地球化學(xué)緒論

地球化學(xué)課程安排☆主講教師：閉向陽(yáng)，張利☆聯(lián)系電話Q：358768217☆E-mail：bixy@☆課時(shí)：48學(xué)時(shí)，講課☆答疑：時(shí)間和地點(diǎn)待定☆考查形式：閉卷考試☆成績(jī)?cè)u(píng)定：平時(shí)作業(yè)（3次，占30%）+結(jié)業(yè)考試（占70%），☆說(shuō)明：無(wú)故缺課3次及以上者，或一次不完成作業(yè)者，取消考試資格。內(nèi)容設(shè)置緒論第1章太陽(yáng)系的元素豐度和元素起源第2章地球的化學(xué)組成第3章元素的晶體化學(xué)性質(zhì)與元素結(jié)合規(guī)律第4章微量元素地球化學(xué)第5章放射成因同位素地球化學(xué)第6章穩(wěn)定同位素地球化學(xué)第7章環(huán)境地球化學(xué)第8章生物與有機(jī)地球化學(xué)專業(yè)參考書※教材：張宏飛等，地球化學(xué)，地質(zhì)出版社，2012※參考教材：1、韓吟文等，地球化學(xué)，地質(zhì)出版社，20032、涂光熾等，地球化學(xué)，上?？萍汲霭嫔?，19843、趙倫山，張本仁。地球化學(xué)，地質(zhì)出版社，19884、中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所。高等地球化學(xué)，科學(xué)出版社，19985、FrancisAlbarede.Geochemistry.CambridgePress,2003專業(yè)文獻(xiàn)1、GeochimicaetCosmochimicaActa2、EarthandPlanetaryScienceLetters3、ChemicalGeology4、ContributionstoMineralogyandPetrology5、Geology6、Lithos7、JournalofPetrology8、JournalofGeophysicalResearch9、中國(guó)科學(xué)(D輯)、巖石學(xué)報(bào)、地球化學(xué)資料網(wǎng)站資料網(wǎng)站資料網(wǎng)站資料網(wǎng)站地球科學(xué)世界出版社GeoScienceWorld（GSW）是由7家地球科學(xué)領(lǐng)域的頂尖協(xié)會(huì)共同建立的非營(yíng)利型組織，包括：美國(guó)石油地質(zhì)師學(xué)會(huì)AmericanAssociationofPetroleumGeologists（AAPG）、美國(guó)地質(zhì)協(xié)會(huì)AmericanGeologicalInstitute（AGI）、美國(guó)地質(zhì)協(xié)會(huì)GeologicalSocietyofAmerica（GSA）、倫敦地質(zhì)學(xué)會(huì)GeologicalSocietyofLondon（GSL）、美國(guó)礦物學(xué)會(huì)MineralogicalSocietyofAmerica（MSA）、美國(guó)沉積地質(zhì)學(xué)協(xié)會(huì)SocietyforSedimentaryGeology（SEPM）和美國(guó)地球物理探礦工作者協(xié)會(huì)SocietyofExplorationGeophysicists（SEG），旨在為研究人員提供最新的地球科學(xué)電子信息資源資料網(wǎng)站資料網(wǎng)站資料網(wǎng)站地球化學(xué)是怎樣的一門學(xué)科？它主要研究哪些問題？地球化學(xué)的研究方法如何？它的主要特點(diǎn)是什么？地球化學(xué)學(xué)科的發(fā)展簡(jiǎn)史及現(xiàn)代地球化學(xué)發(fā)展趨勢(shì)怎樣？緒論為探索地球乃至宇宙的起源與演化提供證據(jù)；找到影響國(guó)計(jì)民生的大礦、巨礦；加速查明全國(guó)乃至全球的礦產(chǎn)資源以便在經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)部署時(shí)有抉擇余地；使農(nóng)、工業(yè)及城市有更合理的規(guī)劃；為農(nóng)業(yè)增質(zhì)增產(chǎn)提供新途經(jīng)；預(yù)警未來(lái)環(huán)境污染變化趨勢(shì)；使經(jīng)濟(jì)發(fā)展無(wú)法避免的大面積散漫型土地污染得以修復(fù)。地球化學(xué)

1838年瑞士化學(xué)家Sch?nbein(申拜因)首次提出了“地球化學(xué)”這個(gè)名詞；1842年他預(yù)言：“一定要有了地球化學(xué)，才能有真正的地質(zhì)科學(xué)?！?/p>

本章內(nèi)容一、地球化學(xué)及其主要研究?jī)?nèi)容和任務(wù)二、地球化學(xué)的基本觀點(diǎn)和方法三、地球化學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史一、地球化學(xué)定義及研究的基本問題地球化學(xué)的定義地球化學(xué)研究的基本問題1.地球化學(xué)的定義地球科學(xué)化學(xué)化學(xué)成分、化學(xué)作用化學(xué)演化我們認(rèn)為現(xiàn)代地球化學(xué)的定義為：地球化學(xué)是研究地球及子系統(tǒng)(含部分宇宙體)的化學(xué)組成、化學(xué)機(jī)制(作用)和化學(xué)演化的科學(xué)。地球化學(xué)從以下幾方面深入理解地球化學(xué)的定義研究對(duì)象巖漿作用、沉積作用、變質(zhì)作用、成礦作用、表生作用、生態(tài)環(huán)境……研究形式元素及其同位素的化學(xué)運(yùn)動(dòng)研究時(shí)間包涵了整個(gè)地球、地殼演化和全部地質(zhì)作用時(shí)期；對(duì)單個(gè)元素（同位素）來(lái)講，是研究它們的發(fā)生、不斷發(fā)展及螺旋式演化的全部歷史2.地球化學(xué)研究的基本問題概括起來(lái)有以下幾個(gè)基本問題：第一:元素（同位素）在地球及各子系統(tǒng)中的組成（量）第二:元素的共生組合和存在形式（質(zhì)）第三:研究元素（同位素）的遷移（動(dòng)）第四:元素的地球化學(xué)演化第一:元素（同位素）在地球及各子系統(tǒng)中的組成簡(jiǎn)而言之為“量”的研究也就是元素（同位素）的含量及含量在空間、時(shí)間及不同地質(zhì)產(chǎn)狀地質(zhì)體中的變化；

這一問題是地球化學(xué)研究的出發(fā)點(diǎn)和基礎(chǔ)資料。第一:元素（同位素）在地球及各子系統(tǒng)中的組成第二:元素的共生組合和存在形式例如，Cr、Ni、Co以及鉑族元素常常在基性-超基性巖石中共生富集，而鑭系元素（稀土元素）和大離子親石元素等一般在偏酸性的巖石中共生富集，Nb、Ta等高場(chǎng)強(qiáng)元素在地殼巖石中常常出現(xiàn)虧損，而Cu、Pb、Zn等常在熱液礦床中富集。再如，在不同體系中，不同元素的賦存形式也不一樣：在巖石圈中Ti、Cr、Mn等呈氧化物，Cu、Pb、Zn、Ni、Co等多呈硫化物，鉑族元素除少量形成硫化物外，主要呈自然元素和金屬互化物形式存在。地質(zhì)體內(nèi)部的各種原子的結(jié)合和存在形式不是任意的、靜態(tài)的，而是有條件的、變化的。它們受地質(zhì)作用物理化學(xué)狀態(tài)的控制，是隨著地質(zhì)歷史的變動(dòng)而變化的。因此，元素的共生組合和存在形式是地質(zhì)作用物理化學(xué)條件及變動(dòng)歷史的指示劑。簡(jiǎn)而言之為“質(zhì)”的研究。

例1：早期處于原生還原環(huán)境的黃銅礦(獨(dú)立礦物形式)；晚期由于地殼抬升，黃銅礦處于表生氧化環(huán)境（O2、H2O等），最終氧化為可溶的CuSO4；從黃銅礦變?yōu)榱蛩徙~是環(huán)境從還原狀態(tài)轉(zhuǎn)化為氧化狀態(tài)的指示劑。)(CuSO)(CuFeS42溶于水的離子態(tài)黃銅礦獨(dú)立礦物表生環(huán)境?????第三:研究元素的遷移簡(jiǎn)而言之是“動(dòng)”的研究，也就是元素在自然作用體系中的含量和存在形式在時(shí)間、空間上的變化。例2：元素從礦源層中活化遷移到沉淀成礦（左圖）①某金屬元素（Cu）呈分散狀態(tài)賦存于礦物顆粒表面。該元素含量較高，形成礦源層；②某個(gè)時(shí)期，其深部發(fā)生了某地質(zhì)作用，沿裂隙發(fā)生了熱液活動(dòng)，礦源層裂隙兩側(cè)物理化學(xué)狀態(tài)發(fā)生了改變，礦源層中的元素被萃取至流體中遷移；③熱液遷移至上部由于物理化學(xué)條件的變化（巖石滲透率、pH……)，流體中元素又以新的結(jié)合方式沉淀下來(lái)。第四:元素的地球化學(xué)演化宇宙、天體是怎樣形成、演化的？地球是如何形成、發(fā)展的？生命是如何起源的？由C、H、O、N等主要元素構(gòu)成的人類是如何產(chǎn)生的？元素是如何合成的？常量元素微量元素同位素記錄指示恐龍時(shí)代恐龍和大量海洋浮游生物在短時(shí)期內(nèi)突然滅絕！原因是什么？地球Ir含量很低(0.001μg/g)，隕石可達(dá)0.65μg/g)1、E/K界面上1cm厚粘土中測(cè)出Ir元素突然增加了20倍；2、當(dāng)時(shí)保存下來(lái)化石的氧同位素成分測(cè)定其海水溫度突然上升，最高可達(dá)10℃在6500萬(wàn)年前的某一天，一顆直徑約為10公里的小行星與地球相撞，巨大的沖擊力，使小行星擊穿地殼30公里的厚度，達(dá)到地幔，由于高溫高壓，巖石瞬間熔化，水蒸氣、二氧化硫所的產(chǎn)生的大量云霧、塵埃、煙霧直沖大氣圈，形成的濃霧遮住了陽(yáng)光，使全球氣溫劇烈降低，大面積、高濃度的酸雨，使植物不能進(jìn)行光合作用，導(dǎo)致生物的嚴(yán)重破壞，食草動(dòng)物、食肉動(dòng)物餓死的餓死，凍死的凍死。這一災(zāi)難致使稱霸地球1億多年的恐龍滅絕了；海洋生物也遭受了巨大的災(zāi)難。根據(jù)推測(cè)這種“撞擊冬天”持續(xù)了幾年到幾十年。E/K界面上銥等元素的地球化學(xué)異常是這一“災(zāi)變事件”的理想示蹤劑二．地球化學(xué)的研究思路及研究方法地球化學(xué)的研究思路地球化學(xué)的研究方法（一）地球化學(xué)研究思路----

見微而知著那就是在地質(zhì)作用過程中形成宏觀地質(zhì)體的同時(shí)，還形成大量肉眼難以辨別的常量元素、微量元素及同位素成分的組合的微觀蹤跡，它們包含著重要的定性和定量的地質(zhì)作用信息，只要應(yīng)用現(xiàn)代分析測(cè)試手段觀察這些微觀蹤跡以及宏觀的地球化學(xué)現(xiàn)象，便可深入地揭示地質(zhì)作用的奧秘。概括一句話那就是“見微而知著”。通過觀察原子之微，以求認(rèn)識(shí)地球和地質(zhì)作用之著。（二）地球化學(xué)的研究方法地球化學(xué)研究方法的特點(diǎn)研究程序和工作方法1.地球化學(xué)研究方法的特點(diǎn)

第一、工作方法應(yīng)遵循地球科學(xué)的思維途徑第一手實(shí)際資料來(lái)自于對(duì)自然地質(zhì)現(xiàn)象的觀察和研究；

在地球的時(shí)空結(jié)構(gòu)中整理和綜合資料；

事實(shí)規(guī)律的統(tǒng)計(jì)性特征；

反序地追蹤歷史；

結(jié)論的推斷性和多解性以及認(rèn)識(shí)的反復(fù)深化……第二、地球化學(xué)工作者有一個(gè)敏銳的地球化學(xué)思維第三、具備有定性和定量測(cè)定元素含量及鑒別物相的技術(shù)和裝置2.研究程序和工作方法地球化學(xué)的野外工作方法地球化學(xué)的室內(nèi)研究方法（１）地球化學(xué)的野外工作方法宏觀地質(zhì)調(diào)研認(rèn)識(shí)地質(zhì)現(xiàn)象地球化學(xué)樣品采集樣品的布局和采樣要求

①明確的代表性：代表某一地質(zhì)作用的產(chǎn)物；代表某一成因的、某種產(chǎn)狀的地質(zhì)體；樣品盡量避免后期作用的疊加等。如花崗巖樣品代表巖漿作用，灰?guī)r樣品代表沉積作用，矽卡巖和大理巖樣品代表熱接觸變質(zhì)作用；樣品的布局和采樣要求

②樣品的系統(tǒng)性：為了從比較中說(shuō)明問題，對(duì)研究對(duì)象在空間上、時(shí)間上、不同成因上的樣品應(yīng)構(gòu)成一個(gè)系列。例如研究礦化特征，應(yīng)控制采集礦體、礦化、背景段的樣品；有如環(huán)境污染研究，對(duì)污染源、污染區(qū)、背景區(qū)的樣品進(jìn)行系統(tǒng)采集；

樣品的布局和采樣要求③樣品的統(tǒng)計(jì)性：地球化學(xué)現(xiàn)象同其它地質(zhì)現(xiàn)象一樣具有統(tǒng)計(jì)性規(guī)律，要定量地描述地球化學(xué)規(guī)律必須用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法，因?yàn)橐粌蓚€(gè)樣品難以有代表意義，必須由一組樣品構(gòu)成，一組樣品的數(shù)量根據(jù)研究對(duì)象復(fù)雜程度、規(guī)模大小及測(cè)試方法的難易程度而定。

（２）地球化學(xué)的室內(nèi)研究方法對(duì)量的精確測(cè)定

對(duì)“質(zhì)”的研究：元素結(jié)合形態(tài)和賦存狀態(tài)活動(dòng)態(tài)金屬提取實(shí)驗(yàn)上海同步輻射光源對(duì)地球化學(xué)作用過程物理化學(xué)條件的測(cè)定和計(jì)算，包括測(cè)定和計(jì)算兩大類。如包裹體測(cè)溫、測(cè)壓、測(cè)成分，又有微量元素溫度計(jì)、礦物溫度計(jì)、同位素溫度計(jì)等測(cè)定和計(jì)算相結(jié)合的方法；對(duì)體系的pH、Eh、fO2、鹽度、離子強(qiáng)度、礦質(zhì)濃度等參數(shù)進(jìn)行估算；另外還可進(jìn)行自然作用時(shí)間參數(shù)的測(cè)定，如同位素年代學(xué)。模擬地球化學(xué)過程，進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。這種方法在實(shí)驗(yàn)室條件下，使某些地球化學(xué)過程再現(xiàn)，以深入了解成巖成礦作用機(jī)制或檢驗(yàn)?zāi)承├碚撏茢?，這里包括高溫高壓體系的專門設(shè)備的實(shí)驗(yàn)技術(shù)以及大量常溫常壓下的實(shí)驗(yàn)研究（溫度可以達(dá)到3000℃，超高壓可達(dá)1.3兆巴，相當(dāng)于200km深處地殼壓力）。

北京大學(xué)高溫高壓實(shí)驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)的多元統(tǒng)計(jì)處理和計(jì)算——計(jì)算地球化學(xué)多元統(tǒng)計(jì)理論和電子計(jì)算機(jī)技術(shù)在地球化學(xué)研究的應(yīng)用，大大提高了資料整理的科學(xué)性、數(shù)據(jù)的利用率和計(jì)算工作效率；同時(shí)數(shù)學(xué)理論和方法的應(yīng)用對(duì)深入揭示地球化學(xué)規(guī)律、科學(xué)地描述地球化學(xué)現(xiàn)象起到了推動(dòng)作用，使之地球化學(xué)過程數(shù)字模擬化。三．地球化學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史及發(fā)展趨勢(shì)地球化學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史地球化學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)（一）地球化學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史第一個(gè)時(shí)期：地球化學(xué)資料積累時(shí)期（20世紀(jì)初到20年代）。在這個(gè)時(shí)期內(nèi)地球化學(xué)研究主要局限于地殼巖石礦物中的化學(xué)成分進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)整理，其代表人物是美國(guó)的克拉克(F.W.Clarke)，由于克拉克的工作主要是對(duì)大量地殼巖石的地球化學(xué)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理，因此他在地球化學(xué)發(fā)展歷史中就成了經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)方向的創(chuàng)始人。

第二個(gè)時(shí)期:地球化學(xué)學(xué)科建立時(shí)期（20世紀(jì)30年代到50年代）。在歐美著重應(yīng)用晶體化學(xué)理論和方法研究礦物巖石中元素的分配規(guī)律，其創(chuàng)導(dǎo)和奠基人是戈?duì)柕率┟芴兀╒.M.

Goldschemidt），他為地球化學(xué)研究創(chuàng)造了晶體化學(xué)方向。在歐美地球化學(xué)發(fā)展的同時(shí)，在前蘇聯(lián)以維爾納茨基(B.И.Вернадский)和費(fèi)爾斯曼(A.E.Ферсман)為核心的一個(gè)重要的地球化學(xué)學(xué)派發(fā)展起來(lái)了，他們特別強(qiáng)調(diào)研究元素的原子在地殼