地球化學.doc - 湖南科技大學

1、國家“高等學校特色專業(yè)建設點”項目（TS11027）地球化學教案資 鋒湖南科技大學土木工程學院59湖南科技大學課程教案（首頁）授課教師：資鋒職稱：講師單位：土木工程學院課程名稱地球化學課程編號授課學期考核方式考查學 分2授課年級四年級專業(yè)班級學生人數(shù)總學時數(shù)36學時理論學時36學時實踐學時課堂講授小組討論現(xiàn)場講解教學目標及基本要求本課程主要介紹地球化學的定義、學科性質(zhì)、研究內(nèi)容和研究方法；自然體系中元素的結合、遷移和分異規(guī)律及其研究意義；微量元素地球化學和同位素地球化學方法原理及其在巖石圈體系中應用。通過課程學習，領會地球化學的研究思路和方法，掌握地球化學基本概念、基本原理和研究方法，學會用地

2、球化學原理分析和解決地球科學問題。教學重點1、元素的結合、遷移和分異規(guī)律2、同位素地球化學原理3、微量元素地球化學原理教學難點1、元素的結合、遷移和分異規(guī)律2、同位素地球化學原理3、微量元素地球化學原理教材名稱普通地球化學作者鄭海飛，郝瑞霞出版社北京大學出版社出版時間2007指定參考書地球化學作者韓吟文，馬振東出版社及出版時間地質(zhì)出版社，2003微量元素地球化學原理作者趙振華出版社及出版時間科學出版社，1997高等地球化學作者中國科學院地球化學研究所出版社及出版時間科學出版社，1998湖南科技大學課程教案（章節(jié)、專題首頁）授課教師：資鋒職稱：單位：土木工程學院課程名稱地球化學章節(jié)、專題前言、緒

3、論教學目標及基本要求教學目的：使學生了解地球化學的定義、學科性質(zhì)、研究內(nèi)容和研究方法?；疽螅海?）地球化學的定義及研究的基本問題；（2）地球化學的研究思路、研究的工作方法；（3）地球化學的發(fā)展簡史及發(fā)展趨勢。教學重點地球化學的定義、學科性質(zhì)、研究內(nèi)容和研究方法教學難點地球化學的定義、學科性質(zhì)、研究內(nèi)容和研究方法教學內(nèi)容與時間分配本部分講授2個學時習題湖南科技大學課程教案（分頁）授課教師：資鋒職稱：單位：土木工程學院課程名稱地球化學授課內(nèi)容前言、緒論(2個學時)課前問題：（1） 為什么要學地球化學？（2） 什么是地球化學（3） 怎么學地球化學一、地球科學的四大支柱（1）地質(zhì)學；（2）地球物理

4、；（3）地球化學；（4）大地測量學；二、地球化學的定義地球化學是研究地球（包括部分天體）的化學組成、化學作用和化學演化的科學（涂光熾，1984）。地球化學是研究地球的化學成分及元素在其中的分布、分配、集中、分散、共生組合與遷移規(guī)律、演化歷史的科學（教材）。三、地球化學的研究內(nèi)容、研究任務、基本內(nèi)容（1）、自然界中元素和同位素的組成和分布（2）、地質(zhì)作用中元素的遷移和共生組合規(guī)律（3）、地質(zhì)運動過程中元素的演化和循環(huán)歷史（4）、地球化學的基礎理論研究（5）、應用地球化學研究四、地球化學的基本問題（1）、地球系統(tǒng)中元素及同位素的組成問題（2）、元素的共生組合和賦存形式問題（3）、元素的遷移和循環(huán)（

5、4）、地球的歷史與演化五、地球化學的特征研究空間：地球、地殼、地幔和及巖石循環(huán)化學，包括組成太陽系的宇宙塵?；瘜W、月球和行星化學、海洋與大氣化學等；研究形式：著重研究地球系統(tǒng)物質(zhì)運動中元素的化學運動形式；研究時間：對單個元素和同位素來講，是研究他們的發(fā)生、不斷發(fā)展及螺旋式演化的全部歷史；通過地球及各組成部分元素和同位素的分布、分配、共生組合、集中分散規(guī)律的研究，探討整個地球乃至整個宇宙的演化歷史。地球化學是地球科學與化學相結合的一門邊緣學科，但本質(zhì)上是屬于地球科學的范疇。隨著基礎理論、應用技術及地質(zhì)科學的不斷發(fā)展，對地球化學定義的認識也在不斷地深化和提高。定性定量在地質(zhì)作用過程中形成宏觀地質(zhì)體

6、的同時，還形成大量肉眼難以辨別的常量元素、微量元素及同位素成分組合的微觀蹤跡，它們包含著重要的定性和定量的地質(zhì)作用信息，只要應用現(xiàn)代分析測試手段觀察這些微觀蹤跡以及宏觀的地球化學現(xiàn)象，便可深入地揭示地質(zhì)作用的奧秘。概括成一句話，就是“見微而知著”-通過觀察原子之微，來認識地球和地質(zhì)作用之著。前者是手段，后者才是目的。六、地球化學的研究方法（p240）1、資料收集：盡可能全面、詳盡；2、野外地質(zhì)研究方法（1）、地質(zhì)考察：觀察斷裂、礦物類型、接觸關系、生物（化石）特征；（2）、樣品采集：符合代表性，系統(tǒng)性，統(tǒng)計性。3、實驗室研究方法（1）、巖礦鑒定；（2）、分析測試；（3）、模擬實驗。4、綜合分析

7、、提交成果。七、地球化學的發(fā)展1、資料積累階段（萌芽時期，1920世紀初）；描述地質(zhì)學地質(zhì)學2、獨立成型時期（克拉克，戈爾德施密特，維爾納斯基）； 克拉克（Clarke, 1847-1931）：美國地質(zhì)調(diào)查所的主任化學師，首次發(fā)表地殼中50種元素的平均含量豐度。 戈爾德施密特（Goldschmidt, 1888-1947）：提出了元素的地球化學分類；3、蓬勃發(fā)展時期（20世紀50年代以后，）。二戰(zhàn)以后科技從軍事向生產(chǎn)、科研轉(zhuǎn)移，出現(xiàn)了許多高精度的測試儀器 八、我國的地球化學發(fā)展歷史1、中國科學院地球化學研究所（貴陽）2、中國科學院廣州地球化學研究所3、南京大學、中國科技大學、中國地質(zhì)大學（武漢

8、、北京）、西北大學、中山大學、北京大學。涂光熾（1920-2007），礦床學家、地球化學家，資深院士；畢業(yè)于國立西南聯(lián)合大學（1938年，由北京大學、清華大學、南開大學，在昆明組建）；提出了“層控礦床”理論，在鈾礦方面有突出成績。歐陽自遠（1935），天體學家、地球化學家；院士；中國月球探測工程的首席科學家，被譽為“嫦娥之父”；2007年“嫦娥一號”發(fā)回的首張月球照片造假，“說照片是假的，那是對國家的侮辱，是對1.7萬科學工作者的侮辱?！绷謸P挺（1962）戴德求（1975）課后閱讀材料：1、一些化學分析儀器的名稱X射線熒光光譜（X-Ray Fluorescence Spectrometry,

9、XRF）；電感耦合等離子體發(fā)射光譜（Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrometry, ICP-AES）；電感耦合等離子體質(zhì)譜（Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry, ICP-MS）；電子探針（Eletron Microprobe Analysis, EMPA）；熱離子質(zhì)譜技術（Thermal Ionization Mass Spectrometry, TIMS）2、儀器測試的一些概念1）、檢出限（limits of detection）：指儀器能準確測定的量值的下限，它代表了儀器

10、本身的檢測能力。2）、誤差：包括隨機、過失和系統(tǒng)誤差。（1）隨機誤差：由一系列偶然因素引起的不易控制的測量誤差，是實際過程中難免的，可通過測量次數(shù)的增加而降到最低。（2）系統(tǒng)誤差：實驗過程中服從確定性規(guī)律的誤差，在多數(shù)情況下是一個常量，可通過一定的方法識別、消除這類誤差，但不可能通過增加實驗次數(shù)的算術平均值來消除。 （3）過失誤差：明顯歪曲實驗結果，一般是由實驗觀測系統(tǒng)測錯，傳錯或記錯等不正常原因造成的。在實驗過程中必須消除這類過失誤差。3）、準確度：一個數(shù)的準確度系指這個數(shù)所含有效數(shù)字的位數(shù)，它反映了分析測試值與“真值”差距，或逼近“真值”的程度。 在實際應用中，一般是指相對于標準樣推薦值的

11、相對偏差，例如，常用的ICP-MS對多數(shù)微量元素的分析值的相對偏差小于5%。4）、精確度：一個數(shù)的最后一個可靠數(shù)字相對于小數(shù)點的位置。它是指n次測量之間的相對標準偏差。3、查看教材的“內(nèi)容簡介”包 裹 體 雖 小，囊 括 宇 宙高 壓 釜 不 大，再 造 乾 坤（妙 在 其 中）湖南科技大學課程教案（章節(jié)、專題首頁）授課教師：資鋒職稱：單位：土木工程學院課程名稱地球化學章節(jié)、專題第一章 元素的結合規(guī)律教學目標及基本要求教學目的：使學生了解元素的地球化學親和性和結合的基本規(guī)律及其地球化學意義?；疽螅阂髮W生掌握元素的地球化學親和性和結合的基本規(guī)律。教學重點元素的地球化學親和性、地球化學分類和

12、結合的基本規(guī)律教學難點元素地球化學親和性的理論分析，元素結合的規(guī)律教學內(nèi)容與時間分配本部分講授2個學時習題湖南科技大學課程教案（分頁）授課教師：資鋒職稱：單位：土木工程學院課程名稱地球化學授課內(nèi)容第一章 元素的結合規(guī)律(2個學時)第一節(jié) 元素的基本性質(zhì)1869年，俄國化學家門捷列夫在前人的基礎上，發(fā)現(xiàn)了元素周期律。1、原子和離子半徑的變化規(guī)律；2、元素電離能的變化規(guī)律；3、元素電負性的變化規(guī)律。第二節(jié) 元素的地球化學親和性一、元素的地球化學分類在元素周期表的基礎上，結合元素的地球化學行為所進行的分類稱為元素的地球化學分類。戈爾德施密特：通過對隕石的三個相：自然鐵、硫化物、硅酸鹽中元素分配的研究

13、，對比化合物的熱力學數(shù)據(jù)，以原子的外電子層結構、原子容積以及對不同元素的親和力為依據(jù)，將元素劃分為四個地球化學組。1）親氧（親石）元素；2）親硫（親銅）元素；3）親鐵元素；4）親氣元素。二、元素地球化學親和性的理論分析（一）元素地球化學親和性的微觀分析元素的地球化學親和性是指在自然體系中元素形成陽離子的能力和所顯示出的有選擇性地與某種陰離子化合（結合）的傾向性。1、元素的親氧（石）性和親硫（銅）性元素的親氧性和親硫性取決于其在化合物中的化學鍵鍵性。即親氧元素總是傾向于在化合物中形成離子鍵或具有較多的離子鍵特征；親硫元素總是傾向于在化合物中形成共價鍵或具有較多的共價鍵特征。2、元素的親鐵性：親鐵

14、元素具有傾向于以自然金屬元素狀態(tài)存在的性質(zhì)。3、元素的親氣性親氣元素可以分為惰性氣體元素和易于形成氣體分子等（H2，N2）的元素。前一類不形成化合物，因此其原子之間為原子鍵。后一類元素所構成的化合物之間主要是分子鍵。（二）元素地球化學親和性的熱力學分析：元素之間的結合服從體系總能量最低原理。（三）元素地球化學親和性的豐度因素元素的親和性是指其具有相對優(yōu)先結合的能力。不僅決定于元素的性質(zhì)，還受整個地球及不同圈層元素的豐度及其分布的影響。第三節(jié) 元素的結合規(guī)律一、主量元素的結合規(guī)律1、鍵性對應結合規(guī)律：是指具有相同化學鍵的元素之間易于結合；2、電價對應結合規(guī)律：指當體系中存在多種價態(tài)的離子時，高價

15、陽離子和高價陰離子結合，低價陽離子與低價陰離子結合。電價差別越大，這種規(guī)律越明顯。二、微量元素的結合規(guī)律微量元素（在巖石或礦物中的含量一般少于0.1%），一般不能形成自己的獨立礦物，而是以類質(zhì)同像的形式存在于主要元素構成的礦物晶格中。類質(zhì)同像：是指以原子、離子、絡離子或分子為單位取代礦物晶格構造位置中的相應質(zhì)點。其結果只引起晶格常數(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。（一）類質(zhì)同像的類型1、等價類質(zhì)同像和異價類質(zhì)同像：晶體中性質(zhì)相似、電價相同的元素彼此置換稱為等價類質(zhì)同像；異價離子的置換稱為異價類質(zhì)同像。2、完全類質(zhì)同像和不完全類質(zhì)同像端員組分能夠以任意比例

16、形成連續(xù)固溶體的稱為完全類質(zhì)同像，如(Mg, Fe)2SiO4。若端員組分不能以任意比例形成連續(xù)固溶體的則為不完全類質(zhì)同像。3、極性類質(zhì)同像指端元組分之間發(fā)生類質(zhì)同像的程度差別很大，即A可以置換B，但B很少甚至不可以置換A。（二）類質(zhì)同像置換的條件和限度：主要取決于晶體化學條件（原子或離子半徑；化學鍵類型；離子正負電荷的平衡）和物理化學條件（溫度和壓力；組分濃度；氧化還原電位）。三、過渡元素的結合規(guī)律晶體場理論四、微量元素結合規(guī)律的地球化學意義1、研究微量元素的集中和分散在地球化學作用過程中，微量元素的行為有兩種傾向，一是以類質(zhì)同像的形式存在于造巖礦物中，呈分散狀態(tài)；二是不以類質(zhì)同像形式進入造

17、巖礦物中，二是在地球化學作用的晚期富集，形成獨立礦物。2、判斷地質(zhì)體之間的關系：由于元素性質(zhì)等的差異導致微量元素進入晶格的先后不同，因此，可以用它們來判斷地質(zhì)體形成的先后順序。湖南科技大學課程教案（章節(jié)、專題首頁）授課教師：資鋒職稱：單位：土木工程學院課程名稱地球化學章節(jié)、專題第二章 元素的遷移和分異教學目標及基本要求教學目的：使學生了解元素遷移和分異的規(guī)律及其影響因素（內(nèi)因、外因）?；疽螅阂髮W生掌握元素遷移和分異的規(guī)律及其影響因素（內(nèi)因、外因）。教學重點1）元素遷移和分異的影響因素；2）巖漿熔體中元素的遷移和分異作用教學難點1）元素遷移和分異的影響因素；2）巖漿熔體中元素的遷移和分異作

18、用教學內(nèi)容與時間分配本部分講授6個學時習題湖南科技大學課程教案（分頁）授課教師：資鋒職稱：單位：土木工程學院課程名稱地球化學授課內(nèi)容第二章 元素的遷移和分異規(guī)律(6個學時)隨著所處的環(huán)境的物理化學條件的變化，元素的相對穩(wěn)定性遭到破壞，元素將以各種方式發(fā)生活化轉(zhuǎn)移，并以一種新的形式再一次相對穩(wěn)定下來，這種作用過程稱為元素的地球化學遷移。第一節(jié) 元素遷移和分異的影響因素元素的遷移方式分為：固態(tài)物質(zhì)形式遷移、水溶液形式遷移、膠體形式遷移、巖漿形式遷移。一、影響元素遷移的內(nèi)因（一）元素的性質(zhì)；（二）化合物的性質(zhì)：化學鍵（分子化合物、離子化合物、共價化合物）；離子的電價和半徑；離子電位。二、影響元素遷移

19、的外因1、溫度（熔融、溶解）：主要表現(xiàn)在物質(zhì)發(fā)生從固定狀態(tài)向能夠發(fā)生遷移狀態(tài)的轉(zhuǎn)變過程。2、壓力：主要表現(xiàn)在改變礦物或巖石的熔點、礦物在熱液中的溶解度等。3、濃度：在水溶液中，除了元素自身的濃度直接影響元素的遷移能力外，作為絡合物的離子（如Cl-、F-等）濃度在元素的遷移中也起了決定性的作用。4、環(huán)境的氧化還原電位Eh：其只對變價離子的遷移和分異產(chǎn)生影響。5、pH值：pH的影響只涉及反應過程中有H+或OH-離子生成或消耗的反應。第二節(jié) 水溶液中元素的遷移和分異作用一、水的性質(zhì)液態(tài)水在4時具有最大的密度，在46.5時具有最小的等溫壓縮系數(shù)，在35時具有最小的等壓熱溶；二、元素溶于水中的形式（一）

20、氣體分子在水中的溶解及存在形式水是偶極分子，一般偶極分子在水中具有較大的溶解度。非偶極分子在水中的溶解度是很小的。另外，由于水的介電常數(shù)隨溫度的升高而降低，因此氣體分子在水中的溶解度隨溫度的升高而降低。（二）元素在水中的溶解及存在的形式1、強電離化合物（簡單離子/水合離子）；2、弱電離化合物（溶解物中有分子和簡單離子）。絡合物穩(wěn)定性的一般規(guī)律：（1）中心離子的性質(zhì)：親氧元素離子電位較大者其絡合離子較穩(wěn)定。（2）配位體的性質(zhì)：與親氧元素之間的電負性差異大者較穩(wěn)定。三、環(huán)境的pH及其對元素遷移的影響1、自然水溶液pH的控制作用（1）自然水溶解酸性物質(zhì)，將使體系的酸性增加，即引起pH降低；（2）自然

21、水溶解堿性物質(zhì)，將使體系的堿性增加，即引起pH升高；（3）自然水的中和作用：自然界不同來源的水將具有不同的pH，它們相遇時發(fā)生混合作用而使酸堿中和。2、介質(zhì)pH對元素遷移和分異的控制（1）溶液pH降低時，具堿性元素的化合物溶解度增高；（2）溶液pH增高時，具酸性元素的化合物溶解度增高。3、介質(zhì)pH變化的地球化學意義（1）酸性障和堿性障:由于水溶液中pH發(fā)生變化而阻止了元素的繼續(xù)遷移，稱為酸性障或堿性障。（2）元素的分異：由于水溶液中不同元素在不同pH條件下發(fā)生沉淀，這將使元素在遷移過程中發(fā)生分異。四、氧化還原電位Eh對元素遷移的影響（1）氧化障與還原障（地球化學障）：由于自然界氧化還原反應使元

22、素的價態(tài)改變，由此造成元素性質(zhì)的截然改變，并使元素發(fā)生沉淀的現(xiàn)象，稱為氧化障或還原障。（2）地球化學作用中氧化還原條件的定量估算：具有不同氧化還原態(tài)的礦物共生組合常常用來作為體系形成時氧化還原條件的標志。例如，鐵的各種氧化還原態(tài)的標型礦物：隕硫鐵、磁鐵礦、赤鐵礦等。五、表生環(huán)境中元素遷移能力六、元素在水溶液遷移過程的分異：表生水的遷移、地下水的遷移。（1）礦物或巖石中元素的轉(zhuǎn)移至水溶液過程的分異：該過程中元素的分異取決于礦物在水溶液中的穩(wěn)定性。即相對難風化礦物與相對易風化礦物中的元素將在風化和水溶液的作用下發(fā)生分異。（2）地表水的遷移：對于在水中均為完全電離化合物形式存在的元素，其在地表水中的

23、遷移過程幾乎不會發(fā)生明顯的元素分異。只有當環(huán)境的物理化學性質(zhì)發(fā)生改變時，使其中一種元素轉(zhuǎn)變?yōu)榉峭耆婋x化合物時才會造成兩者之間的分異。（3）地下水的遷移：元素在地下水中的遷移除了仍遵循地表水中遷移的規(guī)律外，還受元素被巖石、礦物吸附作用的影響。即元素的分異還受離子交換和吸附規(guī)律的控制。第三節(jié) 元素在膠體過程中的遷移和分異一、膠體的結構和性質(zhì)1、膠體的定義：一種物質(zhì)的細小質(zhì)點分散在另一種物質(zhì)中所組成的不均勻分散系稱為膠體。膠體的直徑為10-610-9m，它比離子和分子大，但比懸浮體小。膠體由膠核、帶電粒子、吸附離子和擴散層離子組成。2、膠體帶電的原因由于膠體的吸附離子與擴散層帶相反電荷的反離子呈分

24、離狀態(tài)，因此膠體總是帶有吸附離子的電荷。二、影響膠體物質(zhì)凝聚與沉積的因素（1）中和作用：當兩種帶有不同性質(zhì)電荷的膠體相遇時，由于電荷的中和會發(fā)生凝聚和沉積。（2）電解質(zhì)的濃度：電解質(zhì)的濃度增大，可以促使膠體凝聚。（3）膠體溶液的濃度：膠體溶液濃度增大時，可以促使膠體凝聚。（4）溶液的pH：溶液的酸堿度對膠體的搬運和沉積也有很大影響。（5）溫度：溫度增高可以加速聚沉的速度。三、膠體對元素的吸附規(guī)律（1）膠體優(yōu)先吸附構晶離子，所謂構晶離子，即構成膠核晶體的離子。（2）離子電價越高越易被吸附。（3）同價離子，離子半徑越大或水合離子半徑越小越易被吸附。四、膠體的吸收及其對元素分異的影響（1）使溶解度小

25、的元素遷移；（2）頁巖中金屬成礦元素的初步富集；（3）元素在表生條件下的地球化學分異。第四節(jié) 巖漿熔體中元素的遷移和分異作用一、元素在巖漿熔體中的存在形式1、巖漿是一種由簡單陽離子和分子以及硅氧四面體構成的絡陰離子等組成的復雜體系。2、熔體的聚合程度實質(zhì)上代表了熔體中硅氧四面體的聚合程度。聚合程度越高，代表熔體中硅氧四面體相互連接的越多。其在宏觀性質(zhì)上的表現(xiàn)即熔體具有較大的黏度。3、巖漿熔體中陽離子的結構作用造網(wǎng)元素（polymer，聚合元素）：四面體的中心離子，離子電位高（電價高，半徑?。┑脑亍Ｗ兙W(wǎng)元素（modifier，去聚合元素）：介于硅氧四面體之間，離子電位較小。4、揮發(fā)組分的結構作

26、用（1）水的作用：水的巖漿熔體中的溶解度取決于體系的壓力、溫度及熔體的成分。隨溫度的升高，水在熔體中的溶解度減?。浑S壓力增大，水在熔體中的溶解度增大；熔體中水的加入可降低熔體的黏度，并使熔體發(fā)生退聚合作用。（2）CO2的作用：CO2在熔體中發(fā)生以下反應CO2+2O-CO32-+O0CO2+2O-該反應的方向取決于熔體中橋氧、非橋氧和自由氧的相對數(shù)量。（3）硫的作用：由于S2-離子不能替換SiO網(wǎng)格中的氧，因此硫在巖漿中的溶解度主要受巖漿中親硫元素的含量控制。二、巖漿的基本物理化學性質(zhì)1、巖漿的溫度；2、巖漿的黏度；3、氧化還原條件。三、巖漿過程中元素的分異（一）部分熔融作用中元素的分異無水條件

27、下的地幔巖石固相線溫度遠遠高于相應深度下的溫度。這表明，若地球內(nèi)部沒有水，則內(nèi)部巖石不可能發(fā)生熔融。1、部分熔融和結晶過程中體系的主要元素分異（1）共熔或共結系的熔融和結晶作用對物質(zhì)組成的影響：由共熔（結）系的相圖可以看到，當體系的溫度低于該共熔系兩端員礦物的熔點，但又高于共熔點的溫度時，體系將發(fā)生部分熔融，其熔出的熔體為共熔點的組成。顯然此時熔融出來的物質(zhì)將完全不同于體系原物質(zhì)的總組成。其差異的大小取決于原巖與共熔點組成的差異。（2）固溶體系的熔融和結晶作用對物質(zhì)組成的影響。2、部分熔融和結晶過程中微量元素的分異（1）分配系數(shù)：Kd=C固相/C熔體相，由于巖石由多種礦物組成，因此實際研究中總

28、是采用總分配系數(shù)來描述元素的行為。（2）相容元素（總分配系數(shù)大于1的元素，如Ni，Cr，Co；相容元素的特點是在巖漿過程中趨向于保留在源區(qū)巖石的固相礦物中）和不相容元素（總分配系數(shù)小于1的元素，如Th，Ba，Rb，U，REE等；不相容元素的特點是在巖漿過程中趨向于進入到熔體中）。（3）巖漿過程微量元素的分異分批部分熔融作用模型：C1/C0=1/D/(1-F)+F式中C0和C1分別代表巖漿源區(qū)巖石和巖漿中元素的含量；D為元素的分配系數(shù)；F是部分熔融程度，其數(shù)值的范圍為01。結晶分異作用的模型：C1/C0=F(D-1)式中C0和C1分別是初始巖漿和發(fā)生結晶作用的巖漿中元素的含量；D為元素的分配系數(shù)

29、；F是結晶分異程度，其數(shù)值為01。（二）影響部分熔融作用的因素1、化學成分：在相同溫度和壓力條件下，源區(qū)巖石的基性程度越高，則部分熔融程度越低。2、溫度和壓力：即溫度越低或壓力越高，部分熔融程度就越低，其熔融出的熔體中將越富集低熔點元素和不相容元素。3、巖漿產(chǎn)生的地質(zhì)條件（參考地溫曲線）：不同構造環(huán)境的地殼或地幔具有不同的地熱增溫率。因此其產(chǎn)生巖漿的物理化學條件也將有明顯差異。從物理化學條件上看，巖漿的產(chǎn)生可以概括為三種條件：溫度的增加，壓力的降低，體系由無水轉(zhuǎn)變?yōu)楹畻l件。溫度的增加可以由太陽、月球等引力引起的巖石內(nèi)部摩擦作用產(chǎn)生。壓力降低可以是由構造作用造成的巖石圈局部隆起、巖石圈拉張產(chǎn)生

30、的斷裂構造等產(chǎn)生。第五節(jié) 液態(tài)不混溶過程元素的分異自然界中存在各種物質(zhì)的不混溶現(xiàn)象，它們對元素的分異作用同樣會產(chǎn)生重要的影響，大致可以概括為以下幾種類型：巖漿-硫化物熔體、巖漿-巖漿熔體（巖漿-氧化物熔體）、巖漿-流體熔體（揮發(fā)性流體）、流體-流體熔體（如水-有機物等）。其分異的程度取決于元素在共存各相之間的分配系數(shù)。湖南科技大學課程教案（章節(jié)、專題首頁）授課教師：資鋒職稱：單位：土木工程學院課程名稱地球化學章節(jié)、專題第三章 同位素地球化學基礎教學目標及基本要求教學目的：使學生了解同位素地球化學的基本原理，放射性與穩(wěn)定同位素，各種年齡測定方法的原理、應用對象，以及同位素地球化學的示蹤意義?；?/p>

31、要求：要求學生掌握同位素地球化學的基本原理，放射性與穩(wěn)定同位素，各種年齡測定方法的原理、應用對象，以及同位素地球化學的示蹤意義。教學重點1）自然界引起同位素成分變化的原因；2）同位素年齡測定基本原理及某同位素體系年齡測定方法；3）穩(wěn)定同位素的示蹤意義。教學難點1）自然界引起同位素成分變化的原因；2）同位素年齡測定基本原理及某同位素體系年齡測定方法；3）穩(wěn)定同位素的示蹤意義。教學內(nèi)容與時間分配本部分講授10個學時習題湖南科技大學課程教案（分頁）授課教師：資鋒職稱：單位：土木工程學院課程名稱地球化學授課內(nèi)容第三章 同位素地球化學基礎(10個學時)質(zhì)量數(shù)或中子數(shù)不同，質(zhì)子數(shù)相同的元素（核素）稱為同位

32、素。同位素地球化學是研究地殼和地球中核素的形成、豐度及其在地質(zhì)作用中分餾和衰變規(guī)律的科學。同位素地球化學在解決地學領域問題時的獨到之處：（1）計時作用每個放射性同位素都是一只時鐘，自地球形成以來它們都在時時刻刻、不受干擾地走動著，因此可以用來測定各種地質(zhì)體的年齡，尤其是對隱生宙前寒武紀地層及其他復雜地質(zhì)體。（2）示蹤作用同位素成分的變化受到環(huán)境及其本身性質(zhì)的影響，為此，可利用同位素成分的變異來指示地質(zhì)體形成的環(huán)境條件、機制，并示蹤物質(zhì)來源。（3）測溫作用由于某些礦物同位素成分變化與其形成的溫度有關，為此可用來設計各種礦物對的同位素溫度計，來測定成巖成礦溫度。第一節(jié) 自然界引起同位素成分變化的原

33、因一、核素的性質(zhì)1. 什么叫核素？ 由不同數(shù)量的質(zhì)子和中子按一定結構組成的各種元素的原子核稱為核素，任何一個核素都可以用A=P+N這三個參數(shù)來表示，即：質(zhì)量數(shù)=質(zhì)子數(shù)+中子數(shù)。而具有相同質(zhì)子數(shù)，不同中子數(shù)所組成的一組核素稱為同位素。O的質(zhì)子數(shù)P=8，但中子數(shù)分別為8、9、10，因此，氧有質(zhì)量數(shù)分別為16、17和18三種同位素16O、17O和18O。原子內(nèi)除了質(zhì)子、中子外，還有電子、正電子及中微子等核子，在核衰變反應中這些粒子分離、轉(zhuǎn)化并表現(xiàn)出各種性質(zhì)。2. 核素的性質(zhì) （1）核素具有電荷：一個質(zhì)子帶有一個單位的正電荷，原子的核電荷數(shù)等于質(zhì)子數(shù)，并由此決定原子的核外電子數(shù)。核電荷數(shù)一旦改變就變成

34、了另外一種元素，同時核電荷數(shù)也影響著核的組成及結構，即決定核的穩(wěn)定性。（2）核素具有質(zhì)量：核素因含有不同數(shù)量的質(zhì)子和中子，而具有不同的質(zhì)量，較輕元素的同位素之間因質(zhì)量差別導致在地質(zhì)作用中的分異，這樣，使得不同產(chǎn)狀的地質(zhì)體中同位素間的相對豐度發(fā)生變化。（3）核素具有豐度：自然界的核素具有兩種豐度。一是核素的絕對豐度，是指自然界各種核素存在的總量，它與組成核素的核子數(shù)量和結構有關，反映核素的穩(wěn)定性。當原子序數(shù)Z<20時，N/P=1，核素最穩(wěn)定，絕對豐度高；當20<Z<83時，N/P=1.5，最穩(wěn)定；當Z>83時，N/P偏離1或1.5，核素不穩(wěn)定，絕對豐度低。二是核素的相對豐

35、度，是指元素同位素所占總質(zhì)量的百分數(shù)，例如大氣中三個氧同位素的相對豐度是: 16O：99.763%；17O：0.0375%；18O：0.1995%。研究結果表明，不同地球化學體系中同位素相對豐度是有差別的，根據(jù)觀測不同 地球化學體系中同位素相對豐度的變異，來推測地球化學作用的性質(zhì)和條件，這就是同位素地球化學的工作方法。因此，測出不同地球化學體系中元素同位素的相對豐度，是同位素地球化學研究的出發(fā)點。（4）核素具有能量：原子核聚集高質(zhì)量的粒子于一個極小的體積內(nèi)，因此，原子核內(nèi)孕含著巨大的能量，即核能，也稱“結合能”。結合能越高核素越穩(wěn)定；結合能低（如H、N、Li、Be及高質(zhì)量 數(shù)的核素）的核素不穩(wěn)

36、定。在核衰變過程中，一部分核能通過放射出各種粒子及射線而被釋放出來。（5）核素具有放射性：所謂放射性即不穩(wěn)定核素通過放射出粒子及輻射能量，而自發(fā)地調(diào)整核內(nèi)的組成和結構，轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的核素的現(xiàn)象，稱為放射性衰變。放射性衰變的結果，使核素的質(zhì)量、能量和核電荷 數(shù)都發(fā)生變化，從而變?yōu)榱硗庖环N元素。二、同位素分類從核素的穩(wěn)定性來看，自然界存在兩大類同位素：一類是其核能自發(fā)地衰變?yōu)槠渌说耐凰兀Q為放射性同位素；另一類是其核是穩(wěn)定的，到目前為止，還沒有發(fā)現(xiàn)它們能夠衰變成其它核的同位素，稱為穩(wěn)定同位素。然而，核素的穩(wěn)定性是相對的，它取決于現(xiàn)階段的實驗技術對放射性元素半衰期的檢出范圍。目前一般認為，凡是原子

37、存在的時間大于1017年的就 稱為穩(wěn)定同位素，反之則稱為放射性同位素。目前已發(fā)現(xiàn)的天然同位素約有340種，其中放射性同位素有67種（人工合成的放射性同位素已達1200多種）。穩(wěn)定同位素273種（其中一部分具有弱放射性）。這兩類同位素在原子序數(shù)和質(zhì)量數(shù)上具有明顯的區(qū)別：凡是原子序數(shù)大于83、質(zhì)量數(shù)大于209的同位素都是放射性同位素；在原子序數(shù)小于83、質(zhì)量數(shù)小于209的同位素中，除14C、40K、87Rb具放射性外，其余都是穩(wěn)定同位素。穩(wěn)定同位素又可分為輕穩(wěn)定同位素和重穩(wěn)定同位素輕穩(wěn)定同位素特點：原子量小，同一元素的同位素之間的相對質(zhì)量差異較大（A/A5%）輕穩(wěn)定同位素組成變化的主要原因是同位素

38、分餾作用，這種分餾反應是可逆的。重穩(wěn)定同位素特點：原子量大，同一元素的同位素之間的相對質(zhì)量差異較?。ˋ/A=0.7%1.2 %）,環(huán)境的物理化學條件的變化，通常不會引起重穩(wěn)定同位素成分的改變。重穩(wěn)定同位素成分的變化是由放射性衰變造成的，這種變化在地球歷史的演變中是單方向的，不可逆的，如87Rb87Sr。因此，地球化學體系中的重穩(wěn)定同位素組成的變化，常常用來研究地球化學體系的演化，是一種極為重要的地球化學參數(shù)和示蹤劑。三、同位素的測定和表示方法一個完整的同位素樣品研究包括樣品的采集、加工、化學制樣、測定及結果的計算和解釋等環(huán)節(jié)。下面簡單介紹一下化學制樣及質(zhì)譜儀測定方法。1、制樣將地質(zhì)樣品分解，使

39、待測元素的同位素轉(zhuǎn)化為能在質(zhì)譜儀上測定的化合物。輕穩(wěn)定同位素一般制成氣體樣品。例如：氧同位素有兩種制樣方法： （1）還原法: 高溫條件下與C還原成CO； （2）氧化法: 用F或鹵化物氧化，生成O2（精度高）。2、質(zhì)譜儀測定：質(zhì)譜儀是目前同位素成分測定的主要手段（MAT261，MAT251）。其工作原理是：把待測元素的原子或分子正離子化，并引入電場和磁場中運動，帶正電的質(zhì)點因質(zhì)量不同而被分離測定。四、自然界引起同位素成分變化的原因自然界引起同位素成分變化的原因主要是放射性衰變和同位素分餾效應。 1、放射性衰變 放射性同位素經(jīng)過自然衰變，轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌氐耐凰兀Y果母元素同位素不斷減少，而子元素同

40、位素不斷增加，從而改變母元素和子元素同位素的比例。它是放射性核素原子核的一種特性，不受外界物化條件的影響。2、同位素分餾效應 （1）同位素分餾效應：在地質(zhì)作用過程中，由于質(zhì)量差異引起輕穩(wěn)定同位素(Z20)相對豐度發(fā)生改變的過程。 （2）引起分餾效應的原因：物理分餾、同位素交換反應、生物化學反應、動力分餾。 物理分餾：也稱質(zhì)量分餾, 同位素之間因質(zhì)量差異而引起的與質(zhì)量有關的性質(zhì)的不同，如密度、比重、熔點、沸點等微小的差別，這樣在蒸發(fā)、凝聚、升華、擴散等自然物理過程中，使得輕、重同位素分異。 例如：蒸發(fā)作用強烈的死海（約旦、巴勒斯坦國之間）咸水中H218O含量最高。單向多次反復的物理過程，同位素分

41、餾效應最明顯。 同位素交換反應：就是在化學反應中反應物和生成物之間由于物態(tài)、相態(tài)及化學鍵性質(zhì)的變化，使輕重同位素分別富集在不同分子中而發(fā)生分異，稱同位素交換反應。生物化學反應：動植物及微生物在生存過程中經(jīng)常與周圍介質(zhì)進行物質(zhì)交換 ，并通過生物化學過程引起同位素分餾。動力分餾：其實質(zhì)是質(zhì)量不同的同位素分子具有不同的分子振動頻率和化學健強度（從熱力學角度上來講H218O的內(nèi)能、熱容、熵與H216O是不同的），因輕同位素形成的鍵比重同位素更易破裂，這樣在化學反應中輕同位素分子的反應速率高于重同位素分子。第二節(jié) 同位素年代學1902年Rutheford通過實驗發(fā)現(xiàn)放射性同位素衰變不同于一般的化學方應，

42、具有以下性質(zhì)： （1）放射性同位素在原子核內(nèi)部發(fā)生衰變，其結果是從一個核素轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€核素； （2）衰變是自發(fā)的、永久不息的一種恒制反應，而且衰變是按一定比例的；（3）衰變反應不受任何溫度、壓力、元素的存在形式及其物理化學條件的影響； （4）衰變前核素和衰變后核素的原子數(shù)，只是時間的函數(shù)。一、放射性衰變定律把正在衰變的核素稱為母核（體），衰變的產(chǎn)物稱為子核（體）。自然界的放射性同位素雖然衰變方式和產(chǎn)物不同，但是都服從同一個放射性規(guī)律，即：在一個封閉系統(tǒng)內(nèi)，單位時間內(nèi)放射性母核衰變?yōu)樽雍说脑訑?shù)與母核的原子數(shù)成正比。半衰期與衰變常數(shù)的關系： 半衰期（T、t1/2，單位：年）即母核衰變?yōu)槠湓訑?shù)一

43、半所經(jīng)歷的時間。二、放射性同位素年齡測定假設以D表示經(jīng)過t（T0T） 時間由母核衰變成的子核數(shù)，則：D=N0-N把N0=Net 代入 D=Net NN（et1）經(jīng)整理得：t=(1/)ln(1+D/N)D/N是現(xiàn)存子核和母核的原子數(shù)比值。 這兩式是同位素年齡測定的基本公式，不同的同位素年齡測定方法都是以此為計算公式的。要利用以上公式來測定巖石、礦物的年齡，應滿足以下條件： （1）應有適當?shù)陌胨テ?。這樣才能積累起顯著數(shù)量的子核，同時母核也不至于衰變完。如果半衰期太長，就是經(jīng)過漫長的地質(zhì)歷史也積累不起顯著數(shù)量的子核；如果半衰期太短，沒有多久母核幾乎衰變完了；（2）所測定同位素的衰變常數(shù)的精度能滿足要

44、求； （3）放射性同位素應具有較高的地殼豐度。在當前的技術條件下，能以足夠的精度測定它和它所衰變的子體含量； （4）礦物、巖石結晶時，只含某種放射性同位素，而不含與之有蛻變關系子體或雖含部分子體，其數(shù)量亦是可以估計的； （5）保存放射性同位素的礦物或巖石自形成以后一直處于封閉系統(tǒng)中，即沒有加入或丟失放射性同位素及其衰變產(chǎn)物。 三、Sm-Nd同位素體系Sm和 Nd都有7個同位素，Sm-Nd計時法基于147Sm經(jīng)衰變生成143 Nd的衰變反應：147Sm143 Nd+E根據(jù)衰變定律，并考慮樣品中的初始Nd同位素組成，則有：143 Nd+=143 Ndi+147Sm(et-1)由于要確定巖石形成是（

45、143 Ndi）的絕對含量非常困難，我們用穩(wěn)定同位素144Nd除公式兩邊得：(143 Nd/144Nd)=(143 Nd/144Nd)i+(147Sm/144Nd)(et-1)式中，(143 Nd/144Nd) 是樣品現(xiàn)今的比值，由質(zhì)譜直接測定；(147Sm/144Nd)為樣品現(xiàn)今的147Sm與144Nd同位素原子數(shù)比，一般通過同位素稀釋法計算獲得；(143 Nd/144Nd)i為樣品形成時的初始釹同位素比值；為147Sm的衰變常數(shù)，取0.00654×10-9a-1；t為樣品年齡，即礦物和巖石形成以來所經(jīng)歷的時間,單位為Ga。對于(147Sm/144Nd)的確定，除了采用實驗測定外，

46、亦可由經(jīng)驗公式求得，(147Sm/144Nd)=( Sm/ Nd)C*(0.531498+0.142521*(143 Nd/144Nd) )式中( Sm/ Nd)C為這兩種元素的濃度比；(143 Nd/144Nd) 是樣品現(xiàn)今的比值。例如：有一樣品Sm=6.696ppm，Nd=37.31ppm，(143Nd/144Nd)=0.512212，t=0.13Ga。由式求得，(147Sm/144Nd)=0.108489，代入式得: (143 Nd/144Nd)i=0.512120公式的主要應用是構筑等時線，對樣品定年。要獲得可靠的Sm-Nd等時線年齡，要求所測樣品滿足以下條件： 所研究的一組樣品具有同

47、時性和同源性； 所測樣品中，有較為明顯的Sm/ Nd比值差異； 在樣品形成后，體系保持Sm和Nd同位素體系封閉。研究表明，如果體系中沒有流體參與，經(jīng)歷了角閃眼相甚至麻粒巖相變質(zhì)作用的巖石，仍能保持Sm-Nd同位素體系封閉，從而獲得比較正確的變質(zhì)巖原巖的年齡信息。由于147Sm的衰變常數(shù)較小，=0.00654，因此Sm-Nd法通常適合對古老巖石的測年。自然界中各巖石的w(Sm)/w(Nd)比值變化范圍較小（一般在0.10.5）。在一組同源的硅鋁巖中w(Sm)/w (Nd)值差異更小，因此，Sm-Nd全巖等時線法不宜用于對酸性巖進行年齡測定。同源的鐵鎂質(zhì)和超鐵鎂質(zhì)巖石的w(Sm)/w (Nd)比值

48、變化較大，采用Sm-Nd全巖等時線或全巖+礦物等時線法能獲得較好的年齡信息。四、Sm-Nd同位素模式年齡模式年齡是對樣品從地幔源區(qū)分離出來的時間的估計。這里的假設有： 關于地幔源區(qū)的同位素組成的知識； 從地幔源區(qū)分異出來之后，子體/母體同位素間沒有發(fā)生分餾； 母體和子體同位素保持不活動性。由于Rb-Sr體系比較活潑， Rb-Sr同位素體系容易被改造，所以很少計算Rb-Sr體系的模式年齡。而經(jīng)常計算滿足模式年齡條件的Sm-Nd同位素體系。用式測年的關鍵是要知道樣品形成時的(143 Nd/144Nd)i，將假設的初始比值代入計算的年齡為模式年齡(T)，很顯然，模式年齡的可靠性取決于初始比值的選擇。

49、假設原始地幔巖漿庫是一個具有球粒隕石w(Sm)/w(Nd)值的均一巖漿庫(CHUR)，并假定地殼巖石的w(Sm)/w (Nd)值在從CHUR源區(qū)分離后w(Sm)/w (Nd)比值保持不變。則地殼巖石在時間t的(143 Nd/144Nd)(t)就是CHUR源區(qū)在時間t的演化值(143 Nd/144Nd)CHUR，(t)。根據(jù)式有(143 Nd/144Nd)CHUR，(t)=(143 Nd/144Nd)CHUR- (147Sm/144Nd)CHUR(et-1)式中(143 Nd/144Nd)CHUR，(t)為CHUR在時間t的比值；(143 Nd/144Nd)CHUR和(147Sm/144Nd)C

50、HUR都為CHUR的現(xiàn)代值，其中取(143 Nd/144Nd)CHUR=0.512638，(147Sm/144Nd)CHUR=0.1967。則時間t=0.13Ga時，(143 Nd/144Nd)CHUR，(0.13)=0.512471對于地殼樣品，根據(jù)式：(143 Nd/144Nd)(t)=(143 Nd/144Nd)- (147Sm/144Nd)(et-1)式中(143 Nd/144Nd)(t)為樣品在時間為t時刻的比值；(143 Nd/144Nd)和(147Sm/144Nd)分別為樣品的現(xiàn)代值。由于樣品派生于CHUR源區(qū)，因此有：(143 Nd/144Nd)(t)= (143 Nd/144

51、Nd)CHUR，(t)聯(lián)立式、和，并將t改寫成TCHUR，則TCHUR=1/*log(143 Nd/144Nd)CHUR-(143 Nd/144Nd)/(147Sm/144Nd)CHUR-(147Sm/144Nd)+1式中TCHUR為樣品相對CHUR的Nd同位素模式年齡，代表地殼物質(zhì)從CHUR中分離的時間或殼幔分異的時間。例如該樣品：(143 Nd/144Nd)=0.512212，計算得(147Sm/144Nd)=0.108489；再取CHUR現(xiàn)今的：(143 Nd/144Nd)CHUR=0.512638，(147Sm/144Nd)CHUR=0.1967；代入公式，得TCHUR=0.737 G

52、a。隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)隨著地殼從地幔中分異，地幔發(fā)生了虧損，因而相對于虧損地幔（DM）計算的Nd同位素模式年齡更合理。通過類似TCHUR的推導，有TDM=1/*log(143 Nd/144Nd)DM-(143 Nd/144Nd)/ (147Sm/144Nd)DM- (147Sm/144Nd)+1式中TDM為樣品相對于虧損地幔的Nd同位素模式年齡，代表地殼物質(zhì)從虧損地幔中分離的時間。(143 Nd/144Nd)DM和(147Sm/144Nd)DM分別為虧損地?，F(xiàn)今的同位素比值。以大洋中脊玄武巖（MORB）為代表，其值一般采用(143 Nd/144Nd)DM=0.513151和(147Sm/

53、144Nd)DM=0.2137來進行計算。例如該樣品：(143 Nd/144Nd)=0.512212，(147Sm/144Nd)=0.108489，經(jīng)計算的其 TDM=1.359Ga。五、Epsilon標記法Epsilon數(shù)值是度量一個樣品或一組樣品相對于一個均一儲庫數(shù)值的偏差，可以作為不同年齡樣品的一個標準化參數(shù)。在Nd同位素研究中，epsilon參數(shù)值是度量一個樣品的(143 Nd/144Nd)比值對一個參照值之間的偏差，參照值通常選用CHUR。通常有三個epsilon計算方法： 等時線的等時線Nd(t)等時線Nd(t)=(143 Nd/144Nd)i/(143 Nd/14Nd)CHUR，

54、(t) -1×104它表示一套樣品在形成時的初始(143 Nd/144Nd)i比值與CHUR的差別，表示為每104的部分。其中(143 Nd/144Nd)i是實驗室測定的一套樣品在形成時（t）的初始值，可用等時線擬合計算獲得；(143 Nd/14Nd)CHUR，(t)是CHUR在時間t的數(shù)值，按式計算獲得。 單個巖石形成時的Nd(t)Nd(t)= (143 Nd/144Nd)(t)/ (143 Nd/14Nd)CHUR，(t) -1 ×104在計算單個樣品的Nd(t)值的時候，時間t的數(shù)值或者取自等時線年齡（這個樣品應屬于這條等時線上）；或者從某些其它同位素地質(zhì)年代學獲得。然后代入式求得(143 Nd/144Nd)(t)；(143 Nd/14Nd)CHUR，(t)的獲得方法同上。例如，該樣品：(143 Nd/144Nd)(0.13)=0.512120，(143 Nd/144Nd)CHUR，(0.13)=0.512471，代入式得，Nd(0.13)= -6.85。符號Nd(t)表示巖石結晶時的(143 Nd/144Nd)(t)相對于當時CHUR的(143 Nd/14Nd)CHUR，(t)比值的偏差。這個值非常有用，可以提供巖漿源區(qū)的信息：Nd(t)0，表明物質(zhì)來自虧損地幔；Nd(t)0，表明物質(zhì)來自