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          地球化学习题答案

          《地球化学》练习题 地球化学》

          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?#30740;?#25104;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?#24615;?#20219;为人类社会提供充足 的矿产?#35797;?#21644;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?#26696;?#23376;系统中的组成(丰度和分配);

          2)元素的共生组合?#26696;?#23384;形式;

          3)元素的迁移和循环;

          4)研究元素(同位素)的?#24418;?br />
          5)元素的地球化学演化。

          w

          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?#21448;?#24494;,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?#26082;罰?#20854; 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。
          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?#38712;?#30707;化学成分,有的根据 I 型球粒陨石,再?#30001;?#20272;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?#36127;?#21344;了太阳中全部原子数目的 98%;

          2)随元素的原?#26377;?#25968;增大,元素丰度呈指数下降,原?#26377;?#25968;>45 的元素,元素丰度变化不 明显;

          3)原?#26377;?#25968;为?#38469;?#30340;元素,其元素丰度大于相邻的奇数元素;

          4)锂、铍、硼元素丰度?#29616;?#20559;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?#36171;?#21407;?#26377;?#25968;(Z)或中子数(N)为“幻数?#20445;?、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,?#20174;?#30340;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, ?#24188;?#30340;方面来看,虽然还是很粗略的,但它?#20174;?#20102;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?#20301;?#20004;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?#31185;?#23427;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?#20445;?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?#36127;?#26159;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 10 倍?#29615;?#24230;值 最大的三种元素之和达 82.58%?#29615;?#24230;值最大的九种元素之和达 98.13%;

          17

          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



          球: Fe>O>Mg>Si>Ni>S>Ca>Al>Co>Na



          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?#20113;?H, He, Ne, N 等气体元素;而地壳与整个地 球相比,则明?#20113;?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?#20154;?#26126;什么问题?
          答题要点:

          1)元素丰度对元素原?#26377;?#25968;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?#29616;?#30340;难熔?#23613;?铁硅酸盐和金属铁则向深?#32771;?#20013;。

          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?#26377;?#22810;化学 过程的浓度,从而支配元素的地球化学?#24418;?#38480;定了自然界的矿物种类及?#36136;簦?#38480;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。
          答题要点:

          1)它是决定区域地壳(岩石圈)体系的物?#30784;?#29289;理化学特征的重要基础数据;

          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?#27573;?#30340;确定——?#26143;?#30340;选择 ,应根据工作任务和区域特征来选择工作?#27573;В?br />
          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?#26723;停?br />
          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?#23576;?#19979; 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?#25506;档汀?#21482;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?#20445;?br />
          5)微量元素主要富集在重粒级(比重〉3g/cm )和高分散微粒(Φ〈1μm)的沉积岩中;

          3

          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(s p )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
          2 6

          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:

          K 相对电 负性 X ΔX 金 属-O ΔX 金 属-S 元素的 地球化 学亲和 性

          2+

          Ca

          2+

          Sc

          2+

          Ti

          2+

          V

          3+

          Cr

          2+

          Mn

          2+

          Fe

          2+

          Co

          2+

          Ni

          2+

          Cu

          2+

          Zn

          2+

          0.8

          1.0

          1.3

          1.6

          1.4

          1.4

          1.4

          1.7

          1.7

          1.8

          2.0

          1.5

          2.7

          2.5

          2.2

          1.9

          2.1

          2.1

          2.1

          1.8

          1.8

          1.7

          1.5

          2.0

          1.7

          1.5

          1.2

          0.9

          1.1

          1.1

          1.1

          0.8

          0.8

          0.7

          0.5

          1.0

          亲氧、无亲硫倾向性

          →←

          有亲硫倾向性

          ?#24188;?#21521;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?#24188;?#21521;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?#20445;?#36739;低价离子集中于较晚期的矿物中,称为被“容许?#34180;?br />
          (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?#24418;?#20016;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?#20445;?br />
          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?#36136;?#20998;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?#24418;?br />
          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?#38454;?#24577;和与有机 物结合的形式。

          2)研究方法:

          存在形式 独立矿物 类质同象 超微混入 物 吸?#25945;?有机质结 合

          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 + + +

          + +

          +

          + +

          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?#25104;?#20837; 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?#25104;?#20837; 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 Cd ,从而相对于为受污染的地方无太大的区别。
          2+

          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?#20013;?#30340;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?#24615;?#32032;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?#38454;?#24577;,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,?#37096;?#21046;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?#38382;?#30340;空间变化(浓度 差、压力差、温度差等),以及环境的 pH 值和 Eh ?#24403;?#21270;,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?#23613;?br />
          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?#36136;?#21464;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、?#33258;?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?#23613;?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?#23613;?#38041;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?#35838;弧?br />
          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?#31185;?#20013;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:

          [Me AX ] → Me

          n+

          m - y-

          n+

          + XA

          m -

          (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 = [Me

          n+

          ][A ]

          m -

          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?#20581;?#21644;半透膜分开;

          2) 蚀变矿物组合法;

          3)气?#21898;?#35065;体成分研究;

          4) 实验模拟.

          8.什么是共同离?#26377;?#24212;?什么是盐效应?
          答题要点:

          共同离?#26377;?#24212;: 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时, 使原难溶化合物的溶解度?#26723;汀?br />
          盐效应:当溶液中存在易溶盐类时,溶液的含盐度对元素的溶解度有影响。溶液中易溶电 解质的浓?#20173;?#22823;,导致其他溶解?#20173;?#22823;的现象。

          9.天然水的 pH 值?#27573;?#26159;多少?对于研究元素在水介质中的迁移、沉淀有何意 义?
          答题要点:

          在自然界,水溶液是接近中性的,在弱酸性至弱碱性?#27573;?#20869;变化,其 PH 值一般是 4-9, 火山口喷气可达 3 左右;在腐殖质分布区,PH 为 5-6.5;在干热地区,PH 一般为 7-8;海水 的 PH 值一般为 8.1-8.3;沙漠地区的土壤水和干涸盐湖水的 PH 值一般≥9,甚至更高;在硫 化物矿床氧化带,PH 值最低,甚?#37327;?#20197;是负值。

          意义:

          1) 不同元素迁移要求的 pH 不同;

          2) 影响氢氧化物自盐类溶液中沉淀,碱性条件下沉淀,酸性溶?#21512;?#28342;解;

          3) 影响元素共生或分离;

          4) 影响两性元素的迁移形式;

          5) 影响酸碱反应的方向;

          6) 影响盐类的水解。

          10.举例说明 Eh、pH 值对元素迁移的影响。
          答题要点:

          pH 值影响:如自然界有两种 Fe 帽类型:纯铁帽和铁锰帽。在表生作用过程中,当水介 质为偏酸性时, Mn 大部分淋失, 而 Fe(OH)2, Fe(OH)3 是稳定的,形成纯铁?#20445;?#32780;当水介质呈 弱碱性时, Fe、Mn 氢氧化物都沉淀,而形成铁锰帽。

          Eh 值影响: 早期形成于还原环境中的黄铜矿矿体(铜以独立矿物 CuFeS2 的形式存在), 在后期的地壳抬升过程中与围岩一起隆起,转入遭受地表风化剥蚀的阶段。矿体逐步暴露于 地表,其中的 Cu 元素在表生氧化条件下以溶于水的 Cu 离子形式,随地表和地下水向低处迁 移。Cu 的赋存形式发生如下变化:
          2+

          11.标准电极电位 E 及环境的氧化还原电位 Eh,在研究元素地球化学?#24418;?#26041; 面有什么作用?
          答题要点:

          Θ

          E 和 Eh ?#31561;?#23450;了变价元素的价态,当 E <Eh 时,变价元素主要以高价态形式存在,当 E
          Θ

          Θ

          Θ

          >Eh 时,变价元素以低价态形式存在。

          元素的价态和存在形式不同,元素的迁移能力液不同。大部分元素在以氢氧化物形式存 在时,低价易迁移,当环境突然转变为氧化环境时,元素迁移能力?#26412;緗档停?#29615;境突然转变 处就构成氧化?#31232;?#24403;元素呈酸根或络合物形式存在时,高价易迁移,当环境突然转变为还原 环境时,元素迁移能力?#26412;緗档停?#29615;境突然变化的地带就构成还原?#31232;?br />
          影响因素:组分影响第一,温度影响第二,当反应有氢离子,氢氧根离子参加时,受 pH 值影响。

          12.试述影响元素溶解与迁移的内部因素。

          答题要点:

          1)元素 聚集状态;

          2)元素和化合物的性质;

          3)晶体场效应。

          13.自然界中地球化学热力学体系基本特点是什么?
          答案要点:

          自然界地球化学热力学体系的特点:

          1)是一个热力学体系, 它处于地壳(岩石圈)的热力学条件下,由于地壳(岩石圈)各 个部分的热力学条件差异而不断地变化;

          2)多数地球化学体系是开放体系,少数接近封闭体系;

          3)地球化学体系的不可逆性和不平衡性是绝对的。但在自然界不少作用过程往往又是有 向着平衡方向进行的趋势,?#37096;?#20197;局部地、暂时地达到动态平衡,在形式上呈现相对稳定状 态。

          14.自然体系中哪些特征可作为体系达到平衡态的证据与标志?
          答案要点:

          1) 矿物共生组合在时间上、空间上的重复出现;

          2)一定化学成分的矿物共生组合, 随其形成条件而改变;

          3)常见岩石(矿石)中主要矿物的?#36136;?#26377;限。

          15.讨论相律及其应用。
          答案要点:

          相律就是平衡态下,体系中相、组分和变量间的关系。其表达方式有:

          1)吉布斯相律: F=k-Φ+2

          (自由度=独立组?#36136;?相数+2);

          2)戈尔斯密特矿物相律: F≥2, Φ≤K 组?#36136;?;

          (平衡因素自由度至少有 T、P 两个;矿物数≤

          3)柯尔仁斯基相律: Φ≤K 惰 :在一定温度、压力,一定活性组分化学位的条件下,相 互平衡的矿物数不超过惰性组?#36136;?br />
          地球化学应用相律两个方面:

          1)推测某种岩石、矿石是否达到平衡;2)利用相律绘制和解释地球化学相图。

          16.编制相图的原理和方法。
          答题要点:

          编制相图是热力学研究矿物相平衡关系的重要手段。

          计算步骤:

          1)根据化学反应方程式中出现的相, 按其物态和多形变体查阅有关的热力学数据: H2 98, △S2 98 , △G2 98 , V2 98 , CP 等;
          0 0 0 0



          2)计算标准状态下(T=298K, P= 1x10 帕)的反应的熵变△S

          5

          0 反应

          和 △H

          0 反应



          3)依据计算的精度要求,可以引入一些必要的假设条件,如:△CP(等压真分子热容的 变量)=0 或定值,活度=1(固相:a=1);

          4)以吉布斯自由能公式作为基本公式,计算任意温度、压力下的化学反应自由能值,界 入假设条件,给予简化,列出任意温度、压力条件下的化学反应自由能值(△G T)与 P、T、 a 变量的关系式。当反应达到平衡时,△G T=0,代入已知的?#26102;洹?#29109;变等值,即可获得共生 矿物组合平衡时 T~P 之间关系式或 T~P~ a 之间关系式。
          P P

          5)根据所获得的 T~P 或 T~P~ a 关系式,给出一组数据即可编制各种相图。

          17.简述化学反应制动原理的宏观解释。
          答案要点:

          -△G 值最大的反应对于那些-△G 值稍小于它的反应起控制作用, 这就是化学反应控制原 理的宏观解释。例如:

          FeSiO3 + MnS → MnSiO3+FeS

          △Gr = -11.56KJ

          若反应向左

          △Gr > 0

          为此,在硫不足的情况下,反应只能向右进行,形成铁的硫化物和锰的硅酸盐组合。

          18.简述热力学在地球化学中的应用。
          答案要点:

          1)从元素结合过程中的热效应(能量效应)来讨论元素的集合规律和存在形式(元素地 球化学亲和性的热力学控制、矿物固溶体热力学计算,矿物溶解度?#38712;?#32032;在溶体中的存在形 式);

          2)自然过程的方向和限度的确定及矿物相平衡计算和相图的编制。

          19. 简述地球化学热力学与地球化学动力学的异同。
          答案要点:

          地球化学热力学在地质研究中经常忽视了对地质作用时间因素的考查,化学热力学也只 是考虑了自然过程的可能性、方向和平衡态的实现,而不直接研究作用的速率和进程。地球 化学动力学在研究地质作用时将时间因素作为考查的核心问题,将地球化学研究推向一个新 的深度。

          第四章答案
          1.什么是微量元素地球化学?#31185;?#30740;究意义是什么?
          参考答案:

          微量元素地球化学:它是地球化学的重要分支学科,研究在各种地球化学体系中微量元 素的分布、分配、共生组合及演化的规律,其特色之处就是能够近似定量地解决问题,使实 ?#39318;?#26009;和模型计算结合起?#30784;?br />
          研究意义:微量元素可作为地质、地球化学过程示踪?#31890;?#22312;解决当代地球科学面临的 基本理论问题—天体、地球、生命、人类和元素的起源及演化,为人类提供充足的?#35797;?#21644;良 好的生存环境等方面发?#21448;?#35201;的作用。

          2.了解微量元素地球化学的研究思路及研究方法。
          参考答案:

          研究思路: “见微而知著”: 通过观察自然界中之“微?#34180;?#24494;量元素,来认识天体(部 分)、地球中各种地质、地球化学作用之“著?#34180;?br />
          研究方法:采用精确、灵敏、快速的分析测试方法,获得高精度数据;应用各学科的先进 理论(分配定律,?#32435;?#32467;构理论、协同论等等)来观察、研究宏观世界,以期获得更接近客 观?#23548;?#30340;认识。

          3.什么?#24418;?#37327;元素、什么是主量(常量)元素?#35838;?#37327;元素的主要存在形式有 哪些?
          参考答案:

          微量元素:元素在所研究客体(地质体、岩石、矿物等)中的含量低到可以近似地用稀溶 液定律描述其?#24418;?#35813;元素可称为微量元素。特点:在体系中含量低(<0.1%),通常不形成

          自己的独立矿物,其?#24418;?#26381;从稀溶液定律和分配定律。在不同条件下演化规律基本一致,可 以指示物质的来源和地质体的成因。

          常量元素:体系中元素含量高(>0.1%),通常以独立矿物形式存在,其?#24418;?#26381;从相律和 化学计量?#21462;?#22312;不同条件下演化规律不一致,可以指示地质、地球化学作用进行的条件和演 化过程。

          微量元素在矿物中主要存在形式有:

          1)快速结晶过程中陷入囚禁带内;

          2)赋存在晶格的缺陷;

          3)在固溶体中替代主相的原子。

          4.阐述能斯特分配定律、能斯特分配系数的概念及其研究意义。
          参考答案:

          能斯特分配定律:在一定的温度压力下,微量组分在两共存相中的分配达平衡时,其在 两相中的化学位相等。

          能斯特分配系数:在温度、压力恒定的条件下,微量元素 i(溶质)在两相分配达平衡时其 浓度比为一常数(KD),此常数 KD 称为分配系数,或称能斯特分配系数。

          能斯特分配定律及分配系数的研究有着极其重要的地球化学意义,可应用于如下多方面的 研究:

          1)定量研究元素分;

          2)为成矿分析提供了理论依;

          3)判断成岩和成矿过程的平 衡;

          4) 微量元素地质温度 ;

          5)微量元素地质压力 ;

          6)指示沉积环境;

          7)岩浆作用过程微量元素分配和演化定量模型的研究;

          8)岩浆形成机制的研究;

          9)判断岩石的成因。

          5.稀土元素的主要特点是什么?#31185;?#22312;地球化学体系中?#24418;?#24046;异主要表现有哪 些方面?
          参考答案:

          稀土元素的主要特点可归纳为:

          1)它们是性质极相似的地球化学元素组,在地质、地球化学作用过程中作为一个整体而 活动;

          2)它们的分馏作用能灵敏地?#20174;?#22320;质、地球化学过程的性质(良好的示踪剂 );

          3)稀土元素除受岩浆熔融作用外,其它地质作用基本上不破坏它的整体组成的稳定性;

          4)它们在地壳岩石中分布较广。

          地球化学?#24418;?#24046;异主要表现为:

          1)溶液的酸碱性:从 La、Ce→Lu,半径不断减小,离子电位(π=W/R)增大,碱性减弱, 氢氧化物溶解度减小,开始沉淀时溶液的 pH 值由 8→6,为此,介质的酸碱度能控制稀土元 素的分异;

          2)氧化还原条件:由于 Ce3+ ( Ce4+)和 Eu3+ (Eu2+)的变价性,对外界氧化还原条件变 化反应敏感,由于价态变化,导致半径和酸碱性相应变化,致使与 TR 整体分离;
          3+

          3)络离子稳定性的差异?#23475;瞃 络离子稳定性>ΣCe 络离子稳定性,ΣCe 矿物沉淀后,Σ Y 元素尚可呈络合物形式在溶液中迁移,在较晚的阶段沉淀,导致ΣCe 与ΣY 的分异;

          4)被吸附能力?#23475;睠e 被胶体、有机质和粘土矿物吸附能力大于ΣY。

          6.讨论稀土元素的研究意义。
          参考答案:

          稀土元素可在地球化学研究中得到多方面应用:

          1)岩石成因: 不同成因的岩石具有不同的稀土特征。 如花岗岩类的成因主要归结为三类:

          (a)基性岩浆分异:Eu 负异常型;

          (b)地壳硅铝层重熔:Eu 轻缓平滑型;

          (c)花岗岩化:Eu 右倾型;

          2)变质岩原?#19968;指矗?#35768;多变质过程中,稀土元素保持原岩特征;

          3)研究地壳演化:如不同时代的页岩有明显不同的特征,稀土元素特征能?#20174;?#22320;壳的演 化规律。

          7.你认为岩浆作用过程中决定元素浓集成矿的主要机制和决定因素是什么?
          答题要点:

          分配系数 D、分异演化程度、部分溶融程度、重力分异。

          8.根据微量元素的特点,说明那些元素适合于研究沉积岩物源区特征,为什 么?
          答题要点:

          化学性质稳定,一般地质作用不能破坏它的稳定性,在沉积旋回中分异不明显的元素, 只有这样才能够指示源区,如 REE,Th,和 Sc 等,能够较好的?#20174;?#28304;区。注意对于在海水 中居留时间短的,应该用其比值。而中等活动性的元素只具有部分继承性,强活动性元素, 如 B,Sr,Li,I 等主要受沉积—成岩作用的影响,而对源区无明显指示意义。

          第五章答案

          1.同位素地球化学在解决地学领域问题中有何独到之处?
          参考答案:

          其独到之处可归纳为:

          1) 计时作用体系的时钟:从体系形成以来时时刻刻不受干扰地走动着,可以测定体系的 年龄,尤其是对隐生宙的前寒武纪地层?#26696;?#26434;地质体;

          2) 示踪作用?#21644;?#20301;素组成的变化受到作用环境和作用本身的影响,指示地质体形成的环 ?#31243;?#20214;、机制,并能示踪物源;

          3) 测温作用 :由于某些矿物同位素组成的变化与其形成的温度有关,可用来设计各种 矿物对的同位素温度计,测定成岩成矿温度。此外,还可用来进行?#35797;纯?#26597;、环境监测、地 质灾害防治等。

          2.何谓稳定同位素、何谓轻稳定同位素和重稳定同位素。
          参考答案:

          根据核素的稳定性,自然界中的同位素分两大类:

          1)放射性同位素:其核能自发地衰变为其它核的同位素;

          2)稳定同位素: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。稳定同位素又分为:(a)轻稳定同位素:原?#26377;?#25968; Z<20,ΔA/A≥5% (ΔA 为两同位素

          质量差),其发生同位素组成变化的主要原因是同位素分馏作用,其反应是可逆的;(b)重稳 定同位素:原?#26377;?#25968; Z>20,ΔA/A<5%;其发生同位素同位素组成变化的主要原因是放射性 核素不断衰变的结果所造成的,这种变化是不可逆的。

          3.选择同位素标准样品的条件。
          参考答案:

          同位素分析资料要能够进行世界?#27573;?#20869;的比较就必须建立世界性的标准样品。

          世界标准样品的条件:

          1)在世界?#27573;?#20869;居于该同位素成分变化的中间位置,可以做为零点;

          2)标准样品的同位素组成要均一;

          3)标准样品要有足够的数量;

          4)标准样品?#23376;?#36827;行化学处理和同位素测定。

          4.造成放射性同位素组成变化的原因是什么?
          参考答案:

          主要原因是放射?#36816;?#21464;作用或称衰变反应。

          放射性同位素不断自发地发射出质点和能量,改变同位素组成并转变成稳定的核素,这种 过程称核衰变反应或蜕变。结果母体同位素(?#36127;耍?#19981;断减少,而子体同位素(子核)不断 增加。常见的衰变反应有?#20102;?#21464;、?#28388;?#21464;、电子捕获、重核裂变四类。

          5.造成稳定同位素组成变化的原因是什么?
          参考答案:

          主要原因是稳定同位素的分馏作用。

          根据分馏作用的性质和条件的不同可分为:

          1)物理分馏:也称质量分馏,同位素之间因质量引起一系列与质量有关的性质的不同, 如密度、比重、熔点、沸点等微小的差别, 使之在蒸发、凝聚、升华、扩散等自然物理过程 中发生轻重同位素的分异;

          2)动力分馏:质量不同导致同位素分子参加化学反应活性的差异(不同的分子振动?#24503;?和化学键强度 不同)。导致轻同位素分子的反应速率高于重分子,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: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,轻重同位素分别富集在不同分子中,也称同位素?#25442;环?#24212;。达到同位素?#25442;?#24179;衡时共 存相同位素相对丰度比值为常数,称分馏系数?#31890;?br />
          4)生物化学分馏:生物活动和有机反应也能导致的同位素分馏效应。如植物的光合作用 使 C 更多地富集于生物合成有机化合物中。生物成因的地质体如煤、油、气等具有最高的
          12 12

          C/ C 值。生物化学分馏是同位素分异作用中重要的控制反应。

          13

          6.放射性同位素年龄测定公式 ,各符号的含义。
          参考答案:

          假设:以 D 表示由经过 t(T0→T)?#36127;?#34928;变成的子核数 把 N0=Ne 代入 D=Ne —N=N(e -1)
          λt λt λt

          D=N0-N

          经整理得: t=(1/λ)ln(1+(D/N))

          D/N 是现存子核和?#36127;?#30340;原子数比值。

          上述两式是同位素年龄测定的基本公式,不同的同位素年龄测定方法都是?#28304;?#20026;计算公式 的。

          7.利用衰变定律来测定岩石、矿物的年龄,应满足的哪些前提条件?
          参考答案:

          1) 应有适当的半衰期,这样才能积累起显著数量的子核,同时?#36127;?#20063;?#27492;?#21464;完。如果半 衰期太长,就是经过漫长的地质历史?#19981;?#32047;不起显著数量的子核;如果半衰期太短,没有多 久?#36127;思负?#34928;变完了;

          2) 所测定同位素的衰变常数的精度能满足要求;

          3) 放射性同位素应具有较高的地壳丰度,在当前的技术条件下,能以足够的精度测定它 和它所衰变的子体含量;

          4) 矿物、岩石结晶时,只含某种放射性同位素,而不含与之有蜕变关系的子体或虽含部 分子体,其数量亦是可以估计的;

          5) 保存放射性同位素的矿物或岩石自形成以后一直保持封闭系统, 即没?#24615;?#21152;或丢失放 射性同位素及其衰变产物。

          8.概述同位素研究工作方法程序。
          参考答案:

          一个完整的同位素样品的研究包括样品的采集、加工、化学制样、测定及结果的计算和 解释等环节。

          以 Rb-Sr 法为例,工作程序如下:

          1)观察;

          2)作出采样计划:a 空间分布 ;b 新鲜程度 ;c 肉眼目估含钾矿物含量;

          3)采集 10-15 个样品(0.5-1kg)配上标本(磨制薄片), 单矿物样量(0.5-1g) ;

          4)制样,无污染加工(玛瑙研钵);

          5)作 Rb,Sr 定量分析算出每个样 Rb/Sr 比值;

          6)结合 Rb/Sr 比值和镜下观察结果,选择无后期作用叠加的五个样品,送 Rb-Sr 同位素 实验室;7)Rb-Sr 等时线法样品用全岩样 ,为了拉开比值亦可挑选合适的单矿物与全岩样共 同成线。

          9.以 Rb-Sr 等时线法为例说明同位素测年的样品采集过程中应注意的事项。
          参考答案:

          Rb—Sr 等时线法样品的采集过程中的注意事项:

          1)一组样品采集在同一母体上(保证是同源,才能有一致的 Sr/ Sr 初始值),而且采样 位置应尽量远离围岩接触带、蚀变带以及断裂破碎带和岩体中后期侵入的岩脉,以免放射性 平衡遭到破坏;

          87

          86

          2)样品布点的空间分布合理,具有合适的 Rb/Sr 比值,以保证样品在等时线上的各点合 理分布(以免样品 Rb/Sr 比值接近,形成不了等时线);

          3)尽力保证样品新鲜,不受后期作用影响(保持封闭体系);

          4)K 含量低的样品(超基性岩)不应用此法,沉积岩样品应是同生沉积矿物,常选用海绿 石,因其具有合适的 Rb/Sr 比值。


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