东华理工大学地球化学复习资料.doc
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1、(完整版)东华理工大学地球化学复习资料地球化学复习资料1120103绪论1. 地球化学:是研究地球的化学成分以及元素在其中的分布、分配、集中、分散、共生组合与迁移规律、演化历史的科学.2. 研究对象:地球(minerals、rocks、atomsphere、water bodies、crust、mantle、core)太阳系3. 研究内容: 元素的分布、分配 元素集中、分散、共生组合、迁移规律-核心:元素的化学作用和变化。4. 学科特点(1)对象:地球、地壳等及地质作用-用地球化学方法研究以认识自然作用。(2)以化学等为基础,着重于化学作用。矿物岩石学:由结构构造了解成因构造地质学:由物理运动
2、了解过程古生物学:由形态获得信息(3)理论性与应用性理论性:从化学角度查明过程、原因应用性:生态环境及治理、农业.矿产资源勘探、开发5. 地球化学的研究方法I.野外工作方法(1)。现场宏观观察: 地质现象的时空结构 查明区内各种地质体的岩石-矿物组成及相关作用关系 由此提供有关地球化学作用的空间展布、时间顺序和相互关系 (2)地球化学取样: 代表性 系统性(空间、时间、成因) 统计性.II。室内研究方法(1)精确灵敏的测试方法 (2)研究元素的结合形式和赋存状态(3)作用过程物理化学条件的测定(e.g。pH、Eh、o2、salinity、concentration、 ionization st
3、rength)(4)自然作用的时间参数(5)实验室模拟自然过程(6)多元统计计算和建立数学模型6。地球化学的发展趋势经验性理论化定性 定量单学科研究 多学科结合研究理论和方法的发展使其参与和解决重大科学问题的能力不断增强.第一章 太阳系和地球系统元素的丰度1。太阳系元素组成的研究方法直接采样分析(地壳岩石、陨石等)光谱分析(太阳)由物质的物理性质与成分的对应关系推算(行星)利用飞行器观察、直接测定或取样分析测定气体星云或星际间物质分析研究宇宙射线2.陨石:落到地球上的行星物体碎块,即从行星际空间穿越大气层到达地表的星体残骸 3. 陨石的分类4。陨石的化学成分 (1)铁陨石:主要由金属NiFe(
4、98%)和少量其它矿物如磷铁镍古矿(Fe,Ni,Co)3P、陨硫铁(FeS)、镍碳铁矿(Fe3C)和石墨等组成。 (2)石陨石:主要由硅酸盐矿物组成.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。5。球粒陨石与无球粒陨石的区别6。球粒陨石的分类 根据化学成分的不同,分为5个 (1)E 群(顽辉石球粒陨石);(2)H群(高铁群普通球粒陨石)(3)L群(低铁群普通球粒陨石)(4)LL群(低铁低金属群普通
5、球粒陨石)(5)C群(碳质球粒陨石) (H、L和LL群统称普通球粒陨石)。7.无球粒陨石的分类根据CaO的含量划分为:(1)贫钙型 (Ca) 3 ; (2)富钙型 (Ca) 5%;根据成因划分为:(1)斜长辉石无球粒陨石系列;(2)顽火辉石无球粒陨石系列;(3)尚未划分出成因系列的无球粒陨石。8.铁陨石与石铁陨石的区别铁陨石:主要由铁镍合金、陨硫铁以及少量Fe、Ni、Co、Cr、Ti、Cu、Zr的硫化物、碳化物、氯化物、磷化物、氧化物与磷酸盐以及自然铜、石墨等矿物组成。按多参数微量元素分类,铁陨石可分为13个化学群。石-铁陨石:则由近乎相等的石陨石和铁陨石组成,较为少见。9.碳质球粒陨石 是一
6、类脆性的黝黑的球粒陨石.其成分具有下列特点:主要由含水硅酸盐粘土矿物组成,常见者为细粒的蛇纹石或绿泥石;含大量挥发分,主要为水、硫、氙等;没有或只有极少的金属铁镍,有少量陨硫铁;含有大量的有机化合物,多半是高分子化合物,包括羟、脂族羟和芳族羟,多呈黑色,难溶,含水度为20%,一般是化合水;还发现有氨基酸。碳质球粒陨石容易风化, 在球粒陨石中比较罕见,约5%,但一般认为在太空陨星体中可能很普遍。10.碳质球粒陨石分类:通常分三类,用型、型、型或用C1、C2、C3来表示,依次含碳量递减而球粒数目递增。如型含水和有机质最多,化合碳为3%5%,烧失量24%30%;型含水和有机质成分中等,烧失量1224
7、;型含高温矿物和若干金属组分,烧失量2%12。11。行星的化学成分(1)地球和类地行星(地球、Mercury、Venus、Mars): 质量小、密度大、体积小、卫星少。物质成分以岩石为主,富含Mg、Si、Fe等,亲气元素含量低。(2)巨行星(木星和土星): 体积大、质量大、密度小、卫星多.主要成分为H和He.(3)远日行星(天王星、海王星、冥王): 成分已冰物质为主,H大约10%,He、Ne平均为12%.12. 月球的化学成分克里普岩:是一种富含钾、稀土元素、和磷的岩石。13. 丰度-指化学元素及其同位素(核素)在宇宙各类物体中的相对含量。(以si原子数量作为1)14。元素丰度及其规律(1)在
8、原子序数较低的元素来说,丰度随原子序数增大呈指数递减;(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元素;(3)H和He是丰度最高的两种元素(占太阳系全部原子数目的98);-奇偶规则(4)与He相近的Li、Be和B具很低的丰度,属于强亏损的元素;(5)在丰度曲线上O和Fe呈明显的峰,它们是过剩元素;(6)质量数为4的倍数的核素或同位素具有较高丰度。-四倍规则第二章 地球的结构和化学成分1。地球元素丰度:(1)元素丰度的研究方法:陨石类比法:a. 陨石在太阳系形成;b.陨石与小行星成分相同;c.陨石是破坏了的星体碎片;d。产生陨石的星体,其内部结构和成分与地球相似。地球模型和陨石类
9、比法: 按地球的各主要圈层的比例计算:a。地核(32。4%)-球粒陨石的镍铁金属相+5。3陨硫铁(硫化物相)代表;b。地幔+地壳(67.6%)球粒陨石的平均硅酸盐成分地球物理类比法(黎丹): A+B+C+D+E+F+G(层)结合地球物理资料。(2)地球元素丰度及其规律: Fe+O+Si+Mg 90%;含量大于1%的元素:Ni、Ca、Al、S;含量介于0.01%-1的元素Na、K、Cr、Co、P、Mn、Ti。地球元素丰度遵循太阳系元素丰度的基本规则,如奇偶规律、递减规律等。2. 地壳的平均化学成分与元素克拉克值(1)地壳平均化学成分的确定方法:Clarke Method (5159 sample
10、s,50 elements; 1924):Goldschmidt Method (Method Fine-grained Clastic Rock )a。 剥蚀区 b。 适合于区域地壳成分的估计 地壳模型法: Basic rock/acidic rocks=1(基性岩代表下地壳,酸性岩代表上地壳)(2) 元素克拉克值及其意义:定义:地壳中各元素的相对平均含量称为克拉克值。如以重量百分数表示,称之为“重量克拉克值”,简称“克拉克值”;如以原子百分数表示,则成为“原子克拉克值”。意义:a。元素克拉克值影响着元素参加地壳地球化学过程的浓度,支配着元素的地球化学行为;b.元素克拉克值可以为阐明地球化学
11、省的特征提供依据;c.依据克拉克值可以计算出地壳中地球化学性质相似或相关元素之间的平均比值。上部地壳深成岩体的体积比例花岗岩类和花岗闪长岩类 77 石英闪长岩类 8 闪长岩类 1 辉长岩类 13 %正长岩类、斜长岩类、橄榄岩类 1 % 3。地壳中元素分布的一般规律 与地球和太阳系相比,最丰富的十种元素是 地 壳:O-SiAl-Fe-CaNaK-Mg-Ti-H 地 球:Fe-OMgSi-NiSCaAl-CoNa 太阳系: H-He-ONeNC-SiMgFe-S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。例外:Li, Be, B; 232Th、238
12、U、235U;贵金属, Se, Te等。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(4Be、12Mg、 4Si、 24Cr、 32Ge、 34Se、42Mo、52Te、 74W)。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, 50, 82, 126。(幻數是指原子核中质子数和中子数的某个特定
13、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。4. 地幔的组成上地幔(从Mohorovic面到350km深度)由橄榄石斜方辉石单斜辉石石榴子石组成。过渡带(350900km):地幔岩发生相转变,伴随密度改变,引起地震波的不连续,350400km的地震波不连续面与橄榄石相(类尖晶石结构)、辉石石榴子石复杂670km深处地震波不连续则与辉石、橄榄石转变为钛铁矿结构和钙钛矿结构的相变相吻合。 下地幔(9002700km)是结构极为紧密的Mg、Fe硅酸盐
14、矿物组合(如钙钛矿结构等)。固熔体的相变带对应。原始地幔:是一种假想的地质体,是在地球内部、地壳、和地幔已经分离出来亏损地幔:又称“残留地幔”,指曾经对地壳形成做出过贡献,易熔组分被明显的消耗掉的地幔物质,其中大离子亲石元素、热产元素等明显亏损,难熔组分则相对富集,这样的地幔称为亏损地幔。5.地球外部圈层的组成1。大气圈电离层:80350km(1000km:外电离层)平流层:30km(3060同温层);对流层:820km.从地表到60km高空的大气成分是近于均匀的,主要由N2、O2和Ar组成。随着离开地面距离增加,大气圈变得稀薄了,但仍然以氮和氧为主。次要组分中臭氧和二氧化碳很重要.臭氧主要集
15、中在平流层内,它吸收紫外线辐射;二氧化碳对地球的碳循环很重要,是主要的温室气体之一,对气候有重要影响。2. 水圈地球表面98 %左右的水分布于海洋.因此,海水的平均组成可视为水圈的平均组成。以下这些元素的浓度比例近似恒定,生物活动和总盐度对其影响不大,称为“保守元素”,即:5种阳离子,5种阴离子和1种分子的总和占海水盐分的99。9第三章 元素的结合规律与赋存形式1。地球化学体系的特征(1) T、P等条件的变化与实验条件相比相对有限(2) 多组分复杂体系-元素92种,同位素354种(3) 开放体系。(4) 自发进行的不可逆过程。2。自然过程产物的特征(1)自然稳定相(矿物)及各种流体相的总数有限
16、(2)元素形成自然分类组合。(3)与各种阴离子结合的阳离子也组成特征各异的共生元素组合(4)自然稳定相都不是纯的化合物。几乎每一种矿物都是一个成分复杂、元素含量与一定变化范围的混合物系列。(5)在地壳的物理条件下,相似的物质组成和类似的作用过程会使自然作用产物的类型重复出现。3.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为元素的地球化学亲和性。4.元素地球化学亲和性分类:根据元素在自然界丰度的高低,分为以下三类:亲氧/亲石/亲岩/造岩元素: 能与氧以离子键形式结合的金属元素称为亲氧元素.包括K、Na、Ca、Mg、Nb、Ta、Zr、Hf、RE
17、E等.亲硫/亲铜元素:能与硫结合形成高度共价键的金属元素称为亲硫元素,如Cu、Pb、Zn、Ag等。亲铁元素:在自然体系中,特别是在氧、硫丰度低的情况下,一些金属元素不能形成阳离子,只能以自然金属存在,它们常常与金属铁共生,以金属键性相互结合,这些元素具亲铁性,称为亲铁元素,如Cu、Ag、Au、Fe、Co、Ni等.元素在自然界以金属状态产出的一种趋向性称为元素的亲铁性。5.亲氧元素特征离子最外层为8电子(s2p6)结构、离子键、氧化物的生成热大于FeO的生成热、位于原子容积曲线的下降部分、主要集中于岩石圈6. 亲硫元素特征离子的最外层为18电子(s2p6d10)结构、电负性大、共价键、氧化物的生
18、成热小于FeO的生成热、位于原子容积曲线的上升部分、主要集中于硫化物-氧化物过渡圈7.亲铁元素离子最外层电子具有8-18电子的过渡结构、金属键、氧化物的生成热最小、位于原子容积曲线的最低部分、主要集中于铁镍核8. 亲气元素原子的最外层具有8电子、分子键、原子容积最大、形成具有挥发性或易形成挥发性化合物主要集中于地球外圈、亲气元素是组成地球大气圈的主要元素、惰性气体元素以及主要呈易挥发化合物存在的元素。如氢、氮、碳、氧、及惰性气体元素等9. 元素的地球化学分类和元素的赋存形式(1)哥德施密特元素地球化学分类: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
19、分配将元素分为:亲石元素;亲铜元素;亲铁元素亲气元素亲生物元素(2)查瓦里斯基元素地球化学分类:分类依据:以展开式元素周期表为基础,赋以原子和离子半径以重要意义并根据元素的地球化学行为的相似性将元素分为11族:氢族 ;惰性气体族;造岩元素族: Li、Be、Na、Mg、Al、Si、K、Ca、Rb、Sr、Cs和Ba;岩浆射气元素族:B、C、N、O、F、P、S和Cl;铁族:Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co和Ni稀有元素组: REE、Y、Zr、Hf、Nb和Ta;放射性元素组: Ra、U和Th;钼钨组MoW:Cu、Ag、Au、Zn、Cd、Hg、Ga、In、Tl、Ge、Sn和Pb;铂族:半金属和重矿
20、化剂族: As、Bi、Se、Te和Po;重卤族: Br、I和At。10.元素的赋存形式(1)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11.元素赋存形式的研究方法: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12。.类质同象和固溶体(1)定义: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,晶体的构造类型、化学键类型等保持不变,这一现象称为“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被称为“固熔体”.
21、(2)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、化学键一致、配位多面体的对称性相同等; 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于置换的进行; 固熔体的热力学性质。(3)控制类质同象置换的晶体化学因素(1)化学键性键性相同(2)原子(离子)结合时的几何关系:离子键:半径相近Na Ca置换,但Na K;共价健:a.键长相似是置换的重要条件。b.共价键化合物配位数相同也是置换的重要条件。(3)化合物中电中性原则对于离子键化合物来说,类质同象前后正负离子的电荷应保持平衡,即化合物点中性.为了保持化合物的电中性,不同电价的离子必须按一定比例配合进行置换
22、,这种置换方式称为电价补偿类质同像置换.电价补偿置换可以通过下面四种方式实现:质点数目不等的置换高电价质点和低电价质点配合置换中等电价质点离子成对置换正负离子配位置换(4)有利的矿物晶体构造 矿物晶体构造越复杂、松弛(偏离最紧密堆积越远),发生类质同象的可能性越大。13.类质同象置换法则(1)戈尔德施密特类质同像法则(仅适用于离子键化合物)若两种离子电价相同、半径相似,则半径小的离子优先进入晶格;若两种离子半径相似而电价不等,较高价离子优先进入晶格;隐蔽性法则:若两种离子具相近的半径和相同的电荷,丰度高的主量元素形成独立矿物,丰度低的微量元素将按丰度比例进入主量元素的矿物晶格,即微量元素被主量
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