地球化学的学科特点

地球化学的学科特点

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是地球科学的一部分：以地球、地壳及地质作用体系为研究对象。

研究的重点/方向：地球系统物质运动（含地质运动）中物质的运动规律。通过研究和分析元素和同位素在地质体系中的行为和演变，应用地球化学的基本原理来示踪地质体系运动的规律，例如：岩浆形成的深度、来源、矿床形成环境等等。 理论基础：化学类学科——无机化学、有机化学、物理化学、热力学、解析化学等，此外还有物理性和数学等。

学科分支众多：海洋地球化学、生物地球化学、环境地球化学、区域地球化学、个别元素地球化学、成岩成矿地球化学、同位素地球化学和地球化学热力学。 应用性强：比如环境地球化学是环境科学的核心（酸雨、臭氧空洞的形成、全球变暖和温室效应），应用地球化学的方法和手段找矿。 ?

年轻的发展中的科学（约100年的发展历史）

地球化学的基本问题

（1） 地球系统中元素和同位素的组成（abundance and distribution）问题

（2） 元素的共生组合和赋存状态问题 元素的共生组合：具有相同或相似迁移历史和分配规律的各种元素在地质体中有规律的组合。

（3） 元素的迁移和循环

地球化学的迁移：元素的重新组合常伴随元素的空间位移及元素在系统不同部分状态的转化，该迁移涉及体系的物理化学条件和迁移介质特性等制约关系变化的动态过程。

（4） 地球的历史和演化

通过元素或同位素的变异来揭示地质作用过程的特征，称为微量元素或同位素“示踪”。 ? X-射线荧光光谱（XRF）

? 电感耦合等离子体发射光谱（ICP-AES）

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丰度：指化学元素在地球化学系统（太阳、行星、陨石、地球、地圈、地壳）中的平

均分布量。

分布：元素的分布指的是元素在一个化学体系中（太阳、陨石、地球、地壳、某地区

等）的整体总含量。

分配：元素的分配指的是元素在各地球化学体系内各个区域或区段中的含量

分布是整体，分配是局部，两者是一个相对的概念，既有联系又有区别。

太阳系元素丰度具有以下规律：

（1）.H和He是丰度最高的两种元素，这两种元素几乎占了太阳中全部原子数目的98％ （2）.原子序数较低的元素区间，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区间（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。具有偶数质子数（P）或偶数中子数（N）的核素丰度总是高于具有奇数P或N的核素，这一规律称为Oddo－Harkins（奥多--哈根斯）法则，亦即奇偶规律。

（4）.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。此外还有人指出，原子序数（Z）或中子数（N）为“幻数”（2、8、20、50、82和126等）的核素或同位素丰度最大。例如，4He（Z=2，N＝2）、16O（Z=8，N=8）、40Ca（Z=20，N=20）和140Ce（Z=58，N=82）等都具有较高的丰度

（5）.Li、Be和B具有很低的丰度，属于强亏损的元素。 （6）.而O和Fe呈现明显的峰，为过剩元素。

太阳系元素丰度与元素原子结构及元素形成的整个过程之间存在着某种关系

（1）.与元素原子结构的关系。原子核由质子和中子组成，其间既有核力又有库仑斥力，但中子数和核子数比例适当时，核最稳定，而具有最稳定原子核的元素一般分布最广。在原子序数（Z）小于20的轻核中，中子（N）/质子（P）＝1时，核最稳定，为此可以说明4He（Z=2，N＝2）、16O（Z=8，N=8）、40Ca（Z=20，N=20）等元素丰度较大的原因。又如偶数元素与偶数同位素的原子核内，核子倾向成对，它们的自旋力矩相等，而方向相反，量子力学证明，这种核的稳定性较大，因而偶数元素和偶数同位素在自然界的分布更广。

（2）.与元素形成的整个过程有关。H、He的丰度占主导地位和Li、Be、B等元素的亏损可从元素的起源和形成的整个过程等方面来分析。根据恒星合成元素的假说，在恒星高温条件下（n×106K），可以发生有原子（H原子核）参加的热核反应，最初时刻H的“燃烧”产生He，另外在热核反应过程中Li、Be、B迅速转变为He的同位素42He， 因此太阳系中Li、Be、B等元素丰度偏低可能是恒星热核反应过程中被消耗掉了的缘故。而O 和Fe 的丰度异常地高是因为这两种元素是氦燃烧的稳定产物。

陨石概念：是从星际空间降落到地球表面上来的太阳系碎片，主要来源于位于火星和木星之间的小行星带。

陨石类型

陨石主要是由镍-铁合金、结晶硅酸盐或两者的混合物所组成，按成分分三类

（1）铁陨石（2）石陨石（3）铁石陨石

地壳是指从地表（包括陆地表面和海洋底面）开始，深达莫霍面（M界面）的层壳，它不

包括水圈和大气圈，也不等于岩石圈，仅仅相 当于岩石圈的上部。

大陆地壳可分为上地壳和下地壳，上地壳厚8—12km，由偏酸性的火成岩和沉积岩组成，下地壳主要由麻粒岩、玄武岩等中酸性或中基性岩石组成。

地球中最丰富的元素是Fe、O、Si和Mg，如果加上Ni、S、Ca和Al，这8种元素的质量占了地球总质量的98%。

地壳元素丰度特征

1.不均一性

(1)地壳中元素的相对平均含量是极不均一的。

丰度最大的元素是O为47%，与丰度较小的元素Rn（6x10-16）相差达1017倍，相差十分悬殊。

地壳中丰度最大的九种元素O、Si、Al、Fe、Ca Na、K、Mg、Ti,占地壳总质量的98.13%；前十五种元素占99.61%,其余元素仅占0.39%

这表明，地壳中只有少数元素在数量上起决定作用，而大部分元素处于从属地位。 (2)时间上分布的不均一性：

随着地质历史的发展，元素的活动与分布有着明显的规律性。

地史早期：一些稳定元素在地史早期富集成矿。如Au矿主要产在前寒武纪；Fe矿主要产在前寒武纪元古代（前寒武纪变质铁矿占世界铁矿储量60%）。

地史晚期：一些活泼的不稳定元素在地史晚期富集成矿。如Sn、Nb、Ta和W等元素，

W成矿作用高峰期在中生代（燕山期）。

（3）空间上分布的不均一性：

例如：上下地壳元素丰度的不均匀性，上地壳(0--8～12km)主要为偏酸性火成岩、沉积岩；下地壳(8～12km--莫霍面)主要为麻粒岩、玄武岩

记Ri=上地壳元素丰度/下地壳元素丰度, Ri≈1的元素有 Ca、Si、Zr、Nd、Pb等；Ri<1的有Mg、Cu、V、Fe、Ni、Cr、Ag、Co、Sr等；Ri>1的有Cl、C、Cs、K、Rb、U、Th、Bi、Tl、Nb等。Ri值反映了地壳物质在分异调整过程中的宏观趋势。

太阳系：H>He>O>Ne>N>C>Si>Mg>Fe>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 元素的克拉克值：即元素在地壳中的重量百分含量。

浓度克拉克值和浓集系数

浓度克拉克值 = 某元素在某一地质体中平均含量/某元素的克拉克值；浓度克拉克值＞1意味该元素在该地质体中集中了；浓度克拉克值＜1意味该元素在 该地质体中分散了。

区域浓度克拉克值=某元素在区域内某一地质体中平均含量/该区域元素的丰度值； 浓度克拉克值是衡量元素集中、分散及其程度的良好标尺，具有重要的理论和实践意义。 浓集系数 = 某元素最低可采品位/某元素的克拉克值 。浓集系数反映了元素在地壳中倾向于集中的能力。

自然界元素结合的基本规律： 1.元素的地球化学亲和性。

2.矿物晶体形成或变化过程的类质同象规律。 3.晶体场理论对过渡元素行为的控制。 4.能斯特定律（微量元素）。

亲氧性和亲硫性

1. 氧、硫元素的性质差异

氧和硫元素的部分化学参数见教材第57页表2.1。

硫的电负性小于氧（XsRoo）。这样，硫的外电子联系较弱，导致硫受极化程度要比氧大得多。为此，硫倾向形成共价键（或配价键的给予体）氧倾向形成离子键（或部分共价键）与硫形成高度共价键的元素，称亲硫元素（具亲硫性），典型的元素有Cu、Pb、Zn、Au和Ag等；与氧形成高度离子键的元素称亲氧元素（具亲氧性）。典型的元素有K、Na、Ca、Mg、Nb、Ta、Zr、Hf和REE等

双重性和过渡性：

自然界元素的亲和性不是绝对的，部分元素存在着双重性和过渡性。如下表中的元素同时具有亲铁性和亲硫，可有多种结合形式，且各元素间的亲合性呈相互过渡。 亲铁性增加 Fe Ru Co Rn Ni Pd 亲硫性增加 Os Ir Pt 呈现亲铁性时，以自然金属状态存在 呈现亲硫性时，以硫化物形式存在

亲铁性

元素在自然界以金属状态产出的一种倾向。

铁具有这种倾向，在自然界中，特别是当O、S丰度低的情况下，一些元素往往以自然金属状态存在，常常与铁呈金属键结合而共生，这类元素称之为亲铁元素。

典型的元素包括PGE、Fe、Cu、Ag、Au、Co和Ni等。

基本特征：不易与其他元素以离子键或共价键结合，因为它们的价电子不易丢失，即具有较高的电离能。

电离能：

指从原子电子层中移去电子所需要的能量。

电离能愈大，则电子与原子核之间结合得愈牢固。

类质同象：某种物质在一定的外界条件下结晶时，晶体中的部分构造位置被介质中的

其他质点（原子、离子、络离子或分子）所占据而只引起晶格常数的微小改变，晶格构造类型、化学键类型、离子正负电荷的平衡保持不变或相近，这种现象称类质同象。

混入晶体的物质称为类质同象混入物，含有类质同象混入物的晶体，称为混晶或固溶

体。

完全类质同象与有限类质同象

完全类质同象

晶体化学性质相近的元素之间可按任意比例进行替换而形成固溶体。如橄榄石中的元素Mg和Fe；

有限类质同象

晶体化学性质差异较大的元素之间发生类质同象时，因受到晶格构造的限制，替换的比例限于一定的范围。如元素Mn对橄榄石中Fe和Mg的替换。

戈尔德施密特类质同象法则（类质同象规律）

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。 2.若两种离子半径相似而电价不等，较高价的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”；较低价离子集中于较晚期的矿物中，称被“容许”。

3.隐藏法则：若两个离子具有较相近的半径和相同的电荷，丰度搞主量元素形成独立矿物，丰度较低的微量元素将按丰度比例进入主量元素的矿物晶格，即微量