地球化學課程總結

1、課程總結,第一章太陽系的化學組成,,基本概念：元素豐度：地質體中元素的平均含量。太陽系元素豐度：太陽系元素的平均含量 根據太陽光譜和宇宙射線分析的行星大氣以及隕石樣品的實驗室分析數(shù)據，按太陽系的成因模型（行星的體積、密度資料）計算的元素平均含量。,,1、太陽系行星的化學組成與內部結構（1）太陽系行星的化學組成變化規(guī)律組成行星核的元素Fe、Co、Ni、Cr等逐漸減少。難熔元素Ree、Ti、V、Th、U、Zr、Hf、Nb、

2、Ta等和揮發(fā)元素與親氣元素逐漸增多。Si、Mg、Al、Ca增多。遠日行星 主要成分為CH4、NH3、和H2等。,,（2）太陽系行星大氣層的變化規(guī)律水星：大氣層極稀薄金星：大氣層稠密，為CO2（95%）-N2（4.5%）型地球：大氣層稠密，為N2(78.1%)-O2（21%）型?；鹦牵捍髿鈱訕O稀薄 CO2(95%)-He(3%)-N2 (2-3% -Ar（1-2%）型類木行星：保持了原始星云氣體的成分，主要為NH3-CH

3、4-H2型。,,（3）太陽系元素豐度規(guī)律H、He具有極高的豐度Li、Be、B豐度異常低。元素豐度隨原子序數(shù)增加而降低。原子序數(shù)為偶數(shù)的元數(shù)豐度大于相鄰的兩個奇數(shù)元素的豐度。了解行星演化與太陽星云凝聚假說的基本原理。,,2、隕石的化學組成目的意義:為地幔和地核組成及太陽系原始星云和行星組成演化提供類比依據。主要知識點：隕石分類與組成特征隕石化學成分與礦物組成和密度關系 （地球和行星內部成分計算依據） (球粒隕石提

4、供了原始地幔同位素組成的重要依據）碳質球粒隕石組成與太陽系非揮發(fā)性元素初始豐度關系。,,3、月球的化學組成了解行星早期隕石強烈沖擊演化階段。主要內容：月球表面的沖擊 坑 : 月海-隕石強烈沖擊月球表面的巖石組成: 月海玄武巖 高地輝長巖-斜長巖(強烈火山活動)虧損揮發(fā)性和親鐵元素 (星云凝聚證據)月球玄武巖中存在金屬鐵，缺失三價鐵（強還原的表生-內生環(huán)境）。4、地球的成因假說 了解地球起源的假說與主要依據，,第二章

5、 元素在地球各圈層中的分布,1、地球的圈層結構與組成1）地球內部結構、組成的研究方法地球物理：地球內部圈層結構-地殼、地幔和地核的劃分依據地球化學:玄武巖和地幔包體實驗模擬：地殼、地幔、地核的相變與化學組成隕石成分的類比：確定地球深部物相與化學組成,,2）地殼化學組成的確定方法 根據細碎屑沉積物計算地殼元素豐度 根據地殼巖石的權重計算元素豐度 考慮大洋地殼的權重計算地殼元素豐度3）地球的結構與

6、化學組成 大陸地殼的結構與化學組成 大洋地殼的結構與化學組成 地幔的結構與化學組成,,2、元素在地殼中的豐度 1）地殼的元素豐度規(guī)律 偶數(shù)規(guī)則、四倍規(guī)則2）元素在地殼巖石中的分布 火成巖中元素豐度的主要特征 沉積巖中元素豐度的主要特征 (灰?guī)r-白云巖、砂巖、泥巖）3）地殼元素豐度的研究意義 殼幔演化 地球化學背景 元素遷移、富集規(guī)律 異常

7、圈定與評價,,3、水圈、大氣圈和生物圈的化學成分1）水圈的化學成分海水河水、湖水、地下水、溫泉水、冰川,2）大氣圈的化學成分,大氣組成 大氣成分的循環(huán)3）生物圈的化學成分4）各圈層相互作用與化學成分變化規(guī)律火山噴氣與大氣圈早期組成硅酸鹽風化與大氣CO2含量的變化關系硅酸鹽水解作用與海洋PH的變化關系地球表面氧化帶形成過程與海洋PH的變化關系有機質深埋作用與大氣組成關系海洋碳酸鹽沉淀與大氣CO2含量的變化關

8、系,4、地球的化學演化,1）37億年前（冥古宙） 隕石沖擊 強烈火山活動 酸性水圈 表生還原環(huán)境2）37-25億年（太古宙） 科馬提巖 海洋硅-鐵建造 CO2型大氣圈 酸性水圈 3）25-16億年（古元古代） 19億年左右，碳酸巖爆發(fā)性沉積，出現(xiàn)超大型瀉湖蒸發(fā)型碳酸巖類礦床（MgCO3、CaCO3、FeCO3、MnCO3） 水圈-大氣圈性質發(fā)生巨變4）16-5.7億年（中、新元古代）

9、 藻類生物出現(xiàn) 大氣圈向氧氣型演化5）5.7億年-今（顯生宙） 生物大爆發(fā) 能源礦產 部分稀有元素成礦 新生代錳結核 氮-氧型大氣圈 堿性水圈,第三章 元素的結合規(guī)律,本章基本概念：元素結合規(guī)律：元素不同結合傾向的規(guī)律元素的親氧性、親硫性：元素形成氧化物或硫化物屬性的強弱。主要內容：1、元素的地球化學親合性 元素結合的能量最低法則元素的親氧、親硫性質元素結合的基本規(guī)律,元素的地球化學分類,戈爾

10、德施密特的地球化學分類親鐵元素 親硫元素 親石元素 親氣元素 親生物元素以元素親合性為依據的元素地球化學分類親石元素 親氧元素 親硫元素 陰離子及兩性元素 氫及惰性氣體元素,第四章 微量元素地球化學,基本概念：微量元素、分配系數(shù)基本理論:1、能斯特分配定律和分配系數(shù)1）稀溶液與亨利定律2）能斯特分配定律和分配系數(shù)3）分配系數(shù)的測定 直接測定 實驗測定4）影響分配系數(shù)的因素 成

11、分 溫度 壓力 氧逸度,2、巖漿作用定量模型,1）分離結晶與部分熔融作用中元素富集虧損規(guī)律2）巖漿作用判別的基本原理 元素豐度-元素比值圖解的判別原理 強不相熔元素-強相熔元素豐度圖解的判別原理3）微量元素在巖漿作用中的指紋效應 斜長石 鉀長石 云母 角閃石 橄欖石 單斜輝石 石榴石 金紅石 磷灰石（化學組成與特征指紋元素）4）微量元素常用名詞 不相容元素 強不相容元素

12、 相容元素 大離子親石元素（LIL） 高場強元素（HFS）,3、 稀土元素地球化學,1）稀土元素的地球化學性質 原子結構 離子半徑 地球化學穩(wěn)定性2）數(shù)據的表示方法 球粒隕石標準化模式圖（從分配系數(shù)上理解） 特征參數(shù)：?REE、?HREE、(La/Yb)N、(La/Sm)N, (Gd/Yb)N、 ?Eu、 ?Ce3）主要巖漿系列稀土組成特征 洋脊玄武巖LREE虧損

13、，其它不同程度富集,4）稀土元素的應用,1）主要造巖礦物 常見副礦物稀土元素分配系數(shù)2）特征參數(shù)的巖漿成因分析（掌握幾種類型） 巖漿源區(qū)性質判別 ? REE (La/Yb)N (Sm/Yb)N ?Eu ?Ce3）巖漿作用分析原理（分配系數(shù)上理解）,,第五章 放射性同位素地球化學,基本概念: 放射性 同位素 放射性同位素 同位素初始值1、放射性同位素測年原理

14、 D = D 0+N（eλt -1） t=1/λ[ln(D/N+1)] 同位素測年滿足的基本條件： 封閉體系 準確扣除初始子體D 0,等時線法測年的基本原理,一組同時、同源、封閉體系樣品的放射性母體與子體將構成一條直線方程，方程截距為D0，由直線斜率可計算巖石形成時間。該方法是針對自然界呈分散狀態(tài)存在的放射性同位素（銣-鍶、釤-釹、錸-鋨、镥-鉿等）提出的。通式為： D = D 0+N

15、（eλt -1） t=1/λ[ln(D/N+1)] 等時線測年方法的前提條件：一組樣品 同源 同時 封閉體系 母體/子體有一定變化范圍,等時線測年方法的優(yōu)缺點,（1）不需要對初始同位素組成校正，可由斜率直接計算出年齡。 (2) 礦物等時線年齡可揭示巖石的熱演化歷史（3）可獲得初始同位素組成，提供巖石成因示蹤標志。（4）假定所測一組樣品為同源、同時和同位素封閉體系，實際應

16、用中缺少嚴格的判據。,2、銣-鍶同位素測年,1）銣和鍶的地球化學（Rb-含K礦物, Sr-含Ca礦物）測年基本公式：87Sr/86Sr =(87Sr/86Sr)0+(87Rb/86Sr) (eλt-1）2）Rb-Sr全巖等時線年齡與礦物等時線年齡的地質解釋——巖石結晶年齡和后期熱擾動年齡3）鍶同位素地球化學：高Rb/Sr比的大陸地殼物質熔融形成的花崗巖漿具有高的(87Sr/86Sr)i值.低Rb/Sr比的地幔物質熔融形成的巖

17、漿具有低 (87Sr/86Sr)i,第三節(jié) Sm-Nd同位素測年,一、釤-釹地球化學 Sm/Nd比值變化小，一般適用于鎂鐵質-超鎂鐵質巖石或含有石榴石的巖石測年 測年原理同等時線法鍶、釹同位素示蹤原理 Rb/Sr和Sm/Nd的地球化學演化理解示蹤原理 單階段釹模式年齡的含義,第四節(jié) 鈾-釷-鉛法測年 及鉛同位素地球化學,適合鈾-釷-鉛法測年的礦物瀝青鈾礦、鋯石、獨居石、磷灰石、

18、磷釔石和榍石。測年特征：（1）同時獲得四個年齡（2）對體系封閉性作出判別（3）利用U- Pb諧和圖確定鋯石結晶年齡和熱擾動年齡 (4) 未受變質作用改造的火成巖，其最小諧和年齡為 巖漿結晶年齡。,,不一致線年齡的地質解釋 上交點代表礦物形成年齡，下交點代表引起Pb丟失的熱事件年齡。下交點年齡只有在有其它地質證據支持的情況下，才可被賦予年齡意義。,第五節(jié) K-Ar和Ar-Ar法同位素測年,必須滿足條件：

19、1、在礦物形成和以后過程中，同位素保持封閉體系。2、在礦物形成過程中，沒有過剩氬(初始氬和捕獲的大氣氬)存在。3. 沒有因為分餾作用或其它過程引起Ar同位素組成的變化。,三、適合K-Ar和Ar-Ar法測年的巖石與礦物,1、含鉀的礦物和巖石云母類、角閃石、鉀長石、伊利石、火山玻璃2、 Ar-Ar法的最大優(yōu)點是可以給出熱擾動年齡，對確定構造變形發(fā)生的時間具有特殊意義。,第六章 穩(wěn)定同位素地球化學,穩(wěn)定同位素、同位素分餾、同位

20、素分餾原理第一節(jié) 穩(wěn)定同位素組成的表示方法與標準樣品的同位素比值相比較用偏差千分率表示（δ‰）正和負δ‰值的含義第二節(jié) 同位素分餾1）同位素分餾：地球化學過程中化學鍵強弱（質量差異）導致的穩(wěn)定同位素在礦物中的豐度變化稱同位素分餾分餾程度用分餾系數(shù)α表示：α＝RA/RBα 為A相和B相中重同位素與輕同位素的比值。,2）產生同位素分餾的主要原因,原子和分子的振動能是產生同位素分餾的主要原因 分子振動能的大小決定化學鍵的

21、強弱，弱鍵富集輕同位素，強健富集重同位素。3）引起同位素分餾的地球化學過程：①同位素交換反應 同位素分餾系數(shù)與溫度成反比。②動力學分餾 輕同位素組成的化學健較弱，反應速率較快，生成物中輕同位素相對富集,③物理分餾：,蒸發(fā)與凝聚、溶化與結晶、吸附與解吸以及分子或離子的擴散，引起的同位素分餾稱物理分餾。蒸發(fā)相富集輕同位素，凝聚相富集重同位素。④生物化學分餾生物活動和有機反應引起的同位素分餾。它使輕同位素更多地

22、富集在生物合成的化合物中,第三節(jié) 硫同位素地球化學,（一）硫同位素的組成主要研究32S與34S的比值變化。（二）硫同位素分餾的熱力學效應硫同位素分餾系數(shù)大小取決于介質所的物理化學環(huán)境（溫度、氧逸度、pH值等）。硫的氧化物（SO2）含氧酸根化合物（SO2-4）的鍵能比硫化物大，它們比共存硫化物明顯富集34S。 礦床中硫酸鹽的δ34S值大于硫化物的δ34S值。,1 氧逸度和pH值對硫同位素分餾的影響,氫離子活度控制著共存的H2S

23、、HS-與S-2的相對比例，氧逸度控制SO4-2 相對水溶液中H2S的豐度， SO4-2較S-2富集34S。硫同位素分餾與氧逸度（fO2）和PH值的關系：（1）氧逸度成礦溶液沉淀的硫化物比低氧逸度下的同種礦物富集32S。（2） PH值PH降低，氫離子活度增加，有利于H2S（溶液）和 HS-的形成，兩者相對硫化物優(yōu)先富集34S，成礦液體中沉淀出的硫化物隨PH降低，不斷富集32S。,（三）生物分餾作用： 生物活動和有

24、機反應引起的同位素分餾,（四）硫同位素地質溫度計 在共生礦物中，硫同位素分餾與礦物形成的溫度密切相關。成礦溫度愈高，礦物間同位素分餾愈?。怀傻V溫度愈低，分餾愈明顯。,第五節(jié) 氧、氫同位素地球化學,（一）氧、氫同位素組成與分布（二）礦物間氧同位素熱力學平衡礦物中氧鍵由強變弱的趨勢 (輕-重同位素富集規(guī)律)即Si-O-Si鍵最強Si-O-Al鍵、Si-O-Mg鍵次之Fe-O-Fe鍵最弱 。,（三）氧同位素地質溫度計,測溫條

25、件:（1）交換反應達到平衡 （2）平衡后同位素組成不在改變（3）實驗測定出溫度與分餾系數(shù)的關系式氧同位素的應用：巖漿作用示蹤成巖、成礦、古海洋、古氣候溫度測定（硅酸鹽、氧化物、碳酸鈣、硅藻、放射蟲）確定時代-氧同位素組成恢復古溫度,,2.蒸發(fā)與凝聚過程中氫氧同位素的分餾（1）大氣降水的氫氧同位素組成（2）影響雨水δD值及δ18O值的因素（影響溫度變化的因素）,4、碳同位素地球化學,1）碳同位素組成與分布2）碳

26、同位素的分餾 光合作用的動力學分餾效應 光合作用：6CO2＋6H2O→C6H12O6+6O2 生物成因有機化合物的碳同位素組成CO2與HCO3- 和CO3-2 的碳同位素分餾海水CO3-2和HCO3-比大氣CO2富集13C,深成或平均地殼來源的碳δ13C≈-7‰生物成因的有機化合物δ13C≈-25‰,影響同位素分餾作用的主要因素： 溫度、 fO2 、 pH值和生物作用(C、S) 溫度（H、O）

27、 示蹤分析： (1)同位素分餾效應 (2)體系初始穩(wěn)定同位素組成 (3)外來物質混入,第七章 環(huán)境地球化學,基本概念：1、環(huán)境中元素的背景值及其存在狀態(tài)環(huán)境背景值：1）環(huán)境中元素的存在狀態(tài)：元素的物理狀態(tài)、價態(tài)、化合態(tài)和結構態(tài)等方面 土壤中金屬元素賦存狀態(tài)及有效態(tài)： ①水溶態(tài)、 ②可交換態(tài)、③有機無機結合態(tài)、④固定態(tài)；有效態(tài)：①水溶態(tài)、 ②可交換態(tài)、 天然水體中元素的存在狀態(tài)：溶解態(tài)和懸浮態(tài),第

28、二節(jié) 元素的生態(tài)學分類及其功能,元素的生態(tài)學分類(1)大量必需元素H、C、O、N、P、S、Cl、K、Na、Ca、Mg。(2) 微量必需元素(3) 非必需元素(4)有毒元素Cd、Hg、As、Pb、U等,第三節(jié) 生物地球化學循環(huán)與環(huán)境變化,,生物地球化學循環(huán)一、水循環(huán)（水循環(huán)概念）1.人類活動對水循環(huán)和環(huán)境的影響水庫 運河 開采地下水 改變水的運動狀態(tài) ②森林 植被破壞 蒸發(fā)、徑流過程改變， 水

29、土 流失 氣候變化③排放有毒有害物質 進入水循環(huán)體系，SO2、NO2等氣體-酸雨使環(huán)境受到污染④化肥、農藥 ——土壤污染——食物鏈危及動物和人類健康,二、碳循環(huán),（1）大氣CO2來源： ① 化石燃料釋放CO2 ② 火山噴發(fā)釋放CO2 ③ 酸雨引起的碳酸巖溶解 ④ 動物呼吸作用（2）大氣CO2消耗： ① 有機質深埋作用 ② 植物光合作用 ③ 碳酸鹽沉淀,人類對碳循環(huán)的干擾：,①森

30、林過度砍伐造成植被覆蓋率降低，植被 對大氣中CO2的吸收量減少。②能源燃料的燃燒和建筑原材料業(yè)向大氣中排 放大量CO2。③酸雨和礦業(yè)產生地表水酸化導致巖石圈固結 碳加速向大氣轉化。大氣中CO2的增加導致全球氣候變暖，海平面上升，改變全球和區(qū)域水的平衡等。,三、氮循環(huán),人類對氮循環(huán)的干擾及環(huán)境效應①化石燃料的燃燒-酸雨②礦物燃料不完全燃燒-化學煙霧-破壞臭氧層③生活污水中的N與磷產生耦合作用-水體富營

31、養(yǎng)化。,四、磷循環(huán),土壤和水中磷-植物-動物-微生物分解-一部分被植物吸收，一部分進入水圈- 一部分被水生動植物吸收，另一部分沉淀返回巖石圈。 人類活動對磷循環(huán)的主要干擾表現(xiàn)在： 大量施用磷肥，造成農田排水中磷含量增高。生活污水和某些工業(yè)廢水中含有較高的磷 ——水體富營養(yǎng)化,五、硫循環(huán),火山噴發(fā)釋放H2S和SO2植物從大氣、土壤、水中吸收SO2，植物殘體經微生物分解將有機硫變成H2S釋放到大氣。水體中的硫酸鹽在硫

32、酸鹽還原菌的作用下變成H2S。大氣H2S和SO2最終以酸雨進入水圈人類活動對硫循環(huán)的干擾含硫煤的燃燒、草原森林大火 含硫礦石的冶煉向大氣中排放SO2——酸雨,第四節(jié) 環(huán)境地球化學的主要研究領域,一、環(huán)境變化的歷史記錄主要內容：①不同時空尺度上環(huán)境的演變過程②環(huán)境變化的驅動力和環(huán)境變化對人類的影響主要記錄：樹木年輪 湖泊沉積物 海洋沉積物 黃土和古土壤 冰芯,二、水體富營養(yǎng)化,指湖泊、河流、水庫、

33、海灣等接納過多的氮、磷等營養(yǎng)物質，造成水體中藻類生物大量繁殖，水體透明度和溶解氧下降，魚類和其它水生生物死亡、水質惡化的總體效應。防止水體富營養(yǎng)化的主要途徑①各種廢水處理到達標排放，減少水土流失②向水體中注氣或投加降磷的化學絮凝劑③對含磷較高的底泥和沉積物進行清理.,三、環(huán)境污染的修復,1.土壤污染的化學修復（改良劑、抑制劑、表面活性劑）2.土壤污染的生物修復微生物降解 植物：吸收、揮發(fā)、穩(wěn)定土壤中的金屬污染物,四、土

34、壤化學與農牧業(yè),1、土壤養(yǎng)分的來源①礦物通過風化作用釋放養(yǎng)分②有機質分解提供養(yǎng)分③生物固氮作用獲得養(yǎng)分④施肥補充養(yǎng)分⑤大氣降水或灌溉帶入養(yǎng)分2、影響土壤養(yǎng)分有效性的因素：土壤的pH、Eh、水分、通氣性、有機質和粘土礦物的含量等。,3.地球化學在農牧業(yè)生產中的應用,（1）因地施種，發(fā)展名優(yōu)特農產品（2）合理施肥，提高農產品的品質（3）查明草地生態(tài)環(huán)境中必需微量元素的營養(yǎng)平衡狀況，制定補救措施, 促使牧業(yè)生產健康發(fā)展,

35、五、地球化學與人體健康,1、人體化學元素與環(huán)境化學元素的關系人體與環(huán)境之間的化學組成存在依存關系2、地球化學環(huán)境與地方病地方?。涵h(huán)境中某種或某些化學元素的不足或過量引起一定區(qū)域內流行的疾病常見地方?。杭谞钕倌[ 氟中毒 克山病 大骨節(jié)病,,,1、已知在T=200-500℃范圍內，1000lnα石英-水=3.38×106/T2-3.40;1000lnα方解石-水=2.78×106/T2-3.40，

36、測得△石英-方解石=1.22， 計算溫度T=？2、已知某花崗巖樣品 Sm、Eu、Gd的含量分別為： 6.0、0.20和3.40ppm,球粒隕石Sm、Eu、Gd的含量分別為： 0.195、0.0735和0.259ppm,試計算該樣品的δEu值，根據計算結果討論δEu值的巖石學意義。,,△石英-方解石=1.22=（3.38×106- 2.78×106）/ T2+(3.40-3.40) 1.2