地球化學(xué)的學(xué)科特點(diǎn)

1、地球化學(xué)的學(xué)科特點(diǎn)地球化學(xué)的學(xué)科特點(diǎn)l 是地球科學(xué)的一部分：以地球、地殼及地質(zhì)作用體系為研究對(duì)象。l 研究的重點(diǎn)/方向：地球系統(tǒng)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)（含地質(zhì)運(yùn)動(dòng)）中物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。通過研究和分析元素和同位素在地質(zhì)體系中的行為和演變，應(yīng)用地球化學(xué)的基本原理來示蹤地質(zhì)體系運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，例如：巖漿形成的深度、來源、礦床形成環(huán)境等等。l 理論基礎(chǔ)：化學(xué)類學(xué)科無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)、熱力學(xué)、解析化學(xué)等，此外還有物理性和數(shù)學(xué)等。l 學(xué)科分支眾多：海洋地球化學(xué)、生物地球化學(xué)、環(huán)境地球化學(xué)、區(qū)域地球化學(xué)、個(gè)別元素地球化學(xué)、成巖成礦地球化學(xué)、同位素地球化學(xué)和地球化學(xué)熱力學(xué)。l 應(yīng)用性強(qiáng)：比如環(huán)境地球化學(xué)是環(huán)境科學(xué)的核心

2、（酸雨、臭氧空洞的形成、全球變暖和溫室效應(yīng)），應(yīng)用地球化學(xué)的方法和手段找礦。l 年輕的發(fā)展中的科學(xué)（約100年的發(fā)展歷史）地球化學(xué)的基本問題（1） 地球系統(tǒng)中元素和同位素的組成（abundance and distribution）問題（2） 元素的共生組合和賦存狀態(tài)問題元素的共生組合：具有相同或相似遷移歷史和分配規(guī)律的各種元素在地質(zhì)體中有規(guī)律的組合。（3） 元素的遷移和循環(huán)地球化學(xué)的遷移：元素的重新組合常伴隨元素的空間位移及元素在系統(tǒng)不同部分狀態(tài)的轉(zhuǎn)化，該遷移涉及體系的物理化學(xué)條件和遷移介質(zhì)特性等制約關(guān)系變化的動(dòng)態(tài)過程。（4） 地球的歷史和演化通過元素或同位素的變異來揭示地質(zhì)作用過程的特征，

3、稱為微量元素或同位素“示蹤”。 X-射線熒光光譜（XRF） 電感耦合等離子體發(fā)射光譜（ICP-AES）豐度：指化學(xué)元素在地球化學(xué)系統(tǒng)（太陽(yáng)、行星、隕石、地球、地圈、地殼）中的平均分布量。分布：元素的分布指的是元素在一個(gè)化學(xué)體系中（太陽(yáng)、隕石、地球、地殼、某地區(qū)等）的整體總含量。分配：元素的分配指的是元素在各地球化學(xué)體系內(nèi)各個(gè)區(qū)域或區(qū)段中的含量分布是整體，分配是局部，兩者是一個(gè)相對(duì)的概念，既有聯(lián)系又有區(qū)別。太陽(yáng)系元素豐度具有以下規(guī)律：（1）.H和He是豐度最高的兩種元素，這兩種元素幾乎占了太陽(yáng)中全部原子數(shù)目的98（2）.原子序數(shù)較低的元素區(qū)間，元素豐度隨原子序數(shù)增大呈指數(shù)遞減，而在原子序數(shù)較大的

4、區(qū)間（Z45）各元素豐度值很相近（3）.原子序數(shù)為偶數(shù)的元素其豐度大大高于相鄰原子序數(shù)為奇數(shù)的元素。具有偶數(shù)質(zhì)子數(shù)（P）或偶數(shù)中子數(shù)（N）的核素豐度總是高于具有奇數(shù)P或N的核素，這一規(guī)律稱為OddoHarkins（奧多-哈根斯）法則，亦即奇偶規(guī)律。（4）.質(zhì)量數(shù)為4的倍數(shù)（即粒子質(zhì)量的倍數(shù)）的核素或同位素具有較高豐度。此外還有人指出，原子序數(shù)（Z）或中子數(shù)（N）為“幻數(shù)”（2、8、20、50、82和126等）的核素或同位素豐度最大。例如，4He（Z=2，N2）、16O（Z=8，N=8）、40Ca（Z=20，N=20）和140Ce（Z=58，N=82）等都具有較高的豐度（5）.Li、Be和B具有

5、很低的豐度，屬于強(qiáng)虧損的元素。（6）.而O和Fe呈現(xiàn)明顯的峰，為過剩元素。太陽(yáng)系元素豐度與元素原子結(jié)構(gòu)及元素形成的整個(gè)過程之間存在著某種關(guān)系（1）.與元素原子結(jié)構(gòu)的關(guān)系。原子核由質(zhì)子和中子組成，其間既有核力又有庫(kù)侖斥力，但中子數(shù)和核子數(shù)比例適當(dāng)時(shí)，核最穩(wěn)定，而具有最穩(wěn)定原子核的元素一般分布最廣。在原子序數(shù)（Z）小于20的輕核中，中子（N）/質(zhì)子（P）1時(shí)，核最穩(wěn)定，為此可以說明4He（Z=2，N2）、16O（Z=8，N=8）、40Ca（Z=20，N=20）等元素豐度較大的原因。又如偶數(shù)元素與偶數(shù)同位素的原子核內(nèi)，核子傾向成對(duì)，它們的自旋力矩相等，而方向相反，量子力學(xué)證明，這種核的穩(wěn)定性較大，因

6、而偶數(shù)元素和偶數(shù)同位素在自然界的分布更廣。（2）.與元素形成的整個(gè)過程有關(guān)。H、He的豐度占主導(dǎo)地位和Li、Be、B等元素的虧損可從元素的起源和形成的整個(gè)過程等方面來分析。根據(jù)恒星合成元素的假說，在恒星高溫條件下（n106K），可以發(fā)生有原子（H原子核）參加的熱核反應(yīng)，最初時(shí)刻H的“燃燒”產(chǎn)生He，另外在熱核反應(yīng)過程中Li、Be、B迅速轉(zhuǎn)變?yōu)镠e的同位素42He， 因此太陽(yáng)系中Li、Be、B等元素豐度偏低可能是恒星熱核反應(yīng)過程中被消耗掉了的緣故。而O 和Fe 的豐度異常地高是因?yàn)檫@兩種元素是氦燃燒的穩(wěn)定產(chǎn)物。隕石概念：是從星際空間降落到地球表面上來的太陽(yáng)系碎片，主要來源于位于火星和木星之間的小

7、行星帶。隕石類型隕石主要是由鎳-鐵合金、結(jié)晶硅酸鹽或兩者的混合物所組成，按成分分三類（1） 鐵隕石（2）石隕石（3）鐵石隕石地殼是指從地表（包括陸地表面和海洋底面）開始，深達(dá)莫霍面（M界面）的層殼，它不包括水圈和大氣圈，也不等于巖石圈，僅僅相 當(dāng)于巖石圈的上部。大陸地殼可分為上地殼和下地殼，上地殼厚812km，由偏酸性的火成巖和沉積巖組成，下地殼主要由麻粒巖、玄武巖等中酸性或中基性巖石組成。地球中最豐富的元素是Fe、O、Si和Mg，如果加上Ni、S、Ca和Al，這8種元素的質(zhì)量占了地球總質(zhì)量的98%。地殼元素豐度特征1.不均一性(1)地殼中元素的相對(duì)平均含量是極不均一的。豐度最大的元素是O為4

8、7%，與豐度較小的元素Rn（6x10-16）相差達(dá)1017倍，相差十分懸殊。地殼中豐度最大的九種元素O、Si、Al、Fe、Ca Na、K、Mg、Ti,占地殼總質(zhì)量的98.13%；前十五種元素占99.61%,其余元素僅占0.39%這表明，地殼中只有少數(shù)元素在數(shù)量上起決定作用，而大部分元素處于從屬地位。(2)時(shí)間上分布的不均一性：隨著地質(zhì)歷史的發(fā)展，元素的活動(dòng)與分布有著明顯的規(guī)律性。地史早期：一些穩(wěn)定元素在地史早期富集成礦。如Au礦主要產(chǎn)在前寒武紀(jì)；Fe礦主要產(chǎn)在前寒武紀(jì)元古代（前寒武紀(jì)變質(zhì)鐵礦占世界鐵礦儲(chǔ)量60%）。地史晚期：一些活潑的不穩(wěn)定元素在地史晚期富集成礦。如Sn、Nb、Ta和W等元素，

9、W成礦作用高峰期在中生代（燕山期）。（3）空間上分布的不均一性：例如：上下地殼元素豐度的不均勻性，上地殼(0-812km)主要為偏酸性火成巖、沉積巖；下地殼(812km-莫霍面)主要為麻粒巖、玄武巖記Ri=上地殼元素豐度/下地殼元素豐度, Ri1的元素有 Ca、Si、Zr、Nd、Pb等；Ri1的有Cl、C、Cs、K、Rb、U、Th、Bi、Tl、Nb等。Ri值反映了地殼物質(zhì)在分異調(diào)整過程中的宏觀趨勢(shì)。太陽(yáng)系：HHeONeNCSiMgFeS地球：FeOMgSiNiSCaAlCoNa地殼：OSiAlFeCaNaKMgTiH元素的克拉克值：即元素在地殼中的重量百分含量。濃度克拉克值和濃集系數(shù)濃度克拉克

10、值 = 某元素在某一地質(zhì)體中平均含量/某元素的克拉克值；濃度克拉克值1意味該元素在該地質(zhì)體中集中了；濃度克拉克值1意味該元素在 該地質(zhì)體中分散了。區(qū)域濃度克拉克值=某元素在區(qū)域內(nèi)某一地質(zhì)體中平均含量/該區(qū)域元素的豐度值；濃度克拉克值是衡量元素集中、分散及其程度的良好標(biāo)尺，具有重要的理論和實(shí)踐意義。濃集系數(shù) = 某元素最低可采品位/某元素的克拉克值 。濃集系數(shù)反映了元素在地殼中傾向于集中的能力。自然界元素結(jié)合的基本規(guī)律：1. 元素的地球化學(xué)親和性。2. 礦物晶體形成或變化過程的類質(zhì)同象規(guī)律。3. 晶體場(chǎng)理論對(duì)過渡元素行為的控制。4. 能斯特定律（微量元素）。親氧性和親硫性1. 氧、硫元素的性質(zhì)差

11、異 氧和硫元素的部分化學(xué)參數(shù)見教材第57頁(yè)表2.1。硫的電負(fù)性小于氧（XsRoo）。這樣，硫的外電子聯(lián)系較弱，導(dǎo)致硫受極化程度要比氧大得多。為此，硫傾向形成共價(jià)鍵（或配價(jià)鍵的給予體）氧傾向形成離子鍵（或部分共價(jià)鍵）與硫形成高度共價(jià)鍵的元素，稱親硫元素（具親硫性），典型的元素有Cu、Pb、Zn、Au和Ag等；與氧形成高度離子鍵的元素稱親氧元素（具親氧性）。典型的元素有K、Na、Ca、Mg、Nb、Ta、Zr、Hf和REE等 雙重性和過渡性：自然界元素的親和性不是絕對(duì)的，部分元素存在著雙重性和過渡性。如下表中的元素同時(shí)具有親鐵性和親硫，可有多種結(jié)合形式，且各元素間的親合性呈相互過渡。親鐵性增加FeC

12、oNi 親硫性增加RuRnPdOsIrPt呈現(xiàn)親鐵性時(shí)，以自然金屬狀態(tài)存在呈現(xiàn)親硫性時(shí)，以硫化物形式存在親鐵性元素在自然界以金屬狀態(tài)產(chǎn)出的一種傾向。鐵具有這種傾向，在自然界中，特別是當(dāng)O、S豐度低的情況下，一些元素往往以自然金屬狀態(tài)存在，常常與鐵呈金屬鍵結(jié)合而共生，這類元素稱之為親鐵元素。典型的元素包括PGE、Fe、Cu、Ag、Au、Co和Ni等?；咎卣鳎翰灰着c其他元素以離子鍵或共價(jià)鍵結(jié)合，因?yàn)樗鼈兊膬r(jià)電子不易丟失，即具有較高的電離能。電離能：指從原子電子層中移去電子所需要的能量。電離能愈大，則電子與原子核之間結(jié)合得愈牢固。類質(zhì)同象：某種物質(zhì)在一定的外界條件下結(jié)晶時(shí)，晶體中的部分構(gòu)造位置被介

13、質(zhì)中的其他質(zhì)點(diǎn)（原子、離子、絡(luò)離子或分子）所占據(jù)而只引起晶格常數(shù)的微小改變，晶格構(gòu)造類型、化學(xué)鍵類型、離子正負(fù)電荷的平衡保持不變或相近，這種現(xiàn)象稱類質(zhì)同象。混入晶體的物質(zhì)稱為類質(zhì)同象混入物，含有類質(zhì)同象混入物的晶體，稱為混晶或固溶體。完全類質(zhì)同象與有限類質(zhì)同象完全類質(zhì)同象晶體化學(xué)性質(zhì)相近的元素之間可按任意比例進(jìn)行替換而形成固溶體。如橄欖石中的元素Mg和Fe；有限類質(zhì)同象晶體化學(xué)性質(zhì)差異較大的元素之間發(fā)生類質(zhì)同象時(shí)，因受到晶格構(gòu)造的限制，替換的比例限于一定的范圍。如元素Mn對(duì)橄欖石中Fe和Mg的替換。戈?duì)柕率┟芴仡愘|(zhì)同象法則（類質(zhì)同象規(guī)律）1.若兩種離子電價(jià)相同，半徑相似，則半徑較小的離子優(yōu)先進(jìn)

14、入礦物晶格。2.若兩種離子半徑相似而電價(jià)不等，較高價(jià)的離子優(yōu)先進(jìn)入較早結(jié)晶的礦物晶體，集中于較早期的礦物中，稱“捕獲”；較低價(jià)離子集中于較晚期的礦物中，稱被“容許”。3.隱藏法則：若兩個(gè)離子具有較相近的半徑和相同的電荷，豐度搞主量元素形成獨(dú)立礦物，豐度較低的微量元素將按豐度比例進(jìn)入主量元素的礦物晶格，即微量元素被主量元素所“隱蔽”。林伍德電負(fù)性法則-具有較低電負(fù)性的離子優(yōu)先進(jìn)入晶格當(dāng)陽(yáng)離子的離子鍵成分不同時(shí)，電負(fù)性較低的離子形成較高離子鍵成分(鍵強(qiáng)較高)的鍵，他們優(yōu)先被結(jié)合進(jìn)入礦物晶格。晶體化學(xué)分散：殘余富集：晶體場(chǎng)理論是一種化學(xué)鍵模型理論，它研究處在晶體結(jié)構(gòu)中的過渡族金屬離子，由于受到周圍配

15、位離子電場(chǎng)的作用，金屬離子的電子(d或f)軌道發(fā)生能量和電子排布方式的變化。該理論用于說明過渡族元素的物理和化學(xué)性質(zhì)(包括存在形式和結(jié)合方式)。在晶體場(chǎng)理論中，把過渡金屬周圍的配位體(陰離子和絡(luò)陰離子)當(dāng)作點(diǎn)電荷來對(duì)待，作用的本質(zhì)是靜電場(chǎng)力。爾德施密特地球化學(xué)分類（教材第83頁(yè)）1、親石元素(Silicate Loving)離子的最外層電子層具有8電子（S2P6）的惰性氣體型的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，與氧容易成鍵，主要集中于硅酸鹽相。2、親銅元素(Sulfur Loving)離子的最外層電子層具有18銅型結(jié)構(gòu)（s2p6d10)，在自然界中容易與硫形成化合物，這些元素在分配時(shí)，主要分配在硫化物相中。3、親鐵元

16、素(Iron Loving)離子最電子層具有8-18過渡型結(jié)構(gòu)，這類元素同氧、硫的化合能力較差，傾向于形成自然元素，因此，這類元素傾向分配在金屬相中。4、親氣元素(Gas Loving)原子最外層具有8個(gè)電子，原子半徑大，具有揮發(fā)性或易形成揮發(fā)性化合物，主要分布在大氣圈中。5、親生物元素(Bio-loving)這類元素主要富集在生物圈中，如：C、N、H、O、P等。大離子親石元素：Large Ion LithophileElements (LILE)，離子半徑較大，荷電荷數(shù)較低的元素，如Rb，Cs，Ba，Pb，Tl，Sr，Eu。高場(chǎng)強(qiáng)元素High field strength elements

17、(HFSE)，半徑較小，電荷較高，容易形成獨(dú)立礦物，如Nb，Ta，Zr，Hf，Ti，P。元素的賦存狀態(tài)也稱元素的存在形式，指元素在自然過程或其遷移歷史的某個(gè)階段所處的物理化學(xué)狀態(tài)及與其共生元素的結(jié)合關(guān)系。賦存狀態(tài)包括元素所處的物態(tài)（氣、液、固）、化合物種類和形式、鍵型、價(jià)態(tài)及晶體構(gòu)造中的配位位置 等多方面的物理化學(xué)特征固相中元素主要存在形式：1、獨(dú)立礦物2、類質(zhì)同象形式、3、超顯微非結(jié)構(gòu)混入物4、吸附狀態(tài)5、與有機(jī)質(zhì)結(jié)合形式元素地球化學(xué)遷移:當(dāng)環(huán)境發(fā)生物理化學(xué)條件變化,使元素原來的存在形式變得不穩(wěn)定時(shí),為了與環(huán)境達(dá)到新的平衡,元素原來的存在形式自動(dòng)解體,而結(jié)合成一種新的相對(duì)穩(wěn)定的方式存在.當(dāng)元

18、素發(fā)生結(jié)合狀態(tài)變化并伴隨有元素的空間位移時(shí),稱元素發(fā)生了地球化學(xué)遷移.其過程包括元素的活化(穩(wěn)定態(tài)轉(zhuǎn)化為非穩(wěn)定態(tài))轉(zhuǎn)移（隨遷移介質(zhì)發(fā)生空間位移）-固定（沉淀或結(jié)晶出新礦物)元素的地球化學(xué)遷移過程包括了三個(gè)進(jìn)度：元素遷移的標(biāo)志礦物組合的變化巖石中元素含量的系統(tǒng)測(cè)定和定量計(jì)算物理化學(xué)條件界面水-巖化學(xué)作用概念又稱為水巖反應(yīng)：是指在地質(zhì)作用過程中，水溶液與礦物巖石間物質(zhì)成分的相互交換作用的化學(xué)反應(yīng)。3. 水-巖化學(xué)作用的基本類型地表?xiàng)l件下的水-巖化學(xué)作用有以下主要類型：1 氧化-還原反應(yīng)：2 脫水和水解反應(yīng)水解反應(yīng)：水電離的H或OH-進(jìn)入礦物晶格， 分別取代其中的陽(yáng)離子或陰離子，從而使礦物解體形成新

19、礦物。 3 水合作用4 碳酸鹽化和脫碳酸鹽化反應(yīng)5 陽(yáng)離子交換反應(yīng)6 高溫水-巖反應(yīng)的其他類型（1）絡(luò)合物和絡(luò)合反應(yīng)：絡(luò)合物：水溶液中的絡(luò)合物是指由兩個(gè)或兩個(gè)以上能獨(dú)立存在的比較簡(jiǎn)單的水溶物種組合而成的一種復(fù)雜的水溶物中。絡(luò)合物是成礦元素在水溶液中的重要存在形式。如W，Sn，Mo的絡(luò)合物（教材第100頁(yè)）。（2）除CO2外，H2S，H2，NH4，F(xiàn)，B和PO43-，H2O等揮發(fā)性組分經(jīng)常參與高溫水-巖化學(xué)作用。 （3）鹽效應(yīng)：當(dāng)溶液中存在大量的易溶鹽類時(shí)，溶液的含鹽度對(duì)化合物的溶解度會(huì)產(chǎn)生影響，表現(xiàn)為隨溶液中易溶電解質(zhì)濃度的增大將導(dǎo)致其他難溶化合物的溶解度增大。地球中天然水的類型地球中流體變并不單指水溶液相，常見的流體相主要有以下幾種：