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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 ：离子结构：最外层2、8个电子稳定结构，最外层18电子，最外层818电子 ：电负性：较小，大， ：化学键：离子键，共价键，金属键 ： 氧化物的生成热：氧化物生成热大于FeO，小于FeO，氧化物小于亲氧元素、硫化物小于亲硫元素 ： 集中分布情况：岩石圈，硫化物氧化物过渡圈，铁镍核 ：容积曲线：下降部分，上升部分，最低部分三、其它的概念离子电位（）：是离子电价（W）与离子半径（R）的比值，即=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：亲氧性（亲石）元素；亲硫性（亲铜）元素；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。 包括A碱金属、A的碱土金属元素，A的Al、B,A的Si, B、B、B、B的金属（不含Mo)、B的Mn等。（元素周期表上部和左部）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。 如Cu、Pb、Zn、Au、Ag、Cd、Hg等，主要为B、B元素 ，部分A-A 元素（周期表右下部, 其中Br、I、Cl是做为与硫类似的阴离子，可归入亲硫元素系列）。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”。2.戈氏法则-适用于岩浆结晶过程的离子键化合物优先法则：两种元素电价相同，半径较小者优先进入矿物晶格。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。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）。2.外因（1）体系中组分的浓度（2）温度、压力（3）环境中PH值、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 3.水合作用 4.碳酸盐化或脱碳酸盐化5.阳离子交换反应四、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：放射性核素子体：母体衰变的产物四、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。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。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。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。同位素富集系数（包括它们之间的相关换算）：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值的差，称为同位素分馏值，也被成为富集系数。A-BA-B，对于同一元素的一系列化合物而言，A-C=A-B+B-C，103ln A-B A - B = A-B二、氢、氧、碳、硫同位素的常用标准。 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：SMOW（Standard Mean Ocean Water）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。NBS-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三、同位素地质温度计的原理及应用（相关计算） 四、大气降水的氢、氧同位素组成特点“四个效应”：纬度效应、大陆效应、海拔高度效应、季节效应第六章 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 = i 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：i = i0 + RTLnfi （fi 为逸度)，对于溶液和固熔体体系，组分i的化学势为：i = i0 + RTLnai (ai 为活度)，ai = i x i ，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。微量元素分配系数：相容元素：不相容元素：大离子亲石元素：离子半径大，电价低高场强元素：离子半径小，电价高二、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2.体系的组分3.温度4.压力5.氧逸度 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。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 : 35.738=1.5512510-10 ; 5=9.848510-10（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例题：计算高级变质岩（麻粒岩）的变质温度。已知所测定的石英、透辉石的氧同位素组成分别为+10.2和+7.9（相对V-SMOW）。 根据Chiba et al. (1989)和 Javoy (1977) 给出石英-透辉石的氧同位素平衡分馏系数与温度关系（见Matthews (1994)提供的表）：103ln石英-透辉石 = 2.75 (103/T)2注意：）根据公式计算得到的温度是K氏温度，一定要转换为摄氏温度；）当值较大时最好不要用近似公式。所测定的变沉积岩中角闪石、白云母和黑云母的氧同位素组成分别为+11.30、+12.60和+11.04，试问：(1)变质温度为多少？(2)这三种矿物之间是否达到氧同位素平衡？简述理由。已知 103lna石英-矿物 = A B(103/T)2，其中A和B如表所示 A B 石英-白云母 -0.60 2.20 石英-角闪石 -0.30 3.15 石英-黑云母 -0.60 3.69地球化学期中考试1、 多项选择题。1. ABCDE，2.ABC，3.ABCDE，4.ABCE，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：离子最外层为8电子（s2p6）稀有气体稳定结构。具有较低的电负性。所形成的化合物键性主要为离子键。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。亲氧元素主要集中于地球的岩石圈中。亲硫元素特点：离子的最外层为18电子（s2p6d10）结构。元素的电负性较大。所形成的化合物键性主要为共价键。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。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：定律一：两个离子，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。3. 什么是微量元素？微量元素都有哪些常用分类？答：通常把体系中含量低于0.1wt%的元素成为微量元素，其在体系中的行为应符合亨利定律的稀溶液性质。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；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。4. 简述固溶体、亨利定律和能斯特分配定律。答：固溶体：采用研