地球化学作业习题(含答案).doc

地球化学作业习题1、 为什么硅酸盐矿物中K的配位数经常比Na的配位数大？答： K和Na都属于碱性元素，其离子半径分别为：1.38A和1.02A(Krauskopf et al,1995)或1.59和1.24A(Gill,1996)。以与阴离子O2-结合为例，O2-离子半径1.40A(Krauskopf et al,1995)或1.32(Gill,1996),根据阳离子与氧离子半径比值与配位数关系，K+/O2-0.9857, Na+/O2-=0.7286，由于等大球周围有12个球，而在离子晶体中，随阳离子半径的较小，为达到紧密接触，因此配位数也要减少，因此，在硅酸盐矿物中K的配位数经常比Na的配位数大，前者与氧的配位数为8，12，而后者为6,8。2、 Zn2+和Mg2+的离子半径相近，但在天然矿物中，前者经常呈四面体配位，后者则常呈八面体配位，为什么？答：这是由于二者地球化学亲和性差异造成的，Mg2+离子半径0.72A，Zn2+离子半径0.70A，二者离子半径相近，但是前者的电负性为1.2,后者电负性为1.7，在与氧形成的化学键中，前者71%为离子键成分，后者离子键成分仅为63%。前者易于亲氧，后者则是典型的亲硫元素。根据确定配位数的原则，Zn2+/S2-0.41(Krauskopf et al,1995)，因此闪锌矿形成典型的四面体配位，而后者Mg2+/O2-=0.51，因此呈八面体配位。林伍德电负性法则-具有较低电负性的离子优先进入晶格当阳离子的离子键成分不同时，电负性较低的离子形成较高离子键成分(键强较高)的键，它们优先被结合进入矿物晶格，而电负性较高的离子则晚进入矿物晶格。例如，Zn2+的电负性为857.7kJ/mol，Fe2+的电负性为774 kJ/mol，而Mg2+的电负性为732 kJ/mol，用林伍德法则判断，三个元素中Mg2+和Fe2+优先进入晶格组成镁铁硅酸盐，Zn2+则很难进入早期结晶的硅酸盐晶格，这与地质事实十分吻合。电负性决定了元素之间相互化合时的化学键性，因此可以用电负性大小来衡量离子键的强弱，由此判断元素进入矿物晶格的先后顺序。Zn2+(0.083nm)与Mg2+(0.078nm)、Fe2+(0.083nm)的离子性质很相似，若按戈氏法则从相互置换质点间的电价和半经的角度进行判断，Zn2+应于早期进入铁镁硅酸盐晶格。由于Zn2+的电负性较大，化合时共价键性较强，难于以类质同象方式进入Fe2+和Mg2+结晶矿物中，Zn2+往往在硅酸盐熔体晚期结晶形成ZnSiO4(硅锌矿)和Zn4Si2O7OH2.2H2O）(异极矿)等矿物。林伍德电负性法则更适合于非离子键性的化合物。3、 指出下列微量元素经常会类质同象替代硅酸盐矿物结构中的哪种主要元素：(1)Rb,(2)Sr,(3)Ga,(4)Ti,(5)Li,(6)Ba,(7)Ge,(8)REE,(9)Pb,(10)Ni,(11)Mn.答：(1)K,(2)Ca,(3)Al,(4)Mg,Fe,Al,(5)Mg,(6)K,(7)Si,(8)Ca,(9)K,(10)Mg,(11)Mg,Fe.4. 下列矿物键的类型是什么?(1)所有键都是离子键;(2)所有键都是共价键;(3)部分键为离子键,部分为共价键:(a)磷灰石;(b)黄铜矿;(c)萤石;(d)自然砷;(e)尖晶石(a) 离子键，共价键；(b)共价键；(c)离子键；(d)共价键；(e)离子键。(b)讨论题1、 为什么碱性长石(钠长石、正长石、微斜长石)之间可以形成共生结构(条纹长石或反条纹长石)，而在斜长石中却不能？答：这与K和Na的化学性质有关。二者的离子半径分别为：1.38A和1.02A(Krauskopf et al,1995)，因此离子半径差15%，因此二者的类质同象替代为高温下形成完全类质同象,低温时形成不完全类质同象,固溶体发生分解。实验表明(Krauskopf et al,1995)，二者的溶离线临界温度约为700，在此温度之上，KAlSi3O8与NaAlSi3O8二者呈完全类质同象，形成完全的固溶体系列，一旦温度降低至溶离线临界温度之下，类质同象混合物发生分离出溶，形成熟知的富K和富Na长石的条纹或反条纹长石，条纹长石以钾长石为主含有少量钠长石的条纹，反条纹长石则以钠长石为主含有少量钾长石的条纹。而斜长石可以认为是一种异价类质同象的连续系列，因此不会形成交生结构。2、 为什么结构与硅酸盐类似的碳酸盐没有形成种类复杂的碳酸盐矿物？（Krauskopf et al.,1995）答：构成硅酸盐的主要元素Si是一种非金属元素它组成SiO44-四面体，如形成橄榄石Mg2SiO4，其特征更由Mg2+和CO32组成的菱镁矿，这样看，其结构化学并不比硫酸盐中的S、磷酸盐中的P和碳酸盐中的C更复杂。那么为什么这种特殊的非金属元素形成的矿物种数达800余种，而碳酸盐矿物只有80余种？要点：(1) 虽然Si是非金属元素，但其性质确处在非金属和金属之间。如同Al、Mg等元素一样，Si也可以与O离子连接在一起，形成石英等矿物，又如同C和S等非金属元素形成由自身构成的挥发组分的氧化物，Si不能形成挥发组分化合物，但它确实具有非金属的行为，以简单阳离子的形式进入橄榄石的晶格。Si的这种双重性可以说明自然界硅酸盐结构的多样性。(2)从Si元素化学性质上分析。Si4+的大小处在最小的金属离子Ti4+和Al3+和最大的多价态非金属离子(P5+和S6+)之间。如果Si离子小，能够更有效极化氧离子使其变形并绕其紧密接触，形成含自身元素的分子或阴离子。如果Si更大，对氧的吸引力减弱，在金属氧化物晶体的格架中形成各自独立的单元。这种中间大小的特征使得Si在晶体结构中具有履行任何功能的作用。(3)在硅酸盐中Si离子总是被四面体角顶的氧离子包围，这种四面体可以是独立的阴离子，也可以以各种方式联系在一起。这种联系就意味着在特定四面体中一个或多个氧也是邻近四面体的组成部分，由这种连接就构成了多种多样可能的硅酸盐结构。包括：独立四面体结构岛状硅酸盐如橄榄石，多四面体结构矿物。26个四面体连接在一起形成大的独立阴离子双岛状硅酸盐矿物，如异极矿Zn4Si2O7(OH)2H2O等，环状硅酸盐矿物绿拄石等，链状硅酸盐单链和双链硅酸盐矿物，层状硅酸盐、架状硅酸盐等等。1、 据研究，23.5亿年前的新太古代-古元古代，大气几乎完全由CO2构成，PCO21bar。试根据自然水中CO2的电离平衡计算当时雨水的pH值。设当时pCO21,可以计算得雨水的pH=3.95。2、 夏天和冬天相比，河水中的pH值是升高还是降低？为什么？白天和夜晚相比，湖水的pH值是升高还是降低？为什么？(6分)答：夏天植物的光合作用比冬天更强，据化学反应方程: H2O+CO2H2CO3HCO3-+H+,溶解在水中的CO2被植物吸收，导致水中H离子浓度降低，因此夏天水中pH值升高。白天植物的光合作用吸收CO2，使得水中的pH值增大，而在夜晚植物和动物的呼吸产生CO2，CO2因此夜晚湖水中的pH值减小(Krauskopf et al.,1995)。3、 1)与大气氧相平衡的水(PO2=0.21atm)，如果它的pH值为6，计算它的的氧化还原电位Eh值；(2)如果水的pH=7,Eh=+0.2V，求水的氧逸度。4、 当以下每种物质形成时，其氧化电位是高还是低？(1) 陨石；(2)煤；(3)沉积锰矿床；(4)钒钾铀矿；(5)页岩中的黄铁矿。高，低，高，高，低。(问题来源：Brownlow,1996)5、 标出以下环境pH值的大小顺序：热带地区海水，死谷(Death Valley)的季节性干盐湖水，太湖水，含有丰富黄铁矿的片岩出露区的溪水，加拿大北部沼泽水。答：pH值由大到小的顺序：死谷的季节性干盐湖水热带地区海水太湖水加拿大北部沼泽水含有丰富黄铁矿的片岩出露区的溪水(Krauskopf et al.,1995)。6、 根据氧化还原电位回答，为什么铂、金在自然界往往以自然元素形式存在？答：Pt和的氧化还原电位都很高：Pt2+2ePt EO=1.2伏； Au3+3eAu EO=1.51伏这样高的EO，(1) 电对中氧化剂物质Pt2+和Au3+是一个很强的氧化剂，很容易获得电子形成自然Pt和Au。如在硫化矿床的胶结带或次生富集带有一部分自然金的形成就是Au3+被Fe2+还原的结果：Au3+3Fe2+=Au+3Fe3+.(2) 电对中还原形物质Pt和Au是一个很弱的还原剂，很难失去电子成为金属阳离子，氧化Pt和Au只有在较高的Eh下才有可能。而在自然界甚至在含有游离氧的氧化带也很难达到。所以在通常情况下Pt和Au很稳定，多以自然元素形式存在。由于以上原因，金在自然界一般很难以简单离子进行迁移。通常认为，除了在水溶液中金可能被还原为单质而以胶体溶液的形式迁移外，在热液中金可能以络离子形式进行迁移，因为络离子的形成可以大大降低金的氧化还原电位，例如：Au3+3eAu EO=1.5伏 AuCl4-+3e=Au+4Cl- EO=1.00伏由此可见在含有某些络合配位体(Cl-,S2-等)的热液中，金可能形成络离子。但是这些络离子只能在一定条件下(如在局部情况下Eh较高的热液中)稳定，遇到还原剂很容易分解为自然金。AuCl4-+3Fe2+=Au+3Fe3+4Cl-AuS33-+3Fe2+=Au+3Fe3+3S2-1、为什么微迹元素在地质作用过程中的分配可以用能斯特分配系数进行研究？2、如何确定相容元素与不相容元素？其研究意义何在？3、如何编制稀土元素配分曲线？常用哪些指标描述稀土元素分布特征？4、自然界许多地质作用是否存在稀土元素四分组效应？其形成的原因是什么？5、在稀土元素球粒陨石标准化图解中，与其它稀土元素相比Eu和Ce经常出现特殊的异常。为什么？什么样的情况下，这种异常非常会变的非常突出？答：与其他REE元素都呈3价态不同，Eu和Ce分别可以呈2和3价和3价和4价。由于离子半径相近，Eu2+可以置换Pb2+,Ca2+，Sr2+以及Na+。二者在氧化还原条件下就会呈现与其它REE元素不同的分配情况，如在还原的月球上，具有负Eu异常玄武岩与正Eu异常辉长质斜长岩REE模式，两种岩石都是具有特高Eu2+/Eu3+比值(还原条件下)的月球火成岩。玄武岩来自月海地区(mare basalt),辉长质斜长岩来自月球高原，前者因斜长石分离结晶亏损Eu,后者则因斜长石堆积富集Eu。此外，由于大量斜长石的晶出导致残余熔体出现明显的Eu负异常，这是碱性岩和酸性岩的特征。而对于Ce来说，Ce4+比Ce3+离子半径小15%，Ce4+的离子半径(8次配位)为0.97A,Mn2+的离子半径(8次配位)为0.96A，因此可以类质同象替代Mn。在海水的Eh-pH条件下Ce主要以Ce4+形式存在，该价态的Ce溶解度很小，住留期只有50a，形成难溶的氢氧化物络合物，因此海水强烈亏损Ce,而锰结核中由于以MnO2为主，Ce(OH)4与Mn共沉淀，因此形成Ce的正异常。习题1、 分别应用岩浆分离结晶过程和批次熔融过程元素分配演化的定量模型，选择相容元素和不相容元素计算它们在高熔融度(F0.9)和低熔融度(F0.1)时的浓度变化，并对计算结果进行对比。下述元素比值一般在镁铁质岩石中高还是在长英质岩石中更高，为什么？Rb/Sr、Sr/Ba、B/Mn、Li/Mg、Pb/Rb、Cr/Al、Y/Ca、La/Yb。镁铁质岩石中高的元素对比值：Sr/Ba、Pb/Rb、Cr/Al，其余为长英质岩石中高的元素对比值：Rb/Sr、B/Mn、Li/Mg、Y/Ca、La/Yb（Krauskopf et al.,1995）。2、 下述元素比值一般在蒸发岩中高还是在页岩中高，为什么？Ca/Ba、Si/Na、K/Rb、Mg/Mn。蒸发岩中高的元素对比值：Ca/Ba、K/Rb、Mg/Mn；页岩中高的元素对比值：Si/Na。（Krauskopf et al.,1995）。3、 分析对比花岗岩、页岩、斜长石和石榴子石的REE分配系数-原子序数图解。它们各自有哪些特点？这些岩石、矿物的REE分布模式之间有何关系？为什么？答：典型花岗岩(一般称为二长花岗岩和钾长花岗岩)一般相对富集HREE，具有明显的Eu负异常，Eu0.5。页岩是漫长地质时间由形成的火成岩和沉积岩反复分异而形成，因此具有与花岗岩和流纹岩类似的REE配分模式，一般具有弱的Eu负异常。石榴子石的矿物/熔体分配系数呈现特征的矿物中富集重稀土元素，亏损轻稀土元素。而斜长石的矿物/熔体分配系数表明相对富集轻稀土元素，且具有明显的Eu的正异常，即斜长石明显富集Eu，这与Eu2+类质同象替代斜长石中的Ca2+有关。因此花岗岩的Eu负异常与斜长石的早期晶出有关。4、 多数稀土元素在花岗岩中比在玄武岩中更为丰富，但是Eu却在玄武岩中更为丰富，为什么？答：大多数稀土元素都是呈3价出现，而Eu是变价元素，有2和3两个价态，Eu2与Ca2的离子半经比较接近，可以置换斜长石中的Ca，因此与大多数稀土元素在花岗岩中比在玄武岩中更为丰富不同，Eu在斜长石含量较高的玄武岩中更为丰富。5、 为什么U、Th在花岗岩中比在超基性岩中更为丰富？答：这与U、Th的离子半径和类质同象置换有关。U和Th的离子半径较大，U4+(6次配位)为0.97A,U6+(6次配位)为0.80A,Th3+(6次配位)为1.14A,Th4+(6次配位)为1.02A，因此二者不能进入早期结晶的镁铁矿物中，而富集在淡色的残余岩浆内。U4+广泛地与Th4+,Zr4+,REE3+以及Ca2+呈类质同象置换6次配位)。思考题1. 根据作用的性质和条件，自然界稳定同位素的分馏作用可分为几类？引起各种分馏作用的原因及其特征是什么？2. 放射性同位素衰变具有哪些不同于一般化学反应的性质？试述放射性同位素蚀变定律。3. Rb-Sr等时线测年的基本原理是什么？影响等时线年龄可靠性的主要因素是什么？4. Sr和Nb同位素如何用于进行地球化学示踪作用？5. 根据水的H、O同位素组成，自然界的水可以分为哪几类？每一类的H、O同位素特征如何？习题 1、使用Sm-Nd法对岩石定年时，只有当岩石中矿物的147Sm/144Nd比值具有较大差异时才能获得最佳的年龄结果，为什么？ 2、假定下图是一个岩浆岩的同位素分析所获得的结果，请问图中点A、B、C、D所代表的意义？3、下列岩浆岩： 形成过程中仅与岩浆水发生了相互作用； 形成过程中广泛地与大气降水发生了相互作用。试回答哪一种岩浆岩D/H比值和18O/16O比值更高？(6分)。答：形成过程中仅与岩浆水发生了相互作用的岩浆岩D/H比值和18O/16O比值更高。1、 对灰岩样品进行18O/16O比值分析以确定岩石的形成温度，结果数值可以分为两组，一组18O/16O比值高，另一组18O/16O比值低。试问哪一组岩石即富18O的岩石还是贫18O的岩石最有可能保留岩石最初的同位素组成？ 答：沉积后沉积岩的蚀变作用通常会引起18O/16O比值降低，这是由于引起蚀变作用的水一般至少含有一些地下水，这种水的18O含量一般比海水18O值低。2、 下列岩石进行放射性同位素定年那种同位素定年方法最为合适？ 前寒武纪花岗岩； 含有碳化木碎屑的早第三纪页岩； 早古生代蒸发盐矿床； 元古代玄武岩； 一块史前印地安人营火堆中的木炭； 在花岗岩接触带上变质岩中的石榴子石-辉石矽卡岩。为什么？3、 研究表明，岩浆岩和变质岩中的不同矿物具有不同的18O/16O比值，例如岩浆岩中石英一般比钾长石具有更高的18O/16O比值，试阐明控制矿物18O/16O比值大小的原因是什么？答：根据同位素理论，氧与阳离子的键强控制了矿物的18O/16O比值，一般18O富集于与氧形成更强键的矿物中。硅酸盐中硅氧键的键强比铝氧键强大，因此石英中的18O要比钾长石更大。7. 何为同位素分馏系数？答：达到同位素交换平衡时，共存相间同位素相对丰度的比值为一常数，称为分馏系数：。式中：R为相对同位素丰度，A和B分别代表含有相同元素的两种分子，如CO32和H2O。1为轻同位素，2为重同位素。讨论题 1、试分析讨论元素地球化学分异与同位素分馏之间的异同。 2、在选择是用于同位素定年还是用于同位素示踪两种不同目的时，对同一种放射性元素的同位素母体/子体比值而言，在样品的选择上要注意什么问题。即是选择母体/子体比值高还是低的矿物？为什么？3、写出结晶分异(瑞利分馏)过程中控制微迹分配行为的定量模型公式，并绘制随F值减小、分配系数分别为0.01，1和10时微迹元素在残余岩浆与初始岩浆中浓度比值的演化曲线图解。