太阳系)中丰度最高的元素为H和He；5）三种低原子序数的元素Li、Be和B在丰度曲线上相对周围的元素表现为明显亏损，与宇宙形成时这些元素的合成量较少有关；6）在元素丰度曲线上，相对于周边元素，Fe和O显示出含量“过剩”的高丰度特征。太阳系：HHeONeNCSiMgFeS地球：a地球的成分为原始地幔与地核成分之和。b.地球中丰度最高的四种元素是Fe，O，Mg，Si，他们构成了地球总质量的93%，地球与球粒陨石具有相似的元素丰度随挥发性变化而变化的趋势，尽管地球相当于球粒陨石更亏损。c.地球的Fe/Al比值为20+（—）2。地球：FeOMgSiNiSCaAlCoNa地壳：a.地壳中元素的相对平均含量极不均一。b.随着原子序数的增大，元素丰度曲线下降。与太阳系元素分布规律相似；多数偶数元素丰度大于奇数元素丰度。但这些规律远不如太阳系元素丰度曲线所反映的规律那么明显。c.对比地壳、整体地球和太阳系元素丰度特征可发现，它们在元素丰度的排序上有很大的不同：地壳：OSiAlFeCaNaKMgTiHd.现今地壳中元素丰度特征是由元素起源到太阳系、地球、地壳的形成和演化至今漫长时间累积的结果，并将继续发展变化。6.元素克拉克值的地球化学意义并举例说明1）控制元素的地球化学行为a.支配元素的地球化学行为例如：地球化学性质相似的碱金属（丰度高）K,Na天然水中高浓度，形成各种独立矿物（盐类矿床）（丰度低）Rb,Cs天然水中极低浓度,不能形成各种独立矿物，呈分散状态。b.限定自然界的矿物种类及种属实验室条件下：可合成数十万种化合物。自然界：只有3000多种矿物。矿物种属有限（硅酸盐25.5%；氧化物、氢氧化物12.7%；其他氧酸23.4%；硫化物、硫酸盐24.7%；卤化物5.8%；自然元素4.3%；其它3.3%）c.限制了自然体系的状态实验室条件下：可对体系赋予不同物理化学状态自然界：体系的状态受到限制，其中一个重要的因素就是元素丰度的影响O2（游离氧）氧化还原环境H+(pH)溶液的酸碱度d.对元素亲氧性和亲硫性的限定在O丰度高、S丰度低的地壳环境中，Ca元素显然是亲氧的。(地壳岩石中钙的主要矿物有哪些？)在类似地幔的环境中，陨石缺O富S，能形成CaS（褐硫钙石）2)地壳克拉克值可作为微量元素集中、分散的标尺a.可以为阐明地球化学省（场）特征提供标准。资源：Mo地壳丰度1×10-6，东秦岭Mo区域丰度2.3×10-6，是我国重要的Mo地球化学省。环境：克山病病区：土壤有效Mo、饮水Mo含量、主食中Mo含量普遍低于地壳背景，导致人体中Mo含量水平低，可诱发地方性心肌病b.指示特征的地球化学过程某些元素的克拉克比值相对稳定，当发现这些元素比值发生了变化，可指示曾经发生过特定性质的地球化学过程，即元素地球化学示踪。在地壳环境下，比值Th/U（3.3~3.5）、K/Rb、Zr/Hf和Nb/Ta中的元素性质相似，难以彼此分离(分异作用)，即有相对稳定的比值。若某地区、某地质体中的某元素组比值偏离了地壳正常比值，则意示着某种地质过程的发生。Th/U2铀矿化Th/U8-10钍矿化c.浓度克拉克值和浓集系数浓度克拉克值=某元素在某一地质体中平均含量某元素的克拉克值＞1意味该元素在地质体中发生了富集＜1意味该元素在地质体中发生了分散区域浓度克拉克值=某元素在区域内某一地质体中平均含量某区域元素的丰度值浓集系数=某元素最低可采品位某元素的克拉克值浓集系数反映了元素在地壳中倾向于发生富集的能力：浓集系数：Sb=25000;Hg=14000;Fe=67.地球和硅酸盐地球、原始地幔的元素丰度、相互关系与区别√1)地球的成分为原始地幔与地核成分之和，难容亲石元素在地球中的量与原始地幔中的量相同。2)地幔和地壳圈层的总和成为原始地幔，也成硅酸盐地球。3)与地球相比，原始地幔复函Fe-Ni元素，二缺乏硅酸盐相。8.区域地壳丰度的研究方法及研究意义1)它是决定区域地壳(岩石圈)体系化学特征的重要基础数据；2)为研究各类地质、地球化学作用、分析区域构造演化历史及区域成矿规律提供重要的基础资料；3)为研究区域生态环境，为工业、农业、畜牧业、医疗保健等事业提供重要信息(各省区的多目标地球化学调查项目)。9.地壳中各类岩浆岩元素丰度的基本特征大陆地壳在垂向上存在明显的变质分层：上地壳主要由未变质至绿片岩相的岩石和花岗质侵入体组成；中地壳主要由角闪岩相岩石组成(如英云闪长－奥长花岗－花岗闪长质片麻岩)；下地壳主要由麻粒岩相岩石组成。根据源区性质，大洋玄武岩可分为两类：产于洋中脊、代表亏损地幔来源的洋中脊玄武岩MORB(Mid-OceanRidgeBasalt)；产于大洋盆地、代表富集地幔来源的洋岛玄武岩OIB(OceanIslandBasalt)。MORB可分为正常型N-MORB和富集型E-MORB；而OIB的地幔源区可分为富集I型(EM-1)、富集II型(EM-2)和HIMU型(高µ值，µ=238U/204Pb)。大洋地壳与大陆地壳的微量元素组成存在差异：大洋MORB和OIB都表现出Pb的亏损(负异常)和Nb的富集(正异常)，而大陆地壳和来自大陆地壳的俯冲沉积物(GLOSS，GlobalSubductingSediment)均具有Pb富集和Nb亏损。这是区别大陆和大洋地壳的重要微量元素标志。10.地壳中元素分配不均一性的基本特征大陆上地壳具有花岗质的总体成分和明显的Eu负异常；大陆中地壳具有花岗闪长－英云闪长质的总体成分，SiO2含量介于62.4－69.4%之间；中地壳REE分配模式仅显示弱的负Eu异常或没有Eu异常，明显区别于大陆上地壳。根据出露下地壳剖面和麻粒岩地体方法获得的下地壳成分估值，明显较根据麻粒岩包体和地壳生长模型获得的下地壳成分估值要偏酸性；对来自世界不同地区的麻粒岩包体进行的研究表明，下地壳组成十分不均一，甚至来自同一地点的包体也可能高度不均一。相对于大陆上地壳，其下地壳明显亏损K和U，不具Eu异常或具Eu正异常.第二章复习题1、元素的地球化学亲和性地球化学亲和性：a.阳离子在自然体系中趋于与某种阴离子化合的倾向。b.自然体系中元素形成阳离子的能力及其选择性地与某种阴离子结合的特性。决定元素地球化学亲和性的因素：a.元素本身性质，即原子结构；b.元素发生结合时的物理化学条件(如不同氧逸度条件下金属元素的离子价态)2、Goldschmidt的元素地球化学分类a、亲石元素(SilicateLoving)离子的最外层电子层具有8个电子(S2P6)的惰性气体型稳定结构，容易与氧成键，主要集中于硅酸盐相。b、亲铜元素(SulfurLoving)离子的最外层电子层具有18个电子的铜型结构(s2p6d10)，在自然界中容易与硫形成化合物。这些元素在分配时，主要分配在硫化物相中。c、亲铁元素(IronLoving)离子最电子层具有8-18个电子的过渡型结构，这类元素同氧、硫的化合能力较差，倾向于形成自然元素，因此，这类元素倾向分配在金属相中。d、亲气元素(GasLoving)原子最外层具有8个电子，原子半径大，具有挥发性或易形成挥发性化合物趋向，主要分布在大气圈中。e、亲生物元素(Bio-loving)这类元素主要富集在生物圈中，如：C、H、O、P、N等。3、元素类质同像概念某种物质在一定的外界条件下结晶时，晶体中的部分构造位置被介质中的其他质点（原子、离子、络离子或分子）所占据，只引起晶格常数微小的改变，而晶格构造类型、化学键类型、离子正负电荷的平衡保持不变或相近，这种现象称类质同像。4、影响元素类质同像的晶体化学条件a.原子或离子半径相近在离子电价和离子类型相同的离子键化合物中，原子或离子半径相近时，易于发生类质同像。b.化学键类型相同或相似元素间具有相同或相近的键性，是发生元素类质同像的重要条件。c.代换前后总电价平衡“电价补偿”：对于离子化合物来说，类质同像替换前后，正负离子电荷须保持平衡，否则将破坏矿物晶格的稳定性。这是异价离子间发生类质同像的重要前提。d.矿物的晶体构造特征矿物晶体构造愈复杂、愈松弛(偏离最紧密堆积愈远)，元素间发生类质同像的可能性愈大、程度越高。e.能量