地球化學緒論

地球化學課程安排☆主講教師：閉向陽，張利☆聯系電話Q：358768217☆E-mail：bixy@☆課時：48學時，講課☆答疑：時間和地點待定☆考查形式：閉卷考試☆成績評定：平時作業(yè)（3次，占30%）+結業(yè)考試（占70%），☆說明：無故缺課3次及以上者，或一次不完成作業(yè)者，取消考試資格。內容設置緒論第1章太陽系的元素豐度和元素起源第2章地球的化學組成第3章元素的晶體化學性質與元素結合規(guī)律第4章微量元素地球化學第5章放射成因同位素地球化學第6章穩(wěn)定同位素地球化學第7章環(huán)境地球化學第8章生物與有機地球化學專業(yè)參考書※教材：張宏飛等，地球化學，地質出版社，2012※參考教材：1、韓吟文等，地球化學，地質出版社，20032、涂光熾等，地球化學，上海科技出版社，19843、趙倫山，張本仁。地球化學，地質出版社，19884、中國科學院地球化學研究所。高等地球化學，科學出版社，19985、FrancisAlbarede.Geochemistry.CambridgePress,2003專業(yè)文獻1、GeochimicaetCosmochimicaActa2、EarthandPlanetaryScienceLetters3、ChemicalGeology4、ContributionstoMineralogyandPetrology5、Geology6、Lithos7、JournalofPetrology8、JournalofGeophysicalResearch9、中國科學(D輯)、巖石學報、地球化學資料網站資料網站資料網站資料網站地球科學世界出版社GeoScienceWorld（GSW）是由7家地球科學領域的頂尖協會共同建立的非營利型組織，包括：美國石油地質師學會AmericanAssociationofPetroleumGeologists（AAPG）、美國地質協會AmericanGeologicalInstitute（AGI）、美國地質協會GeologicalSocietyofAmerica（GSA）、倫敦地質學會GeologicalSocietyofLondon（GSL）、美國礦物學會MineralogicalSocietyofAmerica（MSA）、美國沉積地質學協會SocietyforSedimentaryGeology（SEPM）和美國地球物理探礦工作者協會SocietyofExplorationGeophysicists（SEG），旨在為研究人員提供最新的地球科學電子信息資源資料網站資料網站資料網站地球化學是怎樣的一門學科？它主要研究哪些問題？地球化學的研究方法如何？它的主要特點是什么？地球化學學科的發(fā)展簡史及現代地球化學發(fā)展趨勢怎樣？緒論為探索地球乃至宇宙的起源與演化提供證據；找到影響國計民生的大礦、巨礦；加速查明全國乃至全球的礦產資源以便在經濟發(fā)展與環(huán)境保護協調部署時有抉擇余地；使農、工業(yè)及城市有更合理的規(guī)劃；為農業(yè)增質增產提供新途經；預警未來環(huán)境污染變化趨勢；使經濟發(fā)展無法避免的大面積散漫型土地污染得以修復。地球化學

1838年瑞士化學家Sch?nbein(申拜因)首次提出了“地球化學”這個名詞；1842年他預言：“一定要有了地球化學，才能有真正的地質科學。”

本章內容一、地球化學及其主要研究內容和任務二、地球化學的基本觀點和方法三、地球化學發(fā)展簡史一、地球化學定義及研究的基本問題地球化學的定義地球化學研究的基本問題1.地球化學的定義地球科學化學化學成分、化學作用化學演化我們認為現代地球化學的定義為：地球化學是研究地球及子系統(含部分宇宙體)的化學組成、化學機制(作用)和化學演化的科學。地球化學從以下幾方面深入理解地球化學的定義研究對象巖漿作用、沉積作用、變質作用、成礦作用、表生作用、生態(tài)環(huán)境……研究形式元素及其同位素的化學運動研究時間包涵了整個地球、地殼演化和全部地質作用時期；對單個元素（同位素）來講，是研究它們的發(fā)生、不斷發(fā)展及螺旋式演化的全部歷史2.地球化學研究的基本問題概括起來有以下幾個基本問題：第一:元素（同位素）在地球及各子系統中的組成（量）第二:元素的共生組合和存在形式（質）第三:研究元素（同位素）的遷移（動）第四:元素的地球化學演化第一:元素（同位素）在地球及各子系統中的組成簡而言之為“量”的研究也就是元素（同位素）的含量及含量在空間、時間及不同地質產狀地質體中的變化；

這一問題是地球化學研究的出發(fā)點和基礎資料。第一:元素（同位素）在地球及各子系統中的組成第二:元素的共生組合和存在形式例如，Cr、Ni、Co以及鉑族元素常常在基性-超基性巖石中共生富集，而鑭系元素（稀土元素）和大離子親石元素等一般在偏酸性的巖石中共生富集，Nb、Ta等高場強元素在地殼巖石中常常出現虧損，而Cu、Pb、Zn等常在熱液礦床中富集。再如，在不同體系中，不同元素的賦存形式也不一樣：在巖石圈中Ti、Cr、Mn等呈氧化物，Cu、Pb、Zn、Ni、Co等多呈硫化物，鉑族元素除少量形成硫化物外，主要呈自然元素和金屬互化物形式存在。地質體內部的各種原子的結合和存在形式不是任意的、靜態(tài)的，而是有條件的、變化的。它們受地質作用物理化學狀態(tài)的控制，是隨著地質歷史的變動而變化的。因此，元素的共生組合和存在形式是地質作用物理化學條件及變動歷史的指示劑。簡而言之為“質”的研究。

例1：早期處于原生還原環(huán)境的黃銅礦(獨立礦物形式)；晚期由于地殼抬升，黃銅礦處于表生氧化環(huán)境（O2、H2O等），最終氧化為可溶的CuSO4；從黃銅礦變?yōu)榱蛩徙~是環(huán)境從還原狀態(tài)轉化為氧化狀態(tài)的指示劑。)(CuSO)(CuFeS42溶于水的離子態(tài)黃銅礦獨立礦物表生環(huán)境?????第三:研究元素的遷移簡而言之是“動”的研究，也就是元素在自然作用體系中的含量和存在形式在時間、空間上的變化。例2：元素從礦源層中活化遷移到沉淀成礦（左圖）①某金屬元素（Cu）呈分散狀態(tài)賦存于礦物顆粒表面。該元素含量較高，形成礦源層；②某個時期，其深部發(fā)生了某地質作用，沿裂隙發(fā)生了熱液活動，礦源層裂隙兩側物理化學狀態(tài)發(fā)生了改變，礦源層中的元素被萃取至流體中遷移；③熱液遷移至上部由于物理化學條件的變化（巖石滲透率、pH……)，流體中元素又以新的結合方式沉淀下來。第四:元素的地球化學演化宇宙、天體是怎樣形成、演化的？地球是如何形成、發(fā)展的？生命是如何起源的？由C、H、O、N等主要元素構成的人類是如何產生的？元素是如何合成的？常量元素微量元素同位素記錄指示恐龍時代恐龍和大量海洋浮游生物在短時期內突然滅絕！原因是什么？地球Ir含量很低(0.001μg/g)，隕石可達0.65μg/g)1、E/K界面上1cm厚粘土中測出Ir元素突然增加了20倍；2、當時保存下來化石的氧同位素成分測定其海水溫度突然上升，最高可達10℃在6500萬年前的某一天，一顆直徑約為10公里的小行星與地球相撞，巨大的沖擊力，使小行星擊穿地殼30公里的厚度，達到地幔，由于高溫高壓，巖石瞬間熔化，水蒸氣、二氧化硫所的產生的大量云霧、塵埃、煙霧直沖大氣圈，形成的濃霧遮住了陽光，使全球氣溫劇烈降低，大面積、高濃度的酸雨，使植物不能進行光合作用，導致生物的嚴重破壞，食草動物、食肉動物餓死的餓死，凍死的凍死。這一災難致使稱霸地球1億多年的恐龍滅絕了；海洋生物也遭受了巨大的災難。根據推測這種“撞擊冬天”持續(xù)了幾年到幾十年。E/K界面上銥等元素的地球化學異常是這一“災變事件”的理想示蹤劑二．地球化學的研究思路及研究方法地球化學的研究思路地球化學的研究方法（一）地球化學研究思路----

見微而知著那就是在地質作用過程中形成宏觀地質體的同時，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的組合的微觀蹤跡，它們包含著重要的定性和定量的地質作用信息，只要應用現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象，便可深入地揭示地質作用的奧秘。概括一句話那就是“見微而知著”。通過觀察原子之微，以求認識地球和地質作用之著。（二）地球化學的研究方法地球化學研究方法的特點研究程序和工作方法1.地球化學研究方法的特點

第一、工作方法應遵循地球科學的思維途徑第一手實際資料來自于對自然地質現象的觀察和研究；

在地球的時空結構中整理和綜合資料；

事實規(guī)律的統計性特征；

反序地追蹤歷史；

結論的推斷性和多解性以及認識的反復深化……第二、地球化學工作者有一個敏銳的地球化學思維第三、具備有定性和定量測定元素含量及鑒別物相的技術和裝置2.研究程序和工作方法地球化學的野外工作方法地球化學的室內研究方法（１）地球化學的野外工作方法宏觀地質調研認識地質現象地球化學樣品采集樣品的布局和采樣要求

①明確的代表性：代表某一地質作用的產物；代表某一成因的、某種產狀的地質體；樣品盡量避免后期作用的疊加等。如花崗巖樣品代表巖漿作用，灰?guī)r樣品代表沉積作用，矽卡巖和大理巖樣品代表熱接觸變質作用；樣品的布局和采樣要求

②樣品的系統性：為了從比較中說明問題，對研究對象在空間上、時間上、不同成因上的樣品應構成一個系列。例如研究礦化特征，應控制采集礦體、礦化、背景段的樣品；有如環(huán)境污染研究，對污染源、污染區(qū)、背景區(qū)的樣品進行系統采集；

樣品的布局和采樣要求③樣品的統計性：地球化學現象同其它地質現象一樣具有統計性規(guī)律，要定量地描述地球化學規(guī)律必須用數理統計的方法，因為一兩個樣品難以有代表意義，必須由一組樣品構成，一組樣品的數量根據研究對象復雜程度、規(guī)模大小及測試方法的難易程度而定。

（２）地球化學的室內研究方法對量的精確測定

對“質”的研究：元素結合形態(tài)和賦存狀態(tài)活動態(tài)金屬提取實驗上海同步輻射光源對地球化學作用過程物理化學條件的測定和計算，包括測定和計算兩大類。如包裹體測溫、測壓、測成分，又有微量元素溫度計、礦物溫度計、同位素溫度計等測定和計算相結合的方法；對體系的pH、Eh、fO2、鹽度、離子強度、礦質濃度等參數進行估算；另外還可進行自然作用時間參數的測定，如同位素年代學。模擬地球化學過程，進行模擬實驗。這種方法在實驗室條件下，使某些地球化學過程再現，以深入了解成巖成礦作用機制或檢驗某些理論推斷，這里包括高溫高壓體系的專門設備的實驗技術以及大量常溫常壓下的實驗研究（溫度可以達到3000℃，超高壓可達1.3兆巴，相當于200km深處地殼壓力）。

北京大學高溫高壓實驗室測試數據的多元統計處理和計算——計算地球化學多元統計理論和電子計算機技術在地球化學研究的應用，大大提高了資料整理的科學性、數據的利用率和計算工作效率；同時數學理論和方法的應用對深入揭示地球化學規(guī)律、科學地描述地球化學現象起到了推動作用，使之地球化學過程數字模擬化。三．地球化學的發(fā)展簡史及發(fā)展趨勢地球化學的發(fā)展簡史地球化學的發(fā)展趨勢（一）地球化學的發(fā)展簡史第一個時期：地球化學資料積累時期（20世紀初到20年代）。在這個時期內地球化學研究主要局限于地殼巖石礦物中的化學成分進行分析統計整理，其代表人物是美國的克拉克(F.W.Clarke)，由于克拉克的工作主要是對大量地殼巖石的地球化學資料進行統計整理，因此他在地球化學發(fā)展歷史中就成了經驗統計方向的創(chuàng)始人。

第二個時期:地球化學學科建立時期（20世紀30年代到50年代）。在歐美著重應用晶體化學理論和方法研究礦物巖石中元素的分配規(guī)律，其創(chuàng)導和奠基人是戈爾德施密特（V.M.

Goldschemidt），他為地球化學研究創(chuàng)造了晶體化學方向。在歐美地球化學發(fā)展的同時，在前蘇聯以維爾納茨基(B.И.Вернадский)和費爾斯曼(A.E.Ферсман)為核心的一個重要的地球化學學派發(fā)展起來了，他們特別強調研究元素的原子在地殼