地球化學(xué)階段性作業(yè)31(答案)

1、 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)遠(yuǎn)程與繼續(xù)教育學(xué)院地球化學(xué) 課程作業(yè)3（共 3 次作業(yè)） 學(xué)習(xí)層次：專升本 涉及章節(jié)：第四章第五章一名詞解釋1總分配系數(shù)（Di）：為了解微量元素在巖石與熔體間的分配行為，需計(jì)算微量元素在由不同礦物組成的巖石和熔體間的總分配系數(shù)?？偡峙湎禂?shù)（Di）是用巖石中所有礦物的分配系數(shù)（KDi）與這些礦物在巖石中的相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)(i) 之和來表示。2微量元素：微量元素是相對(duì)主量元素而言的，指在體系中質(zhì)量百分比低于0.1%的元素，同時(shí)它們?cè)隗w系的礦物相中不計(jì)入化學(xué)計(jì)量式的組分，不影響所在體系的物理/化學(xué)特性，近似服從Henry定律。3dEu：表征Eu與REE整體分離程度的參數(shù)。其計(jì)算公式

2、為：Eu=2Eun/（Smn+Gdn）（n表示相對(duì)于球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化）。4放射性同位素：能夠自發(fā)地衰變形成其它核數(shù)，最終轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定核數(shù)的同位素。5. 能斯特分配定律：在一定的溫度和壓力條件下，微量元素在兩共存相中的活度比為常數(shù)。6. 穩(wěn)定同位素：不能自發(fā)地衰變形成其它同位素或由于衰變期長(zhǎng)，其同位素豐度變化可忽略不計(jì)的核素。7. 不相容元素：在一定的溫度和壓力條件下，在部分熔融或巖漿分異結(jié)晶過程中，在固相/熔體相中的總分配系數(shù)<<1的微量元素稱為不相容元素。二簡(jiǎn)答題1. 以Rb-Sr同位素衰變體系為例，說明要正確獲得樣品形成年齡需滿足的條件。答：需滿足的三個(gè)條件為：（1）研究的一組樣品

3、有同時(shí)性和同源性，所謂同源性是指每個(gè)樣品有相同的(87Sr/86Sr)0值。（2）在樣品形成后保持Rb-Sr體系封閉，沒有與外界發(fā)生物質(zhì)上的交換。（3）所測(cè)樣品有較為明顯的Rb/Sr比值差異，以確保獲得一條高質(zhì)量的等時(shí)線。2. 稀土元素配分圖和微量元素蛛網(wǎng)圖的具體做法。答：稀土元素配分圖的做法：（1）將樣品的稀土元素含量（ppm）分別除以某個(gè)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的相應(yīng)元素值（一般是Sun and Mcdonald，1989發(fā)表的球粒隕石或者其他數(shù)據(jù)，如MORB），得到標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)。（2）將各稀土元素按照原子序數(shù)排列作為橫坐標(biāo)。（3）以標(biāo)準(zhǔn)化后的值作為縱坐標(biāo)，作圖，之后，縱坐標(biāo)改為對(duì)數(shù)形式。微量元素蛛網(wǎng)圖

4、的做法：（1）將樣品的微量元素含量（ppm）分別除以某個(gè)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的相應(yīng)元素值（一般采用Sun and Mcdonald，1989發(fā)表的原始地幔數(shù)據(jù)），得到標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)。（2）將微量元素按元素不相容性降低的順序（即巖漿作用過程中總分配系數(shù)增加）排列作為橫坐標(biāo)。（3）以標(biāo)準(zhǔn)化后的值作為縱坐標(biāo)，作圖，之后，縱坐標(biāo)改為對(duì)數(shù)形式。3. 請(qǐng)用圖示分析在巖漿結(jié)晶分異過程中分配系數(shù)KD0.1和KD4這兩個(gè)微量元素的地球化學(xué)行為，并輔以簡(jiǎn)單說明。答：分配系數(shù)KD0.1（明顯小于1）的元素為不相容元素，隨著巖漿結(jié)晶程度的增長(zhǎng)（F 由1 趨向0），該元素在殘余熔體中富集起來（如圖上部曲線），即逐漸增大，理論上可增

5、至原始巖漿濃度10 倍以上。分配系數(shù)KD4（大于1 ）的元素為相容元素，隨著結(jié)晶程度的增加，元素傾向在晶出的礦物中富集，隨礦物析出，而在殘余巖漿中逐漸貧化（見圖左部曲線）。4. 簡(jiǎn)述元素總分配系數(shù)的涵義；若知Ni在橄欖石和斜方輝石間的分配系數(shù)KNiol/opx=3.82 (1025,1atm)，某火山熔巖中橄欖石Ni含量CNiol=2000ppm，計(jì)算與其平衡的斜方輝石中Ni含量。答：能斯特分配定律：在一定的溫度和壓力條件下，微量組分在兩共存相中的活度比為常數(shù)。將微量元素在兩相之間的活度筆直稱之為分配系數(shù)（KD）。KNiol/opx=3.82=CNiol/ CNiopx=2000/CNiopx

6、 得到CNiopx =2000/3.82=523.6ppm5. 簡(jiǎn)述影響同位素組成的主要因素。答：放射性同位素主要受同位素衰變作用影響：有-衰變、電子捕獲、- 衰變、重核裂變等；穩(wěn)定同位素組成變化主要受同位素分餾作用的影響，同位素分餾作用有：物理分餾、動(dòng)力分餾、平衡分餾、生物化學(xué)分餾等。6. 總結(jié)元素分配系數(shù)的影響因素。答：影響元素分配系數(shù)的因素包括溫度、壓力、體系的物質(zhì)組成、氧逸度及礦物結(jié)晶速度等。（1）溫度：由能斯特分配定律可知，lnKD=-(H/RT)+B，可見分配系數(shù)與體系的溫度導(dǎo)數(shù)呈線性關(guān)系，溫度越高，元素在平衡共存兩相中的分配系數(shù)趨于減小。（2）壓力：多數(shù)情況下分配系數(shù)主要涉及的物

7、相均為凝結(jié)相（固體、熔體和流體），對(duì)壓力的敏感程度有限。但當(dāng)體系中出現(xiàn)氣相時(shí)，壓力對(duì)分配系數(shù)的影響將有所體現(xiàn)?？偟膩碇v，壓力的增大會(huì)導(dǎo)致元素分配系數(shù)的相應(yīng)增加。（3）體系的組成：巖漿（熔體相）的化學(xué)成分變化直接會(huì)影響到元素的分配。例如，Cs、Ba、Sr及部分稀土元素在不混熔的基性和酸性熔體中的分配存在較大差異，分配在酸性熔體中的Cs是基性熔體中的3倍，Ba、Sr為1.5倍，其他元素為2.3-4.3倍；火山巖中斜長(zhǎng)石中鈣長(zhǎng)石含量的增加，會(huì)引起多數(shù)稀土元素尤其是Eu的分配系數(shù)起伏變化，以Eu為例，隨An含量的增加，其分配系數(shù)趨于減少；在平衡的金紅石和熔體之間，Nb元素的分配系數(shù)會(huì)因熔體中K2O/(

8、K2O + Al2O3)（摩爾比值）的增加而逐漸降低；再比如，在典型的造巖礦物中如橄欖石、輝石類及石榴石中，稀土元素的分配系數(shù)表現(xiàn)出明顯的差異，即使在同種礦物內(nèi)部，稀土元素彼此之間的分配系數(shù)也有較大差別。（4）由于不同的氧逸度環(huán)境下，變價(jià)元素會(huì)表現(xiàn)出不同的價(jià)態(tài)，并進(jìn)而具有不同的地球化學(xué)遷移和分配行為，因此，一般而言，體系的氧化還原環(huán)境對(duì)元素分配系數(shù)的影響主要表現(xiàn)為氧逸度越高，元素的分配系數(shù)趨于減小。（5）多數(shù)情況下，若礦物結(jié)晶速度慢，則有利于元素?cái)U(kuò)散進(jìn)入礦物相，結(jié)晶速度慢，進(jìn)入礦物相的元素含量相對(duì)較少，因此，礦物結(jié)晶速度直接影響元素在礦物體系的分配量和分布特征，并進(jìn)而影響到元素在礦物與另一相態(tài)

9、之間的分配系數(shù)。7. 放射性同位素衰變定律。答：放射性同位素衰變遵循：（1）衰變作用是發(fā)生在原子核內(nèi)部的反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)果由一種核素變成另一種核素；（2）衰變自發(fā)、不斷地進(jìn)行，并有恒定的衰變比例；（3）衰變反應(yīng)不受溫度、壓力、電磁場(chǎng)和原子核存在形式等物理化學(xué)條件的影響；（4）衰變前和衰變后核數(shù)的原子數(shù)只是時(shí)間的函數(shù)。根據(jù)放射性同位素以上特性，放射性同位素衰變定律為：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)衰變的原子數(shù)與現(xiàn)存放射性母體的原子數(shù)成正比。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：-dN/dt=N。8. 穩(wěn)定同位素的地球化學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域。答：基本可以概括為三點(diǎn)應(yīng)用，包括（1）同位素地質(zhì)溫度計(jì)：如礦物對(duì)氧同位素測(cè)溫；（2）同位素地球化學(xué)示蹤：如應(yīng)用氧

10、同位素組成確定巖石的成因（殼源/幔源）或構(gòu)造背景，大氣圈、水圈和生物圈循環(huán)和環(huán)境科學(xué)等；（3）物理化學(xué)過程識(shí)別：如對(duì)動(dòng)物化石進(jìn)行C同位素分析，確定其是否屬于C4(木本？)或C3(草本？)類植物的食用動(dòng)物。9. 簡(jiǎn)要說明同位素地球化學(xué)在地學(xué)研究上的應(yīng)用。答：總的來講可以概括為：（1）計(jì)時(shí)作用：每一對(duì)放射性同位素都是一只時(shí)鐘，可以記錄許多地質(zhì)事件和測(cè)定各種地質(zhì)體的年齡。（2）示蹤作用：利用同位素的組成及其變化指示地質(zhì)體形成的環(huán)境、機(jī)制，示蹤物質(zhì)來源。（3）測(cè)溫作用：由于某些礦物同位素成分變化與其形成溫度有關(guān)，為此可設(shè)計(jì)各種礦物對(duì)的同位素溫度計(jì)，測(cè)定成巖、成礦溫度。10. 請(qǐng)說明Rb-Sr定年體系的

11、適用對(duì)象和范圍。答：（1）含鉀的礦物是Rb-Sr法定年的主要對(duì)象；（2）Rb-Sr全巖等時(shí)線法主要適用于基性、中性和中酸性巖漿巖形成年齡的測(cè)定；（3）變質(zhì)巖由于受變質(zhì)作用影響，使得對(duì)變質(zhì)巖原巖的Rb-Sr 同位素進(jìn)行了改造，因此，等時(shí)年齡往往不能提供原巖形成年齡的信息，而往往代表變質(zhì)事件的年齡或無意義的年齡；（4）Rb-Sr全巖等時(shí)線法很少用于沉積巖的年齡測(cè)定。三問答題1、以Rb-Sr衰變體系為例，推導(dǎo)同位素等時(shí)線年齡獲取的基本方程。若已知某黑云母花崗閃長(zhǎng)巖巖體，試說明用哪幾種同位素定年法能獲得該巖體的形成年齡？答：同位素衰變定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：D*=N（et-1），其中為衰變常數(shù)、t為時(shí)間，

12、N為現(xiàn)今殘存的母體原子數(shù)，D*為現(xiàn)今因母體衰變積累的字體核數(shù)含量。據(jù)此可以得出時(shí)間T=1/ln（1+D/N）。對(duì)Rb-Sr體系而言，依據(jù)上述定律，可以得到：87Sr=87Rb（et-1）?？紤]到樣品形成之初，體系當(dāng)中本身含有的87Sr 含量，可以改寫為：87Sr =（87Sr）0+87Rb（et-1）（1）。顯然要獲得樣品的形成年齡，需要了解（87Sr）0值，然而在時(shí)間t未知的情況下，該值難以準(zhǔn)確獲得。為此人們出設(shè)計(jì)等時(shí)線年齡方法，假定地質(zhì)體中初始Sr分布均勻，而Rb分布不均勻，隨時(shí)間變化，在地質(zhì)不同部位由Rb衰變形成的Sr不一樣，通過擬合出線性方程，獲得Sr初始值和斜率，然后求年齡t。具體操作為：在公式1左右兩邊同時(shí)除以穩(wěn)定同位素86Sr 以提高質(zhì)譜分析本領(lǐng)和精度，得到Rb-Sr等時(shí)線定年的基本公式為：87Sr/86Sr=(87Sr/86Sr)0+87Rb/86Sr(et-1)。記y=87Sr/86Sr，x=87Rb/86Sr，b=(87Sr/86Sr)0，k=(et-1)，構(gòu)筑出直線方程y=kx+b。通過三個(gè)以上數(shù)據(jù)點(diǎn)的測(cè)定，擬合出直線方程，該直線的斜率k=(et-1)，可換算出t=1/ln（1+k）。次即同位素等時(shí)線定年的一般操作流程。獲得高精度等時(shí)線的要求包括：擬合的樣品滿足同時(shí)同源、體系封