地球化學(xué)作業(yè)習(xí)題(含答案)

1、.地球化學(xué)作業(yè)習(xí)題1、 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(jié)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(guān)系，K+/O2- 0.9857, Na+/O 2- =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(dá)到緊密接觸，因此配位數(shù)也要減少，因此

2、，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 。2+2+2、 Zn 和 Mg 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(xué)親和性差異造成的，2+2+，Mg離子半徑0.72A ， Zn 離子半徑 0.70A二者離子半徑相近， 但是前者的電負(fù)性為 1.2, 后者電負(fù)性為1.7 ，在與氧形成的化學(xué)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+/S 2- 0.41(Krauskopf et al,1995

3、)，因此閃鋅礦形成典型的四面體配位，而后者2+2-=0.51 ，因此呈八面體配位。Mg /O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)陽離子的離子鍵成分不同時，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，它們優(yōu)先被結(jié)合進(jìn)入礦物晶格，而電負(fù)性較高的離子則晚進(jìn)入礦物晶格。例如，Zn2+ 的電負(fù)性為2+2+732 kJ/mol ，用林伍德法則判斷，三857.7kJ/mol ， Fe 的電負(fù)性為774 kJ/mol ，而 Mg 的電負(fù)性為個元素中2+2+2+Mg 和 Fe 優(yōu)先進(jìn)入晶格組成鎂鐵硅酸鹽，Zn 則很難進(jìn)入早期結(jié)晶的硅酸鹽晶格，這與地質(zhì)事實十分吻合。電負(fù)性決定了元素

4、之間相互化合時的化學(xué)鍵性，因此可以用電負(fù)性大小來衡量離子鍵的強(qiáng)弱， 由此判斷元素進(jìn)入礦物晶格的先后順序。2+2+2+Zn (0.083nm)與 Mg (0.078nm)、Fe (0.083nm)的離子性質(zhì)很相似， 若按戈氏法則從相互置換質(zhì)點間的電價和半經(jīng)的角度進(jìn)行判斷，Zn2+應(yīng)于早期進(jìn)入鐵鎂硅酸鹽晶格。由于Zn2+的電負(fù)性較大，化合時共價鍵性較強(qiáng)，難于以類質(zhì)同象方式進(jìn)入Fe2+2+2+442722和 Mg 結(jié)晶礦物中， Zn 往往在硅酸鹽熔體晚期結(jié)晶形成ZnSiO ( 硅鋅礦 ) 和 Zn SiOOH.2H O）( 異極礦 ) 等礦物。林伍德電負(fù)性法則更適合于非離子鍵性的化合物。3、 指出下

5、列微量元素經(jīng)常會類質(zhì)同象替代硅酸鹽礦物結(jié)構(gòu)中的哪種主要元素：(1)Rb,(2)Sr,(3)Ga,(4)Ti,(5)Li,(6)Ba,(7)Ge,(8)REE,(9)Pb,(10)Ni,(11)Mn.答：(1)K,(2)Ca,(3)Al,(4)Mg,Fe,Al,(5)Mg,(6)K,(7)Si,(8)Ca,(9)K,(10)Mg,(11)Mg,Fe.;.4. 下列礦物鍵的類型是什么 ?(1) 所有鍵都是離子鍵 ;(2) 所有鍵都是共價鍵 ;(3) 部分鍵為離子鍵 , 部分為共價鍵 :(a) 磷灰石 ;(b) 黃銅礦 ;(c) 螢石 ;(d) 自然砷 ;(e) 尖晶石 (a) 離子鍵，共價鍵； (

6、b) 共價鍵； (c) 離子鍵； (d) 共價鍵； (e) 離子鍵。討論題1、 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(jié)構(gòu)( 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(xué)性質(zhì)有關(guān)。二者的離子半徑分別為：1.38A 和 1.02A(Krauskopf etal,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，KAlSi 3O8 與 NaAlSi 3O8 二者

7、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(rèn)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(jié)構(gòu)。2、 為什么結(jié)構(gòu)與硅酸鹽類似的碳酸鹽沒有形成種類復(fù)雜的碳酸鹽礦物？（Krauskopf etal.,1995 ）答：構(gòu)成硅酸鹽的主要元素Si 是一種非金屬元素它組成4-四面體，如形成橄欖SiO4石 MgSiO ，其特征更由2+2組成的菱鎂礦，這樣看，其結(jié)構(gòu)化學(xué)并不比硫酸鹽中的S、磷酸Mg 和

8、 CO243鹽中的 P 和碳酸鹽中的C 更復(fù)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(dá)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(gòu)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(jìn)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(jié)構(gòu)的多樣性。 (2) 從 Si 元素化學(xué)性質(zhì)上分析。Si 4+的大小處在最小的金屬離子Ti 4+和 Al 3+和最

9、大的多價態(tài)非金屬離子 (P 5+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(jié)構(gòu)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(gòu)成了多種多樣可能的硅酸鹽結(jié)構(gòu)。包括：獨立四面體結(jié)構(gòu)島狀硅酸鹽如橄欖石，多四面體結(jié)構(gòu)礦物。2 6 個四面體連接在一起形

10、成大的獨立陰離子雙島狀硅酸鹽礦物，如異極礦;.Zn4Si 2O7(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。1、 據(jù)研究， 23.5 億年前的新太古代- 古元古代， 大氣幾乎完全由 CO構(gòu)成， P 1bar 。試根據(jù)自然水中2CO2CO 的電離平衡計算當(dāng)時雨水的pH 值。?設(shè)當(dāng)時1, 可以計算得雨水的 pH=3.95 。2pCO22、 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(qiáng)，據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程:H2O+CO2 H2CO3-

11、+溶解在水中的 CO2 被植物吸收，導(dǎo)致水中HCO3+H,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CO，使得水中的 pH值增大，而在夜晚植物和動物的呼吸產(chǎn)2生 CO2，CO2 因此夜晚湖水中的pH 值減小 (Krauskopf et al.,1995)。3、 1) 與大氣氧相平衡的水 (PO2=0.21atm)，如果它的 pH值為 6，計算它的的氧化還原電位Eh 值； (2) 如果水的 pH=7,Eh=+0.2V ，求水的氧逸度。4、 當(dāng)以下每種物質(zhì)形成時，其氧化電位是高還是低？(1)隕石； (2) 煤；(3) 沉積錳礦床； (4) 釩鉀鈾礦；(5) 頁巖中的黃鐵礦。

12、高，低，高，高，低。( 問題來源： Brownlow,1996)5、 標(biāo)出以下環(huán)境pH 值的大小順序：熱帶地區(qū)海水，死谷(Death Valley)的季節(jié)性干鹽湖水，太湖水，含有豐富黃鐵礦的片巖出露區(qū)的溪水，加拿大北部沼澤水。答： pH 值由大到小的順序：死谷的季節(jié)性干鹽湖水熱帶地區(qū)海水太湖水加拿大北部沼澤水含有豐富黃鐵礦的片巖出露區(qū)的溪水(Krauskopf et al.,1995)。6、 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：2+O伏； Au3+O伏Pt +2ePt E =1.2+3eAu E =1.51這樣高的EO，(1)電

13、對中氧化劑物質(zhì)Pt 2+和 Au3+ 是一個很強(qiáng)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(jié)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(jié)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(dá)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(jìn)行遷移。通常認(rèn)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

14、中金可能以絡(luò)離子形式進(jìn)行遷移，因為絡(luò)離子的形成可以大大降低金的氧化還原電位，例如：3+O伏 AuCl-OAu +3eAu E =1.5 +3e=Au+4ClE=1.004伏;.由此可見在含有某些絡(luò)合配位體(Cl - ,S 2- 等 ) 的熱液中，金可能形成絡(luò)離子。但是這些絡(luò)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。AuCl 4 - +3Fe2+=Au+3Fe3+4Cl -AuS3 3- +3Fe2+ =Au+3Fe3+3S2-1、為什么微跡元素在地質(zhì)作用過程中的分配可以用能斯特分配系數(shù)進(jìn)行研究？2、如何確定相容元素與不相容元素？其研究意

15、義何在？3、如何編制稀土元素配分曲線？常用哪些指標(biāo)描述稀土元素分布特征？4、自然界許多地質(zhì)作用是否存在稀土元素四分組效應(yīng)？其形成的原因是什么？5、在稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)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+,Ca 2+，Sr 2+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(fù)Eu 異常玄武巖與正 Eu 異常輝長質(zhì)斜長巖R

16、EE模式，兩種巖2+3+(mare basalt), 輝長石都是具有特高 Eu /Eu 比值 ( 還原條件下 ) 的月球火成巖。玄武巖來自月海地區(qū)質(zhì)斜長巖來自月球高原，前者因斜長石分離結(jié)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(dǎo)致殘余熔體出現(xiàn)明顯的Eu 負(fù)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,Mn 2+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習(xí)題1、 分別

17、應(yīng)用巖漿分離結(jié)晶過程和批次熔融過程元素分配演化的定量模型，選擇相容元素和不相容元素計算它們在高熔融度(F>0.9) 和低熔融度 (F<0.1) 時的濃度變化，并對計算結(jié)果進(jìn)行對比。下述元素比值一般在鎂鐵質(zhì)巖石中高還是在長英質(zhì)巖石中更高，為什么？Rb/Sr 、Sr/Ba 、 B/Mn、 Li/Mg 、Pb/Rb、 Cr/Al 、 Y/Ca、 La/Yb 。鎂鐵質(zhì)巖石中高的元素對比值：Sr/Ba 、 Pb/Rb、 Cr/Al ，其余為長英質(zhì)巖石中高的元素對比值：Rb/Sr 、B/Mn、Li/Mg 、Y/Ca、 La/Yb （ Krauskopf et al.,1995）。2、 下述元素

18、比值一般在蒸發(fā)巖中高還是在頁巖中高，為什么？Ca/Ba、Si/Na 、 K/Rb、 Mg/Mn。蒸發(fā)巖中高的元素對比值：Ca/Ba、K/Rb 、Mg/Mn；頁巖中高的元素對比值：Si/Na 。（ Krauskopf;.et al.,1995）。3、 分析對比花崗巖、頁巖、斜長石和石榴子石的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(guān)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(fù)異常， Eu<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(fù)分異而形成，因此具有與花崗巖和流紋巖類

19、似的 REE配分模式，一般具有弱的Eu 負(fù)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(guān)。因此花崗巖的 Eu 負(fù)異常與斜長石的早期晶出有關(guān)。4、 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)，22Eu與 Ca 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

20、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。5、 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(guān)。 U 和 Th 的離子半徑較大， U4+(6 次配位 ) 為 0.97A,U 6+(6 次配位 ) 為 0.80A,Th 3+(6 次配位 ) 為 1.14A,Th 4+(6 次配位 ) 為 1.02A ，因此二者不能進(jìn)入早期結(jié)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+,Zr 4+,REE3+以及 Ca2+呈類質(zhì)同象置換6次配位)。思考題1. 根據(jù)作用的性質(zhì)和條件，自然界穩(wěn)定同位素的分餾作用

21、可分為幾類？引起各種分餾作用的原因及其特征是什么？2. 放射性同位素衰變具有哪些不同于一般化學(xué)反應(yīng)的性質(zhì)？試述放射性同位素蝕變定律。3. Rb-Sr 等時線測年的基本原理是什么？影響等時線年齡可靠性的主要因素是什么？4. Sr 和 Nb 同位素如何用于進(jìn)行地球化學(xué)示蹤作用？5.根據(jù)水的H、 O同位素組成，自然界的水可以分為哪幾類？每一類的H、 O同位素特征如何？習(xí)題1 、使用 Sm-Nd法對巖石定年時，只有當(dāng)巖石中礦物的 147Sm/144Nd 比值具有較大差異時才能獲得最佳的年齡結(jié)果，為什么？2、假定下圖是一個巖漿巖的同位素分析所獲得的結(jié)果，請問圖中點A、 B、 C、 D 所代表的意義？;.3、下列巖漿巖：形成過程中僅與巖漿水發(fā)生了相互作用；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1816O/ O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18 O/16O比值更高。1、 對灰?guī)r樣品進(jìn)行18O/16 O 比值分析以確定巖石的形成溫度，結(jié)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