中国矿业大学地球化学复习资料及试题

1、中国矿业大学地球化学复习资料现代地球化学的定义： 地球化学是研究地球及子系统(含部分宇宙体)的化学组成、化学机制(作用)和化学演化的科学。地球化学研究的基本问题：1地球系统中元素（同位素）的组成2 元素的共生组合和存在形式3 研究元素的迁移和循环4 地球的历史及演化。具有相同或相似迁移历史和分配规律的各种元素在地质体中有规律的组合，称为元素的共生组合。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，按成份分为三类：1）铁陨石（siderite）主要由金属Ni, Fe（占98%）和少量其他元素组成（Co, S, P, Cu, Cr, C等）。2）石陨石（aerolite）主要由硅酸盐矿物

2、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（sidrolite）由数量上大体相等的FeNi和硅酸盐矿物组成，是上述两类陨石的过渡类型。石陨石以是否含有球粒硅酸盐分为：球粒陨石和无球粒陨石。元素丰度：太阳系： HHeOCNeNFeSiMgS；地球： FeOMgSiNiSCaAlCoNa；地壳： OSiAlFeCaNaKMgTiH。元素丰度的排序上有很大的不同：由宇宙化学体系形成地球的演化（核化学）过程中必然伴随着气态元素的逃逸。而地球原始的化学演化（电子化学）具体表现为较轻易熔的碱金属铝硅酸盐在地球表层富集，而较重的难熔镁

3、、铁硅酸盐和金属铁则向深部集中。由此可见地壳元素的丰度取决于两个方面的原因: 元素原子核的结构和稳定性；宇宙物质形成地球的整个演化过程中物质的分异。总之，现今地壳中元素丰度特征是由元素起源直到太阳系、地球、（地壳）的形成和存在至今这一段漫长时期内元素演化历史的最终结果。浓集系数 = 某元素最低可采品位/某元素的克拉克值,反映了元素在地壳中倾向于集中的能力。Sb和Hg浓集系数分别为25000和14000，Fe的浓集系数为6，这说明Fe成矿时只要克拉克值富集6倍即可。浓度克拉克值 = 某元素在某一地质体中平均含量/某元素的克拉克值。1 意味该元素在地质体中集中了；1 意味该元素在地质体中分散了。区

4、域浓度克拉克值=某元素在区域内某一地质体中平均含量及某区域元素的丰度值之比。在自然体系中元素形成阳离子的能力和所显示出的有选择地及某种阴离子结合的特性，称元素的地球化学亲和性。控制自然界元素相互结合的最基本规律（阴、阳离子间的结合是元素最普遍的结合方式，阴离子总数小于阳离子总数，离子的结合有选择性）亲和性的原因（P56）分类主要包括亲氧性元素、亲硫性元素和亲铁性元素三大类型。某些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地其他质点（原子、离子、配离子、分子）所占据，结果只引起晶格常数的微小变化，晶体的构造类型、化学键类型等保持不变，这一现象称类质同象 。同质多象：是指具有

5、同样的化学组成，而在自然界中以不同物理特性的两种或两种以上的矿物形式出现的现象。类质同象置换法则：1、戈尔德施密特类质同象法则1）优先法则：两种离子电价相同，半径有别，半径小的离子集中于较早的矿物中，而半径较大的离子（化学键弱）将在晚阶段矿物中富集。2)捕获允许法则：如果两个离子半径相近，而电荷不同，较高价离子优先进入较早结晶的矿物晶体中，称“捕获”（capture），低价离子“允许”(admit)进入晚期矿物。3）隐蔽法则：两个离子具有相近的半径和相同的电荷，则它们因丰度的比例来决定自身的行为，丰度高的主量元素形成独立矿物，丰度低的微量元素进入矿物晶格，为主量元素所“隐蔽”。2、 林伍德Ri

6、ngwood法则：对于二个价数和离子半径相似的阳离子（离子键成分不同时）具有较低电负性者将优先被结合，因为它们形成一种较强的离子键成分较多的化学键。Ringwood类质同象法则更适用非离子键化合物。元素在固相中的存在形式：自然界的矿物一般都不是按某种化学式来限定成分的纯净化合物，而往往混有杂质，这种杂质按其聚集和赋存状态可分为五种状态：独立矿物：能用肉眼或能在显微镜下进行研究的矿物，粒径大于0.001mm机械分散物：（固相、流体相）是成分不同于主矿物的细小独立矿物或固熔体分离结构。 类质同象：或称为结构混入物，指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变化的现象。

7、 超显微非结构混入物：（或称为超显微包裹体）被包裹在其他矿物中，粒径小于0.001mm的物质。由于它不占据主矿物的晶格位置，因此是独立矿物，但又不形成可以进行矿物学研究的颗粒。 吸附胶体、晶体表面或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、易被交换和分离的存在形式（活性赋存形式）。不参加主矿物晶格，在矿物表面、裂隙面等呈吸附状态；及有机质结合元素加入到有机物中，如血液中的Fe、骨骼中的Ca和脑细胞中的P都完全进入到有机质中。元素地球化学迁移：当环境发生物理化学条件变化，使元素原来的存在形式变得不稳定时，为了及环境达到新的平衡，元素原来的存在形式自动解体，而结合成一种新的相对

8、稳定的方式存在。当元素发生结合状态变化并伴随有元素的空间位移时，称元素发生了地球化学迁移。元素的地球化学迁移过程包括了三个进程：首先，是元素从原来的固定（稳定的结合）状态转化为活动（非稳定结合）状态，并进入迁移介质；随之，元素发生空间位移，在这一阶段元素有一定的迁移形式，但并没有形成稳定固相化合物；最后，元素在迁移到一个新的空间后，由于物理化学条件的明显改变，在新的环境、新的条件下元素形成新的稳定结合关系，即沉淀或结晶出新的矿物。元素迁移的标志：(1)通过矿物组合的变化来判断；(2)通过岩石中元素含量的系统测定和定量计算来判定（等体积计算法、等阴离子计算）；(3)物理化学界面。水-岩作用的影响

9、因素：1 溶度积：当温度一定时，难溶强电解质溶液中离子浓度的乘积为一常数，这一常数称为溶度积常数，简称溶度积。2、共同离子效应：在难溶化合物的饱和溶液中，加入及该化合物有相同离子的易溶化合物,此时，原难溶化合物的溶解度将会降低，称为共同离子效应。3 盐效应：当溶液中存在易溶盐类(强电解质)时，溶液的含盐度对化合物的溶解度会产生影响，表现为随溶液中易溶电解质浓度的增大将导致其他难溶化合物的溶解度增大，称为盐效应。4 胶体的作用 ；5 pH值对元素迁移的影响：(1)pH值影响氢氧化物是否自溶液中沉淀，导致不同元素的氢氧化物在水介质中的迁移能力不同。(2)pH值影响元素的共生或分离；(3)影响两性元

10、素的迁移形式；(4)盐类的水解作用过程受pH值的控制。6、E及Eh值的影响：根据能斯特方程，在某个平衡状态下，有着一个电位，即环境中各种离子间氧化还原反应达到平衡时的电位，称之为环境的氧化还原电位。即在多组分体系中Eh及氧化还原反应的限度：EhE1E2E3 En。7 温度、压力的影响：温度的影响并不仅限于蒸发和增大物质浓度，温度的升高或降低可以改变反应进行的方向。降低温度，有利于化学平衡向放热方向移动；升高温度，有利于化学平衡向吸热方向移动。但地表条件下温度变化不大，因而对矿物溶解度的影响也就不十分显著了。压力也是影响作用方向的一个重要的因素。压力增大时，平衡向体积减小(气体摩尔总数减小)的方

11、向移动；压力减小时，平衡向体积增大(气体摩尔总数多)的方向移动。地球化学障在元素迁移途中，如果环境的物理化学条件发生了急剧变化，导致介质中原来稳定迁移的元素其迁移能力下降，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。（如易迁移的低价铁被氧化成高价铁就沉淀下来）大部分元素在以氢氧化物形式存在时，低价易迁移，当环境突然转变为氧化环境时，元素迁移能力急剧降低，环境突然转变处就构成氧化障；当元素呈酸根当元素呈酸根或络合物形式存在时，高价易迁移，当环境突然转变为还原环境时，元素迁移能力急剧降低，环境突然转变处就构成还原障。同位素分类：一类是其核能自发地衰变为其它核的同位素

12、，称为放射性同位素；另一类是其核是稳定的，到目前为止，还没有发现它们能够衰变成其它核的同位素，称为稳定同位素。稳定同位素又分重稳定同位素和轻稳定同位素。稳定同位素分馏，轻稳定同位素（Z20）的相对质量差较大（A/A10%），在地质作用中由于这种质量差所引起的同位素相对丰度的变异，称为同位素分馏作用。根据分馏作用的性质和条件可区分如下： 物理分馏:也称质量分馏, 同位素之间因质量差异而引起的及质量有关的性质的不同； 动力分馏：其实质是质量不同的同位素分子具有不同的分子振动频率和化学健强度，因轻同位素形成的键比重同位素更易破裂，这样在化学反应中轻同位素分子的反应速率高于重同位素分子，因此，在共存平

13、衡相之间产生微小的分馏，反应产物，特别是活动相中更富集轻同位素； 平衡分馏（同位素交换反应）：在化学反应中反应物和生成物之间由于物态、相态、价态以及化学键性质的变化，使轻重同位素分别富集在不同分子中而发生分异叫做平衡分馏，也称同位素交换反应；生物化学反应：动植物及微生物在生存过程中经常及介质交换物质、并通过生物化学过程引起同位素分馏。 3)分馏系数表示为：= 某元素同位素在A物质中的比值/某元素同位素在B物质中的比值（其中A、B可以是相同的化合物，亦可是不同化合物）设有同位素平衡分馏反应： aA1+bB2aA2+bB1，式中：A、B为含有相同元素的两种分子；a、b为系数；1为轻同位素，2为重同

14、位素。则同位素分馏系数的定义公式为：=RA/RB=（A2/A1）/（B2/B1）如反应： C16O32-+3H218OC18O32-+3H216O，=(18O/16O)CO32-/(18O/16O)H2O。值的意义为：当1,反应向右进行；当1，反应向左进行；=1，无同位素分馏。值愈偏离1，则同位素分馏愈强。天然放射性同位素的衰变反应种类如下：1)衰变：自然界多数为衰变，即放射性母核中的一个中子分裂为1个质子和1个电子（即粒子），同时放出反中微子 g；2)电子捕获：是母核自发地从核外电子壳层（K或L层电子轨道上）捕获1个电子，通常在K层上吸取1个电子（e），及质子结合变成中子，质子数减少1个；3

15、) 衰变: 放射性母核（重核）放出粒子（粒子由两个质子和两个中子组成，粒子实际上是）；4)重核裂变：重放射性同位素自发地分裂为23片原子量大致相同的“碎片”，各以高速度向不同方向飞散。放射性同位素在地学上应用的性质有四个：放射性同位素在原子核内部发生衰变，其结果是从一个核素转变为另一个核素；衰变是自发的、永久不息的一种恒制反应，而且衰变是按一定比例的；衰变反应不受任何温度、压力、元素的存在形式及其物理化学条件的影响；衰变前核素和衰变后核素的原子数，只是时间的函数。同位素地质年代学基本原理：当岩石或矿物或某个自然体系在某次地质事件中形成时，放射性同位素以一定的形式进入其中，随时间延续，该母体同位

16、素不断衰减，放射成因子体逐渐增加，只要体系中母体和子体的原子数变化仅仅由放射性衰系所引起，那么准确测定岩石矿物中母体和子体的含量，就可根据放射性衰变规律计算出该岩石矿物形成的地质年龄。由此测得的年龄谓之同位素年龄。这种方法称为同位素计时。（要正确地获得岩石或矿物的年龄还必须满足以下条件：（1）应选用适当的放射性同位素体系的半衰期，这样才能积累起显著数量的子核，同时保留有未衰变的母核。（2）同位素初始比值。要求有可靠的方法对样品体系中所含的非放射成因子体的初始量D0作出准确的扣除或校正。（3）准确测定衰变常数，经过长期的实验积累已给出较高精度的某些放射性同位素体系的衰变常数。（4）高精度的同位素

17、制样和质谱测定技术。（5）测定对象处于封闭体系中，母体和子体核素只因衰变反应而改变，不存在它们的丢失和从外部体系的带入。）目前新生代前, 较为成熟和常用的同位素测年方法有： UThPb法 、KAr法 、RbSr 法、SmNd法、 ReOs法等、测定第四纪同位素年代的方法有14C法 。有机地球科学概念：研究地质体及天体中有机质组成、结构及其发生、发展及演化规律的科学。自然界中有机质分类：蛋白质、脂类、碳水合物、色素、木质素，还有少量其他化合物。腐殖酸（Humic Acid，简写HA），是腐殖质的主要部分，是腐殖质中能溶于碱溶液的部分。是动植物遗骸，经过微生物的分解和转化，以及一系列的化学过程和积

18、累起来的一类有机物质。它是由芳香族及其多种官能团构成的高分子有机酸，具有良好的生理活性和吸收、络合、交换等功能。3）腐殖酸的物理化学性质：腐殖酸的元素组成为C5060，H36，N 1.56，S1，其余大部分为O，以苯、萘、蒽、吡啶等芳香环作为骨架，具有羧基、羰基、酚基、醇基和甲氧基等。占土壤有机质总量的8090，多富集在细粒组分中。腐殖酸是一种亲水性可逆胶体，比重在1.3301.448之间，通常呈黑色或棕色胶体状态，其颜色和比重随煤化程度的加深而增加。具有疏松的“海绵状”结构，使其产生巨大的表面积（330340 m2/g）和表面能，构成了物理吸附的应力基础。由于腐殖酸分子结构中所含的活性基团能

19、及金属离子进行离子交换、络合或螯合反应，因此可用来处理重金属离子废水、印染废水和其他工业废水。（1）胶体性质（2）有明显的酸性（3）亲水性。生物标志化合物：生物标志物（指纹化合物、地球化学化石、分子化石），指地质体中分布的一类含氢的、有时还含氧、氮和其他原子的碳的化合物，通过对比碳的化合物及其生物前身物质，可以推断化合物的成因、并提供重要的地质、地球化学信息指地质体中仍保留有生物先源物或前身物基本碳骨架的有机化合物。（1）指示沉积岩中有机质的来源。（2）指示沉积物有机质成熟度。（3）指示环境的氧化还原条件。常见的生物标志物：1、正构烷烃；2、无环的类异戊二烯型烃；3、萜类化合物；4、甾类化合物

20、；5、常规多环芳烃；6、卟啉化合物；7、脂肪酸及氨基酸；微量元素概念：服从3个条件(1)在自然体系中含量低于0.1；（2）在自然体系中不作为任何相的主要化学组分存在的元素；（3）近似服从稀溶液定律（亨利定律）。存在形式：（1）快速结晶过程被陷入吸流带内（2）在主要晶格的间隙缺陷中（3）大多数情况下，微量元素以类质同象形式进入固溶体。能斯特分配定律：表明在温度、压力一定的条件下，微量元素i在两相平衡分配时其浓度比为一常数KD,称为分配系数。在一定浓度范围内，KD及i无关，只及温度压力有关。简单分配系数：即能斯特分配系数。总分配系数：指元素在固相整体和熔体中的分配系数，往往用岩石中所有矿物简单分配

21、系数及岩石中各种矿物的含量乘积之和。不相容元素：总分配系数小于1的元素。相容元素：总分配系数大于1的元素。在岩浆结晶过程中，那些容易以类质同象的形式进入固相的微量元素，称之为相容元素，反之称为不相容元素。不相容元素离子电位的大小可分为：（1）大离子亲石元素：如K、Rb、Cs、Ba等，离子半径大，离子电荷低、离子电位3，易溶于水，化学性质活泼，地球化学活动性强。（2）高场强元素：如Nb、Ta、Zr、Hf、P、Th、HREE，它们的离子半径小、离子电荷高、离子电位3，难溶于水，化学性质稳定，为非活动性元素。稀土元素的地化性质：（1）它们是性质极为相似的地球化学元素组，在地质-地球化学作用过程中整体

22、活动（2）它们的分馏情况能灵敏地反应地质-地球化学作用的性质，有良好的示踪作用（3）除经受岩浆熔融外，稀土元素基本上不破坏它们的整体组成特征（4）在地壳各岩石中分布广泛。地 球 化 学试题一、 名词解释（10题8分，其余每题3分，共35分）1 克拉克值（Clark value）2 干酪根（Kerogen）3 稳定同位素及放射性同位素4 分配系数5 SMOW和PDB6 生物标志化合物7 REE8 微量元素9 Rb-Sr模式年龄及Rb-Sr等时线法10 亲石元素 亲铜元素 亲铁元素二、选择题（每空1分，共35分）1 下列哪些矿物对是类质同象（ ），哪些是同质多象（ ）。A 黄铁矿和白铁矿 B 方解

23、石和文石 C 方解石及白云石 D 铁橄榄石和镁橄榄石 E a石英、b石英、鳞石英和方石英 F 蛋白石、玉髓、碧玉和燧石2 河水的总盐度的平均值为（ ），很少超过1，河水中含量最高的阴离子一般是（ ），含量最高的阳离子一般是（ ）。海水的总盐度为（ ），海水中含量最高的阴离子是（ ），含量最高的阳离子是（ ）；海水中的保守元素（conservative elements）是指海水中丰度最高且在海水各个部分浓度保持恒定的元素，它们是（ ），非保守元素（nonconservative elements）是指海水中含量较小且积极参加生物活动因此导致其浓度随生物量丰度变化而变化，它们包括（ ）。A 10

24、00ppm B 100ppm C 35 D 2.5 E HCO3 F Cl和SO4 G Ca2 H Na和Mg2 I Na、K、Ca2、Mg2、Cl和SO4 J HCO3、SiO2、N和P3 海洋占地球表面积的70，占水圈总体积的97，它是一个巨大的缓冲系统（buffer system），它的化学组成对全球变化具有重要意义，其中对海洋pH值起到缓冲作用的主要化学物质或反应是（ ）。A 碳酸盐体系(CaOH2O-CO2) B 硼酸盐体系(H3BO4H2BO3) C 硅酸盐体系（KAlSi3O8Al2Si2O5(OH)4） D 生物的光合作用和呼吸作用 E 有机物的降解4 虽然自然界已经发现388

25、0多种天然矿物，但构成地球大部分普通岩石的矿物却只有约10多种矿物，而构成这10多种矿物的元素主要有8种（ ），这8种元素占到地壳质量的99以上。10多种矿物中的2种矿物（ ）则占到地壳体积的2/3。A O、Si、Al、Fe、Mg、Ca、Na和K B O、Si、Al、Fe、Mn、Ca、Na和K C 石英和长石 D 石英和辉石5 沉积岩中含铁的矿物主要有（ ），含磷的矿物主要有（ ）含锰的矿物主要有（ ），含钙的矿物主要有（ ），含硅的主要矿物有（ ）。A 磷灰石 B 黄铁矿 C 菱铁矿 D 菱锰矿 E 石英 F 赤铁矿 G 方解石 H 镁方解石 I 文石 J 白云石 K 铁白云石 L 玉髓 M

26、 蛋白石 N 玛瑙 O 碧玉 P 纤铁矿 Q 针铁矿 R 软锰矿6 硅酸盐矿物经过风化后，（ ）等元素残留原地；（ ）等同元素则在风化后被最终搬运到海洋，当海洋封闭时，这些元素以（ ）的形式保存在沉积物中，这些蒸发盐又名（ ），通过分析这些蒸发盐的组成可以恢复古海洋的化学组成。A Al和Fe B K、Na、Ca和Mg C 膏岩层 D 蒸发盐7 硅酸盐风化后，部分转变为粘土矿物，粘土矿物也是硅酸盐矿物，只是它具有（ ）结构。这些粘土矿物可分为高岭石类和蒙脱石类，其中高岭石结构中硅氧四面体和铝氧八面体的比例是（ ），蒙脱石中硅氧四面体和铝氧八面体的比例是（ ）。A 层状 B 链状 C 1: 1 D

27、 2:18 热液矿床形成的温度可以通过下列（ ）方法得到，热液的来源主要通过（ ）稳定同位素获得。A 矿床的矿物学组成及其在空间的相互关系 B 包裹体测温 C 硫稳定同位素组成 D 同一微量元素在不同矿物中的分配系数（KD） E O稳定同位素 F 氢稳定同位素9 热液矿床形成过程中，金属元素主要通过及矿化剂形成稳定的络合物的形式进行迁移，评价这些络合物的稳定性主要通过（ ）来加以判断，地质环境中重要的配体或络合剂是（ ）。热液硫化物矿床在地表经常遭受氧化并次生富集成矿，这种次生矿床主要是（ ）等金属硫化物矿床。A 络合物的化学键性质 B 络合物稳定常数 C Cl和F D HS和S2 E OH、HCO3和CO32 F Cu和Au G Cu和Ag10