地球化學(xué)作業(yè)習(xí)題(含答案).doc

地球化學(xué)作業(yè)習(xí)題1、 為什么硅酸鹽礦物中K的配位數(shù)經(jīng)常比Na的配位數(shù)大？答： K和Na都屬于堿性元素，其離子半徑分別為：1.38A和1.02A(Krauskopf et al,1995)或1.59和1.24A(Gill,1996)。以與陰離子O2-結(jié)合為例，O2-離子半徑1.40A(Krauskopf et al,1995)或1.32(Gill,1996),根據(jù)陽離子與氧離子半徑比值與配位數(shù)關(guān)系，K+/O2-0.9857, Na+/O2-=0.7286，由于等大球周圍有12個(gè)球，而在離子晶體中，隨陽離子半徑的較小，為達(dá)到緊密接觸，因此配位數(shù)也要減少，因此，在硅酸鹽礦物中K的配位數(shù)經(jīng)常比Na的配位數(shù)大，前者與氧的配位數(shù)為8，12，而后者為6,8。2、 Zn2+和Mg2+的離子半徑相近，但在天然礦物中，前者經(jīng)常呈四面體配位，后者則常呈八面體配位，為什么？答：這是由于二者地球化學(xué)親和性差異造成的，Mg2+離子半徑0.72A，Zn2+離子半徑0.70A，二者離子半徑相近，但是前者的電負(fù)性為1.2,后者電負(fù)性為1.7，在與氧形成的化學(xué)鍵中，前者71%為離子鍵成分，后者離子鍵成分僅為63%。前者易于親氧，后者則是典型的親硫元素。根據(jù)確定配位數(shù)的原則，Zn2+/S2-0.41(Krauskopf et al,1995)，因此閃鋅礦形成典型的四面體配位，而后者M(jìn)g2+/O2-=0.51，因此呈八面體配位。林伍德電負(fù)性法則-具有較低電負(fù)性的離子優(yōu)先進(jìn)入晶格當(dāng)陽離子的離子鍵成分不同時(shí)，電負(fù)性較低的離子形成較高離子鍵成分(鍵強(qiáng)較高)的鍵，它們優(yōu)先被結(jié)合進(jìn)入礦物晶格，而電負(fù)性較高的離子則晚進(jìn)入礦物晶格。例如，Zn2+的電負(fù)性為857.7kJ/mol，F(xiàn)e2+的電負(fù)性為774 kJ/mol，而Mg2+的電負(fù)性為732 kJ/mol，用林伍德法則判斷，三個(gè)元素中Mg2+和Fe2+優(yōu)先進(jìn)入晶格組成鎂鐵硅酸鹽，Zn2+則很難進(jìn)入早期結(jié)晶的硅酸鹽晶格，這與地質(zhì)事實(shí)十分吻合。電負(fù)性決定了元素之間相互化合時(shí)的化學(xué)鍵性，因此可以用電負(fù)性大小來衡量離子鍵的強(qiáng)弱，由此判斷元素進(jìn)入礦物晶格的先后順序。Zn2+(0.083nm)與Mg2+(0.078nm)、Fe2+(0.083nm)的離子性質(zhì)很相似，若按戈氏法則從相互置換質(zhì)點(diǎn)間的電價(jià)和半經(jīng)的角度進(jìn)行判斷，Zn2+應(yīng)于早期進(jìn)入鐵鎂硅酸鹽晶格。由于Zn2+的電負(fù)性較大，化合時(shí)共價(jià)鍵性較強(qiáng)，難于以類質(zhì)同象方式進(jìn)入Fe2+和Mg2+結(jié)晶礦物中，Zn2+往往在硅酸鹽熔體晚期結(jié)晶形成ZnSiO4(硅鋅礦)和Zn4Si2O7OH2.2H2O）(異極礦)等礦物。林伍德電負(fù)性法則更適合于非離子鍵性的化合物。3、 指出下列微量元素經(jīng)常會(huì)類質(zhì)同象替代硅酸鹽礦物結(jié)構(gòu)中的哪種主要元素：(1)Rb,(2)Sr,(3)Ga,(4)Ti,(5)Li,(6)Ba,(7)Ge,(8)REE,(9)Pb,(10)Ni,(11)Mn.答：(1)K,(2)Ca,(3)Al,(4)Mg,Fe,Al,(5)Mg,(6)K,(7)Si,(8)Ca,(9)K,(10)Mg,(11)Mg,Fe.4. 下列礦物鍵的類型是什么?(1)所有鍵都是離子鍵;(2)所有鍵都是共價(jià)鍵;(3)部分鍵為離子鍵,部分為共價(jià)鍵:(a)磷灰石;(b)黃銅礦;(c)螢石;(d)自然砷;(e)尖晶石(a) 離子鍵，共價(jià)鍵；(b)共價(jià)鍵；(c)離子鍵；(d)共價(jià)鍵；(e)離子鍵。(b)討論題1、 為什么堿性長石(鈉長石、正長石、微斜長石)之間可以形成共生結(jié)構(gòu)(條紋長石或反條紋長石)，而在斜長石中卻不能？答：這與K和Na的化學(xué)性質(zhì)有關(guān)。二者的離子半徑分別為：1.38A和1.02A(Krauskopf et al,1995)，因此離子半徑差>15%，因此二者的類質(zhì)同象替代為高溫下形成完全類質(zhì)同象,低溫時(shí)形成不完全類質(zhì)同象,固溶體發(fā)生分解。實(shí)驗(yàn)表明(Krauskopf et al,1995)，二者的溶離線臨界溫度約為700，在此溫度之上，KAlSi3O8與NaAlSi3O8二者呈完全類質(zhì)同象，形成完全的固溶體系列，一旦溫度降低至溶離線臨界溫度之下，類質(zhì)同象混合物發(fā)生分離出溶，形成熟知的富K和富Na長石的條紋或反條紋長石，條紋長石以鉀長石為主含有少量鈉長石的條紋，反條紋長石則以鈉長石為主含有少量鉀長石的條紋。而斜長石可以認(rèn)為是一種異價(jià)類質(zhì)同象的連續(xù)系列，因此不會(huì)形成交生結(jié)構(gòu)。2、 為什么結(jié)構(gòu)與硅酸鹽類似的碳酸鹽沒有形成種類復(fù)雜的碳酸鹽礦物？（Krauskopf et al.,1995）答：構(gòu)成硅酸鹽的主要元素Si是一種非金屬元素它組成SiO44-四面體，如形成橄欖石Mg2SiO4，其特征更由Mg2+和CO32組成的菱鎂礦，這樣看，其結(jié)構(gòu)化學(xué)并不比硫酸鹽中的S、磷酸鹽中的P和碳酸鹽中的C更復(fù)雜。那么為什么這種特殊的非金屬元素形成的礦物種數(shù)達(dá)800余種，而碳酸鹽礦物只有80余種？要點(diǎn)：(1) 雖然Si是非金屬元素，但其性質(zhì)確處在非金屬和金屬之間。如同Al、Mg等元素一樣，Si也可以與O離子連接在一起，形成石英等礦物，又如同C和S等非金屬元素形成由自身構(gòu)成的揮發(fā)組分的氧化物，Si不能形成揮發(fā)組分化合物，但它確實(shí)具有非金屬的行為，以簡單陽離子的形式進(jìn)入橄欖石的晶格。Si的這種雙重性可以說明自然界硅酸鹽結(jié)構(gòu)的多樣性。(2)從Si元素化學(xué)性質(zhì)上分析。Si4+的大小處在最小的金屬離子Ti4+和Al3+和最大的多價(jià)態(tài)非金屬離子(P5+和S6+)之間。如果Si離子小，能夠更有效極化氧離子使其變形并繞其緊密接觸，形成含自身元素的分子或陰離子。如果Si更大，對氧的吸引力減弱，在金屬氧化物晶體的格架中形成各自獨(dú)立的單元。這種中間大小的特征使得Si在晶體結(jié)構(gòu)中具有履行任何功能的作用。(3)在硅酸鹽中Si離子總是被四面體角頂?shù)难蹼x子包圍，這種四面體可以是獨(dú)立的陰離子，也可以以各種方式聯(lián)系在一起。這種聯(lián)系就意味著在特定四面體中一個(gè)或多個(gè)氧也是鄰近四面體的組成部分，由這種連接就構(gòu)成了多種多樣可能的硅酸鹽結(jié)構(gòu)。包括：獨(dú)立四面體結(jié)構(gòu)島狀硅酸鹽如橄欖石，多四面體結(jié)構(gòu)礦物。26個(gè)四面體連接在一起形成大的獨(dú)立陰離子雙島狀硅酸鹽礦物，如異極礦Zn4Si2O7(OH)2H2O等，環(huán)狀硅酸鹽礦物綠拄石等，鏈狀硅酸鹽單鏈和雙鏈硅酸鹽礦物，層狀硅酸鹽、架狀硅酸鹽等等。1、 據(jù)研究，23.5億年前的新太古代-古元古代，大氣幾乎完全由CO2構(gòu)成，PCO21bar。試根據(jù)自然水中CO2的電離平衡計(jì)算當(dāng)時(shí)雨水的pH值。設(shè)當(dāng)時(shí)pCO21,可以計(jì)算得雨水的pH=3.95。2、 夏天和冬天相比，河水中的pH值是升高還是降低？為什么？白天和夜晚相比，湖水的pH值是升高還是降低？為什么？(6分)答：夏天植物的光合作用比冬天更強(qiáng)，據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程: H2O+CO2H2CO3HCO3-+H+,溶解在水中的CO2被植物吸收，導(dǎo)致水中H離子濃度降低，因此夏天水中pH值升高。白天植物的光合作用吸收CO2，使得水中的pH值增大，而在夜晚植物和動(dòng)物的呼吸產(chǎn)生CO2，CO2因此夜晚湖水中的pH值減小(Krauskopf et al.,1995)。3、 1)與大氣氧相平衡的水(PO2=0.21atm)，如果它的pH值為6，計(jì)算它的的氧化還原電位Eh值；(2)如果水的pH=7,Eh=+0.2V，求水的氧逸度。4、 當(dāng)以下每種物質(zhì)形成時(shí)，其氧化電位是高還是低？(1) 隕石；(2)煤；(3)沉積錳礦床；(4)釩鉀鈾礦；(5)頁巖中的黃鐵礦。高，低，高，高，低。(問題來源：Brownlow,1996)5、 標(biāo)出以下環(huán)境pH值的大小順序：熱帶地區(qū)海水，死谷(Death Valley)的季節(jié)性干鹽湖水，太湖水，含有豐富黃鐵礦的片巖出露區(qū)的溪水，加拿大北部沼澤水。答：pH值由大到小的順序：死谷的季節(jié)性干鹽湖水熱帶地區(qū)海水太湖水加拿大北部沼澤水含有豐富黃鐵礦的片巖出露區(qū)的溪水(Krauskopf et al.,1995)。6、 根據(jù)氧化還原電位回答，為什么鉑、金在自然界往往以自然元素形式存在？答：Pt和的氧化還原電位都很高：Pt2+2ePt EO=1.2伏； Au3+3eAu EO=1.51伏這樣高的EO，(1) 電對中氧化劑物質(zhì)Pt2+和Au3+是一個(gè)很強(qiáng)的氧化劑，很容易獲得電子形成自然Pt和Au。如在硫化礦床的膠結(jié)帶或次生富集帶有一部分自然金的形成就是Au3+被Fe2+還原的結(jié)果：Au3+3Fe2+=Au+3Fe3+.(2) 電對中還原形物質(zhì)Pt和Au是一個(gè)很弱的還原劑，很難失去電子成為金屬陽離子，氧化Pt和Au只有在較高的Eh下才有可能。而在自然界甚至在含有游離氧的氧化帶也很難達(dá)到。所以在通常情況下Pt和Au很穩(wěn)定，多以自然元素形式存在。由于以上原因，金在自然界一般很難以簡單離子進(jìn)行遷移。通常認(rèn)為，除了在水溶液中金可能被還原為單質(zhì)而以膠體溶液的形式遷移外，在熱液中金可能以絡(luò)離子形式進(jìn)行遷移，因?yàn)榻j(luò)離子的形成可以大大降低金的氧化還原電位，例如：Au3+3eAu EO=1.5伏 AuCl4-+3e=Au+4Cl- EO=1.00伏由此可見在含有某些絡(luò)合配位體(Cl-,S2-等)的熱液中，金可能形成絡(luò)離子。但是這些絡(luò)離子只能在一定條件下(如在局部情況下Eh較高的熱液中)穩(wěn)定，遇到還原劑很容易分解為自然金。AuCl4-+3Fe2+=Au+3Fe3+4Cl-AuS33-+3Fe2+=Au+3Fe3+3S2-1、為什么微跡元素在地質(zhì)作用過程中的分配可以用能斯特分配系數(shù)進(jìn)行研究？2、如何確定相容元素與不相容元素？其研究意義何在？3、如何編制稀土元素配分曲線？常用哪些指標(biāo)描述稀土元素分布特征？4、自然界許多地質(zhì)作用是否存在稀土元素四分組效應(yīng)？其形成的原因是什么？5、在稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化圖解中，與其它稀土元素相比Eu和Ce經(jīng)常出現(xiàn)特殊的異常。為什么？什么樣的情況下，這種異常非常會(huì)變的非常突出？答：與其他REE元素都呈3價(jià)態(tài)不同，Eu和Ce分別可以呈2和3價(jià)和3價(jià)和4價(jià)。由于離子半徑相近，Eu2+可以置換Pb2+,Ca2+，Sr2+以及Na+。二者在氧化還原條件下就會(huì)呈現(xiàn)與其它REE元素不同的分配情況，如在還原的月球上，具有負(fù)Eu異常玄武巖與正Eu異常輝長質(zhì)斜長巖REE模式，兩種巖石都是具有特高Eu2+/Eu3+比值(還原條件下)的月球火成巖。玄武巖來自月海地區(qū)(mare basalt),輝長質(zhì)斜長巖來自月球高原，前者因斜長石分離結(jié)晶虧損Eu,后者則因斜長石堆積富集Eu。此外，由于大量斜長石的晶出導(dǎo)致殘余熔體出現(xiàn)明顯的Eu負(fù)異常，這是堿性巖和酸性巖的特征。而對于Ce來說，Ce4+比Ce3+離子半徑小15%，Ce4+的離子半徑(8次配位)為0.97A,Mn2+的離子半徑(8次配位)為0.96A，因此可以類質(zhì)同象替代Mn。在海水的Eh-pH條件下Ce主要以Ce4+形式存在，該價(jià)態(tài)的Ce溶解度很小，住留期只有50a，形成難溶的氫氧化物絡(luò)合物，因此海水強(qiáng)烈虧損Ce,而錳結(jié)核中由于以MnO2為主，Ce(OH)4與Mn共沉淀，因此形成Ce的正異常。習(xí)題1、 分別應(yīng)用巖漿分離結(jié)晶過程和批次熔融過程元素分配演化的定量模型，選擇相容元素和不相容元素計(jì)算它們在高熔融度(F>0.9)和低熔融度(F<0.1)時(shí)的濃度變化，并對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比。下述元素比值一般在鎂鐵質(zhì)巖石中高還是在長英質(zhì)巖石中更高，為什么？Rb/Sr、Sr/Ba、B/Mn、Li/Mg、Pb/Rb、Cr/Al、Y/Ca、La/Yb。鎂鐵質(zhì)巖石中高的元素對比值：Sr/Ba、Pb/Rb、Cr/Al，其余為長英質(zhì)巖石中高的元素對比值：Rb/Sr、B/Mn、Li/Mg、Y/Ca、La/Yb（Krauskopf et al.,1995）。2、 下述元素比值一般在蒸發(fā)巖中高還是在頁巖中高，為什么？Ca/Ba、Si/Na、K/Rb、Mg/Mn。蒸發(fā)巖中高的元素對比值：Ca/Ba、K/Rb、Mg/Mn；頁巖中高的元素對比值：Si/Na。（Krauskopf et al.,1995）。3、 分析對比花崗巖、頁巖、斜長石和石榴子石的REE分配系數(shù)-原子序數(shù)圖解。它們各自有哪些特點(diǎn)？這些巖石、礦物的REE分布模式之間有何關(guān)系？為什么？答：典型花崗巖(一般稱為二長花崗巖和鉀長花崗巖)一般相對富集HREE，具有明顯的Eu負(fù)異常，Eu<0.5。頁巖是漫長地質(zhì)時(shí)間由形成的火成巖和沉積巖反復(fù)分異而形成，因此具有與花崗巖和流紋巖類似的REE配分模式，一般具有弱的Eu負(fù)異常。石榴子石的礦物/熔體分配系數(shù)呈現(xiàn)特征的礦物中富集重稀土元素，虧損輕稀土元素。而斜長石的礦物/熔體分配系數(shù)表明相對富集輕稀土元素，且具有明顯的Eu的正異常，即斜長石明顯富集Eu，這與Eu2+類質(zhì)同象替代斜長石中的Ca2+有關(guān)。因此花崗巖的Eu負(fù)異常與斜長石的早期晶出有關(guān)。4、 多數(shù)稀土元素在花崗巖中比在玄武巖中更為豐富，但是Eu卻在玄武巖中更為豐富，為什么？答：大多數(shù)稀土元素都是呈3價(jià)出現(xiàn)，而Eu是變價(jià)元素，有2和3兩個(gè)價(jià)態(tài)，Eu2與Ca2的離子半經(jīng)比較接近，可以置換斜長石中的Ca，因此與大多數(shù)稀土元素在花崗巖中比在玄武巖中更為豐富不同，Eu在斜長石含量較高的玄武巖中更為豐富。5、 為什么U、Th在花崗巖中比在超基性巖中更為豐富？答：這與U、Th的離子半徑和類質(zhì)同象置換有關(guān)。U和Th的離子半徑較大，U4+(6次配位)為0.97A,U6+(6次配位)為0.80A,Th3+(6次配位)為1.14A,Th4+(6次配位)為1.02A，因此二者不能進(jìn)入早期結(jié)晶的鎂鐵礦物中，而富集在淡色的殘余巖漿內(nèi)。U4+廣泛地與Th4+,Zr4+,REE3+以及Ca2+呈類質(zhì)同象置換6次配位)。思考題1. 根據(jù)作用的性質(zhì)和條件，自然界穩(wěn)定同位素的分餾作用可分為幾類？引起各種分餾作用的原因及其特征是什么？2. 放射性同位素衰變具有哪些不同于一般化學(xué)反應(yīng)的性質(zhì)？試述放射性同位素蝕變定律。3. Rb-Sr等時(shí)線測年的基本原理是什么？影響等時(shí)線年齡可靠性的主要因素是什么？4. Sr和Nb同位素如何用于進(jìn)行地球化學(xué)示蹤作用？5. 根據(jù)水的H、O同位素組成，自然界的水可以分為哪幾類？每一類的H、O同位素特征如何？習(xí)題 1、使用Sm-Nd法對巖石定年時(shí)，只有當(dāng)巖石中礦物的147Sm/144Nd比值具有較大差異時(shí)才能獲得最佳的年齡結(jié)果，為什么？ 2、假定下圖是一個(gè)巖漿巖的同位素分析所獲得的結(jié)果，請問圖中點(diǎn)A、B、C、D所代表的意義？3、下列巖漿巖： 形成過程中僅與巖漿水發(fā)生了相互作用； 形成過程中廣泛地與大氣降水發(fā)生了相互作用。試回答哪一種巖漿巖D/H比值和18O/16O比值更高？(6分)。答：形成過程中僅與巖漿水發(fā)生了相互作用的巖漿巖D/H比值和18O/16O比值更高。1、 對灰?guī)r樣品進(jìn)行18O/16O比值分析以確定巖石的形成溫度，結(jié)果數(shù)值可以分為兩組，一組18O/16O比值高，另一組18O/16O比值低。試問哪一組巖石即富18O的巖石還是貧18O的巖石最有可能保留巖石最初的同位素組成？ 答：沉積后沉積巖的蝕變作用通常會(huì)引起18O/16O比值降低，這是由于引起蝕變作用的水一般至少含有一些地下水，這種水的18O含量一般比海水18O值低。2、 下列巖石進(jìn)行放射性同位素定年那種同位素定年方法最為合適？ 前寒武紀(jì)花崗巖； 含有碳化木碎屑的早第三紀(jì)頁巖； 早古生代蒸發(fā)鹽礦床； 元古代玄武巖； 一塊史前印地安人營火堆中的木炭； 在花崗巖接觸帶上變質(zhì)巖中的石榴子石-輝石矽卡巖。為什么？3、 研究表明，巖漿巖和變質(zhì)巖中的不同礦物具有不同的18O/16O比值，例如巖漿巖中石英一般比鉀長石具有更高的18O/16O比值，試闡明控制礦物18O/16O比值大小的原因是什么？答：根據(jù)同位素理論，氧與陽離子的鍵強(qiáng)控制了礦物的18O/16O比值，一般18O富集于與氧形成更強(qiáng)鍵的礦物中。硅酸鹽中硅氧鍵的鍵強(qiáng)比鋁氧鍵強(qiáng)大，因此石英中的18O要比鉀長石更大。7. 何為同位素分餾系數(shù)？答：達(dá)到同位素交換平衡時(shí)，共存相間同位素相對豐度的比值為一常數(shù)，稱為分餾系數(shù)：。式中：R為相對同位素豐度，A和B分別代表含有相同元素的兩種分子，如CO32和H2O。1為輕同位素，2為重同位素。討論題 1、試分析討論元素地球化學(xué)分異與同位素分餾之間的異同。 2、在選擇是用于同位素定年還是用于同位素示蹤兩種不同目的時(shí)，對同一種放射性元素的同位素母體/子體比值而言，在樣品的選擇上要注意什么問題。即是選擇母體/子體比值高還是低的礦物？為什么？3、寫出結(jié)晶分異(瑞利分餾)過程中控制微跡分配行為的定量模型公式，并繪制隨F值減小、分配系數(shù)分別為0.01，1和10時(shí)微跡元素在殘余巖漿與初始巖漿中濃度比值的演化曲線圖解。