地球化学复习提纲小结及答案.doc

绪 论 1. 简要说明地球化学研究的基本问题。 答题要点： 1)元素及同位素在地球及各子系统中的组成（丰度和分配）； 2)元素的共生组合及赋存形式； 3)元素的迁移和循环； 4)研究元素（同位素）的行为； 5)元素的地球化学演化。2. 简述地球化学学科的研究思路和研究方法。答题要点： 研究思路：见微而知著，即通过观察原子之微，以求认识地球和地质过程之著。 研究方法： 一）野外阶段： 1)宏观地质调研。明确研究目标和任务，制定计划； 2)运用地球化学思维观察认识地质现象； 3)采集各种类型的地球化学样品。 二）室内阶段： 1)“量”的研究，应用精密灵敏的分析测试方法，以取得元素在各种地质体中的分配量。元素量的研究是地球化学的基础和起点，为此，对分析方法的研究的要求：首先是准确；其次是高灵敏度；第三是快速、成本低； 2)“质”的研究，即元素的结合形式和赋存状态的鉴定和研究； 3)地球化学作用的物理化学条件的测定和计算； 4)归纳、讨论：针对目标和任务进行归纳、结合已有研究成果进行讨论。第一章 太阳系和地球系统的元素丰度 1.简述太阳系元素丰度的基本特征. 答题要点： 对太阳系元素的丰度估算各类学者选取太阳系的物体是不同的。有的是根据太阳和其它行星光谱资料及陨石化学成分，有的根据I型球粒陨石，再加上估算方法不同，得出的结果也不尽相同。 1)氢和氦是丰度最高的两种元素。这两种元素的原子几乎占了太阳中全部原子数目的98； 2)随元素的原子序数增大，元素丰度呈指数下降，原子序数45的元素，元素丰度变化不明显； 3)原子序数为偶数的元素，其元素丰度大于相邻的奇数元素； 4)锂、铍、硼元素丰度严重偏低 ，氧和铁元素丰度显著偏高； 5)质量数为4的倍数（即粒子质量的倍数）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。 这是一种估计值，反映的是目前人类对太阳系的认识水平，因此这个估计值不可能是准确的，随着人们对太阳系以至于宇宙体系探索的不断深入，这个估计值会不断的修正。同时，从总的方面来看，虽然还是很粗略的，但它反映了元素在太阳系分布的总体规律。2.简介地壳元素丰度特征. 答题要点： 1)地壳元素丰度差异大：丰度值最大的元素 （O）是最小元素（Rn）的1017倍；丰度值最大的三种元素之和达82.58%；丰度值最大的九种元素之和达98.13%； 2)地壳元素丰度的分布规律与太阳系、地球元素丰度的分布规律具有类似性，但地壳元素丰度值最大的10个元素与太阳系、地球的相比，其组成及排序有很大的不同。 太阳系：HHeONeNCSiMgFeS 地 球： FeOMgSiNiSCaAlCoNa 地 壳： OSiAlFeCaNaKMgTiH 与太阳系或宇宙相比，地壳和地球都明显贫H, He, Ne, N等气体元素；而地壳与整个地球相比，则明显贫Fe和Mg，同时富集Al, K和Na； 3) 地壳中元素丰度不是固定不变的，它是不断变化的开放体系。3. 地壳元素丰度特征与太阳系、地球对比说明什么问题？ 答题要点： 1)元素丰度对元素原子序数作图，可看出地壳元素丰度的分布规律与太阳系的基本相同，说明其形成具有同一性； 2)地壳元素丰度值最大的10个元素与太阳系、地球的相比，其组成及排列顺序有差别。地壳元素分布规律与太阳系存在差异是由于在地球形成的过程中轻元素的挥发产生；而与地球元素分布规律相比存在差异，则为地球演化过程中元素的重新分配造成，具体表现为较轻易熔的碱金属铝硅酸盐在地球表层富集，而较重的难熔镁、铁硅酸盐和金属铁则向深部集中。4.克拉克值？浓度克拉克值？地壳元素丰度值（克拉克值）有何研究意义？ 答题要点： 1)确定了地壳体系的总体特征； 2)为研究地球的形成、化学分异及地球、地壳元素的成因等重大问题提供信息，如大陆地壳化学组成对壳幔分异的指示；地壳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；限定了自然界的矿物种类及种属；限制了自然体系的状态；对元素亲氧性和亲硫性的限定； 3)元素克拉克值可作为衡量元素相对富集或贫化的标尺，如可以为阐明地球化学省（场）特征提供标准； 4)根据地壳元素克拉克值可获得地壳中不同元素平均比值，可以提供重要的地球化学信息，如某些元素克拉克比值是相对稳定的，一旦某地区、某地质体中的这些元素组比值偏离了地壳正常比值，示踪着某种地球化学过程的发生。第二章 元素结合规律与赋存形式 1.元素地球化学亲和性？2.亲氧元素和亲硫元素地球化学性质的主要差异是什么？ 答题要点： 亲硫元素（又称亲铜元素）：有18或182的外电子层结构，电负性较高，与硫形成高度共价键， 亲硫元素和硫结合生成的硫化物、硫盐等常常和铜的硫化物共生，易熔于硫化铁熔体，主要集中于硫化物氧化物过渡带； 亲氧元素（又称亲石元素）：有惰性气体的电子层结构， 即离子的最外电子层具有8电子惰性气体型（s2p6）的稳定结构，电负性较小，与氧形成高度离子键， 亲氧元素与氧结合以后形成的氧化物、含氧盐等矿物是构成岩石圈的主要矿物形式，易熔于硅酸盐熔体，主要集中在岩石圈。 以第四周期部分元素的离子为例，如下表：K2+Ca2+Sc2+Ti2+V3+Cr2+Mn2+Fe2+Co2+Ni2+Cu2+Zn2+相对电负性X0.81.01.31.61.41.41.41.71.71.82.01.5X 金属-O2.72.52.21.92.12.12.11.81.81.71.52.0X 金属-S1.71.51.20.91.11.11.10.80.80.70.51.0元素的地球化学亲和性亲氧、无亲硫倾向性 有亲硫倾向性从左向右：氧倾向性减弱(离子键成分减少) 亲硫倾向性增强(共价键成分增多) 由表可以看出：随着第四周期从左向右金属阳离子电负性增大，元素形成化合物时离子键成分减少，共价键成分增多，因此元素的亲氧倾向性减弱，亲硫倾向性增强。3.类质同像？基本规律？ 答题要点： 1)Goldschmist类质同像法则：该法则从相互置换的质点的电价、半径的角度判断，适用于离子键化合物。 （1）若两种离子电价相同，半径相似，则半径较小的离子优先进入矿物晶格，即较小离子半径的元素集中于较早期的矿物中，而较大离子半径的元素集中于较晚期矿物中。 （2）若两种离子半径相似而电价不同，则较高价离子优先进入较早结晶的矿物晶体，集中于较早期的矿物中，称“捕获”；较低价离子集中于较晚期的矿物中，称为被“容许”。 （3）隐蔽法则：两个离子具有相近的半径和相同的电荷，则它们将按丰度的比例，决定它们的行为，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”； 2)Ringwood法则：对于二个价数和离子半径相似的阳离子，具有较低电负性者将优先被结合，因为它们形成一种较强的离子键成分较多的化学键，该电负性法则更适用于非离子键性化合物。4.英国某村由于受开采ZnCO3矿的影响，造成住宅土壤、房尘及饮食摄入Cd明显高于其国标，但与未受污染的邻村相比，在人体健康方面两村没有明显差异。为什么？ 答题要点： ZnCO3矿开采后在地表形成大量矿渣，Cd以类质同像的形式存在于ZnCO3矿物中，所以造成土壤、房尘及饮食摄入Cd明显高于其国标，但是由于ZnCO3在表生环境下是稳定的，不会形成可溶性的Cd2+，从而相对于为受污染的地方无太大的区别。第三章 元素的迁移 1.举例说明元素地球化学迁移的定义. 答题要点： 由于环境物理化学条件的变化，元素原来的存在形式变得不稳定，为了与环境达到新的平衡，元素原来的存在形式解体，转变成一种新的相对稳定的结合方式，当元素赋存状态发生变化的同时，伴随有元素的空间位移和元素组合变化，称为元素的地球化学迁移。2.举例说明影响元素地球化学迁移过程的因素。 答题要点： 元素的地球化学迁移过程包括了三个进程：活化（解体）迁移（空间位移，存在形式发生变化）重新结合（ 以新的存在形式稳定沉淀） 。 影响因素为： 1)元素迁移前的存在形式。如元素处于吸附状态，则容易发生迁移；若元素已进入到矿物晶格内部，形成了独立矿物或呈类质同象，则难迁移； 2)元素的地球化学性质如离子的电价、半径等，它们既决定了元素结合成化合物时的化学键类型，也控制了元素在水溶液中的迁移形式 。离子键和分子键化合物由于易溶于水，较易迁移，而共价键和金属键化合物则较难迁移；3)此外，体系中相伴组分的类型和浓度、体系中的物理化学强度参数的空间变化（浓度差、压力差、温度差等），以及环境的pH值和Eh值变化，都会影响元素的迁移形式和迁移能力。3.络离子的稳定性及其在地球化学迁移中的意义. 答题要点： 络离子的稳定性，用不稳定常数(k不)表示，它取决于电离能力的大小，这种电离可以表示为下面的一般形式:Men+AXm -y- Men+ + XAm - （Me：中心离子 A： 配位体） 当电离达到平衡时，离子浓度(严格地说是离子活度)之间存在着以下关系：K不 = Men+ Am - X / MeAXy- K不表示络合物的平衡常数称为络合物离解常数，亦称络合物的不稳定常数。K不表示了络合物稳定性的大小，对于相同配位体的络合物，K不值越大，络合物在溶液中越不稳定（易离解），迁移越近；K不值越小，络合物越稳定，搬运得越远。 络离子的稳定性在地球化学迁移中的意义： 1) 有利于成矿元素的稳定迁移（络离子不稳定常数K不一般较小，溶解度大）； 2) 可用于研究矿床元素分带； 3) 可用于解释相似元素分异。4.简述元素迁移形式的研究方法. 答题要点： 1) 过滤法 ，离子、分子-胶体-悬浮体三者间可用滤纸、和半透膜分开； 2) 蚀变矿物组合法； 3)气液包裹体成分研究； 4) 实验模拟. 5.共同离子效应？ 答题要点： 共同离子效应：在难溶化合物的饱和溶液中加入与该化合物有相同离子的易溶化合物时，使原难溶化合物的溶解度降低。 盐效应：当溶液中存在易溶盐类时，溶液的含盐度对元素的溶解度有影响。溶液中易溶电解质的浓度增大，导致其他溶解度增大的现象。6.举例说明Eh、pH值对元素迁移的影响. 答题要点： pH值影响：如自然界有两种Fe帽类型：纯铁帽和铁锰帽。在表生作用过程中，当水介质为偏酸性时, Mn大部分淋失, 而Fe(OH)2, Fe(OH)3是稳定的，形成纯铁帽；而当水介质呈弱碱性时, Fe、Mn氢氧化物都沉淀，而形成铁锰帽。 Eh值影响： 早期形成于还原环境中的黄铜矿矿体（铜以独立矿物CuFeS2的形式存在），在后期的地壳抬升过程中与围岩一起隆起，转入遭受地表风化剥蚀的阶段。矿体逐步暴露于地表，其中的Cu元素在表生氧化条件下以溶于水的Cu2+离子形式，随地表和地下水向低处迁移。Cu的赋存形式发生如下变化：第四章 微量元素地球化学 1.微量元素、主量（常量）元素？微量元素的主要存在形式有哪些？ 参考答案： 微量元素：元素在所研究客体(地质体、岩石、矿物等)中的含量低到可以近似地用稀溶液定律描述其行为，该元素可称为微量元素。特点：在体系中含量低（0.1%），通常以独立矿物形式存在，其行为服从相律和化学计量比。在不同条件下演化规律不一致，可以指示地质、地球化学作用进行的条件和演化过程。 微量元素在矿物中主要存在形式有：快速结晶过程中陷入囚禁带内；赋存在晶格的缺陷; 在固溶体中替代主相的原子。2.能斯特分配定律、能斯特分配系数的概念及其研究意义。 参考答案： 定律内容：在一定的温度压力下，微量组分在两共存相中的分配达平衡时，其在两相中的化学位相等。 能斯特分配系数：在温度、压力恒定的条件下，微量元素i (溶质)在两相分配达平衡时其浓度比为一常数(KD)，此常数KD称为分配系数，或称能斯特分配系数。 能斯特分配定律及分配系数的研究有着极其重要的地球化学意义。可应用于如下多方面的研究：1）定量研究元素分配；2）为成矿分析提供了理论依据；3）判断成岩和成矿过程的平衡；4） 微量元素地质温度计；5） 微量元素地质压力计；6） 指示沉积环境 ；7）岩浆作用过程微量元素分配和演化定量模型的研究；8） 岩浆形成机制的研究；9）判断岩石的成因。3.稀土元素的主要特点是什么？其在地球化学体系中行为差异主要表现有哪些方面？。 参考答案： 主要特点可归纳为：1）它们是性质极相似的地球化学元素组，在地质、地球化学作用过程中作为一个整体而活动；2）它们的分馏作用能灵敏地反映地质、地球化学过程的性质（良好的示踪剂）；3）稀土元素除受岩浆熔融作用外，其它地质作用基本上不破坏它的整体组成的稳定性；4）它们在地壳岩石中分布较广。 行为差异主要表现为：1）溶液的酸碱性：从La、CeLu，半径不断减小，离子电位（=W/R）增大，碱性减弱，氢氧化物溶解度减小，开始沉淀时溶液的pH值由86，为此，介质的酸碱度能控制稀土元素的分异；2）氧化还原条件：由于Ce3+ ( Ce4+)和 Eu3+ (Eu2+)的变价性，对外界氧化还原条件变化反应敏感，由于价态变化，导致半径和酸碱性相应变化，致使与TR3+整体分离；3）络离子稳定性的差异：Y络离子稳定性Ce络离子稳定性，Ce矿物沉淀后，Y元素尚可呈络合物形式在溶液中迁移，在较晚的阶段沉淀，导致Ce与Y的分异。4）被吸附能力： Ce被胶体、有机质和粘土矿物吸附能力大于Y。4.稀土元素的研究意义。 参考答案： 稀土元素可在地球化学研究中得到多方面应用：1）岩石成因：不同成因的岩石具有不同的稀土特征。例：花岗岩类的成因主要归结为三类： （a）基性岩浆分异：Eu负异常型； (b)地壳硅铝层重熔：轻缓平滑型；(c)花岗岩化：右倾型。2）变质岩原岩恢复：许多变质过程中，稀土元素保持原岩特征。3）研究地壳演化：如不同时代的页岩有明显不同的特征，稀土元素特征能反映地壳的演化规律。5.你认为岩浆作用过程中决定元素浓集成矿的主要机制和决定因素是什么？ 答题要点：分配系数D、分异演化程度、部分溶融程度、重力分异第五章 同位素地球化学 1.稳定同位素、轻稳定同位素和重稳定同位素 参考答案： 根据核素的稳定性，自然界中的同位素分两大类： 1)放射性同位素：其核能自发地衰变为其它核的同位素；2)稳定同位素：其核是稳定的，到目前为止，还没有发现它们能够衰变成其它核的同位素。稳定同位素又分为：(a)轻稳定同位素：原子序数Z20，A/A5% (A 为两同位素质量差)，其发生同位素组成变化的主要原因是同位素分馏作用，其反应是可逆的；(b)重稳定同位素：原子序数Z20，A/A5%；其发生同位素同位素组成变化的主要原因是放射性核素不断衰变的结果所造成的，这种变化是不可逆的。2.造成稳定同位素组成变化的原因是什么？ 参考答案： 主要原因是放射性衰变作用或称衰变反应。 放射性同位素不断自发地发射出质点和能量，改变同位素组成并转变成稳定的核素，这种过程称核衰变反应或蜕变。结果母体同位素（母核）不断减少，而子体同位素（子核）不断增加。常见的衰变反应有衰变、衰变、电子捕获、重核裂变四类。 3.放射性同位素年龄测定公式（推导），各符号的含义。（以Rb-Sr等时线法为例说明同位素年龄测定公式。） 参考答案： 假设：以D表示由经过t（T0T）母核衰变成的子核数 D=N0-N 把N0=Net代入 D=NetNN（et-1） 经整理得： t=（1/）ln（