地球化學(xué)作業(yè)習(xí)題(含答案)

1、.地球化學(xué)作業(yè)習(xí)題1、 為什么硅酸鹽礦物中K 的配位數(shù)經(jīng)常比Na 的配位數(shù)大？答： K 和 Na都屬于堿性元素，其離子半徑分別為：1.38A 和 1.02A(Krauskopf et al,1995)或1.59 和 1.24A(Gill,1996)。以與陰離子 O2- 結(jié)合為例， O2- 離子半徑 1.40A(Krauskopf et al,1995)或 1.32(Gill,1996),根據(jù)陽(yáng)離子與氧離子半徑比值與配位數(shù)關(guān)系，K+/O2- 0.9857, Na+/O 2- =0.7286 ，由于等大球周?chē)?2 個(gè)球，而在離子晶體中，隨陽(yáng)離子半徑的較小，為達(dá)到緊密接觸，因此配位數(shù)也要減少，因此

2、，在硅酸鹽礦物中K 的配位數(shù)經(jīng)常比Na 的配位數(shù)大，前者與氧的配位數(shù)為8， 12，而后者為 6,8 。2+2+2、 Zn 和 Mg 的離子半徑相近，但在天然礦物中，前者經(jīng)常呈四面體配位，后者則常呈八面體配位，為什么？答：這是由于二者地球化學(xué)親和性差異造成的，2+2+，Mg離子半徑0.72A ， Zn 離子半徑 0.70A二者離子半徑相近， 但是前者的電負(fù)性為 1.2, 后者電負(fù)性為1.7 ，在與氧形成的化學(xué)鍵中，前者 71%為離子鍵成分，后者離子鍵成分僅為63%。前者易于親氧，后者則是典型的親硫元素。根據(jù)確定配位數(shù)的原則， Zn2+/S 2- 0.41(Krauskopf et al,1995

3、)，因此閃鋅礦形成典型的四面體配位，而后者2+2-=0.51 ，因此呈八面體配位。Mg /O林伍德電負(fù)性法則- 具有較低電負(fù)性的離子優(yōu)先進(jìn)入晶格當(dāng)陽(yáng)離子的離子鍵成分不同時(shí)，電負(fù)性較低的離子形成較高離子鍵成分( 鍵強(qiáng)較高 ) 的鍵，它們優(yōu)先被結(jié)合進(jìn)入礦物晶格，而電負(fù)性較高的離子則晚進(jìn)入礦物晶格。例如，Zn2+ 的電負(fù)性為2+2+732 kJ/mol ，用林伍德法則判斷，三857.7kJ/mol ， Fe 的電負(fù)性為774 kJ/mol ，而 Mg 的電負(fù)性為個(gè)元素中2+2+2+Mg 和 Fe 優(yōu)先進(jìn)入晶格組成鎂鐵硅酸鹽，Zn 則很難進(jìn)入早期結(jié)晶的硅酸鹽晶格，這與地質(zhì)事實(shí)十分吻合。電負(fù)性決定了元素

4、之間相互化合時(shí)的化學(xué)鍵性，因此可以用電負(fù)性大小來(lái)衡量離子鍵的強(qiáng)弱， 由此判斷元素進(jìn)入礦物晶格的先后順序。2+2+2+Zn (0.083nm)與 Mg (0.078nm)、Fe (0.083nm)的離子性質(zhì)很相似， 若按戈氏法則從相互置換質(zhì)點(diǎn)間的電價(jià)和半經(jīng)的角度進(jìn)行判斷，Zn2+應(yīng)于早期進(jìn)入鐵鎂硅酸鹽晶格。由于Zn2+的電負(fù)性較大，化合時(shí)共價(jià)鍵性較強(qiáng)，難于以類(lèi)質(zhì)同象方式進(jìn)入Fe2+2+2+442722和 Mg 結(jié)晶礦物中， Zn 往往在硅酸鹽熔體晚期結(jié)晶形成ZnSiO ( 硅鋅礦 ) 和 Zn SiOOH.2H O）( 異極礦 ) 等礦物。林伍德電負(fù)性法則更適合于非離子鍵性的化合物。3、 指出下

5、列微量元素經(jīng)常會(huì)類(lèi)質(zhì)同象替代硅酸鹽礦物結(jié)構(gòu)中的哪種主要元素：(1)Rb,(2)Sr,(3)Ga,(4)Ti,(5)Li,(6)Ba,(7)Ge,(8)REE,(9)Pb,(10)Ni,(11)Mn.答：(1)K,(2)Ca,(3)Al,(4)Mg,Fe,Al,(5)Mg,(6)K,(7)Si,(8)Ca,(9)K,(10)Mg,(11)Mg,Fe.;.4. 下列礦物鍵的類(lèi)型是什么 ?(1) 所有鍵都是離子鍵 ;(2) 所有鍵都是共價(jià)鍵 ;(3) 部分鍵為離子鍵 , 部分為共價(jià)鍵 :(a) 磷灰石 ;(b) 黃銅礦 ;(c) 螢石 ;(d) 自然砷 ;(e) 尖晶石 (a) 離子鍵，共價(jià)鍵； (

6、b) 共價(jià)鍵； (c) 離子鍵； (d) 共價(jià)鍵； (e) 離子鍵。討論題1、 為什么堿性長(zhǎng)石( 鈉長(zhǎng)石、正長(zhǎng)石、微斜長(zhǎng)石) 之間可以形成共生結(jié)構(gòu)( 條紋長(zhǎng)石或反條紋長(zhǎng)石) ，而在斜長(zhǎng)石中卻不能？答：這與K 和 Na 的化學(xué)性質(zhì)有關(guān)。二者的離子半徑分別為：1.38A 和 1.02A(Krauskopf etal,1995)，因此離子半徑差>15%，因此二者的類(lèi)質(zhì)同象替代為高溫下形成完全類(lèi)質(zhì)同象, 低溫時(shí)形成不完全類(lèi)質(zhì)同象, 固溶體發(fā)生分解。實(shí)驗(yàn)表明(Krauskopf et al,1995)，二者的溶離線臨界溫度約為700，在此溫度之上，KAlSi 3O8 與 NaAlSi 3O8 二者

7、呈完全類(lèi)質(zhì)同象，形成完全的固溶體系列，一旦溫度降低至溶離線臨界溫度之下，類(lèi)質(zhì)同象混合物發(fā)生分離出溶，形成熟知的富K 和富 Na 長(zhǎng)石的條紋或反條紋長(zhǎng)石，條紋長(zhǎng)石以鉀長(zhǎng)石為主含有少量鈉長(zhǎng)石的條紋，反條紋長(zhǎng)石則以鈉長(zhǎng)石為主含有少量鉀長(zhǎng)石的條紋。而斜長(zhǎng)石可以認(rèn)為是一種異價(jià)類(lèi)質(zhì)同象的連續(xù)系列，因此不會(huì)形成交生結(jié)構(gòu)。2、 為什么結(jié)構(gòu)與硅酸鹽類(lèi)似的碳酸鹽沒(méi)有形成種類(lèi)復(fù)雜的碳酸鹽礦物？（Krauskopf etal.,1995 ）答：構(gòu)成硅酸鹽的主要元素Si 是一種非金屬元素它組成4-四面體，如形成橄欖SiO4石 MgSiO ，其特征更由2+2組成的菱鎂礦，這樣看，其結(jié)構(gòu)化學(xué)并不比硫酸鹽中的S、磷酸Mg 和

8、 CO243鹽中的 P 和碳酸鹽中的C 更復(fù)雜。那么為什么這種特殊的非金屬元素形成的礦物種數(shù)達(dá)800 余種，而碳酸鹽礦物只有80 余種？要點(diǎn)： (1)雖然 Si 是非金屬元素， 但其性質(zhì)確處在非金屬和金屬之間。如同 Al 、 Mg等元素一樣，Si 也可以與O離子連接在一起，形成石英等礦物，又如同C 和 S 等非金屬元素形成由自身構(gòu)成的揮發(fā)組分的氧化物，Si 不能形成揮發(fā)組分化合物，但它確實(shí)具有非金屬的行為，以簡(jiǎn)單陽(yáng)離子的形式進(jìn)入橄欖石的晶格。Si 的這種雙重性可以說(shuō)明自然界硅酸鹽結(jié)構(gòu)的多樣性。 (2) 從 Si 元素化學(xué)性質(zhì)上分析。Si 4+的大小處在最小的金屬離子Ti 4+和 Al 3+和最

9、大的多價(jià)態(tài)非金屬離子 (P 5+和 S6+) 之間。如果Si 離子小，能夠更有效極化氧離子使其變形并繞其緊密接觸，形成含自身元素的分子或陰離子。如果Si 更大，對(duì)氧的吸引力減弱，在金屬氧化物晶體的格架中形成各自獨(dú)立的單元。這種中間大小的特征使得Si 在晶體結(jié)構(gòu)中具有履行任何功能的作用。(3) 在硅酸鹽中Si 離子總是被四面體角頂?shù)难蹼x子包圍，這種四面體可以是獨(dú)立的陰離子，也可以以各種方式聯(lián)系在一起。這種聯(lián)系就意味著在特定四面體中一個(gè)或多個(gè)氧也是鄰近四面體的組成部分，由這種連接就構(gòu)成了多種多樣可能的硅酸鹽結(jié)構(gòu)。包括：獨(dú)立四面體結(jié)構(gòu)島狀硅酸鹽如橄欖石，多四面體結(jié)構(gòu)礦物。2 6 個(gè)四面體連接在一起形

10、成大的獨(dú)立陰離子雙島狀硅酸鹽礦物，如異極礦;.Zn4Si 2O7(OH)2H2O 等，環(huán)狀硅酸鹽礦物綠拄石等，鏈狀硅酸鹽單鏈和雙鏈硅酸鹽礦物，層狀硅酸鹽、架狀硅酸鹽等等。1、 據(jù)研究， 23.5 億年前的新太古代- 古元古代， 大氣幾乎完全由 CO構(gòu)成， P 1bar 。試根據(jù)自然水中2CO2CO 的電離平衡計(jì)算當(dāng)時(shí)雨水的pH 值。?設(shè)當(dāng)時(shí)1, 可以計(jì)算得雨水的 pH=3.95 。2pCO22、 夏天和冬天相比，河水中的pH 值是升高還是降低？為什么？白天和夜晚相比，湖水的pH 值是升高還是降低？為什么？(6分 ) 答：夏天植物的光合作用比冬天更強(qiáng)，據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程:H2O+CO2 H2CO3-

11、+溶解在水中的 CO2 被植物吸收，導(dǎo)致水中HCO3+H,H 離子濃度降低，因此夏天水中 pH值升高。白天植物的光合作用吸收CO，使得水中的 pH值增大，而在夜晚植物和動(dòng)物的呼吸產(chǎn)2生 CO2，CO2 因此夜晚湖水中的pH 值減小 (Krauskopf et al.,1995)。3、 1) 與大氣氧相平衡的水 (PO2=0.21atm)，如果它的 pH值為 6，計(jì)算它的的氧化還原電位Eh 值； (2) 如果水的 pH=7,Eh=+0.2V ，求水的氧逸度。4、 當(dāng)以下每種物質(zhì)形成時(shí)，其氧化電位是高還是低？(1)隕石； (2) 煤；(3) 沉積錳礦床； (4) 釩鉀鈾礦；(5) 頁(yè)巖中的黃鐵礦。

12、高，低，高，高，低。( 問(wèn)題來(lái)源： Brownlow,1996)5、 標(biāo)出以下環(huán)境pH 值的大小順序：熱帶地區(qū)海水，死谷(Death Valley)的季節(jié)性干鹽湖水，太湖水，含有豐富黃鐵礦的片巖出露區(qū)的溪水，加拿大北部沼澤水。答： pH 值由大到小的順序：死谷的季節(jié)性干鹽湖水熱帶地區(qū)海水太湖水加拿大北部沼澤水含有豐富黃鐵礦的片巖出露區(qū)的溪水(Krauskopf et al.,1995)。6、 根據(jù)氧化還原電位回答，為什么鉑、金在自然界往往以自然元素形式存在？答： Pt 和的氧化還原電位都很高：2+O伏； Au3+O伏Pt +2ePt E =1.2+3eAu E =1.51這樣高的EO，(1)電

13、對(duì)中氧化劑物質(zhì)Pt 2+和 Au3+ 是一個(gè)很強(qiáng)的氧化劑，很容易獲得電子形成自然Pt 和 Au。如在硫化礦床的膠結(jié)帶或次生富集帶有一部分自然金的形成就是Au3+被 Fe2+還原的結(jié)果： Au3+3Fe2+=Au+3Fe3+ .(2)電對(duì)中還原形物質(zhì)Pt 和 Au 是一個(gè)很弱的還原劑，很難失去電子成為金屬陽(yáng)離子，氧化Pt 和 Au 只有在較高的 Eh 下才有可能。 而在自然界甚至在含有游離氧的氧化帶也很難達(dá)到。所以在通常情況下Pt 和 Au 很穩(wěn)定，多以自然元素形式存在。由于以上原因，金在自然界一般很難以簡(jiǎn)單離子進(jìn)行遷移。通常認(rèn)為，除了在水溶液中金可能被還原為單質(zhì)而以膠體溶液的形式遷移外，在熱液

14、中金可能以絡(luò)離子形式進(jìn)行遷移，因?yàn)榻j(luò)離子的形成可以大大降低金的氧化還原電位，例如：3+O伏 AuCl-OAu +3eAu E =1.5 +3e=Au+4ClE=1.004伏;.由此可見(jiàn)在含有某些絡(luò)合配位體(Cl - ,S 2- 等 ) 的熱液中，金可能形成絡(luò)離子。但是這些絡(luò)離子只能在一定條件下 ( 如在局部情況下Eh 較高的熱液中 ) 穩(wěn)定，遇到還原劑很容易分解為自然金。AuCl 4 - +3Fe2+=Au+3Fe3+4Cl -AuS3 3- +3Fe2+ =Au+3Fe3+3S2-1、為什么微跡元素在地質(zhì)作用過(guò)程中的分配可以用能斯特分配系數(shù)進(jìn)行研究？2、如何確定相容元素與不相容元素？其研究意

15、義何在？3、如何編制稀土元素配分曲線？常用哪些指標(biāo)描述稀土元素分布特征？4、自然界許多地質(zhì)作用是否存在稀土元素四分組效應(yīng)？其形成的原因是什么？5、在稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化圖解中，與其它稀土元素相比Eu 和 Ce 經(jīng)常出現(xiàn)特殊的異常。為什么？什么樣的情況下，這種異常非常會(huì)變的非常突出？答：與其他REE元素都呈3 價(jià)態(tài)不同， Eu 和 Ce 分別可以呈2 和 3 價(jià)和 3 價(jià)和 4 價(jià)。由于離子半徑相近， Eu2+可以置換 Pb2+,Ca 2+，Sr 2+以及 Na+。二者在氧化還原條件下就會(huì)呈現(xiàn)與其它REE元素不同的分配情況，如在還原的月球上，具有負(fù)Eu 異常玄武巖與正 Eu 異常輝長(zhǎng)質(zhì)斜長(zhǎng)巖R

16、EE模式，兩種巖2+3+(mare basalt), 輝長(zhǎng)石都是具有特高 Eu /Eu 比值 ( 還原條件下 ) 的月球火成巖。玄武巖來(lái)自月海地區(qū)質(zhì)斜長(zhǎng)巖來(lái)自月球高原，前者因斜長(zhǎng)石分離結(jié)晶虧損Eu, 后者則因斜長(zhǎng)石堆積富集Eu。此外，由于大量斜長(zhǎng)石的晶出導(dǎo)致殘余熔體出現(xiàn)明顯的Eu 負(fù)異常，這是堿性巖和酸性巖的特征。而對(duì)于 Ce 來(lái)說(shuō)， Ce4+比 Ce3+離子半徑小15%，Ce4+的離子半徑 (8 次配位 ) 為 0.97A,Mn 2+的離子半徑(8 次配位 ) 為 0.96A ，因此可以類(lèi)質(zhì)同象替代Mn。在海水的 Eh-pH 條件下 Ce 主要以 Ce4+形式存在，該價(jià)態(tài)的Ce習(xí)題1、 分別

17、應(yīng)用巖漿分離結(jié)晶過(guò)程和批次熔融過(guò)程元素分配演化的定量模型，選擇相容元素和不相容元素計(jì)算它們?cè)诟呷廴诙?F>0.9) 和低熔融度 (F<0.1) 時(shí)的濃度變化，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。下述元素比值一般在鎂鐵質(zhì)巖石中高還是在長(zhǎng)英質(zhì)巖石中更高，為什么？Rb/Sr 、Sr/Ba 、 B/Mn、 Li/Mg 、Pb/Rb、 Cr/Al 、 Y/Ca、 La/Yb 。鎂鐵質(zhì)巖石中高的元素對(duì)比值：Sr/Ba 、 Pb/Rb、 Cr/Al ，其余為長(zhǎng)英質(zhì)巖石中高的元素對(duì)比值：Rb/Sr 、B/Mn、Li/Mg 、Y/Ca、 La/Yb （ Krauskopf et al.,1995）。2、 下述元素

18、比值一般在蒸發(fā)巖中高還是在頁(yè)巖中高，為什么？Ca/Ba、Si/Na 、 K/Rb、 Mg/Mn。蒸發(fā)巖中高的元素對(duì)比值：Ca/Ba、K/Rb 、Mg/Mn；頁(yè)巖中高的元素對(duì)比值：Si/Na 。（ Krauskopf;.et al.,1995）。3、 分析對(duì)比花崗巖、頁(yè)巖、斜長(zhǎng)石和石榴子石的REE分配系數(shù) - 原子序數(shù)圖解。它們各自有哪些特點(diǎn)？這些巖石、礦物的REE分布模式之間有何關(guān)系？為什么？答：典型花崗巖( 一般稱(chēng)為二長(zhǎng)花崗巖和鉀長(zhǎng)花崗巖) 一般相對(duì)富集HREE，具有明顯的Eu 負(fù)異常， Eu<0.5 。頁(yè)巖是漫長(zhǎng)地質(zhì)時(shí)間由形成的火成巖和沉積巖反復(fù)分異而形成，因此具有與花崗巖和流紋巖類(lèi)

19、似的 REE配分模式，一般具有弱的Eu 負(fù)異常。石榴子石的礦物 / 熔體分配系數(shù)呈現(xiàn)特征的礦物中富集重稀土元素，虧損輕稀土元素。而斜長(zhǎng)石的礦物/ 熔體分配系數(shù)表明相對(duì)富集輕稀土元素，且具有明顯的 Eu 的正異常，即斜長(zhǎng)石明顯富集Eu，這與 Eu2+ 類(lèi)質(zhì)同象替代斜長(zhǎng)石中的Ca2+有關(guān)。因此花崗巖的 Eu 負(fù)異常與斜長(zhǎng)石的早期晶出有關(guān)。4、 多數(shù)稀土元素在花崗巖中比在玄武巖中更為豐富，但是 Eu 卻在玄武巖中更為豐富， 為什么？答：大多數(shù)稀土元素都是呈3 價(jià)出現(xiàn)，而 Eu 是變價(jià)元素，有 2 和 3 兩個(gè)價(jià)態(tài)，22Eu與 Ca 的離子半經(jīng)比較接近，可以置換斜長(zhǎng)石中的Ca，因此與大多數(shù)稀土元素在花

20、崗巖中比在玄武巖中更為豐富不同，Eu 在斜長(zhǎng)石含量較高的玄武巖中更為豐富。5、 為什么 U、Th 在花崗巖中比在超基性巖中更為豐富？答：這與 U、 Th 的離子半徑和類(lèi)質(zhì)同象置換有關(guān)。 U 和 Th 的離子半徑較大， U4+(6 次配位 ) 為 0.97A,U 6+(6 次配位 ) 為 0.80A,Th 3+(6 次配位 ) 為 1.14A,Th 4+(6 次配位 ) 為 1.02A ，因此二者不能進(jìn)入早期結(jié)晶的鎂鐵礦物中，而富集在淡色的殘余巖漿內(nèi)。U4+廣泛地與Th4+,Zr 4+,REE3+以及 Ca2+呈類(lèi)質(zhì)同象置換6次配位)。思考題1. 根據(jù)作用的性質(zhì)和條件，自然界穩(wěn)定同位素的分餾作用

21、可分為幾類(lèi)？引起各種分餾作用的原因及其特征是什么？2. 放射性同位素衰變具有哪些不同于一般化學(xué)反應(yīng)的性質(zhì)？試述放射性同位素蝕變定律。3. Rb-Sr 等時(shí)線測(cè)年的基本原理是什么？影響等時(shí)線年齡可靠性的主要因素是什么？4. Sr 和 Nb 同位素如何用于進(jìn)行地球化學(xué)示蹤作用？5.根據(jù)水的H、 O同位素組成，自然界的水可以分為哪幾類(lèi)？每一類(lèi)的H、 O同位素特征如何？習(xí)題1 、使用 Sm-Nd法對(duì)巖石定年時(shí)，只有當(dāng)巖石中礦物的 147Sm/144Nd 比值具有較大差異時(shí)才能獲得最佳的年齡結(jié)果，為什么？2、假定下圖是一個(gè)巖漿巖的同位素分析所獲得的結(jié)果，請(qǐng)問(wèn)圖中點(diǎn)A、 B、 C、 D 所代表的意義？;.3、下列巖漿巖：形成過(guò)程中僅與巖漿水發(fā)生了相互作用；形成過(guò)程中廣泛地與大氣降水發(fā)生了相互作用。試回答哪一種巖漿巖D/H 比值和1816O/ O比值更高？ (6 分 ) 。答：形成過(guò)程中僅與巖漿水發(fā)生了相互作用的巖漿巖D/H 比值和18 O/16O比值更高。1、 對(duì)灰?guī)r樣品進(jìn)行18O/16 O 比值分析以確定巖石的形成溫度，結(jié)果數(shù)值可以分為兩組，一組18O/ 16O 比值高，另一組18O/16O比值低。試問(wèn)哪一組巖石即富18O的巖石還是貧18O的巖石最有可能保留巖石最初的同位素組成？答：沉積后沉積巖的蝕變作用通