地球化学的重点

绪论 1、现代地球化学的定义：地球化学是研究地球 (含部分宇宙体)的化学组成、化学作用和化学演化的科学。即研究元素在太阳系、地球、地壳及其子系 统中的分布、分配、集中、分散、共生组合、 迁移和演化历史的科学。 2、地球化学学科特点：地球化学研究的主要物质系统是地球、地壳、地幔及地质作用体系, 因此它是地球科学的一部分。 3、地球化学的研究内容： （1）地球化学着重研究地球系统中的化学运动，地球系统的运动形式主要有: A、物理运动:断层、板块运动、地幔岩部分熔融 B、化学运动:元素活动、化学反应、矿物形成 C、生物运动:各类生化反应、生物体发育死亡 各种运动形式相互依存. （2）相对静态的矿床学、矿物学、岩石学而言,元素迁移是地球化学研究的重要问题。 4、地球化学研究的基本问题： 第一: 元素（同位素）分布与分配特征 第二: 元素的共生组合和存在形式 第三: 研究元素的迁移 第四: 研究元素（同位素）的行为 第五: 元素的地球化学演化 5、地球化学研究方法： 1)野外工作方法 (1).宏观地质调研 (2).运用地球化学思维观察认识地质现象 (3).在地质地球化学观察的基础上，根据目标任务采集各种地球化学样品。这一环节关系导地球化学研究工作的成败，为此在样品的布局和采样时必须要注意以下三个问题： ①明确的代表性②样品的系统性③样品的统计性 2)室内工作方法 (1).“量”的测定，应用精密灵敏的分析测试方法，获得元素在各种地质体中的含量值。 (2).“质”的研究，也就是元素结合形态和赋存状态的研究 (3).地球化学作用的物理化学条件的测定和计算 (4).模拟地球化学过程，进行模拟实验。 (5).测试数据的多元统计处理和计算——计算地球化学。

第一章太阳系和地球系统的元素丰度 1、丰度:一般认为是元素在任何宇宙体或地球化学体系中（如地球、地球各圈层或各个地质体等）的相对含量（以元素的平均含量表示），即元素的“丰度”。 2、分配:是指元素在各宇宙体或地质体内部各个部分或区段中的含量。 3、分布:元素在一个地球化学体系中（太阳、陨石、地球、地壳、某地区等）的整体总含量（以元素的平均含量表示） 4、克拉克值：是地壳中元素重量百分数的丰度值。是费尔斯曼提议而命名的。 5、浓度克拉克值：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；浓度克拉克值＞1意味该元素在该地质体中集中了；浓度克拉克值＜1意味该元素在 该地质体中分散了。 6、区域克拉克值：是指地壳以下不同构造单元中元素的丰度值。如地盾区域元素克拉克值。 7、浓集系数：浓集系数 = 某元素最低可采品位/某元素的克拉克值 。浓集系数反映了元素在地壳中倾向于集中的能力。 8、载体矿物 9、富集矿物 10、陨石：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。 11、行星：行星通常指自身不发光，环绕着恒星的天体。 12、太阳系元素丰度规律 （1）H和He是丰度最高的两种元素，这两种元素几乎占了太阳中全部原子数目的98％； （2）原子序数较低的元素区间，元素丰度随原子序数增大呈指数递减，而在原子序数较大的区间（Z＞45）各元素丰度值很相近； （3）原子序数为偶数的元素其丰度大大高于相邻原子序数为奇数的元素。具有偶数质子数（P）或偶数中子数（N）的核素丰度总是高于具有奇数P或N的核素，这一规律称为Oddo－Harkins（奥多--哈根斯）法则，亦即奇偶规律； （4）质量数为4的倍数（即α粒子质量的倍数）的核素或同位素具有较高丰度(丰度占总数的87％) 。此外还有人指出，原子序数（Z）或中子数（N）为“幻数”（2、8、20、50、82和126等）的核素或同位素丰度最大。例如，4He（Z=2，N＝2）、16O（Z=8，N=8）、40Ca（Z=20，N=20）和140Ce（Z=58，N=82）等都具有较高的丰度； （5）Li、Be和B具有很低的丰度，属于强亏损的元素，而O和Fe呈现明显的峰，为过剩元素。 13、太阳系元素丰度的研究方法 太阳光谱测量、陨石研究、宇航样品和星体观察等。 14、太阳系元素起源：太阳系物质具有共同的起源，因此通过对太阳系的形成过程的了解来认识地球和其它行星的形成与演化。由于太阳占据了太阳系质量的绝大部分，通过对其化学组成的了解，并结合陨石、月球和其它行星组成的研究成果，可对元素在太阳系中的丰度特征进行确定。 15、地球元素丰度研究方法 （1）陨石类比法 直接利用陨石的化学成分，经算术平均求出地球的元素丰度。计算时假设： 1) 陨石在太阳系中形成； 2）陨石与行星带的物质成分相同； 3）陨石是已破碎了的星体碎片； 4）产生陨石的星体（母体），其内部结构和成分与地球相似。 （2）地球模型和陨石类比法 马逊（1966）根据现代地球模型，认为地球的总体成分应取决于占地球总质量99.3％的地核和地幔， 因此他用球粒陨石中的硅酸盐相（silicate phase）代表地幔，用金属相（metal phase）和陨硫化物（torilite phase）代表地核，再用质量加权法计算出地球的平均化学成分，故又称“SMT”法。 （3）地球物理类比法 黎彤（1976）首先采用了这种层壳模型的地球物理类比法。该方法是先求出地壳、上地幔、下地幔和地核4个圈层的平均成分，取各个壳层的质量分数加权平均得到整个地球的平均化学成分。 16、地壳元素丰度规律 （1）地壳中元素的相对平均含量是极不均一的，丰度最大的元素是O：47%，与丰度最小的元素Rn的6×10-16相差达1017倍。相差十分悬殊。 （2）地壳中元素丰度不是固定不变的，它是不断变化的开放体系。 （3）对比地壳、整个地球和太阳系元素丰度数据发现，它们在元素丰度的排序上有很大的不同。 17、研究地壳元素丰度的意义 （1）控制元素的地球化学行为 1）元素的克拉克值在某种程度上影响元素参加许多化学过程的浓度，从而支配元素的地球化学行为。 2）限定自然界的矿物种类及种属 3) 限制了自然体系的状态 4）对元素亲氧性和亲硫性的限定 （2）可作为微量元素集中、分散的标尺 1）可以为阐明地球化学省(场)特征提供标准。 2) 指示特征的地球化学过程 3) 浓度克拉克值和浓集系数 4) 地壳丰度对地壳能源的限制

第二章元素的结合规律与赋存形式 1、地壳中元素与O、S不同的地球化学亲和性的原因: （1）O、S 本身的电子层结构差异，获取电子能力和方式不同； （2）与之结合的阳离子自身的电子层结构。 （3）结合时体系的物理化学条件 2、元素在自然界中的赋存形式 1)独立矿物---指粒度 > 0.001 mm,有特定化学性质。 2)类质同象---特点是进入晶格,结构混入物。 3)超显微非结构混入物---直径<0.001 mm的包裹体,特点是不占主晶格位置,是独立化合物,但又不能分离出来或进行矿物学研究。 4）胶体吸附---离子或化合物分子被吸附在粘土矿物的表面,存在于晶体缺陷或解理面中,是独立化合物,但不占主晶格位置。 5)与有机质结合---被有机物吸收,形成金属有机化合物. 3、自然界中的元素的种类和实验室中的元素种类不同的原因 4、元素的结合规律 5、元素的亲和特征 双重性和过渡性：自然界元素的亲和性不是绝对的，存在着双重性和过渡性。 6、类质同象：以原子、离子、络离子或分子为单位取代矿 物晶格构造位置中的相应质点。 7、晶格常数：晶格常数是晶体物质的基本结构参数，它与原子间的结合能有直接的关系，晶格常数的变化反映了晶体内部的成分、受力状态等的变化。晶格常数亦称为点阵常数。 8、类质同象替换条件 在矿物晶格中质点间（原子、离子和络离子）的类质同象代换不是任意的，代换的可能性和代换的程度受质点的性质、矿物晶格类型及环境条件的限制。 （1）晶体化学条件 ①原子或离子半径相近（离子电价和离子类型相同的离子键化合物） ②化学键类型相同或相似 ③代换前后总电价平衡“电价补偿”：对于离子化合物来说，类质同象代换前后，正负离子电荷保持平衡，否则将引起晶格的破坏。 ④被代换的矿物晶体构造特：征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代换的能量角度： 代换前后的能量（生成热）应当相似。 ⑥类质同像发生的热力学分析：当多种元素进入矿物晶格时．各元素是各自形成独立矿物还是以类质同像状态进入同一矿物中．从热力学角度分析，取决于化合过程的反应吉布斯函变△rGism。只有△rGism ＜0时，才能形成类质同像化合物。 △rGism ＞0时．则形成两个独立的矿物。 （2）物理化学条件 ①组份浓度 —“补偿类质同象”： 一种熔体或溶液中如果缺乏某种组份，当从中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 ②氧化还原电位 充。 9、类质同象替换法则 （1）对角线规律（由费尔斯曼总结）：异价元素 间类质同象要求电价平衡，但对半径要求小些，反映在周期表上，于左上方、位于对角线上的亲氧元素间半径相似，易形成类质同象。 （2）Goldschmist类质同象法则： 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”。 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（化学键弱）将在晚阶段矿物中富集。 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”（capture），低价离子“允许”(admit)进入晚期矿物。 （3）Ringwood法则: 10、类质同象的意义 类质同象是支配地壳中元素(特别是一些微量元素)共生组合的一个重要因素。 （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 11、晶体场理论：晶体场理论是研究过渡族元素化学键的理论，它从分析各种配位结构中离子外层电子的运动状态和能量入手，将配位体离子当作点电荷来处理。它是在静电理论的基础上，应用量子力学和对称性理论、群论的一些观点，重点研究配位体对中心离子d轨道或f轨道的影响，来解释过渡族元素和镧系元素的物理和化学性质。 12、晶体场稳定能：具体的一个过渡元素离子在晶体场中所得到的总稳定能，称晶体场稳定能。 13、晶体场分裂能：d轨道电子能级分裂后的能量差，相当于一个电子从低能级跃迁到高能级所需的能量。 14、八面体择位能：八面体与四面体晶体场稳定能之差叫八面体择位能。 15、元素地球化学分类方法（为什么不能用元素周期表分类） 16、戈尔施密特分类方法：根据元素外电子层结构、元素在原子容积曲线上的位置、元素的磁性、元素对不同元素的化学亲和力，戈尔德斯密特在1932年将元素分为亲气元素、亲石元素、亲铁元素、亲铜元素和亲生物元素五类。 17、差瓦里斯基分类方法：根据元素的电子层结构及其晶体化学参数，同时考虑元素在岩石及矿床中的共生组合，查瓦里茨基将全部元素分为12族。