地球化学全册配套最完整精品课件 (一)

第二节:人体中元素的分布
❖ 血液中的主要微量元素 Fe、Co、Mo、Cu、V等，其中铁在血液中的
含量可占人体总铁的70％。 ❖ 肺中的元素
Sb、Sn、Se、Cr、Al、Si、Fe等。 ❖ 肾中的元素
Cd、Hg、Zn、Bi、Pb、Se、As、Si等。 ❖ 肝中的元素
Se、Cu、Zn、Fe、As、Cr、Mo、V、I等。 ❖ 淋巴系统中易富集的元素
第二节:人体中元素的分布
❖ 生命组成元素
这类元素是生命必须的宏量元素，它们在人体及生物体中的含 量最高，可占人体的99.95％（以70公斤人体重量计）以上，主 要是元素周期表中原子序数小的元素，包括：H、C、N、O、P、 S、K、Na、Ca、Mg、Cl、Si;其中前6种元素是构成生物体结构 的主要元素，也是构成有机分子的基本元素，它们占人体重量的 97.25%。
Wt／10-6 37 33 1.0 0.3 0.2 0.2 0.2 0.2 0.1 0.1
0.05
<0.05%
第一节: 人体与地球化学环境的关系
人体中有60余种元素，其中人体的99.954％是由氢、 氧、氮、碳、磷、硫、氯、钾、钠、钙、镁和铁等宏量 元素(含量>0.01％)组成，其余不到0.05％的部分主要是由 氟、锌、碘、铜、钒、锰、镍、钴、硒、铬和钼等微量 元素(含量<0.01％)组成。
这些元素在骨中的量占人体总量的百分数分别为：Sr 为99％；F为98.9％；Pb为97.6％；Ba为91％；Be为 75％；Mg为70％；U为65.5％；Li为50％；Mn为43.4 ％。
第二节:人体中元素的分布
❖ 牙齿中的元素 多由Ca、P、F、Si、V等元素组成 。
❖ 毛发中的元素 由Si、Ni、As、Zn、F、Fe、Ti等组成。

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水环境地球化学研究
2024/1/25
水体化学组成与性质
研究水体中各种溶解物质、胶体物质和悬浮物质的含量、分布和 变化规律，揭示水体的化学性质。
水体中污染物的迁移转化
分析水体中污染物的来源，研究其在水体中的迁移、转化和归宿， 为水污染防治提供依据。
水环境地球化学过程
探讨水体中化学物质的循环、转化和相互作用过程，以及这些过程 对水环境的影响。
可燃冰资源勘查
利用地球化学方法分析可燃冰赋存层位的岩石、 土壤等介质中的气体组成和同位素特征，揭示可 燃冰的成因和分布规律。
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环境资源评价中地球化学方法
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环境质量评价
通过分析土壤、水、大气等环境介质中的元素和 化合物含量，评价环境质量状况及其对人类健康 的影响。
污染来源与迁移转化研究
灾害体地球化学特征分析
分析滑坡、泥石流等灾害体的物质组成、化学成分等地球化学特征 。
灾害预测和防治
结合地质环境地球化学评价和灾害体地球化学特征分析，进行滑坡 、泥石流等地质灾害的预测和防治。
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人类活动对环境影响评价中地值 调查
调查评价区域的环境地球化学背景值 ，为环境影响评价提供依据。
研究地球化学异常的成因 机制，包括地震孕育过程 中的物理化学变化、地下 流体运移等。
异常时空演化规律
分析地球化学异常在时间 和空间上的演化规律，为 地震预测预报提供依据。
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火山活动监测和预警中地球化学方法
火山气体监测
通过监测火山释放的气体 成分和含量变化，判断火 山活动的状态和趋势。
2024/1/25
2024/1/25
数据获取和处理
地球化学数据获取困难，处理和分析方法复杂，需要进一步提高 数据质量和处理效率。

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由表可知:
地 球 化 学
对于这样的数据我们应有一个正确的的评价: 首先这是一种估计值,是反映目前人类对太阳系的认识 水平,这个估计值不可能是很精确的,随着人们对太阳系以 至于宇宙体系的探索的不断深入,这个估计值会不断的修正; 它反映了元素在太阳系分布的总体规律,虽然还是很粗 略的,但从总的方面来看,它反映了元素在太阳系分布的总 体规律. 如果我们把太阳系元素丰度的各种数值先取对数,随后 对应其原子序数作出曲线图(如下图)时,我们会发现太阳 系元素丰度具有以下规律:
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地 球 化 学
2.陨石的平均化学成分
要计算陨石的平均化学成分必须要解决两个问题:首先要了 解各类陨石的平均化学成分;其次要统计各类陨石的比例.各 学者采用的方法不一致.(V.M.Goldschmidt 采用硅酸盐:镍铁:陨硫铁=10:2:1).陨石的平均化学成分计算结果如下:
宇航员
月球车
火星车
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地 球 化 学
太阳系景观
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地 球 化 学
(二) 陨石的化学成分
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).

如浓度磷符灰合石一Ca定5(P比O例4)3。F结如晶果时P2要O5求浓熔度体较中大C, a而O和CaPO2O含5 量不足时，Sr、Ce等可以类质同象形式进入其晶 格，导致磷灰石含较多稀散和稀土元素.
钒 钛 磁 铁 矿 Fe2+(Fe,V,Ti)23+O4 ， 当 岩 浆 中 FeO ： Fe2O3>1:2, 即Fe2O3浓度过小，不足以形成磁铁矿 时, V2O3,Ti2O3以补偿Fe2O3进入磁铁矿晶格。
(温r1-时r2形)/r成2=1不0完到全20类~4质0％同, 象高，温固下溶完体全发类生质分同解象；，低
(r1-r2)/r2>25~40％, 高温下只能形成不完全类质同 象，低温下不能形成类质同象；
异价类质同象情况下，元素置换能力主要取决于 正负电荷之平衡，离子半径大小退居次要地位, 离 子半径限制较宽，如黑云母中Mg2+和Al3+的(r1r2)/r2＝37％。
3. 氧化还原电位
对变价元素类质同象影响很大。它可以改变元素 价态，从而改变元素类质同象范围；
Fe、Mn在内生作用中彼此类质同象置换，但在表 生 条 件 下 ， 被 氧 化 为 高 价 － Fe3+ 和 Mn4+ ， 由 于 Mn4+离子半径缩小，在铁矿物中不适应, 从晶体中 析出，分别结合进入不同矿物中，产生分离。
固溶体-solid solution 含有类质同象混入物的混合
晶体称为固溶体。
固溶体的晶格常数随化合物成分的改变发生线性变化。 例如橄榄石的晶格常数的变化可以由图2.17和下式表示:
(Fe,Mg)SiO4
c＝0.579＋0.1x
c为晶胞中c轴长度， 单位为nm。 x＝w(Fe)
图2.17 橄榄石晶格常数与固溶 体成分的关系

2) 原子(离子)结合时的几何关系
化学键性相同时，是否发生类质同象取决于 原子 (离子)结合时的几何关系－半径，配位数等。同价类质 同象发育程度主要取决于离子半径差，差值增大， 类质同象臵换范围减小； r1和r2分别代表较大离子和较小离子的半径，当: (r1-r2)/r2<10~15％, 形成完全类质同象，端元组分 间无限混溶； (r1-r2)/r2=10到20~40％, 高温下完全类质同象，低 温时形成不完全类质同象，固溶体发生分解； (r1-r2)/r2>25~40％, 高温下只能形成不完全类质同 象，低温下不能形成类质同象；
1.戈尔德斯密特类质同象法则 戈尔德斯密特(1937)在研究岩浆结晶过程中元素 在矿物间分配的基础上，总结出元素发生类质同 象臵换的规律； 1)小离子优先法则:两种离子电价相同，半径相似， 小半径离子优先进入矿物晶格，集中于早结晶矿 物中，大半径离子集中于晚结晶矿物中。 Mg2+、Fe2+、Mn2+和 Ca2+离子半径分别为0.078nm， 0.083nm，0.091nm，0.099nm，因此Mg2+、Fe2+ 集中在早期结晶橄榄石等矿物中， Mn2+和Ca2+集 中在晚期晶出的辉石，角闪石， 斜长石和黑云母 等矿物中；
同样Ca2+和Hg2+，二者半径相近 (rCa2+=1.05A, rHg2+=1.12A)，电荷也相同， 但因二者电负性相差较大(Ca1.0，Hg1.9)， 也不能相互臵换。硅酸盐造岩矿物中不易 发现Cu和Hg等元素，反之赋存Cu和Hg等元 素的硫化物中也不易发现Na、Ca等元素；
键性接近是类质同象置换的首要条件。
当两种元素数量差异很大时一种元素以分散量进入另一元素晶格主导和伴生元素地球化学参数相近伴生元素隐藏在主导元素晶格中称为内潜同晶内潜同晶置换可以使许多地球化学行为相同或相地球化学行为相同或相近的元素依次进入晶格形成内潜同晶链近的元素

一、基本概念
丰度的表示方法(fāngfǎ) 重量丰度W
W
a
•
M
X
•W0
常量 (chángliàng)
元素 （wt%）
微量元素
ppm
(g/t, ，10-6)
痕量(hén liànɡ)元素 ppb
(μg/t，ng/g，10-9)
原子丰度
（原子%）
Wi
相对丰度R（宇宙丰度单位，CAU. ）
Ri
绝对含量单位
T
吨
kg
千克
g
克
mg
毫克
μg
微克
相对含量单位
％
百分之
‰
千分之
ppm、μg/g、g/t ppb、μg/kg、ng/g
百万分之 十亿分之
×10-2 ×10-3
×10-6 ×10-9
ng
纳克
ppt、pg/g
万亿分之
×10-12
pg
皮克
1g/t=1μg/g=10-4%=10-6=1ppm
第十页，共46页。
化及硫同位素国际标准)，帮助了解地球的成因和组成 防治自然灾害
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美国亚利桑那Barringer(or Meteor)陨石坑，直径约1.2km 由一个直径约40m的撞击(zhuàngjī)物撞击(zhuàngjī)而成。 撞击(zhuàngjī)物残余称为Canyon Diablo铁陨石(国际S同位素标准）
2 丰度 元素
关键词：(yuán
sù )
自然 (zìrán)体
含量
平均含量
一种化学元素在某个自然体中
丰度的表示方法(fāngfǎ) 的重量占这个自然体的全部化

2、地球化学的学科特点
1）地球化学研究的主要物质系统是地球、地壳及地质 作用，因此它是地球科学的一部分。地球化学针对自然作 用过程提出问题，应用地球化学的理论和方法进行研究， 最后得出对自然作用化学机制的认识。
地球化学的学科特点
2）地球化学着重研究地质作用中物质的化学运动规律。在 地球科学中，地球化学与同是研究地球物质组成的结晶学、 矿物学、岩石学和矿床学等学科的关系尤其密切。矿物学、 岩石学和矿床学往往借助并引进地球化学的理论，来研究 各自学科的问题。地球化学研究系统或过程中微量元素和 同位素的特征和演变，地球化学的基本原理具有普遍性， 有更深刻的意义。现代地球化学是地球科学中研究物质成 分的主干学科和基础学科，通过地球化学研究，可以更好 地回答：岩浆形成的深度和温度、各类变质岩的形成温度 和压力、沉积物是否进入地幔、金属矿床和石油的形成环 境和条件等各类问题。
Schematic diagram showing various input and output fluxes of elements into and out of the ocean.
地球化学的研究思路
（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。地球化学将任何自然过程都看成是热力学过程， 特定的环境和物理化学条件对具有独立个性的原子产生作 用，使后者产生规律的变化。应用现代科学理论来解释自 然体系化学变化的原因和条件，有可能在更深层次上探讨 和认识自然作用的机制。
地球化学的学科特点
5）地球化学在密切关注人类生活和生产活动中发展，它运 用学科自身的知识、理论、研究思路和工作方法研究矿产 资源、资源利用以及农田、畜牧、环境保护等多方面的问 题。因此，地球化学也是应用性很强的学科。当前，环境 地球化学已成为环境科学中的核心组成部分，诸如：酸雨 的形成、臭氧空洞的成因、全球变暖和温室效应、水和土 壤环境的污染等，都是环境地球化学关注的问题，对环境 问题的认识和分析也要求应用地球化学的理论和知识。另 外，如金属矿产和石油等大部分不可再生的资源的找寻和 勘探，也需要地球化学方法和手段的支持。

即碳酸钙的氧同位素组成是温度的函数。温度升高时，相对 较轻的16O由于有较高的活性，易于迁移，在同位素交换反应 中将优先被吸收进生物壳体内，致使18O含量相对减少，δ180 值随温度的上升而下降。
最适用于有孔虫同位素分析的关系式： t＝16.9－4.4(δs－δw)＋0.10(δs－δw)2 式中，δs：壳体中氧同位素值，δw：水体的氧同位素值
环境地球化学 第21页
+ 冰期与间冰期对碳酸盐溶解作用的影响不同，也会引起 海水中CO2总含量的变化。 经计算，末次冰期极盛期的CO2含量稍高于间冰期， 两者的比值为1.15±0.5。
这样，由海水表温、盐度、冰川体积等因素变化引 起的大气CO2浓度变化仅占实际变化的5％。因此，如果 当时不存在其它海水化学性质的变化，则大气CO2含量将 保持近于恒定。
环境地球化学 第4页
4氧同位素应用
（l）查明地质时期海水古温度的变化趋势
通过生物氧同位素研究法确定了自晚白垩纪（约7000 万年前）以来全球气候有逐渐变冷的趋势。
Emiliani（1954）根据底栖有孔虫δ180值逐渐递增的 趋势，确定了自白垩纪以来，全球大洋深水平均温度曾从 13oC逐渐下降到目前的2oC左右。
由于在任何时候、任何地区，底栖有孔虫氧同位素温 度始终低于浮游有孔虫的氧同位素温度，表明大洋的底层 水系由高纬地区的表层水下沉扩散而来，所以，从新生代 底层水的这种变冷趋势可以推出高纬地区的表层水以致大 气圈也存在着逐渐变冷的趋势。
环境地球化学 第5页
南
北 半 球
极 冰 盖
南极海冰 大量形成
冰形
盖成
环境地球化学 第24页
热带东太平洋V19-30柱状样15万年来浮游有孔虫N.dutertrei与底栖有孔虫 U.sentioncosa碳同位素组分的差值（Δδ13C） 变化图

• 2、热力学第一定律（The First Law of
Thermodynamics）
是能量守恒与转化定律在热现象领域内所具有的
特殊形式，说明热力学能、热和功之间可以相互 转化，但总的能量不变。
第一定律的数学表达式
U = Q + W
对微小变化： dU =Q +W
• 功的计算
自由膨胀（free expansion）功。 δ W e,1 p e d V 0 因为 p e 0
P
2
2

2a V
3 C
0
(
V
2
)T
2RT (V C b )
3

6a V
4 C
0
Pc
R Tc Vc b

a Vc
2
• 解联立方程得：
V c 3b
Tc 8a 27 Rb
Pc
a 27b
2
R
8a 2 7 Tc b

8 3 PcV c 2 7 Tc 1 3
2

8 PcV c 3 Tc
热力学能（thermodynamic energy）以前称为内 能（internal energy）,它是指体系内部能量的 总和，包括分子运动的平动能、分子内的转动 能、振动能、电子能、核能以及各种粒子之间 的相互作用位能等。 热力学能是状态函数，用符号U表示，它的绝对 值无法测定，只能求出它的变化值。
Vc
4、对比方程 • a, b随物质种类而变化，利用Pc,Tc,Vc转 化方程为一般的方程---对比方程
Pr
(P a V
2
p pc
Vr
V Vc
( Pr Pc

Does liquid or solid have a higher entropy?
High temperature favors randomness, so which phase should be stable at higher T?
Stability Fields on P-T Diagram
Kyanite, sillimanite, and andalusite are common minerals in metamorphosed shaley rocks.
Plot of ΔGf as a function of P and T. The intersection between the stability planes projected onto the P-T plane gives the classic diagram fro the stability of the aluminosilicate polymorphs.
状态方程
第四章 地球化学热力学
第一节 概述 第二节 热力学第一定律 第三章 热力学第二定律 第四章 多组分系统热力学
热力学第一定律
•能量守恒； •热和功是相等的； •能量的各种形式都是可以互相转化； •
Energy can be neither created nor detroyed
DU=Q+W or dU=dQ+dW U = internal energ 地球化学热力学
第一节 概述 第二节 热力学第一定律 第三章 热力学第二定律 第四章 多组分系统热力学
热力学第二定律
•热从低温物体传给高温物体而不产生其它变化是不可能的； •从一个热源吸热，使之完全转化为功，而不产生其它变化是不 可能。

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4、联立方程组，使用计算机求解方程组，得 出所有未知项数值解；
5、编制相图，就解出的结果进行地质地球化 学问题的讨论
第25页/共55页
三 . 矿物相平衡计算和相图编制
单变反应平衡常数计算平衡线的热力学 条件，平衡在相图中的位置。
1. 矿物相转变和相平衡曲线的计算 矿物相平衡，体系矿物有一定的共生关系，形成稳定矿物组合（包括流
2．含有理想固溶体的平衡体系热力学性质的计算
斜长石高温下分解形成石榴石、矽线石、石英
3CaAl2Si2O8 = Ca3Al2Si3O12 + 2Al2SiO5 + SiO2
斜长石
石榴石 矽线石 石英
当设体系中斜长石、石榴石不是纯相，其中斜长石 中钙长石的活度为0.2；
石榴石为类质同象系列：
[Ca/(Ca+Fe2++Mg+Mn)] = 0.05 时；
• 熵（S）-体系的无序程度（热紊乱度）的度量。
• 自由能（ △G）-体系内可用于对外做功的能。 • 化学位（μi）-加入一克分子i组分时引起的体系
内自由能的变化。 • 自由度（F）-能在一定范围内自由变化而不改
变体系平衡的热力学（强度）参数。 • 相数（K）-体系内存在的、内部有一定化学成
分、彼此间有物理化学界面的个体数，如岩石 中的矿物数。
=
2(-202034)/19.1444x298 =-70.8
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T/K logfO2
(2) 298 16.5 500 -12.2 700 -9.1 900
(3) -70.8 -36.4 -22.7 -13.6
logfO2 (2)
-96.3, -51.6, -32.8, -21.6,

• X-ray diffraction, nuclear magnetic resonance, and infrared 红外线光谱 spectroscopy allow us to examine atomic ordering and bonding in natural materials.
地球的化学作用寓于地质作用之中，因此地球 化学研究不能脱离基础地质工作，它的一般工作程 序仍然是先野外，后室内。地球化学工作对样品处 理、测试方法和测试精度等常有自己特殊的要求， 因而更需要建立某些专门的方法和测试流程。地球 化学研究过程包括：通过对自然对象的观察和测试 获取第一性资料；在地球时-空结构中整理和研究 事实规律；反序地追踪历史。地球化学研究必须有 确定的目标、样品必须有明确的代表性、并收集尽 可能详实的基础资料、所获得的研究结果要能与宏 观地质事实互相对照和验证。
2.地球化学的基本思想（方法论）
• marriage of the fields of geology and chemistry. • But just how are chemistry and geology
combined within geochemistry; what is the relationship between them? • in geochemistry, we use the tools of chemistry to solve geological problems; that is, we use chemistry to understand the Earth and how it works.\ • the realm • The goals are no different from those of other fields of • Differ in fundamental ways with chemists