中国矿大地球化学2010考点

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1、地球化学绪论：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。第一章：地球化学体系的的特点： （1）有一定的空间范围（ 2）一定物理化学条件下，处于特定的物理化学状态(3 有一定的时间连续性 ) 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： 主要由金属Ni-Fe

2、(98%)和少量其它矿物如磷铁镍古矿 (Fe,Ni,Co)3P、陨硫铁 (troilite) （FeS)、镍碳铁矿（ Fe3C)和石墨 (graphite)等组成。(2)石陨石 ：主要由硅酸盐矿物silicate minerals 组成。根据它是否含有细小而大致相近的球状硅酸盐结构而进一步分为球粒陨石和无球粒陨石。球粒主要是橄榄石和辉石，有时为玻璃；无球粒陨石缺乏球粒结构，成分上与前者也有差异。(3)石-铁陨石： 由数量大体相等的Ni-Fe 和硅酸盐（主要是橄榄石，偶尔辉石）组成。丰度：一般指一种化学元素在某个自然体中的重量占这个自然体的全部化学元素总重量的相对份额（如百分数）。一般指元素在这

3、个体系中的相对含量（平均含量） ，即元素的 丰度 ，克拉克值： 地壳中元素重量百分数的丰度值浓度克拉克值：某元素在某一地质体中平均含量/某元素的克拉克值 。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。地球元素丰度研究方法： 陨石类比法； 地球模型与陨石类比法； 地球物理类比法太阳系：HHeOCNeNFeSiMgS；特征规律：1.原子序数较低的范围内，元素的丰度随原子序数增大而呈指数递减，而在原子序数较大的范围内（Z45）个元素丰度值很接近；2.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

4、元素；3.H 和 He 的丰度最高的两种元素；4.与 He向邻近的 Li 和 Be、B 具有很低的丰度，属于强亏损的元素；5.在元素丰度曲线上O 和 Fe呈明显的峰，它们是过剩元素；6.质量数为 4 的倍数的核素和同位素具有较高丰度；地球： FeOMgSiNiSCaAlCoNa ；特征： 1.地球物质的 90%由 Fe、O、Si 和 Mg 四纵元素组成； 2.含量大于 1%的元素有 Ni、Ca、Al、和 S；3.Na、K、Cr、Co、P、Mn 和Ti 的含量均在 0.01%-1%扥范围；地壳： OSiAlFeCaNaKMgTiH ; 特 征 ： 与 地 球 和 太 阳 系 相 比 ， 最 丰

5、富 的 十 种 元 素 是O-Si-Al-Fe-Ca-Na-K-Mg-Ti-H ；不均匀性：前 13 种元素占地壳总重的99.7；其余只占 0.3。分布量随原子序数增大而降低。偶数规则：偶数原子序数元素丰度高于相邻奇数元素，但有例外。四倍规则： 4q型（如 16 O 等）占 87；4q3 型（如 27 Al 等）占 13；4q2 型（如 238 U 等）和 4q1 型（如 9 Be ）只占千分之几。差六规则： 在丰度对数曲线上出现峰值的元素，其原子序数之差为6 或 6 的倍数。原子核内质子和中子的奇偶性：偶偶：60；偶奇和奇偶：35；奇奇：5。壳层规则（幻数）：2, 8, 14, 20, 28

6、, 50, 82, 126 。（幻數是指原子核中质子数和中子数的某个特定数值，当质子数或中子数為幻数，或者二者取值均為幻数時，原子核显示出很高的稳定性） 。放射性蜕变：U238， U235， K40、 Rb87 减少；Pb206、 Pb207、 Pb208，Ar40，Sr87增多。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一段漫长时期内元素演化历史的最终结果。第二章地球化学体系的特征：（1）温度、压力等条件的变化幅度与实验条件相比相对有限（2）是多组分的复杂体系3（3）体系是开放的 4（4）自发

7、进行的不可逆过程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地与某种阴离子结合的特性，称元素的地球化学亲和性。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，硫倾向形成共价键（或配价键的给予体），氧倾向形成离子键（或部分共价键）类质同象和固溶体： 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 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又称为固溶体。同质多象：是指具有同样的化学

8、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。类质同象置换条件： 1)离子（原子）自身性质2）体系物理化学条件3）固溶体热力学性质控制类质同象置换的晶体化学因素： （1）化学键性（ 2）原子（离子）结合时的几何关系（ 3）化合物的电中性原则（ 4）有利的矿物晶体构造（） 5 代换的能量角度类质同象置换法则 ：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 ，低

9、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，丰度低微量元素进入矿物晶格，为主量元素所 隐蔽 。2、 林伍德法则： 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。意义：1.确定了元素的共生组合； 2.决定了元素在共生矿物间的分配；3.支配微量元素在交代过程中的行为；4.类质同像的元素比值可作为地质作用过程和地质成因的标志；5.标型元素组合；

10、6.影响微量元素的集中和分散； 7.对自然界环境有影响；元素在固相中的存在形式：独立矿物类质同象超显微包裹体 吸附与有机质结合 研究方法 ：元素含量测定显微镜法萃取法晶格常数测定： X 光衍射法电子显微镜扫描与有机质结合晶体场理论概要 (1)正八面体配位时d 轨道的分裂和晶体场分裂能五重简并：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 轨道的能级产生差异，称为 晶体场分裂 。晶体场分裂能：将一个孤立的过渡金属离子放在正八面体配位的晶体中时，

11、 五个 d 轨道都受到配位体负电荷的排斥，轨道总的能级提高；由于正八面体配位场中配位体质点处于直角坐标的三个垂直轴方向，故 dr 轨道电子云的瓣指向配位体， 使两个 dr 轨道电子的被排斥力比 d? 轨道的被排斥力大， dr 轨道的能级要比 d? 轨道电子的能级高得更多，dr 轨道电子的能级与d? 轨道电子能级间的能量差，称为 晶体场分裂能 。 (2)晶体场稳定能： d 轨道电子能级分裂后的d电子能量之和，相对于未分裂前d 电子能量之和的差值。 (3)电子的高自旋状态和低自旋状态(4)八面体择位能第三章：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

12、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。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

13、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增大将导致其他难溶化合物的溶解度增大，称为盐效应。4 胶体的作用；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

14、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、E 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： EhE1E2E3 ?En。7 温度、压力的影响水-岩化学作用的基本类型：1.氧化还原反应 2 脱水和水解反应3 水合作用 4 碳酸盐化或脱碳酸盐化5 阳离子的交换反应地壳中水流体相的形成(1)沉积物 去流体 作用(2)变质作用放出流体(3)岩浆作用产生热液。地表水溶液元素搬运形式

15、四种基本类型：(1)易溶盐类 氯化物利硫酸盐 .主要包括有NaCl、KCl、MgCl2、MgSO4、CaS04等。它们在河水中只呈离子真溶液形式被搬运，任何时候都不形成胶体溶液和机械悬俘物状态。(2)碱土金属的碳酸盐 (CaCO3、MgCO3 等)和 SiO2 等; 碳酸盐主要呈溶解的重碳酸盐形式被搬运。SiO2 既可呈真溶液形式、又可呈悬浮物形式被搬运。有资料显示，硅酸盐主要是呈真溶液形式被搬运的，并且明显处于未饱和状态。（3） Fe、Mn、P 的化合物以及V、Cr、Ni、Co、Cu 等元素 。这些元素的化合物一般溶解度较小，因而它们部分以真溶液， 还有以胶体溶液搬运。（4）石英、硅酸盐和铝

16、硅酸盐类矿物溶解度极小，以悬浮物和沿底部拖曳粗粒物形式搬运。体系组成对水 岩作用的影响：（1）溶度积：温度一定，难溶强电解质溶液中离子浓度乘积为一常数，称为溶度积常数（2）活度积原理： 离子积大于活度积时，发生沉淀；离子积小于活度积时，发生溶解（3）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（4）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）同离子效应和盐效应的关系（6）胶体的作用（理解） 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。 如 Mg 的氢氧化物自溶液中沉淀的pH值较高， Mg 在水介质中的迁移