第11讲地球化学
张本仁地球化学课件
接上 2. 专门从事寓于地球物质运动中的某种基础形式运动的 学科 力学类：构造地质学（固体地球力学）、 ）、大陆和地幔 力学类：构造地质学（固体地球力学）、大陆和地幔 动力学（尚待建立）、大气动力学、海洋动力学等。 ）、大气动力学 动力学（尚待建立）、大气动力学、海洋动力学等。 分别为地质学、大气科学和海洋科学的三级学科。 分别为地质学、大气科学和海洋科学的三级学科。 化学：地球化学（地球科学的二级学科，涉及固、 化学：地球化学（地球科学的二级学科，涉及固、液、 气地球部分）。 气地球部分）。 物理学：地球物理学（地球科学的二级学科，涉及固、 物理学：地球物理学（地球科学的二级学科，涉及固、 气地球部分）。 液、气地球部分）。 生物学：研究地球系统生物作用的的学科， 生物学：研究地球系统生物作用的的学科，尚未形成 独立学科，但其内容有些已含于其他学科中： 独立学科，但其内容有些已含于其他学科中：如地 球化学中的生物地球化学， 球化学中的生物地球化学，矿床学中的生物和有机 质成矿作用，地质和海洋中的微生物作用等。 质成矿作用，地质和海洋中的微生物作用等。 这一类学科均为前一类学的的基础或支撑学科。 这一类学科均为前一类学的的基础或支撑学科。
接上 • 研究任务和范围：根据Goldschmidt(1954)《地球化 研究任务和范围：根据Goldschmidt(1954)《 Goldschmidt(1954) 地球化学是根据原子和离子的性质， 学》：“地球化学是根据原子和离子的性质，研究化 学元素在矿物、矿石、岩石、土壤、 学元素在矿物、矿石、岩石、土壤、水及气圈中的分 配和含量以及这些元素在自然界的迁移。 配和含量以及这些元素在自然界的迁移。这门科学不 仅限于研究用来区别物质的最根本单元的化学元素， 仅限于研究用来区别物质的最根本单元的化学元素， 还包括研究各种同位素（或原子的种类； 还包括研究各种同位素（或原子的种类；注；现称核 的分布和丰度， 素）的分布和丰度，并包括核子在宇宙中的出现率及 稳定性等问题” 稳定性等问题”。表明地球化学早期的设想就是建立 全球系统的学科，只是受取样的限制， 全球系统的学科，只是受取样的限制，研究采集中于 外部层圈。任务着重于研究岩石、 外部层圈。任务着重于研究岩石、矿物等地质体的化 学成分及其形成的化学作用，即地学小系统的化学。 学成分及其形成的化学作用，即地学小系统的化学。 总之，这一阶段的地球化学就以“ 总之，这一阶段的地球化学就以“元素原子自然历 的基本思想为特征， 史”的基本思想为特征，地球化学的研究内容和范围 也主要就是元素在地壳中的分布、分配、集中、 也主要就是元素在地壳中的分布、分配、集中、分散 及迁移历史，对象基本是地壳中的元素原子。 及迁移历史，对象基本是地壳中的元素原子。
地球化学
一．关于地球化学的定义：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。
二．地球化学的基本问题1、地球系统中元素的组成（质）2、元素的共生组合和赋存形式（量）3、元素的迁移和循环（动）4：地球的历史和演化（史）三．地球化学研究思路在地质作用过程中，在宏观地质体变化和形成的同时，亦伴有大量肉眼难以辨别的化学组成变化的微观踪迹，它们包含着重要的定性和定量的地质作用信息，应用现代化学分析测试手段，剖析这些微观踪迹，从而揭示宏观地质作用的奥秘。
（一句话那就是“见微而知著”）第一章地球和太阳系的化学组成第一节地球的结构和组成一．大陆地壳和大洋地壳的区别：1.大洋地壳较薄，10-5公里，平均厚8公里；大陆地壳较厚，最厚可达70公里,平均厚33公里。
(整个岩石圈也是大陆较厚，海洋较薄。
海洋为50—60公里，大陆为100—200公里或更深。
)2.在元素的分配上，洋壳比陆壳贫硅和碱金属，但较富镁富铁。
正是这种原因，大洋沉积物中富含Fe、Mn、Co、Ni等亲铁元素，它们是现代海洋中巨大的潜在资源。
二. 固体地球各圈层的化学成分特点○1地壳：O、Si、Al、Fe、Ca○2地幔：O、Mg、Si、Fe、Ca○3地核：Fe-Ni○4地球：Fe、O、Mg、Si、Ni第二节元素和核素的地壳丰度一．概念1.地球化学体系:按照地球化学的观点，我们把所要研究的对象看作是一个地球化学体系，每个地球化学体系都有一定的空间，都处于特定的物理化学状态（C,T,P等）并且有一定的时间联系。
2.丰度:表示元素在某地质体中（如地球，地壳，宇宙星体及某岩类，岩体等）的含量。
3.克拉克值：元素在地壳中的平均含量4.质量克拉克值：若计算元素在地壳中的平均含量时以质量计算，则称为质量克拉克值。
5.原子克拉克值：以原子数之比表示的元素相对含量（即指某元素在某地质体中全部元素的原子总数中所含原子个数的百分数）任意元素的原子克拉克值=某元素在某地质体中的相对原子数（用N表示）/所有元素相对原子数之和（用 N表示）6.浓度克拉克值：某元素在某地质体中的平均含量/元素克拉克值二．克拉克值的变化规律：①递减：元素的克拉克值大体上随原子序数的增加而减少（但锂，铍，硼以及惰性气体的含量并不符合上述规律，丰度值很低）②偶数规则：周期表中原子序数为偶数的元素总分布量（86%）大于奇数元素的总分布量（14%）。
《地球化学》章节笔记
《地球化学》章节笔记第一章：导论一、地球化学概述1. 地球化学的定义：地球化学是应用化学原理和方法，研究地球及其组成部分的化学组成、化学性质、化学作用和化学演化规律的学科。
它是地质学的一个分支，同时与物理学、生物学、大气科学等多个学科有着密切的联系。
2. 地球化学的研究对象：- 地球的固体部分，包括岩石、矿物、土壤等；- 地球的流体部分，包括大气、水体、地下水等；- 地球生物体，包括植物、动物、微生物等；- 地球内部，包括地壳、地幔、地核等。
3. 地球化学的研究内容：- 地球物质的化学组成及其时空变化；- 地球内部和外部的化学过程；- 元素的迁移、富集和分散规律；- 地球化学循环及其与生物圈的相互作用；- 地球化学在资源、环境、生态等领域的应用。
二、地球化学的研究方法与意义1. 地球化学的研究方法：- 野外调查与采样：包括地质填图、钻孔、槽探、岩心采样等；- 实验室分析：包括光学显微镜观察、X射线衍射、电子探针、电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）、原子吸收光谱（AAS）等；- 地球化学数据处理：包括统计学分析、多元回归、聚类分析等；- 地球化学模型：建立地球化学过程的理论模型和数值模型；- 同位素示踪：利用稳定同位素和放射性同位素研究地球化学过程。
2. 地球化学研究的意义：- 揭示地球的形成和演化历史；- 了解地球内部结构、成分和动力学过程；- 探索矿产资源的形成机制和分布规律；- 评估和治理环境污染问题；- 理解地球生物圈的化学循环和生态平衡；- 为可持续发展提供科学依据。
三、地球化学的发展历程与现状1. 地球化学的发展历程：- 起源阶段：19世纪初，地质学家开始关注矿物的化学组成；- 形成阶段：19世纪末至20世纪初，维克托·戈尔德施密特等科学家奠定了地球化学的基础；- 发展阶段：20世纪中叶，地球化学在理论、方法、应用等方面取得显著进展；- 现代阶段：20世纪末至今，地球化学与分子生物学、环境科学等学科交叉，形成新的研究领域。
地球化学讲稿
地球化学讲稿绪论地球科学以自然物质的组成及其各类运动形式为研究内容。
地球化学是地球科学中研究物质成分的主干学科，以元素及其化学运动为研究对象，是地球科学的基础学科之一是地球化学专业的专业基础课利用化学的方法研究地球中元素的含量、分布及化学变化的地质科学现代地球科学有三门基本学科：地质学、地球物理学和地球化学。
此外，还包括地理学、气象学、水文学、海洋学、土壤学、环境地学等学科。
2.地球化学1838年瑞士化学家Sch?nbein(申拜因)首次提出了“地球化学”这个名词；1842年预言：“一定要有了地球化学，才能有真正的地质科学。
”地球化学的定义：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。
1）从研究对象来看：是地球及其子系统（地壳、地壳及其自然作用体系（岩浆作用、沉积作用、变质作用、成矿作用、表生作用、生态环境）），目前正在向宇宙天体拓展；2）从研究形式来看：主要是元素和同位素在自然界的化学运动形式；3）从研究时间来看：包涵了整个地球、地壳演化和全部地质作用时期；对单个元素和同位素来讲，是研究它们的发生、不断发展及螺旋式演化的全部历史。
为此，地球化学是地质学与化学相结合的一门边缘学科，但本质上是隶属地球科学同位素是具有相同原子序数的同一化学元素的两种或多种原子之一,在元素周期表上占有同一位置,化学行为几乎相同,但原子质量或质量数不同,从而其质谱行为、放射性转变和物理性质(例如在气态下的扩散本领)有所差异。
同位素的表示是在该元素符号的左上角注明质量数,例如碳14，一般用14C而不用C14.在自然界中的丰度：指的是该同位素在这种元素的所有天然同位素中所占的比例。
丰度的大小一般以百分数表示。
人造同位素没有丰度。
周期表上所列的原子量实际上是各种同位素按丰度加权的平均值，这是因为各种同位素在自然界中往往分布的比较均匀，取平均值计算比较准确。
以原子百分数表示的地壳中某种元素各同位素的相对含量。
地球化学
第一章太阳系和地球系统化学元素的分布与分配研究任何物质的存在和运动规律，都必须观察研究对象的质和量的特征。
地壳和地球的化学组成如何，元素的相对含量怎样，无疑是地球化学必须探讨的基础课题。
地球化学在研究太阳系、地球和地壳及其它不同地质体中元素的含量时，常采用“丰度”（abundance）“分布”（distribution）和“分布量”等不同术语，它们都表示一定空间中物质组成的相对平均含量。
1.1太阳系的化学成分太阳系由太阳、行星、行星物体（宇宙尘、彗星、小行星）和卫星所组成，其中太阳集中了整个太阳系99.8%的质量。
行星沿着椭圆轨道绕太阳而运行(图1.1)。
在它们中间可以划分为两种类型：接近太阳的较小的内行星－水星、金星、地球、火星，也称为类地行星；远离太阳的大的外行星－木星、土星、天王星、海王星和冥王星。
在火星和木星之间存在着数以兆计的小行星（小行星带）。
它们的大小相差极大，其中最大的谷神星直径达770km。
据估计，直径大于10km的小行星有104个，而直径大于1m 的则有1011个。
有些小行星的轨道是横切过行星的轨道。
在殒落到地球上来的陨石中，已经发现有两颗的轨道曾位于小行星带内。
确定太阳系或宇宙丰度的途径计有：（1）直接分析测定地壳岩石、各类陨石和月球岩石的样品；（2）对太阳及其它星体辐射的光谱进行定性和定量研究；（3）利用宇宙飞行器对邻近地球的星体进行就近观察和测定，或取样分析；（4）分析测定气体星云和星际间的物质；（5）分析研究宇宙射线。
图1.1 太阳系及其行星示意图上图－示大小比例，下图－示分布及运行轨道1.1.1陨石的化学成分陨石是落到地球上来的行星物体的碎块。
它们可能起源于彗星。
更加可能来自火星和木星之间的小行星带。
陨石可由显微质点大小到具有几千公斤的巨块。
据估计，每年落到地球表面的大约有500个陨石，其总质量可达3×106至3×107t。
然而，每年见到其殒落，但又能找到的陨石仅5到6个。
地球化学课件
2) 原子(离子)结合时的几何关系
化学键性相同时，是否发生类质同象取决于 原子 (离子)结合时的几何关系－半径，配位数等。同价类质 同象发育程度主要取决于离子半径差，差值增大， 类质同象臵换范围减小； r1和r2分别代表较大离子和较小离子的半径，当: (r1-r2)/r2<10~15％, 形成完全类质同象，端元组分 间无限混溶； (r1-r2)/r2=10到20~40％, 高温下完全类质同象，低 温时形成不完全类质同象，固溶体发生分解； (r1-r2)/r2>25~40％, 高温下只能形成不完全类质同 象，低温下不能形成类质同象；
1.戈尔德斯密特类质同象法则 戈尔德斯密特(1937)在研究岩浆结晶过程中元素 在矿物间分配的基础上，总结出元素发生类质同 象臵换的规律； 1)小离子优先法则:两种离子电价相同，半径相似， 小半径离子优先进入矿物晶格，集中于早结晶矿 物中，大半径离子集中于晚结晶矿物中。 Mg2+、Fe2+、Mn2+和 Ca2+离子半径分别为0.078nm， 0.083nm，0.091nm，0.099nm，因此Mg2+、Fe2+ 集中在早期结晶橄榄石等矿物中， Mn2+和Ca2+集 中在晚期晶出的辉石，角闪石， 斜长石和黑云母 等矿物中；
同样Ca2+和Hg2+，二者半径相近 (rCa2+=1.05A, rHg2+=1.12A)，电荷也相同， 但因二者电负性相差较大(Ca1.0，Hg1.9)， 也不能相互臵换。硅酸盐造岩矿物中不易 发现Cu和Hg等元素，反之赋存Cu和Hg等元 素的硫化物中也不易发现Na、Ca等元素；
键性接近是类质同象置换的首要条件。
当两种元素数量差异很大时一种元素以分散量进入另一元素晶格主导和伴生元素地球化学参数相近伴生元素隐藏在主导元素晶格中称为内潜同晶内潜同晶置换可以使许多地球化学行为相同或相地球化学行为相同或相近的元素依次进入晶格形成内潜同晶链近的元素
地球化学知识点整理
地球化学绪论1、地球化学的定义：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2、地球化学的基本问题：【填空】（1）质：地球系统中元素的组成（2）量：元素的共生组合和赋存形式（3）动：元素的迁移和循环（4）史：地球的历史和演化3、地球化学研究思路：【简答】在地质作用过程中，在宏观地质体变化和形成的同时，亦伴有大量肉眼难以辨别的化学组成变化的微观踪迹，它们包含着重要的定性和定量的地质作用信息，应用现代化学分析测试手段，剖析这些微观踪迹，从而揭示宏观地质作用的奥秘。
即“见微而知著”。
第一章地球和太阳系的化学组成第一节地球的结构和组成1、地球的圈层结构、主要界面名称：（1）地震波（P波和S波）在地球内部传播速度的变化，反映出地球内部物质的密度和弹性是不均一的。
这种不均一性在地球的一定深度表现为突变性质。
由此得出，地球内部具有壳层结构的概念，即认为地球由表及里分为地壳、地幔和地核三个部分。
界面分别为：莫霍面和古登堡面。
（2）上地壳和下地壳分界面为康拉德面。
上地壳又叫做硅铝层，下地壳又叫做硅镁层。
大陆地壳由上、下地壳，而大洋地壳只有下地壳。
【填空】2、固体地球各圈层的化学成分特点：（分布顺序）地壳：O、Si、Al、Fe、Ca地幔：O、Mg、Si、Fe、Ca地核：Fe-Ni地球：Fe、O、Mg、Si、Ni第二节元素和核素的地壳丰度1、基本概念：【名词解释】（1）地球化学体系：我们把所要研究的对象看作是一个地球化学体系，有一定的空间，处于特定的物理-化学状态，并且有一定时间的连续（2）丰度：研究体系中被研究元素的相对含量（3）克拉克值：地壳中元素的平均含量（4）质量克拉克值：以质量计算表示的克拉克值（5）原子克拉克值：以原子数之比表示的元素相对含量。
它是指某元素在某地质体全部元素的原子总数中所占原子个数的百分数。
（6）浓度克拉克值：某一元素在地质体中的平均含量与克拉克值的比值2、克拉克值的变化规律：（1）递减：元素的克拉克值大体上随原子序数的增大而减小。
11第4章微量元素地球化学-REE3
☞自然体系中，已证明确有2价铕离子(Eu2＋)和4价
铈离子(Ce4＋)；
☞直今未在任何矿物或天然水中发现Tb4＋的存在。 ☞由于碳质球粒陨石某些包体中存在Eu和Yb负异
常，且两者浓度间具有联系，推断Yb2＋在自然界 是存在的。但要求极其还原的条件(比形成月岩还 要还原)。地壳正常条件下，镱只呈Yb3＋；
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稀土功能
• 现代军事微生物和盘尼西林 • 用于有色金属合金中，稀土金属有色金属合金中 也获得广泛应用。例如有一种稀土镁合金（含有 Mg,Zn,Zr,La,Ce）可用于制造喷气式发动机的传 动装置，直升飞机的变速箱，飞机的着陆轮和座 舱罩。在镁合金中添加稀土金属的优点是可提高 其高温抗蠕变性，改善铸造性能和室温可焊性。 • 永磁材料、钢的脱硫、稀土球墨铸铁、打火石 • 石油裂化催化剂等 • 镧玻璃 、玻璃脱色 、荧光粉、激光器 。。。。
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☞REE离子半径大，除非矿物中被置换的阳离子半 径也大，一般在矿物中进行离子置换的能力有限。 三价REE可以对Ca2＋，Y3＋，Th4＋，U4，Mn2＋ 和Zr4＋(六次配位半径0.72A)进行置换； ☞三价REE对不同电价阳离子的置换(异价类质同 象)要求一定机制来满足电荷的平衡补偿：
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对比数据和图，可以得出有关REE 分配系数的一般规律
①对于任何一种REE和矿物/熔体对来说，其分配系
数值均在较宽的范围内变化；
②虽然REE在给定的矿物/熔体对之间的分配系数值
可以有很大变化，但对该矿物来说，REE分配系数 的模式一般是固定不变的；
③ REE在矿物/熔体之间的分配系数值，一般倾向为
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这类元素是生命必须的微量元素，它们是人体维持正常机能所 必需的元素Fe、Cu、Zn、Mn、Co、I、Mo、Se、F、Cr、V、Ni、 Br，约占人体重量的0.025％，它们虽然在人体内含量甚微，但在 人类生命过程中起着重要作用，这些元素在人体中的不足或过剩 都会影响到人的健康，甚至危及生命。
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宏量元素 O氧 C碳 H氢 N氮 Ca 钙 P磷 K钾 S硫 Na 钠 Cl 氯 Mg 镁 Fe 铁
环境地总球化计学
地球化学
人体化学元素组成
Wt／％ 65.9 18.0 10.0 3.0 2.0 1.0 0.35 0.25 0.15 0.15 0.05 0.004
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第一节: 人体与地球化学环境的关系
❖ 匮乏性疾病与环境
由于区域自然环境恶劣，经济、文化落后所造成 ，主要表现为三 个特点：
由于人们所处的生活条件恶劣、营养不足所造成的营养不良性 疾病 ；
由于医疗、交通落后、人口拥挤、卫生条件差所造成的传染性 疾病 ；
由于区域生态环境中有不利健康的因子存在，造成特定环境的 特有的地方病，即原生性地方病 。
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第二节:人体中元素的分布
❖ 生命组成元素
这类元素是生命必须的宏量元素，它们在人体及生物体中的含 量最高，可占人体的99.95％（以70公斤人体重量计）以上，主要 是元素周期表中原子序数小的元素，包括：H、C、N、O、P、S、 K、Na、Ca、Mg、Cl、Si;其中前6种元素是构成生物体结构的主 要元素，也是构成有机分子的基本元素，它们占人体重量的 97.25%。
如果由于某种自然的或人为的原因，使环境中新出现或增加了 某种化学物质，或减少了某种化学物质(环境变化)，超过了人体生 理功能所能承受的适应能力，人和地球化学环境的平衡关系就会 遭到破坏，人体健康就要受到影响，甚至发生疾病或死亡。
人体各种生理功能在某种程度上对环境的变化是适应的，并能 使人体与环境达到统一，但这些功能有一定的限度。如当某些元 素在自然界含量过高或偏低时就会造成一些地方病；当有毒物质 通过呼吸、饮水、食物等直接或间接地进入人体就会造成疾病， 影响遗传甚至危及生命。
第五章：地球化学环境与人类健康
本章主要内容：
❖ 人体与地球化学环境的关系； ❖ 人体中元素的分布 ； ❖ 微量元素与人类健康； ❖ 地球化学环境与人类疾病（地方性疾病）。环境地球Biblioteka 学 地球化学第环境 第*页页
第一节: 人体与地球化学环境的关系
一、人体化学组成与地球化学环境的关系
自然界的各种元素或化合物都是以空气、水 和食物等形式经由呼吸道和消化道进入体内的。 研究表明，人体的各种化学元素和平均含量与 地壳中相应各种化学元素的含量相适应，显示 了明显的相关性。因此，化学元素的相适应证 明，人和地球化学环境有着密切的联系。
人类的疾病多数是由生物的、物理的、化学的致病因素所引起。 在环境致病因素中环境污染又占最重要的位置。
人体对致病因素引起的功能损害有一定的代谢能力，在疾病发 展过程中，有些变化是属于代偿性的，有些变化则属于损伤，两 者同时存在。当代偿过程相对较强时，机体还可能保持着相对的 稳定，暂不出现疾病的临床症状，这时如果致病因素停止作用， 机体便向恢复健康的方向发展。
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第一节: 人体与地球化学环境的关系
三、人类疾病类型与地球化学环境的关系
1．疾病的类型
❖ 遗传性疾病 ❖ 先天性疾病 ❖ 匮乏性疾病 ❖ 现代病
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第一节: 人体与地球化学环境的关系
2．疾病类型与环境的关系
❖ 遗传性疾病与环境
❖ 现代病与环境
由于现代社会的发展，出现了大量的现代病，以癌症心血管和各
种职业病为典型代表，主要发生在发达国家和地区以及大城市。国际
上已比较一致地认为90％以上人类的癌症与环境因素有关 。
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第一节: 人体与地球化学环境的关系
四、人体对环境致病因素的反应
人类环境的任何异常变化，都会不同程度地影响到人体的正常 生理功能。但是，人类具有调节自己的生理功能来适应不断变化 着的环境的能力。如果环境的异常变化不超过一定限度，人体是 可以适应的；如果环境的异常变化超出人类正常生理调节的限度， 则可能引起人体某些功能和结构发生异常，甚至造成病理性的变 化。这种能使人体发生病理变化的环境因素，称为环境致病因素。
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微量元素 F氟 Zn 锌 Cu 铜 V钒 Cr 铬 Se 铯 Mn 锰 I碘 Mo 钼 Ni 镍 Co 钴
Wt／10-6 37 33 1.0 0.3 0.2 0.2 0.2 0.2 0.1 0.1
0.05
<0.0第5环%境
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第一节: 人体与地球化学环境的关系
人体中有60余种元素，其中人体的99.954％是由氢、 氧、氮、碳、磷、硫、氯、钾、钠、钙、镁和铁等宏量 元素(含量>0.01％)组成，其余不到0.05％的部分主要是由氟、 锌、碘、铜、钒、锰、镍、钴、硒、铬和钼等微量元素 (含量<0.01％)组成。
遗传性疾病起因于生殖细胞或受精卵里物质的不利 变化。遗传物质的损害主要是基因缺陷和染色体畸变。 环境因素可以影响遗传物质，许多化学物质都可以引起 突变。
❖ 先天性疾病与环境
该类型疾病是胚胎发育过程中某些环境因素造成的。 在怀孕期间，胎儿在母体内发育过程中，由于受不良环 境因素的刺激，如过量放射性的照射、严重噪声的影响 以及有害化学物质的侵扰等，使胎儿发育异常，出现各 种先天性疾病，如先天性心脏病、先天性畸形等。
尽管人体中以氧、碳、氢、氮等宏量元素为主，并成 为人体各种软组织、体液和血液内的主要组成元素，但 那些在人体中所占比例虽不到0.05％的微量元素，对人 体健康却有着不可忽视的作用。
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第一节: 人体与地球化学环境的关系
二、人体与环境的辩证关系
人体与环境之间最本质的联系是能量的传递和物质的交换，人 与地壳物质保持的平衡是通过人体的新陈代谢与周围环境进行物 质交换实现的。