2025年大學《地球化學》專業(yè)題庫——地殼地質(zhì)過程中的地球化學考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、填空題（每空2分，共20分）1.地殼中含量最高的元素是________，其次是________。2.巖漿分異作用的主要方式包括________和________。3.礦物飽和指數(shù)（SI）是衡量________相對于________相活性的指標。4.穩(wěn)定同位素分餾的主要機制是________的差異。5.K-Ar定年法通常適用于測定________巖的年齡。6.地幔柱成因的巖漿通常具有________的地球化學特征。7.變質(zhì)作用中，流體相的存在可以顯著改變________的反應路徑。8.沉積巖中常見的元素富集層位，如黑色頁巖，通常指示了________的沉積環(huán)境。9.放射性同位素地質(zhì)年齡測定基于________定律。10.地球化學示蹤是指利用________或________的地球化學特征來推斷地質(zhì)體的來源、演化歷史或過程。二、名詞解釋（每題3分，共15分）1.地球化學障2.同位素體系封閉3.礦物-熔體平衡分餾4.穩(wěn)定同位素地球化學障5.地球化學循環(huán)三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述巖漿同化作用對巖漿成分演化的影響。2.簡述沉積物中元素富集的主要地球化學機制。3.簡述Ar-Ar定年法測定礦物年齡的基本原理。4.簡述流體在變質(zhì)作用中的主要作用。四、計算題（每題8分，共16分）1.某地殼樣品的化學分析結(jié)果（單位：wt%）為：SiO258.0,Al2O316.5,FeO4.5,MgO3.5,CaO8.0,Na2O3.0,K2O2.5,TiO21.0,MnO0.1,P2O50.2,MgO/FeO=0.78,A/CNK=0.85。請計算該樣品的陽離子總量，并估算其大致的巖石類型（說明依據(jù)）。2.某鉀長石在封閉體系下發(fā)生衰變，測得其Ar40含量為110Ar40atoms/g，K含量為4000ppm(假設(shè)K=40g/mol)。已知鉀長石的衰變常數(shù)λAr=1.41x10^-11yr^-1。請計算該鉀長石的形成年齡（假設(shè)鉀含量在形成時為4000ppm，衰變過程中Ar40無損失）。五、論述題（每題12分，共24分）1.論述穩(wěn)定同位素（如δ18O,δ13C）在不同地質(zhì)過程（巖漿作用、沉積作用、變質(zhì)作用）中的應用及其原理。2.試述放射性同位素在確定地殼物質(zhì)來源和演化歷史方面的作用，并舉例說明。試卷答案一、填空題1.O；Si2.結(jié)晶分異；分離結(jié)晶3.溶液；礦物4.氣相分壓5.花崗巖6.俯沖帶來源；富集7.變質(zhì)反應8.減速沉降；缺氧9.放射性衰變10.元素；同位素二、名詞解釋1.地球化學障：指能夠阻礙或顯著降低元素或同位素在巖石圈不同圈層之間、或不同相之間遷移擴散的界面或區(qū)域。2.同位素體系封閉：指在一個地質(zhì)系統(tǒng)內(nèi)，同位素之間沒有發(fā)生交換或交換速率極低，使得同位素組成保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)。3.礦物-熔體平衡分餾：指在熱力學平衡條件下，熔體與固體礦物發(fā)生反應，導致元素或同位素在兩相間重新分配，最終達到平衡狀態(tài)，此時熔體和礦物中的元素或同位素比值發(fā)生差異的現(xiàn)象。4.穩(wěn)定同位素地球化學障：類似于地球化學障，但特指阻礙或改變穩(wěn)定同位素分餾或遷移的邊界或機制。5.地球化學循環(huán)：指化學元素在地球各圈層（地殼、地幔、地核、大氣圈、水圈、生物圈）之間以及圈層內(nèi)部進行遷移、轉(zhuǎn)化和循環(huán)的過程。三、簡答題1.簡述巖漿同化作用對巖漿成分演化的影響。解析思路：同化作用是指巖漿在上升或侵位過程中，與圍巖（通常是固態(tài)的）發(fā)生反應，將圍巖部分或全部熔融并混合到巖漿中。其影響主要體現(xiàn)在：①稀釋效應：如果圍巖成分與巖漿差異較大，同化會稀釋巖漿的初始成分，使巖漿整體成分更接近圍巖；②成分改造：如果圍巖成分與巖漿有一定相似性，或者圍巖熔融不徹底，同化會改變巖漿的成分，使其變得更富集某些元素或礦物（如Si,Al,K,Na，但虧損Fe,Mg）；③可能導致巖漿成分復雜化，形成混合巖；④可能改變巖漿的物理化學性質(zhì)，如粘度、密度等。2.簡述沉積物中元素富集的主要地球化學機制。解析思路：沉積物中元素富集通常發(fā)生在特定的沉積環(huán)境和水巖相互作用條件下。主要機制包括：①生物吸附/吸收：某些微生物或生物活動（如骨骼、殼體的形成與分解）可以選擇性地吸附或吸收水體中的元素，導致其在沉積物中富集（如磷、錳、鐵）。②化學沉淀：在特定的水化學條件下（如pH、氧化還原電位、絡(luò)合劑濃度變化），溶液中的某些元素會形成不溶性化合物并從水中沉淀下來，進入沉積物（如碳酸鹽、氫氧化物、硫化物）。③離子交換：沉積物中的粘土礦物等具有較大的比表面積和離子交換能力，可以吸附水中的陽離子，如果水體中該陽離子濃度較高或發(fā)生環(huán)境變化，可能導致其在沉積物中富集。④生物地球化學泵：特定環(huán)境下的生物過程（如光合作用、化學合成）可以將元素從水體轉(zhuǎn)移到沉積物（如氮、硫）。3.簡述Ar-Ar定年法測定礦物年齡的基本原理。解析思路：Ar-Ar定年法利用的是鉀（K）的同位素衰變體系（40K->40Ar*->40Ar）。天然鉀礦石（如黑云母、鉀長石）中同時含有放射性同位素40K和穩(wěn)定的惰性氣體Ar。當?shù)V物處于封閉體系時，放射性40K會衰變產(chǎn)生放射性子體40Ar*，并積聚在礦物晶格中。當?shù)V物受熱（如加熱至數(shù)百攝氏度以上）時，晶格中的Ar（包括衰變產(chǎn)生的Ar*和可能原始就存在的Ar）會因氣體擴散而釋放出來。通過測量加熱不同溫度下釋放出的Ar氣體的總量（總Ar）以及其中Ar39（40K衰變產(chǎn)生的，可通過外標法扣除）和Ar40（包括衰變產(chǎn)生的Ar*和可能原始存在的Ar40）的量，可以繪制Ar-Ar年齡譜（總Ar-39Ar/40Arvs溫度）。譜線的斜率和截距可以用來計算礦物的等效初始Ar40含量和40K的初始衰變年齡。4.簡述流體在變質(zhì)作用中的主要作用。解析思路：流體（主要是水溶液，有時也包括CO2、CH4等）在變質(zhì)作用中扮演著極其重要的角色，其作用主要體現(xiàn)在：①降低礦物的穩(wěn)定性：流體通常含有溶解的H+、OH-、HCO3-等離子，可以顯著降低礦物的穩(wěn)定礦物組合域，使得在相對較低的溫度和壓力條件下發(fā)生礦物轉(zhuǎn)變（如綠片巖相變）；②作為反應介質(zhì)：流體作為反應物和產(chǎn)物搬運的載體，極大地促進了變質(zhì)反應的進行，使得反應速率遠高于干系（無流體）條件下的反應速率；③改變反應路徑：流體的加入可以使得某些反應（如陽離子交換反應）成為可能，或者改變原有的反應平衡常數(shù)和反應路徑，導致形成不同于干系條件下預期的礦物組合；④促進元素遷移和分異：流體是元素在變質(zhì)區(qū)內(nèi)甚至不同變質(zhì)帶間遷移的主要載體，導致了元素在空間上的重新分布和富集/虧損，是形成某些特殊變質(zhì)礦物（如綠泥石、綠簾石、鉀長石）和元素異常（如W、Sn、U、F、B的遷移富集）的關(guān)鍵因素；⑤影響同位素分餾：流體與礦物之間的相互作用會導致同位素分餾，利用流體同位素（如δD,δ18O）可以示蹤流體的來源和演化。四、計算題1.某地殼樣品的化學分析結(jié)果（單位：wt%）為：SiO258.0,Al2O316.5,FeO4.5,MgO3.5,CaO8.0,Na2O3.0,K2O2.5,TiO21.0,MnO0.1,P2O50.2,MgO/FeO=0.78,A/CNK=0.85。請計算該樣品的陽離子總量，并估算其大致的巖石類型（說明依據(jù)）。解析思路：計算陽離子總量通常采用將所有陽離子（包括主要陽離子和次要陽離子）換算為氧化物的形式，并乘以相應的化學計量系數(shù)，然后求和。具體步驟如下：*換算為氧化態(tài)陽離子：Na2O->Na2O,MgO->MgO,Al2O3->Al2O3,K2O->K2O,CaO->CaO,FeO->FeO。*計算各陽離子的摩爾數(shù)（假設(shè)樣品質(zhì)量為100g）：n(Na2O)=58.0/(2*23+16)=1.398moln(MgO)=3.5/(24.3+16)=0.110moln(Al2O3)=16.5/(2*27+3*16)=0.255moln(K2O)=2.5/(2*39+16)=0.0315moln(CaO)=8.0/(40+16)=0.133moln(FeO)=4.5/(55.8+16)=0.0689mol*計算各陽離子的摩爾質(zhì)量：M(Na2O)=2*23+16=62g/molM(MgO)=24.3+16=40.3g/molM(Al2O3)=2*27+3*16=102g/molM(K2O)=2*39+16=94g/molM(CaO)=40+16=56g/molM(FeO)=55.8+16=71.8g/mol*計算各陽離子的質(zhì)量：m(Na2O)=1.398*62=86.77gm(MgO)=0.110*40.3=4.43gm(Al2O3)=0.255*102=26.11gm(K2O)=0.0315*94=2.97gm(CaO)=0.133*56=7.45gm(FeO)=0.0689*71.8=4.93g*計算陽離子總量（MTotal）：MTotal=m(Na2O)+m(MgO)+m(Al2O3)+m(K2O)+m(CaO)+m(FeO)MTotal=86.77+4.43+26.11+2.97+7.45+4.93=133.66g（注：在實際計算中，通常會保留更多小數(shù)位，這里簡化了。更常用的方法是直接用陽離子系數(shù)法，陽離子系數(shù)分別為：Na=2,Mg=1,Al=2,K=1,Ca=1。計算時需將各氧化物含量乘以其系數(shù)再求和。按此法計算：2*58.0+1*3.5+2*16.5+1*2.5+1*8.0+1*4.5=116+3.5+33+2.5+8+4.5=167.5。之前的換算方法或存在錯誤，或未考慮所有陽離子。此處采用系數(shù)法估算總量為167.5。）*修正后計算思路：陽離子總量常通過氧化物含量乘以化學式量系數(shù)估算。系數(shù)為：Na=2,Mg=1,Al=2,K=1,Ca=1,Fe=1。計算如下：2*58.0+1*3.5+2*16.5+1*2.5+1*8.0+1*4.5=116+3.5+33+2.5+8+4.5=167.5。*假設(shè)樣品總質(zhì)量為100g，則陽離子總量為167.5%。*估算巖石類型依據(jù)：該樣品A/CNK=0.85(Al/(Na+K)*(Ca+Mg+Fe)=16.5/(3+2.5)*(8+3.5+4.5)=16.5/5.5*16.5≈4.95/16.5≈0.3)。A/CNK<1.0，屬于鋁過飽和系列。陽離子總量較高（167.5%）。結(jié)合SiO2含量（58.0%，屬于鈣堿性系列范圍），可以初步判斷該樣品可能屬于鈣堿性系列火山巖或侵入巖的成分范圍，具體類型需結(jié)合其原始巖漿成分和演化路徑判斷。可能為閃長巖、安山巖或其相關(guān)的巖漿巖。2.某鉀長石在封閉體系下發(fā)生衰變，測得其Ar40含量為110Ar40atoms/g，K含量為4000ppm(假設(shè)K=40g/mol)。已知鉀長石的衰變常數(shù)λAr=1.41x10^-11yr^-1。請計算該鉀長石的形成年齡（假設(shè)鉀含量在形成時為4000ppm，衰變過程中Ar40無損失）。解析思路：計算鉀長石的形成年齡（t）需要利用放射性衰變公式。首先，需要計算鉀長石中的40K原子數(shù)。樣品中鉀含量為4000ppm，即4000mg/kg或4g/100g樣品。假設(shè)樣品質(zhì)量為1g（方便計算），則樣品中K的質(zhì)量為0.004g。鉀的摩爾質(zhì)量為40g/mol，所以樣品中K的摩爾數(shù)為：n(K)=0.004g/40g/mol=0.0001mol。由于K的原子量為40，所以樣品中K的原子數(shù)為：N(K)=0.0001mol*6.022x10^23atoms/mol=6.022x10^20atoms。假設(shè)樣品初始時刻處于封閉狀態(tài)，且所有40K都衰變形成了40Ar*。那么，樣品中初始形成的40Ar*原子數(shù)N0等于樣品中40K的原子數(shù)N(K)。根據(jù)放射性衰變公式：N(t)=N0*e^(-λt)，其中N(t)是當前時刻的40Ar*原子數(shù)（110atoms/g，假設(shè)樣品質(zhì)量為1g，即110atoms），N0是初始時刻的40Ar*原子數(shù)（6.022x10^20atoms），λ是衰變常數(shù)（1.41x10^-11yr^-1），t是時間（即形成年齡）。將數(shù)值代入公式：110=(6.022x10^20)*e^(-1.41x10^-11*t)。求解t：e^(-1.41x10^-11*t)=110/(6.022x10^20)。取自然對數(shù)：-1.41x10^-11*t=ln(110/(6.022x10^20))。計算ln值：ln(110/(6.022x10^20))≈ln(1.833x10^-19)≈-90.66。所以：-1.41x10^-11*t=-90.66。t=90.66/(1.41x10^-11)≈6.42x10^12years。*修正計算：使用衰變公式N(t)=N0*e^(-λt)，其中N(t)是當前Ar40數(shù)量，N0是初始Ar40數(shù)量（即初始40K數(shù)量），λ是衰變常數(shù)。假設(shè)初始40K全部衰變，則N0=N(K)。N(K)=4000ppm*(6.022e23/40g/mol)/1g=4000*(6.022e23/40)=6.022e21atoms。N(t)=110atoms。λ=1.41e-11yr^-1。代入公式：110=6.022e21*e^(-1.41e-11*t)。e^(-1.41e-11*t)=110/6.022e21。取對數(shù)：-1.41e-11*t=ln(110/6.022e21)。計算t：t=-ln(110/6.022e21)/(1.41e-11)。t≈4.62e10years。五、論述題1.論述穩(wěn)定同位素（如δ18O,δ13C）在不同地質(zhì)過程（巖漿作用、沉積作用、變質(zhì)作用）中的應用及其原理。解析思路：穩(wěn)定同位素由于在核反應中不發(fā)生改變，但在物理化學過程中會根據(jù)溫度、壓力、相態(tài)以及參與反應物質(zhì)的同位素豐度發(fā)生分餾，因此成為示蹤地質(zhì)過程的重要工具。*巖漿作用中的應用與原理：巖漿的形成、分異和演化過程伴隨著溫度、壓力和成分的變化，導致同位素分餾。例如：①巖漿來源判別：不同來源的巖漿具有不同的初始同位素組成。如板內(nèi)巖漿通常具有較高的δ18O，俯沖帶來源的巖漿則可能因含水礦物脫水而具有較高的δ18O。②巖漿分異：巖漿結(jié)晶分異過程中，早期結(jié)晶的礦物（如橄欖石、輝石）傾向于富集輕同位素，而晚期結(jié)晶的礦物（如鉀長石、石英）富集重同位素，可以通過分析不同礦物或巖漿演化階段樣品的同位素組成來追蹤巖漿分異過程。③巖漿混合：不同來源或不同演化階段的巖漿發(fā)生混合時，混合后巖漿的同位素組成介于兩種原始巖漿之間，通過分析混合巖的同位素組成可以約束混合比例和原始巖漿的組成。原理是基于同位素分餾與溫度（如Δ18O=a*(1000/T-5.5)）和相平衡的關(guān)系。*沉積作用中的應用與原理：沉積物的形成過程（如沉淀、吸附、生物作用）同樣存在同位素分餾。例如：①沉積環(huán)境判別：不同沉積環(huán)境的水體具有不同的同位素組成。如δ18O和δ13C可以區(qū)分海相、湖相、河相沉積物，以及指示沉積環(huán)境的氧化還原條件（如有機質(zhì)氧化消耗H和C同位素）。②古氣候重建：海洋沉積物中的氧同位素（δ18O）記錄了當時表層海水的溫度信息，通過分析不同深度沉積物的δ18O變化可以重建古氣候變遷歷史。原理是基于水-巖/水-氣交換過程中的同位素分餾，受溫度和物相變化控制。*變質(zhì)作用中的應用與原理：變質(zhì)作用中，礦物轉(zhuǎn)變和流體流動導致同位素分餾和重排。例如：①變質(zhì)溫度測定：某些礦物對溫度敏感，其同位素組成（如Ar-Ar年齡譜、氧同位素分餾）可以用來估算變質(zhì)作用的溫度范圍。②變質(zhì)相系確定：不同變質(zhì)相系具有特征性的礦物組合和同位素組成。③流體-巖石相互作用：變質(zhì)流體可以攜帶同位素，并與固態(tài)礦物發(fā)生交換，導致礦物和流體的同位素組成發(fā)生變化，通過分析可以示蹤流體的來源和演化，以及判斷變質(zhì)作用的性質(zhì)（如有無流體參與）。原理是基于礦物-流體之間的同位素交換分餾，受溫度、壓力、流體成分和反應平衡控制。2.試述放射性同位素在確定地殼物質(zhì)來源和演化歷史方面的作用，并舉例說明。解析思路：放射性同位素由于其特定的衰變規(guī)律（半衰期）和衰變產(chǎn)生的特征子體（通常是惰性氣體或發(fā)生核反應產(chǎn)生新元素），在地殼物質(zhì)來源和演化歷史的研究中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，主要利用其地質(zhì)年齡測定和同位素示蹤功