地球化学考试复习资料

地球化学考试复习资料
第一部分课后习题及答案
绪论
1. 简要说明地球化学研究的基本问题。

1）地球系统中元素及同位素的组成问题；
2）地球系统中元素的组合和元素的赋存形式；
3）地球系统各类自然过程中元素的行为（地球的化学作用）、迁移规律和机理；
4）地球的化学演化，即地球历史中元素及同位素的演化历史。

2. 简述地球化学学科的研究思路和研究方法。

1）自然过程在形成宏观地质体的同时也留下了微观踪迹，其中包括了许多地球化学信息；
2）自然界物质的运动和存在状态是环境和体系介质条件的函数；
3）地球化学问题必须至于地球或其其子系统中进行分析，以系统的组成和状态来约束作用的特征和元素的行为。

地球化学研究方法：反序法和类比法
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.
1）原子序数较低的范围内，元素丰度随原子序数增大呈指数递减，而在原子序数较大的范围内（Z＞45）各元素丰度值很相近。

2）原子序数为偶数的元素其丰度大大高于相邻原子序数为奇数的元素。

具有偶数质子数（A）或偶数中子数（N）的核素丰度总是高于具有奇数A 或N的核素。

3）质量数为4的倍数的核类或同位素具有较高的丰度，原子序数或中子数为“约数”（2、8、20、50、83、126等）的核类或同位素分布最广、丰度最大。

4）锂、铍、硼元素丰度严重偏低，属于强亏损的元素。

5）氧和铁元素丰度显著偏高，它们是过剩元素。

6）含量最高的元素为H、He，这两种元素的原子几乎占了太阳
中全部原子数目的98％。

2.简介地壳元素丰度特征.
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基本相同。

与太阳系或宇宙相比，地壳和地球都明显地贫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. 地壳元素丰度特征与太阳系、地球对比说明什么问题？
1)太阳系，地球，地壳元素丰度共同遵循太阳丰度的基本规律，奇偶行随元素原子序数增大元素丰度递减等，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？
克拉克值：元素在地壳中的丰度；
浓度克拉克值：元素在某一地质体中的平均含量与其克拉克值之比，反映元素在地质体中的浓集程度；
研究意义：1）作为比较的基准，判别元素集中和分散的依据；（２）克拉克值影响元素的地球化学行为（3）编制某元素地球化学省图，研究元素成矿的可能性，进行成矿预测（4）在环境研究方面，对于污染源的追溯及治理、地方病防治，都有重要作用。

5.岩浆岩中各岩类元素含量变化规律.
从超基性岩-基性岩-中性岩-酸性岩：1）Fe、Mg、Ni、Co、Cr
和Pt族元素等含量逐步降低；2）Ca、Al、Ti、V、Mn、P和Se等元素在基性岩中含量最高；3）K、Na、Si、Li、Be、Rb、REE等元素含量逐渐增高；4）Ge、Sb、As等元素含量分配变化不明显。

6. 简述沉积岩中不同岩类中元素含量变化规律.
主量元素变化规律：随物源不同而异，与火成岩和变质岩相比，在元素均一化的背景下的高度分异现象是沉积岩化学成分的重要特征。

微量元素分布规律：1)绝大多数微量元素在页岩和粘土类岩石中富集，除了在含大量铁、锰氧化物、氢氧化物，有机质硫化物和暗色岩屑的情况下，微量元素的含量一般按页岩→粉砂岩→砂岩→碳酸岩→蒸发岩俄次序相继降低。

只有少量元素例外，如Sr、Mn、Ca主要富集在碳酸岩石中，碱金属元素和卤族元素在蒸发岩中含量较高，Si 在砂岩中喊来能够最高等；
2)微量元素在富含碳质/有机质或沥青质的岩石中的含量明显增高；
3)微量元素在碎屑沉积岩中含量的变化程度与粒度成正比；
4)二氧化硅对微量元素的“稀释作用”；
5)微量元素主要富集在重粒级（比重〉3g/cm3）和高分散微粒（Φ〈1μm）的沉积岩中；
6)在单矿物岩中，与有关常量元素地球化学性质相近的微量元素含量明显增高；
7)后太古宙碎屑岩的稀土元素分布模式具有高度的一致性。

7.区域元素研究方法及意义：区域元素丰度研究思路：（1）区域范围的确定—靶区的选择。

根据工作任务和区域特征来选择工作范围（2）研究元素空间上分布规律，采集不同时代和类型的岩石样品进行测试，按各岩石在区域中所占比例求元素丰度。

（3）研究元素在时间上的分布规律。

（4）研究元素的分布特征的原因。

区域元素丰度的研究意义：（1）它是决定地壳体系的物源、物理化学特征的重要数据。

（2）为研究各类地质：地球化学作用、分析区域构造演化历史及区域成矿规律提供重要的基础资料。

（3）为研究区域生态环境，为工业、农业、畜牧业，医疗保健等事业提供重要信息。

第二章元素结合规律与赋存形式
1.元素地球化学亲和性：在自然体系中元素形成阳离子的能力和所显示出的有选着地与某种阴离子结合的特性。

2.亲氧元素和亲硫元素地球化学性质的主要差异是什么？
亲硫元素（又称亲铜元素）：有18或18＋2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。

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？
类质同像：某些物质在一定的外界条件下结晶时，晶体中的部分构造位置随机地被介质中的其他质点所占据，结果只引起晶格常数的微小改变，晶体的构造类型、化学键类型等保持不变。

规律：（1）戈尔德施密特类质同象法则：①隐蔽法则：有相近的半径和相同的电荷，则它们因丰度的比例来决定自身行为。

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优先法则：两种离子电价相同，半径不同，半径小的离子集中于较早的矿物中。

半径较大的离子在晚期中富集。

③捕获允许法则：两个离子半径相近，电价不同，较高价的离子优先进入较早期结晶的矿物晶体中，称“捕获”；低价离子被“允许”进入晚期矿物。

（2）林伍德法则：对于两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。

(3)异价类质同象的对角线规律
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？
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
5.举例说明元素地球化学迁移的定义.
在某个物理化学条件下，随着物质的不断运动和物理化学环境的改变，元素将以各种方式发生活化转移，并以一种新的形式再相对稳定下来，元素在自然界（地壳）的这种作用就称为元素的地球化学迁移。

6.化学元素迁移的标志、影响因素及类型
标志1）矿物组合的变化（出现了蚀变岩石或蚀变矿物—矽卡岩化、云英岩化、黄铁矿化等）；（2）岩石中元素含量的变化—通过元素含量的系统测定和定量计算确定；（3）物理化学界面—氧化还原界面，压力释放带，温度界面，pH界面，水位线，土壤湿度界面等。

（地球化学障）
影响因素1. 元素迁移前存在形式2. 元素地球化学性质3. 体系中的相伴组分4. 体系内物理化学强度参数的空间变化5. 环境pH和Eh 元素的迁移类型（1）化学和物理化学迁移；（2）生物和生物化学迁移；（3）机械迁移
补充：1）水溶液中元素的迁移形式有那些？其中成矿元素的主要迁移形式又是什么？
水溶液中元素的迁移形式主要有：离子（络离子）、分子；胶体；悬浮液。

三者间可用滤纸和半透膜分开。

其中成矿元素的主要迁移形式是在高温水溶液中，除简单离子（卤化物）外，络合物（络离子）是成矿元素在水溶液中的重要迁移形式.
2）元素地球化学迁移过程
活化（解体）─迁移（空间位移，伴随存在形式变化）─重新结合（沉淀、结晶：
7.络离子的稳定性及其在地球化学迁移中的意义.
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:
[Me n+A X m -]y- → Me n+ + XA m -（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 = [Me n+ ][A m -] X / [MeA X]y-
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。

9.同离子效应？盐效应？
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。

10.举例说明Eh、pH值对元素迁移的影响.
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。

11.溶度积原理及其化学意义。

在天然水中金属元素首先选择形成活度积最小的化合物的阴离子化合，形成沉淀。

溶度积原理可用于：1）确定各盐类溶液中被研究元素的最大浓度；2）判断化合物迁移能力的大小3）判断自然体系中元素溶解或沉淀的方向
12. .天然水的pH值范围是多少？对于研究元素在水介质中的迁移、沉淀有何意义?
在自然界，水溶液是接近中性的，在弱酸性至弱碱性范围内变化，其PH值一般是4-9. 意义：
1) 不同元素迁移要求的pH不同；2) 影响氢氧化物自盐类溶液中沉淀，碱性条件下沉淀，酸性溶液下溶解；3) 影响元素共生或分离；4) 影响两性元素的迁移形式；5) 影响酸碱反应的方向；6) 影响盐类的水解。

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？
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%），通常不形成自己的独立矿物，其行为服从稀溶液定律和分配定律。

在不同条件下演化规律基本一致，可以指示物质的来源和地质体的成因。

常量元素：体系中元素含量高（>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，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：
①快速结晶过程中陷入囚禁带内；
②赋存在晶格的缺陷；
③在固溶体中替代主相的原子。

2.什么是微量元素地球化学？其研究意义是什么？
微量元素地球化学是地球化学的重要分支学科，它研究在各种地球化学体系中微量元素的分布、分配、共生组合及演化的规律，其特色之处就是能够近似定量地解决问题，使实际资料和模型计算结合起来。

微量元素可作为地质、地球化学过程示踪剂，在解决当代地球科学面临的基本理论问题—天体、地球、生命、人类和元素的起源及演化，为人类提供充足的资源和良好的生存环境等方面发挥重要的作用。

3.能斯特分配定律、能斯特分配系数的概念及其研究意义。

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。

4.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？
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。

5.稀土元素的研究意义。

1)岩石成因：不同成因的岩石具有不同的稀土特征。

如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：Eu轻缓平滑型；
(c)花岗岩化：Eu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：如不同时代页岩有明显不同特征，稀土元素特征能反映地壳演化规律。

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
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Z＜20，ΔA/A≥10% (ΔA 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Z＞20，ΔA/A＜10%；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？
轻稳定同位素（Z〈20）的相对质量差较大（ΔA/A≥10%），在地质作用中由于这种质量差所引起的同位素相对丰度的变异，称为同位素分馏作用。

根据分馏作用的性质和条件可区分如下：
1）．物理分馏：也称质量分馏，同位素之间因质量引起一系列同质量有关的性质的不同，如密度、比重、熔点、沸点等微小的差别，使用使之在蒸发、凝聚、升华、扩散等自然物理过程中发生轻重同位素的分异
2）．动力分馏：含有两种同位素的分子，由于质量不同导致它们参加化学反应活性的差异。

3）．平衡分馏：在化学反应中反应物和生成物之间由于物态、相态、价态以及化学键性质的变化，使轻重同位素公别富集在不同分子中而发生分异叫做平衡分馏，也称同位素交换反应。

达到同位素交换
平衡时共存相同位素相对丰度比值为一常数，称分馏系数α。

4）．生物化学分馏：生物活动和有机反应的同位素分馏效应更强。

如植物通过光合作用使12C更多地富集于生物合成有化合物中。

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。

）
假设：以D表示由经过t（T0→T）母核衰变成的子核数
D=N0-N 把N0=Neλt代入D=Neλt—N＝N（eλt-1）
经整理得： t=（1/λ）ln（1+（D/N））
D/N是现存子核和母核的原子数比值。

上述两式同位素年龄测定基本公式，不同同位素年龄测定方法都是以此为计算公式的。

4.利用衰变定律来测定岩石、矿物的年龄，应满足的哪些前提条件？
1) 应有适当的半衰期，这样才能积累起显著数量的子核，同时母核也未衰变完。

如果半衰期太长，就是经过漫长的地质历史也积累不起显著数量的子核；如果半衰期太短，没有多久母核几乎衰变完了；
2) 所测定同位素的衰变常数的精度能满足要求；
3) 放射性同位素应具有较高的地壳丰度，在当前的技术条件下，能以足够的精度测定它和它所衰变的子体含量；
4) 矿物、岩石结晶时，只含某种放射性同位素，而不含与之有蜕变关系的子体或虽含部分子体，其数量亦是可以估计的；
5) 保存放射性同位素的矿物或岩石自形成以后一直保持封闭系统，即没有增加或丢失放射性同位素及其衰变产
5.以Rb-Sr等时线法为例说明同位素测年的样品采集过程中应注意的事项。

1）一组样品采集在同一母体上(保证是同源，才能有一致的87Sr/86Sr初始值)；
2）样品布点的空间分布合理(以免样品Rb/Sr比值接近，形成不了等时线)；
3）尽力保证样品新鲜，不受后期作用影响(保持封闭体系)；
4）K含量低的样品(超基性岩)不应用此法，沉积岩样品应是同生沉积矿物。

6.同位素地球化学在解决地学领域问题的独到之处：（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用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，来测定成岩成矿温度。

另外亦可用来进行资源勘查、环境监测、地质灾害防治等。

7.选择同位素标准样品的条件
同位素分析资料要能够进行世界范围内的比较就必须建立世界性的标准样品。

世界标准样品的条件：1）在世界范围内居于该同位素成分变化的中间位置，可以做为零点；2）标准样品的同位素组成要均一；3）标准样品要有足够的数量；4）标准样品易于进行化学处理和同位素测定。

8.Rb-Sr等时线法样品满足的条件：1）所研究的一组样品具有同时性及同源性；2)体系封闭以前Sr同位素组成在体系内已均一化，具有相同的87Sr/86Sr初始比值；3)自结晶以来，Rb，Sr体系封闭；4)体系内化学成分不均一，Rb/Sr比值有差异（不能太高，否则初始锶比值误差大；也不能太低，否则放射成因锶太低），各样品之间的87Rb/86Sr值差别远远大于样品的87Rb/86Sr值误差范围。

第二部分基础知识汇总
1定义概念
地球化学：地球化学是研究地球（包括部分天体）的化学组成，化学作用和化学演化的科学。

地球化学指标（指纹）：反映和表述研究对象地球化学特征的信息的统称,如各种指示元素、气体、各种地球化学参数,pH、Eh、同位素等。

丰度：指元素在宇宙体或较大的地质体中整体（母体）的含量
克拉克值：元素在地壳中的丰度。

浓度克拉克值：是元素在某一地质体中的平均含量与其克拉克值之比，反映元素在地质体中的浓集程度。

元素的浓集系数：元素在矿床中的最低可采品位与克拉克值的比值。

元素的地球化学亲和性：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征，称为元素的地球化学亲和性。

元素的赋存状态: 也称为元素的存在形式、结合方式、相态、迁移形式等，指元素在其迁移历史的某个阶段所处的物理化学状态与共生元素的结合性质。

元素的共生组合：具有共同或相似迁移历史和分配规律的元素常在特定的地质体中形成有规律的组合，称为元素的共生组合。

类质同像：某些物质在一定的外界条件结晶时，晶体中的部分构造位置随机的被介质中其他质点所占据，结果只引起了晶格常数的微小变化，晶体的构造类型、化学键类型等保持不变，这一现象叫“类质同像”。

进入晶体中的微量物质称为“类质同象混入物”，含有类质同象混入物的晶体被称为“固熔体”。

亲氧性元素：只能与氧形成高度离子键的元素称为亲氧性元素。

亲硫性元素：只能与硫形成高度共价键的元素称为亲硫性元素。

元素的地球化学迁移：当元素发生结合状态变化并伴随有元素的空间位移时，称元素发生了地球化学迁移。

或元素从一种赋存状态转变为另一种赋存状态，并经常伴随元素组合和分布上的变化以及空间位移的作用称为地球化学迁移。

电负性：电负性X=I(电离能）+E(电子亲和能之和，可用于度量中性原子得失电子的难易程度。

地球化学障：在元素迁移途中，如果环境的物理化学条件发生了急剧变化，导致介质中原来稳定迁移的元素其迁移能力下降，元素因形成大量化合物而沉淀，则这些引起元素沉淀的条件或因素就称为地。