地球化学重点

第一章

1本教材的地球化学定义★

•从20世纪初产生到现在，地球化学历经近100年的历史，其研究范围（从地壳到地球、宇宙）和着眼点（元素行为到化学组成、化学作用和化学研究）发生了重大变化，现代地球化学的中心课题是通过观察和揭示地球、地圈及各子系统（包括行星）这些客体的化学特性、所处的热动力学环境以及在各客体中或与客体有关的系统中发生的作用过程。因此，为了强调地球及其子系统是地球化学研究的主要对象，在地球及其子系统中发生的各种自然作用的动态机制和物质系统的化学演化历史，地球化学定义可以简洁地表述为：地球化学是研究地球及其子系统（含部分宇宙体）的化学组成、化学机制和化学演化

深入理解地球化学的定义

从研究对象来看：是地球及其子系统（地壳、地幔及其自然作用体系）的岩浆作用、沉积作用、变质作用、成矿作用、表生作用、生态环境等，目前正在向宇宙天体拓展；

从研究形式来看：主要是元素（同位素）在自然界的化学运动形式；

从研究时间来看：包含了整个地球、地壳演化和全部地质作用时期；对单个元素（同位素）来讲，是研究它们的发生、不断发展及螺旋式演化的全部历史。为此，地球化学是地质学与化学相结合的一门边缘学科，但本质上是隶属地球科学。

地球化学的基本问题★

围绕原子在自然环境中的变化及其意义，地球化学研究涉及以下5个基本问题/基本任务：

1、地球系统中元素及其同位素的组成（丰度abundance和分配distrbution）；

2、元素的共生组合（paragenetic association）和赋存形式（occurrence mode）；

3、元素的迁移（migration）和循环（circulation）；

4、地球的历史（history）和演化（evolution）；

5、应用地球化学研究。

0.4.2 地球化学的基本工作方法

0.4.2.1 地球化学野外工作方法

•1．地质考察

对研究对象所处地质位置及周围环境、地质体产状测量和特征记录、地质体宏观现象的考察和描述，必要时进行地质填图；

查明：地质体的岩石-矿物组成及相互作用关系，由此提供有关地球化学作用的空间展布、时间序列和相互关

应该明确一点：地质背景清楚的地质体或样品才有研究意义。

根据野外观察得出的初步地质-地球化学认识，确定进一步的设想和采样方案。

2．地球化学样品采集

(1)样品的代表性：代表一定产状的地质体，力求做到其化学组成未受到后期的地质作用改造。

(2)样品的系统性：采集的样品保证研究对象在时间上、空间上和不同成因产状方面的系统性。

(3)样品的统计性（至少5点作等时线）。

0.4.2.2 地球化学室内研究方法

1．岩矿鉴定

这是地球化学实验室研究的基本方法之一。

目的：通过光、薄片研究的显微镜鉴定，查明矿物共生组合关系和生成顺序，围岩蚀变程度和次生变化现象等。在此基础上，进一步研究地质体形成物化条件、元素分布、迁移规律等。

2. 分析和测试

（1）化学组成的分析方法：

①20世纪60年代：重量法（测岩石化学成分）、比色法和离子交换层析等，确定岩石和矿物化学组成；

②20世纪70~80年代各种高精度分析仪器取代传统仪器：XRF，ICP-AES，ICP-MS，分析岩矿主量元素和微量元素含量。如全岩稀土元素分析向包裹体稀土元素分析，分析结果的数量级由（×10－6）（幂）变为（×10－12）（幂）

（2）物质中元素结合形式和赋存状态研究：

①传统方法：XRD等物质结构和存在形式探讨

②现代方法：微区原位分析技术，特别是电子探针技术（EMPA），可以获得样品中元素含量、分布和结合状态，常用仪器如AEM，SEM，TEM等

（3）同位素分析技术

①从常量分析向微量和微区分析发展，重要技术—激光探针，采用激光束燃烧样品表面，使特定微区内样品气化并与反应剂反应，将气体收集共质谱分析，这是一项重要同位素微区分析技术

②二次离子质谱（SIMS），利用离子束轰击样品表面，收集并分析所生成的二次离子，得到微区同位素组成，进行微区定年。如锆石的SHRIMPⅡ定年

．自然作用过程的实验室模拟

第一章太阳系和地球元素丰度

1.1.1 基本概念/术语*

1、地球化学体系

按照地球化学的观点，我们把所要研究的对象看作是一个地球化学体系，每个地球化学体系都有一定的空间，都处于特定的物理化学状态（C、T、P等），并且有一定的时间连续。

陨石研究意义★：

陨石是从星际空间降落到地球表面上来的行星物体的碎片。陨石是空间化学研究的重要对象，具有重要的研究意义：

①它是认识宇宙天体、行星的成分、性质及其演化的最易获取、数量最大的地外物质；

②也是认识地球的组成、内部构造和起源的主要资料来源；

③陨石中的60多种有机化合物是非生物合成的“前生物物质”，对探索生命前期的化学演化开拓了新的途径；

④可作为某些元素和同位素的标准样品（稀土元素，铅、硫同位素）

1.1.4.1 陨石的类型

通常根据其中的金属含量将陨石划分为3大类型：

球粒陨石约含10％金属

1.1.4.2 石陨石

石陨石包括球粒陨石和无球粒陨石

1、球粒陨石

球粒陨石是最常见的一类陨石，占全部石陨石的90%以上

①结构特点：球粒陨石的最大特征石含有球粒，具球粒结构。

②球粒组成：一般由撖榄石或斜方辉石组成，有时是玻璃质；球粒间的基质常为镍铁、陨硫铁、斜长石、橄榄石、辉石等组成。

③类型：按照矿物和化学成分，目前对球粒陨石进一步划分为3大群：

E群（顽火辉石球粒陨石）

O群（普通球粒陨石）

C群（碳质球粒陨石），少见。

普通球粒陨石（O群）又可按成分特征划分为3个亚群：

H（高铁群普通球粒陨石）

L（低铁群普通球粒陨石）

LL（低铁低金属普通球粒陨石）亚群。

④成分：球粒陨石平均矿物成分大致—镍-铁12%，橄榄石46%，紫苏辉石21%，透辉石4%，斜长石11%。

2、无球粒陨石

①结构特点；无球粒陨石不含球粒，常常比球粒陨石结晶粗得多。在成分与结构方面，许多无球粒陨石均与地球上的火成岩相似，因此它们可能是由硅酸盐熔体结晶形成。

②分类：无球粒陨石据CaO的含量可以划分为两个群（或亚类）：

贫钙[w（Ca）＝0~3％]

富钙 （ ）≥ ％

③矿物组成：无球粒陨石平均矿物成分大致：镍-铁1%，橄榄石9%，紫苏辉石50%，透辉石12%，斜长石25%

3、碳质球粒陨石★

①特点；碳质球粒陨石是球粒陨石的一个特殊类型，其特征是含有碳的有机化合物分子，并且主要由含水硅酸盐组成。

②类型：按化学成分碳质球粒陨石可划分为I、Ⅱ和Ⅲ等3种（CI、CⅡ和CⅢ）类型。

③研究意义：碳质球粒陨石虽然十分稀少，但在探讨太阳系元素丰度方面却具有特殊的意义

阿伦德”CⅢ型（1969年陨落于墨西哥北部）以及其它碳质球粒陨石（尤其CI型碳质球粒陨石）中，非挥发性元素的丰度几乎同太阳中观察到的元素丰度完全一致（图1.1）。因此，碳质球粒陨石的化学成分目前已被用于估计太阳系中非挥发性元素的丰度。

1.1.4.3铁陨石和石-铁陨石

1.铁陨石

组成：Fe和Ni是铁陨石中主要元素，在铁陨石中还含有少量（w<2％）Co、S、P、Cu、Cr和C等元素。

2.石-铁陨石：

由硅酸盐相和铁镍相组成，前者通常是橄榄石，偶尔有一些辉石，并成为较大的圆粒赋存于海绵状的Ni-Fe结构中。其他矿物如陨硫铁也经常出现

类型：根据两相比例可划分出橄榄陨铁和中铁陨石两类。

石-铁陨石在矿物成分、结构构造、化学成分和演化历史上都具有石陨石和铁陨石的双重特性，它还可以进一步划分为橄榄陨铁、中陨铁、