地球化学复习资料

地球化学复习资料第1章绪论一、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、化学作用和化学演化的科学（涂光炽）。地球化学是研究地球的化学成分及元素在其中分布、分配、集中、分散、共生组合与迁移规律、演化历史的科学。二、地球化学研究的基本问题第一：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：研究元素的迁移（动）第四：研究元素（同位素）的行为第五：元素的地球化学演化第2章自然体系中元素的共生结合规律一、元素地球化学亲和性的定义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与某种阴离子结合的特性称为元素的地球化学亲和性。二、亲氧元素、亲硫元素与亲铁元素的特点

亲氧（亲石）元素亲硫（亲铜）元素亲铁元素离子结构阳离子最外层8个电子的惰性气体结构离子最外层18个电子（s2P6d10）结构离子最外层具有8-18个电子的过渡结构电负性较小较大电离能高，不易与其他元素结合化学键离子键共价键金属键氧化物的生成热大于氧化铁FeO小于氧化铁氧化物、硫化物的生成热小于亲氧、亲硫元素集中分布情况主要分布于岩石圈地球硫化物-氧化物过渡圈地球的铁-镍核容积曲线下降部分上升部分最低部位

地球的组分分异，由元素的性质决定。元素在周期表中的位置：亲铁元素:地核

亲石元素:地幔与地壳

亲气元素:大气圈和水圈三、其它的概念离子电位（π）：是离子电价（W）与离子半径（R）的比值，即π=W/R电离能：指从原子电子层中移去电子所需要的能量。电离能愈大，则电子与原子核之间结合得愈牢固。

电子亲和能：原子得到电子所放出的能量（E)叫电子亲和能。E越大，表示越容易得到电子成为负离子。电负性：中性原子得失电子的难易程度。或者说原子在分子中吸引价电子的能力叫电负性。表示为：X=I+E

(X：电负性；I：电离能；E：电子亲和能)周期表上，以Li的电负性为1.0，得出其它元素相对电负性。化学键：离子键（电子交换）,共价键（电子共用），金属键（价电子自由移动），范德华键（分子间或惰性原子间，存在弱的偶极或瞬时偶极），氢键（也属分子间静电力，含H的分子与其它极性分子或负离子间)四、元素的地球化学化学分类（戈式分类）亲氧（亲石）、亲硫（亲铜）、亲铁、亲气根据地球中阴离子中氧丰度最高，其次是硫（主要形成氧的化合物和硫化物）；而能以自然金属形式存在的丰度最高的元素是铁，因此，元素的地球化学亲和性主要分为以下三类：①亲氧性（亲石）元素；②亲硫性（亲铜）元素；③亲铁元素。亲氧元素：能与氧以离子键形式结合的金属（半金属）元素称为亲氧元素。亲硫元素：能与硫结合形成高度共价键的金属（半金属）元素称为亲硫元素。亲铁元素：元素在自然界以金属状态产出的一种倾向。铁具有这种倾向，在自然界中，特别是O，S丰度低的情况下，一些元素往往以自然金属状态存在，常常与铁共生，称之为亲铁元素。亲铁元素基本特征：不易与其他元素结合，因为它们的价电子不易丢失（具有较高电离能）。亲铁元素特点：原子（注意不是指离子）具有d亚层充满或接近充满，接近18-18+2的外电子层结构（惰性金属型构型），电负性中等，第一电离能较高（原子中电子不易被剥夺，也难以夺取外来电子），常形成金属键晶体（单质或金属互化物）；其氧化物和硫化物的生成热都较小；位于原子容积曲线的最低部分；主要集中于铁-镍核，地壳较少；亲铁元素具有多亲合性，也可亲氧、亲硫，Fe是典型代表。五、类质同象的定义类质同象：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的其他质点（原子、离子、配离子、分子）所占据，结果只引起晶格常数的微小改变，晶体的构造类型、化学键类型等保持不变，这一现象称为“类质同象”。固熔体：进入晶体中的微量物质称为“类质同象混入物”；含有类质同象混入物的晶体被称为“固熔体”。2.戈氏法则---适用于岩浆结晶过程的离子键化合物①优先法则：两种元素电价相同，半径较小者优先进入矿物晶格。②捕获允许法则：两种离子半径相似而电价不同时，较高价的离子优先进入矿物晶格。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”。六、Goldschimdt定律定律一：两个离子，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。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。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。七、自然界元素结合的基本规律三大规律（1）元素的地球化学亲合性（如何分类聚集）（2）类质同像（同类元素在同一矿物占位的关系）（3）晶体场理论对过渡族元素行为的控制(特殊元素）第三章

自然体系中元素的地球化学迁移一、元素地球化学迁移的定义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。二、元素地球化学迁移能力的影响因素1.内因（1）迁移前元素的存在形式（2）晶体化学键类型（3）元素的地球化学性质（半径、电价、电负性、离子电位等）。离子电位的实质：阳离子与H+对氧(O2-)的争夺能力的不同。π=W/R

（W：离子电价，R：离子半径）根据离子电位的大小，分以下三种情况：第一种情况：电价低半径大的离子，其离子电位小(π＜2.5)。第二种情况：电价高半径小的离子，其离子电位大(π＞8)第三种情况：离子电位居中（π：2.5～8）的一些阳离子，它们往往是一些两性元素(Be2+、Ti3+、Cr3+、Al3+、Fe3+、V3+……)，在水中的形式随溶液中酸碱度不同而变化：在碱性溶液中：(OH)-浓度大，H+浓度小，才能与O2-结合成含氧酸[BeO4]6-；在酸性溶液中：H+浓度大大高于(OH)-浓度，则呈氢氧化物分子Mex+(OH)x或自由离子Mex+形式。2.外因（1）体系中组分的浓度（2）温度、压力：温度升，有利吸热反应。升温有的溶解度增大（如石英、重晶石），有的则降低（如石膏）压力增，有利反应向体积减小方向进行。有挥发分作为络合剂时，压力升，溶解度增大（3）环境中PH值、氧化还原电位Eh值的变化。三、元素的迁移方式机制：(1)化学迁移（2）生物迁移（3）机械迁移物质状态：(1)固态物质迁移；(2)水溶液形式迁移；(3)胶体形式迁移；(4)岩浆形式迁移；三、水-岩作用的基本类型1.氧化还原反应2.水解和脱水反应：水解反应的实质是水电离的H+或OH-进入矿物晶格，分别取代其中的阳离子或阴离子。3.水合作用：水合作用的实质是水分子整体进入矿物晶格，使矿物的体积增大。4.碳酸盐化或脱碳酸盐化5.阳离子交换反应水-岩化学作用：地壳表层与水圈直接接触，于两者之间发生的化学作用可统称为水-岩化学作用。四、岩浆产生的三种条件1.温度的增加；2.压力的降低；3.体系由无水转变为含水条件第四章放射性同位素地球化学一、基本概念（核素、同位素、同位素丰度）

核素：具有特定核结构的原子称为核素(nuclide)，即核电荷数与中子数的结合。同位素：原子核内质子数Z相同而中子数N不同的一类核素称为同位素。同位素丰度：(1)绝对丰度：某一同位素在所有各种稳定同位素总量中的相对份额。(2)相对丰度(原子丰度）：同一元素各同位素的相对含量（以原子百分数计）。二、同位素定年的基本原理

设衰变产物的子体原子数为D*三、母体、子体的概念（銣-锶、钐-钕、铀-铅）母体：衰变过程中初始放射性同位素。子体：母体衰变的产物称为母体。放射性衰变类型及其母体与子体的关系四、銣-锶等时线定年需满足的条件1）一套岩石系列的不同岩石，由于岩浆结晶分异作用造成不同岩石的Rb/Sr比值有差异；2）结晶分异作用经历的时间较短，各岩石形成Rb-Sr封闭体系的时间大致相同。3）由于同源岩石具有相同的87Sr/86Sr初始同位素比值；4）自结晶以来，每个样品都符合定年的基本条件—呈封闭体系。同位素衰变的基本特征：①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；②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；③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；④衰变前核素和衰变后核素的原子数，只是时间的函数。五、同位素测年的计算第五章

稳定同位素地球化学一、基本概念同位素效应：质量数不同的同位素及其化合物在物理和化学性质上的差异，称为同位素效应。δ值：样品的同位素比值相对于标准样品同位素比值的千分偏差。δ

>

0(正值）表明样品相对标准富集重同位素δ

<

0（负值）表明样品相对标准亏损重同位素δ

=0

表明样品与标准同位素比值相同二、氢、氧、碳、硫同位素的常用标准。1、H、O同位素标准：?氢有1H、2H（D）两个稳定同位素，同位素比值常用2H/1H表示；?氧有16O、17O和18O三个稳定同位素，同位素比值常用18O/16O表示。?自然界H、O元素的天然产物H2O普遍存在，故二者常采用同一标准样：①SMOW（StandardMeanOceanWater）是标准平均大洋水，是一个假设标准，用来作为世界范围比较的基点。②NBS-1（NationalStandardBureau）是美国Potomac河的蒸馏水。碳有12C、13C两个稳定同位素，其同位素比值国际标准是：PDB硫有32S、33S、34S、36S四种稳定同位素，同位素比值通常用34S/32S表示，标准是：CDT?

任一样品对于不同标准之间δ值的关系可进行换算，设X，A，B分别为待测样和二个标准：已知δX-B，δB-A分别为样品对标准B和标准B对标准A的δ值。δX-A＝δX-B+δB-A+δX-B·δB-A×10-3同位素分馏值(富集系数）：在同位素平衡的前提下，两种不同化合物的同类同位素组成δ值的差，称为同位素分馏值△，也被成为富集系数。△A-B＝δA-δB，△A-C=△A-B+△B-C三、同位素地质温度计的原理及应用（相关计算）基本原理是根据地质体中共存物相之间的同位素分馏大小，应用已知的同位素分馏系数，即可计算物相之间的同位素“平衡”温度。同位素地质温度计应用的先决条件是共存物相之间达到并保持同位素平衡。同位素平衡分馏系数与温度的关系：103lnα=a/T2+b/T+c，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：103lnα=b/T+c2）在高温下，b/T可以忽略，简化：103lnα=a/T2+c用于同位素地质温度计：δ值δ（‰）=[(R样/R标)-1]X1000同位素分馏系数α与δ值的关系：103lnαa-b≈δa-δb=ΔA-B四、大气降水的氢、氧同位素组成特点海水的蒸发和在空中的凝聚过程的同位素分馏主要控制大气降水的氢、氧同位素组成。在空中水蒸气凝聚成雨滴过程是平衡同位素分馏过程，因为水蒸气是在饱和（相对湿度100％）的状态下凝聚为水。生成的雨水相对水蒸气富集重同位素。什么是雨水线：全球雨水H,O同位素组成的一个重要特征是δD值与δ18O值间有明显的线性关系。δD=8δ18O+10

注意：1）雨水线不过原点（海水值）；2）干旱和热带地区雨水线的斜率小于8。“四个效应”：（1）纬度效应：纬度增加大气降水的δD和δ18O值都减少。赤道附近：δD和δ18O值都接近0‰。（2）大陆效应：越向内陆，大气降水的δD和δ18O值越降低。（3）海拔高度效应：海拔高度增加，大气降水δD和δ18O值降低。（4）季节效应：冬季相对夏季，大气降水亏损重同位素。同位素效应：质量数不同的同位素及其化合物在物理和化学性质上的差异。元素的同位素相对质量差越大，同位素效应越显著。同位素分馏：由于同位素效应所造成的同位素以不同比例在不同物质或不同相之间的分配。同位素比值：定义为单位物质中某元素的重同位素和轻同位素的原子数之比。如：18O/16O，D/H，13C/12C同位素分馏系数：定义为在平衡条件下，经过同位素分馏之后二种物质（或组分）中某元素的相应同位素比值之商。小结：氢、氧同位素在自然界的分布特征海水（现代）均为0‰或0‰附近。?如以海水值为参照，氧同位素自然界分布呈两侧分布；而氢同位素明显偏向负值一侧。?大气降水基本上都是小于海水值，向负的方向偏离。?地幔、月岩和相当一部分陨石的氢、氧同位素组成分布窄（δ18O为5.5－5.7‰,δD为-40～-80‰)。?火成岩由超基性至酸性岩逐渐偏离地幔值，向富集18O和贫D的方向发展。岩浆水的δ18O大致在5～10‰,δD在-40～-80‰。?沉积岩的氧同位素变化范围大，普遍比火成岩更富集18O；变质岩的氧同位素组成及变化范围都介于火成岩与沉积岩之间。第六章

微量元素地球化学一、基本概念主要元素：自然界中丰度较高的元素，丰度大于1wt%微量元素：只要某元素在体系中的含量低到可以用稀溶液定律来描述其行为，即可称微量元素，通常指矿物含量低于0.1%的元素。固溶体：矿物中的微量元素如同溶质溶解于溶剂中，因此可将矿物理解成为一种固体溶液，即固溶体。亨利定律：当组分i的含量xi无限小时，其活度ai正比与组分含量xiai=γi?xi，i是组分i的亨利常数，与组分含量xi无关，与P、T条件有关能斯特分配定律：对于实际气体溶液体系，组分i的化学势为：μi=μi0+RT?Lnfi（fi为逸度)，对于溶液和固熔体体系，组分i的化学势为：μi=μi0+RT?Lnai

(ai为活度)，ai=γi?xi，i为活度系数，代表实际溶液对理想溶液的偏差，与系统的组分、熔体的结构、温度、压力等有关。分配系数的含义：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。常用分类主元素（majorelements）过渡(族)元素（transitionelements）稀土元素(REE)铂族元素(PGE)惰性气体元素(Noblegas)高场强元素(HFS)：离子半径小，电价高

Zr、Hf、Nb、Ta、Ti大离子亲石元素(LIL)：离子半径大，电价低

K、Rb、Sr、Ba、Pb不相容元素(uncompatible)：K或D，〈〈1，倾向于富集在熔体相。不相容元素可以分为2组1）高场强元素(HFSE)，有：REE,Th,U,Ce,Pb4+,Zr,Hf,Ti,Nb,Ta等2）大离子亲石元素(LILE)，有：K,Rb,Cs,Ba,Pb2+,Sr,Eu2+等。LILE活动性更强，特别是有流体参与的系统相容元素(compatible)：K或D〉〉1，倾向于富集在结晶相

Ni、Cr、Co支配微量元素地球化学行为的主要定律类质同象（Goldschmidt定律）—揭示结晶过程中微量元素的行为定律一：两个离子，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。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ri为活度系数，代表实际溶液对理想溶液的偏差，与系统的组分、熔体的结构、温度、压力等有关。二、微量元素的常用分类按分配系数可分为相容元素与不相容元素；按元素的电价与半径可分为大离子亲石元素与高场强元素（典型代表元素能够列举）。按元素周期表还可分为主族元素，过渡族元素，铂族元素，稀土元素，惰性气体元素等。二、影响分配系数的主要因素1.离子半径：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.体系的组分：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.温度温度升高，分配系数降低，表明高温下离子倾向于进入溶体。4.压力：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：氧逸度升高，Eu在斜长石/玄武质岩浆间的分配系数KEu降低。

平衡熔融：若在整个部分熔融过程中，熔体与残留固体(源区岩石)间始终保持化学平衡，直到熔体离开源区。平衡部分熔融过程微量元素的变化规律：对平衡部分熔融过程中，微量元素的变化情况作如下简单的分析：平衡部分熔融过程微量元素变化的主要特征不相容元素在溶体中富集，分配系数越小，富集程度越高；部分熔融程度越低，富集程度越高不相容元素在残留体中亏损分配系数越小，亏损程度越高；相容元素在溶体中的含量低于源岩分配系数越大，亏损程度越高三、岩浆过程中相容元素与不相容元素的变化特征平衡部分熔融过程微量元素变化的主要特征：不相容元素在溶体中富集：分配系数越小，富集程度越高；部分熔融程度越低，富集程度越高不相容元素在残留体中亏损：分配系数越小，亏损程度越高；相容元素在溶体中的含量低于源岩：分配系数越大，亏损程度越高分离结晶过程中微量元素变化的主要特征相容元素在分离结晶作用的早期在残余岩浆中迅速降低，在分离结晶作用的晚期在残余岩浆中几无。不相容元素在分离结晶作用的早期在残余岩浆中浓度略升，在晚期，浓度骤升。四、REE元素有哪些，PGE元素有哪些，LILE,HFSE的代表元素举例。描述稀土元素组成的相关参数1）稀土元素总量用符号ΣREE表示，代表全部REE元素含量的累加结果，常以ppm或者10－6为单位。从超基性岩、基性岩、中性岩至酸性岩，ΣREE值逐渐增高。（2）轻-重稀土元素比值：根据REE的分组，分别对LREE和HREE两组稀土元素的含量进行累加后相除获得，可表达为ΣLREE/ΣHREE或ΣCe/ΣY。（3）反映稀土元素之间分异程度的比值①(La/Yb)N、(La/Lu)N、(Ce/Yb)N比值可用于指示REE配分曲线的斜率，即LREE和HREE的相对分异程度。②(La/Sm)N、(Gd/Lu)N、(Gd/Yb)N对LREE和HREE内部发生分馏的程度进行指示。Sun等(1989)根据洋中脊玄武岩中(La/Sm)N比值，将MORB划分出三种类型：(La/Sm)N＞1：P型，即富集型，即地幔热柱或异常型，对应的REE配分型式为LREE富集型；(La/Sm)N≈1：T型，即过渡型；(La/Sm)N＜1：N型，即正常型，对应的REE配分型式为LREE亏损型。4）Eu、Ce异常δEu

可作为划分岩石成因类的标志：斜长岩

Eu正异常玄武岩

Eu异常不明显花岗岩

Eu负异常δCe可以区分不同沉积相类型，海水中存在的Ce4+容易水解，海水中Ce表现出强亏损。五、什么是增田-科里尔图解稀土元素的球粒陨石标准化图解，横坐标为稀土元素名称，纵坐标为标准化后的稀土元素丰度，纵坐标为对数坐标。六、制作稀土元素丰度模式图时，为什么需要将元素的含量进行标准化？最常用的参照标准是什么？七、REE配分图的分类按照稀土元素球粒陨石标准化丰度特征，可将各类样品的分布模式分成三类：1.轻稀土富集型

2.轻稀土亏损型

3.平坦型（或球粒陨石型）8、稀土元素Eu异常产生的原因计算题：已知：U=792.1ppm;Th=318.6ppm;Pb=208.2ppm;Pb同位素组成：204Pb=0.048%(atom);206Pb=80.33%;207Pb=9.00%;208Pb=10.63%普通Pb的同位素组成：204Pb:206Pb:207Pb:208Pb=1.00:16.25:15.51:35.73λ8=1.55125×10-10;λ5=9.8485×10-10（假定204Pb，206Pb，207Pb，208Pb的原子量为204,206，207,208；235U、238U的原子量分别为235,238；235U/238U=1/137.88）求t6/8,t7/5,t7/6地球化学期中考试1、多项选择题。1.ABCDE，2.ABC，3.ABCDE，4.ABCE，5BD、6.DBC，7.ABCD，8.ABCDE。2、名词解释。1.地球化学障：元素迁移过程中，由于外界物理化学条件的改变，造成元素性质的截然改变，并使元素发生沉淀的现象称为地球化学障。2.地球化学：研究地球及子系统化学组成、化学作用和化学演化的科学。3.类质同象：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的被介质中的其他质点（原子、离子、配离子、分子）所占据，结果只引起晶格常数的微笑改变，晶体的构造类型、化学键类型等保持不变，这一现象称为类质同象。4.元素的地球化学亲和性：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与某种阴离子结合的特性称为元素的地球化学亲和性。5.主要元素：体系中丰度大于1wt%的元素称为主要元素。6.MORB：洋中脊玄武岩。7.增田-科里尔图解：稀土元素的球粒陨石标准化图解，横坐标为稀土元素名称，纵坐标为标准化后的稀土元素丰度，纵坐标为对数坐标。8.同位素：质量数不同或中子数不同，质子数相同的元素（核素）称为同位素。9.核素：具有特定核结构的原子称为核素。常表示为AM，A为核电荷数和中子数的结合。10.元素的地球化学迁移：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。3、简答、论述题。1.简述亲氧元素、亲硫元素和亲铁元素各自具有怎样的性质。答：亲氧元素特点：①离子最外层为8电子（s2p6）稀有气体稳定结构。②具有较低的电负性。③所形成的化合物键性主要为离子键。④亲氧元素氧化物的生成热大于FeO的生成热，位于原子容积曲线的下降部分。⑤亲氧元素主要集中于地球的岩石圈中。亲硫元素特点：①离子的最外层为18电子（s2p6d10）结构。②元素的电负性较大。③所形成的化合物键性主要为共价键。④亲硫元素氧化物的生成热小于FeO的生成热，位于原子容积曲线的上升部分。⑤亲硫元素主要集中在地球的硫化物-氧化物过渡圈。亲铁元素特点：原子第一电离能较高，常形成金属键晶体，硫化物和氧化物的生成热都较小，位于原子容积曲线的最下部，主要集中于铁-镍核。2.简述Goldschimdt定律。答：定律一