现代地球化学的定义:地球化学是研究地球及子系统的化学组成、化学机制和化学演化的科学。
地球化学研究的基本问题:1地球系统中元素(同位素)的组成2 元素的共生组合和存在形式3 研究元素的迁移和循环4 地球的历史与演化。
地球化学体系的特点:1有一定的空间范围2在一定的物理化学条件下处于特定的物理化学状态3有一定的时间连续性陨石分为三类:1)铁陨石2)石陨石(是否含有硅酸盐球粒,分为球粒陨石和无球粒陨石)3)铁石陨石太阳系的行星分为:地球和类地行星;巨行星;远日行星太阳系元素丰度的规律:1. H和He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. 原子序数较低的范围内,元素丰度随原子序数增大呈指数递减,而在原子序数较大的范围内(Z>45)各元素丰度值很相近。
3. 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4. 质量数为4的倍数的核素或同位素具有较高丰度。
5. 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.通常将元素在宇宙或较大的地球化学系统中的平均含量称为丰度。
元素在地壳中的丰度称为克拉克值。
元素丰度:太阳系: H>He>O>C>Ne>N>Fe>Si>Mg>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 。
地球化学体系的特征:1 温度、压力等条件的变化幅度与实验条件相比相对有限2 是多组分的复杂体系,大量化学组风共存3 体系是开放的,体系与环境之间存在充分的物质和能量的交换4 自发进行的不可逆过程。
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,称元素的地球化学亲和性。
分类主要包括亲氧性元素、亲硫性元素和亲铁性元素三大类型。
在判断元素的地球化学亲和性时,化学键性是第一位的,在化学键相同的情况下要考虑原子结合时的几何稳定性。
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地其他质点(原子、离子、配离子、分子)所占据,结果只引起晶格常数的微小变化,晶体的构造类型、化学键类型等保持不变,这一现象称类质同象。
类质同象置换法则:1、戈尔德施密特类质同象法则(只是用于离子化合物)1)优先法则:两种离子电价相同,半径相似,半径小的离子优先进入矿物晶格2)捕获容许法则:如果两个离子半径相近,而电价不同,较高价离子优先进入较早结晶的矿物晶体中,称捕获,低价离子容许进入晚期矿物。
3)隐蔽法则:两个离子具有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,丰度低的微量元素进入矿物晶格,为主量元素所“隐蔽”。
2、林伍德法则(更适用于非离子化合物):对于二个价数和离子半径相似的阳离子(离子键成分不同时)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。
元素在固相中的存在形式:独立矿物、类质同象、超显微非结构混合物、吸附、与有机制结合。
元素地球化学迁移:当环境发生物理化学条件变化时,元素发生了结合状态变化并伴随有元素的空间位移时,称元素发生了地球化学迁移。
元素的地球化学迁移过程包括了三个进程:元素从原来的固定(稳定的结合)状态转化为活动(非稳定结合)状态,并进入迁移介质;元素发生空间位移;元素在迁移到一个新的空间后形成新的稳定结合关系,即沉淀或结晶出新的矿物。
元素迁移的标志:(1)通过矿物组合的变化来判断;(2)通过岩石中元素含量的系统测定和定量计算来判定(等体积计算法、等阴离子计算);(3)物理化学界面。
水-岩化学作用的基本类型:氧化还原反应、脱水和水解反应、水合作用、碳酸盐化或脱碳酸盐化、阳离子的交换反应。
水-岩作用的影响因素:A体系组成的影响:1 活度积:当温度一定时,难溶强电解质溶液中离子浓度的乘积为一常数,这一常数称为活度积.(根据活度积原理,在难容化合物沉淀后,溶液中化合物的离子溶度乘积相当于活度积。
当溶液中出现能够形成更低活度积的离子时,会发生活度积更低化合物的沉淀和已经沉的原有矿物溶解,也就是通常所说的交代作用)2、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离子的易溶化合物,此时,原难溶化合物的溶解度将会降低,称为共同离子效应。
3 盐效应:当溶液中存在易溶盐类(强电解质)时,溶液的含盐度对化合物的溶解度会产生影响,表现为随溶液中易溶电解质浓度的增大将导致其他难溶化合物的溶解度增大,称为盐效应。
4 胶体的作用;B体系物理化学环境的影响:1 pH值对元素迁移的影响:(1)pH值影响氢氧化物是否自溶液中沉淀,导致不同元素的氢氧化物在水介质中的迁移能力不同。
(2)pH 值影响元素的共生或分离;(3)影响两性元素的迁移形式;(4)盐类的水解作用过程受pH值的控制。
2、EΘ及Eh值的影响:EΘ>Eh时,变价元素主要以高价态形式存在,EΘ<Eh时,变价元素主要以低价态形式存在3 温度、压力的影响:温度的影响并不仅限于蒸发和增大物质浓度,温度的升高或降低可以改变反应进行的方向。
压力也是影响作用方向的一个重要的因素。
4地球化学障的影响。
地球化学障在元素迁移途中,如果环境的物理化学条件发生了急剧变化,导致介质中原来稳定迁移的元素其迁移能力下降,元素因形成大量化合物而沉淀,则这些引起元素沉淀的条件或因素就称为地球化学障。
微量元素概念:服从3个条件(1)在自然体系中含量低于0.1%;(2)在自然体系中不作为任何相的主要化学组分存在的元素;(3)近似服从稀溶液定律(亨利定律)。
存在形式:(1)快速结晶过程被陷入吸流带内(2)在主要晶格的间隙缺陷中(3)大多数情况下,微量元素以类质同象形式进入固溶体。
能斯特分配定律(此处可能有个计算题,自己好好看看课本):表明在温度、压力一定的条件下,微量元素i在两相平衡分配时其浓度比为一常数KD,称为分配系数。
在一定浓度范围内,KD与i无关,只与温度压力有关。
简单分配系数:即能斯特分配系数。
总分配系数:指元素在固相整体和熔体中的分配系数,往往用岩石中所有矿物简单分配系数与岩石中各种矿物的含量乘积之和。
分配系数的测定方法有直接测定法和实验测定法。
岩浆形成过程中部分熔融模型:相容元素和不相容元素。
不相容元素:总分配系数小于1的元素。
相容元素:总分配系数大于1的元素。
在岩浆结晶过程中,那些容易以类质同象的形式进入固相的微量元素,称之为相容元素,反之称为不相容元素。
不相容元素离子电位的大小可分为:(1)大离子亲石元素:如K、Rb、Cs、Ba等,离子半径大,离子电荷低、离子电位﹤3,易溶于水,化学性质活泼,地球化学活动性强。
(2)高场强元素:如Nb、Ta、Zr、Hf、P、Th、HREE,它们的离子半径小、离子电荷高、离子电位﹥3,难溶于水,化学性质稳定,为非活动性元素。
稀土元素的地化性质:(1)它们是性质极为相似的地球化学元素组,在地质-地球化学作用过程中整体活动(2)它们的分馏情况能灵敏地反应地质-地球化学作用的性质,有良好的示踪作用(3)除经受岩浆熔融外,稀土元素基本上不破坏它们的整体组成特征(4)在地壳各岩石中分布广泛。
同位素分类:一类是其核能自发地衰变为其它核的同位素,称为放射性同位素;另一类是其核是稳定的,到目前为止,还没有发现它们能够衰变成其它核的同位素,称为稳定同位素。
稳定同位素又分重稳定同位素和轻稳定同位素。
稳定同位素分馏,轻稳定同位素(Z〈20)的相对质量差较大(ΔA/A≥10%),在地质作用中由于这种质量差所引起的同位素相对丰度的变异,称为同位素分馏作用。
根据分馏作用的性质和条件可区分如下:①物理分馏:也称质量分馏, 同位素之间因质量差异而引起的与质量有关的性质的不同;②动力分馏:其实质是质量不同的同位素分子具有不同的分子振动频率和化学健强度,因轻同位素形成的键比重同位素更易破裂,这样在化学反应中轻同位素分子的反应速率高于重同位素分子,因此,在共存平衡相之间产生微小的分馏,反应产物,特别是活动相中更富集轻同位素;③平衡分馏(同位素交换反应):在化学反应中反应物和生成物之间由于物态、相态、价态以及化学键性质的变化,使轻重同位素分别富集在不同分子中而发生分异叫做平衡分馏,也称同位素交换反应;④生物化学反应:动植物及微生物在生存过程中经常与介质交换物质、并通过生物化学过程引起同位素分馏。
分馏系数(此处可能有计算题,自己看课本)α表示为:α= 某元素同位素在A 物质中的比值/某元素同位素在B物质中的比值(其中A、B可以是相同的化合物,亦可是不同化合物)设有同位素平衡分馏反应: aA1+bB2≒aA2+bB1,,式中:A、B为含有相同元素的两种分子;a、b为系数;1为轻同位素,2为重同位素。
则同位素分馏系数α的定义公式为:α=RA/RB=(A2/A1)/(B2/B1)如反应: C16O32-+3H218O≒C18O32-+3H216O,α=(18O/16O)CO32-/(18O/16O)H2O。
α值的意义为:当α>1,反应向右进行;当α<1,反应向左进行;α=1,无同位素分馏。
α值愈偏离1,则同位素分馏愈强。
天然放射性同位素的衰变反应种类如下:1)β——衰变:自然界多数为β—衰变,即放射性母核中的一个中子分裂为1个质子和1个电子(即β—粒子),同时放出反中微子 g;2)电子捕获:是母核自发地从核外电子壳层(K或L层电子轨道上)捕获1个电子,通常在K层上吸取1个电子(e),与质子结合变成中子,质子数减少1个;3) α—衰变: 放射性母核(重核)放出α粒子(α粒子由两个质子和两个中子组成,α粒子实际上是);4)重核裂变:重放射性同位素自发地分裂为2—3片原子量大致相同的“碎片”,各以高速度向不同方向飞散。
同位素地质年代学基本原理:当岩石或矿物或某个自然体系在某次地质事件中形成时,放射性同位素以一定的形式进入其中,随时间延续,该母体同位素不断衰减,放射成因子体逐渐增加,只要体系中母体和子体的原子数变化仅仅由放射性衰系所引起,那么准确测定岩石矿物中母体和子体的含量,就可根据放射性衰变规律计算出该岩石矿物形成的地质年龄。
由此测得的年龄谓之同位素年龄。
这种方法称为同位素计时。
目前, 较为成熟和常用的同位素测年方法有: U—Th—Pb法、K—Ar法、Rb—Sr 法、Sm—Nd法、Re—Os法等、测定第四纪同位素年代的方法有14C法。
有机地球科学概念:研究地质体与天体中有机质组成、结构及其发生、发展与演化规律的科学。