地球化学的学科特点

地球化学的学科特点是地球科学的一部分：以地球、地壳及地质作用体系为研究对象。研究的重点/方向：地球系统物质运动（含地质运动）中物质的运动规律。通过研究和分析元素和同位素在地质体系中的行为和演变，应用地球化学的基本原理来示踪地质体系运动的规律，例如：岩浆形成的深度、来源、矿床形成环境等等。理论基础：化学类学科——无机化学、有机化学、物理化学、热力学、解析化学等，此外还有物理性和数学等。学科分支众多：海洋地球化学、生物地球化学、环境地球化学、区域地球化学、个别元素地球化学、成岩成矿地球化学、同位素地球化学和地球化学热力学。应用性强：比如环境地球化学是环境科学的核心（酸雨、臭氧空洞的形成、全球变暖和温室效应），应用地球化学的方法和手段找矿。年轻的发展中的科学（约100年的发展历史）地球化学的基本问题地球系统中元素和同位素的组成（abundanceanddistribution）问题元素的共生组合和赋存状态问题元素的共生组合：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。元素的迁移和循环地球化学的迁移：元素的重新组合常伴随元素的空间位移及元素在系统不同部分状态的转化，该迁移涉及体系的物理化学条件和迁移介质特性等制约关系变化的动态过程。地球的历史和演化通过元素或同位素的变异来揭示地质作用过程的特征，称为微量元素或同位素“示踪”。X-射线荧光光谱（XRF）电感耦合等离子体发射光谱（ICP-AES）丰度：指化学元素在地球化学系统（太阳、行星、陨石、地球、地圈、地壳）中的平均分布量。分布：元素的分布指的是元素在一个化学体系中（太阳、陨石、地球、地壳、某地区等）的整体总含量。分配：元素的分配指的是元素在各地球化学体系内各个区域或区段中的含量分布是整体，分配是局部，两者是一个相对的概念，既有联系又有区别。太阳系元素丰度具有以下规律：（1）.H和He是丰度最高的两种元素，这两种元素几乎占了太阳中全部原子数目的98％（2）.原子序数较低的元素区间，元素丰度随原子序数增大呈指数递减，而在原子序数较大的区间（Z＞45）各元素丰度值很相近（3）.原子序数为偶数的元素其丰度大大高于相邻原子序数为奇数的元素。具有偶数质子数（P）或偶数中子数（N）的核素丰度总是高于具有奇数P或N的核素，这一规律称为Oddo－Harkins（奥多--哈根斯）法则，亦即奇偶规律。（4）.质量数为4的倍数（即α粒子质量的倍数）的核素或同位素具有较高丰度。此外还有人指出，原子序数（Z）或中子数（N）为“幻数”（2、8、20、50、82和126等）的核素或同位素丰度最大。例如，4He（Z=2，N＝2）、16O（Z=8，N=8）、40Ca（Z=20，N=20）和140Ce（Z=58，N=82）等都具有较高的丰度（5）.Li、Be和B具有很低的丰度，属于强亏损的元素。（6）.而O和Fe呈现明显的峰，为过剩元素。太阳系元素丰度与元素原子结构及元素形成的整个过程之间存在着某种关系（1）.与元素原子结构的关系。原子核由质子和中子组成，其间既有核力又有库仑斥力，但中子数和核子数比例适当时，核最稳定，而具有最稳定原子核的元素一般分布最广。在原子序数（Z）小于20的轻核中，中子（N）/质子（P）＝1时，核最稳定，为此可以说明4He（Z=2，N＝2）、16O（Z=8，N=8）、40Ca（Z=20，N=20）等元素丰度较大的原因。又如偶数元素与偶数同位素的原子核内，核子倾向成对，它们的自旋力矩相等，而方向相反，量子力学证明，这种核的稳定性较大，因而偶数元素和偶数同位素在自然界的分布更广。（2）.与元素形成的整个过程有关。H、He的丰度占主导地位和Li、Be、B等元素的亏损可从元素的起源和形成的整个过程等方面来分析。根据恒星合成元素的假说，在恒星高温条件下（n×106K），可以发生有原子（H原子核）参加的热核反应，最初时刻H的“燃烧”产生He，另外在热核反应过程中Li、Be、B迅速转变为He的同位素42He，因此太阳系中Li、Be、B等元素丰度偏低可能是恒星热核反应过程中被消耗掉了的缘故。而O和Fe的丰度异常地高是因为这两种元素是氦燃烧的稳定产物。陨石概念：是从星际空间降落到地球表面上来的太阳系碎片，主要来源于位于火星和木星之间的小行星带。陨石类型陨石主要是由镍-铁合金、结晶硅酸盐或两者的混合物所组成，按成分分三类铁陨石（2）石陨石（3）铁石陨石地壳是指从地表（包括陆地表面和海洋底面）开始，深达莫霍面（M界面）的层壳，它不包括水圈和大气圈，也不等于岩石圈，仅仅相当于岩石圈的上部。大陆地壳可分为上地壳和下地壳，上地壳厚8—12km，由偏酸性的火成岩和沉积岩组成，下地壳主要由麻粒岩、玄武岩等中酸性或中基性岩石组成。地球中最丰富的元素是Fe、O、Si和Mg，如果加上Ni、S、Ca和Al，这8种元素的质量占了地球总质量的98%。地壳元素丰度特征1.不均一性(1)地壳中元素的相对平均含量是极不均一的。丰度最大的元素是O为47%，与丰度较小的元素Rn（6x10-16）相差达1017倍，相差十分悬殊。地壳中丰度最大的九种元素O、Si、Al、Fe、CaNa、K、Mg、Ti,占地壳总质量的98.13%；前十五种元素占99.61%,其余元素仅占0.39%这表明，地壳中只有少数元素在数量上起决定作用，而大部分元素处于从属地位。(2)时间上分布的不均一性：随着地质历史的发展，元素的活动与分布有着明显的规律性。地史早期：一些稳定元素在地史早期富集成矿。如Au矿主要产在前寒武纪；Fe矿主要产在前寒武纪元古代（前寒武纪变质铁矿占世界铁矿储量60%）。地史晚期：一些活泼的不稳定元素在地史晚期富集成矿。如Sn、Nb、Ta和W等元素，态（气、液、固）、化合物种类和形式、键型、价态及晶体构造中的配位位置等多方面的物理化学特征固相中元素主要存在形式：1、独立矿物2、类质同象形式、3、超显微非结构混入物4、吸附状态5、与有机质结合形式元素地球化学迁移: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,为了与环境达到新的平衡,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.其过程包括元素的活化(稳定态转化为非稳定态)—转移（随迁移介质发生空间位移）--固定（沉淀或结晶出新矿物)元素的地球化学迁移过程包括了三个进度：元素迁移的标志①矿物组合的变化②岩石中元素含量的系统测定和定量计算③物理化学条件界面水-岩化学作用概念又称为水岩反应：是指在地质作用过程中，水溶液与矿物岩石间物质成分的相互交换作用的化学反应。水-岩化学作用的基本类型地表条件下的水-岩化学作用有以下主要类型：1氧化-还原反应：2脱水和水解反应水解反应：水电离的H或OH-进入矿物晶格，分别取代其中的阳离子或阴离子，从而使矿物解体形成新矿物。3水合作用4碳酸盐化和脱碳酸盐化反应5阳离子交换反应6高温水-岩反应的其他类型（1）络合物和络合反应：络合物：水溶液中的络合物是指由两个或两个以上能独立存在的比较简单的水溶物种组合而成的一种复杂的水溶物中。络合物是成矿元素在水溶液中的重要存在形式。如W，Sn，Mo的络合物（教材第100页）。（2）除CO2外，H2S，H2，NH4，F，B和PO43-，H2O等挥发性组分经常参与高温水-岩化学作用。（3）盐效应：当溶液中存在大量的易溶盐类时，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。地球中天然水的类型地球中流体变并不单指水溶液相，常见的流体相主要有以下几种：各类硅酸盐浆（或称硅酸盐熔融提体），包括从酸性到超极性，以及碱性的各类火成岩都是由硅酸盐浆结晶形成的硅酸盐熔融体。以水为主的液体，包括岩浆水，变质水，同生水，海水，卤水，地表水，地热水等。以碳氢化合物为主的流体，如石油，天然气等。（1）活度积原理活度（activity）（教材106页）：非理想溶液中溶济和溶质之间有相当复杂的作用,在没有弄清楚这些相互作用之前,可以根据实验数据对实际浓度加以校正,即为溶液中具有反应能力的”有效离子浓度”,命名为“活度”，常用”α“表示，离子的活度系数”γ“是离子的有效浓度和离子的实际浓度之比。α=γ×c活度积：温度一定时，难溶强电解质溶液中离子活度的乘积为一常数，这一常数称为活度积。由于难溶化合物的溶解度极小，其浓度与活度相当，故溶度积与活度积均为常数。以Ksp表示。活度积原理：当溶液中某物质的离子积达到和越过该物质（化合物）的活度积时，该物质即析出、例如硬石膏（CaSO4）的活度积为6.1*10-5，当溶液中Ca2+与SO42-的离子积大于等于6.1