2025年大学《行星科学》专业题库- 行星物质的化学成分和多样性

2025年大学《行星科学》专业题库——行星物质的化学成分和多样性考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、填空题（每空2分，共20分）1.行星的主要化学成分可分为__________、__________和金属三大类。2.地球地幔中含量最高的矿物是__________，其主要化学成分可表示为__________。3.指示行星氧逸度状态的重要元素或矿物是__________。4.木星和土星被称为__________行星，其主要成分是__________和__________。5.除水之外，对行星宜居性产生重要影响的常见挥发分还包括__________、__________和__________。6.根据化学成分和结构，矿物可分为__________、__________和__________三大类。7.由岩浆冷却凝固形成的岩石称为__________岩。8.同位素地球化学研究表明，太阳系的物质主要起源于__________和__________。9.铁镁质矿物通常富含__________、__________等元素。10.彗星被认为是太阳系中最接近原始成分的天体，其冰中溶解的气体主要反映了__________的组成。二、名词解释（每题3分，共15分）1.矿物2.硅酸盐3.氧化状态（或氧化还原电位）4.巨行星5.岩浆分异三、简答题（每题5分，共20分）1.简述地壳和地幔在主要化学成分上的显著差异。2.解释水在行星形成和演化过程中的重要作用。3.为什么说硫化物和氧化物是区分不同类型行星的重要化学指标？4.简述长石族矿物的特征及其在地壳演化中的意义。四、论述题（每题10分，共30分）1.试述类地行星（如地球、火星）与巨行星（如木星、土星）在化学组成上的根本区别，并分析造成这些差异的可能原因。2.结合你所学的矿物学知识，说明如何通过分析行星表面的岩石和矿物成分来推断其内部结构和可能的演化历史。3.论述同位素分馏原理在确定行星形成年代、追溯物质来源以及判断行星环境（如温度、压力、氧化还原状态）方面的应用价值。试卷答案一、填空题（每空2分，共20分）1.硅酸盐挥发分2.橄榄石MgSiO₄或(Mg,Fe)₂SiO₄3.氧化物（如FeO,Fe₂O₃）或磁铁矿4.冰giants氢氦5.二氧化碳氮气氢气6.原生矿物次生矿物同质多象矿物7.火成8.原始太阳星云原始行星碎片9.镁铁或Fe,Mg10.原始太阳星云二、名词解释（每题3分，共15分）1.矿物：自然界中形成的、具有确定化学成分（通常为化合物）和原子结构（晶体结构）的、具有一定物理性质的固体物质。2.硅酸盐：由硅氧四面体（SiO₄⁴⁻）作为基本结构单元，并与金属阳离子结合形成的化合物大类，是构成地壳和地幔的主要物质。3.氧化状态（或氧化还原电位）：元素在化合物中显示的化合价或得失电子能力的状态，反映了物质所处的氧化还原环境。4.巨行星：指质量巨大，主要成分是氢和氦的行星，通常分为气态巨行星（如木星、土星）和冰巨行星（如天王星、海王星）。5.岩浆分异：指岩浆在冷却凝固过程中，由于物理化学条件的改变（如温度、压力下降、结晶分异、挥发分损失等），使其化学成分发生分化的过程。三、简答题（每题5分，共20分）1.简述地壳和地幔在主要化学成分上的显著差异。答：地壳相对于地幔，其硅酸盐中硅氧四面体（SiO₄⁴⁻）的比例更高，即硅铝酸盐含量更高，镁铁含量相对较低；同时，地壳含有较多稀有元素和挥发性物质，而地幔则以硅镁铁酸盐（特别是橄榄石、辉石、角闪石）为主，镁铁含量高，稀有元素和挥发性物质含量低。具体表现为地壳的平均组成更接近长石，而地幔的平均组成更接近玄武岩。2.解释水在行星形成和演化过程中的重要作用。答：水作为重要的挥发分，在行星形成早期起到了关键作用。它降低了熔点，促进了岩浆的分异作用和火山活动；水可以溶解多种物质，参与行星内部的物质循环；水的存在是形成海洋和可能支持生命的基础条件；水还可以影响行星的气候和表面地质过程。3.为什么说硫化物和氧化物是区分不同类型行星的重要化学指标？答：不同类型的行星形成了不同的化学环境，导致其表面和内部积累了不同的硫化物和氧化物。例如，类地行星表面富集氧化物（如硅酸盐、铁氧化物），而具有丰富金属地核的行星（如木星、土星）富含硫化物（如硫、磷化物）。因此，通过分析这些硫化物和氧化物的种类和含量，可以有效区分行星的类型和判断其形成和演化的历史。4.简述长石族矿物的特征及其在地壳演化中的意义。答：长石族矿物是地壳中最丰富的造岩矿物，其主要特征是含有硅氧四面体，化学成分可表示为(Na,K,Ca)AlSi₃O₈。它们根据Al-Si含量可分为碱性长石（富K）和斜长石（富Ca）。长石族矿物的存在和变化反映了地壳的酸碱度、形成环境和演化历史。例如，斜长石含量高通常指示镁铁质岩浆或地幔源区，而碱性长石的出现则可能与板内岩浆活动或造山带环境有关。四、论述题（每题10分，共30分）1.试述类地行星（如地球、火星）与巨行星（如木星、土星）在化学组成上的根本区别，并分析造成这些差异的可能原因。答：根本区别在于主要化学成分的类别和相对丰度。类地行星（地、火、Mercury、Moon）主要由硅酸盐岩石和金属（铁镍合金）构成，表面富含氧化物，挥发性物质含量低。巨行星（木、土）则主要由氢、氦等轻元素构成，内部可能有一个岩石-冰核心，但绝大部分体积由液态或气态的氢和氦组成，表面压力极高，温度极低。其化学成分的差异主要源于形成时的环境条件。可能原因：类地行星形成于太阳星云中靠近太阳的区域，温度较高，只有硅酸盐和金属能够凝结成固体颗粒，并进一步吸积形成行星。而巨行星形成于远离太阳的区域，温度低得多，允许氢、氦以及水冰、氨冰、甲烷冰等挥发分凝结，并迅速增长到巨大质量，强大的引力能够捕获大量的氢和氦。2.结合你所学的矿物学知识，说明如何通过分析行星表面的岩石和矿物成分来推断其内部结构和可能的演化历史。答：行星表面的岩石和矿物是行星内部物质分异和演化的产物，分析其成分可以提供重要信息。例如：*成分推断内部组成：地表富集的硅酸盐类型（如玄武岩指示镁铁质地幔，长石岩指示硅铝质地壳）可以反映行星内部的主要化学成分。例如，地球表面以硅铝酸盐为主，推断其具有地壳和地幔结构；而火星表面富含氧化物和硫酸盐，以及某些类型的硅酸盐，反映了其地幔可能相对干燥，并经历了独特的表面风化过程。*矿物识别与岩浆演化：通过识别岩石中的原生矿物（如辉石、角闪石、橄榄石，指示岩浆的初始成分和结晶环境）和次生矿物（如蚀变矿物，指示后期热液或风化作用），可以推断行星的岩浆活动历史和演化路径。例如，地球地壳中广泛存在的长石和黑云母表明经历了多次岩浆分异和变质作用。*构造与成分关系：表面岩石的分布和变质程度可以反映板块构造（如存在变质岩、断层）或大型撞击事件（如撞击熔岩平原、球粒陨石成分）等地质过程，这些过程与行星的内部结构和动力学演化密切相关。*同位素组成：分析矿物中的元素同位素比率（如氧同位素、硫同位素、氢同位素），可以追溯物质的来源（如地幔源区、水来源）、形成温度和压力条件，以及行星形成后的化学演化历史。3.论述同位素分馏原理在确定行星形成年代、追溯物质来源以及判断行星环境（如温度、压力、氧化还原状态）方面的应用价值。答：同位素分馏是指在物理化学过程中，由于分子或离子的质量差异，导致不同同位素在反应物和产物中分布比例发生改变的现象。这一原理在行星科学中有广泛应用价值：*确定行星形成年代：通过测量行星岩石或矿物中的放射性同位素（如铀系、钾-氩、铷-锶）及其衰变产物，利用放射性同位素定年法可以确定岩石的形成年龄，进而推断行星的形成时间或特定地质事件的年代。这是建立行星演化时间框架的基础。*追溯物质来源：不同来源的物质具有独特的同位素组成特征。通过比较行星样品（如岩石、陨石）与已知来源物质（如太阳风、月球、不同类型的陨石）的同位素比值，可以判断样品的来源。例如，地球、月球和不同类型陨石的氧