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化學跨考地化難不難，地化都學些什么?

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地球化學跟化學相差甚遠。很多同學可能誤以為這兩門學科很接近。。。發(fā)一份本科期末復習題給大家看看吧~
第一章
隕石研究對于地球形成、組成及其演化的意義：
碳質(zhì)球粒隕石的元素豐度幾乎同太陽中觀察到的非揮發(fā)性元素豐度完全一致。因此碳質(zhì)球粒隕石的化學成分已被用于估計太陽系中非揮發(fā)性元素的豐度。通過研究Ir異常確定生物大絕滅。Ir是地表巖石中罕見但在許多隕石中常見的微量元素，某些I含r量異常高的巖石就成了與大滅絕相聯(lián)系的頭號撞擊示綜物。
試分析太陽系底原子序數(shù)的元素具有較高豐度的原因：
隨原子序數(shù)增加，核內(nèi)中子數(shù)增加速度大于質(zhì)子數(shù)，原子核趨于不穩(wěn)定。故元素和同位素的豐度降低。偶數(shù)元素原子核內(nèi)核子傾向成對，根據(jù)量子力學原理，此時原子核能降低，核穩(wěn)定性增大，這些元素在自然界中分布較廣。
元素的恒星合成過程也決定了其豐度大小。如Li,，Be,，B作為氫燃燒的一部分轉(zhuǎn)化為He，導致宇宙中這部分元素虧損。O和Fe的高豐度是由于這兩種元素是氫燃燒的穩(wěn)定產(chǎn)物。
對比月球與地球化學組成的異同點：
相同點：月球和地球由同樣化學元素組成，地球中的全部化學元素在月巖和月壤中都有發(fā)現(xiàn)，但二者比例不同。不同點：首先，與地球相比，月球虧損中等揮發(fā)性元素Na,K；其次，雖然月球硅酸鹽部分(幔+殼)比地球硅酸鹽部分富鐵，但與地球相比，月球整體貧鐵。反映出月核很小，只占該星球2%；月球鐵的虧損也波及到其它親鐵和親硫元素；第三，月球高度虧損高揮發(fā)性元素-稱為bone dry--完全干燥巖石；而富集耐火親氧元素如Al和Ca，幾乎為地球的2倍。
    盡管存在組成上的差異，月球與地球具有相同的氧同位素組成，強烈地支持二者形成于太陽星云的相同部分的觀點。地球與月球化學組成上的差異，無疑是在后期化學分餾和熱變質(zhì)階段產(chǎn)生的。
試述載體礦物和富集礦物的概念，并舉例說明其研究意義：
載體礦物：
指巖石中某元素總含量的主要部分分配于其中的那種礦物。有時該元素在載體礦物中的含量不一定很高.
富集礦物：
指巖石中某元素在其中的含量大大超過它在巖石總體中含量的那種礦物. 而某元素在該礦物中的分配量不一定最多.
以某花崗巖為例：
Pb含量的92%賦存于長石中, 黑云母,角閃石,石英和磁鐵礦Pb含量很低。同時長石中的Pb含量又大大超過其在巖石中的含量。表明長石既是Pb的載體礦物又是Pb的富集礦物。
Zn含量的70--90%賦存于黑云母其次為普通角閃石中,  石英、長石和磁鐵礦中的Zn含量很低。同時黑云母和普通角閃石中的Zn含量都大大超過其在巖石中的含量。表明黑云母是Zn的載體礦物，而黑云母和普通角閃石都是Zn的富集礦物。
意義：查明了元素在巖石中的富集礦物和載體礦物之后，就把握住了探討元素分配影響因素的突破方向。微量元素主要量遠非經(jīng)常賦存于富集礦物中。即微量元素的富集礦物和載體礦物不一定是同一種礦物。
元素豐度和分布量及克拉克值的概念：
豐度值--每種化學元素在自然體中的質(zhì)量,占自然體總質(zhì)量(或自然體全部化學元素總質(zhì)量)的相對份額(如百分數(shù)),稱為該元素在該自然體中的豐度值- abundance.
分布量-distribution-元素在地殼中的絕對含量--質(zhì)量。
元素在地殼中的豐度值稱為元素的克拉克值。用質(zhì)量表示稱為“質(zhì)量克拉克值”。
地球和地殼元素豐度研究的難點：
目前世界上最深的科拉半島大陸超深鉆深度僅有12km，人們可以直接觀察和研究的部分通常僅限于大陸上地殼。大陸中-下地殼難以直接觀察，其代表性樣品也不易獲得，這使得確定深部地殼特別是下地殼的組成成為大陸地殼組成研究的難點所在。

元素克拉克值的地球化學意義
元素克拉克值反映了地殼的平均化學成分，決定著地殼作為一個物理化學體系的總特征及地殼中各種地球化學過程的總背景。既是一種影響元素地球化學行為的重要因素，又為地球化學提供了衡量元素集中或分散程度的標尺。
        1）大陸地殼化學組成對殼幔分異的指示；
        2) 元素克拉克值影響著元素參加地球化學過程的濃度（強度），從而支配著元素的地球化學行為。
        3) 自然界元素的濃度和形成礦物的數(shù)目受元素克拉克值制約。實驗室中，人們可以制備出元素的任意濃度，但在地殼的各種體系中，元素的濃度卻受到克拉克值的很大限制。
        4) 元素克拉克值是影響元素遷移和集中分散等地球化學行為的重要因素。
    濃度克拉克值指某元素在某地質(zhì)體中的平均含量與其克拉克值之比。
5) 元素的克拉克值是進行金屬礦產(chǎn)資源評價的重要指標。
地殼中元素分布的規(guī)律及其產(chǎn)生的原因：
1. 元素無處不有定律
又稱克拉克-維爾納茨基定律--地面上每一點滴或每一微粒物質(zhì)，無一不是宇宙總成分的反映。為元素無處不有定律。
質(zhì)量作用定律
元素豐度和克拉克值在地球化學反應中起重要作用。
3. 化學反應制動原理
元素豐度不同，在自然化學反應中反應物間的量比不符合化學計量比例。
原因：
陰離子之間O豐度大大高于S,F,Cl等.因此自然界氧化物的種類遠大于其它化合物。
陽離子中Fe的豐度很大，因此在爭奪陰離子的“競爭”中，高豐度的Fe同時具有親硫，親氧和親鐵的三重性。
在O不足的體系中，元素與O2化合按-△G值由大到小順序進行,到Fe因其豐度高,消耗掉剩余O2，多余的Fe與硫化合或呈自然鐵存在，使排在FeO后面的元素不能與O結合。鐵起了“制動劑”作用， 在與硫化合的順序中，鐵同樣起“制動劑”作用。
下地殼元素豐度研究的意義：
底侵(underplating)導致地殼生長，拆沉(delamination)和花崗巖漿作用導致地殼演化分異。拆沉、底侵、花崗巖漿作用、山脈隆升、垮塌和盆地的形成是整個大陸形成與演化動力學鏈條中互為因果、密切聯(lián)系的不同組成部分。這些過程大多發(fā)生在下地殼或與下地殼有著直接聯(lián)系。
因此，下地殼是研究大陸地殼形成、演化以及底侵、拆沉和花崗巖漿作用等動力學過程的鑰匙。
太陽系中元素豐度規(guī)律：
        1.最豐富的元素是H和He.
        2.隨原子序數(shù)(Z)增加Z<50的輕元素豐度呈指數(shù)遞減,Z>50的較重元素不僅豐度低, 且豐度值幾乎不變,即豐度曲線近乎水平.
        3.奇偶規(guī)律:原子序數(shù)為偶數(shù)元素的豐度大大高于奇數(shù)的相鄰元素。
        4.與He相鄰Li,Be,B豐度很低,按輕元素的豐度水平它們非常虧損元素.
        5. O,Fe呈明顯峰值,是過剩元素.
        6.四倍規(guī)律:質(zhì)量數(shù)為4倍數(shù)的核素或同位素有較高豐度.如4He, 16O,40Ca,56Fe,140Ce等.
地球豐度規(guī)律：
   Fe，O,Si,Mg占90%其他與太陽系一致。
第二章
地殼中元素的主要存在形式
獨立礦物——指形成了能夠進行肉眼或顯微鏡下進行礦物學研究的顆粒(粒徑>0.001mm), 且可用機械或物理方法分離出單礦物樣品的礦物顆粒. 粒徑<0.001mm的化合物建議歸為超顯微非結構混入物類.
類質(zhì)同象形式——也稱結構混入物. 由于參加主元素礦物的晶格，用機械或化學方法不能使二者分離, 欲使其分離只有破壞原晶格. 因此獨立礦物和類質(zhì)同象都屬于較牢固的結合形式.
超顯微非結構混入物(超顯微包體)
其成因和性質(zhì)目前還不十分清楚. 但大量精細觀察和分析都發(fā)現(xiàn)確實存在一種顆粒極細的(<0.001mm)混入物. 主要特征是不占據(jù)主礦物晶格位置, 是獨立化合物, 但又不形成可以進行礦物學研究的顆粒. 成因和性質(zhì)介于獨立礦物和類質(zhì)同象之間. 因其具有獨立的化學性質(zhì), 一般可以使用化學處理的方法進行分離和研究.
膠體吸附狀態(tài)——元素以離子或化合物分子形式被膠體顆粒表面、礦物晶面、節(jié)理面所吸附。為一種非獨立化合物形式。元素以離子態(tài)或單獨分子存在，又不參加寄主礦物的晶格構造，因此是一種結合較弱的、易于交換和分離的賦存狀態(tài)(活性賦存形式).
5. 與有機質(zhì)結合的形式——地殼中廣泛發(fā)育的生物及各種有機質(zhì)除集中了親生物元素如C、H、O、N、S、P、Ca等元素外,還吸收大量金屬和非金屬構成其次要組分.主要結合狀態(tài)有:金屬有機化合物、金屬有機絡合物和螯合物如銅乙二胺絡離子：[Cu((CH2)2]2+等，以及有機膠體吸附態(tài)離子等.
元素的地球化學親和性和形成的內(nèi)在原因
元素地球化學親合性--形成陽離子能力和顯示出的有選擇性與某陰離子結合的特性稱為元素地球化學親合性。這是控制元素在自然界相互結合的最基本規(guī)律。
原因：元素形成陽離子的能力既與元素本身性質(zhì)(結構)有關，也與元素相互結合時體系物理化學條件(如化合反應的能量效應)有關。
為什么硅酸鹽礦物中K的配位數(shù)經(jīng)常比Na的配位數(shù)大？
        答： K和Na都屬于堿性元素，其離子半徑分別為：1.38A和1.02A(Krauskopf et al,1995)或1.59和1.24A(Gill,1996)。以與陰離子O2-結合為例，O2-離子半徑1.40A(Krauskopf et al,1995)或1.32(Gill,1996),根據(jù)陽離子與氧離子半徑比值與配位數(shù)關系，K+/O2-=0.9857, Na+/O2-=0.7286，由于等大球周圍有12個球，而在離子晶體中，隨陽離子半徑的較小，為達到緊密接觸，因此配位數(shù)也要減少，因此，在硅酸鹽礦物中K的配位數(shù)經(jīng)常比Na的配位數(shù)大，前者與氧的配位數(shù)為8，12，而后者為6,8。
Zn2+和Mg2+的離子半徑相近，但在天然礦物中，前者經(jīng)常呈四面體配位，后者則常呈八面體配位，為什么？
        答：這是由于二者地球化學親和性差異造成的，Mg2+離子半徑0.72A，Zn2+離子半徑≈0.70A，二者離子半徑相近，但是前者的電負性為1.2,后者電負性為1.7，在與氧形成的化學鍵中，前者71%為離子鍵成分，后者離子鍵成分僅為63%。前者易于親氧，后者則是典型的親硫元素。根據(jù)確定配位數(shù)的原則，Zn2+/S2-=0.41(Krauskopf et al,1995)，因此閃鋅礦形成典型的四面體配位，而后者Mg2+/O2-=0.51，因此呈八面體配位。

類質(zhì)同象研究的地球化學意義
1.確定元素的共生組合；2.決定元素在共生礦物之間的分配；3.補償類質(zhì)同象--硅酸鹽礦物多樣性原因；4. 支配微量元素在交代過程中的行為；5. 元素比值是地質(zhì)作用過程和成因的標志；6. 標型元素組合；7.  影響微量元素的集中或分散；8. 分配系數(shù)與地質(zhì)溫度計
為什么堿性長石(鈉長石、正長石、微斜長石)之間可以形成共生結構(條紋長石
或反條紋長石)，而在斜長石中卻不能？
        答：這與K和Na的化學性質(zhì)有關。二者的離子半徑分別為：1.38A和1.02A(Krauskopf et al,1995)，因此離子半徑差>15%，因此二者的類質(zhì)同象替代為高溫下形成完全類質(zhì)同象,低溫時形成不完全類質(zhì)同象,固溶體發(fā)生分解。實驗表明(Krauskopf et al,1995)，
二者的溶離線臨界溫度約為700℃，在此溫度之上，KAlSi3O8與NaAlSi3O8二者呈完全類質(zhì)同象，形成完全的固溶體系列，一旦溫度降低至溶離線臨界溫度之下，類質(zhì)同象混合物發(fā)生分離-出溶，形成熟知的富K和富Na長石的條紋或反條紋長石，條紋長石以鉀長石為主含有少量鈉長石的條紋，反條紋長石則以鈉長石為主含有少量鉀長石的條紋。
而斜長石可以認為是一種異價類質(zhì)同象的連續(xù)系列，因此不會形成交生結構。
為什么結構與硅酸鹽類似的碳酸鹽沒有形成種類復雜的碳酸鹽礦物？（Krauskopf et al.,1995）
答：構成硅酸鹽的主要元素Si是一種非金屬元素它組成SiO44-四面體，如形成橄欖
石Mg2SiO4，其特征更由Mg2+和CO32-組成的菱鎂礦，這樣看，其結構化學并不比硫酸鹽中的S、磷酸鹽中的P和碳酸鹽中的C更復雜。那么為什么這種特殊的非金屬元素形成的礦物種數(shù)達800余種，而碳酸鹽礦物只有80余種？要點：(1) 雖然Si是非金屬元素，但其性質(zhì)確處在非金屬和金屬之間。如同Al、Mg等元素一樣，Si也可以與O離子連接在一起，形成石英等礦物，又如同C和S等非金屬元素形成由自身構成的揮發(fā)組分的氧化物，Si不能形成揮發(fā)組分化合物，但它確實具有非金屬的行為，以簡單陽離子的形式進入橄欖石的晶格。Si的這種雙重性可以說明自然界硅酸鹽結構的多樣性。(2)從Si元素化學性質(zhì)上分析。Si4+的大小處在最小的金屬離子Ti4+和Al3+和最大的多價態(tài)非金屬離子(P5+和S6+)之間。如果Si離子小，能夠更有效極化氧離子使其變形并繞其緊密接觸，形成含自身元素的分子或陰離子。如果Si更大，對氧的吸引力減弱，在金屬氧化物晶體的格架中形成各自獨立的單元。這種中間大小的特征使得Si在晶體結構中具有履行任何功能的作用。(3)在硅酸鹽中Si離子總是被四面體角頂?shù)难蹼x子包圍，這種四面體可以是獨立的陰離子，也可以以各種方式聯(lián)系在一起。這種聯(lián)系就意味著在特定四面體中一個或多個氧也是鄰近四面體的組成部分，由這種連接就構成了多種多樣可能的硅酸鹽結構。包括：獨立四面體結構-島狀硅酸鹽-如橄欖石，多四面體結構礦物。2~6個四面體連接在一起形成大的獨立陰離子-雙島狀硅酸鹽礦物，如異極礦-Zn4Si2O7(OH)2H2O等，環(huán)狀硅酸鹽礦物-綠拄石等，鏈狀硅酸鹽-單鏈和雙鏈硅酸鹽礦物，層狀硅酸鹽、架狀硅酸鹽等等。
第三章 元素的地球化學遷移
夏天和冬天相比，河水中的pH值是升高還是降低？為什么？白天和夜晚相比，湖水的pH值是升高還是降低？為什么？(6分)
答：夏天植物的光合作用比冬天更強，據(jù)化學反應方程: H2O+CO2H2CO3HCO3-+H+,溶解在水中的CO2被植物吸收，導致水中H+離子濃度降低，因此夏天水中pH值升高。白天植物的光合作用吸收CO2，使得水中的pH值增大，而在夜晚植物和動物的呼吸產(chǎn)生CO2，CO2因此夜晚湖水中的pH值減小(Krauskopf et al.,1995)。
根據(jù)氧化還原電位回答，為什么鉑、金在自然界往往以自然元素形式存在？
    答：Pt和的氧化還原電位都很高：
Pt2++2ePt  EO=1.2伏；  Au3++3eAu    EO=1.51伏
這樣高的EO，
（1）電對中氧化劑物質(zhì)Pt2+和Au3+是一個很強的氧化劑，很容易獲得電子形成自然Pt和Au。如在硫化礦床的膠結帶或次生富集帶有一部分自然金的形成就是Au3+被Fe2+還原的結果：Au3++3Fe2+=Au+3Fe3+.
（2）電對中還原形物質(zhì)Pt和Au是一個很弱的還原劑，很難失去電子成為金屬陽離子，氧化Pt和Au只有在較高的Eh下才有可能。而在自然界甚至在含有游離氧的氧化帶也很難達到。所以在通常情況下Pt和Au很穩(wěn)定，多以自然元素形式存在。
    由于以上原因，金在自然界一般很難以簡單離子進行遷移。通常認為，除了在水溶液中金可能被還原為單質(zhì)而以膠體溶液的形式遷移外，在熱液中金可能以絡離子形式進行遷移，因為絡離子的形成可以大大降低金的氧化還原電位，例如：Au3++3eAu    EO=1.5伏   [AuCl4]-+3e=Au+4Cl-   EO=1.00伏
    由此可見在含有某些絡合配位體(Cl-,S2-等)的熱液中，金可能形成絡離子。但是這些絡離子只能在一定條件下(如在局部情況下Eh較高的熱液中)穩(wěn)定，遇到還原劑很容易分解為自然金。
[AuCl4]-+3Fe2+=Au+3Fe3++4Cl-
[AuS3]3-+3Fe2+=Au+3Fe3++3S2-
地球化學梯度和地球化學障
地球化學梯度(gradients)--描述一個地球化學景觀(landscape)中元素含量的逐漸變化. 指在一個巖性相對穩(wěn)定地區(qū)，特定元素在空間上離開礦床在垂向和水平方向上表現(xiàn)的含量分布變化，離開礦床一定距離后從異常濃度降至背景濃度。
地球化學障(barrier)--描述一個地球化學景觀中元素含量的急劇變化.地殼中物理或化學梯度具有突變的地帶，常伴隨元素聚集或堆積作用。即在元素遷移過程中經(jīng)過物理化學環(huán)境發(fā)生急劇變化地帶時，介質(zhì)中原來穩(wěn)定的元素遷移能力下降，形成化合物沉淀。
第四章  微跡元素地球化學
在稀土元素球粒隕石標準化圖解中，與其它稀土元素相比Eu和Ce經(jīng)常出現(xiàn)特殊的異常。為什么？什么樣的情況下，這種異常非常會變的非常突出？
    答：與其他REE元素都呈3價態(tài)不同，Eu和Ce分別可以呈2和3價和3價和4價。由于離子半徑相近，Eu2+可以置換Pb2+,Ca2+，Sr2+以及Na+。二者在氧化還原條件下就會呈現(xiàn)與其它REE元素不同的分配情況，如在還原的月球上，具有負Eu異常玄武巖與正Eu異常輝長質(zhì)斜長巖REE模式，兩種巖石都是具有特高Eu2+/Eu3+比值(還原條件下)的月球火成巖。玄武巖來自月海地區(qū)(mare basalt),輝長質(zhì)斜長巖來自月球高原，前者因斜長石分離結晶虧損Eu,后者則因斜長石堆積富集Eu。此外，由于大量斜長石的晶出導致殘余熔體出現(xiàn)明顯的Eu負異常，這是堿性巖和酸性巖的特征。
而對于Ce來說，Ce4+比Ce3+離子半徑小15%，Ce4+的離子半徑(8次配位)為0.97A,Mn2+的離子半徑(8次配位)為0.96A，因此可以類質(zhì)同象替代Mn。在海水的Eh-pH條件下Ce主要以Ce4+形式存在，該價態(tài)的Ce。
分析對比花崗巖、頁巖、斜長石、石榴子石的REE分配系數(shù)-原子序數(shù)圖解。它們各自有哪些特點？這些巖石、礦物的REE分布模式之間有何關系？為什么？
    答：典型花崗巖(一般稱為二長花崗巖和鉀長花崗巖)一般相對富集HREE，具有明顯的Eu負異常，δEu<0.5。頁巖是漫長地質(zhì)時間由形成的火成巖和沉積巖反復分異而形成，因此具有與花崗巖和流紋巖類似的REE配分模式，一般具有弱的Eu負異常。石榴子石的礦物/熔體分配系數(shù)呈現(xiàn)特征的礦物中富集重稀土元素，虧損輕稀土元素。而斜長石的礦物/熔體分配系數(shù)表明相對富集輕稀土元素，且具有明顯的Eu的正異常，即斜長石明顯富集Eu，這與Eu2+類質(zhì)同象替代斜長石中的Ca2+有關。因此花崗巖的Eu負異常與斜長石的早期晶出有關。
多數(shù)稀土元素在花崗巖中比在玄武巖中更為豐富，但是Eu卻在玄武巖中更為豐富，為什么？
    答：大多數(shù)稀土元素都是呈3價出現(xiàn)，而Eu是變價元素，有2和3兩個價態(tài)，Eu2+與Ca2+的離子半經(jīng)比較接近，可以置換斜長石中的Ca，因此與大多數(shù)稀土元素在花崗巖中比在玄武巖中更為豐富不同，Eu在斜長石含量較高的玄武巖中更為豐富。
為什么U、Th在花崗巖中比在超基性巖中更為豐富？
答：這與U、Th的離子半徑和類質(zhì)同象置換有關。U和Th的離子半徑較大，U4+(6次配位)為0.97A,U6+(6次配位)為0.80A,Th3+(6次配位)為1.14A,Th4+(6次配位)為1.02A，因此二者不能進入早期結晶的鎂鐵礦物中，而富集在淡色的殘余巖漿內(nèi)。U4+廣泛地與Th4+,Zr4+,REE3+以及Ca2+呈類質(zhì)同象置換6次配位)。
第五章  同位素地球化學
下列巖漿巖：① 形成過程中僅與巖漿水發(fā)生了相互作用；② 形成過程中廣泛地與大氣降水發(fā)生了相互作用。試回答哪一種巖漿巖D/H比值和18O/16O比值更高？(6分)。
  答：形成過程中僅與巖漿水發(fā)生了相互作用的巖漿巖D/H比值和18O/16O比值更高。
        對灰?guī)r樣品進行18O/16O比值分析以確定巖石的形成溫度，結果數(shù)值可以分為兩組，一組18O/16O比值高，另一組18O/16O比值低。試問哪一組巖石即富18O的巖石還是貧18O的巖石最有可能保留巖石最初的同位素組成？
         答：沉積后沉積巖的蝕變作用通常會引起18O/16O比值降低，這是由于引起蝕變作用的水一般至少含有一些地下水，這種水的18O含量一般比海水18O值低。
           研究表明，巖漿巖和變質(zhì)巖中的不同礦物具有不同的18O/16O比值，例如巖漿巖中石英一般比鉀長石具有更高的18O/16O比值，試闡明控制礦物18O/16O比值大小的原因是什么？
    答：根據(jù)同位素理論，氧與陽離子的鍵強控制了礦物的18O/16O比值，一般18O富集于與氧形成更強鍵的礦物中。硅酸鹽中硅氧鍵的鍵強比鋁氧鍵強大，因此石英中的18O要比鉀長石更大。
何為同位素分餾系數(shù)？
答：達到同位素交換平衡時，共存相間同位素相對豐度的比值為一常數(shù)，稱為分餾系數(shù)：。式中：R為相對同位素豐度，A和B分別代表含有相同元素的兩種分子，如CO32-和H2O。1為輕同位素，2為重同位素。