《地球化学》课件

《地球化学》导论欢迎来到地球化学的世界！本课程将带您探索地球的化学组成、过程及其演化我们将从宇宙化学的基础知识开始，逐步深入到岩石圈、大气圈和水圈的化学组成与演化通过学习热力学、动力学以及同位素地球化学的基础知识，您将能够理解地球化学研究的方法，并应用于岩浆岩、沉积岩和变质岩的地球化学研究中最后，我们将探讨水文地球化学、生物地球化学和环境地球化学等重要领域，帮助您了解地球化学在解决环境问题中的应用地球化学的定义与研究对象定义研究对象地球化学是研究地球及其组成部分的化学组成、化学过程•地球各圈层的化学组成、结构和分布规律和化学演化的学科它综合运用化学、地质学、物理学等•元素和同位素在地球各圈层中的迁移、转化和循环过学科的知识，从化学的角度认识地球的形成、演化和未程来•各种地质作用（如岩浆作用、沉积作用、变质作用等）的化学机制和演化规律•地球化学方法在资源勘探、环境保护等领域的应用地球化学与其他学科的关系地质学化学物理学生物学地球化学是地质学的重要地球化学以化学原理为基地球化学需要运用物理学生物地球化学研究生物对分支，为地质学研究提供础，运用化学理论和方法的原理和方法研究地球内地球化学循环的影响，以化学视角和分析手段地研究地球的化学组成和过部的物理化学过程，如地及生物与环境之间的相互质学为地球化学提供研究程化学为地球化学提供球内部的热传递、物质的作用生物学为地球化学对象和地质背景，地球化理论基础和分析技术相变等物理学为地球化提供生物活动的证据和研学则解释地质现象的化学学提供研究手段和理论模究对象机制型地球化学的研究方法野外采样与观察1地球化学研究的基础是获取具有代表性的样品，包括岩石、土壤、水、气体和生物样品野外观察和详细记录地质背景是保证样品代表性的重要环节实验室分析2利用各种化学分析仪器和方法，测定样品中元素和同位素的含量和组成常用的分析方法包括原子吸收光谱法、质谱法、色谱法等数据处理与模型建立3对分析数据进行处理和统计分析，揭示地球化学规律建立地球化学模型，模拟地球化学过程，预测未来发展趋势理论研究与实验模拟4运用热力学、动力学和同位素地球化学等理论，研究地球化学过程的机制进行高温高压实验，模拟地球内部的物理化学条件地球化学的发展简史早期探索118世纪末至19世纪初，人们开始关注地球的化学组成，如岩石的矿物成分和元素的分布地球化学的建立219世纪中叶，克拉克（F.W.Clarke）发表了《地球化学》，标志着地球化学作为一门独立学科的诞生现代地球化学的发展320世纪以来，随着分析技术的进步，地球化学研究进入快速发展时期，涌现出许多新的分支学科，如同位素地球化学、有机地球化学等地球化学的应用4地球化学在资源勘探、环境保护、灾害预测等领域发挥越来越重要的作用宇宙化学基础宇宙的起源与演化元素的宇宙丰度星云假说与行星形成研究宇宙的起源、结构和演化规研究宇宙中各种元素的含量和分探讨星云假说，研究行星的形成律，为理解地球的形成和演化提布规律，为理解地球元素的来源过程和化学组成，为理解地球的供宇宙背景和演化提供依据形成和早期演化提供理论基础宇宙的起源与演化大爆炸宇宙起源于大约138亿年前的一次大爆炸，从一个极小的奇点迅速膨胀元素合成在宇宙早期，通过核聚变反应合成了氢、氦等轻元素重元素主要在恒星内部或超新星爆发过程中形成星系形成引力作用使物质聚集形成星系，星系又进一步聚集形成星系团恒星演化恒星通过核聚变反应发光发热，其演化过程决定了元素的合成和释放元素的宇宙丰度定义规律元素的宇宙丰度是指宇宙中各种元素的相对含量通常以•氢和氦是最丰富的元素，占宇宙总质量的98%以上硅为基准（Si=10^6），表示其他元素的相对原子数•轻元素（如锂、铍、硼）的丰度较低•铁是丰度最高的重元素•原子序数高的元素的丰度逐渐降低星云假说与行星形成星云坍缩形成原行星盘1原始太阳星云在自身引力作用下开星云旋转加速，形成一个扁平的原2始坍缩行星盘形成行星系统行星吸积4最终形成包括太阳和行星在内的行盘中的尘埃和气体逐渐聚集，形成3星系统越来越大的行星地球的形成与早期演化吸积与碰撞地球由星子吸积和碰撞形成，早期地球经历频繁的撞击事件分异作用地球内部发生分异作用，形成地核、地幔和地壳等圈层结构早期大气形成地球早期大气主要由火山气体组成，成分与现在有很大差异海洋形成随着地球温度降低，水蒸气凝结形成海洋地球的圈层结构地壳1地球最外层的固体圈层，分为大陆地壳和海洋地壳地幔2位于地壳之下，占地球体积的80%以上，主要由硅酸盐组成地核3位于地球中心，主要由铁和镍组成，分为液态外核和固态内核地球的化学分异定义原因地球化学分异是指地球内部不同区域化学组成的差异这•重力分异密度大的物质向地球中心沉降，密度小的物种差异是地球演化的重要标志质向上浮升•相变分异不同矿物在不同温度和压力条件下发生相变，导致元素重新分配•岩浆分异岩浆在上升和冷却过程中发生结晶分异，导致元素分离地幔、地核的化学组成地幔地核主要由硅酸盐矿物组成，如橄榄石、辉石等还含有少量主要由铁和镍组成，还含有少量轻元素，如硅、硫、氧金属氧化物和硫化物地幔分为上地幔、过渡带和下地等外核为液态，内核为固态，成分基本相同，但结构不幔，化学组成略有差异同岩石圈的组成与演化岩石圈组成1岩石圈由地壳和上地幔顶部组成，主要由岩石和矿物组成岩浆活动2岩浆活动是岩石圈演化的重要动力，导致岩石圈的化学组成和结构发生变化板块构造3板块构造运动导致岩石圈的物质循环和元素迁移，影响地球化学平衡大气圈的组成与演化现代大气早期大气演化现代大气主要由氮气（78%）和氧气地球早期大气主要由火山气体组成，随着生物的出现和光合作用的进行，（21%）组成，还含有少量氩气、二如二氧化碳、水蒸气、二氧化硫等，大气中的氧气含量逐渐增加，最终形氧化碳、水蒸气等几乎没有氧气成了现代大气水圈的组成与演化海洋淡水冰川海洋是地球上最大的水体，含有大量淡水包括河流、湖泊和地下水，盐度冰川是地球上重要的淡水资源，其化的盐类，主要成分是氯化钠海洋对较低，化学组成受地质背景和气候条学组成反映了大气降水和冰川融水的地球气候和生物圈产生重要影响件的影响特征地球化学热力学基础热力学热力学定律吉布斯自由能热力学是研究能量转化和物质状态变热力学定律是地球化学热力学的基本吉布斯自由能是判断化学反应方向和化的学科地球化学热力学主要研究原理，包括热力学第一定律、第二定平衡状态的重要判据地质过程中的能量变化和化学平衡律和第三定律热力学第一定律内容数学表达式能量守恒与转化定律，即能ΔU=Q-W，其中ΔU表示系量既不会凭空产生，也不会统内能的变化，Q表示系统吸凭空消失，只能从一种形式收的热量，W表示系统对外转化为另一种形式，或者从做的功一个物体转移到另一个物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变应用用于计算地质过程中能量变化，如岩浆上升、火山爆发等热力学第二定律内容在孤立系统中，自发过程总是朝着熵增的方向进行熵是描述系统混乱程度的物理量数学表达式ΔS≥0，其中ΔS表示系统熵的变化对于可逆过程，ΔS=Q/T，其中Q表示系统吸收的热量，T表示热力学温度应用用于判断地质过程的自发性，如矿物的溶解、沉淀等热力学第三定律内容应用在绝对零度（0K）时，完美晶体的熵为零这意味着在绝用于计算矿物的标准熵，为地球化学计算提供基础数据对零度时，系统处于最有序的状态吉布斯自由能数学表达式G=H-TS，其中G表示吉布斯自由2能，H表示焓，T表示热力学温度，S定义表示熵1吉布斯自由能是描述系统在恒温恒压条件下所能做的最大功的物理应用量用于判断化学反应的方向和平衡状态在恒温恒压条件下，ΔG0表示3反应自发进行，ΔG=0表示反应处于平衡状态化学平衡定义平衡常数影响因素化学平衡是指在一定条件下，化学反平衡常数是描述化学平衡状态的物理温度、压力和浓度等因素会影响化学应正反应速率和逆反应速率相等的状量，反映了反应物和生成物之间的相平衡的状态态此时，反应物和生成物的浓度保对含量持不变相平衡相图相律相图是描述物质在不同温度和压力条件下存在的相的状态相律描述了系统自由度、相数和组分数之间的关系相律可图相图可以用于判断物质在不同条件下的相态和相变过以用于判断系统相平衡的稳定性程地球化学动力学基础动力学反应速率活化能动力学是研究化学反应速率和反应机反应速率是指单位时间内反应物浓度活化能是反应物分子转化为活化配合理的学科地球化学动力学主要研究或生成物浓度的变化物所需的最低能量地质过程中化学反应的速率和机理反应速率定义影响因素12反应速率是指单位时间内反应物浓度或生成物浓度•温度温度升高，反应速率加快的变化反应速率的大小反映了反应进行的快慢•浓度浓度增大，反应速率加快•催化剂催化剂可以降低反应的活化能，从而加快反应速率活化能定义影响因素活化能是指反应物分子转化为活化配合物所需的最低能催化剂可以降低反应的活化能，从而加快反应速率催化量活化能的大小反映了反应的难易程度剂通过改变反应途径，降低反应所需的能量同位素地球化学基础同位素定义具有相同质子数但中子数不同的原子互为同位素放射性同位素不稳定同位素发生衰变，释放能量和粒子同位素分馏物理化学过程导致同位素组成发生变化同位素年龄测定利用放射性同位素的衰变规律确定地质事件的年龄同位素的定义与分类定义具有相同质子数但中子数不同的原子互为同位素同位素具有相同的化学性质，但物理性质略有差异分类•稳定同位素不发生放射性衰变，含量稳定•放射性同位素发生放射性衰变，含量随时间减少放射性同位素衰变衰变类型衰变规律•α衰变释放α粒子（氦核）放射性同位素的衰变速率是恒定的，可以用半衰期来描述半衰期是指放射性同位素含量减少一半所需的时间•β衰变释放β粒子（电子或正电子）•γ衰变释放γ射线（高能光子）同位素分馏类型•平衡分馏由热力学平衡控制的2分馏定义•动力学分馏由反应速率差异控同位素分馏是指在物理化学过程1制的分馏中，不同质量的同位素在不同相或不同化合物中的分配比例发生变化的现象应用3同位素分馏可以用于示踪物质来源、判断反应温度和压力等同位素年龄测定原理常用方法利用放射性同位素的衰变规律，测定样品中母体同位素和•铀-铅法适用于测定锆石等矿物的年龄子体同位素的含量，计算样品的年龄•钾-氩法适用于测定云母、角闪石等矿物的年龄•碳-14法适用于测定有机物的年龄稳定同位素地球化学原理利用稳定同位素的分馏效应，示踪物质来源、判断反应条件常用同位素氧、碳、硫、氢等应用古气候重建、环境污染示踪、成矿作用研究等氧同位素地球化学常用同位素分馏效应氧-18和氧-16，通常用δ18O表蒸发、凝结、生物活动等过示氧同位素组成程会导致氧同位素分馏应用古温度重建、水文循环研究、岩浆成因研究等碳同位素地球化学常用同位素分馏效应应用碳-13和碳-12，通常用δ13C表示碳同位光合作用、呼吸作用、甲烷生成等过古植被重建、海洋碳循环研究、石油素组成程会导致碳同位素分馏天然气勘探等硫同位素地球化学常用同位素分馏效应应用硫-34和硫-32，通常用δ34S表示硫氧化还原反应、微生物作用等过程会成矿作用研究、环境污染示踪、古海同位素组成导致硫同位素分馏洋研究等锶同位素地球化学应用常用同位素1•岩浆来源示踪锶-87和锶-86，通常用87Sr/86Sr2•风化剥蚀研究比值表示锶同位素组成•古海洋环境重建铅同位素地球化学常用同位素铅-

206、铅-

207、铅-208和铅-204，通常用铅同位素比值图解表示铅同位素组成应用•地幔源区示踪•地壳演化研究•成矿作用研究岩浆岩地球化学岩浆形成岩浆演化微量元素地幔或地壳部分熔融产生岩浆岩浆上升、冷却、结晶，成分发生变微量元素在岩浆岩中分配，反映岩浆化演化过程岩浆的形成与演化岩浆形成岩浆上升地幔或地壳部分熔融，形成岩浆岩浆密度小于围岩，因此会向上运1熔融的原因可以是温度升高、压力移上升过程中，岩浆可能会发生2降低或加入挥发分冷却和结晶岩浆演化喷发或侵入4岩浆在上升和冷却过程中，会发生岩浆最终会喷发到地表形成火山3结晶分异、同化混染等作用，导致岩，或者侵入到地下形成侵入岩其化学成分发生变化岩浆结晶分异定义类型岩浆结晶分异是指岩浆在冷却过程中，不同矿物按照不同•重力结晶分异密度大的矿物沉降，密度小的矿物上的温度和压力结晶析出，导致岩浆化学成分发生变化的现浮象•流动结晶分异在岩浆流动过程中，先结晶的矿物被带走微量元素在岩浆岩中的分配分配系数相容元素分配系数是指微量元素在矿分配系数大于1的元素，优先物和岩浆之间的浓度比值，进入矿物晶格，称为相容元反映了微量元素在不同相中素的分配规律不相容元素分配系数小于1的元素，优先留在岩浆中，称为不相容元素沉积岩地球化学沉积作用沉积环境沉积岩类型岩石风化、剥蚀、搬运、沉积，形成陆相、海相、湖相，不同环境沉积物碎屑岩、化学沉积岩、生物沉积岩，沉积物化学组成不同成分各异沉积作用与沉积环境风化岩石在地表或近地表条件下，受物理、化学和生物作用而破坏的过程剥蚀风化产物被风、水、冰等外力搬运走的过程搬运风化产物被风、水、冰等外力搬运到沉积盆地的过程沉积搬运到沉积盆地的物质，由于能量降低而沉淀下来的过程沉积岩的化学组成碎屑岩1主要由石英、长石、岩屑等组成，化学成分与母岩有关化学沉积岩2主要由碳酸盐、硅质、铁质等组成，化学成分受沉积环境控制生物沉积岩3主要由生物遗体或生物化学作用形成，化学成分与生物种类有关化学沉积岩碳酸盐岩硅质岩铁质岩主要由方解石、白云石等组成，形成主要由石英、玉髓等组成，形成于深主要由赤铁矿、磁铁矿等组成，形成于海洋或湖泊中海或火山活动区于古代海洋中有机质沉积岩煤油页岩石油和天然气主要由植物遗体堆积而成，富含碳元含有大量的有机质（干酪根），可以由有机质经过复杂的地球化学反应形素，是重要的能源资源提取石油成，是重要的能源资源变质岩地球化学变质相不同温度和压力条件下形成的变质2岩组合，反映了变质作用的强度变质作用1岩石在高温高压条件下发生矿物成分和结构变化的过程流体作用流体在变质作用中起着重要的作用，可以促进元素的迁移和矿物的3重结晶变质作用与变质相变质作用类型•区域变质作用发生在大的区域范围内，受温度和压力的影响•接触变质作用发生在岩浆侵入体周围，受温度的影响•动力变质作用发生在断层带附近，受压力的影响变质相不同温度和压力条件下形成的变质岩组合，如绿片岩相、角闪岩相、麻粒岩相、榴辉岩相等变质岩的化学变化矿物重结晶元素迁移流体加入在变质作用过程中，原岩中的矿物会在变质作用过程中，元素会发生迁流体可以携带元素进入变质岩，改变发生重结晶，形成新的矿物组合移，导致变质岩的化学成分发生变其化学成分化流体在变质作用中的作用传递热量流体可以传递热量，促进变质作用的进行传递物质流体可以携带元素进入或带出变质岩，改变其化学成分催化反应流体可以作为催化剂，促进变质反应的进行改变压力流体的存在可以改变变质岩的压力条件，影响变质作用的进行水文地球化学地表水地下水水体污染河流、湖泊、海洋，化学组成受浅层、深层，化学组成受岩性、工业、农业、生活，污染物影响气候、地质、生物影响水文条件影响水体化学组成地表水的化学组成河流湖泊海洋化学组成受流域内岩石类型、气候条化学组成受湖泊类型、流域特征、水化学组成相对稳定，主要离子包括件、人类活动等因素的影响主要离文条件等因素的影响盐湖的盐度较钠、镁、氯、硫酸根、钙、钾等盐子包括钙、镁、钠、钾、碳酸氢根、高，主要离子包括钠、镁、氯、硫酸度约为

3.5%硫酸根、氯等根等地下水的化学组成径流区2地下水在地下流动，与岩石发生水岩作用，化学组成发生变化补给区1地下水从降水或地表水渗入地下，化学组成受降水或地表水的影响排泄区地下水排泄到地表，化学组成受排3泄方式和环境的影响水体污染与地球化学工业污染农业污染生活污染工业废水排放导致水体重金属、有机化肥、农药使用导致水体氮、磷等营生活污水排放导致水体有机物、细菌物等污染养物质污染等污染生物地球化学生物吸收生物富集生物降解生物从环境中吸收元素，用于生长和生物对某些元素具有选择性吸收和富生物可以降解有机污染物，净化环繁殖集能力境生物对元素迁移的影响吸收和富集生物可以从环境中吸收和富集某些元素，改变元素的分布氧化还原生物可以参与氧化还原反应，改变元素的价态和迁移能力沉淀和溶解生物可以促进元素的沉淀或溶解，影响元素的循环有机物的地球化学循环光合作用呼吸作用1植物通过光合作用将二氧化碳转化生物通过呼吸作用将有机物分解为2为有机物二氧化碳和水沉积作用分解作用4部分有机物被埋藏在沉积物中，形微生物将死亡的生物遗体分解为无3成化石燃料机物环境地球化学土壤污染1重金属、有机污染物等进入土壤，影响土壤质量和生态安全大气污染2工业废气、汽车尾气等排放导致大气污染，影响人体健康和气候变化水体污染3工业废水、生活污水等排放导致水体污染，影响水资源和生态环境土壤污染与地球化学重金属污染有机污染物污染污染修复工业废水、矿山开采等导致土壤重金农药、化肥、工业废弃物等导致土壤采用物理、化学、生物等方法修复污属污染有机污染物污染染土壤大气污染与地球化学污染物影响防治二氧化硫、氮氧化物、颗粒物、挥发大气污染对人体健康、气候变化、生减少污染物排放、提高能源利用效性有机物等是常见的大气污染物态环境产生负面影响率、发展清洁能源是防治大气污染的有效措施。