《元素地球化学》课程思考题/练习题
第一部分
（提示：思考和回答下列问题时，手边应该至少有一张好用的元素周期表）
1.如何理解地球化学与化学的关系？
化学的定义是在分子、原子层次上研究物质的性质、组成、结构与变化规律的科学。地球化学的定义为：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。
化学的研究对象是各种化合物的分子或原子，其目的是为了了解其结构和性质用以合成新的化合物。地球化学的研究对象是元素在地球及各子系统(地壳、地幔、地核)中的性质。其目的是为了了解地球的组成、历史和地球化学作用过程。
地球化学是通过研究地质体中元素的化学性质，运用化学的方法来解决地质问题。
2.按照宇宙大爆炸假说，试述宇宙的元素和物质的形成历史。
在大爆炸发生的几分钟后，宇宙的温度降低到大约十亿开尔文的量级，密度降低到大约空气密度的水平。少数质子和所有中子结合，组成氘和氦的原子核，这个过程叫做太初核合成。而大多数质子没有与中子结合，形成了氢的原子核。
在大约37.9万年之后，电子和原子核结合成为原子（主要是氢原子），而物质通过脱耦发出辐射并在宇宙空间中相对自由的传播，这个辐射的残迹就形成了今天的宇宙微波背景辐射。
虽然宇宙在大尺度上物质几乎均一分布，但仍存在某些密度稍大的区域，因而在此后相当长的一段时间内这些区域内的物质通过引力作用吸引附近的物质，从而变得密度更大，并形成了气体云、恒星、星系等其他在今天的天文学上可观测的结构。
大爆炸后4亿-5亿年，温度100开。物质粒子开始凝聚，引力逐渐增大，度过“黑暗时代”后，第一批恒星星系形成。
随着第一批恒星的形成，原子在恒星的内部发生了核聚变反应，进而出现了氦，碳、氧、镁，铁等元素原子核。（值得注意的是，不同质量的恒星能引发的核聚变程度不同，太阳主要为氢—氦聚变，重一点的会引发碳—氧—镁聚变，再重的会引发下一轮聚变。总的顺序简略依次为：氢—氦—碳—氧—镁—硅—铁。但无论恒星多重，最终的聚变结果只能是铁，恒星内部不能产生比铁更重的原子核！）
元素周期表上所有元素(除人造元素)，都是在恒星大炼炉里形成的。铁以后的原子核，只能在超新星爆中产生。
3.试述：从位于中心的太阳向外，经过类地行星，到类木行星，主要元素组成
的变化规律。可以将H/He、亲铁元素、亲石元素、其他特殊元素分别论述。
太阳辐射控制了整个星云盘的温度分布，太阳星云中元素的分馏与凝聚，导致了各行星整体化学组成的差异。太阳星云中元素的分馏呈现出以下特征：
随着与太阳距离的增加，
（1）Fe、Co、Ni等亲铁的组成行星核的元素逐渐减少；
（2）早期凝聚的难熔元素，如REE、Ti、V、Th、U、Zr、Hf、Nb、Ta、W、Mo、Re、Pt等逐渐增多；
（3）亲石元素逐渐减少；
（4）亲铜和碱金属元素，在1~1.5AU范围内有增多的趋势，随后随距离增大丰度减小；
（5）H、He等挥发元素与亲气元素逐渐增多。
4.除了H、He等几个轻元素之外，光谱显示的太阳组成与实测(+计算)获得的
地球组成极为一致，试析其含义。
根据太阳大气光谱资料确定太阳系中挥发性元素含量的原理为：由于太阳表面温度极高，这些元素的原子都处于激发态，并不断地辐射出各自的特征光谱。太阳光谱的谱线数目和波长主要取决于太阳表层所存在的元素种类，而这些谱线的亮度则主要取决于元素的丰度。所以通过测定太阳光谱得到的数据能够得到太阳的元素组成。
原始太阳星云是由气体和尘粒组成，星际尘粒在围绕“原太阳”旋转过程中相互碰撞、拼合形成星子，最后形成地球。太阳光谱显示的除H、He等几个轻元素外，其他元素组成与地球极为一致，反映地球（这里的地球可以理解为未分异的原始地球，即相当于C1型球粒陨石）是由组成太阳的同样物质所形成。H、He等轻元素不一致是因为太阳辐射控制了整个星云盘的温度分布，靠近太阳的部分，H、He等挥发性物质蒸发，被太阳光压和太阳抛射出的物质驱逐出太阳系。
5.太阳系的元素丰度，为什么存在奇偶效应。
太阳系元素丰度具有显著的特点之一为：原子序数为偶数的元素其丰度值大大高于原子序数为奇数的相邻元素。
通过宇宙中元素总体分布规律分析，人们逐渐认识到宇宙中元素的丰度的分布与元素的化学性质无关，主要受到原子核的结构控制。原子核由质子和中子组成，其间既有核力（结合力）又有库伦斥力，当中子数和质子数比例适当时，例如O、Mg、Si、Ca的原子核中具有中子/质子=1，核最稳定，因此这些元素具有较大的元素丰度。随着原子序数的增加，核内中子数的增加速度往往大于质子数，原子核趋于不稳定，故而元素和同位素的丰度降低。偶数元素的原子核内，核子倾向成对，根据量子力学计算，此时原子核能降低，核稳定性增大，因而这种元素在自然界中的分布较广。奇数元素则核稳定性不如偶数元素，所以出现奇偶效应。此外元素的恒星合成过程也决定了元素的丰度大小。例如Li、Be、B作为氢燃烧的
一部分而转换成He，造成了宇宙中这部分的元素的亏损。又如O和Fe的丰度异常高是因为这两种元素是氦燃烧的稳定产物。（陈骏，地球化学）
注：12Mg破坏了偶数规则，与其自身元素化学性质有关，是地球化学演化的结果。
6.为什么选择陨石（通常选择球粒陨石）作为地球物质演化（元素和同位素）
的起点？
现代陨石根据成因分类分为：未分异型和分异型。绝大部分陨石形成于太阳星云的冷凝吸积过程，没有经历后期的熔融分异作用，因此称为未分异型陨石。这些陨石普遍含有一种球粒硅酸盐集合体，故通常称为球粒陨石。与之对应经历分异的陨石为分异型，其根据硅酸盐和金属相的含量划分为无球粒陨石，石-铁陨石与铁陨石三大类。
用球粒陨石成分作为地球的初始成分（地球物质演化的起点）是一种假设，因为球粒陨石没有经过分异，是最原始的物质，而且在太阳系刚形成的时候就形成了，有实验显示I型碳质球粒陨石的非挥发性元素的丰度与太阳光谱给出的元素丰度相一致，因此I型碳质球粒陨石被认为是太阳系的最原始物质，没有参与较大星体的凝聚分异过程，可以代表地球初始成分。并且目前也找不到比球粒陨石更好的物质去代表太阳系最初的成分，分异型的陨石都不能反映地球的初始成分。
按照行星形成理论，所有后来的物质都是由最原始的物质不断碰撞拼贴增生形成的，只是后来经过了核幔壳的分异，其平均成分和球粒陨石的一样。所以选择球粒陨石作为地球物质演化的起点。
7.试述大洋中脊玄武岩（MORB）在地球圈层分异中的意义。
MORB普遍认为是亏损地幔端员的部分熔融产物，该地幔端员主要位于上地幔软流圈。同时MORB也是洋壳的主要组成。所以大洋中脊玄武岩MORB的形成代表着大洋地壳与大洋岩石圈地幔分异，同时MORB源区亏损地幔端员代表着地球早期壳幔分异之后的亏损的残留体，即亏损地幔的组成可以通过MORB来反演，所以MORB能反演地球早期圈层分异（壳幔分异）的成分变化以及随后地壳演化分异。
8.比较原始地幔和平均大洋地壳的主要组分，找出其中最突出的差别，至少举
出三项。
原始地幔是指地球增生以及核幔分离后，但还没有分离出地壳时的地幔。洋壳相对于原始地幔，主元素变化：（1）SiO2没有变化，（2）K2O，Na2O升高，（3）CaO升高，（4）Al2O3升高，（5）FeO升高，（6）MgO降低。
