地球化学绪论

地球化学课程安排☆主讲教师：闭向阳，张利☆联系电话Q：358768217☆E-mail：bixy@☆课时：48学时，讲课☆答疑：时间和地点待定☆考查形式：闭卷考试☆成绩评定：平时作业（3次，占30%）+结业考试（占70%），☆说明：无故缺课3次及以上者，或一次不完成作业者，取消考试资格。内容设置绪论第1章太阳系的元素丰度和元素起源第2章地球的化学组成第3章元素的晶体化学性质与元素结合规律第4章微量元素地球化学第5章放射成因同位素地球化学第6章稳定同位素地球化学第7章环境地球化学第8章生物与有机地球化学专业参考书※教材：张宏飞等，地球化学，地质出版社，2012※参考教材：1、韩吟文等，地球化学，地质出版社，20032、涂光炽等，地球化学，上海科技出版社，19843、赵伦山，张本仁。地球化学，地质出版社，19884、中国科学院地球化学研究所。高等地球化学，科学出版社，19985、FrancisAlbarede.Geochemistry.CambridgePress,2003专业文献1、GeochimicaetCosmochimicaActa2、EarthandPlanetaryScienceLetters3、ChemicalGeology4、ContributionstoMineralogyandPetrology5、Geology6、Lithos7、JournalofPetrology8、JournalofGeophysicalResearch9、中国科学(D辑)、岩石学报、地球化学资料网站资料网站资料网站资料网站地球科学世界出版社GeoScienceWorld（GSW）是由7家地球科学领域的顶尖协会共同建立的非营利型组织，包括：美国石油地质师学会AmericanAssociationofPetroleumGeologists（AAPG）、美国地质协会AmericanGeologicalInstitute（AGI）、美国地质协会GeologicalSocietyofAmerica（GSA）、伦敦地质学会GeologicalSocietyofLondon（GSL）、美国矿物学会MineralogicalSocietyofAmerica（MSA）、美国沉积地质学协会SocietyforSedimentaryGeology（SEPM）和美国地球物理探矿工作者协会SocietyofExplorationGeophysicists（SEG），旨在为研究人员提供最新的地球科学电子信息资源资料网站资料网站资料网站地球化学是怎样的一门学科？它主要研究哪些问题？地球化学的研究方法如何？它的主要特点是什么？地球化学学科的发展简史及现代地球化学发展趋势怎样？绪论为探索地球乃至宇宙的起源与演化提供证据；找到影响国计民生的大矿、巨矿；加速查明全国乃至全球的矿产资源以便在经济发展与环境保护协调部署时有抉择余地；使农、工业及城市有更合理的规划；为农业增质增产提供新途经；预警未来环境污染变化趋势；使经济发展无法避免的大面积散漫型土地污染得以修复。地球化学

1838年瑞士化学家Schönbein(申拜因)首次提出了“地球化学”这个名词；1842年他预言：“一定要有了地球化学，才能有真正的地质科学。”

本章内容一、地球化学及其主要研究内容和任务二、地球化学的基本观点和方法三、地球化学发展简史一、地球化学定义及研究的基本问题地球化学的定义地球化学研究的基本问题1.地球化学的定义地球科学化学化学成分、化学作用化学演化我们认为现代地球化学的定义为：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。地球化学从以下几方面深入理解地球化学的定义研究对象岩浆作用、沉积作用、变质作用、成矿作用、表生作用、生态环境……研究形式元素及其同位素的化学运动研究时间包涵了整个地球、地壳演化和全部地质作用时期；对单个元素（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2.地球化学研究的基本问题概括起来有以下几个基本问题：第一:元素（同位素）在地球及各子系统中的组成（量）第二:元素的共生组合和存在形式（质）第三:研究元素（同位素）的迁移（动）第四:元素的地球化学演化第一:元素（同位素）在地球及各子系统中的组成简而言之为“量”的研究也就是元素（同位素）的含量及含量在空间、时间及不同地质产状地质体中的变化；

这一问题是地球化学研究的出发点和基础资料。第一:元素（同位素）在地球及各子系统中的组成第二:元素的共生组合和存在形式例如，Cr、Ni、Co以及铂族元素常常在基性-超基性岩石中共生富集，而镧系元素（稀土元素）和大离子亲石元素等一般在偏酸性的岩石中共生富集，Nb、Ta等高场强元素在地壳岩石中常常出现亏损，而Cu、Pb、Zn等常在热液矿床中富集。再如，在不同体系中，不同元素的赋存形式也不一样：在岩石圈中Ti、Cr、Mn等呈氧化物，Cu、Pb、Zn、Ni、Co等多呈硫化物，铂族元素除少量形成硫化物外，主要呈自然元素和金属互化物形式存在。地质体内部的各种原子的结合和存在形式不是任意的、静态的，而是有条件的、变化的。它们受地质作用物理化学状态的控制，是随着地质历史的变动而变化的。因此，元素的共生组合和存在形式是地质作用物理化学条件及变动历史的指示剂。简而言之为“质”的研究。

例1：早期处于原生还原环境的黄铜矿(独立矿物形式)；晚期由于地壳抬升，黄铜矿处于表生氧化环境（O2、H2O等），最终氧化为可溶的CuSO4；从黄铜矿变为硫酸铜是环境从还原状态转化为氧化状态的指示剂。)(CuSO)(CuFeS42溶于水的离子态黄铜矿独立矿物表生环境¾¾¾®¾第三:研究元素的迁移简而言之是“动”的研究，也就是元素在自然作用体系中的含量和存在形式在时间、空间上的变化。例2：元素从矿源层中活化迁移到沉淀成矿（左图）①某金属元素（Cu）呈分散状态赋存于矿物颗粒表面。该元素含量较高，形成矿源层；②某个时期，其深部发生了某地质作用，沿裂隙发生了热液活动，矿源层裂隙两侧物理化学状态发生了改变，矿源层中的元素被萃取至流体中迁移；③热液迁移至上部由于物理化学条件的变化（岩石渗透率、pH……)，流体中元素又以新的结合方式沉淀下来。第四:元素的地球化学演化宇宙、天体是怎样形成、演化的？地球是如何形成、发展的？生命是如何起源的？由C、H、O、N等主要元素构成的人类是如何产生的？元素是如何合成的？常量元素微量元素同位素记录指示恐龙时代恐龙和大量海洋浮游生物在短时期内突然灭绝！原因是什么？地球Ir含量很低(0.001μg/g)，陨石可达0.65μg/g)1、E/K界面上1cm厚粘土中测出Ir元素突然增加了20倍；2、当时保存下来化石的氧同位素成分测定其海水温度突然上升，最高可达10℃在6500万年前的某一天，一颗直径约为10公里的小行星与地球相撞，巨大的冲击力，使小行星击穿地壳30公里的厚度，达到地幔，由于高温高压，岩石瞬间熔化，水蒸气、二氧化硫所的产生的大量云雾、尘埃、烟雾直冲大气圈，形成的浓雾遮住了阳光，使全球气温剧烈降低，大面积、高浓度的酸雨，使植物不能进行光合作用，导致生物的严重破坏，食草动物、食肉动物饿死的饿死，冻死的冻死。这一灾难致使称霸地球1亿多年的恐龙灭绝了；海洋生物也遭受了巨大的灾难。根据推测这种“撞击冬天”持续了几年到几十年。E/K界面上铱等元素的地球化学异常是这一“灾变事件”的理想示踪剂二．地球化学的研究思路及研究方法地球化学的研究思路地球化学的研究方法（一）地球化学研究思路----

见微而知著那就是在地质作用过程中形成宏观地质体的同时，还形成大量肉眼难以辨别的常量元素、微量元素及同位素成分的组合的微观踪迹，它们包含着重要的定性和定量的地质作用信息，只要应用现代分析测试手段观察这些微观踪迹以及宏观的地球化学现象，便可深入地揭示地质作用的奥秘。概括一句话那就是“见微而知著”。通过观察原子之微，以求认识地球和地质作用之著。（二）地球化学的研究方法地球化学研究方法的特点研究程序和工作方法1.地球化学研究方法的特点

第一、工作方法应遵循地球科学的思维途径第一手实际资料来自于对自然地质现象的观察和研究；

在地球的时空结构中整理和综合资料；

事实规律的统计性特征；

反序地追踪历史；

结论的推断性和多解性以及认识的反复深化……第二、地球化学工作者有一个敏锐的地球化学思维第三、具备有定性和定量测定元素含量及鉴别物相的技术和装置2.研究程序和工作方法地球化学的野外工作方法地球化学的室内研究方法（１）地球化学的野外工作方法宏观地质调研认识地质现象地球化学样品采集样品的布局和采样要求

①明确的代表性：代表某一地质作用的产物；代表某一成因的、某种产状的地质体；样品尽量避免后期作用的叠加等。如花岗岩样品代表岩浆作用，灰岩样品代表沉积作用，矽卡岩和大理岩样品代表热接触变质作用；样品的布局和采样要求

②样品的系统性：为了从比较中说明问题，对研究对象在空间上、时间上、不同成因上的样品应构成一个系列。例如研究矿化特征，应控制采集矿体、矿化、背景段的样品；有如环境污染研究，对污染源、污染区、背景区的样品进行系统采集；

样品的布局和采样要求③样品的统计性：地球化学现象同其它地质现象一样具有统计性规律，要定量地描述地球化学规律必须用数理统计的方法，因为一两个样品难以有代表意义，必须由一组样品构成，一组样品的数量根据研究对象复杂程度、规模大小及测试方法的难易程度而定。

（２）地球化学的室内研究方法对量的精确测定

对“质”的研究：元素结合形态和赋存状态活动态金属提取实验上海同步辐射光源对地球化学作用过程物理化学条件的测定和计算，包括测定和计算两大类。如包裹体测温、测压、测成分，又有微量元素温度计、矿物温度计、同位素温度计等测定和计算相结合的方法；对体系的pH、Eh、fO2、盐度、离子强度、矿质浓度等参数进行估算；另外还可进行自然作用时间参数的测定，如同位素年代学。模拟地球化学过程，进行模拟实验。这种方法在实验室条件下，使某些地球化学过程再现，以深入了解成岩成矿作用机制或检验某些理论推断，这里包括高温高压体系的专门设备的实验技术以及大量常温常压下的实验研究（温度可以达到3000℃，超高压可达1.3兆巴，相当于200km深处地壳压力）。

北京大学高温高压实验室测试数据的多元统计处理和计算——计算地球化学多元统计理论和电子计算机技术在地球化学研究的应用，大大提高了资料整理的科学性、数据的利用率和计算工作效率；同时数学理论和方法的应用对深入揭示地球化学规律、科学地描述地球化学现象起到了推动作用，使之地球化学过程数字模拟化。三．地球化学的发展简史及发展趋势地球化学的发展简史地球化学的发展趋势（一）地球化学的发展简史第一个时期：地球化学资料积累时期（20世纪初到20年代）。在这个时期内地球化学研究主要局限于地壳岩石矿物中的化学成分进行分析统计整理，其代表人物是美国的克拉克(F.W.Clarke)，由于克拉克的工作主要是对大量地壳岩石的地球化学资料进行统计整理，因此他在地球化学发展历史中就成了经验统计方向的创始人。

第二个时期:地球化学学科建立时期（20世纪30年代到50年代）。在欧美着重应用晶体化学理论和方法研究矿物岩石中元素的分配规律，其创导和奠基人是戈尔德施密特（V.M.

Goldschemidt），他为地球化学研究创造了晶体化学方向。在欧美地球化学发展的同时，在前苏联以维尔纳茨基(B.И.Вернадский)和费尔斯曼(A.E.Ферсман)为核心的一个重要的地球化学学派发展起来了，他们特别强调研究元素的原子在地壳