【地化考研考博試題】09答案

A下列題目任選5題，每題20分：一、解釋概念：克拉克值； 濃度克拉克值； 濃集系數(shù)。試述克拉克值研究的地球化學意義。答：意義：1. 大陸地殼化學組成-克拉克值對于殼幔分異具有指示作用-相容與不相容元素。由于大陸地殼是原始地幔部分熔融形成的，因此將大陸地殼的元素豐度對原始地幔標準化后的比值可以定量衡量元素的相容性。比值越大者，元素相容性越小，相對于地幔在大陸地殼中越富集。可見大陸地殼和代表貧化地幔的MORB在組成上呈很好的互補性，CsMo不相容性較強的元素表現(xiàn)得尤為清楚?；舴蚵M一步用部分熔融兩階段模型定量證明了圖示的元素分布關系：第一階段原始地幔通過1.6%部分熔融產(chǎn)生大陸地殼，第二階段地幔通過810%部分熔融產(chǎn)生大洋地殼。2. 克拉克值影響元素參加地球化學過程的濃度(強度)，從而支配元素地球化學行為；3. 自然界元素形成礦物的數(shù)目受克拉克值制約；4. 元素克拉克值是影響元素遷移和集中、分散等地球化學行為的重要因素；5. 克拉克值是進行礦產(chǎn)資源評價的重要指標（答出4個要點即可）。二、試論元素在地球固相中的主要賦存形式。三、何謂相容元素與不相容元素？舉例闡述相容元素與不相容元素研究的地球化學意義。答：意義：（1）是殼幔分異的指示劑?；舴蚵?Hoffmann,1988)提出，由于大陸地殼是原始地幔部分熔融形成的，因此將大陸地殼的元素豐度對原始地幔標準化后的比值可以定量衡量元素的相容性。比值越大者，元素相容性越小，相對于地幔在大陸地殼中越富集。相容元素主要富集于巖石中，不相容元素則富集于熔體中，從而發(fā)生元素的分異作用。與原始地幔成分相比，大陸地殼明顯富集不相容元素。而大洋中脊玄武巖則明顯虧損不相容元素，表明后者是從形成大陸地殼后的虧損地幔中形成的；（2）相容性相近的元素具有相似地球化學行為，它們的含量比值在殼幔系統(tǒng)中基本固定或變化很小。如果含量比值發(fā)生了變化，就成為一種地球化學標志，說明已經(jīng)發(fā)生過某種特殊地球化學過程或地質(zhì)事件或。如使用地球化學“孿生(twins)”元素如Nb-Ta和Zr-Hf鑒別巖漿熔離作用的發(fā)生等。在硅酸鹽-碳酸鹽體系中，每對元素之間的兩液相分配系數(shù)有很大差異，在硅酸鹽-氟化物和硅酸鹽-磷酸鹽體系中也有類似效應。根據(jù)實驗確定的D值，Nb和Zr對水鹽熔體相容性比Ta和Hf更強, 液態(tài)不混溶使殘余硅酸鹽熔體Nb/Ta和Zr/Hf比值降低。（4）可以用于定量研究巖石的部分熔融程度和巖漿的結(jié)晶分異程度；（5）可以研究成礦元素的富集問題。成礦元素多為高度不相容元素，它們在巖漿巖中的富集要么是部分熔融程度很低擬或是結(jié)晶分異程度很高的產(chǎn)物。四、試述戈爾德斯密特礦物學相律和科爾仁斯基相律。五、試分析微跡元素被稱為地球化學過程的示綜劑、指紋和指示劑等的原因。為什么微跡元素已經(jīng)成為當代地球化學研究中必不可少的組成部分。五、 答案：三個要點：1.首先，微跡元素含量低微，一般豐度小于0.1 wt%,最低可達1*10-10 ，大多數(shù)情況下，這樣低的含量使得微跡元素在地質(zhì)事件中完全是被動的，它們對地質(zhì)事件結(jié)果的影響可以忽略，但卻對地質(zhì)事件的變化非常敏感，因此成為記錄地質(zhì)事件和作用的指紋；2. 微跡元素占自然界元素種類的絕大多數(shù)，它們之間的豐度可以相差達10-7倍。同時眾多元素呈現(xiàn)出化學上的多樣性和地球化學行為的差異性，這種多樣性和差異性導致微跡元素成為不可或缺的示蹤劑。3.由于微跡元素服從稀溶液定律-亨利定律，其在地質(zhì)體各相之間的分配服從能斯特分配定律，而根據(jù)該定律可以建立地質(zhì)過程中微跡元素演化的定量模型，使得微跡元素我們能夠近似定量地解決地質(zhì)問題，使實際資料與模型計算彼此擬合。是地球科學走向模擬化和定量化的必不可少的手段。因此說微跡元素地球化學已經(jīng)成為當代地球化學研究中必不可少的組成部分。六、使用等時線測年獲得可靠同位素地質(zhì)年齡必須滿足的前提條件是什么？答：1. 體系保持封閉。自礦物巖石形成后同位素體系保持封閉，除了因放射性衰變產(chǎn)生的結(jié)果外，沒有因后期地質(zhì)作用(變質(zhì)、熱液蝕變、風化等)影響發(fā)生母、子體同位素帶入或遷出；2. 準確知道或能夠有效校正巖石礦物形成時，即同位素系統(tǒng)封閉之前已經(jīng)存在的子體同位素的初始含量；3.必須獲得準確的放射性母體同位素的衰變常數(shù)和半衰期。這對于半衰期長的核素特別重要，因為衰變常數(shù)的微小誤差將會導致所測年齡的很大誤差。所測地質(zhì)體的年齡應與所測地質(zhì)體年齡相當；4.分析樣品的同位素組成必須具有代表性，并有精確測定巖石礦物中母子體同位素含量的實驗室方法；5.選擇母體/子體比值高的礦物。七、試述自然界幾種主要的氧同位素分餾控制反應。八、何謂Craig線？該線是如何獲得的？試述其產(chǎn)生的同位素地球化學原理。B下列題目任選5題，每題20分：一、試述地球化學研究的基本問題及其定義。二、試述研究大陸地殼元素豐度的方法（5種以上）。三、解釋概念： 類質(zhì)同象； 類質(zhì)同象混入物； 固溶體。研究表明，高溫高壓下形成的巖漿巖中礦物種類數(shù)目最少，巖漿期后產(chǎn)物中礦物數(shù)目要大的多，而外生條件下生成的礦物數(shù)目最大。為什么？答：與元素的類質(zhì)同象有關。當多種元素進入礦物晶格時，元素是各自形成獨立礦物還是以類質(zhì)同象狀態(tài)進入，從熱力學角度分析，取決于化合過程反應自由能改變Gr。Gr<0形成類質(zhì)同象化合物，Gr>0形成兩個獨立礦物。據(jù)熱力學定律：GrHrTS，類質(zhì)同象是否發(fā)生以及發(fā)育程度取決于熵效應和熱效應。熵增是類質(zhì)同象產(chǎn)生的根本原因。S與元素特性無關，熵值趨于最大(體系自由能最低)使自然界類質(zhì)同象成為一種普遍現(xiàn)象。且近似元素愈多，類質(zhì)同象愈易發(fā)生。熵效應與溫度成正比，溫度增高，類質(zhì)同象范圍增大。由于從巖漿到地表隨著溫度的降低類質(zhì)同象可混性降低，造成自然界礦物的“凈化”，高溫形成的礦物含較多雜質(zhì)，礦物種類少，低溫形成的礦物比高溫形成的礦物更純，同時形成的礦物種數(shù)大于高溫下形成的礦物種數(shù)。四、試述控制微跡元素分配的地球化學定律。答：微跡元素的能斯特分配定律。五、在繪制地球物質(zhì)稀土元素含量變化圖解時，為什么要用球粒隕石進行標準化？答：1. 消除奇偶效應，使得曲線平滑。太陽系中元素豐度受原子核結(jié)構(gòu)控制，當質(zhì)子與中子數(shù)比例適當，原子核穩(wěn)定，元素分布就廣。例如16O，24Mg，28Si等最穩(wěn)定，元素豐度高。因此出現(xiàn)元素的Oddo-Harkins法則：偶數(shù)原子序數(shù)的元素豐度大于奇數(shù)原子序數(shù)的元素豐度。2. 利于對不同地球物質(zhì)體進行對比，直觀鑒別巖石樣品相對于球粒隕石的分異程度。因為球粒隕石代表了太陽系非揮發(fā)性元素的豐度特征，即為地球形成之初的原始組成，因此元素對對此進行標準化，可以研究地質(zhì)體的分異作用及其程度；3. 有利于示蹤和闡明物質(zhì)的來源和演化過程；和直觀展示各種巖石類型和及其成因。六、試寫出表示稀土元素數(shù)據(jù)的幾種重要參數(shù)（4種以上），并舉例闡述其體現(xiàn)的地球化學意義。答：意義：1. 稀土元素總含量REE，能反映各類巖石特征，判斷巖石源巖和區(qū)分巖石類型有意義。基性超基性巖低，酸性巖和堿性巖中高；沉積巖中碳酸鹽巖低，砂巖和頁巖高。2.輕、重稀土元素的比值：LREE/HREE或 Ce/Y。能較好反映REE的分異程度和指示部分熔融殘留體或巖漿早期結(jié)晶礦物的特征。Ce堿性較Y強，隨巖漿作用演化，Ce/Y比值逐漸增大，Ce在巖漿作用晚期富集。 3. 稀土元素之間的比值：(La/Yb)N、(La/Lu)N、(Ce/Yb)N (下標N表示為標準化后的比值)，是輕、重稀土元素分別對球粒隕石標準化后比值。能反映REE球粒隕石標準化圖解中曲線（接近直線的情況下）的總體斜率，從而表征LREE和HREE的分異程度。4.Eu和Ce。與其他REE都呈3價態(tài)不同，Eu和Ce分別可呈2和3價和3價和4價。在氧化還原條件不同時就會呈現(xiàn)與其它REE元素不同的分配情況，在極端氧化還原條件下這種異常會變得十分突出。七、何謂大氣降水線？為什么自然界不同類型水的氧、氫同位素組成都分布在大氣降水線的右側(cè)？答：Craig統(tǒng)計了不同緯度大氣降水樣品的氫、氧同位素成分，得出以下統(tǒng)計關系式：D=818O+10，在D/18O圖上，構(gòu)成一條斜率為8的直線，該直線被稱為大氣降水線，又稱為Craig線。其原理在于穩(wěn)定同位素的蒸發(fā)-凝聚分餾效應。蒸發(fā)過程中輕的H216O蒸氣壓大于重的D218O，富集于蒸汽相，凝聚過程中重水分子優(yōu)先凝結(jié)。在液、氣相間發(fā)生H、O同位素分餾。分餾系數(shù)也是是溫度的函數(shù)，溫度愈低，值愈大。海水蒸發(fā)氣相富集輕水，云凝聚重水并優(yōu)先凝結(jié)成雨，輕重同位素進一步分餾。作為最大儲庫的大洋同位素組成恒定，蒸發(fā)主要發(fā)生在赤道附近。最早凝聚的雨較重，水分子經(jīng)反復多次蒸發(fā)-凝聚分餾隨過程，凝聚成的雨滴愈來愈輕。造成高緯度和內(nèi)陸地區(qū)降水具有很負D和18O值，集中了最輕的水，大洋中心出現(xiàn)最重的水。同時D和18O平行變異。在D/18O圖上構(gòu)成自低緯度地區(qū)的海水SMOW(標準大洋平均海向高緯度斜向延伸的直線。因平衡時D/H分餾約為18O/16O的8倍，所以線的斜率為8八、試述使用同位素地質(zhì)溫度計計算地質(zhì)體形成溫度的前提條件。答：(1) 一對共生礦物達到同位素交換平衡，即它們形成時必須同時與某一流體達到平衡?？梢酝ㄟ^地質(zhì)和礦物學研究加以確認；(2) 平衡建立后被“凍結(jié)”，未受后期疊加作用改造；(3) 根據(jù)達到熱力學平衡時兩種礦物(a,b)間的同位素分餾系數(shù)與溫度關系式：1000lnA-B=ab=A(106T-2)+B ，式中A-B是礦物對的分餾系數(shù)，A和B樣品分別為礦物對兩礦物同位素比值(Rsa)相對于標準樣品的同位素比值(RSt)的千分差，T為絕對溫度(K)；A和B為常數(shù)。其中參數(shù)A、B被實驗法準確測定，待測溫度在實驗參數(shù)有效應用范圍內(nèi)。