地球化學的學科特點

地球化學的學科特點是地球科學的一部分：以地球、地殼及地質作用體系為研究對象。研究的重點/方向：地球系統(tǒng)物質運動（含地質運動）中物質的運動規(guī)律。通過研究和分析元素和同位素在地質體系中的行為和演變，應用地球化學的基本原理來示蹤地質體系運動的規(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：化學類學科——無機化學、有機化學、物理化學、熱力學、解析化學等，此外還有物理性和數(shù)學等。學科分支眾多：海洋地球化學、生物地球化學、環(huán)境地球化學、區(qū)域地球化學、個別元素地球化學、成巖成礦地球化學、同位素地球化學和地球化學熱力學。應用性強：比如環(huán)境地球化學是環(huán)境科學的核心（酸雨、臭氧空洞的形成、全球變暖和溫室效應），應用地球化學的方法和手段找礦。年輕的發(fā)展中的科學（約100年的發(fā)展歷史）地球化學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體中有規(guī)律的組合。元素的遷移和循環(huán)地球化學的遷移：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)的轉化，該遷移涉及體系的物理化學條件和遷移介質特性等制約關系變化的動態(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：指化學元素在地球化學系統(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化學體系中（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體系內各個區(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）.質量數(shù)為4的倍數(shù)（即α粒子質量的倍數(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構及元素形成的整個過程之間存在著某種關系（1）.與元素原子結構的關系。原子核由質子和中子組成，其間既有核力又有庫侖斥力，但中子數(shù)和核子數(shù)比例適當時，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）/質子（P）＝1時，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，核子傾向成對，它們的自旋力矩相等，而方向相反，量子力學證明，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）.與元素形成的整個過程有關。H、He的豐度占主導地位和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，最初時刻H的“燃燒”產(chǎn)生He，另外在熱核反應過程中Li、Be、B迅速轉變?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過程中被消耗掉了的緣故。而O和Fe的豐度異常地高是因為這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種元素的質量占了地球總質量的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)時間上分布的不均一性：隨著地質歷史的發(fā)展，元素的活動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；Fe礦主要產(chǎn)在前寒武紀元古代（前寒武紀變質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、價態(tài)及晶體構造中的配位位置等多方面的物理化學特征固相中元素主要存在形式：1、獨立礦物2、類質同象形式、3、超顯微非結構混入物4、吸附狀態(tài)5、與有機質結合形式元素地球化學遷移:當環(huán)境發(fā)生物理化學條件變化,使元素原來的存在形式變得不穩(wěn)定時,為了與環(huán)境達到新的平衡,元素原來的存在形式自動解體,而結合成一種新的相對穩(wěn)定的方式存在.當元素發(fā)生結合狀態(tài)變化并伴隨有元素的空間位移時,稱元素發(fā)生了地球化學遷移.其過程包括元素的活化(穩(wěn)定態(tài)轉化為非穩(wěn)定態(tài))—轉移（隨遷移介質發(fā)生空間位移）--固定（沉淀或結晶出新礦物)元素的地球化學遷移過程包括了三個進度：元素遷移的標志①礦物組合的變化②巖石中元素含量的系統(tǒng)測定和定量計算③物理化學條件界面水-巖化學作用概念又稱為水巖反應：是指在地質作用過程中，水溶液與礦物巖石間物質成分的相互交換作用的化學反應。水-巖化學作用的基本類型地表條件下的水-巖化學作用有以下主要類型：1氧化-還原反應：2脫水和水解反應水解反應：水電離的H或OH-進入礦物晶格，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5陽離子交換反應6高溫水-巖反應的其他類型（1）絡合物和絡合反應：絡合物：水溶液中的絡合物是指由兩個或兩個以上能獨立存在的比較簡單的水溶物種組合而成的一種復雜的水溶物中。絡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-巖化學作用。（3）鹽效應：當溶液中存在大量的易溶鹽類時，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濃度的增大將導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晶形成的硅酸鹽熔融體。以水為主的液體，包括巖漿水，變質水，同生水，海水，鹵水，地表水，地熱水等。以碳氫化合物為主的流體，如石油，天然氣等。（1）活度積原理活度（activity）（教材106頁）：非理想溶液中溶濟和溶質之間有相當復雜的作用,在沒有弄清楚這些相互作用之前,可以根據(jù)實驗數(shù)據(jù)對實際濃度加以校正,即為溶液中具有反應能力的”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際濃度之比。α=γ×c活度積：溫度一定時，難溶強電解質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，故溶度積與活度積均為常數(shù)。以Ksp表示?；疃确e原理：當溶液中某物質的離子積達到和越過該物質（化合物）的活度積時，該物質即析出、例如硬石膏（CaSO4）的活度積為6.1*10-5，當溶液中Ca2+與SO42-的離子積大于等于6.1