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地球化学复习题

一、名词解释

1、地球化学：

是研究地球及有关宇宙的化学组成、化学作用和化学演化的科学

2、地球化学体系：

按照地球化学的观点，通常将要研究的对象作为一个体系

3、元素克拉克值：

元素在地壳中的丰度

4、元素丰度：

元素在宇宙或较大的地球体系中的平均含量。

5、相容元素：

岩浆结晶或固相部分熔融过程中偏爱矿物相的微量元素

6、不相容元素：

岩浆结晶或固相部分熔融过程中偏爱熔体或溶液相的微量元素。

也称为亲岩浆元素

7、元素的地球化学亲和性：

元素形成阳离子能力和显示出的有选择性与某阴离子结合的特性；

8、类质同象：

某种物质在一定的外界条件下结晶时，晶体中的部分构造位置被介质中的其它质点（原子、离子、络离子、分子）所占据，结果只引起晶格常数的微小变化，而使晶体构造类型、化学键类型等保持不变（保持稳定）的现象。

9、元素的赋存形式：

元素在一定的自然过程或其演化的历史中的某个阶段所处的状态及与共生元素间的结合关系。

10、干酪根：

不能被有机溶剂萃取的不溶有机物。

其含量占沉积岩中有机质的绝大部分（约90%以上）。

11、生物标志化合物：

又称分子化石、地球化学化石或指纹化石。

指沉积物中的有机质以及原油、油页岩、煤中那些直接或间接来源于活的生物体的有机化合物。

12、石油：

是以液态形式存在于地下的碳氢化合物的混合物。

13、天然气：

广义：

一切经自然过程生成的气体。

狭义：

指在沉积有机质演化过程中生成的可燃气体。

14、煤：

沉积作用期间及期后，由植物残体经过一系列的物理、化学和生物学变化而形成的，其中木质素、纤维素是成煤的主要组分。

15、环境背景值：

亦称环境本底值，是在未受或基本未受人为污染或者自然污染的情况下，岩石、土壤、水体、植物等环境要素中化学元素的平均含量。

16、元素的存在状态：

指元素的物理、化学相态和能量状态、价态、化合态和结构态等方面。

元素的存在状态不同，其迁移行为和生物毒性不同。

17、生物地球化学循环:

是指生物圈中元素及其化合物从环境→生物→环境的迁移、转化过程。

18、环境污染修复：

指利用物理、化学、生物方法对土壤及水体中的重金属、有机污染进行治理，将有毒污染物转化为无毒物质，或减弱其毒性，从而减少污染物对生态系统和人体健康的负面影响。

19、地方病：

指在一定区域内流行的疾病，是指由于环境中某种或某些元素的不足或过量引起的生理失调。

21、高场强元素和低场强元素，并各自举例出三种以上元素

高场强元素（highfieldstrengthelements-HFSE）:

离子半径小的高电荷阳离子（离子电位>3.0）。

Zr，Hf，Nb，Ta，Th，U，Ti，REE。

低场强元素（lowfieldstrengthelements-LHSE）:

离子半径大的低电荷阳离子（离子电位<3.0）。

又称大离子亲石元素（largeionlithophileelements-LILE）。

K，Rb，Cs，Sr，Ba。

22、能斯特分配定律：

在给定溶质、溶剂及温度和压力下，微量元素i在两相间的浓度比值为常数KD，它与温度和压力有关，与i的浓度无关（在一定浓度范围内）。

23、同位素（isotope）—是具有相同质子数和不同中子数的一组核素。

24、放射性同位素和放射性成因同位素：

放射性同位素，原子核是不稳定的，它们以一定方式自发地衰变成其它核素的同位素（又称为放射性母体同位素）；

放射性成因同位素，通过放射性衰变形成的同位素（又称为放射性子体同位素）

25、CHUR：

指用球粒陨石的Sm/Nd和143Nd/144Nd比值代表未经化学分异的原始地幔的初始比值;

二、简答题

1、简述地球化学研究涉及的四个基本问题？

地球系统中元素及同位素的组成问题。

元素的共生组合及赋存问题。

元素的迁移和循环

地球的历史和演化

2、地球化学体系的特点有哪些？

有一定的空间，都处于特定的物理化学状态（C、T、P等），并且有一定的时间连续。

3、获取宇宙元素丰度的途径包括哪些？

1.光谱分析:

对太阳和其它星体的辐射光谱进行定性和定量分析，

2.直接分析:

如测定地壳岩石、各类陨石和月岩、火星的样品.

3.利用宇宙飞行器分析测定星云和星际间物质及研究宇宙射线。

4、陨石主要包括哪几种类型？

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（siderite）主要由金属Ni,Fe（占98%）和少量其他元素组成（Co,S,P,Cu,Cr,C等）。

2）石陨石（aerolite）主要由硅酸盐矿物组成（橄榄石、辉石）。

这类陨石可以分为两类，即决定它们是否含有球粒硅酸盐结构，分为球粒陨石和无球粒陨石。

3）铁石陨石（sidrolite）由数量上大体相等的Fe－Ni和硅酸盐矿物组成，是上述两类陨石的过渡类型。

5、陨石研究对地球形成和组成演化的意义？

①它们来自某种曾经分异成一个富金属核和一个硅酸盐包裹层的行星体，这种天体的破裂就导致各类陨石的形成；

②石陨石与地球上的基性、超基性岩矿物组成和化学成分相似，铁陨石与地核的化学成分相似，陨石的母体在组成上、结构上与地球极为相似；

③各种陨石分别形成于不同的行星母体，因为各类陨石具有不同的年龄及成分差异；

④陨石的年龄与地球的年龄相近（陨石利用铅同位素求得的年龄是45.5±0.7亿年）；

⑤陨石等地外物体撞击地球，将突然改变地表的生态环境诱发大量的生物灭绝，构成了地球演化史中频繁而影响深远的突变事件，为此对探讨生态环境变化、古生物演化和地层划分均具有重要意义。

6、简述太阳系元素丰度的基本规律？

（1）H和He含量最高；

（2）原子序数低，丰度值指数递减；原子序数高，丰度值相近；

（3）奥多-哈根斯法则，亦即奇偶规律；

（4）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，它们是过剩元素。

7、简述地球元素丰度的研究方法？

陨石类比法

地球模型和陨石类比法

地球物理类比法

8、地球和地球范围内的自然体系和自然过程特点？

1）温度、压力等条件的变化幅度与人为制备的条件相比有限

2）是多组分的复杂体系

3）体系是开放的

自然过程具多变度单向发展演化特征。

体系与环境之间存在充分物质和能量交换，因外来成分加入或内部组分排出不断改变系统内作用性质和条件

4）自发进行的不可逆过程。

反应进行的方向、速率、限度受能量效应制约；

9、自然界元素结合的基本规律？

1）元素的地球化学亲和性

（2）矿物晶体形成或变化过程的类质同相规律

（3）晶体场理论对过渡族元素行为的控制

10、简述元素的地球化学亲和性分类

按照亲和性划分为四个相：

亲氧（Lithophile,oxyphile）、亲硫（chalcophile,sulfophile）、亲铁（siderophile）、亲卤；

11、类质同象置换的条件主要有哪些？

类质同象置换的条件主要有：

①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的一致等；②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；③固溶体的热力学性质。

12、简述戈尔德斯密特类质同象法则？

1）小离子优先法则:

两种离子电价相同，半径相似，小半径离子优先进入矿物晶格，集中于早结晶矿物中，大半径离子集中于晚结晶矿物中。

2）高价离子捕获,低价离子容许法则：

两种离子半径相似电价不同，高价离子优先进入早结晶矿物，

3）隐蔽（容留）法则:

两种离子有相似半径和相同电价，丰度高主量元素形成独立矿物，丰度低微量元素按丰度比例进入主量元素矿物晶格，称为“隐蔽”或“容留”（camouflage）。

13、元素赋存形式的研究方法？

元素含量测定法

显微镜法

萃取法

晶格常数确定

电子显微镜扫描

14、简述干酪根的形成方式？

15、简述生物标志化合物的主要类型？

1.正构烷烃：

又称饱和直链烷烃，属于甲烷系的碳氢化合物，通式为CnH2n+2。

2.无环的类异戊二烯烷烃：

是一类具有规则甲基支链的饱和烃，属无环的萜类

3.萜类化合物：

是指环状的类异戊二烯型化合物，可以看成是由含5个碳原子的异戊二烯（通式为C5H8）以首尾相连而成。

4.甾类化合物：

是具有四个环（三个六元环和一个五元环）的化合物。

5.卟啉化合物：

基本结构是由甲川桥连接的四个吡咯环组成的，最基本的化合物是卟吩

16、煤的显微组分主要包括哪三类？

壳质组（或稳定组）：

富类脂质植物遗体的残余物，如树脂腊、花粉、角质和藻类体。

富含脂肪族成分，氢和挥发分含量高，碳含量低

镜质组（或腐殖组）：

含木质素、纤维素的植物组织的残余物，如树皮、树干和树根等。

富芳香族成分、氧含量高、挥发分和氢含量中等

丝质组（或惰性组）：

较硬的富碳脆性小颗粒，原始物质和化学成分

与镜质组相似，是丝碳化作用的产物，芳构化程度高，富含碳，氢、氧、挥发分含量低。

17、成煤作用主要包括哪两个阶段？

各有什么特征？

泥炭化作用或腐泥化作用阶段：

主导作用为生物化学作用，植物的组成物质在微生物参与下分解聚合变成泥炭或腐泥。

地球化学阶段（煤化作用阶段：

包括泥炭或腐泥被沉积物覆盖后变干，并向褐煤、烟煤、无烟煤转变的整个地球化学过程。

18、研究环境背景值的意义有哪些？

（1）为环境质量评价和预测提供依据；

（2）为污染物在环境中迁移和转化规律的研究和环境标准的制定提供依据；

（3）为地方病病因的研究、工农业生产的合理布局等提供基础资料。

19、土壤中元素的存在状态包括哪些？

土壤主要由固相、液相和气相物质组成。

除C、O、H和部分N主要来自大气和水以外，其它的植物生长必需元素主要来自土壤液相和固相物质。

20、环境地球化学研究的主要领域包括哪些？

1）、环境变化的历史记录,研究环境变化规律、揭示环境变化原因、预测环境变化趋势，已成为地球科学界的重要任务

2）、水体富营养化,指湖泊、河流、水库、海湾等缓流水体接纳过多的氮、磷等营养物质，造成水体中藻类和水生生物的大量繁殖，并导致水体的透明度和溶解氧下降，鱼类和其它水生生物死亡、水质恶化的总体效应。

3）、环境污染的修复，指利用物理、化学、生物方法对土壤及水体中的重金属、有机污染进行治理，将有毒污染物转化为无毒物质，或减弱其毒性，从而减少污染物对生态系统和人体健康的负面影响。

21、简述土壤污染的修复技术？

（1）土壤污染的化学修复，利用改良剂、抑制剂等降低土壤重金属污染物的水溶性、扩散性、或利用表面活性剂和有机溶剂改进土壤中有机污染物的亲水性，从而达到降低污染物的毒性或去除污染物的目的

（2）土壤污染的生物修复，包括有机污染物的微生物修复和重金属污染的植物修复两种。

植物修复是一种有效地、低成本的新方法。

22、常见的地方病包括哪些？

1）.甲状腺肿，由于人体中碘缺乏或过量引发的疾病。

2）.氟中毒，主要分布在干旱-半干旱地区，如华北平原及一些温泉地带

3）.克山病，病因未明的地方病，表现为心肌坏死。

4）.大骨节病，以骨关节粗大、变形为主要特征的地方病，患者在初期不易察觉，在晚期发生关节畸形和功能障碍。

23、某岩石中由30%橄榄石，20%斜方辉石，15%单斜辉石，30%的长石，3%角闪石和2%石榴石组成，根据稀土元素在各个矿物中的分配系数（见下表），计算La、Ce、Nd、Sm、Eu和Yb元素在全岩中的总分配系数是多少？

如果该岩石发生部分熔融，根据总分配系数说明哪些元素容易进入熔体相，哪些元素容易进入残余相。

根据上表中分配系数的数据，在上图中三条分配系数曲线上分别标注上正确的矿物名称.

24、某一玄武岩中，轻重稀土明显分异，其中LREE/HREE>20，请解释轻重稀土分异可能的原因。

这一参数能较好地反映REE元素的分异程度以及指示部分熔融残留体和岩浆结晶矿物的特征

25、根据放射性衰变规律，推导出放射性同位素等时线公式。

解：

据衰变理论，在任一时刻t不稳定母核的衰变速率正比于尚未衰变的原子数N，其衰变方程可表达为：

－dN/dt＝λN

（1）

由t＝0到t求积分得：

N＝N0e-λt

（2）

假定t＝0时，子体核数为0，则任一时刻母核产生的子核原子数（D*）可表示为D*＝N0－N代入

（2）式：

D*＝N（e-λt－1）或D*＝N0（1－e－λt）（3）

用D0表示t＝0时系统存在的子核原子数：

D＝D0＋D*（4）

所以：

D＝D0＋N（e-λt－1）（5）

为方便测定，选取子体元素其它同位素（Ds）作为参照进行比值测定：

D/Ds＝（D/Ds）0＋N/Ds（e-λt－1）（6）

（6）式即为放射性同位素等时线公式。

26、Rb-Sr等时线满足的条件是什么

1）所研究的一组样品（岩石或矿物）具有同时性和同源性；

2）形成时Sr同位素组成在体系内是均一的，因而有着相同的87Sr/86Sr初始同位素比值；

3）体系内化学成分不同，Rb/Sr比值有差异，可确保获得一条较好的等时线；

4）自结晶以来，Rb、Sr保持封闭体系，没有与外界发生物质交换。

四、论述题

1、论述地球化学、化学、地球科学其他学科在研究目标和研究方法方面的异同？

地球化学与与研究地球物质成分的矿物、岩石、矿床学和化学的关系如下表所示：

地球化学研究对象全部化学元素与同位素元素在地球、地壳中演化活动的整个历史地球、地壳矿物学原子的集合体—矿物岩石学矿物的集合体—岩石矿床学有用矿物的集合体—矿石、矿床化学元素及化合物元素及化合物的化学性质及行为实验室研究内容研究对象所处的空间位置只研究元素全部活动历史过程中的某个阶段，元素活动的某个“暂时”存在的形式地球、地壳从表中我们可以看出：

1）地球化学是研究元素在地球、地壳中演化活动的整个历史，而矿物、岩石、矿床等学科仅研究元素全部活动历中的某个阶段；2）地球化学是在自然界，又具有空间上条件的不均一性，时间上单向演化和阶段性，体系的多组分，多变度及总体的开放性；3）地球化学研究不能脱离基础地质工作，它的一般工作程序仍然是在研究任务的指导下采用先野外，后室内的工作顺序，并注意从对地质体的观察来提取化学作用信息，建立地球化学研究构思。

而化学主要是在实验室中，它是人为控制的体系，可以任意调节T、P、pH、Eh、C和纯化杂质

2、论述类质同象规律的意义。

1）.确定元素的共生组合

以岩浆岩为例：

Ni、Co、Cr等主要集中于超基性岩中,这与超基性岩中Fe、Mg矿物大量析出有关；

酸性岩中Li、Be、Rb、Cs、Tl、Ba、Y、W、Sn、Pb等的高含量往往与K、Na、Si矿物的富集有关；

各类岩浆岩中微量元素含量高低及其变化实际上反映了元素间的结合规律；微量和主量元素的组合及微量元素对主量元素的依赖，主要受类质同象规律制约；

2.）决定元素在共生矿物之间的分配

元素在同一岩石各组成矿物间的分配往往是极不均匀的，这种不均匀分配受结晶化学和热力学多方面因素的控制，可以归纳为主要受类质同象规律和分配定律的控制。

3.）支配微量元素在交代过程中的行为

热液作用下岩石常发生交代变质。

交代变质过程中系统是开放的，有元素迁出和带入；

在主量元素发生迁移的同时，与主量元素发生类质同象置换的微量元素也会发生相似的迁移活动；如钾长石交代岩石中的钠长石时，Sr2+会随着Na+而迁出进入溶液，而Rb+则随着K+一起进入钾长石中；

4.）类质同象元素比值可作为地质作用过程和地质体成因的标志

黄铁矿中常有Co、Ni等元素呈类质同象混入；在内生和外生条件下生成的黄铁矿中Co、Ni含量不同。

黄铁矿Co/Ni比值可以确定矿床的成因。

5.）标型元素组合

矿物中含有大量类质同象的“杂质”，但同一种矿物在特定成因下往往只富含某些特征类质同象元素组合，据此可推断矿物形成环境。

将有成因意义的元素组合称为指纹元素组合，也称为标型元素组合。

6.）影响微量元素的集中或分散

以Be矿化为例分析类质同象是如何影响微量元素集中和分散的；

地质事实：

Be的质量分数--碱性岩中Be为（7×10-6）-（9×10-6），酸性花岗岩中为（3×10-6）-（5×10-6）。

酸性花岗岩中相对较低，但是自然界极少见到与碱性岩有关的Be矿床,却在某些与酸性花岗岩有关的伟晶岩脉中发现Be矿床,Be以形成绿柱石（Be3Al2Si6O18）形式富集。

7.）分配系数与地质温度计

微量元素在晶体中的分配系数（distributioncoefficients）可用于估计共存矿物形成的温度，称为地质温度计-geothermometers。

8.）环境地球化学效应

19世纪末的欧洲，有人在废弃的铅锌矿山附近居住，数年后这些人得了一种怪病，浑身骨骼疼痛难忍，后来，病人的手脚稍用力或略一弯腰就会导致骨骼断裂，最后只能在痛苦中死去。

对此许多名医都未能查出病因，后来还是法医发现病人破碎的骨骼中镉（Cd）含量异常高。

这种病后来被定名为“骨痛病”

4、论述石油和天然气形成的一般过程。

石油和天然气是沉积有机质热演化过程的阶段性产物。

演化过程可分为三个阶段：

（1）成岩作用阶段：

温度、压力低，促使有机质演化的主要营力是生物作用。

沉积物中的有机质：

被微生物的新陈代谢所利用，转化为微生物的细胞，经缩合作用形成干酪根（生油母质）

（2）深成热解作用阶段；

（3）变质作用阶段。

5、论述人类对生物地球化学循环的干扰作用？

并举例说明。

人类对碳循环的干扰：

（1）森林的过度砍伐造成植被覆盖率低，植被对大气中CO2的吸收量减少；

（2）能源燃料的燃烧会向大气排放大量CO2。

人类对氮循环的干扰：

（1）任何的燃烧活动均能产生大量NO，经一些列化学作用形成酸雨，破坏农作物、树木，使生态系统产生紊乱；

（2）NO3-等反硝化作用和矿物燃料不完全燃烧产生的NO2、NO等进入大气，不仅能与碳氢化合物形成光化学烟雾，而且还破坏臭氧层，紫外线增加；NO2也是一种温室气体；

（3）氮肥需求量增加，促使合成氨工业从大气中消耗更多N2，或促使开采更多的含氮矿物原料（如煤等）

（4）含有大量氮的农田排水和城镇生活污水造成水体污染和富营养化。

人类活动对磷循环的干扰：

（1）磷肥的大量使用，造成农田水含磷量增高；生活污水和某些工业废水中含有较高的磷，进入湖泊和海洋后将造成富营养化和海洋赤潮；

（2）由陆地进入海洋的磷，只能部分返回陆地，从未造成陆地磷的减少，为了保证工农业生产，只能大量开采磷矿石，进一步加快陆地磷的循环。

人类活动对硫循环的干扰：

（1）含硫煤和石油燃烧产生的SO2约占人类活动向大气排放的SO2总量的2/3；

（2）石油的炼制、硫化物矿石的冶炼等排放的废气中也含有大量SO2，进入大气后不仅对动植物产生危害，同时经氧化形成酸雨后，会对土壤和植被产生大面积的破坏。

6、推导分异结晶作用模型

一个包含不同组分总摩尔数为n的有限岩浆房，其中有y摩尔微量元素i（如Ni）。

体系中i的摩尔分数为Xi＝y/n。

当一种含i的矿物结晶时，如果每个相继晶体内层来不及与残余熔体保持平衡，或由于i在晶体中扩散缓慢，或由于晶体下沉使晶体每个相继内层未能与残余熔体保持平衡。

在一个短时间之后，n变为n-dn，y变为y-dy，此时晶体与熔体中i的摩尔浓度分别为:

Xi晶体＝dy/dnXi熔体＝（y－dy）/（n－dn）（4.11）

i为微量元素服从亨利定律，据分配定律:

Xi晶体＝dy/dn＝KDXi熔体（4.12）

dy/dn可直接用Xi熔体表示。

4.11右边，相对y，dy可忽略不计，相对于n，dn可忽略不计。

有:

Xi熔体＝y/n，所以y＝n·Xi熔体

上式两边对n微分:

dy/dn＝ndXi熔体/dn＋Xi熔体

将4.12代入上式得:

KDXi熔体＝ndXi熔体/dn＋Xi熔体（4.13）

整理后:

·dXi熔体＝（1/n）·dn（4.14）

如果在结晶过程中KD为常数，对上式在Xi0和Xi熔体之间以及初始熔体量n0和任何时刻n值之间积分，得出分异结晶过程中该微量元素浓度的总体变化:

（4.15）

（KD－1）（4.16）

（n/n0）为残余熔体占原始熔体的百分数，以F表示，1-F反映岩浆的结晶程度，有：

Xi熔体＝Xi0·F（KD－1）（4.17）

7、假定有一含斜长石50%，单斜辉石30%，橄榄石20%的辉长岩源岩经历部分熔融，用批次熔融模型计算当F=0.05，0.1，0.15，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9时Rb，Sr的Cl/Co，并绘制每种元素的Cl/Covs.F的演化图解。

分配系数参考简答题23中的表。

7.根据下表中给定的sample1#和sample2#的稀土元素的数据，计算∑REE，LREE/HREE，（La/Yb）N和δEu，根据δEu解释Eu异常出现的原因，计算球粒陨石标准化数据并把标准化的数据投入下图中，根据稀土配分图描述sample1#和sample2#的稀土地球化学特征及可能反映的岩浆成因。

相对于三价REE离子，Eu在斜长石和钾长石中是相容元素，斜长石和钾长石结晶或斜长石在部分熔融残余体中的存在可以在熔体中造成Eu亏损或负异常，即Eu异常主要受长石特别是长英质岩浆的控制。

因此由结晶分异长石从长英质熔体中移出，或岩石部分熔融长石保留在源区，都会在熔体中产生Eu负异常；

石榴子石，磷灰石，普通角闪石，单斜辉石，紫苏辉石，榍石等在残余体中存在或早期结晶析出均可造成熔体中Eu相对富集或形成Eu正异常。

在一火山岩系列中，Eu负异常逐渐增大，表明如果是斜长石作为斑晶，则斜长石不断从熔体中析出是Eu负异常逐渐增加的原因；

sample1#

sample2#

C1Chondrite

18.53

3.594

0.237

49.28

9.931

0.612

7.286

1.729

0.095

30.94

8.371

0.467

7.567

2.648

0.153

1.978

1.391

0.058

7.823

3.199

0.2055

1.438

0.603

0.0374

8.686

3.869

0.254

1.776

0.848

0.0566

2.417

0.1655

0.727

0.362

0.0255

4.591

2.476

0.17

0.672

0.394

0.0254

8.根据下图分别描述部分熔融和结晶分异作用过程中元素在熔体相中的浓度CL与F和D的关系。

①熔融程度低时，F→0，Cil/Ci0→1/D，形成熔体中Tr富集或贫化程度最大。

熔融程度很低时D1的不相容元素富集达到最大。

如果知道某Tr在低度部分熔融岩浆中浓度和D值，据方程估计该元素在源区中浓度。

随F增大，熔体中Tr富集或贫化程度减小。

当F→1，Cil/Ci0=1。

熔体中元素浓度完全与母岩中原始浓度趋于一致。

②D<1的不相容元素在形成熔体中富集，最大富集浓度

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