中南大学地球化学重点

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1、绪论地球化学的定义：地球化学是研究地球形成和演化过程中，地球（含部分天体）的化学组成、化学作用和化学演化的科学。地球化学与矿物学、岩石学、矿床学的关系。第一章丰度：指化学元素及其同位素在宇宙各类物体中的相对含量(平均含量)。丰度表示方法：重量丰度、原子丰度、相对丰度。元素的分布是指元素在一个地球化学体系中整体总含量。元素的分配是指元素在各地球化学体系内各个区域区段中的含量。分布是整体，分配是局部。陨石的分类：铁陨石主要由大于90%金属(Fe、Ni)和硅酸盐组成。铁石陨石由约50%金属和50%硅酸盐矿物组成。石陨石主要由硅酸盐矿物和10%金属(Fe、Ni)组成。可分为两类：球粒陨石和无球粒陨石球

2、粒陨石约10%金属（含球粒硅酸盐）无球粒陨石约1%金属，主要为硅酸盐。碳质球粒陨石是球粒陨石中的一个特殊类型，含有碳的有机化合物分子，并且主要由含水硅酸盐组成。数量上十分稀少，可用来估算太阳系中非挥发分元素的丰度。太阳系元素规律：太阳系中的元素分布是极不均匀的。原子序数较低的范围内，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范围内（Z45）各元素丰度值很相近。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。称为奥多-哈根斯法则。H和He是丰度最高的两种元素。 与He邻近的Li、Be和B具有很低的丰度，属于强亏损的元素。地壳中元素分布的一般规律:元素在地壳中分布极不均一。元

3、素的克拉克值大体随原子序数增大而降低。原子序数为偶数的元素总分布量，大于奇数元素的总分布量.相邻元素之间序数为偶数的元素的分布量大于奇数元素的分布量.地球：FeOMgSiNi地幔：OMgSiFeCa地壳：OSiAlFeCa元素的克拉克值：元素在地壳中的丰度（相对平均含量）（10-6 ppm 10-9 ppb，10-12 ppt） 第二章物质都主要由金属相、硅酸盐相和硫化物相三相组成。元素的三大结合规律：元素的地球化学亲和性、类质同象、晶体场论对过渡族元素行为的控制。地球化学体系的特征：T、P等条件的变化幅度和实验条件相比是相对有限的、是多组分复杂体系（阴离子阳离子）、开放体系、自发进行的不可逆

4、过程。元素在自然界中结合的规律：自然体系中元素的丰度、地球的物理化学条件（外因）、元素的化学性质、元素的晶体化学性质。元素的地球化学亲和性：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性地与某种阴离子结合的特性。硫倾向形成共价键、氧倾向形成离子键。丰度最高的阴离子是O 第二是S。金属丰度最高为Fe。亲硫元素中Cu是分布较广、亲硫性较强的元素，故Goldschmidt称亲硫元素为亲铜元素。组成地球岩石圈的矿物，主要为硅酸盐和碳酸盐矿物，和一部分氧化物（如石英、刚玉、磁铁矿等），这些均为氧的化合物，故Goldschmidt称亲氧元素为亲石元素。元素在自然界以金属状态产出的一种趋向性称为元素的

5、亲铁性。戈尔德施密特分类依据:以其提出的地球起源和内部构造假说为基础，根据化学元素的性质与其在地球各圈层间的分配。类质同象： 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的其他质点（原子、离子、配离子、分子）所占据，结果只引起晶格常数的微小改变，晶体的结构类型、化学键类型等保持不变，这一现象称为“类质同象”。固溶体： 进入晶体中的微量物质称为“类质同象混入物”，含有类质同象混入物的晶体被称为“固溶体”。类质同象置换的条件：离子（或原子）自身的性质，如半径相近、电价平衡、配位多面体的对称性相同和化学键类型一致；体系的物理化学条件，如温度、压力、组分特征和氧化还原条件等有利

6、于置换的进行；固溶体的热力学性质。控制类质同象置换的晶体化学因素：化学键、原子结合时的几何关系(半径、配位数等)、电中性原则、有利的矿物晶体结构。在元素周期表中，位于对角线上的亲氧元素之间的半径近似。因此，位于对角线的亲氧元素容易发生类质同象置换，故异价类质同象置换在周期表中存在对角线法则。戈尔德施密特的类质同象置换法则：优先法则、捕获-容许法则、隐蔽法则。不同成因磁铁矿中的标型元素组合特征：基性、超基性岩：富Cr3+、V3+、Ti4+、Mg2+、Ni2+、Co2+，贫Al3+；酸性岩、碱性岩：富Al3+ 、Sn4+， 而贫Mg2+；接触交代型碳酸盐岩：富Mg2+、Zn2+ 、Cu2+、 Ga

7、3+；沉积变质岩：富Mn2+ 、V3+ 和Ge4+；过渡元素：指元素周期表中第四至第七周期第三副族至第二副族之间的元素。过渡金属的离子是处于周围阴离子或偶极分子的晶体场中，前者称为中心离子，后者称为配位体。五重简并：在一个孤立的过渡金属离子中，五个d轨道的能级相同，电子云呈球形对称，电子在五个d轨道的分布概率相同，称为“五重简并”。晶体场分裂：当过渡金属离子处在晶体结构中时，由于晶体场的非球形对称特征，使d轨道的能级产生了差异，称为“晶体场分裂”。元素在固相中的存在形式：独立矿物、类质同象、超显微非结构混入物、吸附、与有机质结合。完全类质同象：晶体化学性质相近的元素之间可以置换，形成任意比例的

8、固溶体。不完全类质同象：晶体化学性质相差较大的离子之间的置换，由于受晶体结构的限制，只能形成一定比例的置换。 第三章微量元素的定义：自然体系中含量低于0.1%的元素。常量元素的分析方法：电感耦合等离子光谱ICP-AES、X荧光光谱法XRF微量元素的分析方法：原电感耦合等离子质谱ICP-MS、激光剥蚀电感耦合等离子质谱LA-ICP-MS吸留的概念：在沉淀形成过程中，由于沉淀生成过快，表面吸附的杂质离子来不及离开，表面就被再沉积上来的离子所覆盖，陷入沉淀晶体内部。能斯特定律：当一种矿物（相）与一种溶液（相）处于化学交换平衡时，微量元素i 在两相之间的化学势相等。能斯特分配定律表达式：KD(T,P)

9、 =bi/bi分散元素：有些稀有元素，并不生成纯态的矿物，有时候溶解、分散在别的元素的许多种矿物里。相容元素：当固相和液相共存时，倾向于进入固相中的微量元素，称为相容元素。分配系数D大于1的元素。不相容元素：当固相和液相共存时，倾向于进入液相中的微量元素，称为不相容元素。分配系数D小于1的元素。相容元素：趋向于在固相中富集的微量元素。尽管其浓度低，不能形成独立的矿物相，但因其离子半径、电荷、晶体场等结晶化学性质与构成矿物的主要元素相近，因此在岩浆结晶过程中，容易以类质同象置换形式进入固相（造岩矿物）。相容元素的固相/液相分配系数显著大于1。不相容元素：趋向于在液相中富集的微量元素。由于其浓度低

10、，不能形成独立的矿物相，并且因其离子半径、电荷、晶体场等性质与构成矿物的主要元素相差较大，而使其不能进入矿物相。它们的固相/液相分配系数接近于0。大离子亲石元素（LILE）：离子半径大，离子电荷低，离子电位3，难溶于水，化学性质稳定，为非活动性元素，可以作为“原始”物质组成的示踪剂。微量元素分配演化的定量模型主要包括：由岩石形成岩浆的部分熔融模型平衡部分熔融 （分批熔融、批次熔融） 分离部分熔融 （分馏熔融，瑞利熔融）岩浆熔体结晶分异作用模型 分离结晶作用 （ 瑞利结晶作用）平衡结晶作用 部分熔融作用：平衡部分熔融：岩石的熔融过程中，液相始终与残留固相之间完全保持化学反应平衡，直至分散的熔体聚

11、集到一定程度，使其能成批地一次从残留固相中逸出为止。分离部分熔融：又称瑞利熔融，是指熔体从固相中连续不断地被分离出来的过程。稀土元素：是原子序数从57（La）到71（Lu）的镧系15个元素。REE的性质：地球化学作用过程中常作为一个整体而活动（整体性）、根据其分馏作用可作为（良好的示踪剂）、（抗干扰能力强）、（分布的广泛性）。镧系收缩：既半径下降第四章核素：核素是由一定数量的质子和中子构成的原子核。同位素：是指具有相同质子数和不同中子数的一组核素。稳定同位素：凡原子核能稳定存在1017a的就可称为稳定同位素。反之，就是放射性同位素。轻稳定同位素特点：原子量小，同一元素的个同位素的相对质量差异大

12、（5%）；同位素的组成变化是同位素分馏作用所产生的。其反应是可逆的。重稳定同位素特点：原子质量大，同一元素各同位素见得相对质量差异较小（0.7%-1.2%）；同位素的组成变化主要由放射性同位素衰变造成的。其演变是不可逆的。放射性衰变：自然界中不稳定核素不断自发的放射出质子和能量，转变为稳定的核素，这一过程称为放射性衰变或核衰变。（衰变、衰变、重核裂变）同位素衰变的基本特征：衰变作用发生在原子核内部，反应结果由一种核素变成另一种核素；衰变是自发的不断进行的，并有恒定比例；衰变不受T、P等物理化学条件的影响；衰变前后核素的原子数是时间的函数。衰变定律：单位时间内衰变的原子数与放射性母体的原子数成比

13、例。其数学表达式为：。半衰期：对于任何放射性同位素体系，放射性同位素衰变掉初始原子数的一般所需的时间。半衰期是衰变常数的倒数（）引起同位素成分的变化：与放射性衰变有关的过程。放射性同位素衰变，使母体（parent）同位素的数量随时间的推移不断减少，而子体(daughter)同位素的数量不断增加；由各种化学和物理过程引起的同位素分馏；与宇宙核合成有关的过程（宇宙成因的）谐和年龄 见PPT纬度效应：赤道大洋有最强的蒸发作用，海水的蒸发作用使汽相富集轻的水分子，云的凝聚过程中，重的分子优先凝聚成雨。水分子反复多次蒸发-凝聚分馏作用，将使内陆及高纬度地区雨、雪集中了最轻的水，而低纬度地区大洋中出现最重的水。这种随纬度增加大气降水的D和18O值都减少的现象，称为纬度效应。大气降水中D值与18O值之间有明显的线性关系： D=818O+10轻稳定同位素的分馏：物理分馏、动力分馏、平衡分馏、生物化学分馏。