化学与地球doc

化学与地球在人类的生存和发展过程中，人类无时无刻地从地球采集和利用资源，也无时无刻地改造着地球。20世纪初，地球化学学科诞生，特别是第二次世界大战后发展迅速，主要表现在地球化学成为了独立的交叉学科。地球化学的任务由解决矿藏—资源问题发展到解决地球科学问题。并建立了较完整的地球化学理论体系，成为当前国际地球科学重大前沿领域。地球化学历经80余年的历史，虽然对它的研究范围、任务的认识已经有了一定的演变和发展：早期研究元素主要解决成岩和成矿作用问题，现今主要通过研究地球的化学组成、化学作用和化学演化，解决地球、地圈、太阳系、行星的形成演化历史。现代学者对地球化学认识的进展，一方面表现为学科研究范围的扩大，另一方面对地球化学研究的着眼点也从“地壳中的原子”和“元素的行为”发展为地球的“化学组成”、“化学演变”，以至“地球和行星演化中的所有化学方面”。因此，地球化学的中心课题是通过观察和揭示这些物体的化学特性、所处的热动力学环境，以及在物体中或与物体有关的系统中发生的作用过程。也就是说。研究元素的行为已不是地球化学研究的主要目标，它已成为研究自然作用过程和地球演化的手段和途径。一、地球的结构及其化学组成1、地球结构地球物理学资料是建立地球内部结构最重要的基础。依据地震波传播速度在地球内部的变化和显示出的间断面，以及地球内部物质密度等的不均匀分布，人们已得出地球具有圈层结构的认识，即地球是由地壳、地幔和地核等不同层圈组成的。2、地壳的化学组成地壳可分为大陆地壳和大洋地壳。大陆占地球表面的41%，大陆地壳的质量占整个地壳质量的79%，加之大陆是人们生活和获取资源的主要场所，因此大陆地壳是地壳化学组成研究的中心。大陆地壳由演化的、低密度的岩石组成，使大陆高于海平面。大陆地壳这种演化的成分在太阳系是独一无二的，也明显有别于洋壳和地幔成分。虽然大陆地壳在质量上仅占整个地球总质量的0.35%，但最重要的不相容元素（如Cs、Rb、K、U、Th和La）在大陆地壳中的总量占地球中这些元素总量的20%以上，因此大陆地壳是一个重要的地球化学储库。大陆地壳的平均厚度为37~40公里，最后的喜马拉雅山脉可达80公里。大陆可分为花岗质的上部地壳和较基性的下部地壳。大陆地壳不易返回地幔，已知最老的大陆地壳年龄为44亿年。海洋壳的厚度通常不足10km，现有的大洋地壳都是中生代以来的产物，基本无花岗岩，且不存在如大陆地壳那样的明显垂向分层。3、矿物的化学组成自然界中，矿物的化学组成是十分复杂的，根据元素相互的基本形式，可分石榴子石-橄榄岩过滤层硅酸盐和氧化物熔体Fe-FeS-Ni固体Fe-Ni变质岩花岗岩辉长岩400km1000km2900km5000kmABEFG地球结构模型CD为单质和化合物两种类型。（1）单质：单质由同种元素自相结合而成，称为自然元素矿物，如自然金、自然铜、石墨、自然硫等。这类矿物在自然界中分布不多。（2）化合物：化合物是由两种或两种以上的元素化合而成。绝大多数的矿物属于此类。根据元素化合的方式，可分为：A、简单化合物：由阴、阳离子结合而成，如食盐（NaCl）、赤铁矿（Fe2O3）、氧化锑（Sb2O3）等。另外，还有一些含酸根的化合物，如方解石（CaCO3）、重晶石（BaSO4）等，也可归入此类。B、复杂化合物：由两种阳离子和两种阴离子或络阴离子所组成，如黄铜矿[CuFeS2]、白云石[CaMg(CO3)2]（又称复盐）等。复杂化合物也可以是由两种或两种以上的简单化合物按一定的比例组合而成，如黄铜矿可看成是CuS和FeS的组合，白云石是CaCO3和MgCO3的组合。矿物的化学成分基本上是固定不变的，遵守化学上的定比定律，每种矿物都可以用化学式表示。它们的化学成分可以在一定的范围内变化，当其变化很小时，可以忽略不计，变化明显时，将导致矿物化学成分的复杂化。二、同位素揭示了地球的发展历史地球在形成宏观地质体的同时，还发生了同位素成分的变异。这种变异记录着地球物质作用发生的时间和条件，同位素化学为研究地球的成因与演化，包括地质时钟、地球热源、大气圈-海洋的相互作用、壳幔相互作用及壳幔演化、成岩成矿作用，构造作用及古气候和古环境记录等方面都提供了重要的有价值的信息。为地球科学从定性到定量的发展做出了重要贡献。自然界的同位素按其原子核的稳定性可以分为放射性同位素和稳定同位素两大类。放射性同位素的原子核是不稳定的，它们以一定方式自发地衰老变成其他核素的同位素。稳定同位素的原子核是稳定的，或者其原子核的变化不能被觉察。目前，凡原子能稳定存在的时间大于1017a的就称为稳定同位素，反之则称为放射性同位素。目前已发现的天然同位素约有340种，其中放射性同位素有67种（人工合成的放射性同位素已达1200多种），稳定同位素273种（其中一部分具有弱放射性）。这两类同位素在原子序数和质量数上具有明显的区别：凡是原子序数大于83，质量数大于209的同位素都是放射性同位素；在原子序数小于83，质量数小于209的同位素中，除14C、40K、87Rb具放射性外，其余都是稳定同位素。稳定同位素又分为轻稳定同位素和重稳定同位素。轻稳定同位素的特点是：①原子量小，同一元素的各同位素间的相对质量差异较大②轻稳定同位素组成变化的主要原因是同位素分馏作用所造成的，其反应是可逆的。重稳定同位素的特点是：原子量大，同一元素各同位素间的相对质量差异小（0.7%~1.2%），环境的物理和化学条件的变化通常不导致重稳定同位素组成改变；同位素组成的变化主要是由放射性同位素衰变造成的，这种变化在地球历史的演变中是单方向进行的、不可逆的。例如，放射成因稳定同位素206Pb、207Pb、208Pb、87Sr、143Nd分别由238U、235U、87Rb、147Sm经衰变形成，因而地质体中铅、锶、铷的同位素组成常受地质体年龄的大小及其中放射性母体同位素丰度的制约。因此，地质体中重稳定同位素的组成变化常常用来研究地球、地质体的演化和成岩成矿作用等，是一个极为重要的地球化学参数和示踪剂。三、元素的迁移和循环元素的重新组合常伴随元素的空间位移及元素在系统不同部分状态的转化，这样的过程称作元素的地球化学迁移，它是包含了体系物理化学条件和迁移介质特性等制约关系变化的动态过程。元素的分布、分配、共生组合和分散、集中等特征，实质上是自然界原子结合、转化及迁移运动的结果和表现。元素迁移的自然过程是难以直接观察的，但是只要系统地对比各种地质和地球化学的实际资料，研究产生实际结果的原因和和条件，就能够得出元素的迁移规律。例如，通过对一条矿脉的考查，根据矿体和相关岩石中在成矿前后元素含量的变化及围岩的蚀变特征，就能追踪元素迁移的过程；通过矿脉中矿物形成的化学反应可以推断成矿流体的组成和性质；综合对反应和过程的认识，可以判断元素发生活化、转移和富集的化学机制。在不同条件下元素迁移过程的相互转换，有些元素的迁移链可以首尾相接，构成迁移循环。四、现代地球化学的研究20世纪70年代以来，地球化学进入了现代地球化学发展阶段。现代地球化学的主要特征可概括如下：1、各种精密、灵敏、高效的分析技术不断引入，微区、微量分析（X光荧光分析、等离子光量计、精密质谱仪、电子探针等）和实验模拟技术不断得到改进；随宇航、超深钻、深海探测等研究的进展，人类得以更全面深入地观察和认识地球。2、基础科学成果的引入和广泛运用，提高了地球化学的理解能力和认识深度。如化学热力学、化学动力学和量子力学新理论的引入，又如随板块理论的掘起和随之而来的对岩石圈-地幔性质和演化的兴趣，以及登月、陨石资料的积累等，促使地球化学突破了原来的研究范围，并向定量化、模型化、预测化的方向大大地跨进了一步。3、地球化学与相邻学科的相互渗透和结合是它不断开拓前进的重要动力。目前地球化学分支学科早已超过20多个，这些分支学科各自有一定的研究领域和明确的研究任务，在理论上和方法上均自成体系。4、随着电子计算机的普及及电子技术的不断提升，地球化学“正在进入一个对自然过程进行全面、广泛的数字模拟的阶段”。5、地球化学在解决与人类息息相关的诸如矿产资源、能源、环境以及地震等问题方面提供了重要途径，做出了实际成果。地球化学在解决自然科学的重大基础问题——生命起源、地球与天体的形成演化、元素的合成等问题的研究中，正在发挥越来越大的作用。五、现代地球化学的发展趋势1、由经验性研究向理论化方向发展，地球化学已有可能将对地壳和地幔中化学作用的研究与模拟实验研究相结合，即将逆向研究与正向研究相结合。2、不断引用相邻学科的最新理论和技术，使地球化学研究继续由定性研究向定量研究发展。3、为避免单项研究造成的结论的多解性，研究正在向与地球科学系统内其他学科及与相邻学科间密切结合的方向发展，即重视对同一科学问题进行综合探索。4、以地球化学理论、方法的不断发展为支持，地球化学参与重大科学问题研究的能力不断增强。如已积极参与地球和生命的起源、地幔柱的活动、地球动力学、造山带形成、地壳和大气圈的形成和演化等重大基础课题的研究等。从地球化学的学科特点、研究现状和发展趋势来看，现代地球化学已经显示出作为一个系统学科、全面研究地球-太阳系形成演化过程化学机制的突出标志和趋向。