地球化学作业习题(含标准答案)

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)

+ 2- + 2-

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

2+ 2-

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2+ 2+

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 Zn4[Si 2O7][OH]

2.2H2O)( 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。

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， KAlSi 3O8与 NaAlSi 3O8二者呈完全类质同象，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。 Si 4+的大小处在最小的金属离子Ti 4+和 Al 3+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。 2～ 6 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－

Zn4Si 2O7(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， P CO2≤ 1bar 。

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p CO2＝1, 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+CO2 H2CO3 HCO3- +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 (P O2=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：

2+ O 3+ O

Pt 2++2e Pt E O=1.2 伏； Au 3++3e Au E O=1.51 伏

这样高的 E O，

(1) 电对中氧化剂物质 Pt 2+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P t 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++3e Au E O=1.5 伏 [AuCl 4] -+3e=Au+4Cl-

E O=1.00 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。

[AuCl 4] -+3Fe2+=Au+3Fe3++4Cl -

[AuS3] 3-+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+,Ca 2+，Sr 2+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2+ 3+

石都是具有特高 Eu /Eu 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,Mn 2+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 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 (F>0.9) 和低熔融度 (F<0.1) 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，δ Eu<0.5 。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,U 6+（6 次配位）为 0.80A,Th 3+（6 次配位）为 1.14A,Th 4+（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+,Zr 4+,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：① 形成过程中仅与岩浆水发生了相互作用；② 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 18

O 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？①

含有碳化木碎屑的早第三纪页岩；③ 早古生代蒸发盐矿床；④ 元古代玄武岩；⑤ 一块

史 前印地安人营火堆中的木炭；⑥ 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 比钾长石具有更高的 18O/16O 比值，试阐明控制矿物

前寒武纪花岗岩；② 18O/16O 比值，例如岩浆岩中石英一般 18O/16

O 比值大小的原因是什么？

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。 答：根据同位素理论，氧与阳离子的键强控制了矿物的 18

O/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

18

O 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

常数，称为分馏系数： R A / R B ( B 2

2 ） 。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 CO 32－和 H 2O 。1 为轻同位素， 2 为重同位素。

讨论题