地球化學(xué)的學(xué)科特點(diǎn)

地球化學(xué)的學(xué)科特點(diǎn)是地球科學(xué)的一部分：以地球、地殼及地質(zhì)作用體系為研究對象。研究的重點(diǎn)/方向：地球系統(tǒng)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)（含地質(zhì)運(yùn)動(dòng)）中物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。通過研究和分析元素和同位素在地質(zhì)體系中的行為和演變，應(yīng)用地球化學(xué)的基本原理來示蹤地質(zhì)體系運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，例如：巖漿形成的深度、來源、礦床形成環(huán)境等等。理論基礎(chǔ)：化學(xué)類學(xué)科——無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)、熱力學(xué)、解析化學(xué)等，此外還有物理性和數(shù)學(xué)等。學(xué)科分支眾多：海洋地球化學(xué)、生物地球化學(xué)、環(huán)境地球化學(xué)、區(qū)域地球化學(xué)、個(gè)別元素地球化學(xué)、成巖成礦地球化學(xué)、同位素地球化學(xué)和地球化學(xué)熱力學(xué)。應(yīng)用性強(qiáng)：比如環(huán)境地球化學(xué)是環(huán)境科學(xué)的核心（酸雨、臭氧空洞的形成、全球變暖和溫室效應(yīng)），應(yīng)用地球化學(xué)的方法和手段找礦。年輕的發(fā)展中的科學(xué)（約100年的發(fā)展歷史）地球化學(xué)的基本問題地球系統(tǒng)中元素和同位素的組成（abundanceanddistribution）問題元素的共生組合和賦存狀態(tài)問題元素的共生組合：具有相同或相似遷移歷史和分配規(guī)律的各種元素在地質(zhì)體中有規(guī)律的組合。元素的遷移和循環(huán)地球化學(xué)的遷移：元素的重新組合常伴隨元素的空間位移及元素在系統(tǒng)不同部分狀態(tài)的轉(zhuǎn)化，該遷移涉及體系的物理化學(xué)條件和遷移介質(zhì)特性等制約關(guān)系變化的動(dòng)態(tài)過程。地球的歷史和演化通過元素或同位素的變異來揭示地質(zhì)作用過程的特征，稱為微量元素或同位素“示蹤”。X-射線熒光光譜（XRF）電感耦合等離子體發(fā)射光譜（ICP-AES）豐度：指化學(xué)元素在地球化學(xué)系統(tǒng)（太陽、行星、隕石、地球、地圈、地殼）中的平均分布量。分布：元素的分布指的是元素在一個(gè)化學(xué)體系中（太陽、隕石、地球、地殼、某地區(qū)等）的整體總含量。分配：元素的分配指的是元素在各地球化學(xué)體系內(nèi)各個(gè)區(qū)域或區(qū)段中的含量分布是整體，分配是局部，兩者是一個(gè)相對的概念，既有聯(lián)系又有區(qū)別。太陽系元素豐度具有以下規(guī)律：（1）.H和He是豐度最高的兩種元素，這兩種元素幾乎占了太陽中全部原子數(shù)目的98％（2）.原子序數(shù)較低的元素區(qū)間，元素豐度隨原子序數(shù)增大呈指數(shù)遞減，而在原子序數(shù)較大的區(qū)間（Z＞45）各元素豐度值很相近（3）.原子序數(shù)為偶數(shù)的元素其豐度大大高于相鄰原子序數(shù)為奇數(shù)的元素。具有偶數(shù)質(zhì)子數(shù)（P）或偶數(shù)中子數(shù)（N）的核素豐度總是高于具有奇數(shù)P或N的核素，這一規(guī)律稱為Oddo－Harkins（奧多--哈根斯）法則，亦即奇偶規(guī)律。（4）.質(zhì)量數(shù)為4的倍數(shù)（即α粒子質(zhì)量的倍數(shù)）的核素或同位素具有較高豐度。此外還有人指出，原子序數(shù)（Z）或中子數(shù)（N）為“幻數(shù)”（2、8、20、50、82和126等）的核素或同位素豐度最大。例如，4He（Z=2，N＝2）、16O（Z=8，N=8）、40Ca（Z=20，N=20）和140Ce（Z=58，N=82）等都具有較高的豐度（5）.Li、Be和B具有很低的豐度，屬于強(qiáng)虧損的元素。（6）.而O和Fe呈現(xiàn)明顯的峰，為過剩元素。太陽系元素豐度與元素原子結(jié)構(gòu)及元素形成的整個(gè)過程之間存在著某種關(guān)系（1）.與元素原子結(jié)構(gòu)的關(guān)系。原子核由質(zhì)子和中子組成，其間既有核力又有庫侖斥力，但中子數(shù)和核子數(shù)比例適當(dāng)時(shí)，核最穩(wěn)定，而具有最穩(wěn)定原子核的元素一般分布最廣。在原子序數(shù)（Z）小于20的輕核中，中子（N）/質(zhì)子（P）＝1時(shí)，核最穩(wěn)定，為此可以說明4He（Z=2，N＝2）、16O（Z=8，N=8）、40Ca（Z=20，N=20）等元素豐度較大的原因。又如偶數(shù)元素與偶數(shù)同位素的原子核內(nèi)，核子傾向成對，它們的自旋力矩相等，而方向相反，量子力學(xué)證明，這種核的穩(wěn)定性較大，因而偶數(shù)元素和偶數(shù)同位素在自然界的分布更廣。（2）.與元素形成的整個(gè)過程有關(guān)。H、He的豐度占主導(dǎo)地位和Li、Be、B等元素的虧損可從元素的起源和形成的整個(gè)過程等方面來分析。根據(jù)恒星合成元素的假說，在恒星高溫條件下（n×106K），可以發(fā)生有原子（H原子核）參加的熱核反應(yīng)，最初時(shí)刻H的“燃燒”產(chǎn)生He，另外在熱核反應(yīng)過程中Li、Be、B迅速轉(zhuǎn)變?yōu)镠e的同位素42He，因此太陽系中Li、Be、B等元素豐度偏低可能是恒星熱核反應(yīng)過程中被消耗掉了的緣故。而O和Fe的豐度異常地高是因?yàn)檫@兩種元素是氦燃燒的穩(wěn)定產(chǎn)物。隕石概念：是從星際空間降落到地球表面上來的太陽系碎片，主要來源于位于火星和木星之間的小行星帶。隕石類型隕石主要是由鎳-鐵合金、結(jié)晶硅酸鹽或兩者的混合物所組成，按成分分三類鐵隕石（2）石隕石（3）鐵石隕石地殼是指從地表（包括陸地表面和海洋底面）開始，深達(dá)莫霍面（M界面）的層殼，它不包括水圈和大氣圈，也不等于巖石圈，僅僅相當(dāng)于巖石圈的上部。大陸地殼可分為上地殼和下地殼，上地殼厚8—12km，由偏酸性的火成巖和沉積巖組成，下地殼主要由麻粒巖、玄武巖等中酸性或中基性巖石組成。地球中最豐富的元素是Fe、O、Si和Mg，如果加上Ni、S、Ca和Al，這8種元素的質(zhì)量占了地球總質(zhì)量的98%。地殼元素豐度特征1.不均一性(1)地殼中元素的相對平均含量是極不均一的。豐度最大的元素是O為47%，與豐度較小的元素Rn（6x10-16）相差達(dá)1017倍，相差十分懸殊。地殼中豐度最大的九種元素O、Si、Al、Fe、CaNa、K、Mg、Ti,占地殼總質(zhì)量的98.13%；前十五種元素占99.61%,其余元素僅占0.39%這表明，地殼中只有少數(shù)元素在數(shù)量上起決定作用，而大部分元素處于從屬地位。(2)時(shí)間上分布的不均一性：隨著地質(zhì)歷史的發(fā)展，元素的活動(dòng)與分布有著明顯的規(guī)律性。地史早期：一些穩(wěn)定元素在地史早期富集成礦。如Au礦主要產(chǎn)在前寒武紀(jì)；Fe礦主要產(chǎn)在前寒武紀(jì)元古代（前寒武紀(jì)變質(zhì)鐵礦占世界鐵礦儲量60%）。地史晚期：一些活潑的不穩(wěn)定元素在地史晚期富集成礦。如Sn、Nb、Ta和W等元素，態(tài)（氣、液、固）、化合物種類和形式、鍵型、價(jià)態(tài)及晶體構(gòu)造中的配位位置等多方面的物理化學(xué)特征固相中元素主要存在形式：1、獨(dú)立礦物2、類質(zhì)同象形式、3、超顯微非結(jié)構(gòu)混入物4、吸附狀態(tài)5、與有機(jī)質(zhì)結(jié)合形式元素地球化學(xué)遷移:當(dāng)環(huán)境發(fā)生物理化學(xué)條件變化,使元素原來的存在形式變得不穩(wěn)定時(shí),為了與環(huán)境達(dá)到新的平衡,元素原來的存在形式自動(dòng)解體,而結(jié)合成一種新的相對穩(wěn)定的方式存在.當(dāng)元素發(fā)生結(jié)合狀態(tài)變化并伴隨有元素的空間位移時(shí),稱元素發(fā)生了地球化學(xué)遷移.其過程包括元素的活化(穩(wěn)定態(tài)轉(zhuǎn)化為非穩(wěn)定態(tài))—轉(zhuǎn)移（隨遷移介質(zhì)發(fā)生空間位移）--固定（沉淀或結(jié)晶出新礦物)元素的地球化學(xué)遷移過程包括了三個(gè)進(jìn)度：元素遷移的標(biāo)志①礦物組合的變化②巖石中元素含量的系統(tǒng)測定和定量計(jì)算③物理化學(xué)條件界面水-巖化學(xué)作用概念又稱為水巖反應(yīng)：是指在地質(zhì)作用過程中，水溶液與礦物巖石間物質(zhì)成分的相互交換作用的化學(xué)反應(yīng)。水-巖化學(xué)作用的基本類型地表?xiàng)l件下的水-巖化學(xué)作用有以下主要類型：1氧化-還原反應(yīng)：2脫水和水解反應(yīng)水解反應(yīng)：水電離的H或OH-進(jìn)入礦物晶格，分別取代其中的陽離子或陰離子，從而使礦物解體形成新礦物。3水合作用4碳酸鹽化和脫碳酸鹽化反應(yīng)5陽離子交換反應(yīng)6高溫水-巖反應(yīng)的其他類型（1）絡(luò)合物和絡(luò)合反應(yīng)：絡(luò)合物：水溶液中的絡(luò)合物是指由兩個(gè)或兩個(gè)以上能獨(dú)立存在的比較簡單的水溶物種組合而成的一種復(fù)雜的水溶物中。絡(luò)合物是成礦元素在水溶液中的重要存在形式。如W，Sn，Mo的絡(luò)合物（教材第100頁）。（2）除CO2外，H2S，H2，NH4，F(xiàn)，B和PO43-，H2O等揮發(fā)性組分經(jīng)常參與高溫水-巖化學(xué)作用。（3）鹽效應(yīng)：當(dāng)溶液中存在大量的易溶鹽類時(shí)，溶液的含鹽度對化合物的溶解度會產(chǎn)生影響，表現(xiàn)為隨溶液中易溶電解質(zhì)濃度的增大將導(dǎo)致其他難溶化合物的溶解度增大。地球中天然水的類型地球中流體變并不單指水溶液相，常見的流體相主要有以下幾種：各類硅酸鹽漿（或稱硅酸鹽熔融提體），包括從酸性到超極性，以及堿性的各類火成巖都是由硅酸鹽漿結(jié)晶形成的硅酸鹽熔融體。以水為主的液體，包括巖漿水，變質(zhì)水，同生水，海水，鹵水，地表水，地?zé)崴?。以碳?xì)浠衔餅橹鞯牧黧w，如石油，天然氣等。（1）活度積原理活度（activity）（教材106頁）：非理想溶液中溶濟(jì)和溶質(zhì)之間有相當(dāng)復(fù)雜的作用,在沒有弄清楚這些相互作用之前,可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對實(shí)際濃度加以校正,即為溶液中具有反應(yīng)能力的”有效離子濃度”,命名為“活度”，常用”α“表示，離子的活度系數(shù)”γ“是離子的有效濃度和離子的實(shí)際濃度之比。α=γ×c活度積：溫度一定時(shí)，難溶強(qiáng)電解質(zhì)溶液中離子活度的乘積為一常數(shù)，這一常數(shù)稱為活度積。由于難溶化合物的溶解度極小，其濃度與活度相當(dāng)，故溶度積與活度積均為常數(shù)。以Ksp表示?；疃确e原理：當(dāng)溶液中某物質(zhì)的離子積達(dá)到和越過該物質(zhì)（化合物）的活度積時(shí)，該物質(zhì)即析出、例如硬石膏（CaSO4）的活度積為6.1*10-5，當(dāng)溶液中Ca2+與SO42-的離子積大于等于6.1