地球化学复习要点及答案.docx
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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Z>45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：
H>He>O>Ne>N>C>Si>Mg>Fe>S
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：
Fe>O>Mg>Si>Ni>S>Ca>Al>Co>Na
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：
O>Si>Al>Fe>Ca>Na>K>Mg>Ti>H
d.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/U<2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=6
7.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.能量变化因素
发生类质同像的元素之间，其形成晶体的生成热应相近。
例：
钠、钙长石之间能量相似，可以形成斜长石完全类质同像系列；
碱性长石中钾、钠长石为高温类质同像混熔，低温固熔体分解（条纹长石）
5、影响元素类质同像的物理化学条件
a.组份浓度---“补偿类质同像”
当体系熔体或溶液中发生矿物结晶时，由于某种组份不足，熔体或溶液中性质与之相似的其他元素可以类质同像替换的方式进入晶体，以弥补不足。
例如：
磷灰石Ca5[F（PO4）3]从熔浆中结晶时，其正常的Ca：
P分子数比为5：
3，若熔体中Ca和P比例失调，P含量相对于Ca含量过量，则与Ca2+相似的离子将以类质同像替换形式进入磷灰石晶格（如Sr、Ce替换Ca），以填补Ca的不足。
b.氧化还原电位
还原内生条件:
Fe2+（0.83Å）,Mn2+（0.91Å）亲密共生
氧化表生条件:
Fe3+（0.64Å）,Mn4+（0.52Å）彼此分离
6、Goldschmidt的类质同像法则
1）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主要由主量元素构成的矿物晶格，即微量元素被主量元素所“隐蔽”。
例：
K+（1.33Å）主量元素在形成钾长石、云母类等矿物时，Rb+（1.49Å）以类质同像形式被元素K所“隐蔽”。
2）两种离子电价相同，半径有差别时，半径小的离子集中于较早的矿物中，而半径较大的离子（化学键弱）将在晚阶段矿物中富集。
因此，在岩浆结晶的过程中，早期形成的橄榄石MgO含量高（Mg#大），而晚期形成的橄榄中FeO含量增加（Mg#下降）。
类似的现象存在于角闪石和黑云母等矿物中。
如元素Mg2+、Fe2+和Mn2+具相同的电价，但离子半径逐渐增大：
Mg2+Fe2+Mn2+
0.78Å0.83Å0.91Å
橄榄石中镁橄榄石Fo的牌号常用于判别其所代表的岩石是否由初始岩浆形成
3）如果两个离子半径相近，而电荷不同：
较高价电荷的离子优先进入较早结晶的矿物晶体中，称“捕获”（capture）。
较低价电荷的离子“允许”（admit）进入晚期矿物。
根据戈氏法则3：
高价的Sc3+被早期辉石、角闪石等铁镁矿物所“捕获”（Li+
仍在熔浆中），使得Sc在基性、超基性岩中富集。
低价的Li+被晚期黑云母、电气石等铁镁矿物所“允许”。
导致酸性岩、伟晶岩中Li富集.
7、Ringwood的电负性法则
Ringwood法则（也称电负性法则）:
观察：
Zn2+（0.83Å）与Mg2+（0.78Å）、Fe2+（0.83Å）离子性质很相似，按戈氏法则能进入铁镁硅酸盐晶格。
事实上，在硅酸盐熔体中往往形成的是ZnSiO4（硅
锌矿）,Zn4[Si2O7][OH]2·2H2O（异极矿）.
针对上述用“规则”解释不了的现象，Ringwood提出对戈氏法则的补充法则，也称电负性法则：
对于价态和离子半径相似的不同阳离子，具有较低电负性的离子将优先被结合而进入矿物的晶格。
因为相对于电负性高的竞争阳离子，电负性低的阳离子
与阴离子间能形成离子键性更高的化学键。
Fe2+774KJ/mol
Mg2+732KJ/mol
Zn2+857.7KJ/mol
电负性高的Zn2+晚期形成自身的硅酸盐矿物,电负性低的Fe2+、Mg2+将优先进入铁、镁硅酸盐晶格。
8、研究元素类质同像的地球化学意义（P104）
确定元素的共生组合；决定元素在共生矿物之间的分配；支配微量元素在交代过程中的行为；类质同像的元素比值可作为地质体成因的标志；标型元素组合；影响微量元素的聚散；矿产资源综合评价与应用；类质同像的环境影响。
1）.阐明微量元素在各类岩浆岩中的分布以及微量元素在矿物中分配的规律
a.岩浆结晶过程中常量元素结晶的演化顺序：
不连续系列：
Mg→Fe→Mn→Ca
连续系列：
Ca→Na→K
随演化岩浆中Si、Al和挥发分（水）的含量增高。
b.类质同像规则影响微量元素地球化学行为（聚散）
岩浆结晶过程中，微量元素可呈现两种极端现象：
一种倾向为选择与自身晶体化学性质相似的造岩元素以类质同像替换方式进入它们的晶格，而呈分散状态，这种现象称元素的“晶体化学分散”。
另一种倾向是微量元素与造岩元素之间存在明显的晶体化学差异，不利于发生类质同像，因此在岩浆作用的早期，不能进入矿物晶体中而在残余熔体中聚积。
当岩浆演化到一定阶段后，由于浓度的大幅提高而达到了形成独立矿物（副矿物）条件，或转入到岩浆期后热水溶液中富集成矿，这一现象称元素的“残余富集”。
例：
导致Be在低丰度的酸性岩中富集成矿的原因
2）.地球化学中的“指纹”标型元素组合
以“杂质”形式进入由造岩元素组成的矿物晶格中，是微量元素在自然界中的主要存在方式。
然而，不同的环境条件下，矿物或造岩元素对微量元素的“收容”具有一定的选择性，即一定成因条件下微量元素对主量元素的类质同像具有一定的规律性，进而可以通过对矿物中微量元素的组成特征（类质同像组合）来指示矿物形成时所处的环境，尤如利用人的指纹对不同个体特征的人进行识别。
这
种可应用于对形成环境进行识别的元素类质同像组合称为标型元素组合。
中心离子处于带负电荷的配位体（阴离子或极性分子）所形成的晶体场时，中心离子与配位体之间的结合完全靠静电作用，不形成共价键。
中心离子的d轨道在配位体静电场的影响下会发生分裂，即原来能量相同的5个d轨道会分裂成两组或两组以上能量不同的轨道。
9、晶体化学集中与晶体化学分散概念
10、晶体场理论的要点及应用范围
晶体场理论是一种化学键模型理论，它研究处在晶体结构中的过渡族元素金属离子。
由于受到周围配位离子电场的作用，金属离子的电子（d或f）轨道发生能量和电子排布方式的变化。
该理论用于说明过渡族元素的物理和化学性质（包括存在形式和结合方式）。
在晶体场理论中，把过渡族元素金属离子周围的配位体（阴离子和络阴离子）当作点电荷来对待，作用的本质是静电场力。
晶体场理论认为，当过渡金属元素离子处于晶体结构中时，其电子层结构因受到配位体的影响而发生变化，使得原来五重简并轨道在能量上发生分裂。
晶体场理论的适用范围
1.只能适用于第一过渡族元素
2.只能适用于离子键矿物的晶格,不适用于共价健矿物的晶格
11、八面体、四面体晶体场稳定能和八面体择位能概念
晶体场稳定能也称晶体场稳定化能，系指d电子在分裂的d轨道上重新排布，使得配位体系的能量降低，这个总能量的降低值称为晶体场稳定能。
其值越大，配位体系越稳定。
过渡族元素离子的八面体与四面体晶体场稳定能之差叫八面体择位能。
（Cr3+、Ni2+、V3+和Mn3+等具有较高的八面体择位能，在氧化物和含氧盐类等矿物中将强烈地选择八面体配位位置。
）
12、晶体场理论应用的地球化学意义
1）.阐明岩浆结晶过程中过渡元素的地球化学行为
硅酸盐熔体中既有八面体位置，也有四面体位置。
过渡金属元素可存在于这两种位置。
但是，在岩浆岩的硅酸盐矿物的四面体配位位置中几乎没有过渡元素离子，
它们都占据八面体配位位置。
其分配关系：
（Mtn+）L+（Mon+）L→（Mon+）C
C矿物晶体；L岩浆熔体;t四面体;o八面体
八面体择位能顺序：
二价离子:
Ni2+>Co2+>Fe2+>Mn2+≥Ga2+、Zn2+
三价离子:
Cr3+>Co3+>V3+>Ti3+>Fe3+≥Sc3+、Ga3+
2）.阐明离子在淋漓过程中的行为矿物的破坏和离子淋漓系通过置换反应发生。
根据晶体场理论，这种反应中最难置换的是Cr3+,Ni2+,Co3+等的电子构型离子，它们在八面体配位中形成高的晶体场稳定能，最不易被淋漓。
该性质解释了Cr、Ni和Co在红土矿床中发生富集的现象。
3）为评价中酸性斑岩体含矿性提供评价的地球化学指标实验表明（Fess,1978），岩浆熔体中随着Al2O3/（Na2O+K2O+CaO），即A/CNK比值的增加，熔体中Ni2+（Cu2+）所占的四面体位置减少，而八面体占有率增大。
13、元素的赋存形式及其研究方法
1、独立矿物
指形成大小能够用肉眼或显微镜下进行矿物学研究的颗粒，粒径>0.001mm（1µm），并且可以用机械的或物理的方法分离出单矿物。
2、类质同像形式
也称结构混入物，由于这类元素存在于由主量元素构成矿物的晶格中，用机械的或化学的方法不易使二者分离，欲使其分离，须破坏原矿物的晶格。
3、超显微非结构混入物
也称超显微包体或机械混入物等，颗粒<0.001mm（1µm），其主要特征表现为：
不占据矿物的晶格位置，因此是独立化合物，但又不形成可以进行矿物学研究的颗粒，故其成因和性质介于独立矿物和类质同像之间。
该种存在形式的元素可以通过化学处理的方法进行分离和研究。
4、吸附状态
元素以离子或化合物分子形式被胶体颗粒表面、矿物晶面、解理面等所吸附，该存在形式为非独立化合物形式。
元素以离子或单独分子存在，又不参加寄主矿物的晶格构造，是一种结合力较弱、易于交换和分离的赋存状态（活性赋存形式）。
5、有机质结合形式
地壳中的生物及各种有机质除集中了亲生物元素，如C、H、O、P、S和Ca等外，还吸收大量金属和非金属元素构成其次要组分，其主要结合状态有：
1）金属有机化合物
2）金属有机络合物
3）螯合物
元素赋存状态的研究方法
从肉眼观察到各种化学和仪器分析法。
1、矿物学观察
2、X光衍射法、激光拉曼光谱
3、电子探针
4、化学偏提取法
5、微区原位元素分析（EMPA，LA-ICP-MS）
14、举例说明Pb在地壳中的各种存在形式（P83）
例如，Pb具有多种赋存形式：
1）独立矿物
2）类质同像
3）超显微非结构混入物
4）胶体吸附及有机质结合形式
第三章复习思考题
1.元素地球化学迁移概念
当体系与环境处于不平衡条件时，元素将从一种赋存状态转变为另一种赋存状态，并伴随元素组合和分布变化及空间上的位移，以达到与新环境条件的平衡，该过程称为元素的地球化学迁移。
2.元素在水溶液中的迁移形式
溶液：
以单分子或离子状态存在（D＜10-6mm）
胶体：
分子或微粒子（D：
10-3～10-6mm）
悬浮液：
D＞10-3mm
3.定量计算元素迁移的方法
（1）等体积法：
通
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