地球化学课后习题及答案.docx
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地球化学课后习题及答案
绪论答案
1.概述地球化学学科的特点。
答题要点：
1）地球化学是地球科学中的一个二级学科；
2）地球化学是地质学、化学和现代科学技术相结合的产物；
3）地球化学既是地球科学中研究物质组成的主干学科，又是地球科学中研究物质运动形式的学科；地球化学既需要构造地质学、矿物学、岩石学作基础，又能揭示地质作用过程的形成和发展历史，使地球科学由定性向定量化发展；
4）地球化学已形成一个较完整的学科体系，仍不断与相关学科结合产生新的分支学科；
5）地球化学作为地球科学的支柱学科，既肩负着解决当代地球科学面临的基本理论问题—天体、地球、生命、人类和元素的起源和演化的重大使命，又有责任为人类社会提供充足的矿产资源和良好的生存环境。
2.简要说明地球化学研究的基本问题。
答题要点：
1）元素及同位素在地球及各子系统中的组成（丰度和分配）；
2）元素的共生组合及赋存形式；
3）元素的迁移和循环；
4）研究元素（同位素）的行为；
5）元素的地球化学演化。
3.简述地球化学学科的研究思路和研究方法。
答题要点：
研究思路：
见微而知著，即通过观察原子之微，以求认识地球和地质过程之著。
研究方法：
一）野外阶段：
1）宏观地质调研。
明确研究目标和任务，制定计划；2）运用地球化学思维观察认识地质现象；3）采集各种类型的地球化学样品。
二）室内阶段：
1）“量”的研究，应用精密灵敏的分析测试方法，以取得元素在各种地质体中的分配量。
元素量的研究是地球化学的基础和起点，为此，对分析方法的研究的要求：
首先是准确；其次是高灵敏度；第三是快速、成本低；2）“质”的研究，即元素的结合形式和赋存状态的鉴定和研究；3）地球化学作用的物理化学条件的测定和计算；
4）归纳、讨论：
针对目标和任务进行归纳、结合已有研究成果进行讨论。
4.地球化学与化学、地球科学其它学科在研究目标和研究方法方面的异同。
答题要点：
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
地球化学
矿物学
岩石学
矿床学
化学
研究对象
全部化学元素与同位素
原子的集合体—矿物
矿物的集合体—岩石
有用矿物的集合体—矿石、矿床
元素及化合物
研究内容
元素在地球、地壳中演化活动的整个历史
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
元素及化合物的化学性质及行为
研究对象所处的空间位置
地球、地壳
地球、地壳
实验室
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。
第一章答案
1.概说太阳成份的研究思路和研究方法。
答题要点：
我们地球所在的太阳系是由太阳、行星、行星物体（宇宙尘、彗星、小行星）组成的，其中太阳的质量占太阳系总质量的99.8%，其他成员的总和仅为0.2%，所以太阳的成分是研究太阳系成分的关键。
获得太阳系丰度资料的主要途径有：
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、火星样品；
3）利用宇宙飞行器分析测定星云和星际物质及研究宇宙射线。
2.简述太阳系元素丰度的基本特征。
答题要点：
对太阳系元素的丰度估算各类学者选取太阳系的物体是不同的。
有的是根据太阳和其它行星光谱资料及陨石化学成分，有的根据I型球粒陨石，再加上估算方法不同，得出的结果也不尽相同。
1）氢和氦是丰度最高的两种元素。
这两种元素的原子几乎占了太阳中全部原子数目的98％；
2）随元素的原子序数增大，元素丰度呈指数下降，原子序数>45的元素，元素丰度变化不明显；
3）原子序数为偶数的元素，其元素丰度大于相邻的奇数元素；
4）锂、铍、硼元素丰度严重偏低，氧和铁元素丰度显著偏高；
5）质量数为4的倍数（即α粒子质量的倍数）的核素或同位素具有较高丰度。
此外，还有人指出原子序数（Z）或中子数（N）为“幻数”（2、8、20、50、82和126等）的核素或同位素丰度最大。
这是一种估计值，反映的是目前人类对太阳系的认识水平，因此这个估计值不可能是准确的，随着人们对太阳系以至于宇宙体系探索的不断深入，这个估计值会不断的修正。
同时，从总的方面来看，虽然还是很粗略的，但它反映了元素在太阳系分布的总体规律。
3.说说陨石的分类。
答题要点：
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。
按陨石中金属的含量可将陨石分为三类：
1）铁陨石，主要由金属Ni、Fe和少量其它元素组成；
2）石陨石，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，铁石陨石由数量上大体相等的Fe、Ni和硅酸盐矿物组成。
4.月球的结构和化学成分与地球相比有何异同？
答题要点：
1）月球的主要岩石类型为玄武岩和辉长岩类，没有花岗岩和沉积岩，但有一种特殊的岩石（克里普岩），是一种含钾、稀土元素和磷的岩石；
2）月球没有铁镍核，也没有大气圈和水圈（所以月球表面无风化作用）；
3）与地球化学成分相比较，月岩中碱金属和挥发性元素，富耐熔元素和稀土元素。
5.讨论陨石的研究意义。
答题要点：
研究陨石主要从陨石的成分、年龄、成因出发，其研究成果不仅对研究太阳系的化学成分、起源和演化、有机质起源和太阳系空间环境等有着重要意义，而且对研究地球的形成、组成演化以及地球早期生命系统的化学演化也有重要意义。
1）它是认识宇宙天体、行星的成分、性质及其演化的最易获取、数量最大的地外物质；
2）是认识地球的组成、内部构造和起源的主要资料来源，可以用陨石类比法，地球模型和陨石的类比法来研究地球元素的丰度；
3）陨石中的60多种有机化合物是非生物合成的“前生物物质”，对探索生命前期的化学演化开拓了新的途径；
4）可作为某些元素和同位素的标准样品（稀土元素，铅、硫同位素）。
6.地球的结构对于研究和了解地球的总体成分有什么作用？
答题要点：
地球是由地壳、地幔和地核等不同圈层组成。
由于地球物质组成具不均一性，不能用地球表层（如地壳）或某一研究区成分代表地球化学组成，所以地球的结构模型成为研究地球的总体成分的基础。
7.阐述地球化学组成的研究方法论。
答题要点：
一）分层研究法：
分别获取地球各层的成分，按各层的相对质量百分比计算地球平均成分；
二）总体研究法：
1）陨石相成分分类;2）地球相成分分类及不同相成分质量百分比;3）据各相质量百分比计算地球平均成分。
8.地球的化学组成的基本特征有哪些？
答题要点：
首先，地球的元素丰度也遵守太阳系元素丰度的基本规律（递减规律和奇偶规律）；其次，地球的元素丰度还具有以下特征：
1）地球中含量大于10%的元素有Fe、O、Si、Mg；大于1%的元素有Ni、S、Ca、Al；其次为Na、K、Cr、Co、P、Mn和Ti，可以认为地球几乎是由15种元素组成的；
2）与太阳系化学成分相比，地球富Fe、Mg、S和贫气态物质组分；
3）与地壳化学成分相比，地球富Mg、Fe和贫Al、K、Na。
9.讨论地壳元素丰度的研究方法。
答题要点：
1）克拉克法:
收集尽可能多的研究样品，进行系统的样品分析；将样品按种类和地区分组，求平均成分；确定各类样品的权值；加权平均求地壳元素丰度；
2）戈尔德斯密特法：
挪威南部细粒冰川粘土；
3）维诺格拉多夫法：
岩石比例法，用二份酸性岩加一份基性岩；
4）泰勒法：
花岗岩和玄武岩质量比为1:
1进行计算；
5）黎彤法：
在计算中国岩浆岩平均化学成分的基础上，并采用全球地壳模型，对各构造单元的质量加权平均。
10.简介地壳元素丰度特征。
答题要点：
1）地壳元素丰度差异大：
丰度值最大的元素（O）是最小元素（Rn）的1017倍；丰度值最大的三种元素之和达82.58%；丰度值最大的九种元素之和达98.13%；
2）地壳元素丰度的分布规律与太阳系、地球元素丰度的分布规律具有类似性，但地壳元素丰度值最大的10个元素与太阳系、地球的相比，其组成及排序有很大的不同。
太阳系：
H>He>O>Ne>N>C>Si>Mg>Fe>S
地 球：
Fe>O>Mg>Si>Ni>S>Ca>Al>Co>Na
地 壳：
O>Si>Al>Fe>Ca>Na>K>Mg>Ti>H
与太阳系或宇宙相比，地壳和地球都明显贫H,He,Ne,N等气体元素；而地壳与整个地球相比，则明显贫Fe和Mg，同时富集Al,K和Na；3）地壳中元素丰度不是固定不变的，它是不断变化的开放体系。
11.地壳元素丰度特征与太阳系、地球对比说明什么问题？
答题要点：
1）元素丰度对元素原子序数作图，可看出地壳元素丰度的分布规律与太阳系的基本相同，说明其形成具有同一性；
2）地壳元素丰度值最大的10个元素与太阳系、地球的相比，其组成及排列顺序有差别。
地壳元素分布规律与太阳系存在差异是由于在地球形成的过程中轻元素的挥发产生；而与地球元素分布规律相比存在差异，则为地球演化过程中元素的重新分配造成，具体表现为较轻易熔的碱金属铝硅酸盐在地球表层富集，而较重的难熔镁、铁硅酸盐和金属铁则向深部集中。
12.地壳元素丰度值（克拉克值）有何研究意义？
答题要点：
1）确定了地壳体系的总体特征；
2）为研究地球的形成、化学分异及地球、地壳元素的成因等重大问题提供信息，如大陆地壳化学组成对壳幔分异的指示；地壳元素的克拉克值在某种程度上影响元素参加许多化学过程的浓度，从而支配元素的地球化学行为；限定了自然界的矿物种类及种属；限制了自然体系的状态；对元素亲氧性和亲硫性的限定；
3）元素克拉克值可作为衡量元素相对富集或贫化的标尺，如可以为阐明地球化学省（场）特征提供标准；
4）根据地壳元素克拉克值可获得地壳中不同元素平均比值，可以提供重要的地球化学信息，如某些元素克拉克比值是相对稳定的，一旦某地区、某地质体中的这些元素组比值偏离了地壳正常比值，示踪着某种地球化学过程的发生。
13.概述区域地壳元素丰度的研究意义。
2）为研究各类地质、地球化学作用、分析区域构造演化历史及区域成矿规律提供重要的基础资料；
3）为研究区域生态环境，为工业、农业、畜牧业、医疗保健等事业提供重要信息。
14.简要说明区域地壳元素丰度的研究方法.
答题要点：
1）区域范围的确定——靶区的选择 ，应根据工作任务和区域特征来选择工作范围；
2）建立区域地壳结构-组成模型；
3）区域地壳元素丰度的计算方法：
（1）分别计算不同类型岩石中元素的平均含量；
（2）按不同类型岩石在地壳结构层中的质量比，加权平均计算各结构层的元素丰度；
（3）按区域地壳结构-组成模型计算区域地壳元素丰度。
15.岩浆岩中各岩类元素含量变化规律如何？
答题要点：
从超基性岩-基性岩-中性岩-酸性岩：
1）Fe、Mg、Ni、Co、Cr和Pt族元素等含量逐步降低；
2）Ca、Al、Ti、V、Mn、P和Se等元素在基性岩中含量最高；
3）K、Na、Si、Li、Be、Rb、REE等元素含量逐渐增高； 4）Ge、Sb、As等元素含量分配变化不明显。
16.简述沉积岩不同岩类中元素含量变化规律。
答题要点：
主量元素变化规律：
随物源不同而异，与火成岩和变质岩相比，在元素均一化的背景下的高度分异现象是沉积岩化学成分的重要特征。
微量元素分布规律：
1）绝大多数微量元素在页岩和粘土类岩石中富集，除了在含大量铁、锰氧化物、氢氧化物，有机质硫化物和暗色岩屑的情况下，微量元素的含量一般按页岩→粉砂岩→砂岩→碳酸岩→蒸发岩俄次序相继降低。
只有少量元素例外，如Sr、Mn、Ca主要富集在碳酸岩石中，碱金属元素和卤族元素在蒸发岩中含量较高，Si在砂岩中喊来能够最高等；
2）微量元素在富含碳质/有机质或沥青质的岩石中的含量明显增高；
3）微量元素在碎屑沉积岩中含量的变化程度与粒度成正比；
4）二氧化硅对微量元素的“稀释作用”；
5）微量元素主要富集在重粒级（比重〉3g/cm3）和高分散微粒（Φ〈1μm）的沉积岩中；
6）在单矿物岩中，与有关常量元素地球化学性质相近的微量元素含量明显增高；
7）后太古宙碎屑岩的稀土元素分布模式具有高度的一致性。
第二章答案
1.亲氧元素和亲硫元素地球化学性质的主要差异是什么？
答题要点：
亲硫元素（又称亲铜元素）：
有18或18＋2的外电子层结构，电负性较高，与硫形成高度共价键，亲硫元素和硫结合生成的硫化物、硫盐等常常和铜的硫化物共生，易熔于硫化铁熔体，主要集中于硫化物—氧化物过渡带；
亲氧元素（又称亲石元素）：
有惰性气体的电子层结构，即离子的最外电子层具有8电子惰性气体型（s2p6）的稳定结构，电负性较小，与氧形成高度离子键，亲氧元素与氧结合以后形成的氧化物、含氧盐等矿物是构成岩石圈的主要矿物形式，易熔于硅酸盐熔体，主要集中在岩石圈。
以第四周期部分元素的离子为例，如下表：
K2+
Ca2+
Sc2+
Ti2+
V3+
Cr2+
Mn2+
Fe2+
Co2+
Ni2+
Cu2+
Zn2+
相对电负性X
0.8
1.0
1.3
1.6
1.4
1.4
1.4
1.7
1.7
1.8
2.0
1.5
ΔX金属-O
2.7
2.5
2.2
1.9
2.1
2.1
2.1
1.8
1.8
1.7
1.5
2.0
ΔX金属-S
1.7
1.5
1.2
0.9
1.1
1.1
1.1
0.8
0.8
0.7
0.5
1.0
元素的地球化学亲和性
亲氧、无亲硫倾向性 →← 有亲硫倾向性
从左向右：
氧倾向性减弱（离子键成分减少） 亲硫倾向性增强（共价键成分增多）
由表可以看出：
随着第四周期从左向右金属阳离子电负性增大，元素形成化合物时离子键成分减少，共价键成分增多，因此元素的亲氧倾向性减弱，亲硫倾向性增强。
2.简述类质同像的基本规律。
答题要点：
1）Goldschmist类质同像法则：
该法则从相互置换的质点的电价、半径的角度判断，适用于离子键化合物。
（1）若两种离子电价相同，半径相似，则半径较小的离子优先进入矿物晶格，即较小离子半径的元素集中于较早期的矿物中，而较大离子半径的元素集中于较晚期矿物中。
（2）若两种离子半径相似而电价不同，则较高价离子优先进入较早结晶的矿物晶体，集中于较早期的矿物中，称“捕获”；较低价离子集中于较晚期的矿物中，称为被“容许”。
（3）隐蔽法则：
两个离子具有相近的半径和相同的电荷，则它们将按丰度的比例，决定它们的行为，丰度高的主量元素形成独立矿物，丰度低的微量元素进入矿物晶格，为主量元素所“隐蔽”；
2）Ringwood法则：
对于二个价数和离子半径相似的阳离子，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，该电负性法则更适用于非离子键性化合物。
3.阐述类质同像的地球化学意义。
答题要点：
类质同像是自然界化合物中一种十分普遍的现象，它是支配地壳中元素共生组合的一个重要因素，特别是对一些微量元素，是决定它们在自然界活动状况的主要因素。
1）确定了元素的共生组合（包括微量元素和常量元素间的制约、依赖关系）；
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）类质同象的元素比值可作为地质作用过程和地质体成因的标志；
5）标型元素组合； 6）影响微量元素的集中或分散（晶体化学分散或残余富集）；
7）为地质找矿及环境研究服务。
4.简述地壳中元素的赋存形式及其研究方法。
答题要点：
1）赋存形式：
独立矿物、类质同像形式、超显微非结构混入物、胶体吸附状态和与有机物结合的形式。
2）研究方法：
存在形式
显微镜
X光衍射
电子探针
放射照相
偏提取
电渗析
透射电镜
独立矿物
+
+
+
+
+
+
类质同象
+
+
+
+
+
+
超微混入物
+
+
+
+
吸附态
+
+
+
+
有机质结合
+
+
+
5.举例说明元素存在形式研究对环境、找矿或农业问题的意义。
答题要点：
对找矿：
如在超基性岩中镍的含量一般较高，如果镍存在于硅酸盐中，其基本不能被利用，但如果镍以硫化物形式存在，就有良好的利用价值了。
对农业：
元素赋存形式的研究，可了解土壤中有益元素是否能够为植物吸收，而有害元素由于呈稳定状态（独立矿物、类质同像）含量虽高，植物不易吸收。
对环境：
环境中对元素赋存形式研究，可指示有毒有害元素对生态的危害程度，易溶活动态对生态环境危害大，有些元素含量高，但以稳定态形式存在，其危害程度较小。
6.英国某村由于受开采ZnCO3矿的影响，造成土壤、房尘及饮食摄入Cd明显高于其国标，但与未受污染的邻村相比，在人体健康方面两村没有明显差异。
为什么？
答题要点：
ZnCO3矿开采后在地表形成大量矿渣，Cd以类质同像的形式存在于ZnCO3矿物中，所以造成土壤、房尘及饮食摄入Cd明显高于其国标，但是由于ZnCO3在表生环境下是稳定的，不会形成可溶性的Cd2+，从而相对于为受污染的地方无太大的区别。
第三章答案
1.举例说明元素地球化学迁移的定义。
答题要点：
由于环境物理化学条件的变化，元素原来的存在形式变得不稳定，为了与环境达到新的平衡，元素原来的存在形式解体，转变成一种新的相对稳定的结合方式，当元素赋存状态发生变化的同时，伴随有元素的空间位移和元素组合变化，称为元素的地球化学迁移。
2.举例说明影响元素地球化学迁移过程的因素。
答题要点：
元素的地球化学迁移过程包括了三个进程：
活化（解体）→迁移（空间位移，存在形式发生变化）→重新结合（以新的存在形式稳定沉淀）。
影响因素为：
1）元素迁移前的存在形式。
如元素处于吸附状态，则容易发生迁移；若元素已进入到矿物晶格内部，形成了独立矿物或呈类质同象，则难迁移；
2）元素的地球化学性质—如离子的电价、半径等，它们既决定了元素结合成化合物时的化学键类型，也控制了元素在水溶液中的迁移形式。
离子键和分子键化合物由于易溶于水，较易迁移，而共价键和金属键化合物则较难迁移；
3）此外，体系中相伴组分的类型和浓度、体系中的物理化学强度参数的空间变化（浓度差、压力差、温度差等），以及环境的pH值和Eh值变化，都会影响元素的迁移形式和迁移能力。
3.列举自然界元素迁移的标志。
答题要点：
1）矿物组合的变化，如在岩浆侵入体或热液矿床的围岩中经常可以发现蚀变矿物组合，当中酸性岩浆岩外围的碳酸岩岩石发生矽卡岩化时，原来的碳酸盐矿物（方解石CaCO3、白云石（Ca,Mg）CO3）被新生成的硅酸盐矿物（石榴子石（Ca,Fe）3（Fe,Al）2[SiO4]3、辉石Ca（Mg,Fe）Si2O6等）所替代。
蚀变岩石与原岩成分的差异：
硅、铝的原子数相对增加，同时镁、钙的原子数相对减少，指示碳酸岩岩石中发生了硅、铝的迁入和镁、钙的迁出；
2）岩石中元素含量的变化（通过元素含量的系统测定或定量计算确定，如等体积计算法和等阴（氧）离子计算法）；
3）物理化学界面--如氧化还原界面，压力释放带，温度界面，pH界面，水位线，土壤湿度界面等通常是元素发生或终止迁移的部位。
4.元素地球化学迁移的研究方法。
答题要点：
1）元素在岩石、矿物中的含量（分配）； 2）元素存在形式的研究；
3）元素含量的空间分布； 4）实验研究； 5）建立成矿模型。
5.水溶液中元素的迁移形式有那些？
其中成矿元素的主要迁移形式又是什么？
答题要点：
水溶液中元素的迁移形式主要有：
离子（络离子）、分子；胶体；悬浮液；三者间可用滤纸和半透膜分开。
其中成矿元素的主要迁移形式是：
在高温水溶液中，除简单离子（卤化物）外，络合物（络离子）是成矿元素在水溶液中的重要迁移形式。
如Na[Sn（F,OH）6]、（K,Na）2[WO2F4]和（K,Na）2[MoO4]就是锡、钨、钼在高温热液中可能的迁移形式。
6.解释络离子的稳定性及其在地球化学迁移中的意义。
答题要点：
络离子的稳定性，用不稳定常数（k不）表示，它取决于电离能力的大小，这种电离可以表示为下面的一般形式:
[Men+AXm-]y-→Men++XAm-（Me：
中心离子 A：
配位体）
当电离达到平衡时，离子浓度（严格地说是离子活度）之间存在着以下关系：
K不=[Men+][Am-]X /[MeAX]y-
K不表示络合物的平衡常数称为络合物离解常数，亦称络合物的不稳定常数。
K不表示了络合物稳定性的大小，对于相同配位体的络合物，K不值越大，络合物在溶液中越不稳定（易离解），迁移越近；K不值越小，络合物越稳定，搬运得越远。
络离子的稳定性在地球化学迁移中的意义：
1）有利于成矿元素的稳定迁移（络离子不稳定常数K不一般较小，溶解度大）；
2）可用于研究矿床元素分带；
3）可用于解释相似元素分异。
7.简述元素迁移形式的研究方法。
答题要点：
1）过滤法，离子、分子-胶体-悬浮体三者间可用滤纸、和半透膜分开；
2）蚀变矿物组合法； 3）气液包裹体成分研究； 4）实验模拟.
8.什么是共同离子效应？
什么是盐效应？
答题要点：
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
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