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地球化学考试复习版

发布时间:2013-10-01 11:44:10  

绪 论

1. 地球化学是研究地球及其子系统(含部分宇宙体)的化学组成、化学机制和化学演化的科学。

2. 地球化学的研究思路:1)自然过程形成宏观地质体时也留下了微观踪迹,这些踪迹中包含着重要

的地球演化信息,地球化学就是通过槛识这些微观踪迹来追索地球历史的。2)自然界物质的运动和存在状态时环境和体系介质条件的函数。3)地球化学问题必须置于地球或其子系统中进行分析,以系统的组成和状态来约束作用过程的特征和元素的行为。

3. 地球化学研究的基本问题: 1) 地球系统中元素及同位素的组成问题; 2)元素的共生组合和赋存

形式问题; 3)元素的迁移和循环; 4)地球的历史与演化。 附:具有相同或相似迁移历史和分配规律的各种元素在地质体中有规律的组合称为元素的共生组合。

4. 关键人物:克拉克、戈尔德施密特、韦尔纳茨基和费尔斯曼

5. 三个时期:资料积累时期、建设时期、发展时期

第一章 太阳系和地球系统的元素丰度

1.通常将元素在宇宙体或较大的地球化学系统中的平均含量称为丰度;元素在地壳中的丰度称为克拉克值;浓度克拉克值=元素在某一地质体中平均含量/元素的克拉克值,它反映元素在地质体中集中和分散程度,大于1说明相对集中,小于1说明相对分散。元素在矿床中的最低可采品位与克拉克值的比值称为该元素的浓集系数。

2. 简述太阳系元素丰度的基本特征.答题要点:1)原子序数较低范围内,随元素的原子序数增大,元素丰度呈指数下降;原子序数>45的元素,元素丰度变化不明显;2)原子序数为偶数的元素,其元素丰度大于相邻的奇数元素;3)氢和氦是丰度最高的两种元素;4)锂、铍、硼元素丰度严重偏低;5)氧和铁元素丰度显著偏高;6)质量数为4的倍数的核素或同位素具有较高的丰度。

3. 陨石的分类及相成分:按陨石中金属的含量分类:铁陨石;石-铁陨石;石陨石,石陨石包括球粒陨石和无球粒陨石。无论何种陨石,都是由金属相、硫化物相和硅酸盐相矿物组成。

4. 地壳元素丰度值(克拉克值)有何研究意义?答题要点:1)为研究地球的形成、化学分异及地球、地壳元素的成因等重大问题提供信息;2)确定了地壳体系的总特征;3)元素克拉克值可作为衡量元素相对富集或贫化的标尺;4)据元素克拉克值可获得地壳中不同元素平均含量间的比值,提供重要的地球化学信息。

5.地球元素丰度的研究方法:1)陨石类比法2)地球模型和陨石的类比法3)地球物理类比法等

第二章 元素结合规律与赋存形式

1. 自然界元素结合的基本规律:1)元素的地球化学亲和性2)矿物晶体形成或变化过程中的类质同象规律3)晶体场理论对过渡族元素行为的控制。

2.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成为元素的地球化学亲和性。

3.亲氧元素和亲硫元素地球化学性质的主要差异是什么?答:亲氧元素具有惰性气体电子层结构,电负性较小;亲硫元素具有18或18+2外电子层结构,电负性较大。

4.类质同象: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”。进入晶体中的微量物质称为“类质同象混入物”,含有类质同象混入物的晶体又被称为固溶体。

5.类质同象置换的条件:1)离子(或原子)自身的性质2)体系的物理化学条件3)固溶体的热力学性质。

6.类质同象置换法则:(1)戈尔德施密特类质同象法则: 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,即较小离子集中于较早期的矿物中,而较大离子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矿物晶格。3)隐蔽法则:若两离子具有相近的半径和相同的电荷,丰度高的主量元素形成独立矿物,丰度低的微量元素将按丰度比例进入主量元素的矿物晶格。(2)林伍德电负性法则:具有较低电负性的离子优先进入晶格。

7. 类质同像的地球化学意义: 1)确定了元素的共生组合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7)对环境的影响

8.元素的地球化学分类

戈尔德施密特的元素地球化学分类:(1)亲石元素:离子的最外电子层具有8电子(sp)稳定结构,氧化物的形成热大于FeO的形成热,与氧的亲和力强,易熔于硅酸盐熔体,主要集中在岩石圈。

(2)亲铜元素:离子的最外电子层具有18电子(s2p6d10)的铜型结构,氧化物的形成热小于FeO的形成热,与硫的亲和力强,易熔于硫化铁熔体。主要集中于硫化物—氧化物过渡圈。

(3)亲铁元素:离子的最外电子层具有8—18电子过渡型结构,氧化物的形成热最小,与氧及硫的亲和力均弱,易熔于熔铁;主要集中于铁镍核。

(4)亲气元素:原子最外电子层具有8电子,原子容积最大,具有挥发性或倾向形成易挥发化合物,主要集中在大气圈。此外,戈氏还划分出“亲生物元素”,这些元素多富集在生物圈内,包括C、N、H、O、P、B、Ca、Cl、Na、Si等。

查瓦里斯基的元素地球化学分类:氢族;惰性气体族;造岩元素族;岩浆射气元素族;铁族;稀有元素族;放射性元素族;钼钨祖;金属矿床成矿元素;铂族;半金属和重矿化剂族;重卤素族。 26

9. 简述地壳中元素的赋存形式及其研究方法. 答题要点:1)赋存形式(固相):独立矿物、类质同像形式、超显微非结构混入物、吸附状态和与有机物结合的形式;2)研究方法:(1)元素含量测定;

(2)显微镜法: (3)萃取法;(4)晶格常数测定;(5)电子显微镜扫描。

10. 英国某村由于受开采ZnCO3矿的影响,造成住宅土壤、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?答题要点:Cd 的存在形式(形态)。

第三章 水-岩化学作用和水介质中元素的迁移

1. 元素地球化学迁移的定义:元素的重新组合常伴随元素的空间位移及元素在系统不同部分状态的转

化,这样的过程称为元素的地球化学迁移。 元素地球化学迁移过程:活化(解体)→迁移(空间位移,一般无存在形式变化)→重新结合(沉淀、结晶)。 自然界元素迁移的标志:1) 矿物组合的变化; 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); 3) 物理化学界面--氧化还原界面,压力释放带,温度界面,pH界面等。

2. 水岩化学作用的基本类型:1)氧化还原反应2)脱水和水解反应3)水合作用4)碳酸盐化和脱碳

酸盐化反应5)阳离子交换反应

3. 水岩化学作用的影响因素:1)与元素性质有关的因素:体系中的元素丰度、元素在固相中的赋存

形式和元素进入水相后的存在形式等;2)与环境有关的因素:体系的组成和环境的物理化学条件等。

4. 活度积:当温度一定时,难溶强电解质溶液中离子活度的乘积为一常数,这一常数称为活度积。 活

度积原理:当溶液中某物质的离子积达到或超过该物质的活度积时,该物质即析出,小于此值时,固体物质溶解,这种溶解-沉淀关系称为活度积原理。 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。

5. 地球化学障:元素迁移过程中,如果环境的物理化学条件发生了急剧的变化,导致介质中原来稳定迁移的元素

其迁移能力下降,形成大量化合物而沉淀。这些引起元素沉淀的条件或因素就称为地球化学障。地球化学障类型:吸附障;酸性-碱性障;氧化障;还原硫化氢障;还原浅育障;硫酸盐和碳酸盐障;蒸发障。

第五章 微量元素地球化学

1. 微量元素地球化学是研究微量元素在地球及其子系统中的分布特征、化学作用及化学演化的一门分支学科。 地球化学体系中低于1%的元素,通常称为微量元素。 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。

2. 阐述能斯特分配定律、能斯特分配系数的概念及其研究意义。参考答案:定律内容:在一定的温度压力下,微量组分在两共存相中的分配达平衡时,其在两相中的化学位相等。 能斯特分配系数:在温度、压力恒定的条件下,微量元素i (溶质)在两相分配达平衡时其浓度比为一常数(KD),此常数KD称为分配系数,或称能斯特分配系数。 能斯特分配定律及分配系数的研究有着极其重要的地球化学意义。可应用于如下多方面的研究:1)定量研究元素分配;2)为成矿分析提供了理论依据;3)判断成岩和成矿过程的平衡;4) 微量元素地质温度计;5) 微量元素地质压力计;6) 指示沉积环境 ;7)岩浆作用过程微量元素分配和演化定量模型的研究;8) 岩浆形成机制的研究;9)判断岩石的成因。

3. 稀土元素的主要特点?性质差异?。参考答案: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;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。 性质差异主要表现为:1.晶体化学性质的差异2. 元素碱性差异3.元素的价态4.形成络合物的稳定性不同5.离子被吸附的能力不同

第六章 同位素地球化学

1. 同位素地球化学在解决地学领域问题中有何独到之处?参考答案: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。

2. 由不同数量的质子和中子按一定结构组成各种元素的原子核称为核素。具有相同质子数和不同中子数的一组核素称为同位素。同位素分类:根据核素的稳定性,自然界中的同位素分两大类:1)放射性同位素: 其核能自发地衰变为其它核的同位素;2)稳定同位素: 其核是稳定的,到目前为止,还没有发现它们能够衰变成其它核的同位素。 稳定同位素又分为: a 轻稳定同位素: 原子序数Z<20,ΔA/A≥5% (ΔA 为两同位素质量差),其发生同位素组成变化的主要原因是同位素分馏作用,其反应是可逆的。 b 重稳定同位素:原子序数Z>20,ΔA/A<5%;其发生同位素同位素组成变化的主要原因是放射性核素不断衰变的结果所造成的,这种变化是不可逆的。

4. 造成放射性同位素组成变化的原因是什么?答题要点:主要原因是放射性衰变作用或称衰变反应。放射性同位素不断自发地发射出质点和能量,改变同位素组成并转变成稳定的核素,这种过程称核衰变

反应或蜕变。衰变反应。结果母元素同位素(母核)不断减少,而子元素同位素(子核)不断增加。常见的衰变反应有α衰变、β衰变、电子捕获、重核裂变四类。

5. 造成稳定同位素组成变化的原因是什么?答题要点:主要原因是稳定同位素的分馏作用。 根据分馏作用的性质和条件的不同可分为:1)物理分馏2)动力分馏3)平衡分馏4)生物化学分馏

6. 放射性同位素年龄测定公式,各符号的含义。答题要点:假设:以D表示由经过t(T0→T)母核衰

变成的子核数,则: D=N0-N 把N0=Neλt代入 经整理得: t=(1/λ)ln(1+(D/N))

D/N是现存子核和母核的原子数比值。上述两式是同位素年龄测定的基本公式,不同的同位素年龄测定方法都是以此为计算公式的。

7. 利用衰变定律来测定岩石、矿物的年龄,应满足的哪些前提条件?参考答案:1) 应有适当的半衰期,这样才能积累起显著数量的子核,同时母核也未衰变完。2) 所测定同位素的衰变常数的精度能满足要求。3)高精度的同位素制样和质谱测定技术。 4) 测定对象处于封闭体系中,母体和子体核素只因衰变反应而改变,不存在它们的丢失和从外部体系的带入。

8. 概述同位素研究工作方法程序。参考答案: 一个完整的同位素样品的研究包括样品的采集、加工、化学制样、测定及结果的计算和解释等环节。以Rb-Sr法为例,工作程序如下:1)观察; 2)作出采样计划: a 空间分布; b 新鲜程度; c 肉眼目估含钾矿物含量;3)采集10-15 个样品(0.5-1kg)配上标本(磨制薄片), 单矿物样量(0.5-1g) ;4)无污染加工(玛瑙研钵);5)作Rb,Sr 定量分析算出每个样Rb/Sr比值;6)结合Rb/Sr 比值和镜下观察结果,选择无后期作用叠加的五个样品,送Rb-Sr同位素实验室;7) Rb-Sr等时线法样品用全岩样, 为了拉开比值亦可挑选合适的单矿物与全岩样共同成线。

9. 以Rb-Sr等时线法为例说明同位素测年的样品采集过程中应注意的事项。答题要点:Rb—Sr等时线法样品的采集过程中的注意事项:①一组样品采集在同一母体上(保证是同源,才能有一致的87Sr/86Sr初始值); ②样品布点的空间分布合理(以免样品Rb/Sr比值接近,形成不了等时线); ③尽力保证样品新鲜,不受后期作用影响(保持封闭体系)。 ④K含量低的样品(超基性岩)不应用此法,沉积岩样品应是同生沉积矿物(海绿石).

同位素地质年代学的依据是同位素衰变定律:单位时间内衰变的原子数与现存放射性母体的原子数成正比。其数学表达式为:-dN/dt = λN N:t时刻存在的母体原子数;dN/dt:t时的衰变速率;负号表示随时间减少;λ:衰变速率常数。 经过推导得出地质年代学的基本公式: D/DS = (D/DS)0 + (N/DS)(eλt - 1)

(D/DS)0 样品初始同位素原子数比值 (N/DS) 母体同位素与参照同位素原子数比值,一般同位素稀释法计算获得 D/DS样品现今的同位素原子数比值,质谱测定

β-衰变 原子核中一个中子分裂为一个质子和一个电子(β质点),β质点被射出核外,反应通式为: AM →Z AZ+1M + β,Z:核电荷数;A:质量数。衰变结果,核内减少一个中子,增加一个质子,

8787 40 40 质量数不变,核电荷数增加1,变为周期表右侧的相邻元素。如:37Rb → 38Sr + β、19K →20Ca

+ β 其中87Rb与3787Sr、3840K与194020Ca称为同量异位素。

α-衰变 重核放射出由2个质子和2个中子组成的α质点(即He核),衰变反应为:

AM + e → A-4M + α 衰变结果,质量数减4,核电荷数减2,在元素周期表上向左移动2格。ZZ-2

如:226Ra →88 222 4He Rn +862

根据放射性同位素以上特性,放射性同位素衰变定律为单位时间内衰变的原子数与现存放射性母体的原子数成正比。其数学表达式如下: -dN/dt=λN, 式中:N为在t时刻存在的母体原子数;dN/dt为t时的衰变速率,负号表示N随时间减少;λ为衰变速率常数,表示单位时间内发生衰变的原子的比例数,用实验方法测定,其单位为1/年或1/秒。将上式由t=0到t求积分,整理后得ln(N/N0)=- λt : N0

eλt 为t=0时的衰变母体原子数。由此得:=N0e或N0 =N以上为放射性同位素衰变的基本公式,表-λt

明母核原子数为N0的放射性同位素,经时间t后残存的母体原子数N= N0e,N与t为指数函数。设衰变产物子体的原子数为D*,当t=0时,D*=0,经时间t的衰变反应,则:D* = N0 - N , D* = N0(1

λt-λt8787878787- e)或 D* = N (e - 1) 例如对于衰变反应Rb → Sr + β,Rb为母体,Sr为子体,则: Sr -λt

87-λt =Rb (e - 1) 对于任一放射性同位素体系,放射性核素衰变掉初始原子数的一半所需的时间称为半衰期,以T1/2表示。根据定义,当t=T1/2时, N=(1/2)N0,代入D* = N (e- 1) 并整理得: T1/2=ln2/λ 由此可见,T1/2与λ呈反比关系,衰变常数λ值愈小,半衰期愈长,核的寿命也愈长。记参照的同位素为Ds,并使等式D* = N (e - 1) 两边同除以DS,则: D* / DS = N / DS (e- 1) 如果在t=0时,在所研究的地球化学体系中存在初始子体同位素,记作D0,则t时刻,子体同位素的原子数总数为: D = D* + D0 D* = D - D0 , D / DS = (D0 / DS) + N / DS (e - 1) 习惯上,将上式中(D0/DS)写作(D/DS)0,则: D / DS = (D / DS) 0 + N / DS (eλt - 1) 式中:D/DS是代表样品现今的同位素原子数比值,用质谱直接测定获得;(D/DS) 0是样品初始同位素原子数比值; N/DS是母体同位素与参照同位素原子数比值,一般通过同位素稀释法分析计算获得;λ是衰变常数。 t = (1 / λ) ln{[( D / DS) - (D / DS) 0 / N / DS] +1}

在不同的自然体系中元素的共生组合规律是不一样的。如,Fe、

Ni、Co、Pt等富集于陨石的金属铁相之中;Si、O、Al、Mg、Fe等富

集于陨石的硅酸盐相之中;S、Fe、Cu、Ni、Co、Zn等则富集于陨石

的硫化物相之中;在地壳体系的超基性岩、基性岩、中性岩和酸性中

也有不同的元素组合特征。Fe、Ni集中于地核,而U、Th集中于地壳。

1、分析在岩浆结晶分异过程中分配系数KD=0.25和

KD=4这两个微量元素的地球化学行为。

F由1趋向0,反映的是熔体逐渐结晶的程度,F=0时完全

结晶,KD=0.25的微量元素是不相容元素,随结晶程度增加,

其在残余熔体中的浓度不断增加,即Xtr熔体

X0tr熔体λλλt tλt t逐渐增大,理论

上可增至原始岩浆浓度10倍以上;

KD=4的微量元素属相容元素,在岩浆结晶过程其行为与不相容元素相反,随结晶程度增大,其浓度在残余岩浆中逐渐减小,由公式可以算出变化程度与F的关系。

2、K不稳定常数,即络合离子的溶解平衡常数

3、?Eu,反映Eu与REE整体分离程度的参数,=2EuN/(SmN+GdN)

4、同位素分馏系数,反映同位素在同种或不同种化合物中分馏程度的参数,=同位素在A物质中的比值/同位素在B物质中的比值。

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