【地化考研考博試題】09答案

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A 下列題目任選5題，每題20分： 一、解釋概念：①克拉克值；② 濃度克拉克值；③ 濃集系數(shù)。試述克拉克值研究的地球化學(xué)意義。 答：意義：1. 大陸地殼化學(xué)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(biāo)準(zhǔn)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?？梢姶箨懙貧ず痛碡毣蒯５腗ORB在組成上呈很好的互補性，Cs→Mo不相容性較強的元素表現(xiàn)得尤為清楚。霍夫曼進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(guān)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8～10%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(xué)過程的濃度(強度)，從而支配元素地球化學(xué)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(xué)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(biāo)（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(xué)意義。答：意義：（1）是殼幔分異的指示劑。霍夫曼(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(biāo)準(zhǔn)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(xué)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(xué)標(biāo)志，說明已經(jīng)發(fā)生過某種特殊地球化學(xué)過程或地質(zhì)事件或。如使用地球化學(xué)“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(yīng)。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(xué)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(xué)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(dāng)代地球化學(xué)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(dá)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(dá)10-7倍。同時眾多元素呈現(xiàn)出化學(xué)上的多樣性和地球化學(xué)行為的差異性，這種多樣性和差異性導(dǎo)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(xué)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(xué)已經(jīng)成為當(dāng)代地球化學(xué)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(fēng)化等)影響發(fā)生母、子體同位素帶入或遷出；2. 準(zhǔn)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(zhǔn)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(dǎo)致所測年齡的很大誤差。所測地質(zhì)體的年齡應(yīng)與所測地質(zhì)體年齡相當(dāng)；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(yīng)。 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(xué)原理。 B 下列題目任選5題，每題20分： 一、試述地球化學(xué)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：① 類質(zhì)同象；② 類質(zhì)同象混入物；③ 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(guān)。當(dāng)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(xué)角度分析，取決于化合過程反應(yīng)自由能改變△Gr?！鱃r<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(xué)定律：△Gr＝△Hr－T△S，類質(zhì)同象是否發(fā)生以及發(fā)育程度取決于熵效應(yīng)和熱效應(yīng)。熵增是類質(zhì)同象產(chǎn)生的根本原因。△S與元素特性無關(guān)，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(yīng)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(xué)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(biāo)準(zhǔn)化？ 答：1. 消除奇偶效應(yīng)，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(dāng)質(zhì)子與中子數(shù)比例適當(dāng)，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(biāo)準(zhǔn)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(xué)意義。 答：意義：1. 稀土元素總含量ΣREE，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?；浴詭r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 ΣCe/ΣY 。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。ΣCe堿性較ΣY強，隨巖漿作用演化，ΣCe/ΣY比值逐漸增大，ΣCe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(biāo)N表示為標(biāo)準(zhǔn)化后的比值)，是輕、重稀土元素分別對球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化后比值。能反映REE球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)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.δEu和δCe。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(guān)系式：δD=8δ18O+10，在δD/δ18O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(yīng)。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，α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(fù)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(fù)δD和δ18O值，集中了最輕的水，大洋中心出現(xiàn)最重的水。同時δD和δ18O平行變異。在δD/δ18O圖上構(gòu)成自低緯度地區(qū)的海水SMOW(標(biāo)準(zhǔn)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(dá)到同位素交換平衡，即它們形成時必須同時與某一流體達(dá)到平衡。可以通過地質(zhì)和礦物學(xué)研究加以確認(rèn)；(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(dá)到熱力學(xué)平衡時兩種礦物(a,b)間的同位素分餾系數(shù)與溫度關(guān)系式：1000lnαA-B=δa－δb=A(106T-2)+B ，式中αA-B 是礦物對的分餾系數(shù)，δA和δB樣品分別為礦物對兩礦物同位素比值(Rsa)相對于標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)確測定，待測溫度在實驗參數(shù)有效應(yīng)用范圍內(nèi)。