地球化学期末复习.doc

绪论1、什么是地球化学？（教材P1）地球化学是研究地球及其子系统（含部分宇宙体）的化学组成、化学机制和化学演化的科学。2、地球化学的主要任务（教材P2-3）（1）查明各种自然体系中化学元素的分布状态，从不均匀的分布中了解其变化范围和其平均值（2）研究地球表面及深部和某些天体的各种千变万化的化学作用（3）元素的特性（4）元素的迁移3、地壳和矿产是如何演化的（教材P3-4）4、地球化学的分支（PPT28页）区域地球化学，构造地球化学，土壤地球化学，地层地球化学，勘探地球化学，同位素地球化学，微量元素地球化学，成矿作用地球化学。5、地球化学思维（PPT51页）量即元素丰度；质即元素赋存形式（元素的共生组合和存在形式）；动即元素迁移；根据研究对象（作用的产物）现存“量”“质” “动 ”提供的信息，研究并恢复地质作用的历史与条件等。6、地球化学的发展趋势（PPT56页）（1） 在研究规模上, 从局部地区向全球对比发展；（2） 在成果性质上,从定性向定量，从解释性向预测性发展；（3） 在研究领域上, 从资源向环境发展；从陆向洋，从浅向深，从地向外；（4） 在研究形式上, 经验性向理论化，静态描述向动态过程发展；（5） 在研究对象上, 从单体向其界面及相互作用发展；第一章 太阳系和地球系统的元素丰度1、元素丰度（教材P18）化学元素在一定自然体中的相对平均含量。2、 克拉克值、区域克拉克值、丰度系数（教材P19）克拉克值：是地壳中元素重量百分数的丰度单位。区域克拉克值：是指地壳以下不同构造单元中元素的丰度值。丰度系数：是指某一自然体的元素丰度与另一个可作为背景的自然体的元素丰度的比值3、 丰度的三种表示方法，为什么要用硅原子为参考元素？原子丰度与相对丰度的区别？（教材P19-20）（1）重量丰度，以重量单位表示的元素丰度，常用的级序有三种：重量百分数（wt），用于常量元素；克/吨（g/t）或ppm（parts per million，10-6），用于微量元素；毫克/吨（mg/t）或ppb（parts per billion（十亿），10-9），常用于超微量元素；微克/吨（g/t）或ppt（parts per trillion（万亿），10-12）。（2）原子丰度，以原子百分数（原子）表示的某元素在全部元素的原子总数中的分数。（3）相对丰度，常以原子数/106硅原子为单位。也有采用原子数/104硅原子或原子数/102硅原子为单位的。这种单位是取硅的原子数等于一百万个（106）原子，并以此为基数，求出其他元素相对原子数。所以，这种单位实际上就是各种元素的原子数与一百万个硅原子的比值。常用于宇宙元素丰度，所以又称为宇宙丰度单位，简称CAU.（Cosmic abundance unit）。选择硅原子作为对比标准的原因是：1） 硅元素在自然界中分布相当广泛，便于对比各种自然体系的丰度值；2） 硅是形成不挥发的稳定化合物的元素；3）硅在化学分析和光谱分析中，都是较易精确测定的元素。取硅原子为106时，绝大部分元素的相对原子数介于10610-4之间。4、太阳系元素丰度规律（PPT27-29页）1)H和He丰度最高（占太阳系全部原子数目的98%）2)原子序数较低(Z50)的元素丰度低,且丰度值随原子序数增大几乎不变。3）序数为偶数的元素丰度大大高于相邻的奇数元素。（偶数元素核子倾向成对，稳定性大）。奥多-哈根斯法则，或奇偶规律。4）与He相近的Li、Be和B具很低的丰度，强亏损元素(作为氢燃烧的一部分转为He）;5）在丰度曲线上O和Fe呈明显的峰，属过剩元素（O、Fe都是质量数为4倍的核素，且铁的结合能最大, O、Fe 都是He 燃烧的稳定产物）质量数为4的倍数的核素或同位素具有较高丰度。（中子数/质子数=1，原子核较稳定）。原子序数或中子数为幻数（2、8、20、50、82和126）的核素或同位素丰度最大（幻数规则）。5、 获得地壳中的平均成分的基本方法是什么？（PPT39-40页）根据组成地壳各种岩石的比例，按比例分别在各地取得岩石样品；对各种元素进行了定量的化学分析；其样品的数量相当于这些样品在地球表面分布面积的比例;计算时用算术平均求出整个地壳的平均值。6、 地球化学元素分类（戈氏分类）（教材P47）（1）亲石元素（2）亲铜元素（3）亲铁元素（4）亲气元素7、地壳元素丰度特征及原因（教材P53-54） 1）不均匀 2）随序数增大而下降（同太阳系） 3）地壳、整个地球和太阳系主要元素丰度数据对比 太阳系： HHeONeNCSiMgFeS 地球： FeOMgSiNiSCaAlCoNa 地壳： OSiAlFeCaNaKMgTiH 4）偶数规则 5）幻数规则8、 元素地壳丰度研究的地球化学意义（教材P58）（PPT48-57页）（1）控制元素的地球化学行为1）元素的克拉克值在某种程度上影响元素参加许多化学过程的浓度，从而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）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4）地壳丰度对地壳能源的限制9、元素在地壳中时空分布不均匀性举例：1）空间上分布的不均一性垂向深度（陆壳）：上地壳；0- 812KM 偏酸性火成岩、沉积岩下地壳： 812KM- 莫霍面 麻粒岩、玄武岩Ri =上地壳元素丰度/ 下地壳元素丰度Ri约等于1:Ca,Si, Zr, Nd, Pb等。Ri 1: Cl, C, Cs, K, Rb, U,Th, Bi, Tl, Nb等。反映了地壳物质在分异调整过程中的宏观趋势。横向分布：大陆地壳和海洋地壳的不均一性。洋壳：占地球表面60% 以上，厚5-16KM，它们的化学成分与地幔物质相似，以镁、铁硅酸盐为主，主要分布着Cr, Fe, Ni, Pt等亲铁元素。陆壳：占地球表面30%，厚30-50KM，它们的化学成分由铝、钾硅酸盐组成，主要分布着亲氧及亲硫元素W，Sn，Mo, Cu, Pb, Zn, Ag等。陆壳内：板块间、区域间、地质体间、岩石间、矿物间元素分布不均一性。2）时间上地壳元素分布的不均一性地史早期：一些稳定元素在地史早期富集。Au元素：主要产在前寒武纪。 Fe元素 :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向着地史晚期富集。Sn, Nb, Ta和W等元素：钨成矿作用高峰期在中生代（燕山期）世界部分大陆（北美、南非、印度）不同地史时期成矿元素变化规律:前寒武纪：Pt, Fe, Ni, Co, Au, U(占其储 量50%以上)古生代: U, Pb, Co, Ni, Pt,其次为W, Sn, Mo, Pb, Zn, Hg中生代: W, Sn, Ag, Sb等;新生代: Hg, Mo, Cu, Pb, Zn等.10、陨石的研究意义：陨石是空间化学研究的重要对象，具有重要的研究意义： 它是认识宇宙天体、行星的成分、性质及其演化的最易获取、数量最大的地外物质； 也是认识地球的组成、内部构造和起源的主要资料来源； 陨石中的60多种有机化合物是非生物合成的“前生物物质”，对探索生命前期的化学演化开拓了新的途径； 可作为某些元素和同位素的标准样品（稀土元素，铅、硫同位素等，为什么？）。第二章 元素的结合规律与赋存形式1、 地球化学体系的特征（PPT4-5页）(1) 温度、压力等条件的变化与实验条件相比相对有限(2) 多组分复杂体系(3) 开放体系(4) 自发进行的不可逆过程2、自然界元素结合的三个基本规律（PPT10页）元素的地球化学亲合性（如何分类聚集）类质同像（同类元素在同一矿物占位的关系）晶体场理论对过渡族元素行为的控制(特殊元素）3、电子充填中的几个规则：泡利不相容原理（每轨道2个）、最低能量原理(原子基态时，电子先占据最低的能级）、洪特规则（同一电子亚层各轨道上，电子先占据不同轨道且自旋方向相同）4、决定元素性质的主要参数和基本变化规律？1）原子的电子层结构；2）原子和离子半径；3）电离能（势）变化规律；4）电子亲和能；5）电负性变化规律；6）化学键；7）离子极化（PPT12-35页）5、离子半径与配位数关系（PPT36-38页）6、 元素的地球化学亲和性，为什么说元素亲和性是相对的？（PPT39，51页）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。元素亲和性不是绝对的，不少元素有双重亲和性。受阴-阳离子的相对丰度、不同阴离子的相对丰度控制，也和离子的价态有关。如低价态的Fe2+、Mn2+和Mo4+具亲硫性，而高价态的Fe3+、Mn4+、Mo6+具亲氧性。7、决定元素亲和性的主要参数：构型、电负性、键性、氧化物生成热8、固溶体及分类（PPT4-8页）含有外来杂质原子的晶体称为固体溶液，简称固溶体；A、按杂质原子在固溶体中的位置分类（1）取代（置换）型固溶体（2）填隙型固溶体B、按杂质原子在晶体中的溶解度划分（1）无限固溶体（2）有限固溶体9、类质同象置换的条件和影响因素（PPT22-31页）1.内因条件-晶体化学条件（1）化学键类型-键性相同（相近），是首要条件（2）原子或离子结合时的几何关系离子键化合物：原子或离子半径是重要条件共价键化合物：a.键长相似是类质同象重要条件b.共价键化合物配位数相同也是置换的重要条件c.成键轨道相似及轨道能（可用电离势代表）相近是主要因素自然金属（3）离子正负电荷的平衡（化合物电中性原则）a.质点数目不等的置换b.离子成对置换c.高电价质点和低电价质点配合置换中等电价质点d.正负离子配位置换(4)有利的矿物晶体构造矿物晶体构造越复杂、松弛（偏离最紧密堆积越远），发生类质同象的可能性越大2.物理化学条件：外因（1）温度和压力-低压有利于类质同象（2）组分的浓度-组分的浓度影响平衡反应（3）氧化还原电位10、类质同象置换法则（PPT32-35页）(1)戈氏法则-适用于岩浆结晶过程的离子键化合物两种元素电价相同，半径较小者优先进入矿物晶格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：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)Ringwood(林伍德 ) 电负性法则：更适用非离子键化合物E.A.Ringwood(1955) 提出：“当阳离子的离子键成分不同时，电负性较低的离子形成较高离子键成分（键强较高）的键，它们优先被结合进入矿物晶格”11、 类质同象规律的意义（PPT36-42页）理论意义：解释元素共生规律，说明矿物、岩石、矿床中元素赋存状态，研究成岩成矿物化条件和演化；实践意义：找矿勘查评价和环境评价治理的理论依据（1）确定了元素的共生组合（2）决定了元素在共生矿物间的分配（3）支配微量元素在交代过程中的行为（4）类质同象的元素比值可作为地质作用过程和地质体成因的标志（5）标型元素组合（6）影响微量元素的集中与分散（7）对自然环境的影响（8）推断物化环境（9）找矿的依据：直接与间接依据（10）判断地质体之间的关系12、晶体场理论要点（PPT44-57页）举例：在玄武岩和花岗岩成分的硅酸盐熔体和矿物中，四面体配位和八面体配的结构位置很多，过度金属离子都有优先进入八面体配位结构的倾向，但不同过渡金属元素进入硅酸盐晶格的顺序是有差异的，八面体择位能高者先进入，低者后进入。13、比较戈氏分类和查氏分类的异同A戈氏分类存在的问题：亲气元素中氢与氮不应与稀有气体合类，因为氢扣氮并非稀有气体构型的原于；除大气圈而外，氢、氮在岩石圈、水圈、生物圈都比较重要；亲氧元素中的氧在自然界中，尤其是成岩成矿作用中呈O2-形式出现，起阴离子作用，而绝大部分亲氧元素在成岩成矿作用中呈阳离子。作用和地位均不同。亲铜元素存在的问题：(1)硫在成矿作用中呈阴离子，与其他元素不同；(2)铜型离子的提法是不确切的，若按离子外电子层有18电子而论即s2p6d10，但铜在自然界中出现最多、分布最广的是Cu2+。请注意，其外电子层为s2p6d9，含有平行自旋电子，具有典型的过渡元素离子的持征；亲铁元素，若按其外电子的数目介于8-18之间，还应包括：Ti3+，Cr3+，Mn4+，Cu2+，Au2+，Ag2+。亲氧元素包括53中元素，几乎常见元素的2/3均包括在内，划分的不细。B查氏分类中存在的问题：造岩元素族，将稀有元素Li、Be、Rb、Cs及Sr、Ba都包括在内，不够合理。我们通常指的造岩元素为：O、Si、A1、Fe、Mg、Ca、Na、K，还有Ti、Mn、P。将Fe、Co、NiCu、Ag、Au，Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt，分别划分在三个部分，无论理论上或实践中部是不合理的。钨与钼放在同类也有较大矛盾，在成矿作用中，钨或者呈黑钨矿，或者呈白钨矿，都是含氧盐，而钼在成矿作用中，多数锂辉钼矿，是硫化物。在主要类型岩浆岩中钼在基性岩中含量最高，而钨在酸性岩中含量最高。第三章 地球化学热力学与地球化学动力学概述1、热力学第一定律的文字表述和意义能量不论是从一个物体传给另一个物体，或者从一种形式传化成另一种形式，其总量不变，这就是能量守恒（能量转化）定律。UQW2、热力学第一定律的应用举例【例1】相变化的计算【例2】生成热的计算3、 热力学第二定律的微观意义（PPT9页）一切自然过程总是沿着无序性增大的方向进行4、 热力学第三定律内容和意义（教材84页）随着绝对温度趋于零，凝聚系统（不含气相或气相可以忽略的系统）定温反应的熵变趋于零5、热力学对元素地球化学亲和性的判断(1)用氧化物生成自由能判断元素的亲氧、亲硫性。(a)随氧化物生成自由能（负值）变小，元素的亲氧性减弱，亲硫性增强；(b)氧化物生成自由能（负值）比FeO大的元素具亲氧性，反之具亲硫性。(2)据含氧盐与硫化铁的反应自由能大小来判断元素的亲氧、亲硫性。(3)据硫化物的生成自由能大小，判断元素的亲硫性强弱。第四章 微量元素地球化学1、 拉乌尔定律和亨利定律的区别（PPT30页）（1）拉乌尔定律适用于稀溶液的溶剂和理想溶液，而亨利定律适用于溶质；（2）拉乌尔定律中的比例常数p1是纯溶剂的蒸气压，与溶质无关，而亨利定律的比例常数k则由实验确定，与溶质和溶剂都有关；（3）亨利定律的浓度可用各种单位，只要k值与此单位一致就可以，而拉乌尔定律中的浓度只能用克分子分数。2、什么是总体分配系数，如何计算？（PPT35页）当固体中由多相组成时，固液相共存于平衡体系中，元素i的分配系数称为总体分配系数3、 影响分配系数的主要因素（PPT40-45页）离子半径,体系的组分,温度,压力,氧逸度4、 举例说明部分熔融过程中微量元素的变化过程5、举例说明分离结晶过程微量元素的变化过程6、岩浆结晶过程和部分熔融过程的判别方法 结晶过程中和部分熔融中相容元素与不相容元素的变化分析例如：微量元素在岩浆结晶过程的演化有两种倾向：一种是选择类质同象方式进入与自身晶体化学性质相似的造岩元素组成的矿物晶格，导致微量元素呈分散状态，被称为“晶体化学分散”；另一种倾向是，当微量元素与造岩元素的晶体化学习性差别大、不利于进行类质同象置换时，微量元素将在残余熔体中聚积，有可能在适当的条件下形成独立矿物（副矿物）或转入到岩浆期后热液中富集成矿，被称为“残余富集”。7、 什么是稀土元素？分类方案（二分法）8、 稀土元素的主要性质（PPT13-14页）9、地壳中各类岩石稀土元素相对丰度曲线分为五种类型，为什么要根据Eu和Ce为依据？10、处于不同构造环境的大洋拉斑玄武岩高铝玄武岩大陆拉斑玄武岩，具有不同的稀土型式有何特点（PPT23页）11、稀土元素数据的常用表示方法Ce/Y，La/Yb、Eu，Ce所表示的是什么？12、太古宙获和后太古宙沉积岩稀土元素地球化学特征（PPT38-39页） 第五章 同位素地球化学1、 同位素地球化学在解决地学领域问题的特点（PPT3页）1）计时作用：每一对放射性同位素都是一只时钟，自地球形成以来它们时时刻刻地，不受干扰地走动着，这样可以测定各种地质体的年龄，尤其是对隐生宙的前寒武纪地层及复杂地质体。2）示踪作用：同位素成分的变化受到作用环境和作用本身的影响，为此，可利用同位素成分的变异来指示地质体形成的环境条件、机制，并能示踪物质来源。3）测温作用：由于某些矿物同位素成分变化与其形成的温度有关，为此可用来设计各种矿物对的同位素温度计，来测定成岩成矿温