地球化學的學科特點地球化學的學科特點/NUMPAGES15地球化學的學科特點地球化學的學科特點地球化學的學科特點是地球科學的一部分：以地球、地殼及地質作用體系為研究對象。研究的重點/方向：地球系統(tǒng)物質運動（含地質運動）中物質的運動規(guī)律。通過研究和分析元素和同位素在地質體系中的行為和演變，應用地球化學的基本原理來示蹤地質體系運動的規(guī)律，例如：巖漿形成的深度、來源、礦床形成環(huán)境等等。理論基礎：化學類學科——無機化學、有機化學、物理化學、熱力學、解析化學等，此外還有物理性和數(shù)學等。學科分支眾多：海洋地球化學、生物地球化學、環(huán)境地球化學、區(qū)域地球化學、個別元素地球化學、成巖成礦地球化學、同位素地球化學和地球化學熱力學。應用性強：比如環(huán)境地球化學是環(huán)境科學的核心（酸雨、臭氧空洞的形成、全球變暖和溫室效應），應用地球化學的方法和手段找礦。年輕的發(fā)展中的科學（約100年的發(fā)展歷史）地球化學的基本問題地球系統(tǒng)中元素和同位素的組成（abundanceanddistribution）問題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體中有規(guī)律的組合。元素的遷移和循環(huán)地球化學的遷移：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)的轉化，該遷移涉及體系的物理化學條件和遷移介質特性等制約關系變化的動態(tài)過程。地球的歷史和演化通過元素或同位素的變異來揭示地質作用過程的特征，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：指化學元素在地球化學系統(tǒng)（太陽、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化學體系中（太陽、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體系內各個區(qū)域或區(qū)段中的含量分布是整體，分配是局部，兩者是一個相對的概念，既有聯(lián)系又有區(qū)別。太陽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)較大的區(qū)間（Z＞45）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Oddo－Harkins（奧多--哈根斯）法則，亦即奇偶規(guī)律。（4）.質量數(shù)為4的倍數(shù)（即α粒子質量的倍數(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，N＝2）、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具有很低的豐度，屬于強虧損的元素。（6）.而O和Fe呈現(xiàn)明顯的峰，為過剩元素。太陽系元素豐度與元素原子結構及元素形成的整個過程之間存在著某種關系（1）.與元素原子結構的關系。原子核由質子和中子組成，其間既有核力又有庫侖斥力，但中子數(shù)和核子數(shù)比例適當時，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）/質子（P）＝1時，核最穩(wěn)定，為此可以說明4He（Z=2，N＝2）、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，核子傾向成對，它們的自旋力矩相等，而方向相反，量子力學證明，這種核的穩(wěn)定性較大，因而偶數(shù)元素和偶數(shù)同位素在自然界的分布更廣。（2）.與元素形成的整個過程有關。H、He的豐度占主導地位和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（n×106K），可以發(fā)生有原子（H原子核）參加的熱核反應，最初時刻H的“燃燒”產(chǎn)生He，另外在熱核反應過程中Li、Be、B迅速轉變?yōu)镠e的同位素42He，因此太陽系中Li、Be、B等元素豐度偏低可能是恒星熱核反應過程中被消耗掉了的緣故。而O和Fe的豐度異常地高是因為這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系碎片，主要來源于位于火星和木星之間的小行星帶。隕石類型隕石主要是由鎳-鐵合金、結晶硅酸鹽或兩者的混合物所組成，按成分分三類鐵隕石（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8—12km，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種元素的質量占了地球總質量的98%。地殼元素豐度特征1.不均一性(1)地殼中元素的相對平均含量是極不均一的。豐度最大的元素是O為47%，與豐度較小的元素Rn（6x10-16）相差達1017倍，相差十分懸殊。地殼中豐度最大的九種元素O、Si、Al、Fe、CaNa、K、Mg、Ti,占地殼總質量的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)時間上分布的不均一性：隨著地質歷史的發(fā)展，元素的活動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；Fe礦主要產(chǎn)在前寒武紀元古代（前寒武紀變質鐵礦占世界鐵礦儲量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，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--8～12km)主要為偏酸性火成巖、沉積巖；下地殼(8～12km--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,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值反映了地殼物質在分異調整過程中的宏觀趨勢。太陽系：H>He>O>Ne>N>C>Si>Mg>Fe>S地球：Fe>O>Mg>Si>Ni>S>Ca>Al>Co>Na地殼：O>Si>Al>Fe>Ca>Na>K>Mg>Ti>H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)濃度克拉克值=某元素在某一地質體中平均含量/某元素的克拉克值；濃度克拉克值＞1意味該元素在該地質體中集中了；濃度克拉克值＜1意味該元素在該地質體中分散了。區(qū)域濃度克拉克值=某元素在區(qū)域內某一地質體中平均含量/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尺，具有重要的理論和實踐意義。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。自然界元素結合的基本規(guī)律：元素的地球化學親和性。礦物晶體形成或變化過程的類質同象規(guī)律。晶體場理論對過渡元素行為的控制。能斯特定律（微量元素）。親氧性和親硫性1.氧、硫元素的性質差異氧和硫元素的部分化學參數(shù)見教材第57頁表2.1。硫的電負性小于氧（Xs<Xo），而硫的原子半徑大于氧（Rso>Roo）。這樣，硫的外電子聯(lián)系較弱，導致硫受極化程度要比氧大得多。為此，硫傾向形成共價鍵（或配價鍵的給予體）氧傾向形成離子鍵（或部分共價鍵）與硫形成高度共價鍵的元素，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的，部分元素存在著雙重性和過渡性。如下表中的元素同時具有親鐵性和親硫，可有多種結合形式，且各元素間的親合性呈相互過渡。親鐵性增加FeCoNi親硫性增加RuRnPdOsIrPt呈現(xiàn)親鐵性時，以自然金屬狀態(tài)存在呈現(xiàn)親硫性時，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鍵結合，因為它們的價電子不易丟失，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合得愈牢固。類質同象：某種物質在一定的外界條件下結晶時，晶體中的部分構造位置被介質中的其他質點（原子、離子、絡離子或分子）所占據(jù)而只引起晶格常數(shù)的微小改變，晶格構造類型、化學鍵類型、離子正負電荷的平衡保持不變或相近，這種現(xiàn)象稱類質同象?；烊刖w的物質稱為類質同象混入物，含有類質同象混入物的晶體，稱為混晶或固溶體。完全類質同象與有限類質同象完全類質同象晶體化學性質相近的元素之間可按任意比例進行替換而形成固溶體。如橄欖石中的元素Mg和Fe；有限類質同象晶體化學性質差異較大的元素之間發(fā)生類質同象時，因受到晶格構造的限制，替換的比例限于一定的范圍。如元素Mn對橄欖石中Fe和Mg的替換。戈爾德施密特類質同象法則（類質同象規(guī)律）1.若兩種離子電價相同，半徑相似，則半徑較小的離子優(yōu)先進入礦物晶格。2.若兩種離子半徑相似而電價不等，較高價的離子優(yōu)先進入較早結晶的礦物晶體，集中于較早期的礦物中，稱“捕獲”；較低價離子集中于較晚期的礦物中，稱被“容許”。3.隱藏法則：若兩個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立礦物，豐度較低的微量元素將按豐度比例進入主量元素的礦物晶格，即微量元素被主量元素所“隱蔽”。林伍德電負性法則具有較低電負性的離子優(yōu)先進入晶格當陽離子的離子鍵成分不同時，電負性較低的離子形成較高離子鍵成分(鍵強較高)的鍵，他們優(yōu)先被結合進入礦物晶格。晶體化學分散：殘余富集：晶體場理論是一種化學鍵模型理論，它研究處在晶體結構中的過渡族金屬離子，由于受到周圍配位離子電場的作用，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性質(包括存在形式和結合方式)。在晶體場理論中，把過渡金屬周圍的配位體(陰離子和絡陰離子)當作點電荷來對待，作用的本質是靜電場力。爾德施密特地球化學分類（教材第83頁）1、親石元素(SilicateLoving)離子的最外層電子層具有8電子（S2P6）的惰性氣體型的穩(wěn)定結構，與氧容易成鍵，主要集中于硅酸鹽相。2、親銅元素(SulfurLoving)離子的最外層電子層具有18銅型結構（s2p6d10)，在自然界中容易與硫形成化合物，這些元素在分配時，主要分配在硫化物相中。3、親鐵元素(IronLoving)離子最電子層具有8-18過渡型結構，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(GasLoving)原子最外層具有8個電子，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：LargeIonLithophileElements(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。高場強元素Highfieldstrengthelements(HFSE)，半徑較小，電荷較高，容易形成獨立礦物，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階段所處的物理化學狀態(tài)及與其共生元素的結合關系。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、價態(tài)及晶體構造中的配位位置等多方面的物理化學特征固相中元素主要存在形式：1、獨立礦物2、類質同象形式、3、超顯微非結構混入物4、吸附狀態(tài)5、與有機質結合形式元素地球化學遷移:當環(huán)境發(fā)生物理化學條件變化,使元素原來的存在形式變得不穩(wěn)定時,為了與環(huán)境達到新的平衡,元素原來的存在形式自動解體,而結合成一種新的相對穩(wěn)定的方式存在.當元素發(fā)生結合狀態(tài)變化并伴隨有元素的空間位移時,稱元素發(fā)生了地球化學遷移.其過程包括元素的活化(穩(wěn)定態(tài)轉化為非穩(wěn)定態(tài))—轉移（隨遷移介質發(fā)生空間位移）--固定（沉淀或結晶出新礦物)元素的地球化學遷移過程包括了三個進度：元素遷移的標志①礦物組合的變化②巖石中元素含量的系統(tǒng)測定和定量計算③物理化學條件界面水-巖化學作用概念又稱為水巖反應：是指在地質作用過程中，水溶液與礦物巖石間物質成分的相互交換作用的化學反應。水-巖化學作用的基本類型地表條件下的水-巖化學作用有以下主要類型：1氧化-還原反應：2脫水和水解反應水解反應：水電離的H或OH-進入礦物晶格，分別取代其中的陽離子或陰離子，從而使礦物解體形成新礦物。3水合作用4碳酸鹽化和脫碳酸鹽化反應5陽離子交換反應6高溫水-巖反應的其他類型（1）絡合物和絡合反應：絡合物：水溶液中的絡合物是指由兩個或兩個以上能獨立存在的比較簡單的水溶物種組合而成的一種復雜的水溶物中。絡合物是成礦元素在水溶液中的重要存在形式。如W，Sn，Mo的絡合物（教材第100頁）。（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-巖化學作用。（3）鹽效應：當溶液中存在大量的易溶鹽類時，溶液的含鹽度對化合物的溶解度會產(chǎn)生影響，表現(xiàn)為隨溶液中易溶電解質濃度的增大將導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