地球化学(复习资料)

第一章1.克拉克值：元素在地壳中的丰度，称为克拉克值。元素在宇宙体或地球化学系统中的平均含量称之为丰度。丰度通常用重量百分数（%），PPM（百万分之一）或g/t表示。2.富集矿物:指所研究元素在其中的含量大大超过它在岩石总体平均含量的那种矿物。3.载体矿物:指岩石中所研究元素的主要量分布于其中的那种矿物。4.浓集系数=工业利用的最低品位/克拉克值。为某元素在矿床中可工业利用的最低品位与其克拉克值之比。5.球粒陨石：是石陨石的一种。（约占陨石的84%）：含有球体，具有球粒构造，球粒一般为橄榄石和斜方辉石。基质由镍铁、陨硫铁、斜长石、橄榄石、辉石组成。划分为：E群——顽火辉石球粒陨石，比较稀少；O群——普通球粒陨石:H亚群—高铁群，橄榄石古铜辉石球粒损石；L亚群—低铁群，橄榄紫苏辉石球粒陨石；LL亚群—低铁低金属亚群；C群——碳质球粒陨石，含有碳的有机化合物和含水硅酸盐，如烷烃、芳烃、烯烃、氨基酸、卤化物、硫代化合物等。为研究生命起源提供重要信息。分Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型。Ⅰ型其非挥发性组成代表了太阳系星云的非挥发性元素丰度。6.浓度克拉克值=某元素在地质体中的平均含量/克拉克值,反映地质体中某元素的浓集程度。1.陨石在地化研究中的意义：（一）陨石的成分是研究和推测太阳系及地球系统元素成分的重要依据：（1）用来估计地球整体的平均化学成分。○1陨石类比法，即用各种陨石的平均成分或用球粒陨石成分来代表地球的平均化学成分。○2地球模型和陨石类比法来代表地球的平均化学成分，其中地壳占质量的1%，地幔31.4%，地核67.6%，然后用球粒陨石的镍—铁相的平均成分加5.3%的陨硫铁可以代表地核的成分，球粒陨石的硅酸盐相平均成分代表地壳和地幔的成分，用质量加权法计算地球的平均化学成分。（2）I型碳质球粒陨石其挥发性组成代表了太阳系中非挥发性元素的化学成分。（二）陨石的类型和成分是用来确定地球内部具层圈结构的重要依据：由于陨石可以分为三种不同的陨石—石陨石、石铁陨石和铁陨石，因而科学家设想陨石是来自某种曾经分异成一个富含金属的核和一个硅酸盐外壳的行星体，这种行星经破裂后就成为各种陨石，其中铁陨石来自核部，石铁陨石来自金属核和硅酸盐幔的界面，而石陨石则来自富硅酸盐的幔区。这种设想成为推测地球内部结构和化学成分的重要依据之一。（三）碳质球粒陨石的有机化合物成分是研究地球早期生命系统的化学演化及来源的重要依据和信息，在碳质球粒陨石中已发现有机化合物60多种。有人认为地球早期生命系统的化学演化不一定来源于行星的大气，而有可能来自太阳星云凝聚时已合成的有机质。2比较太阳系、地球、地壳主要化学元素丰度特征的异同点，说明自然界元素丰度的基本特征和决定自然体系中元素丰度的最基本因素:（1）特征的异同：太阳系：HHeONCSiMgS地球;FeOMgSiNiSCaAlCaNa地壳：OSiAlFeCaNaKMgTiH硅酸盐在地球表层富集，较难熔的镁铁硅酸盐和金属铁下沉。（2）自然界元素丰度的基本特征：○1个元素丰度随原子序数的增大而呈指数下降；在Z45之后丰度值又相近。○2原子序数为偶数的同位素丰度大于奇数者（中子数、质量数同）——奥多-哈根斯法则；○3四倍原则：如O（A=16），质子数为4的倍数○4Li、P、B丰度很低，为亏损元素（核子结合能低，形成后易分解）○5Fe和O过量（核子结合能最高，核子稳定）○6原子序数（质子数或中子数）是“幻数”的元素丰度高（氦、氧、钙等：2、8、14、20、2850、82、126）（3）决定自然体系中元素丰度的最基本因素：○1与原子结构有关具有最稳定原子核的元素分布最广，当中子数和质子数比例适当时核最稳定。如在原子序数20的轻核中，中子∕质子等于一是，核最稳定，由此可以说明O、Mg、Si、Ca的丰度较大的原因；随原子序数增大，核内质子间的斥力大于核力，核子的结合能降低，原子核就趋于不稳定，所以元素同位素的丰度就要降低；偶数元素或同位素的原子核内，核子倾向成对，他们自旋力矩相等，而方向相反，量力力学证明：这种核的稳定性最大，因而这种元素或同位素在自然界分布最广；中子数等于幻数的同位素，其原子核中的壳层为核子所充满，形成最为稳定的原子核，因而具有高的丰度。○2与元素起源、形成过程及元素形成后的化学分异有关。在恒星的高温条件下。可以发生有质子参加的热核反应，这使Li、Be、B迅速的转变为4He的同位素，因此，Li、Be、B丰度明显偏低就同他们在恒星热核反应过程中被消耗的历史有关；在内行星和陨石物质中气态元素（H、He等）的丰度极大的低于太阳系中各该元素的丰度，造成这种差别的原因为这些元素在行星和陨石母体形成或存在过程中逃逸到宇宙空间所致。3.元素克拉克值的意义：（1）元素克拉克值确定着地壳作为一个物理化学体系的总特征以及地壳中各种地球化学过程的总背景；它为地球化学提供了衡量元素集中分散及其程度的标尺；是影响元素地球化学行为的重要因素，支配着元素的地球化学行为。(2)研究地壳的化学成分可以用来推测地球内部成分,用来与其它星球比较.(3)克拉克值是影响元素地球化学性质的重要因素:1)克拉克值高的元素易形成独立矿物,并可富集成矿:例如:Na、K、Rb、Cs四元素中，Na、K丰度大可以成矿；Rb、Cs则不能。2)克拉克值高的元素形成矿物种类也多：例如：O、Si、Al、Fe元素的矿物种类非常多；而克拉克值低的元素形成矿物种类也少，例如：Li、Re、Hf等不形成独立矿物。所以，自然界仅3000种矿物，而实验室可有数十万种化合物。N(独立矿物数)=200×4√K原子克拉克值；(4)生物体内,克拉克值高的元素丰度大（Si例外),克拉克值小的元素丰度也小，甚至有害。(5)克拉克值是确定区域地球化学异常和地球化学省的背景值。地球化学省:地壳上某元素含量明显偏高的地段。浓度克拉克值=某元素在地质体中的平均含量/克拉克值,反映地质体中某元素的浓集程度。浓度克拉克值1元素分散;浓度克拉克值1元素富集;浓集系数=工业利用的最低品位/克拉克值(6)根据元素对比值确定矿化类型:克拉克值之比:Th/U＝3.3--3.5;Th/U＜2铀矿化;2.5＜Th/u＜4铀和钍矿化；Th/u＞5钍矿化（7）利用克拉克值估算矿产资源的储量1)Au的克拉克值3.5PPb,地壳质量24×1018吨;2)地壳中Au为24×1018×3.5×10-9吨=84×109吨;3)陆地质量为地壳的62.9%,则陆地Au为84×109×62.9%=53×109吨4)美国占世界陆地的1/17.3,所以美国陆地的Au为53×109÷17.3=3.064×109吨5)陆壳平均深36.5KM,人类可采矿深1KM,所以美国1KM深陆地的Au为3.064×109÷36.5=84×106吨；专家预计美国可回收Au资源为8.6×103吨；6)目前,美国已探明Au储量为R=2098吨,美国Au资源潜力和储量之比为F=8.6×103÷2098=4.1；说明尚有较大的勘探潜力。第二章1.元素地球化学亲和性：1）定义：指元素形成阳离子的能力及阳离子在自然体系中有选择地与某阴离子化合的倾向性。2）亲和性包括:①亲氧性(亲石性)---阳离子和氧结合成离子键为主的氧化物和硅酸盐的性质。亲氧元素离子最外层具有S2P6惰性气体型的8电子结构,电负性小,多为顺磁性,氧化物生成热FeO的生成热,集中分布于岩石圈；与氧亲和力强。亲氧元素主要有---碱金属、碱土金属、稀土元素、稀有元素等--Li、Na、K、Rb、Cs、Mg、Ca、Sr、Ba、Al、Zr、Hf、Nb、Ta、REE等。亲氧元素主要熔于硅酸盐熔体；②亲硫性(亲铜性)---阳离子和硫结合成共价键为主的硫化物和硫盐的性质。亲硫元素其离子最外层具有S2P6d10的铜型18电子结构,具较大的电负性和离子半径、较低的电价；多为逆磁性,氧化物生成热FeO的生成热,集中分布于硫化物-氧化物过渡圈。主要熔于硫化铁熔体；亲硫元素主要有成矿元素--Cu、Pb、Zn、Au、Ag等。③亲铁性---指元素以金属状态产出的一种倾向性。亲铁元素离子最外层有8--18过渡型电子结构,多为强磁性,氧化物生成热最小,与氧和硫的亲合力均弱,易熔于熔铁，集中分布于铁镍核。在O和S缺乏的体系中,一些金属不能与阴离子形成化合物,只能以自然金属形式存在,它们以金属键结合,与铁共生。亲铁元素有---Fe、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt等.④亲气性--原子最外层8电子,原子容积最大,熔点、沸点低,以气体形式存在，具挥发性，集中在大气圈.如:O2、N2、H2、Ne、Ar、Kr等。⑤亲生物性:这些元素富集在生物圈,组成或进入生物体。如:C、O、N、H、P、B等。2.化学反应制动原理：在氧不足的体系中,元素与氧化合按自由能ΔGf由高负值---低负值顺序进行（结合顺序按-ΔGf的大小决定）,到铁由于其丰度高,可以消耗掉全部剩余的氧,以致使多余的铁和硫化合或呈自然铁存在,而使排在铁后面的元素不能与氧化合.铁起到化学反应的“制动剂”作用,这一现象称为～3.若两种离子半径相似而电价不同,则较高价离子优先进入晶格,集中于较早期结晶的矿物中，称为“捕获”；而较低价离子集中于较晚期结晶的矿物中，称为“容许”。如Sc3+（角闪石、辉石，基性岩中）与Li+（黑云母与电气石，酸性岩或伟晶岩中）,Y3+（磷灰石、榍石、和萤石）与Na+（斜长石）4.内潜同晶：两种离子浓度大致相等,而一种元素以分散量进入另一元素的晶格内,可以分出主要元素和次要元素时,这时次要元素就隐蔽在主要元素之中,称为内潜同晶.5.残余富集：指类质同象影响微量元素的集中和分散的一种情况，在岩浆结晶分异过程中,能够与主量元素发生类质同象的微量元素会“晶体化学分散”,例如Rb因与K类质同象而分散；不能与主量元素发生类质同象的微量元素，则在残余熔体中富集，有可能在适当的条件下形成副矿物，或者转入岩浆期后热液中富集成矿，即“残余富集”。6.补偿类质同象：指组分浓度不同影响元素类质同象置换规律的情况。一种熔体或溶液中如果缺乏某种成分,则从中晶出包含此种组分的矿物时,熔体或溶液中与之性质相似的其它元素就可以类质同象混入物的形式加以补充,称为“补尝类质同象”.如钒钛磁铁矿Fe2+(Fe,V,Ti)23+O4,当Fe2O3浓度过小时,不形成磁铁矿,V2O3,Ti2O3补偿Fe2O3进入磁铁矿晶格中而形成.7.超显微非结构混入物：指元素在地壳中的一种赋存形式，为一种颗粒极细的混入物其最大的特点是不占据主矿物的晶格位置因而是独立化合物但又不能分离出来或进行矿物学研究的颗粒。1.戈尔德施密特地球化学分类：依据：元素的性质和在地圈内的分布关系，他在铜矿石冶炼过程中注意到矿石经冶炼后形成四个相，金属铁相硫化铁相硅酸盐炉渣和气相CO2、H2O分别与陨石中的铁陨石，陨硫铁，球粒陨石的化学成分相比，并结合地质作用中的矿物组合和元素共生规律提出把元素分为~并推测地球内部壳层结构也有类似化学成分分异。结果：（见名词解释地球化学亲和性）意义：戈式分类作为考察元素地球化学行为的基本属性，已被普遍应用，如元素的地球化学亲和性和地球演化成圈过程元素在各圈层间的分异等有指导意义。但在深入把握元素在复杂的地质作用中的习性时又显得不够细。2.元素具有地球化学亲和性的原因：1）元素的基本化学性质：（1）元素的电子层结构或电离能因素：如，亲铁元素Fe、Co、Ni、Os、Ir、Pt、Cu、Ag、Au等的特征是d亚层充满或近充满的18或近18电子结构,具较高的电离能。在化学反应中能保持原子的电子不被剥夺，也无力夺取外来电子，保持电中性，而无亲阴离子性。（2）元素的电负性因素。元素离子的电负性与O2-和S2-的差值反映其亲氧或亲硫的倾向。元素离子的电负性与O2-电负性的差值越大，反映其亲氧性倾向；反之亲氧性减弱。元素离子的电负性与S2-电负性的差值越大，反映其亲硫性倾向越弱；反之亲硫性越强。2）化合反应的能量效应(符合体系总自由能ΔGf最低法则)：①金属的亲氧和亲硫