地球化学复习题

概念解释

1、地球化学亲和性：在自然体系中，阳离子有选择性地与某阴离子化合（结合）的倾向性称为地球化学亲和性。

2、类质同象：元素相互结合过程中，性质相似的元素发生代换起到性质相同的作用，按概率占据相同的位置，而不引起晶格常数过大的改变的现象称之为类质同象。

3、不相容元素：固相/液相分配系数近于零，趋向于在液相中富集的微量元素。

4、自由能：地球化学体系内可用于对外做功的能称为自由能。

5、放射性同位素：其核能自发地衰变为其它核的同位素，称为放射性同位素

1、克拉克值：每一种化学元素在地壳中所占的平均比值

2、八面体择位能:离子八面体配位的晶体场稳定能减去其四面体配位的晶体场的稳定能

3、化学位：加入1mol i组分时能引起的体系总自由能的变化，即为该体系中i组分的化学位（μi）。它也就是体系中i组分的偏摩尔自由焓。

4、分配系数：组分i在两相之间的质量浓度比值。

5、稳定同位素：其核是稳定的，到目前为止，还没有发现他们能够衰变成其他核的同位素。简答题

1、元素地壳丰度研究的地球化学意义？

元素地壳丰度(克拉克值)是地球化学中一个很重要的基础数据，其研究的地球化学意义表现在：

（1）控制元素的地球化学行为：1）支配元素的地球化学行为。2）限定自然界的矿物种类及种属。3) 限制了自然体系的状态。4）对元素亲氧性和亲硫性的限定。

（2）地壳克拉克值可作为微量元素集中、分散的标尺：1）可以为阐明地球化学省（场）特征提供标准。2）指示特征的地球化学过程3) 浓度克拉克值和浓集系数可表述元素的集中与分散以及其在地壳中富集的能力。

2、低温水-岩作用的物理化学环境有何特点？

（1）过量水的体系。

（2）表生化学作用过程中水既是作用介质，又是良好的溶剂和搬运剂。

（3）有生物和有机质参加作用。

（4）富氧( fo2 = 0.213×105Pa )和富CO2 ( fco2 = 3.04 ×10Pa)的环境。

（5）低（-75 ~ +200）而迅速变化（昼夜和季节变化）的温度条件。

（6）低压（通常1~200×105Pa，深海成岩可达5000 ×105Pa）条件

3、简述活度积的原理？

在一定温度、压力条件下，难溶电解质离解的离子活度乘积是常数，这一常数称为活度积。当溶液中某物质的离子积达到和超过该物质的活度积时，该物质即析出，相反被溶解，这种溶解-沉积关系称为活度积原理。

4、为什么稀土元素地球化学在微量元素地球化学中占据很重要的地位？

（1）他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—集体观念强；

（2）他们的分馏作用能灵敏地反映地质、地球化学过程的性质—指示功能强 ;

（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—应变能力强；

（4）他们在地壳岩石中分布较广—广泛性。

5、简述自然界引起同位素成分变化的原因有哪些？

（1）放射性衰变：1)α—衰变，放射性母核放出α粒子；2)β——衰变：自然界多数为β—衰变，即放射性母核中的一个中子分裂为1个质子和1个电子（即β—粒子），同时放出反中微子 ；3)电子捕获：是母核自发地从核外电子壳层捕获1个电子，与质子结合变成中子；

4)重核裂变：重放射性同位素自发地分裂为2—3片原子量大致相同的“碎片”。

（2）同位素分馏效应: 1)同位素分馏效应：在地质作用过程中，由于质量差异所导致轻稳定同位素(Z＜20)相对丰度发生改变的过程；2)引起分馏效应的原因：物理分馏、同位素交换反应、生物化学反应、动力分馏。

6地球化学研究的主要任务

答;1)元素及同位素在地球及各子系统中的组成（丰度和分配）；

2)元素的共生组合及赋存形式；

3)元素的迁移和循环；

4)研究元素（同位素）的行为；

5)元素的地球化学演化。

7陨石的主要类型和特点

答：陨石主要是由镍-铁合金、结晶硅酸盐或两者的混合物所组成。按陨石中金属的含量可将陨石分为三类：

1)铁陨石，主要由金属Ni、Fe和少量其它元素组成；

2)石陨石，主要由硅酸盐矿物组成（橄榄石、辉石）。这类陨石可以分为两类，即决定它们是否含有球粒硅酸盐结构，分为球粒陨石和无球粒陨石；

3)铁石陨石，铁石陨石由数量上大体相等的Fe、Ni和硅酸盐矿物组成

8、地球系统的化学作用类型有哪些？

答：（1）水岩反应和水介质中的化学作用，如热液对围岩的交代作用（2）熔—岩反应和熔浆化学作用，如岩浆结晶分异形成（3）水—气化学作用，如地表水和大气中H2O、O2、CO2的相互作用（4）岩—岩化学作用，如球外物质撞击地球表面的岩石（5）有机化学作用，如石油、天然气的形成过程

9、简述晶体场原理及其应用

答：晶体场理论是研究过渡元素化学键的理论，它从分析各种配位结构中例子外层电子的运动状态和能量入手，将配位体离子当作点电荷来处理。它在静电理论的基础上，应用量子力学和对称性理论、群论的一些观点，重点研究配位体对中心离子d轨道或f轨道的影响，来解释过渡元素和镧系元素的物理和化学性质。

应用：（1）阐述过渡族元素离子的物理化学特性（2）阐述金属离子在岩浆结晶演化过程中的地球化学行为。（3）解释过渡族金属离子氧化倾向性的强弱。

10、克拉克值研究的意义

（1）控制元素的地球化学行为：1）支配元素的地球化学行为。2）限定自然界的矿物种类及种属。3) 限制了自然体系的状态。4）对元素亲氧性和亲硫性的限定。

（2）地壳克拉克值可作为微量元素集中、分散的标尺：1）可以为阐明地球化学省（场）

特征提供标准。2）指示特征的地球化学过程3) 浓度克拉克值和浓集系数可表述元素的集中与分散以及其在地壳中富集的能力。

1.什么是微量元素地球化学？其研究意义是什么？

参考答案：微量元素地球化学：它是地球化学的重要分支学科，研究在各种地球化学体系中微量元素的分布、分配、共生组合及演化的规律，其特色之处就是能够近似定量地解决问题，使实际资料和模型计算结合起来。

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。

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； 2)为成矿分析提供了理论依； 3)判断成岩和成矿过程的平衡；

4) 微量元素地质温度；5)微量元素地质压力； 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.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演化规律

4.同位素地球化学在解决地学领域问题中有何独到之处？

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。

详述题

1、叙述分配系数的应用

（1）检验成岩、成矿过程的平衡性：一定温度、压力下各相处于平衡时，元素在共存矿物间的分配系数为一常数，可据此来检验自然过程是否达到平衡。

（2）判别岩浆结晶过程中微量元素的地球化学行为：利用瑞利分馏定律，将岩浆结晶中某微量元素的瞬间浓度相对于该元素的原始浓度比值（XTr熔体/XoTr熔体）作为纵坐标，以反映岩浆结晶程度的F为横坐标，并赋于K D不同的值，就可做出反映元素行为的图解。（3）可设计微量元素分配系数温度计：当微量元素在共存各相中分配达到平衡时，有lnK D = -(ΔH/RT)+B 的函数关系，以-（ΔH/R）为斜率，B为截距，即当在所讨论范围内ΔH（热焓）可看作为常数时，分配系数（K D）的对数与温度倒数（1/T）存在线性关系。

2、晶体场理论是如何说明过渡元素的行为的？

晶体场理论是研究过渡元素化学键的理论，它从分析各种配位结构中离子外层电子的运动状态和能量入手，将配位体离子当作点电荷来处理。它在静电理论的基础上，应用量子力学和对称性理论、群论的一些观点，重点研究配位体对中心离子d轨道或f轨道的影响，来解释过渡元素和镧系元素的物理和化学性质。

再过渡族d轨道的Sc Ti V Cr Co Ni Cu九个元素中，除了铜的一价离子具有18电子层的铜型稳定结构，其它都属不稳定的过渡结构。

在岩浆结晶分异的过程中，四面体配位和八面体配位的结构位置很多，过度金属离子都有优先进入八面体配位结构的倾向，但不同过渡金属元素进入硅酸盐晶格的顺序是有差异的，八面体择位能高者先进入，低者后进入。

Ni、Co、Cr、V等过渡金属元素的八面体择位能较高，具有在岩浆结晶早期进入硅酸盐矿物的倾向，从而分散于岩体结晶时期的硅酸盐矿物中。而Cu Fe Mn等元素的八面体择位能较低，趋向于留在液相中，并于岩浆期后热液中形成富集，从而导致过渡族元素在整个岩浆作用过程中的分异。

3、举例和绘图说明微量元素在判断岩浆结晶过程和部分熔融过程中的应用

判断岩浆结晶过程和部分熔融过程的方法多种多样，微量元素法即是其中之一。不同的微量元素在固—液相间的分配系数不同，对于分配系数低的微量元素：如Ta、Th、La、Ce等（称为超岩浆元素），它们总分配系数很低，近于0，他们总是趋向于在液相中富集。因此，在部分熔融过程中这些元素浓度变化大，但在分离结晶作用过程中则变化缓慢。这样，以这些元素及相关中等分配系数元素比值作图时，就能反映出他们在部分熔融过程和分离结晶作用过程中的显著差异。

以La、Sm为例，La在固--液相中的分配系数很小，Sm为中等，在岩浆结晶分异过程中，La、Sm长期保留在液相中，无论La含量高低，La/Sm比值稳定。而在部分熔融过程中，随着熔融度的增加，液相中的La、Sm浓度不断改变，La/Sm比值也不断发生改变。因此，在分别以La含量与La/Sm比值作图时，便能看出他们在两种不同岩浆作用中的差异，如图所示。这样，即可以根据岩体不同部位采样，分析La、Sm含量和作图后，判断其成因。

1、如何应用热力学研究地球化学问题?

答：1)从元素结合过程中的热效应（能量效应）来讨论元素的集合规律和存在形式（元素地球化学亲和性的热力学控制、矿物固溶体热力学计算，矿物溶解度及元素在溶体中的存在形式）；

2)自然过程的方向和限度的确定及矿物相平衡计算和相图的编制

3、低温水-岩作用的主要物理化学特征

（1）低温水—岩作用发生在近地表处，地表是地球的岩石圈、水圈、大气圈和生物圈交织重叠的区带。过量水的体系：地球表面大洋面积占71%，大陆面积占29%。

（2）水—岩间长期的化学作用使水体系中含有大量的作用剂（O2、CO2、H+、OH-）和各类电解质盐类（Na、K、Ca、Mg的盐），同时水又有很好的流动性。因此，表生化学作用过程中水既是作用介质，又是良好的溶剂和搬运剂。

（3）有生物和有机质参加作用。

（4）富氧( fo2 = 0.213×105Pa )和富CO2 ( fco2 = 3.04 ×10Pa)的环境。

（5）低（-75 ~ +200）而迅速变化（昼夜和季节变化）的温度条件。

（6）低压（通常1~200×105Pa，深海成岩可达5000 ×105Pa）条件