地球化学

名词解释

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学科。

2.元素丰度：

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。

3.浓度克拉克值：

某元素在某地质体中的平均含量与其克拉克值的比值。

4.克拉克值：

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，而元素在地壳中的丰度则称为克拉克值。

5.浓集系数：

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。

6.离子电位π

表示离子吸引或排斥对方电荷的能力，是表征离子电场强度的参数,π等于离子的电荷Z与半径r（单位为10nm）的比值。

7.元素的赋存状态：

元素在其迁移历史的某个阶段所处的物理化学状态及与共生元素的结合特征。

8.Eh值：

指环境的氧化还原电位,是氧化还原反应强度的指标。当体系处于平衡状态时,体系中个氧化还原反应的电极电位(非标准电极电位)E应与环境的氧化还原电位Eh相等。

9.晶体场稳定能：

d轨道电子能级分裂后的d电子能量之和, 相对于未分裂前d电子能量之和的差, 称为晶体场稳定能(CFSE).

10.八面体择位能：

任意给定的过渡元素离子在八面体配位的晶体场中获得的晶体场稳定能通常高于其在四面体配位的晶体场中获得的晶体场稳定能,二者的差值称为该离子的八面体择位能。11.微量元素：

微量元素是一个相对概念，通常将自然体系中含量低于0.1%的元素称为微量元素。12.封闭温度：

当岩石、矿物形成以后冷却到基本上能完全保留放射成因子体同位素的温度，称同位素封闭温度，简称封闭温度。

13.CHUR：

具有球粒陨石w(Sm)/w(Nd)比值的均一岩浆库

14.BABI：

指玄武质无球粒陨石的(87Sr/86Sr) 比值为0.69897±0.00003,代表地球形成时的初始比值.

15.δ值：

是稳定同位素质谱分析所给出的样品的重/轻同位素比值R样与标准样品的重/轻同位素比值R标的相对偏差，一般用千分数表示Δ(‰)=(R样-R标)/R标×1000=(R样/R标-1)×1000

16.Tdm

为样品相对于亏损地幔的Nd同位素模式年龄,代表地壳物质从亏损地幔总分离的时代.

17.电负性：

电负性为电离能与电子亲和能之和，是元素的原子在化合物中吸引电子能力的标度，其值与原子在化合物中吸引电子的能力成正比。

18.类质同象:

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随机地被介质中的其他质点(原子、离子、络离子、分子)所占据,结果只引起晶格常数的微小变化,而晶体构造类型、化学键类型等保持不变的现象。

19.地球化学障:

在元素迁移过程中，如果环境的物理化学条件发生了剧变, 导致介质中原来稳定迁移的元素迁移能力下降, 元素因形成大量化合物而沉淀,则这些引起元素沉淀的条件或因素就称为地球化学障。

20.不相容元素

在矿物-岩浆分配过程中主要富集在岩浆中的元素为不相容元素。

21.高场强元素

指离子半径小、离子电荷大、离子电位大于3的元素，如钍、铌、钽、磷、锆、铪、稀土元素等。

22.放射性成因同位素

是指由放射性同位素衰变产生的同位素。它们可以具放射性，也可以是稳定的。23.等时线:

通过对地质体一组样品实测的现今87Sr/86Sr比值和87Rb/86Sr比值作图，拟合所得到的一条直线称为等时线。

24.普通铅:

自然界的铅按照铅同位素的演化可以分为原生铅，原始铅，普通铅，和异常铅。原生铅与不同比例的放射成因铅相混合的铅叫普通铅，也叫正常铅，通常是指U/Pb，Th/Pb很低的体系中的铅。

25.分馏系数:

指两种物质(或物相)之间同位素比值(α)，即α=RA / RB，式中A，B表示两种物质(或物相)，R表示重同位素与轻同位素比值。

问答题

1.地壳元素丰度特征

（1）元素相对平均含量极不均一。

丰度最大的元素O为47%，与丰度最小的元素Rn（6*10-16）相差达1017,，相差十分悬殊。地壳中丰度最大的9种元素O,Si,Al,Fe,Ca,Na,K,Mg,Ti占地壳总质量的98.13%；前15种元素占99.61%，其余元素仅占0.39%

（2）对比地壳、整个地球和太阳系元素丰度数据发现，它们在元素丰度的排序上有很大的不同。

太阳系：H>He>O>Ne>N>C>Si>Mg>Fe>S；

地球：Fe>O>Mg>Si>Ni>S>Ca>Al>Co>Na；

地壳：O>Si>Al>Fe>Ca>Na>K>Mg>Ti>H。

与太阳系或宇宙相比，地壳和地球都明显地贫H、He、Ne、N等气体元素；而地壳与整个地球相比，则明显贫Fe和Mg，同时富集Al、K和Na

（3）地壳中元素丰度不是固定不变的，它是不断变化的开放体系。

a.地球表层H, He等气体元素逐渐脱离地球重力场；

b.每天降落到地球表层的地外物质102-105吨；

c.地壳与地幔的物质交换；

d.放射性元素衰变；

e. 人为活动的干扰。

2.类质同象研究化学意义

类质同象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。

3.地壳中元素主要赋存形式

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,有机物结合的形式

①独立矿物:能用肉眼或者显微镜下进行研究的矿物,粒径大于0.001mm

②类质同像:结构混入物,不同的元素或质点占据相同的晶格结点位置,而晶格类型和晶格常数不发生明显彼岸花的现象,微量元素进入主元素的晶格后,如果不通过破坏矿物晶格的手段,采用机械和化学方法都不能使二者分离

③超显微非结构混入物:超显微包裹体,被包裹在其他矿物中粒径小于0.001mm

④吸附于胶体晶体或者解理面上:由于电荷不平衡而吸附异性离子的现象,是一种结合力较弱容易被交换和分离的存在形式,活性赋存形式

⑤与有机物结合:元素加入到有机物中,比如哺乳动物血液中的Fe,骨骼中的Ca,脑细胞中的P 等等都是完全进入到有机质中,此外微量元素与有机制结合可以形成金属有机化合物或者络合物.

4.能斯特定律和分配系数在元素地球化学研究中的意义

能斯特分配定律：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条件；

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。

5.Rb-Sr等时线需要满足的条件

①所研究的一组样品(岩石或者矿物)具有同时性和同源性；

②岩石或矿物形成时Sr同位素在体系内是均一的,因而有着相同的87Sr/86Sr的初始同位素比值；

③体系内化学成分不均一，Rb/Sr比值有差异,可以确保获得一条较好的等时线；

④自结晶以来,Rb、Sr保持封闭,没有与外界发生物质交换。

6.元素克拉克值研究的地球化学意义

1）确定了地壳体系的总体特征；

2）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，如大陆地壳化学组成对壳幔分异的指示；地壳元素的克拉克值在某种程度上影响元素参加许多化学过程的浓度，从而支配元素的地球化学行为；限定了自然界的矿物种类及种属；限制了自然体系的状态；对元素亲氧性和亲硫性的限定；

3）元素克拉克值可作为衡量元素相对富集或贫化的标尺，如可以为阐明地球化学省（场）特征提供标准；

4）根据地壳元素克拉克值可获得地壳中不同元素平均比值，可以提供重要的地球化学信息，如某些元素克拉克比值是相对稳定的，一旦某地区、某地质体中的这些元素组比值偏离了地壳正常比值，示踪着某种地球化学过程的发生。

7.元素地球化学亲和性有哪几类?以及其特点和在地质体中元素及矿物组合

1）亲铁元素:离子最外电子层具有8-18电子过渡型结构,氧化物形成热最小，与氧及硫的亲和力均弱，易溶于熔铁,主要集中于铁镍相的地核中.

2）亲铜元素:离子最外电子层具有18电子的铜型结构,氧化物的形成热小于FeO的形成热，与硫的亲和力强,易溶于硫化铁熔体,又称为亲硫元素,主要分布于硫化物-氧化物过渡圈。

3）亲石元素:离子最外电子层有8电子的惰性气体型稳定结构,氧化物的形成热大于FeO的形成热，易溶于硅酸盐熔体,与氧的亲和力强,又称亲氧元素,主要集中在岩石圈。

4）亲气元素:原子最外电子层有八个电子的稳定结构,原子容积最大，具有挥发性,或倾向形成易挥发化合物,主要集中于大气圈

5）亲生物元素:主要为C、N、H、O、P、B等元素,一般富集于生物圈内.

8.离子电位对元素迁移的影响

1）π<2.5 电价低半径大的碱性阳离子,在水溶液中同H+争夺O2-能力弱,其氧化物溶于水给出O2-,形成简单阳离子和OH-

2）π(2.5-8.0)两性离子,偏高价中等半径,在水溶液中与H+争夺O2-能力相近,氧化物易与H2O 化合声称氢氧化物沉淀

3）π>8.0 小离子半径的高价阳离子,在水溶液中比H+争夺O2-的能力强,夺取O2-结合生成络阴离子,使H+游离,溶液呈酸性,为酸性离子

9.REE组成数据表示方法

为了更清楚的说明地球化学分异作用和指示各类岩石的成因,往往在地质体REE含量分析数据基础上通过一定计算处理得到一些参数或者图示,常用如下:

①REE组成模式图,曾田彰正-科里尔图解,用所研究体系的一部分作参考物质进行标准化

②表征REE组成的参数和图解:

稀土总量-ΣREE

轻重稀土比值W(LREE)/W(HREE) 或者ΣW(Ce)/ΣW(Y)

[W(La)/W(Yb)]N、[w (La)/w(Lu)]N、[ w(Ce)/w(Yb)]N

ΣLa-Nd ΣSm-Ho ΣEr-Lu 参数

La-Nd为轻稀土LREE

Sm-Ho为中稀土MREE

Er-Lu为重稀土HREE

③异常系数(指数) δEu,δCe

④稀土参数图解

10.利用衰变定律来测定岩石矿物年龄应该满足哪些条件

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。如果半衰期太长，就是经过漫长的地质历史也积累不起显著数量的子核；如果半衰期太短，没有多久母核几乎衰变完了；

2) 所测定同位素的衰变常数的精度能满足要求；

3)放射性同位素应具有较高的地壳丰度，在当前的技术条件下，能以足够的精度测定它和它所衰变的子体含量；

4) 矿物、岩石结晶时，只含某种放射性同位素，而不含与之有蜕变关系的子体或虽含部分子体，其数量亦是可以估计的；

5) 保存放射性同位素的矿物或岩石自形成以后一直保持封闭系统，即没有增加或丢失放射性同位素及其衰变产物。

11.天然水的PH值范围是多少?对研究元素在水介质中的迁移沉淀有何意义?

在自然界，水溶液是接近中性的，在弱酸性至弱碱性范围内变化，其PH值一般是4-9，火山口喷气可达3左右；在腐殖质分布区，PH为5-6.5；在干热地区，PH一般为7-8；海水的PH值一般为8.1-8.3；沙漠地区的土壤水和干涸盐湖水的PH值一般≥9，甚至更高；在硫化物矿床氧化带，PH值最低，甚至可以是负值。

有如下意义：

1)不同元素迁移要求的pH不同；

2)影响氢氧化物自盐类溶液中沉淀，碱性条件下沉淀，酸性溶液下溶解；

3) 影响元素共生或分离；

4)影响两性元素的迁移形式；

5)影响酸碱反应的方向；

6)影响盐类的水解。

12.讨论稀土元素的研究意义

稀土元素可在地球化学研究中得到多方面应用：

1)岩石成因：不同成因的岩石具有不同的稀土特征。如花岗岩类的成因主要归结为三类：

(a)基性岩浆分异：Eu负异常型；

(b)地壳硅铝层重熔：Eu轻缓平滑型；

(c)花岗岩化：Eu右倾型；

2)变质岩原岩恢复：许多变质过程中，稀土元素保持原岩特征；

3)研究地壳演化：如不同时代的页岩有明显不同的特征，稀土元素特征能反映地壳的演化规律。