地球化学基础

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1、地球化学基础,张青伟 电话：15295889886 Email:,绪论主要内容,地球化学的基本问题及定义； 地球化学发展简史； 现代地球化学及其发展趋势； 地球化学研究方法；,赵伦山和张本仁编：地球化学1988，适用于地球化学与勘查专业本科，计划学时100，可作为地质类专业教学参考书。12章，60万字 韩吟文和马振东主编：地球化学2003，面向21世纪课程教材。 9章，46万字 陈俊和王鹤年主编：地球化学2004，南京大学将其定为面向21世纪教材，13章，88万字；,地球化学教材体系,地球化学教材体系,1988版 地球化学,绪 论 第一章 地球、地壳中化学元素的分布与分配 第二章 元素结合规律

2、与赋存状态 第三章 元素的地球化学迁移 第四章 微迹元素地球化学 第五章 同位素地球化学 第六章 常温水-岩体系地球化学 第七章 高温水-岩体系地球化学 第八章 硅酸盐熔融体系地球化学 第九章 有机地球化学 第十章 外部地圈与环境地球化学 第十一章 历史地球化学 第十二章 区域地球化学,地球化学教材体系,2003版 地球化学,绪 论 第一章 太阳系和地球系统的元素 丰度 第二章 元素的结合规律与赋存状 态 第三章 水-岩化学作用和水介质中 元素的迁移 第四章 地球化学热力学与地球化 学动力学 第五章 微量元素地球化学 第六章 同位素地球化学 第七章 岩浆化学作用 第八章 有机地球化学 第九章

3、地球的化学演化,2004版 地球化学,地球化学教材体系,绪 论 第一章 宇宙和地球的成因及组成 第二章 地壳及地幔中化学元素的分布 第三章 晶体化学 第四章 地球化学热力学 第五章 稳定同位素地球化学 第六章 放射性同位素地球化学 第七章 水溶液化学作用 第八章 有机地球化学 第九章 风化作用地球化学 第十章 沉积-成岩作用地球化学 第十一章 岩浆作用地球化学 第十二章 变质作用地球化学 第十三章 元素地球化学循环,地球内部不稳定核素自发衰变，释放能量，提供地球物质运动的主要能源。于是岩石发生熔融，岩浆侵入，火山喷溢，构造运动，地表风化剥蚀，沉积作用等等，造成全球规模地质作用。持续数十亿年的地

4、质构造变动不断改变着地球外貌和内部结构，也推动着元素及其同位素化合，分异，迁移，活动。,地质作用经久不息，元素迁移演化不止。地球科学面对一个经历几十亿年发展演化、目前仍处于强烈变动中的“活”地球。地质作用不但形成各种宏观地质体，同时造成地质产物中不同的物质组成，以及元素和同位素结合状态的微观现象。正是这些宏观和微观地质现象记录着地球变迁历史。地球科学的任务就是准确判读这一宏伟的自然“史卷”。,绪 论,地球内部热驱动地幔对流，将深部物质带到大洋中脊地表，温度压力降低导致组分分离或分异形成玄武质熔岩，富Si、K、Ca、Na、Al、Fe和碱金属，然后固结为组成洋壳的岩石，作为大洋岩石圈板块的一部分离

5、开大洋中脊。在消减带向下再次进入地幔。与此伴随的是进一步的化学分离，产生的流(熔)体向上进入大陆地壳作为富SiO2的花岗岩类固结，成为陆壳的主要组成部分。,作为化学工厂 的地质循环,作为化学工厂 的地质循环,在活动性气体和有机质参与下，与地壳岩石发生反应，产生又一次化学分异。这种情况下化学分离特别清晰，SiO2集中于石英砂和燧石中，铝进入粘土矿物，钙进入灰岩，重金属进入矿石。,当新的地幔物质被带到地表暴露在地表营力下，分异岩石再次被带到地下进入对流地幔中，来自两种作用的能量建立了进入岩石圈岩石流体的循环。,地幔对流：地幔对流怎样进行？何时产生？ 分异作用：上地幔中玄武岩怎样从橄榄岩中形成？玄武

6、岩又是如何形成花岗岩的？水和空气如何侵蚀花岗岩中的矿物？ 更深层次问题：对流和分异的最终结果是什么？地壳从地幔中分离的过程是怎样的？地壳物质通过消减作用回到地幔达到一种平衡状态了么？拟或地壳增长的总量如何？,这两种过程充满物理化学问题：,这两种过程充满物理化学问题：,时间问题：地幔对流，分异作用和消减作用进行了多长时间？它们最初是在何时和何地开始的？是怎样开始的？ 具有实际意义的问题： 上述过程如何影响大陆地表？金、铜、镍等有用金属如何成矿？人类活动对地球的化学机器产生了怎样的显著影响？对于人类生存环境产生了怎样的影响？,地球化学,绪 论,不同地质历史时期形成的地壳物质也不相同。,为什么不同时

7、间，不同空间形成的地质体的物质组成不同？ 地球化学必须回答的问题,自从Goldschmidt和Vernadsky的早期阶段以来，地球化学已经成为一门成熟的科学，在地球科学中起着中心科学的作用(plays a central role in the Earth Sciences Allegre,1995)，在过去50年中发展相当迅速，从建立岩石，土壤，水，地壳和地幔物质化学组成的分析方法角度出发，已经成为地球科学中解疑释惑(explanatory)的学科(Allegre,1995)。,绪 论,掌握地球化学的基本原理，基本知识和基本技能。学会将地球科学问题转换为地球化学问题，使用地球化学的思维方法

8、和方法技术将地球化学中的感性推断转变为理性理解，见微知著，然后返回地质学研究，站在新的科学高度理解地质学问题。,地球化学思维,1 地球化学的基本问题及定义,地球是个及其复杂的物质体系。地球科学具有众多分支学科，它们从不同侧面认识地球的过去和现在。 地球化学着重从地球的化学组成、化学作用和化学演化，即物质的化学运动形式方面研究地球。,1.1 地球化学基本问题,自然地质作用除形成宏观地质体外，还造成大量肉眼难以辨认的常量，微量元素和同位素成分的变化，以及它们之间相互结合和赋存状态方面的微观踪迹，包含重要的地质作用信息。应用现代分析测试手段观察这些宏观和微观踪迹，可以深入揭示地质事件的奥秘。,自然物

9、质的运动和存在状态是所处介质条件的函数。地球化学把任一地质作用都看成是一种热力学体系，反映地质环境的体系物理化学条件，作用于具有独立性格的原子，使之产生有规律的变化。根据现代基础科学理论解释变化的原因和条件，使地球化学有可能在更深层次上认识地质作用的机制。 地球化学问题必须置于地球或其子系统(区域岩石圈,壳,幔)中进行分析，以系统的组成和状态来约束作用过程的特征和元素的行为。,1.1 地球化学基本问题,围绕原子在地质环境中多方面的变化结果及其地质意义的分析，形成地球化学研究中的几个基本问题： I. 研究地球和地质体中元素及其同位素的组成。包括元素及其同位素含量在空间，时间及不同产状地质体中的变

10、化。元素的平均含量(丰度)和分布分配问题abundance，distribution，partitioning。 元素在地球及各层圈(壳、幔、核)中平均含量丰度问题。,1.1 地球化学基本问题,研究元素及其同位素含量在不同地质构造单元，岩石，矿物和矿床中的变化-元素分布和分配问题。 不同地质构造单元，不同岩石，矿床和矿物中，元素含量不同，这是因不同地球化学体系化学组成差异造成的。 相同类型地质构造单元，不同岩石，矿床和矿物中，元素含量也不完全相同，这是体系所处热动力学条件差异造成的。探讨元素在地球化学体系中不同相(矿物)之间含量变化及其与热力学条件的依存关系，是元素分配的研究范畴。从动态角度研

11、究可以获得元素自然演化的认识。,1.1 地球化学基本问题,II. 研究元素共生组合和赋存形式 共生组合:(association or paragenetic association)前者指组合，无成因含义。后者有成因含义。-具有共同或相似迁移历史和分配规律的元素常在特定地质体中形成有规律的组合-元素共生组合。Cu，Pb，Zn在热液矿床中；Cr，Ni， Co和PGE在基性超基性岩中形成共生组合。 赋存形式(存在,状态)(occurrence)：指元素在地质体中以什么形式存在。常见形式：化合物，类质同像混入物，机械混入物，包裹体及吸附物等。 元素结合状态是地质作用物理化学条件的指示剂，元素存在形

12、式具有成因意义。,1.1 地球化学基本问题,III. 研究元素的迁移(transportation): 元素地球化学迁移或搬运：指元素因其性质不同，在自然界各种外界条件影响下不断结合，分离，集中和分散的运动。 例如：元素集中矿物矿物集合体(岩石,矿体)矿床。元素分散地球化学负异常。 集中与分散对立统一，有集中必有分散，反之亦然。南岭W，Sn地球化学省W，Sn矿床W，Sn矿集区大型,超大型W，Sn矿床 元素迁移是地球化学研究的核心问题.,1.1 地球化学基本问题,IV. 元素迁移历史与地球演化(History，Evolution): 地球的历史是一个有大量地质事件(events)构成的漫长时间序

13、列，具灾变和渐变相间，分阶段循环叠加，总体单向发展的特征。对此化学元素具有“示踪作用”，即元素和同位素的迁移寓于地质作用之中。作用于微迹元素和核素地质作用的影响有可能越过后期叠加作用而被保留，通过微迹元素或同位素变异揭示地质作用过程的特征，称为微迹元素或同位素“示踪”，这些元素或同位素被称为示踪剂(tracer)。,1.1 地球化学基本问题,to know the distribution回答怎样和什么？How?和What? to discover the causes回答为什么,Why? to study reactions回答怎样进行反应, processes to assemble th

14、e reactions into geochemical cycles. 简称:KDSA.,1.1 地球化学基本问题,1.2 地球化学定义,地球化学是研究地球及有关宇宙体的化学组成(chemical composition, chemical constitution)、化学作用(chemical action, chemical process)和化学演化(chemical evolution)的科学 。,1）从研究对象来看：是地球及其子系统（地壳、地幔）及其自然作用体系（岩浆作用、沉积作用、变质作用、成矿作用、表生作用、生态环境）)，目前正在向宇宙天体拓展； 2）从研究形式来看：主要是元素

15、（同位素）在自然界的化学运动形式； 3）从研究时间来看：包涵了整个地球、地壳演化和全部地质作用时期；对单个元素（同位素）来讲，是研究它们的发生、不断发展及螺旋式演化的全部历史。 为此，地球化学是地质学与化学相结合的一门边缘学科，但本质上是隶属地球科学。,1.2 地球化学定义, 地球科学的一个分支 地球化学主要研究对象是地球、地壳及其地质作用，因此它是地球科学的一部分，其研究途径、思维方法更接近地质学，常是针对自然作用过程提出问题，通过地球化学理论和方法进行研究，最后得出对自然作用的认识。 地球科学（广义）：大气与气象、地理学、地质学、地球物理学、地球化学 固体地球科学：地质学、地球物理学、地球

16、化学,1.3 地球化学的学科特点,1.3 地球化学的学科特点, 着重研究地质作用中的化学运动形式及其规律 以区别于构造地质学和古生物学；以观察原子为出发点，研究原子活动的整个历史，包括元素富集与分散、固结形式及流体状态迁移等，重视研究微量元素及同位素，以此区别于矿物学、岩石学及矿床学的研究内容。地球化学基本原理具有更为普遍、更为深刻的意义。 地球化学是地球物质科学（material science of the earth）中研究物质成分的主干学科，兼具分支学科和基础理论学科的双重特点。,1.3 地球化学的学科特点, 以化学类学科科学为理论基础 广泛深入应用基础科学的理论和方法研究地球物质运动是地球化学的优势，包括无机化学、有机化学、物理化学、热力学、胶体化学、化学动力学等，而量子地球化学、配合物地球化学等等新兴学科的出现，是地球化学与化学基础理论发展紧密结合的产物。 在推动地质科学定量化,理论化和预测化的进程中地球化学起着带头学科的作用。,1.3 地球化学的