地球化学资料

现代地球化学的定义：地球化学是研究地球及子系统(含部分宇宙体)的化学组成、化学机制(作用)和化学演化的科学。

地球化学研究的基本问题：1地球系统中元素（同位素）的组成2 元素的共生组合和存在形式3 研究元素的迁移和循环4 地球的历史与演化。

具有相同或相似迁移历史和分配规律的各种元素在地质体中有规律的组合，称为元素的共生组合。

陨石主要是由镍-铁合金、结晶硅酸盐或两者的混合物所组成，按成份分为三类：1）铁陨石（siderite）主要由金属Ni, Fe（占98%）和少量其他元素组成（Co, S, P, Cu, Cr, C等）。

2）石陨石（aerolite）主要由硅酸盐矿物组成（橄榄石、辉石）。

这类陨石可以分为两类，即决定它们是否含有球粒硅酸盐结构，分为球粒陨石和无球粒陨石。

3）铁石陨石（sidrolite）由数量上大体相等的Fe－Ni和硅酸盐矿物组成，是上述两类陨石的过渡类型。

石陨石以是否含有球粒硅酸盐分为：球粒陨石和无球粒陨石。

元素丰度：太阳系：H>He>O>C>Ne>N>Fe>Si>Mg>S；地球：Fe>O>Mg>Si>Ni>S>Ca>Al>Co>Na；地壳：O>Si>Al>Fe>Ca>Na>K>Mg>Ti>H 。

元素丰度的排序上有很大的不同：由宇宙化学体系形成地球的演化（核化学）过程中必然伴随着气态元素的逃逸。

而地球原始的化学演化（电子化学）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。

由此可见地壳元素的丰度取决于两个方面的原因: 元素原子核的结构和稳定性；宇宙物质形成地球的整个演化过程中物质的分异。

总之，现今地壳中元素丰度特征是由元素起源直到太阳系、地球、（地壳）的形成和存在至今这一段漫长时期内元素演化历史的最终结果。

浓度克拉克值= 某元素在某一地质体中平均含量/某元素的克拉克值。

＞1 意味该元素在地质体中集中了；＜1 意味该元素在地质体中分散了。

区域浓度克拉克值=某元素在区域内某一地质体中平均含量与某区域元素的丰度值之比。

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性，称元素的地球化学亲和性。

控制自然界元素相互结合的最基本规律（阴、阳离子间的结合是元素最普遍的结合方式，阴离子总数小于阳离子总数，离子的结合有选择性）亲和性的原因分类主要包括亲氧性元素、亲硫性元素和亲铁性元素三大类型。

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地其他质点（原子、离子、配离子、分子）所占据，结果只引起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，这一现象称类质同象。

同质多象：是指具有同样的化学组成，而在自然界中以不同物理特性的两种或两种以上的矿物形式出现的现象。

类质同象置换法则：1、戈尔德施密特类质同象法则1）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（化学键弱）将在晚阶段矿物中富集。

2)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”（capture），低价离子“允许”(admit)进入晚期矿物。

3）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”。

2、林伍德Ringwood法则：对于二个价数和离子半径相似的阳离子（离子键成分不同时）具有较低电负性者将优先被结合，因为它们形成一种较强的离子键成分较多的化学键。

Ringwood类质同象法则更适用非离子键化合物。

元素在固相中的存在形式：自然界的矿物一般都不是按某种化学式来限定成分的纯净化合物，而往往混有杂质，这种杂质按其聚集和赋存状态可分为五种状态：①独立矿物：能用肉眼或能在显微镜下进行研究的矿物，粒径大于0.001mm机械分散物：（固相、流体相）是成分不同于主矿物的细小独立矿物或固熔体分离结构。

②类质同象：或称为结构混入物，指不同的元素或质点占据相同的晶格结点位置、而晶格类型和晶格常数不发生明显变化的现象。

③超显微非结构混入物：（或称为超显微包裹体）—被包裹在其他矿物中，粒径小于0.001mm的物质。

由于它不占据主矿物的晶格位置，因此是独立矿物，但又不形成可以进行矿物学研究的颗粒。

④吸附—胶体、晶体表面或解理面上由于电荷不平衡而吸附异性离子的现象。

是一种结合力较弱、易被交换和分离的存在形式（活性赋存形式）。

不参加主矿物晶格，在矿物表面、裂隙面等呈吸附状态；⑤与有机质结合—元素加入到有机物中，如血液中的Fe、骨骼中的Ca和脑细胞中的P 都完全进入到有机质中。

元素地球化学迁移：当环境发生物理化学条件变化，使元素原来的存在形式变得不稳定时，为了与环境达到新的平衡，元素原来的存在形式自动解体，而结合成一种新的相对稳定的方式存在。

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。

元素的地球化学迁移过程包括了三个进程：首先，是元素从原来的固定（稳定的结合）状态转化为活动（非稳定结合）状态，并进入迁移介质；随之，元素发生空间位移，在这一阶段元素有一定的迁移形式，但并没有形成稳定固相化合物；最后，元素在迁移到一个新的空间后，由于物理化学条件的明显改变，在新的环境、新的条件下元素形成新的稳定结合关系，即沉淀或结晶出新的矿物。

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（等体积计算法、等阴离子计算）；(3)物理化学界面。

水-岩作用的影响因素：1 溶度积：当温度一定时，难溶强电解质溶液中离子浓度的乘积为一常数，这一常数称为溶度积常数，简称溶度积。

2、共同离子效应：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,此时，原难溶化合物的溶解度将会降低，称为共同离子效应。

3 盐效应：当溶液中存在易溶盐类(强电解质)时，溶液的含盐度对化合物的溶解度会产生影响，表现为随溶液中易溶电解质浓度的增大将导致其他难溶化合物的溶解度增大，称为盐效应。

5 pH值对元素迁移的影响：(1)pH值影响氢氧化物是否自溶液中沉淀，导致不同元素的氢氧化物在水介质中的迁移能力不同。

(2)pH值影响元素的共生或分离；(3)影响两性元素的迁移形式；(4)盐类的水解作用过程受pH值的控制。

6、EΘ及Eh值的影响：根据能斯特方程，在某个平衡状态下，有着一个电位，即环境中各种离子间氧化还原反应达到平衡时的电位，称之为环境的氧化还原电位。

即在多组分体系中Eh与氧化还原反应的限度：Eh＝E1＝E2＝E3＝•••••＝En。

7 温度、压力的影响：温度的影响并不仅限于蒸发和增大物质浓度，温度的升高或降低可以改变反应进行的方向。

降低温度，有利于化学平衡向放热方向移动；升高温度，有利于化学平衡向吸热方向移动。

但地表条件下温度变化不大，因而对矿物溶解度的影响也就不十分显著了。

压力也是影响作用方向的一个重要的因素。

压力增大时，平衡向体积减小(气体摩尔总数减小)的方向移动；压力减小时，平衡向体积增大(气体摩尔总数多)的方向移动。

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球化学障。

（如易迁移的低价铁被氧化成高价铁就沉淀下来）大部分元素在以氢氧化物形式存在时，低价易迁移，当环境突然转变为氧化环境时，元素迁移能力急剧降低，环境突然转变处就构成氧化障；当元素呈酸根当元素呈酸根或络合物形式存在时，高价易迁移，当环境突然转变为还原环境时，元素迁移能力急剧降低，环境突然转变处就构成还原障。

同位素分类：一类是其核能自发地衰变为其它核的同位素，称为放射性同位素；另一类是其核是稳定的，到目前为止，还没有发现它们能够衰变成其它核的同位素，称为稳定同位素。

稳定同位素又分重稳定同位素和轻稳定同位素。

稳定同位素分馏，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, 同位素之间因质量差异而引起的与质量有关的性质的不同；②动力分馏：其实质是质量不同的同位素分子具有不同的分子振动频率和化学健强度，因轻同位素形成的键比重同位素更易破裂，这样在化学反应中轻同位素分子的反应速率高于重同位素分子，因此，在共存平衡相之间产生微小的分馏，反应产物，特别是活动相中更富集轻同位素；③平衡分馏（同位素交换反应）：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，使轻重同位素分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；④生物化学反应：动植物及微生物在生存过程中经常与介质交换物质、并通过生物化学过程引起同位素分馏。

3)分馏系数α表示为：α= 某元素同位素在A物质中的比值/某元素同位素在B物质中的比值（其中A、B可以是相同的化合物，亦可是不同化合物）设有同位素平衡分馏反应：aA1+bB2≒aA2+bB1，，式中：A、B为含有相同元素的两种分子；a、b为系数；1为轻同位素，2为重同位素。

则同位素分馏系数α的定义公式为：α=RA/RB=（A2/A1）/（B2/B1）如反应：C16O32-+3H218O≒C18O32-+3H216O，α=(18O/16O)CO32-/(18O/16O)H2O。

α值的意义为：当α>1,反应向右进行；当α<1，反应向左进行；α=1，无同位素分馏。

α值愈偏离1，则同位素分馏愈强。

天然放射性同位素的衰变反应种类如下：1)β——衰变：自然界多数为β—衰变，即放射性母核中的一个中子分裂为1个质子和1个电子（即β—粒子），同时放出反中微子g；2)电子捕获：是母核自发地从核外电子壳层（K或L层电子轨道上）捕获1个电子，通常在K层上吸取1个电子（e），与质子结合变成中子，质子数减少1个；3) α—衰变: 放射性母核（重核）放出α粒子（α粒子由两个质子和两个中子组成，α粒子实际上是）；4)重核裂变：重放射性同位素自发地分裂为2—3片原子量大致相同的“碎片”，各以高速度向不同方向飞散。

放射性同位素在地学上应用的性质有四个：①放射性同位素在原子核内部发生衰变，其结果是从一个核素转变为另一个核素；②衰变是自发的、永久不息的一种恒制反应，而且衰变是按一定比例的；③衰变反应不受任何温度、压力、元素的存在形式及其物理化学条件的影响；④衰变前核素和衰变后核素的原子数，只是时间的函数。