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1、地球化学基础课件第二章第1页，本讲稿共62页一一.自然体系（地球化学体系）自然体系（地球化学体系）按照地球化学的观点，我们将所要按照地球化学的观点，我们将所要研究研究的对象的对象看作是一个看作是一个地球化学体系地球化学体系。地球化学体系的特点是：地球化学体系的特点是：（1 1）有一定的空间；有一定的空间；（2 2）一定的物理化学条件下（温度、压一定的物理化学条件下（温度、压力、力、pHpH、EhEh等等）,处于特定的物理化学状处于特定的物理化学状态；态；第2页，本讲稿共62页（3 3）有一定的时间连续性。有一定的时间连续性。地球化学体系可大可小：一个地球化学体系可大可小：一个矿矿物或岩石单位物
2、或岩石单位可看作是一个地球化学可看作是一个地球化学体系；一个体系；一个区域或地壳、地球、太区域或地壳、地球、太阳系阳系，甚至，甚至整个宇宙整个宇宙也可看作是一个也可看作是一个地球化学体系，都可作为一个地球化地球化学体系，都可作为一个地球化学的研究对象。学的研究对象。第3页，本讲稿共62页二二.复杂系统及其组成研究方复杂系统及其组成研究方法法复杂系统复杂系统:多元（有多元（有内部结构内部结构）组成，系统内）组成，系统内组成组成不均一不均一。确定系统组成的方法确定系统组成的方法：a.a.直接采样直接采样;b.b.光谱分析光谱分析;c.c.由物质的物理由物质的物理性质与成分的对应关系进行推测。性质与
3、成分的对应关系进行推测。第4页，本讲稿共62页估算系统总体化学组成的方法：估算系统总体化学组成的方法：a.a.用用主体主体代表整体（如用太阳的组成代表整体（如用太阳的组成代表太阳系）；代表太阳系）；b.b.在已知各部分成分后，由各部分组成在已知各部分成分后，由各部分组成加权平均加权平均求整体化学组成（如用上中下地求整体化学组成（如用上中下地壳组成求整体地球的化学组成）；壳组成求整体地球的化学组成）；c.c.在在拟定模型拟定模型的基础上，求系统的化学的基础上，求系统的化学组成（如用陨石对比法求地球的化学组成）组成（如用陨石对比法求地球的化学组成）。第5页，本讲稿共62页三、元素的丰度、分布与分配
4、三、元素的丰度、分布与分配 1 1、分布与丰度分布与丰度 体系中元素的含量通常指元素相对含量体系中元素的含量通常指元素相对含量的平均值。的平均值。“丰度丰度”即元素在一个体系中即元素在一个体系中的相对含量的相对含量,又称为元素在体系中的又称为元素在体系中的“分布分布”。体系中元素的体系中元素的丰度值丰度值只反映元素分布的只反映元素分布的一个特征，即元素在体系中分布的趋近倾一个特征，即元素在体系中分布的趋近倾向（平向（平均值均值）。实际上，元素在体系）。实际上，元素在体系空间空间上的分布是不均一上的分布是不均一的，在较大的体系中这的，在较大的体系中这一特征往往更显著。也就是说一特征往往更显著。也
5、就是说分布分布还应反还应反映元素在体系中的映元素在体系中的离散程度离散程度。第6页，本讲稿共62页2 2、分布与分配的关系分布与分配的关系：分布是分布是整体整体，分配，分配是是局部局部.分布分布:是指元素在研究体系中（太阳、陨石、地是指元素在研究体系中（太阳、陨石、地球、地壳、地区等）的球、地壳、地区等）的总体平均总体平均含量。含量。分配分配:指的是元素在研究体系中指的是元素在研究体系中各部分各部分或各区段或各区段中的含量。中的含量。第7页，本讲稿共62页绝对含量单位绝对含量单位相对含量单位相对含量单位T吨吨0/0百分之百分之.10-2Kg千克千克0/00千分之千分之.10-3g克克mg毫克毫
6、克 g()微克微克ppm,/g,g/g,g/T,百万分之百万分之10-6ng毫微克毫微克ppb,ng/g,十亿分之十亿分之10-9pg微微克微微克ppt,pg/g万亿分之万亿分之10-12四四.地球化学研究中常用的含量单位地球化学研究中常用的含量单位第8页，本讲稿共62页1.1.元素丰度是每一个地球化学元素丰度是每一个地球化学体系的基本数据体系的基本数据 可在同一体系或不同体系中用元素的含量值来进可在同一体系或不同体系中用元素的含量值来进行比较，通过行比较，通过纵向（时间）纵向（时间）、横向（空间）横向（空间）上的比上的比较，了解元素较，了解元素动态动态情况，从而建立起元素情况，从而建立起元素
7、集中、集中、分散、迁移活动分散、迁移活动等一些地球化学概念。等一些地球化学概念。人类在探索和了解元素丰度这一课题时人类在探索和了解元素丰度这一课题时建立了建立了近代地球化学。近代地球化学。举例来加深对元素丰度意义的理解！举例来加深对元素丰度意义的理解！五五.研究元素丰度的意义研究元素丰度的意义第9页，本讲稿共62页时间尺度：时间尺度：Ir Ir 元素丰度在元素丰度在K/EK/E界线上的突变，意味着什么？界线上的突变，意味着什么？空间尺度：空间尺度：在世界各地在世界各地K/EK/E界面上界面上Ir Ir 元素丰度亦有相似的变异，这示踪着什么元素丰度亦有相似的变异，这示踪着什么？：18O,13C突
8、变突变Ir(10-9)实例实例西班牙西班牙BarrancodelGrederoK/E剖面剖面Ir含量的变化含量的变化第10页，本讲稿共62页2.2.研研究究元元素素丰丰度度也也是是地地球球科科学学基基础础理理论论问问题的重要素材之一。题的重要素材之一。宇宙天体是怎样起源的？宇宙天体是怎样起源的？地球又是如何形成的？地球又是如何形成的？生命是怎样产生和演化的？生命是怎样产生和演化的？.这些都离不开元素丰度、分布的研究。这些都离不开元素丰度、分布的研究。第11页，本讲稿共62页本章学习的核心目标本章学习的核心目标1 1、从从前前人人研研究究资资料料中中认认识识各各地地球球化化学学体系中元素分布的特
9、征和规律；体系中元素分布的特征和规律；2 2、了解获得这些资料的指导思想和了解获得这些资料的指导思想和途径。途径。第12页，本讲稿共62页1 1 元素在太阳系中的分布规律元素在太阳系中的分布规律陨石是从星际空间降落到地球表面上来的行星物体的碎陨石是从星际空间降落到地球表面上来的行星物体的碎片。陨石是空间化学研究的重要对象，具有重要的研究意片。陨石是空间化学研究的重要对象，具有重要的研究意义：义：它是认识宇宙天体、行星的成分、性质它是认识宇宙天体、行星的成分、性质及其演化的最易获取、数量最大的及其演化的最易获取、数量最大的地外物地外物质质；也是认识地球的组成、内部构造和起源也是认识地球的组成、内
10、部构造和起源的主要资料来源；的主要资料来源；一、陨石的化学成分一、陨石的化学成分第13页，本讲稿共62页陨石中的陨石中的60多种多种有机化合物有机化合物是非生物是非生物合成的合成的“前生物物质前生物物质”，对探索生命前期，对探索生命前期的化学演化开拓了新的途径；的化学演化开拓了新的途径；可作为某些元素和同位素的可作为某些元素和同位素的标准样品标准样品（稀土元素，铅、硫同位素。如美国（稀土元素，铅、硫同位素。如美国CanyonDiable铁陨石铁陨石中的中的Pb、S同位素同位素组成，已经作为组成，已经作为地球初始地球初始Pb同位素组成和同位素组成和碳同位素的标准样品碳同位素的标准样品）。）。第1
11、4页，本讲稿共62页1.1.陨石类型陨石类型 陨陨石石主主要要是是由由镍镍-铁铁合合金金、结结晶晶硅硅酸酸盐盐或或两两者者的的混混合合物物所所组组成成，按按成份分为三类：成份分为三类：1 1）铁铁陨陨石石（sideritesiderite）主主要要由由金金属属Ni,Ni,FeFe（占占98%98%）和和少少量量其他元素组成（其他元素组成（Co,S,P,Cu,Cr,CCo,S,P,Cu,Cr,C等）。等）。2 2）石陨石石陨石（aeroliteaerolite）主要由硅酸盐矿物组成（橄榄石、辉石）。）主要由硅酸盐矿物组成（橄榄石、辉石）。据是否含有球粒硅酸盐结构据是否含有球粒硅酸盐结构 球粒陨石
12、球粒陨石 无球粒陨石无球粒陨石 球球粒粒陨陨石石又又进进一一步步分分为为石石质质球球粒粒陨陨石石和和炭炭质质球球粒粒陨陨石石两两类类，以以前者为主，后者稀少。前者为主，后者稀少。第15页，本讲稿共62页 炭炭质质球球粒粒陨陨石石的的特特征征：由由碳碳的的有有机机化化合合分分子子和和含含水水硅硅酸酸盐盐组组成成。其其数数量量虽虽稀稀少少，但但却却具具有有特特殊殊的的研研究究意意义义，主主要要表现在：表现在：探讨探讨生命起源生命起源；代代 表表 太太 阳阳 星星 云云 平平 均均 化化 学学 成成 分分（Allende Allende 炭炭质质球球粒粒陨陨石石的的元元素素丰丰度度几几乎乎与与太太阳
13、阳中中观观察察到到的的非非挥挥发发性性元元素素丰丰度完全一致）。度完全一致）。第16页，本讲稿共62页3)3)铁铁-石石陨陨石石（sidrolitesidrolite）由由数数量量上上大大体体相相等等的的FeFe、NiNi和和硅硅酸酸盐盐矿矿物物组组成成（过过渡渡类型）。类型）。陨陨石石的的主主要要矿矿物物组组成成：FeFe、Ni Ni 合合金金、橄橄榄榄石石、辉辉石石等等。陨陨石石中中共共发发现现140140种种矿矿物物，其其中中3939种种在在地地球球（地地壳壳浅浅部部）上上未未发发现现过过。例例如如 褐褐硫硫钙钙石石（CaSCaS），陨硫铁（陨硫铁（FeSFeS）。）。这是为什么？还原环
14、境这是为什么？还原环境 第17页，本讲稿共62页2.陨石的平均化学成分陨石的平均化学成分 要计算陨石的平均化学成分必须要解决两个问题：要计算陨石的平均化学成分必须要解决两个问题：首先要了解各种陨石的平均化学成分；首先要了解各种陨石的平均化学成分；其其次次要要统统计计各各类类陨陨石石的的比比例例。（V.M.Goldschmidt V.M.Goldschmidt 采采用用硅硅酸盐：镍酸盐：镍-铁：陨硫铁铁：陨硫铁=10=10：2 2：1 1）其平均成分计算结果如下：其平均成分计算结果如下：元素元素OFeSiMgSNiAl%32.3028.8016.3012.302.121.571.38CaNaCr
15、MnKTiCoP1.330.600.340.210.150.130.120.11第18页，本讲稿共62页3.3.研究陨石的新进展研究陨石的新进展 地外物体（陨石、小行星）撞击地球，将突然改变地表的生地外物体（陨石、小行星）撞击地球，将突然改变地表的生态、环境态、环境,诱发大量生物灭绝，构成了地球演化史中频繁而影响诱发大量生物灭绝，构成了地球演化史中频繁而影响深远的灾变事件，为此深远的灾变事件，为此,对探讨生态环境变化、古生物演化和地对探讨生态环境变化、古生物演化和地层划分均具重要的意义。层划分均具重要的意义。（1 1）撞击坑和玻璃陨石（柯石英、超石英及冲击玻璃撞击坑和玻璃陨石（柯石英、超石英及
16、冲击玻璃）（2 2）生态环境灾变与生物灭绝地球化学证据（生态环境灾变与生物灭绝地球化学证据（E/KE/K、T/PT/P）（3 3）预测与防止（陨石、小行星撞击事件）预测与防止（陨石、小行星撞击事件）（4 4）陨石中有机质陨石中有机质:研究研究生命前期生命前期有机质形成和演化，探索有机质形成和演化，探索地球地球生命物质起源生命物质起源。第19页，本讲稿共62页铁陨石铁陨石陨石坑陨石坑第20页，本讲稿共62页二、太阳系元素丰度规律1 1获得太阳系元素丰度资料的主要途径：获得太阳系元素丰度资料的主要途径：太太阳阳、恒恒星星、星星际际介介质质和和星星系系元元素素丰丰度度的的光光谱谱与与射射电电测测定；
17、定；地地球球、月月球球、陨陨石石、宇宇宙宙尘尘埃埃样样品品的的实实验验室室精精细细分分析和广泛的测定；析和广泛的测定；利利用用空空间间探探测测器器对对行行星星大大气气、表表层层土土壤壤和和岩岩石石成成分的分析；（探路者号、火星）分的分析；（探路者号、火星）太阳风、宇宙线成分测定等太阳风、宇宙线成分测定等 估估算算太太阳阳系系元元素素丰丰度度时时，各各个个学学者者选选取取太太阳阳系系的的物物体体是是不不同的同的.第21页，本讲稿共62页19891989年，年，Anders Anders 发表了太阳系元素发表了太阳系元素和核素最新资料如下：和核素最新资料如下：表表2 21 1太阳系元素丰度太阳系元
18、素丰度（10106 6 SiSi原子原子）（数据表示每（数据表示每106个硅原子中该元素的原子数）个硅原子中该元素的原子数）这是一种估计值，是反映人类当前对太阳系这是一种估计值，是反映人类当前对太阳系的认识水平。的认识水平。它反映了元素在太阳系分布的总体规律。它反映了元素在太阳系分布的总体规律。元素元素1H2He3Li.Andersetal.(1989)2.7910102.7210957.1资料来源资料来源Abundancesoftheelement:Meteoriticandsolar,Cosmochim.Acta,1989,53(1),198-200第22页，本讲稿共62页把太阳系元素丰度
19、的数值取对数把太阳系元素丰度的数值取对数lgC作纵坐标，原子序数（作纵坐标，原子序数（Z）作横坐标）作横坐标。2、太阳系元素丰度规律第23页，本讲稿共62页1)1)在所有元素中在所有元素中H,HeH,He占绝对优势占绝对优势,H,H占占90%,He90%,He占占8%8%。2 2）太阳系元素的太阳系元素的丰度随着原子序数丰度随着原子序数（Z）的增大的增大而减少而减少，曲线开始下降很陡，以后逐渐变缓。在曲线开始下降很陡，以后逐渐变缓。在原子序数大于原子序数大于4545的重元素范围内，丰度曲线近于的重元素范围内，丰度曲线近于水平，丰度值几乎不变。水平，丰度值几乎不变。3 3）偶序数元素的丰度偶序数
20、元素的丰度（）大于相邻奇序数元素的大于相邻奇序数元素的丰度丰度（），这一规律称之为这一规律称之为Oddo-HarkinsOddo-Harkins（奥多（奥多-哈金斯）法则。哈金斯）法则。第24页，本讲稿共62页4 4）与以上的规律相比，与以上的规律相比，Li,Be,B,ScLi,Be,B,Sc具有与它们原子序具有与它们原子序数不相称的数不相称的低低丰度，在较轻元素中丰度，在较轻元素中亏损亏损；而；而O O和和FeFe呈呈明显的峰值，其丰度显著偏明显的峰值，其丰度显著偏高高，为，为过剩过剩元素。元素。5 5）原子序数或中子数为原子序数或中子数为“幻数幻数”（2 2、8 8、2020、5050、8
21、282和和128128等）的核素分布最广，丰度最大。如：等）的核素分布最广，丰度最大。如：4 4HeHe（Z=2,N=2),Z=2,N=2),1616O(Z=8,N=8),O(Z=8,N=8),4040Ca(Z=20,Ca(Z=20,N=20)N=20)等。等。这这些些规规律律是是表表象象，其其原原因因是是什什么么？与与元元素素本本身身原原子子结构有关、结构有关、与元素形成的整个过程有关。与元素形成的整个过程有关。第25页，本讲稿共62页自学思考题自学思考题：（1 1）为什么太阳系中只有前为什么太阳系中只有前1010种元素起主导作用？种元素起主导作用？（2 2）为什么太阳系元素丰度随元素序数增
22、加而逐渐降低？为什么太阳系元素丰度随元素序数增加而逐渐降低？（3 3）Li,Li,Be,Be,B B的的丰丰度度为为什什么么会会亏亏损损？（参参考考书书：陨陨石石、地地球球、太阳系太阳系 法法 阿莱格尔，地质出版社）阿莱格尔，地质出版社）三三 、地球的结构和化学成分、地球的结构和化学成分 (自学）自学思考题：自学思考题：（1 1）地球各层圈元素丰度特征？地球各层圈元素丰度特征？（2 2）地球中元素的分异是如何造成的？地球中元素的分异是如何造成的？第26页，本讲稿共62页22地壳元素的丰度地壳元素的丰度研究地壳元素丰度是地球化学的一项重要的基础任务。地研究地壳元素丰度是地球化学的一项重要的基础任
23、务。地壳丰度是地球各层圈中研究最详细和较正确的。壳丰度是地球各层圈中研究最详细和较正确的。一、地壳元素丰度确定的方法一、地壳元素丰度确定的方法1.1.早期克拉克计算法早期克拉克计算法：是由美国是由美国F.W.ClarkeF.W.Clarke和和H.S.WashingtonH.S.Washington于于19241924年发表的地球年发表的地球化学资料中计算出来的。化学资料中计算出来的。他们的思路是在地壳上部他们的思路是在地壳上部1616公里范围内（最高的山公里范围内（最高的山脉和最深海洋深度接近脉和最深海洋深度接近1616公里）分布着公里）分布着95%95%的岩浆岩，的岩浆岩，4%4%的页岩，
24、的页岩，0.75%0.75%的砂岩，的砂岩，0.25%0.25%的灰岩，而这的灰岩，而这5%5%沉积岩也是岩浆岩派生的，因此认为岩浆岩的平均化沉积岩也是岩浆岩派生的，因此认为岩浆岩的平均化学成分实际上可以代表地壳的平均化学成分。学成分实际上可以代表地壳的平均化学成分。第27页，本讲稿共62页作法：作法：在在世世界界各各大大洲洲和和大大洋洋岛岛屿屿采采集集了了51595159个个不不同同岩岩浆浆岩岩样样品品，其其样样品品的的数数量量相相当当于于这这些些样样品品在在地地球球表表面面分分布布面面积的比例；积的比例；对对5353种元素进行了定量的化学分析；种元素进行了定量的化学分析；采采用用岩岩石石圈
25、圈、水水圈圈、大大气气圈圈的的质质量量比比值值为为93%93%、7%7%、0.03%;0.03%;计算时用算术平均求出整个地壳的平均值。计算时用算术平均求出整个地壳的平均值。意义：意义：开创性的工作，为地球化学发展打下了良好的基础；开创性的工作，为地球化学发展打下了良好的基础；代表陆地区域岩石圈成分，其数据至今仍有参考代表陆地区域岩石圈成分，其数据至今仍有参考价值。价值。第28页，本讲稿共62页2 2简化研究法（取巧研究法）：简化研究法（取巧研究法）：1 1）GoldschmidtGoldschmidt采集了挪威南部冰川成因粘土（采集了挪威南部冰川成因粘土（7777个样）用其成分代表岩石圈平均
26、化学成分，其结果个样）用其成分代表岩石圈平均化学成分，其结果与克拉克的结果相似，但对微量元素的丰度做了大与克拉克的结果相似，但对微量元素的丰度做了大量补充和修订。量补充和修订。2)2)维维诺诺格格拉拉多多夫夫（19621962）岩岩石石比比例例法法是是以以两两份份酸酸性岩加一份基性岩来计算地壳平均化学成分。性岩加一份基性岩来计算地壳平均化学成分。3 3）S SR R泰勒泰勒（19641964、19851985）用太古宙后页岩平）用太古宙后页岩平均值扣除均值扣除20%20%计算上部陆壳元素丰度计算上部陆壳元素丰度 第29页，本讲稿共62页3 3按照地壳模型加权法：按照地壳模型加权法：A.A.波波
27、德德瓦瓦尔尔特特（A.PolderraatA.Polderraat）和和A.BA.B罗罗诺诺夫夫(A.B.POHOB)(A.B.POHOB)及及我我国国黎黎彤彤教教授授采采用用地地壳壳模模型型加加权法计算地壳元素丰度。权法计算地壳元素丰度。优点：优点：按现代地壳结构模型计算；按现代地壳结构模型计算；包括包括2/32/3以上大洋地壳；以上大洋地壳；考虑了地壳物质随深度变化的特征。考虑了地壳物质随深度变化的特征。尽管各家采用的计算方法不同，但所得的地壳主尽管各家采用的计算方法不同，但所得的地壳主要元素的估计值还是相互接近的，这充分说明，要元素的估计值还是相互接近的，这充分说明，其估计值是比较精确的
28、。其估计值是比较精确的。第30页，本讲稿共62页二、地壳元素的丰度特征1 1地地壳壳中中元元素素的的相相对对平平均均含含量量是是极极不不均均一一的的，丰丰度度最最大大的的元元素素是是O O：47%47%，比比丰丰度度最最小小的的元元素素RnRn为为610610-16-16相差达相差达10101717倍。相差十分悬殊。倍。相差十分悬殊。O Si Al Fe Ca Na K Mg Ti O Si Al Fe Ca Na K Mg Ti前五种前五种:82.58%82.58%前九种前九种:98.13%98.13%前十五种元素占前十五种元素占99.61%,99.61%,其余元素仅占其余元素仅占0.39%
29、0.39%这表明：地壳中只有少数元素在数量上起决定作这表明：地壳中只有少数元素在数量上起决定作用，而大部分元素居从属地位。用，而大部分元素居从属地位。第31页，本讲稿共62页地壳中元素原子克拉克值（对数值）与原子序数曲线地壳中元素原子克拉克值（对数值）与原子序数曲线（粗线表示偶原子序数的元素，细线为奇原子序数的元素粗线表示偶原子序数的元素，细线为奇原子序数的元素）第32页，本讲稿共62页2.2.从图上可以看出随着原子序数的增大，从图上可以看出随着原子序数的增大，元素丰度曲线下降。与太阳系元素分布元素丰度曲线下降。与太阳系元素分布规律相似；偶数元素丰度大于相邻奇数规律相似；偶数元素丰度大于相邻奇
30、数元素丰度。但这些规律不如太阳系元素元素丰度。但这些规律不如太阳系元素丰度曲线所反应的规律那么明显。丰度曲线所反应的规律那么明显。这说明地壳元素丰度与太阳系元素丰这说明地壳元素丰度与太阳系元素丰度特征既有统一性又有区别。度特征既有统一性又有区别。第33页，本讲稿共62页3.3.对比地壳、整个地球和太阳系元素丰度数对比地壳、整个地球和太阳系元素丰度数据发现，它们在元素丰度的排序上有很大据发现，它们在元素丰度的排序上有很大的不同：的不同：太阳系：太阳系：HHeONeNCSiMgFeS地球：地球：FeOMgSiNiSCaAlCoNa地壳：地壳：OSiAlFeCaNaKMgTiH第34页，本讲稿共62
31、页现象：现象：与太阳系或宇宙相比，与太阳系或宇宙相比，地壳和地球都地壳和地球都明显地贫明显地贫H,He,Ne,NH,He,Ne,N等气体元素等气体元素；为什么？为什么？而地壳与整个地球相比，而地壳与整个地球相比，则明显贫则明显贫FeFe和和MgMg，同时富集，同时富集Al,KAl,K和和NaNa，这种差，这种差异说明什么呢？异说明什么呢？第35页，本讲稿共62页原因：原因：由宇宙化学体系形成地球的演化（核化学）由宇宙化学体系形成地球的演化（核化学）过程中必然伴随着过程中必然伴随着气态元素的逃逸。气态元素的逃逸。而地球原始的化学演化（电子化学）具而地球原始的化学演化（电子化学）具体表现为体表现为
32、较轻易熔较轻易熔的碱金属铝硅酸盐在地的碱金属铝硅酸盐在地球表层富集，而球表层富集，而较重的难熔较重的难熔镁、铁硅酸盐镁、铁硅酸盐和金属铁则向深部集中。和金属铁则向深部集中。第36页，本讲稿共62页总之，总之，现今地壳中元素丰度特征是由元现今地壳中元素丰度特征是由元素起源直到太阳系、地球、（地壳）素起源直到太阳系、地球、（地壳）的形成和存在至今这一段漫长时期内的形成和存在至今这一段漫长时期内元素演化历史的最终结果元素演化历史的最终结果。第37页，本讲稿共62页4.地壳中元素丰度不是固定不变的，它是地壳中元素丰度不是固定不变的，它是不断变化的不断变化的开放体系。开放体系。n地球表层地球表层H,He
33、等气体元素逐渐脱离等气体元素逐渐脱离n地球重力场；地球重力场；每天降落到地球表层的地外物质每天降落到地球表层的地外物质102105吨；吨；地壳与地幔的物质交换；地壳与地幔的物质交换；放射性元素衰变；放射性元素衰变；人为活动的干扰。人为活动的干扰。第38页，本讲稿共62页三、地壳元素丰度研究的意义元素地壳丰度“元素克拉克值”是地球化学中一个很重要的基础数据。它确定了地壳中各种地球化学作用过程的总背景。它是衡量元素集中、分散及其程度的标尺，本身也是影响元素地球化学行为的重要因素。第39页，本讲稿共62页1.1.控制元素的地球化学行为控制元素的地球化学行为1）支配元素的地球化学行为）支配元素的地球化
34、学行为 丰度丰度地球化学作用浓度地球化学作用浓度 支配行为。支配行为。例如：例如：（丰度高）（丰度高）K,Na天然水中高浓度天然水中高浓度形成各种形成各种独立矿物独立矿物（盐类矿床）（盐类矿床）（丰丰度度低低）Rb,Cs天天然然水水中中极极低低浓浓度度不不能能形形成成各各种种独独立立矿矿物，呈物，呈分散状态分散状态碱金属元素碱金属元素化学性质相似化学性质相似第40页，本讲稿共62页2）限定自然界的矿物种类及种属）限定自然界的矿物种类及种属实验室条件下：化合成数十万种化合物。实验室条件下：化合成数十万种化合物。自然界：自然界：只只有有3000多多种种矿矿物物。矿矿物物种种属属有有限限（其其中中，
35、硅硅酸酸盐盐矿矿物物占占25.5%；氧氧化化物物、氢氢氧氧化化物物12.7%；其其他他含含氧氧酸酸盐盐23.4%；硫硫化化物物、硫硫酸酸盐盐24.7%；卤卤化化物物5.8%；自自然然元元素素4.3%；其它；其它3.3%。）第41页，本讲稿共62页为什么？因为地壳中为什么？因为地壳中O,Si,Al,Fe,K,Na,CaO,Si,Al,Fe,K,Na,Ca等元素丰度等元素丰度最高，浓度大，容易达到形成独立矿物的条件。（酸性最高，浓度大，容易达到形成独立矿物的条件。（酸性岩浆岩的造岩矿物总是长石、石英、云母、角闪石为主）。岩浆岩的造岩矿物总是长石、石英、云母、角闪石为主）。自然界浓度低的元素很难形成
36、独立矿物。自然界浓度低的元素很难形成独立矿物。硒酸锂：硒酸锂：LiLi2 2SeOSeO4 4 硒酸铷：硒酸铷：RbRb2 2SeOSeO4 4 但也有例外：但也有例外：“BeBe”元素地壳丰度很低，却可形成：元素地壳丰度很低，却可形成：BeBe3 3AlAl2 2SiSi6 6OO1818（绿柱石）（绿柱石）第42页，本讲稿共62页3)限制了自然体系的状态限制了自然体系的状态实验室条件下：对体系赋予不同物理化学状态实验室条件下：对体系赋予不同物理化学状态自然界：体系的状态受到限制，其中的一个重要的自然界：体系的状态受到限制，其中的一个重要的因素就是元素丰度的影响因素就是元素丰度的影响O2（游
37、离氧）（游离氧）氧化还原环境氧化还原环境H+(pH)溶液的酸碱度溶液的酸碱度4）对元素亲氧性和亲硫性的限定）对元素亲氧性和亲硫性的限定在地壳在地壳O丰度高，丰度高，S丰度低环境下，丰度低环境下，Ca元素显然是亲元素显然是亲氧的。氧的。在地幔，陨石缺在地幔，陨石缺O富富S环境，能形成环境，能形成CaS（褐硫钙石）（褐硫钙石）第43页，本讲稿共62页2.地壳克拉克值可作为微量元素集中、分散地壳克拉克值可作为微量元素集中、分散的标尺的标尺。1）可以为阐明地球化学省（场）特征提供标准。）可以为阐明地球化学省（场）特征提供标准。资源资源：Mo地壳丰度地壳丰度110-6，东秦岭，东秦岭Mo区域丰度区域丰度
38、2.310-6，Mo的地球化学省。的地球化学省。环境：环境：克山病病区：土壤有效克山病病区：土壤有效Mo、饮水、饮水Mo含量、含量、主食中主食中Mo含量普遍低于地壳背景，导致含量普遍低于地壳背景，导致人体人体Mo低水平。低水平。第44页，本讲稿共62页2）指示特征的地球化学过程）指示特征的地球化学过程某些元素克拉克比值是相对稳定的，当发现这些元素比某些元素克拉克比值是相对稳定的，当发现这些元素比值发生了变化，示踪着某种地球化学过程的发生。值发生了变化，示踪着某种地球化学过程的发生。稀土元素、比值稀土元素、比值Th/U（3.33.5）、）、K/Rb、Zr/Hf、Nb/Ta在地在地壳环境下，性质相
39、似，难以彼此分离，有相对稳定的比值。壳环境下，性质相似，难以彼此分离，有相对稳定的比值。一旦某地区、某地质体中的某元素组比值偏离了地壳正一旦某地区、某地质体中的某元素组比值偏离了地壳正常比值，示踪着某种过程的发生。常比值，示踪着某种过程的发生。Th/U2铀矿化铀矿化Th/U8-10钍矿化钍矿化第45页，本讲稿共62页3)浓度克拉克值和浓集系数浓度克拉克值和浓集系数 1意味该元素在地质体中集中了意味该元素在地质体中集中了1意味该元素在地质体中分散了意味该元素在地质体中分散了反映了元素在地壳中倾向于集中的能力。反映了元素在地壳中倾向于集中的能力。Sb浓集系数浓集系数:25000;Hg:14000;
40、Fe:6第46页，本讲稿共62页3.地壳丰度对地壳能源的限制地壳丰度对地壳能源的限制地壳能源地壳能源太阳能太阳能放射性元素衰变能放射性元素衰变能四四 、地壳元素分布的不均一性地壳元素分布的不均一性整个地球元素分布是不均匀的，地壳也是一样，地壳元素整个地球元素分布是不均匀的，地壳也是一样，地壳元素的分布不论在空间上及时间上都是不均一的（这与地壳，的分布不论在空间上及时间上都是不均一的（这与地壳，乃至于地幔物质分异的整体过程联系起来）。乃至于地幔物质分异的整体过程联系起来）。第47页，本讲稿共62页1.空间上分布的不均一性空间上分布的不均一性垂向深度（陆壳）垂向深度（陆壳）：上下地壳元素丰度的不均
41、匀性：上下地壳元素丰度的不均匀性：上地壳：上地壳：0-812KM偏酸性火成岩、沉积岩偏酸性火成岩、沉积岩下地壳：下地壳：812KM-莫霍面莫霍面麻粒岩、玄武岩麻粒岩、玄武岩Ri=上地壳元素丰度上地壳元素丰度/下地壳元素丰度下地壳元素丰度Ri 1:Ca,Si,Zr,Nd,Pb等。等。Ri1:Cl,C,Cs,K,Rb,U,Th,Bi,Tl,Nb等。等。反映了地壳物质在分异调整过程中的宏观趋势。反映了地壳物质在分异调整过程中的宏观趋势。第48页，本讲稿共62页横向分布横向分布：大陆地壳和海洋地壳的不均一性大陆地壳和海洋地壳的不均一性洋洋壳壳：占占地地球球表表面面60%以以上上，厚厚5-16KM，它它
42、们们的的化化学学成成分分与与地地幔幔物物质质相相似似，以以镁镁、铁铁硅硅酸酸盐盐为为主主，主主要要分分布布着着Cr,Fe,Ni,Pt等亲铁元素。等亲铁元素。陆陆壳壳：占占地地球球表表面面30%，厚厚30-50KM，它它们们的的化化学学成成分分由由铝铝、钾钾硅硅酸酸盐盐组组成成，主主要要分分布布着着亲亲氧氧及及亲亲硫硫元元素素W，Sn，Mo,Cu,Pb,Zn,Ag等。等。陆壳内陆壳内：板块间、区域间、地质体间、岩石间、矿物间元：板块间、区域间、地质体间、岩石间、矿物间元素分布不均一性。素分布不均一性。第49页，本讲稿共62页2.时间上地壳元素分布的不均一性时间上地壳元素分布的不均一性随着地质历史
43、的发展，元素的活动与分布有着明显的规律随着地质历史的发展，元素的活动与分布有着明显的规律性。性。地史早期：地史早期：一些稳定元素在地史早期富集。一些稳定元素在地史早期富集。Au元素：主要产在前寒武纪。元素：主要产在前寒武纪。Fe元素元素:主要产在前寒武纪元古代（前寒武纪变质主要产在前寒武纪元古代（前寒武纪变质铁矿占世界铁矿储量铁矿占世界铁矿储量60%）。）。地史晚期：地史晚期：一些活泼的不稳定元素向着地史晚期富集。一些活泼的不稳定元素向着地史晚期富集。W元素：钨成矿作用高峰期在中生代（燕山期）元素：钨成矿作用高峰期在中生代（燕山期）（Sn,Nb,Ta等）等）第50页，本讲稿共62页世界部分大陆
44、（北美、南非、印度）不同地史世界部分大陆（北美、南非、印度）不同地史时期成矿元素变化规律时期成矿元素变化规律:前寒武纪：前寒武纪：Pt,Fe,Ni,Co,Au,U(占这些元素储占这些元素储量量50%以上以上);古生代古生代:U,Pb,Co,Ni,Pt,其次为其次为W,Sn,Mo,Pb,Zn,Hg等等;中生代中生代:W,Sn,Ag,Sb等等;新生代新生代:Hg,Mo,Cu,Pb,Zn等。等。第51页，本讲稿共62页3 具体区域元素丰度的研究1 1 它是决定区域地壳（岩石圈）体系的物源、物理化学特征的重它是决定区域地壳（岩石圈）体系的物源、物理化学特征的重要基础数据；要基础数据；2 2 为研究各类
45、地质、地球化学作用、分析区域构造演化历史及区为研究各类地质、地球化学作用、分析区域构造演化历史及区域成矿规律提供重要的基础资料；域成矿规律提供重要的基础资料；3 3 为研究区域生态环境，为工业、农业、畜牧业、医疗保健等事业为研究区域生态环境，为工业、农业、畜牧业、医疗保健等事业提供重要信息。提供重要信息。一、区域元素丰度研究的意义第52页，本讲稿共62页1 区域范围的确定（靶区的选择）：根据工作任务和性质来确区域范围的确定（靶区的选择）：根据工作任务和性质来确定；定；区域成矿规律研究：长江中下游区域地球化学研究为例。区域成矿规律研究：长江中下游区域地球化学研究为例。一定的成矿区、带一定的成矿区
46、、带特定的地球化学过程特定的地球化学过程某些元素的特色分布某些元素的特色分布地球化学分区。地球化学分区。2尽可能全面收集前人的地质、地球化学资料，总结前人认识、找尽可能全面收集前人的地质、地球化学资料，总结前人认识、找出工作焦点。出工作焦点。二、二、区域元素丰度研究的思路区域元素丰度研究的思路第53页，本讲稿共62页3了了解解元元素素的的空空间间分分布布规规律律（二二维维、三三维维空空间间岩岩石石圈圈）需需要要样样品品在在空空间间上上要要有有代代表表性性的的展展布布，再再通通过过统统计计方方法法来研究区域内元素丰度分布态势。来研究区域内元素丰度分布态势。4 了解元素在时间上分布规律了解元素在时
47、间上分布规律沉积岩沉积岩：从老到新地层系统剖面研究和样品分析从老到新地层系统剖面研究和样品分析元素在各时期沉积过程中变化趋势；元素在各时期沉积过程中变化趋势；元元素素在在各各时时期期沉沉积积过过程程中中富富集集地地段段（矿矿源源层层）及及它它们们的的赋赋存存形形式；式；各时期沉积作用的岩相古地理环境。各时期沉积作用的岩相古地理环境。岩浆岩：岩浆岩：建立岩浆活动的时间序列，研究元素随时间建立岩浆活动的时间序列，研究元素随时间演化趋势。演化趋势。第54页，本讲稿共62页前加里东期前加里东期基性火山岩基性火山岩（变质为斜长角闪岩）（变质为斜长角闪岩）安山岩、安山玢岩安山岩、安山玢岩加里东期加里东期辉
48、绿岩、辉绿岩、辉长辉绿岩辉长辉绿岩燕山期燕山期花岗闪长岩、花岗闪长岩、花岗斑岩、花岗斑岩、石英斑岩石英斑岩东秦岭钼矿带各期岩浆岩中钼元素丰度变化东秦岭钼矿带各期岩浆岩中钼元素丰度变化第55页，本讲稿共62页提供信息提供信息:东秦岭深源是具富钼的地球化学特征；东秦岭深源是具富钼的地球化学特征；钼元素在中生代燕山期岩浆作用中富集。钼元素在中生代燕山期岩浆作用中富集。5 5 分析元素区域分布的地质分析元素区域分布的地质-地球化学原因地球化学原因 一个地区元素分布现状是整个地质历史过程中元素活动的一个地区元素分布现状是整个地质历史过程中元素活动的暂时状况，是各种地质、地球化学作用的综合结果，每一暂时状
49、况，是各种地质、地球化学作用的综合结果，每一个作用过程个作用过程 特定的元素组合和强度。特定的元素组合和强度。第56页，本讲稿共62页Co,Ni,Cr,V,Ti累加异常累加异常 森林植被覆盖、区域土壤森林植被覆盖、区域土壤地球化学测量；地球化学测量；Co,Ni,Cr,V,Ti Co,Ni,Cr,V,Ti累加异常累加异常南北迥异，为什么？南北迥异，为什么？北侧：华北地台，碳酸盐北侧：华北地台，碳酸盐岩岩 南侧：秦岭褶皱系，南侧：秦岭褶皱系，基性火山岩基性火山岩 界线界线-异常急变带异常急变带-黑沟黑沟断裂带断裂带例例1 1：华北地台南缘与秦岭褶皱系北缘界线（豫西段）：华北地台南缘与秦岭褶皱系北缘
50、界线（豫西段）第57页，本讲稿共62页 在西安一带是中华民族在西安一带是中华民族发祥地之一，周秦汉唐等发祥地之一，周秦汉唐等十几个王朝建过都十几个王朝建过都 天子天子墓葬墓葬“纳百川，容天地纳百川，容天地”水银（水银（HgSHgS辰砂）辰砂）河河流，贵族流，贵族“涂红绘彩涂红绘彩”。地球化学汞气测量来确地球化学汞气测量来确定墓穴空间位置。定墓穴空间位置。例例2 2：秦始皇的陵墓是否已盗？：秦始皇的陵墓是否已盗？第58页，本讲稿共62页三、元素在岩石和矿物中的分配地壳中元素分布不均匀地壳中元素分布不均匀区域元素分布不均区域元素分布不均由各类岩石、矿物引起由各类岩石、矿物引起各类各类岩石、矿物中元