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地球化学总复习 1 第一章 绪论 一、地球化学的定义 地球化学是研究地球及子系统(含部分宇宙体)的化学组成、化学作用和化学演化的科学 （涂光炽）。 二、地球化学研究的基本问题 第一: 元素（同位素）在地球及各子系统中的组成（量）。 第二: 元素的共生组合和存在形式（质）。 第三: 研究元素的迁移（动）。 第四: 研究元素（同位素）的行为。 第五: 元素的地球化学演化。 第二章 自然体系中元素的共生结合规律 一、元素地球化学亲和性的定义 在自然体系中元素形成阳离子的能力和所显示出的有选择地与某种阴离子结合的特性 称为元素的地球化学亲和性。 二、亲氧元素与亲硫元素的特点 :离子结构 :电负性:化学键: 氧化物的生成热: 集中分布情况 三、其它的概念 电负性、电离能、电子亲和能、离子电位。 四、元素的地球化学化学分类（戈式分类） 亲氧（亲石）、亲硫（亲铜）、亲铁、亲气 五、类质同象的定义 某些物质在一定的外界条件下结晶时，晶体中的部分构造位置随机地被介质中的其他 质点（原子、离子、配离子、分子）所占据，结果只引起晶格常数的微小改变，晶体的构造 类型、化学键类型等保持不变，这一现象称为“类质同象”。 六、类质同象的置换法则 1.戈式法则（适于离子键化合物）优先法则：两种元素电价相同，半径较小者优先 进入矿物晶格。 捕获允许法则：两种离子半径相似而电价不同时，较高价的离子优先进 入矿物晶格。 隐蔽法则：两个离子具有相近的半径和相同的电荷，则它们因丰度的比例 来决定自身的行为，丰度高的主量元素形成独立矿物，丰度低的微量元素进入矿物晶格，为 主量元素所“隐蔽”。 2.林伍德提出对戈氏法则（更适于非离子键化合物）对于二个价数和离子半径相似的阳 离子，具有较低电负性者将优先被结合，因为它们形成一种较强的离子键成分较多的化学键。 第三章 自然体系中元素的地球化学迁移 一、元素地球化学迁移的定义 当元素发生结合状态变化并伴随有元素的空间位移时，称元素发生了地球化学迁移。 二、元素地球化学迁移能力的影响因素 1.内因（1）迁移前元素的存在形式（2）晶体化学键类型（3）元素的地球化学性质（半 径、电价、电负性、离子电位等）。2.外因（1）体系中组分的浓度（2）温度、压力（3）环 境中PH值、Eh值的变化。 三、元素的迁移方式 机制：(1)化学迁移（2）生物迁移（3）机械迁移 物质状态：(1)固态物质迁移；(2)水溶液形式迁移；(3)胶体形式迁移； (4) 岩浆形式迁移 四、水-岩作用的基本类型 1.氧化还原反应 2.水解和脱水反应 3.水合作用 4.碳酸盐化或脱碳酸盐化5.阳离子交换反应 五、岩浆产生的三种条件 地球化学总复习 2 1.温度的增加 2.压力的降低 3.体系由无水转变为含水条件 六、其它基本概念 胶体、地球化学障、造网元素、变网元素 第四章 放射性同位素地球化学 一、同位素的概念 原子核内质子数Z相同而中子数N不同的一类核素称为同位素。 二、同位素定年的基本原理 三、母体、子体的概念（銣-锶、钐-钕、铀-铅） 母体：放射性核素 子体：母体衰变的产物 四、銣-锶等时线定年需满足的条件 1一套岩石系列的不同岩石，由于岩浆结晶分异作用造成不同岩石的Rb/Sr比值有差异。 2结晶分异作用经历的时间较短，各岩石形成Rb-Sr封闭体系的时间大致相同。 3由于同源岩石具有相同的87Sr/86Sr初始同位素比值。 4自结晶以来，每个样品都符合定年的基本条件呈封闭体系。 五、同位素测年的计算 铷锶衰变体系定年方法 铀-铅衰变体系定年方法 钐-钕模式年龄的表达 第五章 稳定同位素地球化学 一、基本概念 同位素效应、同位素分馏系数、值、同位素分馏值（包括它们之间的相关换算） 二、同位素地质温度计的原理及应用 三、大气降水的氢、氧同位素组成特点 “四个效应” 一、基本概念 1.1 微量元素的定义 1.2 微量元素在地质体中的赋存型式 1.3 微量元素分类 1.4 支配微量元素地球化学行为的主要物理化学定律 a. Goldschmidt三定律 b. 化学势、逸度、活度 c. 固熔体、稀溶液与亨利定律 d. Nernst分配定律与分配系数（ki= Cis/cil） e. 分配系数的含义 f. 影响分配系数的主要因素 g. 分配系数的测定 第六章 微量元素地球化学 二、岩浆过程中相容元素与不相容元素的变化特征 平衡部分熔融过程微量元素变化的主要特征 不相容元素在溶体中富集， 分配系数越小，富集程度越高； 部分熔融程度越低，富集程度越高 不相容元素在残留体中亏损 分配系数越小，亏损程度越高； 相容元素在溶体中的含量低于源岩 分配系数越大，亏损程度越高 地球化学总复习 3 分离结晶过程中微量元素变化的主要特征 三、稀土元素组成、化学性质及增田-科里尔图解 四、REE配分图的分类 五、稀土元素Eu异常产生的原因 例题： 计算高级变质岩（麻粒岩）的变质温度。已知所测定 的石英、透辉石的氧同位素组成分别为+10.2和+7.9 （相对V-SMOW）。 解： 1)根据Chiba et al. (1989)和 Javoy (1977) 给出石英-透辉石的氧同位素平衡分馏系数与 温度关系（见Matthews (1994)提供的表）：103ln石英-透辉石 = 2.75 (103/T)2 在18O+10 情况下，最好不用103lnA-B = 18OA18OB近似。 A-B = (103+18OA)/(103+18OB) 代入石英和透辉石数据，得 103ln石英-透辉石 = 103ln(103+10.2)/(103+7.9) = 2.279 2)计算变质温度 2.75 (103/T)2 = 2.279 解出T来 T = (2.75/2.279)1/2103 = 1098 (K) 将开尔文温度换算成摄氏温度 T = 1098 273 = 825 () 因此，我们获得麻粒岩的变质温度为 825 。 注意：）根据公式计算得到的温度是K氏温度，一定要转 换为摄氏温度；）当值较大时最好不要用近似公式。 例题 已知：U=792.1ppm; Th=318.6ppm; Pb=208.2ppm; Pb同位素组成：204Pb=0.048%(atom);206Pb=80.33%; 207Pb=9.00%; 208Pb=10.63% 普通Pb的同位素组成： 204Pb:206Pb:207Pb:208Pb=1.00 : 16.25 : 15.51 : 35.73 8=1.5512510-10 ; 5=9. 848510-10 （假定204Pb，206Pb，207Pb，208Pb的原子量为204, 206, 207, 208； 235U、238U的原子量分别为235,238；235U/238U=1/137.88） 求t6/8 , t7/5 , t7/6 地球化学总复习 4 简答题 1.简要说明地球化学研究的基本问题。 （1)元素及同位素在地球及各子系统中的组成（丰度和分配）。 （2）)元素的共生组合及赋存形式。 （3）元素的迁移和循环。 （4）研究元素（同位素）的行为。 （5）元素的地球化学演化。 2.简述地球化学学科的研究思路和研究方法。 研究思路：见微而知著，即通过观察原子之微，以求认识地球和地质过程之著。 研究方法： （一）野外阶段： （1)宏观地质调研。明确研究目标和任务，制定计划。 （2)运用地球化学思维观察认识地质现象。 (3)采集各种类型的地球化学样品。 （二）室内阶段： (1)“量”的研究，应用精密灵敏的分析测试方法，以取得元素在各种地质体中的分配量。 元素量的研究是地球化学的基础和起点，为此，对分析方法的研究的要求：首先是准确；其 次是高灵敏度；第三是快速、成本低。 （2)“质”的研究，即元素的结合形式和赋存状态的鉴定和研究。 （3)地球化学作用的物理化学条件的测定和计算。 （4)归纳、讨论：针对目标和任务进行归纳、结合已有研究成果进行讨论。 3.地球化学与化学、地球科学其它学科在研究目标和研究方法方面的异同。 答题要点：地球化学与与研究地球物质成分的矿物、岩石、矿床学和化学的关系如下表 地球化学 矿物学 岩石学 矿床学 化学 研究对 象 全部化学元素与 同位素 原子的集合 体矿物 矿物的集合 体岩石 有用矿物的集 合体矿石、矿 床 元素及化 合物 研究内 容 元素在地球、地壳 中演化活动的整 个历史 只研究元素全部活动历史过程中的某个阶段， 元素活动的某个“暂时”存在的形式 元素及化 合物的化 学性质及 行为 研究对 象所处 的空间 位置 地球、地壳 地球、地壳 实验室 从表中我们可以看出： （1)地球化学是研究元素在地球、地壳中演化活动的整个历史，而矿物、岩石、矿床等 学科仅研究元素全部活动历中的某个阶段。 （2)地球化学是在自然界，又具有空间上条件的不均一性，时间上单向演化和阶段性， 体系的多组分，多变度及总体的开放性。 （3)地球化学研究不能脱离基础地质工作，它的一般工作程序仍然是 在研究任务的指导 下采用先野外，后室内的工作顺序，并注意从对地质体的观察来提取化学作用信息，建立地 球化学研究构思。而化学主要是在实验室中，它是人为控制的体系，可以任意调节T、P、 pH、Eh、C和纯化杂质。 地球化学总复习 5 4.亲氧元素和亲硫元素地球化学性质的主要差异是什么？ 答：亲硫元素（又称亲铜元素）：有18或182的外电子层结构，电负性较高，与硫形 成高度共价键， 亲硫元素和硫结合生成的硫化物、硫盐等常常和铜的硫化物共生，易熔于 硫化铁熔体，主要集中于硫化物氧化物过渡带。 亲氧元素（又称亲石元素）：有惰性气体的电子层结构， 即离子的最外电子层具有 8电子惰性气体型（s2p6）的稳定结构，电负性较小，与氧形成高度离子键， 亲氧元素与 氧结合以后形成的氧化物、含氧盐等矿物是构成岩石圈的主要矿物形式，易熔于硅酸盐熔体， 主要集中在岩石圈。 5.简述类质同像的基本规律。 答：1.Goldschmidt类质同像法则：该法则从相互置换的质点的电价、半径的角度判断， 适用于离子键化合物。 （1）若两种离子电价相同，半径相似，则半径较小的离子优先进入矿物晶格，即较小 离子半径的元素集中于较早期的矿物中，而较大离子半径的元素集中于较晚期矿物中。 （2）若两种离子半径相似而电价不同，则较高价离子优先进入较早结晶的矿物晶体， 集中于较早期的矿物中，称“捕获”；较低价离子集中于较晚期的矿物中，称为被“容许”。 （3）隐蔽法则：两个离子具有相近的半径和相同的电荷，则它们将按丰度的比例，决 定它们的行为，丰度高的主量元素形成独立矿物，丰度低的微量元素进入矿物晶格，为主量 元素所“隐蔽”。 2.Ringwood 法则：对于二个价数和离子半径相似的阳离子，具有较低电负性者将优 先被结合，因为它们形成一种较强的离子键成分较多的化学键，该电负性法则更适用于非离 子键性化合物。 6.阐述类质同像的地球化学意义。 类质同像是自然界化合物中一种十分普遍的现象，它是支配地壳中元素共生组合的一个 重要因素，特别是对一些微量元素，是决定它们在自然界活动状况的主要因素。 （1)确定了元素的共生组合（包括微量元素和常量元素间的制约、依赖关系）。 （2)决定了元素在共生矿物间的分配。 （3)支配微量元素在交代过程中的行为。 （4)类质同象的元素比值可作为地质作用过程和地质体成因的标志。 （5)标型元素组合。 (6)影响微量元素的集中或分散（晶体化学分散或残余富集）。 （7)为地质找矿及环境研究服务。 7.简述地壳中元素的赋存形式及其研究方法。 答（1)赋存形式：独立矿物、类质同像形式、超显微非结构混入物、胶体吸附状态和与 有机物结合的形式。 （2)研究方法： 存在形式 显微镜 X光衍射 电子探 针 放射照 相 偏提取 电渗析 透射电 镜 独立矿物 + + + + + + 类质同象 + + + + + + 超微混入 物 + + + + 吸附态 + + + + 有机质结 合 + + + 地球化学总复习 6 8.举例说明元素存在形式研究对环境、找矿或农业问题的意义。 对找矿：如在超基性岩中镍的含量一般较高，如果镍存在于硅酸盐中，其基本不能被利 用，但如果镍以硫化物形式存在，就有良好的利用价值了。 对农业：元素 赋存形式的研究，可了解土壤中有益元素是否能够为植物吸收，而有害 元素由于呈稳定状态（独立矿物、类质同像）含量虽高，植物不易吸收。 对环境： 环境中对元素赋存形式研究，可指示有毒有害元素对生态的危害程度，易溶 活动态对生态环境危害大，有些元素含量高，但以稳定态形式存在，其危害程度较小。 9.英国某村由于受开采ZnCO3矿的影响，造成土壤、房尘及饮食摄入Cd明显高于其国标， 但与未受污染的邻村相比，在人体健康方面两村没有明显差异。为什么？ 答：ZnCO3矿开采后在地表形成大量矿渣，Cd以类质同像的形式存在于ZnCO3矿物中，所以 造成土壤、房尘及饮食摄入Cd明显高于其国标，但是由于ZnCO3在表生环境下是稳定的， 不会形成可溶性的Cd2+，从而相对于为受污染的地方无太大的区别。 10.举例说明元素地球化学迁移的定义。 答：由于环境物理化学条件的变化，元素原来的存在形式变得不稳定，为了与环境达到新的 平衡，元素原来的存在形式解体，转变成一种新的相对稳定的结合方式，当元素赋存状态发 生变化的同时，伴随有元素的空间位移和元素组合变化，称为元素的地球化学迁移。 11.举例说明影响元素地球化学迁移过程的因素。 元素的地球化学迁移过程包括了三个进程：活化（解体）迁移（空间位移，存在形式 发生变化）重新结合（ 以新的存在形式稳定沉淀）。影响因素为： （1)元素迁移前的存在形式。如元素处于吸附状态，则容易发生迁移；若元素已进入到 矿物晶格内部，形成了独立矿物或呈类质同象，则难迁移。 （2)元素的地球化学性质如离子的电价、半径等，它们既决定了元素结合成化合物时 的化学键类型，也控制了元素在水溶液中的迁移形式 。离子键和分子键化合物由于易溶于 水，较易迁移，而共价键和金属键化合物则较难迁移。 （3)此外，体系中相伴组分的类型和浓度、体系中的物理化学强度参数的空间变化（浓 度差、压力差、温度差等），以及环境的pH值和Eh值变化，都会影响元素的迁移形式和迁 移能力。 12.列举自然界元素迁移的标志。 （1) 矿物组合的变化，如在岩浆侵入体或热液矿床的围岩中经常可以发现蚀变矿物组 合，当中酸性岩浆岩外围的碳酸岩岩石发生矽卡岩化时，原来的碳酸盐矿物（方解石CaCO3、 白云石(Ca,Mg)CO3）被新生成的硅酸盐矿物（石榴子石(Ca,Fe)3(Fe,Al)2SiO43、辉石 Ca(Mg,Fe)Si2O6等）所替代。蚀变岩石与原岩成分的差异：硅、铝的原子数相对增加，同 时镁、钙的原子数相对减少，指示碳酸岩岩石中发生了硅、铝的迁入和镁、钙的迁出； （2) 岩石中元素含量的变化（通过元素含量的系统测定或定量计算确定 ，如等体积计 算法和等阴（氧）离子计算法）； （3) 物理化学界面-如氧化还原界面，压力释放带，温度界面，pH界面 ，水位线， 土壤湿度界面等通常是元素发生或终止迁移的部位。 13.元素地球化学迁移的研究方法。 答（1) 元素在岩石、矿物中的含量（分配）；（2) 元素存在形式的研究；（3) 元素含量的 空间分布；（4)实验研究；（5)建立成矿模型。 14.解释络离子的稳定性及其在地球化学迁移中的意义。 答：络离子的稳定性，用不稳定常数(k不)表示，它取决于电离能力的大小。 K不表示络合物的平衡常数称为络合物离解常数，亦称络合物的不稳定常数。K不表 示了络合物稳定性的大小，对于相同配位体的络合物，K不值越大，络合物在溶液中越不稳 地球化学总复习 7 定（易离解），迁移越近；K不值越小，络合物越稳定，搬运得越远。 络离子的稳定性在地球化学迁移中的意义： 1) 有利于成矿元素的稳定迁移（络离子不稳定常数K不一般较小，溶解度大）。 2) 可用于研究矿床元素分带。 3) 可用于解释相似元素分异。 15.简述元素迁移形式的研究方法。 答（1) 过滤法 ，离子、分子-胶体-悬浮体三者间可用滤纸、和半透膜分开； （2) 蚀变矿物组合法； （3)气液包裹体成分研究； （4) 实验模拟。 16.什么是共同离子效应？什么是盐效应？ 共同离子效应：在难溶化合物的饱和溶液中加入与该化合物有相同离子的易溶化合物 时，使原难溶化合物的溶解度降低。 盐效应：当溶液中存在易溶盐类时，溶液的含盐度对元素的溶解度有影响。溶液中易溶 电解质的浓度增大，导致其他溶解度增大的现象。 自然界中地球化学热力学体系基本特点是什么？ 自然界地球化学热力学体系的特点： （1)是一个热力学体系, 它处于地壳（岩石圈）的热力学条件下，由于地壳（岩石圈） 各个部分的热力学条件差异而不断地变化。 （2)多数地球化学体系是开放体系,少数接近封闭体系。 （3)地球化学体系的不可逆性和不平衡性是绝对的。但在自然界不少作用过程往往又是 有向着平衡方向进行的趋势，也可以局部地、暂时地达到动态平衡，在形式上呈现相对稳定 状态。 17.自然体系中哪些特征可作为体系达到平衡态的证据与标志？ （1) 矿物共生组合在时间上、空间上的重复出现。 （2)一定化学成分的矿物共生组合, 随其形成条件而改变。 (3)常见岩石(矿石)中主要矿物的种数有限。 18.什么是微量元素地球化学？其研究意义是什么？ 微量元素地球化学：它是地球化学的重要分支学科，研究在各种地球化学体系中微量元 素的分布、分配、共生组合及演化的规律，其特色之处就是能够近似定量地解决问题，使实 际资料和模型计算结合起来。 研究意义：微量元素可作为地质、地球化学过程示踪剂，在解决当代地球科学面临的基 本理论问题天体、地球、生命、人类和元素的起源及演化，为人类提供充足的资源和良好 的生存环境等方面发挥重要的作用。 19.什么叫微量元素、什么是主量（常量）元素？微量元素的主要存在形式有哪些？ 微量元素：元素在所研究客体(地质体、岩石、矿物等)中的含量低到可以近似地用稀溶 液定律描述其行为，该元素可称为微量元素。特点：在体系中含量低（0.1%），通常以独立矿物形式存在，其行为服从相律和 化学计量比。在不同条件下演化规律不一致，可以指示地质、地球化学作用进行的条件和演 化过程。 微量元素在矿物中主要存在形式有： 1快速结晶过程中陷入囚禁带内；2赋存在晶格的缺陷； 3在固溶体中替代主相的原子。 20.稀土元素的主要特点是什么？其在地球化学体系中行为差异主要表现有哪些方面？ 稀土元素的主要特点可归纳为： 1.它们是性质极相似的地球化学元素组，在地质、地球化学作用过程中作为一个整体而活动。 地球化学总复习 8 2.它们的分馏作用能灵敏地反映地质、地球化学过程的性质（良好的示踪剂 ）。 3.稀土元素除受岩浆熔融作用外，其它地质作用基本上不破坏它的整体组成的稳定性。 4.它们在地壳岩石中分布较广。 地球化学行为差异主要表现为： 1)溶液的酸碱性：从La、CeLu，半径不断减小，离子电位（=W/R）增大，碱性减 弱，氢氧化物溶解度减小，开始沉淀时溶液的pH值由86，为此，介质的酸碱度能控制稀 土元素的分异； 2)氧化还原条件：由于Ce3+ ( Ce4+)和 Eu3+ (Eu2+)的变价性，对外界氧化还原条件 变化反应敏感，由于价态变化，导致半径和酸碱性相应变化，致使与TR3+整体分离； 3)络离子稳定性的差异：Y络离子稳定性Ce络离子稳定性，Ce矿物沉淀后， Y元素尚可呈络合物形式在溶液中迁移，在较晚的阶段沉淀，导致Ce与Y的分异； 4)被吸附能力：Ce被胶体、有机质和粘土矿物吸附能力大于Y。 21.同位素地球化学在解决地学领域问题中有何独到之处？ 其独到之处可归纳为： （1) 计时作用体系的时钟：从体系形成以来时时刻刻不受干扰地走动着，可以测定体系 的年龄，尤其是对隐生宙的前寒武纪地层及复杂地质体。 （2) 示踪作用：同位素组成的变化受到作用环境和作用本身的影响，指示地质体形成的 环境条件、机制，并能示踪物源。 （3) 测温作用 ：由于某些矿物同位素组成的变化与其形成的温度有关，可用来设计各种 矿物对的同位素温度计，测定成岩成矿温度。此外，还可用来进行资源勘查、环境监测、地 质灾害防治等。