地球化学阶段性作业21(答案)

中国地质大学(武汉)远程与继续教育学院地球化学课程作业2（共 3 次作业）学习层次：专升本涉及章节：第二章——第三章一．名词解释1．类质同象：某种物质在一定的外界条件下结晶时，晶体中的部分构造位置被介质中的其他质点（原子、离子、络离子或分子）所占据而只引起晶格常数的微小改变，晶格构造类型、化学键类型、离子正负电荷的平衡保持不变或相近的现象。

2．元素的地球化学亲和性：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性。

3．元素的地球化学迁移：当体系与环境处于不平衡条件时，元素将从一种赋存状态转变为另一种赋存状态，并伴随着元素组合和分布上的变化及空间上的位移，以达到与新环境条件的平衡，该过程称为元素的地球化学迁移。

4．共同离子效应：在难溶化合物的饱和溶液中加入含有同离子的易溶化合物时，难溶化合物的饱和溶液的多相平衡将发生移动，原难溶化合物的溶解度将降低。

5. 水-岩化学作用：由于地壳上部与水圈直接接触，两者之间发生的化学作用统称为水-岩化学作用。

水-岩化学作用是地表条件下范围广泛和极为活跃化学作用，对地表系统元素的组成、演化及循环具有重要影响。

水-岩化学作用主要发生在地壳上部，可一直延伸到上地幔。

6. 盐效应：当溶液中存在易溶盐类时，溶液的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，导致其它化合物溶解度增大的现象，称为盐效应。

二．简答题1. 简述元素的地球化学亲和性及其分类。

答：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性，或说阳离子趋向于同某种阴离子结合的倾向，称为地球化学亲和性。

元素的地球化学亲和性分为亲铁性（元素在自然界以金属状态产出的一种倾向性）、亲氧性（倾向于与氧结合形成高度离子键的元素，如K、Ca、Na、Mg）和亲硫性（倾向于与硫结合形成高度共价键的元素，如Cu、Pb、Zn）。

2. 举例说明Goldschmist类质同象法则。

答：Goldschmist类质同象法则主要包括三点：（1）隐蔽法则：两个离子具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”。

如K+(1.33Å)为主量元素形成钾长石、石榴石等矿物，Rb+(1.49Å)为微量元素以类质同象形式为K+所“隐蔽”。

（2）优先法则：两种离子电价相同，半径有别，半径小的离子集中于较早的矿物中，而半径较大的离子将在晚期矿物中富集。

如：Mg2+半径小于Fe2+，在岩浆结晶过程中，早期形成的橄榄石MgO含量高，而晚期形成的橄榄中FeO含量增加。

类似现象还存在于角闪石和黑云母等矿物中。

（3）捕获允许法则：如果两个离子半径相近，而电荷不同，较高价离子优先进入较早结晶的矿物晶体中，称“捕获”，低价离子“允许”进入晚期矿物。

如熔体中微量元素Sc3+ (0.83Å)，Li+ (0.78Å) ，高价的Sc3+被早期辉石、角闪石等铁镁矿物所“捕获”(Li+仍在熔浆中)。

故Sc在基性、超基性岩中富集。

低价的Li+被晚期黑云母、电气石等铁镁矿物所“允许”。

所以，酸性岩、伟晶岩中Li富集。

3. 水-岩化学作用的类型及其影响因素。

答：由于地壳上部与水圈直接接触，两者之间发生的化学作用统称为水-岩化学作用，该作用是地表条件下范围广泛和极为活跃化学作用，对地表系统元素的组成、演化及循环具有重要影响。

水-岩化学作用主要发生在地壳上部，可一直延伸到上地幔。

水-岩化学作用主要包括五种类型：（1）氧化还原反应。

如Fe的硅酸盐和硫化物发生氧化形成铁的氧化物。

（2）脱水和水解反应。

脱水反应一般是温度压力增加时，矿物内部失去水分子的过程。

水解反应的实质是水电离的H+或OH-进入矿物晶格，分别取代其中的阳离子或阴离子，从而使矿物解体形成新矿物。

如钾长石发生水解形成高岭石的过程。

（3）水合作用。

水合作用的实质就是水分子整体进入矿物晶格，使矿物体积增大的化学作用。

（4）碳酸盐化和脱碳酸盐化。

碳酸根和重碳酸根离子与矿物或演示之间发生的作用为碳酸盐化，碳酸盐化的结果往往会使得矿物被部分或全部溶解。

脱碳酸盐化则指的是岩石或矿物中放出碳酸根和重碳酸根离子的过程，如接触热变质带，灰岩发生脱碳酸盐化形成含透辉石的过程。

（5）阳离子交换反应。

主要发生在粘土矿物或胶体的交换吸附过程中。

如钾长石的钠长石化：KAlSi3O8 + Na+ = NaAlSi3O8 + K+。

影响水-岩化学作用的因素包括与元素性质有关的内因及与体系环境有关的外因。

就内因而言，诸如体系中元素的丰度、元素的存在形式、化合物本身的性质、元素的电价和离子半径以及化学键类型都可以影响水-岩化学作用的强度、方式和方向。

体系组成对水-岩化学作用的影响是多方面的，一类是由化合物本身的性质决定的，如活度积原理；另一类是由于体系中其它化合物或组分的类型和浓度所确定，如盐效应和共同离子效应。

此外，岩石中的元素进入溶液发生迁移或从中析出，均伴随各种化学反应（如复分解反应、酸碱反应、氧化还原反应、络合反应和胶体作用）的发生，进而影响元素在水溶液中的溶解、迁移和析出。

体系的pH值以及氧化还原电位也会影响元素的迁移能力和元素存在的价态。

而温度与蒸发作用对易溶盐类矿物的沉积有特殊的影响，温度的升高或降低可以改变反应进行的方向。

当体系中有气体组分时，压力也是影响水-岩化学作用的重要因素。

4. 举例说明Goldschmist的元素地球化学分类。

答：结合元素的自然组合及地球化学特征对其所作的分类称元素的地球化学分类。

Goldschmist的元素地球化学分类基本包括：（1）亲石元素：离子的最外电子层具有8电子的惰性气体型的稳定结构，与氧容易成键，主要集中于硅酸盐相。

（2）亲铜元素：离子的最外层电子层具有18铜型结构，在自然界中容易与硫形成化合物，这些元素主要分配在硫化物相中。

（3）亲铁元素：离子最电子层具有8-18过渡型结构，这类元素同氧、硫的化合能力较差，倾向于形成自然元素，因此，这类元素倾向分配在金属相中。

（4）亲气元素：原子最外层具有8个电子，原子半径大，具有挥发性或易形成挥发性化合物，主要分布在大气圈中。

（5）亲生物元素：这类元素主要富集在生物圈中，如C、N、H、O、P等。

5. 简述元素地球化学迁移及如何判断地球化学过程是否发生了元素迁移。

答：元素迁移的标志: (1)通过矿物组合的变化来判断，(2)通过岩石中元素含量的系统测定和定量计算来判定（用等体积计算法和等阴（氧）离子计算），(3) 观察有无物理化学界面存在:自然界的物理化学界面，如氧化还原界面，压力释放带，温度界面，pH界面，水位线，土壤湿度界面等常是元素发生或终止迁移的指示。

6. 决定类质同像代换的基本条件。

答：决定元素类质同象代换的内部因素包括：（1）元素的原子或离子半径，一般离子电价和离子类型相同的离子键化合物，原子或离子半径相近时，易于发生类质同象。

（2）化学键类型相同或相似的元素易于发生代换。

（3）类质同象代换要求代换前后化合物的总电价要保持平衡，否则将会引起晶格的破坏。

（4）被代换的矿物晶体构造特征会影响代换的程度，表现为，被代换的矿物晶体构造愈复杂、松弛(偏离最紧密堆积愈远)，类质同象的可能性愈大。

（5）从代换的能量角度来讲，发生类质同象的元素之间，其形成晶体的生成热应相近。

就外部因素而言，主要受到代换体系下元素的浓度和氧化-还原电位来控制。

例如，一种熔体或溶液中如果缺乏某种组份，当需要从中结晶出包含此种组份的矿物时，熔体或溶液中性质与之相似的其他元素就可以类质同象代换的方式加以补充。

在还原内生条件下，Fe2+（0.83Å）和Mn2+（0.91Å）可以亲密共生，而在氧化表生条件下，Fe3+（0.87Å）和Mn4+（0.52Å）则彼此分离。

7. 低温水岩化学作用的基本特征。

答：低温水-岩化学作用的特点可概括为：（1）过量水的体系：地球表面大洋面积占71%，大陆面积占29% 。

（2）水-岩间长期的化学作用使水体系中含有大量的作用剂（O2，CO2，H+，OH-）和各类电解质盐类（Na、K、Ca、Mg的盐），同时水有很好的流动性。

因此，表生化学作用过程中水既是作用介质，又是良好的溶剂和搬运剂。

（3）有生物和有机质参加作用。

（4）富氧( f o2 = 0.213×105Pa )和富CO2的环境。

（5）低T（-75 ~ +200）而迅速变化（昼夜和季节变化）的温度条件。

（6）低压（通常1~200×105Pa，深海成岩可达5000×105Pa）条件。

8. 研究元素类质同象代换的地球化学意义。

答：某些物质在一定的外界条件下结晶时，晶体中部分构造位置被介质中的其它质点(原子、离子、络离子、分子)所占据，只引起晶格常数的微小改变。

晶体构造类型、化学键类型都保持不变。

这种现象称为“类质同像”。

类质同像规律的地球化学意义：（1）阐明微量元素在各类岩浆岩中的分布以及微量元素在矿物中分配的实际规律。

（2）地球化学中的“指纹”: 标型元素组合。

（3）阐明微量元素对环境及人类生产生活的影响。

9. 活度积原理及其在地球化学研究上的意义。

答：定义在一定的温度下，难溶化合物中该化合物的离子浓度乘积得到的常数为活度积。

所谓的活度积原理指的是在天然水中，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。

这些阴离子称为对方的沉淀剂。

因此，当溶液中出现能够形成更低活度积的离子时，会发生活度积更低化合物的沉淀和原矿物的溶解。

活度积原理可用于：（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，如：S2-< PO43-< CO32-< SO42-< Cl-；（3）、判断自然体系中元素溶解或沉淀的方向。