搜索
中国科学院地球化学研究所《元素地球化学》重点总结：郭敬辉+孙卫东+2012中科大地化试卷第一部分（郭敬辉）1.（燕飞，许志东）如何理解地球化学与化学的关系？答：地球化学就是地球的化学，它是研究地球（广义的也包括部分天体）的化学组成、化学作用及化学演化的学科。它是地学和化学的边缘学科。地球化学着重研究化学元素和其同位素在地球演化历史过程中的分布、迁移的规律，并运用这些规律来解决有关的理论和实际问题。二者研究任务不同：化学主要研究物质的组成、结构和转化等的规律，而地球化学则着重研究地球(包括部分天体)系统内的元素迁移、富集和转化等的规律。工具相似：地球化学以化学学科知识和地学学科知识作为主要的研究工具，在某种程度上，化学和地球化学使用相似的研究手段和方法。地球化学具有化学学科的属性，但并不属于化学学科的范畴。地球化学的定义是：地球化学是研究地球的化学组成、化学作用和化学演化的科学，它是地质学与化学、物理学相结合而产生和发展起来的边缘学科地球化学研究的三大任务是研究地球及部分天体的化学组成，化学作用，化学演化。所以从学科生存和发展发展角度来看，必须要在化学组成，化学作用，化学组成的方面来建立地球化学学科的原理。化学学科是地球化学建立的的。2.（王开元）按照宇宙大爆炸假说，试述宇宙的元素和物质的形成历史。答：宇宙是由一个致密炽热的奇点于137亿年前一次大爆炸后膨胀形成的。宇宙最开始，没有物质只有能量，大爆炸后物质由能量转换而来。在大爆炸发生的几分钟后，宇宙的温度降低到大约十亿开尔文的量级，密度降低到大约空气密度的水平。少数质子和所有中子结合，组成氘和氦的原子核。而大多数质子没有与中子结合，形成了氢的原子核，从此宇宙进入了核合成时代。在大约37.9万年之后，电子和原子核结合成为原子。宇宙进入复合时代，。大爆炸后4亿-5亿年，温度100开。物质粒子开始凝聚，引力逐渐增大，第一批恒星星系形成。随着第一批恒星的形成，原子在恒星的内部发生了核聚变反应，进而出现了氦，碳、氧、镁，铁等元素原子核。元素周期表上所有元素(除人造元素)，都是在恒星大炼炉里形成的。宇宙大爆炸假说是我们研究地球化学的起点。3（王开元）试述：从位于中心的太阳向外，经过类地行星，到类木行星，主要元素组成的变化规律。可以将H/He、亲铁元素、亲石元素、其他特殊元素分别论述。太阳辐射控制了整个星云盘的温度分布，太阳星云中元素的分馏与凝聚，导致了各行星整体化学组成的差异。太阳星云中元素的分馏呈现出以下特征：随着与太阳距离的增加，（1）Fe、Co、Ni等亲铁的组成行星核的元素逐渐减少；（2）早期凝聚的难熔元素，如REE、Ti、V、Th、U、Zr、Hf、Nb、Ta、W、Mo、Re、Pt等逐渐增多；（3）亲石元素逐渐减少；（4）亲铜和碱金属元素，在1~1.5AU范围内有增多的趋势，随后随距离增大丰度减小；（5）H、He等挥发元素与亲气元素逐渐增多3.（王开元，谢鹏）除了H、He等几个轻元素之外，光谱显示的太阳组成与实测(+计算)获得的地球组成极为一致，试析其含义。因为原始太阳星云是由气体和尘粒组成，星际尘粒在围绕“原太阳”旋转过程中相互碰撞、拼合形成星子，最后形成地球。太阳光谱显示的除H、He等几个轻元素外，其他元素组成与地球极为一致，反映地球是由组成太阳的同样物质所形成。H、He等轻元素不一致是因为太阳辐射控制了整个星云盘的温度分布，靠近太阳的部分，H、He等挥发性物质蒸发，被太阳光压和太阳抛射出的物质驱逐出太阳系。4.（王开元，谢鹏，吴燕飞，赵晶晶）太阳系的元素丰度，为什么存在奇偶效应。谢：质子有核自旋。有奇数个质子的核必有质子没有配对，它有俘获另一质子而配对抵消自旋的趋势。配对后的核，也就是原子序数为偶数的核稳定性提高，丰度也会较大。因此，质子数为偶数的核的丰度比相邻的奇数核大。吴+赵：宇宙中轻元素的含量（丰度）比重元素的丰度高，偶数元素的丰度比奇数元素的丰度高，受元素结构影响。因为重元素是轻元素聚合而来，奇数元素是由偶数元素裂变而来。偶数原子的原子核内，核子倾向于于成对，根据量子力学的计算，此时原子核能降低，核稳定性增大，因而这种元素在自然界中的分布较广。在宇宙中，氢元素的出现，引发了核聚变，创造了恒星、超新星和第二代恒星。在这一系列的宇宙演化中，通过氢和氦的聚变生成了大多原子序数为偶数的核子；偶数核子裂变，又生成了大多原子序数为奇数的核子。由于重元素是轻元素聚合而来，奇数元素是由偶数元素裂变而来，因此，毫不奇怪，在宇宙中轻元素的含量（丰度）比晚重元素的丰度高，偶数元素的丰度比奇数元素的丰度。太阳系元素丰度具有显著的特点之一为：原子序数为偶数的元素其丰度值大大高于原子序数为奇数的相邻元素。通过宇宙中元素总体分布规律分析，人们逐渐认识到宇宙中元素的丰度的分布与元素的化学性质无关，主要受到原子核的结构控制。原子核由质子和中子组成，其间既有核力（结合力）又有库伦斥力，当中子数和质子数比例适当时，例如O、Mg、Si、Ca的原子核中具有中子/质子=1，核最稳定，因此这些元素具有较大的元素丰度。随着原子序数的增加，核内中子数的增加速度往往大于质子数，原子核趋于不稳定，故而元素和同位素的丰度降低。偶数元素的原子核内，核子倾向成对，根据量子力学计算，此时原子核能降低，核稳定性增大，因而这种元素在自然界中的分布较广。奇数元素则核稳定性不如偶数元素，所以出现奇偶效应。此外元素的恒星合成过程也决定了元素的丰度大小。例如Li、Be、B作为氢燃烧的一部分而转换成He，造成了宇宙中这部分的元素的亏损。又如O和Fe的丰度异常高是因为这两种元素是氦燃烧的稳定产物。（陈骏，地球化学）注：12Mg破坏了偶数规则，与其自身元素化学性质有关，是地球化学演化的结果。（与前面有所例外）5.（李金翔，赵晶晶）比较原始为什么选择陨石（通常选择球粒陨石）作为地球物质演化（元素和同位素）的起点？答：（1）球粒陨石的化学组成确定太阳系中非挥发性元素的组成和含量。球粒陨石主要由硅酸盐矿物组成，含有细小的圆形球粒，称作陨石球粒。这些球粒是在非平衡条件下，从热的、低密度和部分电离的气体中直接凝聚出来的（Blanderetal.,1969），且只有太空才能满足这样的条件。因此，球粒陨石可能代表着太阳系中各个行星（地球等）的原始母质，从而成为探索太阳系中重元素或非挥发性元素的宝贵样品。对陨石的化学组成研究表明，地球上已知的化学元素在陨石中均有发现。尽管陨石和地球在体积上相差悬殊，但在物质上具有宇宙天体的共性，充分说明陨石与地球物质来源的同源性。（2）球粒陨石中化学元素的组成和太阳大气相比存在明显差别，以丰富的非挥发性元素组合为特征。由于球粒陨石元素丰度值是用化学分析方法获得，因而通常认为球粒陨石的元素丰度比太阳光谱数据更为可靠。现代陨石根据成因分类分为：未分异型和分异型。绝大部分陨石形成于太阳星云的冷凝吸积过程，没有经历后期的熔融分异作用，因此称为未分异型陨石。这些陨石普遍含有一种球粒硅酸盐集合体，故通常称为球粒陨石。与之对应经历分异的陨石为分异型，其根据硅酸盐和金属相的含量划分为无球粒陨石，石-铁陨石与铁陨石三大类。用球粒陨石成分作为地球的初始成分（地球物质演化的起点）是一种假设，因为球粒陨石没有经过分异，是最原始的物质，而且在太阳系刚形成的时候就形成了，有实验显示I型碳质球粒陨石的非挥发性元素的丰度与太阳光谱给出的元素丰度相一致，因此I型碳质球粒陨石被认为是太阳系的最原始物质，没有参与较大星体的凝聚分异过程，可以代表地球初始成分。并且目前也找不到比球粒陨石更好的物质去代表太阳系最初的成分，分异型的陨石都不能反映地球的初始成分。按照行星形成理论，所有后来的物质都是由最原始的物质不断碰撞拼贴增生形成的，只是后来经过了核幔壳的分异，其平均成分和球粒陨石的一样。所以选择球粒陨石作为地球物质演化的起点。6.（李金翔）试述大洋中脊玄武岩（MORB）在地球圈层分异中的意义。答：MORB作为洋壳的主要组成部分，以亏损的K2O、LREE等不相容元素及低的Rb/Sr和87Sr/86Sr初始值为特征，指示了其亏损地幔源区特征。该源区位于地幔的最上部，代表了大陆地壳从地幔分异后的残留物，而MORB正是残留物分熔产生，通过研究MORB的地球化学特征，便于我们研究上部地幔源区特征，更好的反映地球其他圈层（如上下地壳、上下地幔、内外核）特征。比如，根据前人对上部大陆地壳与下部大陆地壳化学成分的对比，指出挥发性元素及强不相容元素富集是上部大陆地壳的特征；超镁铁质上地幔部分熔融形成以英云闪长岩成分为主的原始大陆地壳，英云闪长岩进一步分异形成上、下地壳等等信息。MORB普遍认为是DMM（depletedMORBmantle）地幔端员的部分熔融产物，该地幔端员主要位于上地幔软流圈。同时MORB也是洋壳的主要组成。所以大洋中脊玄武岩MORB的形成代表着大洋地壳与大洋岩石圈地幔分异，同时MORB源区DMM端员代表着地球早期壳幔分异之后的亏损的残留体，即亏损地幔的组成可以通过MORB来反演，所以MORB能反演地球早期圈层分异（壳幔分异）的成分变化以及随后地壳演化分异。(星爷版）：MORB指形成于大洋中脊环境的玄武岩，一般是在较低压力和高温的条件下经高度部分熔融形成，具有轻稀土亏损。MORB属于低钾拉斑玄武岩系列，由10-30%部分熔融形成，部分熔融形成地壳后残余的地幔部分就成了现今的亏损地幔。所以说MORB的形成是造成壳幔分异的主要形式，地幔中Cr、Ni等相容元素越来越富集，不相容元素越来越亏损，而地壳中Al、Si等相对不相容元素越来越富集。在原始地幔中MgO34.97~35.1%，洋壳中为7.7%。MORB的产生是地壳增生的最主要的方式，其次为地幔柱。地壳中大部分是洋壳，而洋壳中最主要的组成物质是玄武岩。洋中脊每年有20多次的火山喷发，新生成2.5km2，1-2km厚，即4km3的新洋壳，岩浆涌出量1.5百亿吨/年。MORB的俯冲也是大陆地壳增生的主要方式，一方面使大陆地壳发生横向增生，另一方面也可使大陆地壳发生垂向增生。俯冲下去的洋壳如果未发生熔融也可再次参加地幔中物的循环。俯冲环境在一定条件下可以使MORB发生熔融产生新的更偏酸性的岩浆，使得地壳向闪长质成分演化，这对于地球圈层的分异具有重要的作用。从地幔超铁镁质成分演化成洋壳的基性成分，再到大陆地壳的中性成分。MORB的形成和演化起了重要的作用。又因为对太古代TTG岩石的最新研究，可能是由于俯冲洋壳熔融形成，那么MORB对古老地球的圈层分异、原始陆壳的形成也起了重要的作用。补充地球的圈层结构：7.（李金翔）地幔和平均大洋地壳的主要组分，找出其中最突出的差别，至少举出三项。答：原始地幔是指地球增生以及核幔分离后，但还没有分离出地壳时的地幔。洋壳相对于原始地幔，主元素变化：（1）SiO2没有变化，（2）K2O，Na2O升高（3）CaO升高，（4）Al2O3升高，（5）FeO升高，（6）MgO降低（一）大洋地壳大洋地壳的研究是通过海洋钻探、海底取样及地球物理等方法对大洋玄武岩、海洋沉积物来进行研究的。洋壳总成分相当于苦橄质玄武岩，它由玄武岩、辉长岩加上不厚的（1～2km）的海洋沉积物构成，具三层结构特征。1.枕状玄武质熔岩，远离洋脊被深海沉积物覆盖。2.由席状岩墙杂岩组成。3.包括辉长岩和超镁铁质岩堆积岩带。堆积岩依托在上地幔橄榄岩之上。莫霍面是洋壳与地幔的地震和岩石学界限。洋中脊玄武岩（MORB）是洋壳的主要组成部分，来自亏损地幔地球化学源区。以亏损的K2O、LREE等不相容元素及低的n(Rb)/n(Sr)值和低的87Sr/86Sr初始值为特征。此外，构成洋壳的还有洋岛玄武岩（OIB），它分布于大洋板块内部的洋岛或洋底台地中。洋岛玄武岩来自富集地幔的地球化学源区，其岩性为一套富轻稀土及不相容元素，碱度较高的碱性玄武岩与拉斑玄武岩组合。（一）原始地幔Anderson（1983）利用球粒陨石中难熔亲石元素比值作为制约条件计算出原始地幔相当于以下5种岩石的混合物：超镁铁质岩（32.6%），平均地壳岩石（0.56%），洋