地球化學(xué)題庫

地球化學(xué)題庫1名詞解釋5分/題地球化學(xué)地球化學(xué)是研究地球及其子系統(tǒng)（含部分宇宙體）的化學(xué)組成、化學(xué)機(jī)制和化學(xué)演化的科學(xué)。1）從研究對象來看：是地球及其子系統(tǒng)（地殼、地殼及其自然作用體系（巖漿作用、沉積作用、變質(zhì)作用、成礦作用、表生作用、生態(tài)環(huán)境……）），目前正在向宇宙天體拓展；2）從研究形式來看：主要是元素和同位素在自然界的化學(xué)運(yùn)動形式；3）從研究時間來看：包涵了整個地球、地殼演化和全部地質(zhì)作用時期；對單個元素和同位素來講，是研究它們的發(fā)生、不斷發(fā)展及螺旋式演化的全部歷史。類質(zhì)同象某些物質(zhì)在一定的外界條件下結(jié)晶時，晶體中的部分構(gòu)造位置隨機(jī)地被介質(zhì)中的其它質(zhì)點（原子、離子、配離子、分子）所占據(jù)，結(jié)果只引起晶格常數(shù)的微小改變，晶體的構(gòu)造類型、化學(xué)鍵型、離子正負(fù)電荷的平衡等保持不變或相近，這一現(xiàn)象稱為“類質(zhì)同象”?？死酥祷瘜W(xué)元素在一定自然體系（通常為地殼）中的相對平均含量。又稱元素豐度。按照不同自然體系計算出來的元素豐度，有地殼元素豐度、地球元素豐度、太陽系元素豐度和宇宙元素豐度等。研究地球及其各地圈的元素豐度，是地球化學(xué)的一個重要領(lǐng)域。元素地球化學(xué)親和性主要指陽離子在自然體系中趨向同某種陰離子化合的傾向。地球和地殼中，陽離子的總數(shù)（種類）遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于陰離子的總數(shù)，導(dǎo)致了在地球化學(xué)作用過程中陽離子對陰離子的爭奪，在自然體系中元素形成陽離子的能力和所顯示出的有選擇性地與某種陰離子結(jié)合的特性稱為元素的地球化學(xué)親和性。它是控制元素在自然界相互結(jié)合的基本規(guī)律。同位素分餾由于同位素質(zhì)量不同，因此在物理、化學(xué)及生物化學(xué)作用過程中，一種元素的不同同位素在兩種或兩種以上物質(zhì)(物相)之間的分配具有不同的同位素比值的現(xiàn)象。引起同位素分餾的主要機(jī)制有：同位素交換反應(yīng)；同位素動力學(xué)效應(yīng)；其他物理-化學(xué)效應(yīng)。元素的賦存形式指元素在一定的自然過程中或其演化歷史的某個階段所處的狀態(tài)及與共生元素間的結(jié)合關(guān)系。包括元素的賦存狀態(tài)和元素的賦存形式。相容和不相容元素不相容元素又稱濕親巖漿元素(hy-gromagmatophileelements)，在巖漿或熱液的礦物結(jié)晶過程中趨向于在液相中富集的某些微量元素(如Sn、Li、Rb、Sr、Cs、Be、Ba、Zr、Hf、Nb、Ta、Th、u和稀土元素)。因其濃度低，不能形成獨立礦物相。因受其離子半徑、電荷和化合鍵所限，很難進(jìn)入造巖礦物晶體結(jié)構(gòu)中，而在殘余巖漿或熱液中相對富集。其固——液相分配系數(shù)近于零。元素的不相容性可因結(jié)晶條件的不同而改變。相容元素是與其性質(zhì)相反的元素。分配系數(shù)指一定溫度下,處于平衡狀態(tài)時，組分在固定相中的濃度和在流動相中的濃度之比，以K表示。分配系數(shù)反映了溶質(zhì)在兩相中的遷移能力及分離效能，是描述物質(zhì)在兩相中行為的重要物理化學(xué)特征參數(shù)。元素地球化學(xué)遷移元素從一種賦存狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N賦存狀態(tài)，并經(jīng)常伴隨著元素組合和分布上的變化及空間上的位移。稱為元素發(fā)生了地球化學(xué)遷移。共同離子效應(yīng)當(dāng)在難溶化合物的飽和溶液中加入與該化合物有相同離子的易溶化合物時，原難溶化合物的溶解度將會降低，稱為共同離子效應(yīng)。地球化學(xué)障元素遷移過程中，物理一化學(xué)條件的急劇改變所引起的元素沉淀。如碳酸鹽巖石以及富含石灰的土壤就可以起“反應(yīng)”障的作用。在與遷移溶液發(fā)生反應(yīng)時，它們是許多微量元素的沉淀劑。地球化學(xué)屏障可分為：機(jī)械屏障、物理化學(xué)屏障和生物屏障。2簡答題及論述題6-10分/題地球化學(xué)體系的特點1)溫度、壓力等條件的變化幅度有限-80～1800攝氏度0.0n～1010Pa（十萬個大氣壓），在實驗室條件下可從0K到5×104，壓力可從真空到120萬個大氣壓。2)多組分的復(fù)雜體系92種元素和354種核素，但濃度（豐度）相差懸殊，而化學(xué)反應(yīng)受制于濃度，因此制約了某些化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生；此外∑陰離子＜∑陽離子，制約了某些元素的結(jié)合方式。3)體系是開放的，體系不斷進(jìn)行物質(zhì)與能量交換，地球化學(xué)作用具有分階段單向演化的特征；化學(xué)反應(yīng)受動力學(xué)和熱力學(xué)控制，自然作用過程具有不可逆性和不徹底性。Goldschmist的元素地球化學(xué)分類（1）親石元素也稱親氧元素，包括Li、Be、B、C、O、F、Na、Mg、Al、Si、P、Cl、K、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Br、Rb、Sr、Y、Zr、Hf、Nb、Ta、Cs、Ba、I、W、At、Fr、Ra、Ac、Th、Pa、U和鑭系元素。其離子的電子構(gòu)型屬希有氣體構(gòu)型。與O、F、Cl具親和力。主要富集在巖石圈。氧化物的生成焓大于FeO的生成焓，大部分組成氧化物、含氧巖，尤其是硅酸鹽，形成大部分造巖礦物，是組成巖石的主要成分。因有人稱為親石元素。（2）親銅元素又稱親硫元素，包括18種元素：S、Cu、Zn、Ga、Ge、As、Se、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Te、Hg、Tl、Pb、Bi、Po。離子的最外層為18電子（s2p6d10）的銅型結(jié)構(gòu)，氧化物的生成焓小于FeO的生成焓，與S、Se、Te具親和力，易形成硫化物和復(fù)雜的硫化物，富集于硫化物氧化物過渡圈。（3）親鐵元素包括12中元素：Fe、Co、Ni、Mo、Ru、Rh、Pd、Re、Os、Ir、Pt、Au。其離子最外層具有8-18電子過渡型結(jié)構(gòu)，主要集中于鐵鎳核中。（4）親氣元素H、N、He、Ne、Ar、Kr、Xe、Rn均屬此類，其原子的電子構(gòu)型為希有氣體構(gòu)型（s2p6），H、N例外，主要存在于大氣圈中，呈原子狀態(tài)（Ar、He）或分子狀態(tài)（N2、H2、H2O、CH4）此外還有親生物元素：C、N、H、O、P、B、Ca、Cl、Na、Si、F、Fe、Cu、Mn、Mg、Al。元素在固相中的賦存形式①獨立礦物：能用肉眼或能在顯微鏡下進(jìn)行研究的礦物，顆粒大于0.001mm；②類質(zhì)同象：以原子、離子、絡(luò)離子或分子為單位取代礦物晶格構(gòu)造位置中的相應(yīng)質(zhì)點，晶格常數(shù)和晶格類型不發(fā)生明顯的變化的現(xiàn)象，采用機(jī)械和化學(xué)的方法都不能分離。③超顯微非結(jié)構(gòu)混入物：（<0.001mm），它不占主礦物晶格位置，是獨立礦物，但又不能形成可以進(jìn)行礦物學(xué)研究的顆粒（其成分和性質(zhì)不清），也稱超顯微包裹體。④與有機(jī)質(zhì)結(jié)合的形式：元素加入到有機(jī)物中，金屬有機(jī)化合物、金屬有機(jī)絡(luò)合物、有機(jī)膠體吸附；⑤附相雜質(zhì)：不參加主礦物晶格，在礦物表面、裂隙面等呈吸附狀態(tài)地球系統(tǒng)的化學(xué)作用類型分類①水巖反應(yīng)和水介質(zhì)中的化學(xué)作用，大氣降水與地表巖石的相互作用；②熔巖反應(yīng)和熔漿化學(xué)作用，巖石部分熔融形成巖漿，巖漿結(jié)晶分異形成火成巖。③水氣化學(xué)作用，地表水與大氣中的O2和CO2的相互作用。④巖－巖化學(xué)作用，構(gòu)造斷裂而產(chǎn)生的巖石變質(zhì)。⑤有機(jī)化學(xué)作用：地球表層生物參與風(fēng)化作用過程，石油與天然氣的形成。地球化學(xué)遷移的類型（1）化學(xué)和物理化學(xué)遷移：包括物質(zhì)在硅酸鹽熔體、水溶液和氣相中的遷移，物質(zhì)遷移形式為離子、分子或膠體。（2）生物和生物化學(xué)遷移：物質(zhì)的遷移與生物活動有關(guān)，如光合作用、固氮作用，生物還原作用等。（3）機(jī)械遷移：元素的存在形式?jīng)]有變化，物質(zhì)以巖屑、礦物碎屑等形式遷移。微量元素地球化學(xué)分類相容元素和不相容元素：在地球化學(xué)作用過程中，當(dāng)固相（結(jié)晶相）和液相(熔體相，流體相)共有時，若微量元素易進(jìn)入固相，稱為相容元素(compatibleelement)。反之，若微量元素易進(jìn)入液相，稱為不相容元素(imcompatiblee1ement)。不相容元素按照離子半徑和離子電荷進(jìn)一步可分為大離子親石元素(LIL)和高場強(qiáng)元素(HFS)。大離子親石元素，具有較大的離子半徑和較小的離子電荷，如:Kr,Rb,Sr,Ba,Cs易溶于水，離子電位小于３，化學(xué)性質(zhì)活潑；高場強(qiáng)元素具有較小的離子半徑和較高的離子電荷，如Th,Nb,Ta,Zr,Hf，不溶于水，離子電位大于3。影響分配系數(shù)的因素1)體系化學(xué)成分的影響：硅酸鹽熔體中Si:O分子比率影響熔體中橋氧、非橋氧和自由氧的比例以及Si-O四面體結(jié)構(gòu)團(tuán)的聚合作用，從而影響硅酸鹽熔體中微量元素的分配；此外，在火山巖斜長石礦物系列中，元素Eu隨火山巖中斜長石中鈣長石含量的增多，其分配系數(shù)減小的例子，也說明，體系的化學(xué)組成是影響微量元素分配的第一因素。其它組分如：H2O，Ca，Mg，F(xiàn)e等對分配系數(shù)也產(chǎn)生影響，如H2O可使硅酸鹽熔體SiO2的聚合度降低，導(dǎo)致分配系數(shù)下降。2)溫度對分配系數(shù)的影響：lnKD＝-(△H/RT)＋B當(dāng)熱焓變化為常數(shù)時，分配系數(shù)的自然對數(shù)與溫度的倒數(shù)成線型關(guān)系，該式反應(yīng)了簡單分配系數(shù)和溫度之間的定量關(guān)系，可作為地質(zhì)溫度劑的理論依據(jù)。3)壓力對分配系數(shù)的影響：，△V是微量元素分配的化學(xué)反應(yīng)方程式中產(chǎn)物和反應(yīng)物之間的摩爾體積之差，一般較小，因而壓力對分配系數(shù)的影響沒有溫度那樣顯著；一般情況下壓力和溫度對分配系數(shù)的影響是相反的，在某種程度上可以抵消，通常分配系數(shù)隨壓力增加而增加，說明高壓下微量元素不易進(jìn)入熔體相。稀土元素在自然界的分餾及影響因素各稀土元素結(jié)構(gòu)上的差異是分餾的內(nèi)在原因，具體如下，1)晶體化學(xué)性質(zhì)差異：各稀土元素的離子半徑、離子電位有差別，類質(zhì)同象和遷移能量不同。2)元素堿性的差異：雖然稀土元素性質(zhì)相似，但是從La、Ce→Lu，半徑不斷減小，離子電位（π=W/R）增大，堿性減弱，氫氧化物溶解度減小，開始沉淀時溶液的pH值由8→6，為此，介質(zhì)的酸堿度能控制稀土元素的分異；3)元素的價態(tài)：稀土元素主要呈+3價，但某些稀土元素具有變價性，對外界氧化還原條件變化反應(yīng)敏感：Ce3+Ce4+R1.07?→0.94?Eu3+Eu2+R0.98?→1.24?由于價態(tài)變化，導(dǎo)致半徑和酸堿性相應(yīng)變化，致使與REE3+整體分離4)形成絡(luò)合物的穩(wěn)定性：REE可與F-、Cl-、CO32-、PO43-、SO42-等形成絡(luò)陰離子，但其穩(wěn)定性各異，ΣY絡(luò)離子穩(wěn)定性＞ΣCe絡(luò)離子穩(wěn)定性，K不ΣY＜K不Σce（K不大，在溶液中絡(luò)合物不穩(wěn)定，易離解），這樣ΣCe礦物沉淀后，ΣY元素尚可呈絡(luò)合物形式在溶液中遷移，在較晚的階段沉淀，導(dǎo)致ΣCe與ΣY的分異。5)離子被吸附的能力：離子半徑小的離子比離子半徑大的離子容易被吸附。表征REE組成的參數(shù)1)稀土元素總含量：各稀土元素含量的總和，10-6，表征分布規(guī)律。2)輕重稀土元素的比值：ΣCe/ΣY3)異常系數(shù)（指數(shù)）－δEu，反應(yīng)Eu異常的程度，Eu屬變價元素，在還原條件下呈Eu2+，此時其堿性與REE3+整體差別較大，將發(fā)生分離，造成在REE球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化圖解中銪的位置出現(xiàn)“峰”或“谷”，δEu[或w(Eu)/w(Eu*)]＝w(Eu)N/[(1/2)(w(Sm)N+w(Gd)N)]w(Eu)N,w(Sm)N,w(Gd)N為球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化值。舉例說明微量元素地球化學(xué)示蹤作用成巖成礦物理化學(xué)條件示蹤1.微量元素地質(zhì)溫度劑：分配系數(shù)（KD）與體系溫度的倒數(shù)呈線型關(guān)系：lnKD＝－（△H/RT）＋B公式的適用條件：①微量元素分配達(dá)到平衡；②溫度范圍適當(dāng)；③測量微量元素的含量要注意礦物的純度；④分配系數(shù)受壓力的影響可忽略。2.地球歷史中災(zāi)變事件的微量地球化學(xué)證據(jù)－白堊紀(jì)恐龍的滅絕同位素地球化學(xué)解決問題的方法1）計時作用：每一對放射性同位素都是一只時鐘，自地球形成以來它們時時刻刻地，不受干擾地走動著，這樣可以測定各種地質(zhì)體的年齡。2）示蹤作用：同位素成分的變化受到作用環(huán)境和作用本身的影響，為此，可利用同位素成分的變異來指示地質(zhì)體形成的環(huán)境條件、機(jī)制，并能示蹤物質(zhì)來源。3）測溫作用：由于某些礦物同位素成分變化與其形成的溫度有關(guān)，為此可用來設(shè)計各種礦物對的同位素溫度計，來測定成巖成礦溫度。另外亦可用來進(jìn)行資源勘查、環(huán)境監(jiān)測、地質(zhì)災(zāi)害防治等。同位素地質(zhì)年代學(xué)基本原理及Rb-Sr法測年的基本原理設(shè)t＝0時，體系中初試子體同位素為D0，則t＝t時，子體同位素的原子總數(shù)為：D=D0+D*，由得：D=D0+設(shè)參照同位素為DS，上式兩邊同除以DS，得：D/DS=(D/DS)0+D/DS代表現(xiàn)今的子體同位素原子數(shù)比值，(D/DS)0是樣品初始同位素原子數(shù)比值，N/DS是母體同位素與參照同位素原子數(shù)比值，λ為衰變常數(shù)。Rb-Sr法測年基本原理Rb-Sr衰變：87Rb87Sr＋β－＋v＋E由衰變定律：87Sr＝(87Sr)0+87Rb(eλt-1)方程兩邊同時除以86Sr（穩(wěn)定同位素），得測年基本公式：(87Sr/86Sr)S＝(87Sr/86Sr)0+(87Rb/86Sr)S(eλt-1)穩(wěn)定同位素分餾輕穩(wěn)定同位素的質(zhì)量差異較大（△A/A>10%），在自然作用中由于質(zhì)量差引起的同位素豐度的變異。同位素分餾作用有如下幾種：1)物理分餾：也稱質(zhì)量分餾，同位素之間由質(zhì)量引起的一系列物理性質(zhì)的微小差別，如密度、熔點、沸點等，使之在蒸發(fā)、凝聚、升華、擴(kuò)散等自然物理過程發(fā)生輕重同位素的分異。2)動力分餾：其實質(zhì)是質(zhì)量不同的同位素分子具有不同的分子振動頻率和化學(xué)健強(qiáng)度，因輕同位素形成的鍵比重同位素更易破裂，這樣在化學(xué)反應(yīng)中輕同位素分子的反應(yīng)速率高于重同位素分子。3）平衡分餾：就是在化學(xué)反應(yīng)中反應(yīng)物和生成物之間由于物態(tài)、相態(tài)及化學(xué)鍵性質(zhì)的變化，使輕重同位素分別富集在不同分子中而發(fā)生分異叫做平衡分餾，也稱同位素交換反應(yīng)。4）生物化學(xué)分餾：生物活動和有機(jī)反應(yīng)時的同位素分餾。分析題華北某地發(fā)現(xiàn)了大量分布的北東向基性巖墻，巖性組成多樣，包括橄欖輝長巖、輝長巖和正長巖，對它們進(jìn)行了地球化學(xué)和同位素的測試，并繪制了相應(yīng)的圖件，試根據(jù)下列圖件回答問題。20分形成時代？（87Rb—87Sr的衰變系數(shù)為0.0142*10-9/a）6分分別討論橄欖輝長巖、輝長巖和正長巖可能的源區(qū)和巖漿演化特征？各6分，共18分在空白圖上把可能的趨勢畫出來2分，最后兩個圖是否矛盾并請給出合理的解釋。6分對這套巖石的構(gòu)造背景進(jìn)行估計并畫出相應(yīng)的成因模式圖。10分2沉積環(huán)境及成巖作用判別：請依據(jù)下面的圖件就其沉積環(huán)