中科院地球所 考博 地球化学 答案.doc

！2003年博士研究生入学考试题地球化学一、 名词解释（每小题4分，选作5小题，共20分）1、 不相容元素：在岩浆结晶过程或由固相部分熔融)中不易进入固相，而保留在与固相共存的熔体或溶液中，因而在液相中浓度逐渐增加，这些元素统称为不相容元素。如I、Rb, Cs, Bc, Nb, Ta, W, Sn, Pb, Zr, Hf, B, P, Cl, REE, U, Th等2、 能斯特分配系数：它是指在恒温恒压下，微量元素在两相(多数情况下是晶体相一矿物和液相一熔体)之间的平衡浓度比3、 冷却年龄：当岩石、矿物结晶后冷却到某一放射成因子体的封闭温度时，这一放射性衰变系开始计时。这一计时的年龄称为冷却年龄。4、 同位素稀释法：用放射性同位素（或稳定同位素）作指示剂，进行化学分析的一种方法。它是将一定量已知放射性比活度（对稳定同位素则为丰度）的同位素或标记化合物与待测元素或化合物混合均匀交换完成后,用化学方法分离,按其比活度（或丰度）的改变，计算待测物含量的方法。5、 流体-岩石相互作用：流体和岩石的相互作用是指在一定的温度、压力条件下流体与岩石中的矿物起反应，使原来的矿物组合转变为另一组新的、在新的条件下更加稳定的矿物。在这一过程中流体的成分也随之改变，并成为与这组新矿物相平衡的流体。换句话说，通过两者的相互作用，不仅使岩石的矿物组合发生了变化，而且也改变了原来流体的成分。6、 微量元素：只要元素在所研究的客体(地质体、岩石、矿物等)中的含量低到可以近似地用稀溶液定律描述其行为，该元素可称为微量元素。7、 环境地球化学：环境地球化学是环境科学与地球化学之间的一门新兴的边缘学科，是环境地学的一个分支。它主要研究环境中天然的和人为释放的化学物质的迁移转化规律，及其与环境质量、人体健康的关系。8、 气源岩：在地质演化过程中曾生成和释放出足够的气态烃可以形成工业性天然气聚集的沉积岩。9、 同位素分馏：由于同位素质量不同，因此在物理、化学及生物化学作用过程中，一种元素的不同同位素在两种或两种以上物质(物相)之间的分配具有不同的同位素比值的现象。引起同位素分馏的主要机制有：同位素交换反应；同位素动力学效应；其他物理-化学效应。二、 问答题（每小题15分，选作4小题，共60分）1、 简述地球化学领域近十来年的若干重要进展地球化学是研究地球及有关天体化学组成、化学作用及化学演化的学科。它与地质学、地球物理及大地测量一起，组成固体地球科学的四个支柱。它大致成型于本世纪30年代，主要在二次世界大战后。特别是60年代后获得了决速而重要的发展。1. 陨石冲击坑的较多发现及研究；2. 对地球深部物质组成的了解逐渐深化；3. 某些岩石类型和矿床类型的时控性及突变性特征的研究；4. 低温地球化学；5. 围绕CO2的讨论；6. 各种成矿作用之间的有机联系日益受到重视；7. 超大型矿床形成机制中的地球化学制约；7. 地球表层热状态及热水沉积成岩成矿作用。2、 对比大陆地壳和大洋地壳的结构和组成以康拉德面(Conrad)(约15km.深度)为界，大陆壳可以明确地划分为上陆壳和下陆壳两大层。上陆壳为花岗闪长岩质，富集大离子亲石元素、生热元素、亲稀土元素及其它不相容元素，具有高的Rb/Sr和87Sr/86Sr比值，下陆壳的典型成分为基性麻粒岩，亏损上述元素，特别是生热元素，Rb/S和87Sr/86Sr比值较低。陆壳的分层是陆壳形成(壳慢分离)后，进一步分离的结果。与陆壳相比，洋壳很薄，其厚度仅为。0-10km.。一般认为，它是由玄武岩层加上不厚的（l-2km)上覆海洋沉积层构成的，其总成分相当于苦橄质玄武岩。洋底玄武岩(大洋中脊玄武岩)是洋壳的主要组成部分。它是一种在全球范围内成分比较均一的玄武岩;其低的K2O. Ti0、LREE及其他不相容元素，特别是低Rb/Sr比值和87Sr/86Sr初始值表明它们来源于“亏损型”的地慢地球化学储源。此外，构成洋壳的还有洋岛玄武岩，分布于大洋板块内部的洋岛中。其岩性为一套富轻稀土及不相容元素、碱度较高的碱性玄武岩与拉斑玄武岩组合日前、多数研究者认为其来源于“未亏损”型或“富集型”的地球化学储源3、 简述变质流体的主要特征和形成机制1.变质流体的主要特征 在变质作用过程中因脱水作用(或者叫去挥发份作用)而产生的流体叫变质流体，这种流体有以下几个特点 1)从成分上来讲，变质流体主要是H2O-CO2型的流体，这种流体的成分变化很大，其盐度一般小于3wt%,，但CO2的密度在高变质岩相中的流体中可高达1.23g/cm3, 2)从成分上讲，这种变质流体实际上存在二个端元:即H2O和CO2，在低变质岩相中产生出的流体富含H2O，而在高变质岩相中产生的流体则以CO2为主 3)变质流体的成分除取决于变质程度外，还取决于去挥发份的原岩的成分，如原岩为碳质沉积岩，则可以产生富含H2O-CO2的流体，如原岩为蒸发岩，则可产生富含NaCl的卤水 4)从一定变质相中产生的流体，可能与原来的岩石组合是相平衡的，但与其它周围的岩石则并不呈平衡状态，会发生相互作用从而改变流体的成分。2变质流体的形成一一矿物的脱水作用与变质相 在变质作用中，许多原来含水的矿物会脱水，从而形成新的变质矿物组合，含水的矿物和脱水后形成的矿物都看作是与变质流体处于相平衡。一个变质岩相是一个变质的矿物组合，在空间上和时间上不断重复而且在矿物组成和化学组合之间有一个恒定的可预测的关系这种变质岩相不是一个矿物也不是单一的矿物组成，而是一个完整的矿物组合。4、 用文字描述下图中两个REE配分模式的主要特征5、 简述地球大气圈和水圈的形成和演化过程整个海-气化学演化可以划分四个历史阶段:(1)前太古宙(4.6-3.8Ga前):为稠密火山气圈和无水圈阶段;(2)太古宙(3.8-2.6Ga前):为稠密C()气圈和强酸性偏还原性水圈阶段(3)元古宙(2.6-0.6Ga前):为大气CO,气周期性向沉积圈转移和弱酸性一弱氧化性水圈阶段(4)显生宙(从0.6Ga前至现在):为氮氧型气圈和弱碱性强氧化性水圈阶段。6、 试述放射性同位素等时线定年的基本原理等时线法：需要在同一岩石体系中采集一组具有不同母子体比值的岩石或矿物样品(样品数目大于3)，分别测定它们的子体同位素组成和母子体比值。这时方程可以写成: (D/Ds)=(Do/Ds)+(P/Ds)(et一1) (6.13) 对于同一体系的样品来说t是一定的，因此(et-1)为常数。它们又是同在岩浆源区形成的，因此它们的初始子体同位素比值D/Ds也是同样的。这样方程(6.3)就变成了D/Ds随(P/Ds)变化的线性方程。各个样品从形成以后D/Ds与(P/Ds)随时间而变化。公式(6. 13)确定了它们在任何同一时间都构成直线关系。通过(DID,)与(P/从)二组数据的一般回归计算或双误差回归计算可以求出直线方程的最佳斜率(et-1)和截距(Do/Ds)值。从斜率就可以计算出年龄t。三、 填空题（每小题5分，选作4小题，共20分）1、岩浆岩的主要元素包括 O、Si、Al、Fe、Ca、Mg、Na、K 。2、地球化学研究中所说的低场强元素主要包括K、 Rb、 Sr、 Ba、 Cs 等，高场强元素主要包括Th、Nb、Ta、P、Zr、Hf、HREE 等。3、地球化学研究中应用最广泛的长寿命放射性元素系列主要有238U206Pb、以及 235U207Pb、232Th208Sr、87Rb87Sr、147Sm143Nd、40K40Ca、40Ar 等。4、描述岩浆系统演化过程的微量元素地球化学模型主要有， 1）部分熔融模型，2） 结晶作用模型 ，3） 混合作用模型 。5、恢复变质岩原岩的主要地球化学方法可大致分为以下五类，1）特征的岩石化学参数，2）主要氧化物的重量百分数，3）主要氧化物的阳离子数，4） 微量元素及稀土元素的含量及有关比值，5）稳定同位素比值 。6、稳定同位素地球化学只研究轻元素的同位素，目前主要包括 H、C、O、N、S 等5种元素。在实际工作中，这5种元素稳定同位素组成的分析结果是用样品的同位素比值相对于某一标准的同位素比值的千分差来表示，通常写作 D、 13C、 18O、 34S、 15N 2004年博士研究生入学考试试题地球化学一、名词解释（任选10个，每题3分，共30分）1.克拉克值：是指化学元素在地球化学系统中的平均分布量，又叫元素地球丰度。2.晶格能：晶格能又叫点阵能。它是在反应时1mol离子化合物中的正、负离子从相互分离的气态结合成离子晶体时所放出的能量。3.不相容元素：在岩浆结晶过程或由固相部分熔融)中不易进入固相，而保留在与固相共存的熔体或溶液中，因而在液相中浓度逐渐增加，这些元素统称为不相容元素。如I、Rb, Cs, Bc, Nb, Ta, W, Sn, Pb, Zr, Hf, B, P, Cl, REE, U, Th等4.宇宙成因核类：暴露在宇宙线照射下的物体（陨石、宇宙尘、无大气层的天体表面物质、地球大气层等）在行星际空间运行时，在物体内部产生各种类型的高能核反应（主要是散裂反应）和低能核反应（主要是中子俘获反应），形成100多种放射性和稳定的核素，称为宇宙线生成核素，简称宇宙成因核素。5.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。6. 化学风化作用：岩石发生化学成分的改变分解，称为化学风化。化学风化作用中表现最突出的是氧化作用和水及水溶液的作用。7.氧化还原反应：在反应过程中有元素化合价变化的化学反应叫做氧化还原反应。8.温室效应气体：温室气体指的是大气中能吸收地面反射的太阳辐射,并重新发射辐射的一些气体,如水蒸气、二氧化碳、大部分制冷剂等。它们的作用是使地球表面变得更暖,类似于温室截留太阳辐射,并加热温室内空气的作用。9.eNd值：岩石的143Nd/144Nd相对于CHUR演化线的万分偏差。eNd=（143Nd/144Nd）sample（t）/（143Nd/144Nd）CHUR（t）-1）10410.元素的地球化学异常:11.部分熔融: 部分熔融是液体（即岩浆）和固体（结晶）的共存态，温度升高、压力降低和固相线降低均可产生部分熔融。12. 地幔楔:二、简答题（任选5个，每题8分，共40分）1. 简述当前地球化学研究中通常采用的微量元素分类当前地球化学研究中通常采用的微量元素分类是以微量元素在固相-液相(气相)间分配特征分为相容元素和不相容元素。对在岩浆结晶过程或由固相部分熔融)中易进入或保留在固相中的微量元素，统称为相容元素。相反，在这些过程中不易进入固相，而保留在与固相共存的熔体或溶液中，因而在液相中浓度逐渐增加，如I、Rb, Cs, Bc, Nb, Ta, W, Sn, Pb, Zr, Hf, B, P, Cl, REE, U, Th等，这些元素统称为不相容元素。显然，在任何固-液-气相平衡体系中，相容元素总是“喜欢”固相，而不相容元素则总是“喜欢”液相或气相。许多不相容元素常具有特殊的离子半径或离子电荷(很小或很大).如K, Rb, Nb,Ta, W, Sr, Ba, Pb, LREE等的离子半径或电荷很大，这些亲石的大离子半径元素称为大离子亲石元素(Large ion lirhophile elements,简称LIL)。在这种概念下，可以将不相容元素分为两组一为大离子亲石元素(LIL)，二为高场强元素(High field strength,HFS)（K_ Rb. Sr_ Ba. Cs等，它们的特点是离子电位3，不易溶于水，如Th, Nb, Ta, P, Zr, Hf, HREE等。2. 简述能够造成轻稀土富集型的稀土元素配分型式的可能的地质过程轻、重稀土的富集与否及其程度主要与岩石成因有关。轻稀土元素碱性较强，易在分异作用的晚期富集，局部熔融时轻稀土元素则优先进入熔体中。而重稀_卜元素碱性较弱，易在分异作用的早期富集，部分熔融时易保留在残余固相中。此外，在含Ca, K, Th和Sr的矿物中相对富集轻稀土元素，而在含Zr, Mn, Sc, Fe和U的矿物中则富集重稀土。配位数高的矿物中相对富集轻稀土，而低配位数的矿物相对富集重稀土，前者如磷灰石，后者如石榴石、铬英石，这些矿物的聚集和迁移也影响岩石的轻、重稀土的分馏。再者，石榴石是含Yb的矿物相，且K值较大（相对子其他稀土元素)，当含石榴石的地慢岩发生部分熔融形成玄武岩浆时，Yb易保留在残余固相中，使得该岩浆轻稀土富集而重稀土亏损，若岩浆分离给晶石榴石，则残余岩浆中亏损重稀土。轻稀土富集型轻重稀土分馏明显，曲线明显的右倾。具这类配分曲线的样品的（Ce/Yb）n或（La/Yb）n大于1，可用比值的大小和曲线右倾斜率的陡缓来衡量轻重稀土的分留程度或轻稀土富集程度。以玄武岩为例，异常（或富集的）洋脊玄武岩（图4-7）和各类碱性玄武岩一般都具有明显的轻稀土富集的稀土配分型式。可能原因有两种，一是地幔源区经历过富轻稀土的流体交代，其二是岩浆的部分熔融程度低，轻稀土较重稀土优先进入熔体。3. 简述等时线的形成原理（可以Rb-Sr或Sm-Nd体系为例）()4. 简述主要的地幔端元的Sr-Nd同位素特征，同时在表征Sr-Nd同位素相关性的四象限图的中标出主要的地幔端元DMM，一般在地幔的最上部，亏损不相容元素，代表地壳从地幔分异后的残留物HIMU，地幔与再循环洋壳的混合，由于洋低热液作用或俯冲带的脱水作用，造成Pb的流失和m值升高EM I和EM II 可能分别来自地幔与下地壳和上地壳的混合5. 列出H-O同位素雨水线的方程，简述其成因全球雨水H,O同位素组成的一个重要特征是D值与18O值间有明显的线性关系（Craig,1961），该关系式如下：D818O+10，称为雨水线方程。不同区域雨水线实际上有一定的差别。例如，我国八个城市雨水H、O同位素的关系为：D = 7.918O + 8.2（郑淑蕙等, 1983)全球范围内大气降水的H、O同位素分布如此相似6. 简述大气圈和水圈和形成和演化()7. 简述成矿流体的主要特征8. 列出你所了解的国际重要的有关地球化学和岩石学杂志的名称，至少4个Geochimica Et Cosmochimica Acta, Earth And Planetary Science Letters, Lithos, Geology, Chemical Geology.三、论述题（任选2个题，每题15分，共30分）1. 概述同位素分馏，分馏系数及其影响因素。并举例说明稳定同位素分馏效应在地球科学某一领域研究中的应用2. 试论岛弧拉斑玄武岩的微量元素地球化学特征及其成因岛弧玄武岩具有富集低场强元素S, K, Ba, Rb, Th和亏损高场强元素Ta, Nb, Zr,Hf,Ti等的特征(图3.15)低场强元素的富集与俯冲洋壳的去水作用对上覆地慢的交化作用有关，高场强元素的亏损则可能是以下因素造成的:(1)地慢源区存在着少量的金红石、错石及磷灰石;(2)亏损地幔岩石的再熔融3. 试述全球碳地球化学循环及其在环境科学中的应用4. 在下列成矿元素中（金、银、铜、铅、锌），任选一个，论述其成矿地球化学行为。2005年博士研究生入学考试试题地球化学一、名词解释（任选10个，每题3分，共30分）1.克拉克值：是指化学元素在地球化学系统中的平均分布量，又叫元素地球丰度。2.不相容元素：在岩浆结晶过程或由固相部分熔融)中不易进入固相，而保留在与固相共存的熔体或溶液中，因而在液相中浓度逐渐增加，这些元素统称为不相容元素。如I、Rb, Cs, Bc, Nb, Ta, W, Sn, Pb, Zr, Hf, B, P, Cl, REE, U, Th等3.高场强元素: 指离子半径小、离子电荷大、离子电位(2/R)大于3的元素，如钍、铌、钽、磷、锆、铪、稀土元素等。4.球粒陨石: 球粒陨石是石陨石的一种，它没有遭遇过母天体的熔融或地质分异，因此结构没有改变过。几乎所有球粒陨石均含有毫米大小，称为“球粒”的球形岩石。球粒陨石是最普通的一类陨石.5.同位素记时体系的封闭温度6. 类质同象: 在一种晶体的内部结构中本来完全可由某种离子或原子占据的位置部分地由性质类似的他种离子或原子所占据共同形成均匀的单一相的混合晶体的现象。7.半衰期: 放射性元素的原子核有半数发生衰变时所需要的时间，叫半衰期。8.温室效应气体：温室气体指的是大气中能吸收地面反射的太阳辐射,并重新发射辐射的一些气体,如水蒸气、二氧化碳、大部分制冷剂等。它们的作用是使地球表面变得更暖,类似于温室截留太阳辐射,并加热温室内空气的作用。9.U-Pb同位素体系的u值: 指的是238U与204Pb的比值，高说明来自地壳，低来自正地壳或地幔。10.元素的地球化学异常11.固溶体: 固溶体指的是矿物一定结晶构造位置上离子的互相置换，而不改变整个晶体的结构及对称性等。但微观结构上如结点的形状、大小可能随成分的变化而改变。如自然界辉石就是一个多种成分的固溶体。12.地幔交代作用：地慢交代作用是指在有H2O和CO2等活动性流体的参与下，原始地慢的化学组成(特别是痕量元素和同位素)发生富集并最终导致地慢化学不均一的过程.二、简答题（任选5个，每题8分，共40分）9. 简述元素配分的Goldschmidt定律Goldschmidt定律一:两个离子，如果他们具有相同的电价和离子半径，则易于交换，并以与他们在整个体系中相同的比例进入固熔体.正因为如此，许多微量元素，会以类质同像替代的方式，和与各自电价和离子半径相近的常量元素（主元素）一起进入固体相。例如：Sr、EuCa;Rb、Pb、BaK;NiMg。Goldschmidt定律二：两个离子，如果他们具有相同的电价，和相似的离子半径，则较小的离子倾向于进入固体相。如，Mg2+比Fe2+的离子半径小，因此，在橄榄石与熔体的平衡体系中，橄榄石中Mg的含量高于熔体。Goldschmidt定律三：两个离子，如果他们具有相似的离子半径，但是电价不同，那么，电价高的离子倾向于进入固体相。如，Cr3+、Ti4+总是倾向于进入固体相。10. 什么叫分配系数？论述影响分配系数的主要因素。并说明既然分配系数是变化的，为什么在大部分岩浆演化过程模拟计算中可以认为分配系数基本不变分配系数指在恒温恒压下，微量元素在两相(多数情况下是晶体相一矿物和液相一熔体)之间的平衡浓度比。分配系数可以浅略理解成在晶体/溶体的体系中，元素进入晶体的能力。影响分配系数Ki的主要外部因素有：1）离子半径的影响：La系收缩造成稀土元素（REE）离子半径递减，相应的单斜辉石/玄武质岩浆之间的分配系数递增；2）体系组分的影响：体系组分对分配系数的影响主要反映在熔体(岩浆)的组分变化上，随着岩浆组成从基性向中酸性演化，稀土元素在角闪石和岩浆之间的分配系数渐次升高，变化幅度极大。3）SiO2含量影响：SiO2含量升高，分配系数升高。4）温度压力的影响：温度升高，分配系数降低，表明高温下离子倾向于进入溶体，压力升高，分配系数升高，表明高压下离子倾向于进入固相。5）氧逸度的影响：氧逸度升高， Eu在斜长石/玄武质岩浆间的分配系数KEu降低。综上所述，分配系数是一个较复杂的间题，温度、压力、体系成分都对其有不同程度的影响，在用分配系数讨论具体地球化学问题时，只能近似地将它看作为常数。由于体系成分对分配系数的影响，在选用分配系数时应尽量选择与所研究的岩石(体系)成分相近的体系的分配系数值。11. 简述如何用微量元素资料来区别特定的火成岩系列岩石组分的差异源自分离结晶过程还是部分熔融过程？12. 简述主要的地幔端元的Sr-Nd同位素特征，同时在表征Sr-Nd同位素相关性的四象限图的中标出主要的地幔端元13. 简述下地壳混染和上地壳混染是如何造成Sr同位素组成的差别。14. 简述氧同位素测温的原理和方法同位素地质温度计测定的是地质体中同位素平衡的建立和“冻结”时的温度。由于同位素交换反应是等体积分子置换，并不引起晶体结构本身的变化，因而同位素地质测温不受压力变化的影响，无需考虑压力校正。同位素交换反应的平衡分馏系数是温度的函数，和温度T之间关系的确定，既可从理论上计算，也可实验测定，但两者往往有较大不同，故常用实验法确定。一般有：103lna = a/T2 + b/T + c （T: K） 其中a、b、c分别为常数。 1）在一般低温下，a/T2可以忽略，简化：103lna = b/T + c 2）在高温下，b/T可以忽略，简化： 103lna = a/T2 + c 氧同位素的地质温度计用途；1）计算平衡时水（流体）的氧同位素组成；2）计算共生矿物对的同位素地质温度。3）计算高温造岩矿物的形成温度。4）计算变质矿物和造岩矿物的形成温度。15. 简述大气圈和水圈和形成和演化三、论述题（任选2个题，每题15分，共30分）5. 概述同位素分馏，分馏系数及其影响因素。并举例说明稳定同位素分馏效应在地球科学某一领域研究中的应用同位素分馏：同位素在不同物质或不同物相间分配比例不同的现象称之为同位素分馏。同位素分馏系数aA-B = RA/RB，即a值，表示某元素的同位素在两种物质（A和B）之间的分馏的程度。碳同位素在石油和天然气开发研究中的应用：1）石油成因：干酪根的热解成油。证据：1）现代沉积物中烃类较少，脂肪酸含 量低；2）干酪根是现代沉积物中有机物的主体， 占到 9597；3）沉积物中有机物最终演变为干酪根。有机质要在一定的埋藏深度（即一定的温 度）条件下才能大量生成油，超过这个温度范围油 藏又被破坏，形成过熟的气藏。这个温度范围是 67150，称为“生油窗”。2）石油的成熟度石油的生成与有机质的热解关系密切，低成 熟度时干酪根分解形成重质油；高成熟度时重质原 油继续分解，形成轻质原油。一般通过镜质体的反射率（R0 ）来确定成熟 度。未成熟的有机质的R0 约为0.3；成熟的干酪根 的R0 约为3。同样，也可以通过测定盆地里埋藏的天然气 中CH4 的碳同位素组成来确定成熟度，它与有机质镜 质体的R0 呈很好的相关关系。3）物源区（辨别海相与非海相油田）陆生植物与海生植物新陈代谢途径不同，所 形成的干酪根继承了原植物的碳同素组成的差异。陆生植物为C3型光合作用比海洋的CAM型要相 对亏损13C，因此13C值更负。典型陆相油田 13C石油 -30，海相油田13C石油 -27。利用碳同位素研究证实我国大庆（-28.8- 31.2)、南海湛江凹陷为陆相油田；东营为混源 油田；北部湾为海相油田。注意：只适用年青油田，如第三纪的。时代越 老会越富集12C，表现出年代效应。4）生物成因的天然气生物成因的 CH4