东华理工大学地球化学复习题.doc

第一篇 地球化学知识点整理（狼图腾）整理方法：课本+笔记+参考资料注：有些并非很重要！1、 名词解释 1.地球化学：是研究地球（包括部分天体）的化学组成、化学作用和化学演化的学科。 2.元素的丰度值：指各种化学元素在一定自然体系中的相对平均含量。 3.陨石：是降落在地球上的行星物质的碎块。 4.克拉克值：指地壳中元素重量百分数的丰度值。 5.丰度系数：指某一自然体的元素丰度与另一个可作为背景的自然体元素丰度的比值。 6.克里普岩：是岩浆分异或残余熔浆结晶形成的富含挥发组分元素的岩石，其富K、REE和P。 7.元素的地球化学亲和性：指在地球化学作用过程中，元素形成阳离子的能力和所显示出有选择地与某种阴离子结合的特性。 8.类质同像：指矿物在一定的物理化学条件下结晶时，晶体结构中某种质点（原子、离子、配离子、分子）被其他类似的质点所代替，结果只引起晶格常数的微小改变，晶体的构造类型、化学键类型等均保持不变的现象。 9.微量元素地球化学：是借助各种现代分析测试技术，基于微量元素地球化学的基本理论研究微量元素在地球及其子系统中的分布、化学作用及其演化的学科。10.微量元素：指在所研究体系中（地质体、岩石、矿物、流体/熔体等）的含量低到可以近似地用稀溶液定律描述其地球化学行为的元素。11.稀溶液定律（即亨利定律）：在极稀薄溶液中，溶质的活度正比于溶质的摩尔浓度。12.分配系数：微量元素i在平衡共存的两相之间的质量浓度比值。13.（1）相容元素：（表述1）在岩浆结晶过程中，那些容易以类质同像的形式进入固体的微量元素。（表述2）岩浆结晶或固相部分熔融过程中偏爱矿物相的微量元素 （2）不相容元素：岩浆结晶或固相部分熔融过程中偏爱熔体或溶液相的微量元素。14.元素地球化学迁移：元素从一种赋存状态转变成为另一种赋存状态，并经常伴随元素组合和分布上的变化以及空间位移的作用。15.地球化学障：在元素迁移过程中，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，则这些影响元素沉淀的条件或因素就称为地球化学障。16.原始地幔：地核形成以后，地壳形成以前的地幔。17.亏损地幔：原始地幔经过部分熔融形成地壳以后残余的地幔。18.富集地幔：由于板块俯冲作用将地壳物质再循环返回地幔后所形成的地幔。 19.五重简并：在一个孤立的过渡金属离子中，五个d轨道的能级相同，电子云呈球形对称，电子在五个d轨道的分布概率相同，称为“五重简并”。 20.晶体场分裂：当过渡金属离子处在晶体结构中时，由于晶体场的非球形对称特征，使d轨道的能级产生差异，称为“晶体场分裂”。 21.晶体场分裂能：将一个孤立的过渡金属离子放在正八面体配位的晶体中时，五个d轨道都受到配位体负电荷的排斥，轨道总的能级提高；由于正八面体配位场中配位体质点处于直角坐标的三个垂直轴方向，故dr轨道电子云的瓣指向配位体，使两个dr 轨道电子的被排斥力比d轨道的被排斥力大， dr轨道的能级要比d轨道电子的能级高得更多， dr轨道电子的能级与d轨道电子能级间的能量差，称为“晶体场分裂能”。 22.晶体场稳定能：d轨道电子能级分裂后的d电子能量之和，相对于未分裂前d电子能量之和的差值，称为“晶体场稳定能”。 23.八面体择位能:离子八面体配位的晶体场稳定能减去其四面体配位的晶体场的 稳定能。2、 问答题 1.简述地球化学的研究内容。 （1）自然界中元素和同位素的组成与分布。 （2）地质作用过程中各种元素迁移和共生组合规律。 （3）地质运动过程中元素的演化和循环历史。 （4）地球化学的基础理论研究。 （5）应用地球化学研究。 简述地球化学的研究思路和学科特点。 （1）通过分析常量、微量元素和同位素组成的变化，元素相互组合和赋存状态变化等追索地球演化历史； （2）利用热力学等现代科学理论解释自然体系化学变化的原因和条件，探讨自然作用的机制； （3）将地球化学问题置于地球和其子系统（岩石圈、地壳、地幔、地核等）中进行分析，以个系统的组成和状态约束作用过程的特征和元素的行为。 2.简述太阳系元素组成的研究方法。 （1）直接采样分析，如直接测定地球岩石、各类陨石和月球岩石的样品 （2）光谱分析，如对太阳光谱和小行星带天体进行定性和定量测定 （3）由天体的物理性质与成分的对应关系来推算行星组成 （4）利用宇宙飞行器对星体进行观察、就位探测或取样返回分析 （5）遥感和取样分析测定气体星云或星际间物质 （6）分析研究宇宙射线 简述相对丰度的计算中采用106Si原子做除数的原因。 （1）Si分布广，便于对比各种自然体系中的丰度值； （2）Si挥发性小，稳定性好； （3）在化学分析和光谱分析中，Si易精确测定； （4）大部分元素的相对原子数的数量级在10610-4之间。 简述丰度表示法： 1） 重量丰度： 以重量单位表示的元素丰度2） 原子丰度： 以原子百分数表示的某元素在全部元素的原子总数中的分数3） 相对分数： 以硅原子的106原子为基数求其他原子的相对原子数 简述陨石的分类。 分类依据：（1）所含金属与硅酸盐的比值；（2）陨石结构；（3）陨石化学成分。 分类类型：铁陨石，石铁陨石，石陨石。 简述地球内部的地球化学特征。 （1）h2900km，无化学作用带，“金属化”核心。 3.简述陨石的研究意义。 （1）陨石物质的平均成分为非挥发性元素的相对丰度提供了最好的信息； （2）为陨石成因和太阳系的起源、年龄、演化历史提供了极有价值的数据。 4.简述CAI的定义及其作用 CAI是指球粒陨石中由富Ca和Al的氧化物和硅酸盐组成的难熔物质集合体。作用：CAI是太阳星云最早期各种热事件的产物，保存了星云最原始的信息，具有同位素异常和大量灭绝核素子体，是研究早期太阳星云形成和演化的探针。 5.简述月岩的研究意义。 （1）有助于了解地球早期历史； （2）由月海玄武岩相当于拉斑玄武岩，反应月球与地球年龄相似； （3）月球中有可供人类利用的元素； （4）月岩早期火山活动即相当于地球火山带。 6.简述克拉克值的研究意义。 版本一（上课笔记）：（1）元素克拉克值影响着元素参加地壳地球化学过程的浓度，支配着元素的地球化学行为； （2）元素克拉克值可以为阐明地球化学省的特征提供依据； （3）依据克拉克值可以计算出地壳中地球化学性质相似或相关元素之间的平均比值。 版本二（参考资料）：（1）控制元素的地球化学行为： 1）支配元素的地球化学行为。 2）限定自然界的矿物种类及种属。 3) 限制了自然体系的状态。 4）对元素亲氧性和亲硫性的限定。 （2）地壳克拉克值可作为微量元素集中、分散的标尺： 1）可以为阐明地球化学省（场）特征提供标准。 2）指示特征的地球化学过程 3) 浓度克拉克值和浓集系数可表述元素的集中与分散以及其在地壳中富集的能力 7.应用陨石类比法研究地球化学元素丰度的假定前提。 （1）陨石在太阳系形成； （2）陨石与小行星成分相同； （3）陨石是破坏了的星体碎片； （4）产生陨石的星体，其内部结构和成分与地球相似。 简述大陆上地壳元素丰度的作用。 （1）是进行成矿预测和环境评价的主要地球化学依据； （2）是区域环境地球化学和农业地球化学评价的依据。 8.简述地球化学自然体系的基本特征。 （1）自然作用体系中众多的化学组分共存，但是各组分之间的含量差异极大； （2）T、P等条件的变化幅度与人为设置的实验条件相比相对有限； （3）具多变度单向发展演化特征的开放体系； （4）自发进行的不可逆过程。 9.简述自然过程产物的特征。 ( 1 ) 自然稳定相(矿物)及各种流体相的总数有限； （2）自然稳定相都不是纯的化合物。几乎每一种矿物都是一个成分复杂、元素含量与一定变化范围的混合物系列； （3）元素形成自然分类组合； （4）一定物理化学条件下，矿物之间按一定生成环境呈现规律性的共生组合。10.简述自然体系中元素的赋存形式。 固相中：（1）独立矿物；（2）类质同像；（3）超显微非结构混入物； （4）吸附形势；（5）与有机质结合的形式 液相中：（1）离子；（2）分子；（3）胶体；（4）微细颗粒物11. 简述元素赋存形式的研究方法。（1）矿物学观察；（2）X射线衍射法；（3）电子探针；（4）显微镜观察；（5）萃取法（偏提取法）；（6）电渗析；（7）透射电镜 12.简述离子电位的作用。（1）反应元素离子大小和离子电荷的综合作用效果的化学参数，它决定了离子吸引价电子的能力；（2）是表征离子电场强度的参数，其值等于离子的电荷与半径之比值，它决定了元素的存在形式和迁移能力。13.简述元素赋存形式的研究意义。 （1）元素的结合形式不同，其化学活动性亦不同； （2）同一种元素不同的赋存状态，可表现出不同的地球化学行为； （3）就矿产资源的可利用性而言，元素的存在形式有时比元素的含量更有意义。14. 简述影响元素地球化学亲和性的主要因素。 （1）元素的基本化学性质； （2）化学反应的能量效应； （3）元素的丰度。 简述元素地球化学的分类（非重点）。 （1 ) 哥德施密特元素地球化学分类: 分类依据:以其提出的地球起源和内部构造假说为基础，根据化学元素的性质与其在地球各圈层间的分配将元素分为： 亲石元素 1）离子的最外层电子具有8个电子的稳定结构； 2）以离子键的形式结合； 3）氧化物的生成热大于FeO的生成热，与氧的亲和力强，易熔于硅酸盐熔体； 4）位于原子容积曲线的下降部位； 5）主要集中在岩石圈。 亲铜元素 1）离子的最外层电子层具有18个电子的铜型离子结构； 2）电负性大； 3）以共价键的形式结合； 4）氧化物的生成热小于FeO的生成热，与硫的亲和力强，易熔于硫化铁熔体； 5）位于原子容积曲线的上升部位； 6）主要集中于硫化物氧化物过渡圈。 亲铁元素 1）离子的最外电子层具有8-18个电子的过渡型结构； 2）以金属键的形式存在； 3）氧化物的生成热最小，与氧及硫的亲和力均弱，易熔于熔体； 4）位于原子容积曲线的最低部分； 5）主要集中于镍-铁圈中。 亲气元素 1）原子最外层具有8个电子； 2）以分子键形式存在； 3）原子容积最大处； 4）具有挥发性或倾向形成易挥发化合物； 5）主要集中在大气圈。 亲生物元素 多富集在生物圈内。 （非重点）(2) 查瓦里斯基元素地球化学分类： 分类依据：以展开式元素周期表为基础，赋以原子和离子半径以重要意义并根据元素的地球化学行为的相似性将元素分为11族： 氢族 ;惰性气体族; 造岩元素族: Li、Be、Na、Mg、Al、Si、K、Ca、Rb、Sr、Cs和Ba； 岩浆射气元素族:B、C、N、O、F、P、S和Cl； 铁族:Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co和Ni 稀有元素组: REE、Y、Zr、Hf、Nb和Ta； 放射性元素组: Ra、U和Th； 钼钨组Mo-W:Cu、Ag、Au、Zn、Cd、Hg、Ga、In、Tl、Ge、Sn和Pb； 铂族: 半金属和重矿化剂族: As、Bi、Se、Te和Po； 重卤族: Br、I和At。 简述离子电负性的应用。 （1）确定化合物的键性； （2）用于判断元素的地球化学亲和性； （3）包含着其在自然反应中的表现酸碱度的标度。15.简述类质同像置换的条件。 （1）内部控制因素晶体化学条件 1）化学键性相同或相近； 2）原子或离子半径相同或相近； 3）正负离子电和保持平衡； 4）复杂松散的矿物晶体构造。 （2）外部影响因素环境物理化学条件 1）组分浓度；2）温度和压力；3）氧化还原电位。 简述自然界元素结合的基本规律。 （1）元素的地球化学亲和性； （2）矿物晶体形成或变化过程的类质同像规律； （3）晶体场理论对过渡族元素行为的控制。 16.简述类质同象置换法则。 (1)戈尔德施密特类质同像法则（仅适用于离子键化合物） 若两种离子电价相同、半径相似，则半径小的离子优先进入晶格； 若两种离子半径相似而电价不等，较高价离子优先进入晶格； 隐蔽性法则：若两种离子具相近的半径和相同的电荷，丰度高的主量元素形成独立矿物，丰度低的微量元素将按丰度比例进入主量元素的矿物晶格，即微量元素被主量元素所“隐蔽”。（2)林伍德电负性法则：具有较低电负性的离子优先进入晶格。17.简述类质同像的研究意义。 （1）确定元素的共生组合； （2）决定元素在共生矿物之间的分配； （3）支配微量元素在交代过程中的行为； （4）类质同像的元素比值可作为地质作用过程和地质体成因的标志； （5）其标型元素组合可推断矿物的形成环境； （6）影响微量元素的聚散； （7）有利于对矿产资源的综合评价与利用； （8）类质同像对环境的影响。 18.周期表中元素半径的总体变化规律： 同一周期元素，随原子序数增大离子半径减小； 同一族元素，从上向下随原子电子层增加，离子半径增大； 周期表中左上方到右下方的对角线，离子半径相近或相等； 镧系元素（希图元素）的离子半径从La 3+的0.103nm到Lu 3+ 的0.086nm逐渐缩小； 同一元素阳离子的离子半径小于原子半径，高正电荷的离子半径较小，阴离子的半径大于原子半径，负电荷增加离子半径增大，因此同一元素阴离子的半径远大于阳离子的半径。 19.简述晶体场原理及其应用。1、 晶体场理论是研究过渡元素化学键的理论，它从分析各种配位结构中例子外层电子的运动状态和能量入手，将配位体离子当作点电荷来处理。它在静电理论的基础上，应用量子力学和对称性理论、群论的一些观点，重点研究配位体对中心离子d轨道或f轨道的影响，来解释过渡元素和镧系元素的物理和化学性质。 应用：（1）阐述过渡族元素离子的物理化学特性； （2）阐述金属离子在岩浆结晶演化过程中的地球化学行为； （3）解释过渡族金属离子氧化倾向性的强弱。20.简述影响分配系数的因素。 （1）离子半径和离子电价；（2）熔体成分； （3）矿物成分；（4）温度压力及氧逸度21. 分配系数的确定方法。 （1）直接测定法22. 简述微量元素的地球化学示踪作用。 （1）岩浆岩成岩和演化过程的鉴别； （2）变质岩原岩组成及演化历史示踪； （3）壳幔循环作用的微量元素示踪； （4）成岩构造环境判别； （5）成岩成矿物理化学条件示踪； （6）地球历史中灾变事件的微量元素地球化学证据； （7）微量元素在古文化传播及刑侦方面的示踪作用； （8）微量元素的生物学效应。 23.简述稀土元素及其分组： 两分法： Ce族稀土：LaEu，也称轻稀土(LREE); Y族稀土：Gd Lu+Y，亦称重稀土(HREE)。 两分法以Gd划界的原因：从Gd开始在4f亚层上新增电子的自旋方向改变了。而Y归入稀土的主要原因是Y3+的离子半径与重稀土相近，化学性质与重稀土相似，它们在自然界密切共生。 三分法： 轻稀土族为La-Nd；中稀土族Sm-Ho；重稀土族Er-Lu+Y 24.简述稀土模式的解释。 （1）稀土元素属于那些溶解度最小的化学元素，并且在低级变质作用、风化和热液作用中是相对不活动的。热液中的REE比它所流经的岩石中的含量低500到106倍（Michard 1989） ，因此，热液活动预期不会对岩石的稀土有较大的影响，除非水/岩比值非常大。 （2）但REE并不是完全不活动的。因此，我们在解释强蚀变或高变质的岩石时应对此加以注意。但尽管如此，在弱蚀变的岩石中，REE的分布模式一般能够可靠地代表未蚀变岩石的原始分布模式，可以相信稀土元素分布模式的峰、谷以及倾斜度所提供的信息。25.简述地球系统的化学作用类型。 分类依据：按发生作用和生成物质的相、态进行分类 （1）水岩反应和水介质中的化学作用； （2）熔岩反应和熔浆化学作用； （3）水气化学作用； （4）岩岩化学作用； （5）有机化学作用。 简述元素迁移的标志。 （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； （3）物理化学界面。26. 简述元素的地球化学迁移类型。 （1）化学和物理化学迁移； （2）生物和生物化学迁移； （3）机械迁移。27.简述元素在水介质中迁移能力的影响因素。 （1）元素迁移前的存在形式； （2）晶体的化学键类型； （3）元素的地球化学性质，如离子的电价、半径等； （4）体系中相伴组分的类型； （5）浓度、体系中物理化学强度参数的空间变化以及环境的PH和Eh值变化。 28.低温水-岩化学作用的物理化学环境 过量水的体系：地球表面水和岩体积比：水总量岩石总量； 水既是作用剂，又是良好的溶剂和搬运剂； 常有有生物和有机质参与； 地表是富氧(O2= 0.213 x 105Pa)和富CO2 ( CO2 =3.04 x 10 Pa)的环境； 地表温度低，但温度变化迅速，控制水岩作用速率。 一般处于低压状态（ 1200) x 105Pa 29.高温水-岩化学作用的物理化学环境 相对少量水的体系：岩石总质量远远大于水； 水体系中含有大量作用剂和各类电解质盐类，深渊水中常含有丰富的成矿物质； 氧逸度相对低； 温度主要在200400，上限可达700；压力变化(2000100) x 105 Pa； pH变化于39之间； 可以有生物和有机质参加作用，但相对较少； 在高温水溶液中，除简单离子（卤化物）外，络合物是成矿元素在水溶液中的重要存在形式； 除CO2外，H2S、H2、NH4、F、B和PO43-、H2O等高温射气元素和组分经常参与高温水岩化学作用； 高温溶液体系中通常盐效应对难溶元素的迁移由重要意义。 30简述.pH值对元素迁移的影响的具体表现。 pH值影响氢氧化合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； pH值影响影响元素的共生与分离，如Fe、Mg在内生条件下共生，表生条件下分离； 鉄帽酸性条件 Mn-鉄帽碱性条件 pH值影响两性元素的迁移形式； 酸性环境以简单离子或氢氧化物形式迁移 碱性环境以酸根络合物形式迁移 盐类的水解是低温水-岩作用中常见的一种化学反应受pH值控制。 31.简述水岩化学作用的影响因素。 内在因素：体系组成对水岩化学作用的影响 （1）由化合物本身的性质决定：如活度积原理； （2）由体系中其他化合物或组分的类型或浓度等控制：如同离子效应和盐效应； （3）与组分的存在形式有关：胶体作用； 外在因素：体系物理化学环境对水岩化学作用的影响 （1）PH对元素迁移的影响； （2）氧化还原电位Eh的影响； （3）E及Eh对化学作用的影响； （4）温度和压力的影响； （5）地球化学障的影响。 32.简述水-岩化学作用的基本类型 ( 1 ) 氧化还原反应 实质：电子转移的反应 例子：1）铁橄榄石氧化成赤铁矿 2Fe2SiO4+O2+4H2O=2Fe2O3+2H4SiO4 2)黄铁矿氧化成磁铁矿 3FeS2+8.5O2+3H2O=2FeO3+3H2SO4 ( 2 ) 脱水和水解反应 ( 3 ) 水合作用 ( 4 ) 碳酸盐化和脱碳酸盐化 ( 5 ) 阳离子交换反应 33.简述岩浆活动中微量元素的行动 岩浆过程是指岩浆起源、形成、演化和固结成岩一系列作用，部分熔融是形成岩浆的重要途径，引起岩浆成分变化的主要过程是分离结晶、混染和混合作用 无论上述何种作用均涉及结晶固相和熔体相共存，微量元素在结晶固相和熔体相中分配系数代表了共存相中微量元素的浓度变化趋势。当总分配系数大于1时，元素在固相中富集，即在部分熔融时易保存在残留固相中，在分离结晶时易进入结晶相。当分配系数小于1时，元素在液相中富集，即在部分熔融时易进入熔体相，在分离结晶时易保留在残留熔体相中3、 读图题 1.观察太阳系元素丰度分布图，总结太阳系的元素分布特征与规律。 （1）太阳系中最丰富的元素为H和He； （2）原子序数小于45的元素，其丰度随原子序数的增加呈指数递减，而原子序数大于45的元素，其丰度低且丰度值变化不大，曲线近于水平； （3）原子序数为偶数的元素其丰度值大大高于原子序数为奇数的相邻元素； （4）Li、Be和B元素具有很低的丰度，原因在于宇宙大爆炸中他们很少被合成且参与合成其它元素； （5）在元素丰度曲线上，O和Fe呈明显的峰出现； （6）Tc和Pm没有稳定性的同位素，在宇宙中不存在；原子序数大于83的元素也没有稳定的同位素，在丰度曲线上这些元素的位置空缺； （7）质量数为四的倍数的核素或同位素具有较高的丰度。4、 论述题1.试述稀土元素数据的处理步骤和表示方法。 REE组成模式图示：对样品中REE浓度以一种选定的参照物质中相应REE浓度进行标准化，将样品中每种REE浓度除以参照物质中各REE浓度,得到标准化丰度，然后以标准化丰度对数为纵坐标,以原子序数为横坐标作图.两种图：(1)曾田彰正-科里尔(Masuda-Coryell)图解：浓度标准化参照物质为球粒陨石.由曾田彰正和科里尔创制；图示的优点:可以消除由于原子序数为偶数和奇数造成的各REE间丰度的锯齿状变化,使样品中各REE间任何程度的分离都能清楚地显示出来,因为一般公认球粒陨石中轻和重稀土元素之间不存在分异。（2）用所研究体系的一部分作参考物质进行标准化。 稀土元素总量-REE为各稀土元素含量的总和,以ppm为单位.多数情况下指从La到Lu和Y的含量之和.有些学者用火花源质谱法分析稀土元素含量,其REE数据不包括Y.REE对于判断某种岩石的母岩特征和区分岩石类型均为有意义的参数. LREE/HREE(或Ce/Y)：为轻和重稀土元素比值.这一参数能较好地反映REE元素的分异程度以及指示部分熔融残留体和岩浆结晶矿物的特征.Eu(或Eu/Eu*):表示Eu异常的程度.一般稀土元素大多呈三价态,但Eu特殊,既可以呈三价,也可呈二价.三价态时,Eu和其它稀土元素性质相似,二价态下则性质不同,固地质体中Eu2经常发生与其它三价REE离子的分离,造成在REE球粒陨石标准化丰度图解的Eu位置上有时出现“峰”(Eu过剩),Ce或(Ce/Ce*):是表征样品中Ce相对于其它REE分离程度的参数.Ce除了三价态外,氧化条件下可以呈四价态而与其它REE发生分离。 2.试分析下图中稀土元素球粒陨石标准化模式中各个曲线可能代表的岩石类型及造成分配型式特征的原因。答：A.熔岩流中源自地幔的橄榄岩捕掳体.呈比值为1的近水平线.代表未经大的分异的原始地幔； B.大洋中脊玄武岩,所有REE增大,LREE与HREE之间没有更大分异(T-过渡型玄武岩)； C和D.流纹岩和花岗岩。LREE偏向增加表明分异作用明显。有明显的Eu异常，与富Ca斜长石的分离有关； E.斜长岩。强烈富集Eu,表明斜长石强烈富集Eu；F.漫长地质时间形成的由火成岩和沉积岩反复分异的北美页岩。 3.试论述大陆地壳、大洋地壳、地幔和地核