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1、地球化学（一）概述 张德会：同学们，今天给大家讲地球化学，什么是地球化学？他在地球科学中的地位如何？地球化学是地球化学的分支学科，那么地球化学研究的主要内容是什么？地球科学大家庭中的一个新成员在半个多世纪以来，地球化学是迅猛发展，已经成为地球科学的中心学科，他的根本原因是什么？地球化学对于地球科学的作用体现在哪里？那么在本次课程中，我们分五个部分来讲解地球化学。这里面显示的第一个是概述，第二个是元素的地球化学分类，第二是元素在地球和地壳中的分布和分配。三是微迹元素地球化学及其研究意义。五是同位素地球化学及其研究意义。我们先谈第一个问题概述。这一张卡通片是目前地质学家在等矿产资源大国的社会地位的
2、一个显现这一位警察说：“Out of the way，you fool！a GEOLOCIST is coming！地质学家来了，滚开你这个傻瓜。那么地质学从英文讲 geognosay，他是一门自然科学要讲地质化学首先我们要简单给大家讲一下什么是地质学，我们知道自然科学有六大自然科学门类，数理化天地生，地学就像化学物理学一样，是一门自然科学，但是地质学所面对的挑战是不能像化学和物理学那样可以进行实验研究。首先我们说大自然的科学原理，大自然是受到永恒的规律所控制的，那么地质学的数据来自哪里呢？他主要是来自野外和室内的观察，包括野外的地质图，岩石的类型分布和结构，显微镜下的研究，那么在室内研究还有
3、非常重要的一部分，就是实验研究，包括化学实验地球物理实验和模拟实验，由于地质学家感兴趣的问题呈现出空间规模变化极大，他可以小到纳米甚至原子尺度，大呢，到全球乃至宇宙，演化历史是漫长的，以百万年计，因此对于地质学研究是不能进行控制性实验，只能观察自然界已经发生的自然实验的结果。在地质学上有一个重要的假说叫均变论，那么这是霍顿，历史上非常有名的一个国外地质学家提出的，就是 Uniformitarianism The present is the key to the Past，现在是过去的钥匙。那么自然规律是不会改变的，然而过程的速率和强度则可以变化。在地质学中有一个非常重要的概念就是时间的概念，
4、也就是地质学和其他自然科学最大的差异就是时间，这样的时间可能在人类的生命过程中都没有发生过，所以地质过程的速率每年是微米或者每年是厘米以这样的速率在发展。我们举一个例子，大地震可以使地表在几秒钟之内位移几米，但是这种作用呢，可能每隔几百年才出现一次，这就是地质学的时间概念。在时间概念方面，地质过程的速率几乎总是慢于人类对环境影响的速率，那么我们知道常用的时间 S 单位是秒，但是在地球科学中使用该单位是非常不方便的，大多数情况下使用年作单位也太小，地球学家以百万年作为时间的标准单位，10 个 Ma 等于 10 个百万年前，10 个 my 是持续 10 个百万年的时间间隔。这一张图表反映的就是一个
5、地质体，他的形成可以需要数百万年，那么这是一个陨石坑，也就是我们所说的天上来客，他撞上地表形成了陨石坑，这些地质体的形成可能只需要几秒的时间。那么我们人类对我们赖以生存的星球究竟了解了多少呢？这一张图是地球的地壳岩石圈和软流圈的一个剖面图，我们看在图上，反映了地壳岩石圈以及他下部的软流圈，这是目前我们对地质学的认识，就是目前世界全球是由板块所组成的，这个图上反映是 6 大板块，实际上还可以把它细分，实际上有 20 多个板块，包括欧亚板块、美洲板块、太平洋板块、印度澳洲板块、南极洲板块和非洲板块，这一张图是板块运动的方式，那么目前研究表明地幔对流可能是板块运动的驱动机制，在大洋中脊热的轻物质上升
6、，冷的重物质下沉，就构成了对流环，上升流处形成大洋扩张脊，下降流处形成海沟和俯冲带，软流圈顶部水平向流动的物质拖曳了，刚性的岩石圈表层随之运动。这就是板块构造，大陆漂移板块构造的一些基本的概念。那么对于板块边界有三类，一类是离散的板块边界，第二得是汇聚的板块边界，第三类呢，就是走滑，我们有时候也叫转换的板块边界，这一张图就是三类板块边界的示意图，在大洋中脊主要是离散的板块边缘，在大洋和大陆发生碰撞有时候俯冲带的地方我们说是汇聚的板块边缘，那么在大洋中还有转换断层的边界，这一张图是大西洋中脊，他是一个典型的离散的板块边缘，这一张图表示的是由于横跨在大西洋中脊上因此冰岛正在被拉开，这一张图是美国的
7、圣安德列斯断层，那么这一条断层就是我们所说的转换断层，这一张图是典型的板块构造俯冲带和大洋中脊的一个示意剖面，我们可以看得出来，在俯冲带的地方是地震的分布带，那么板块构造理论可以解释什么呢，可以解释我们全球地震和火山的分布，可以解释洋壳的形成年龄，可以解释岩石中的磁异常信息以及山脉的年龄和高程的关系。特别是对于全球的地震和火山分布基本上都是分布在我们所说的俯冲带，那么板块构造还有一个什么问题呢，也就是地幔中的对流元胞究竟是怎么回事？为什么大陆地壳与大洋地壳如此不同？这些问题，还有待与今后深入去认识。板块构造最早是以大漂移的观点提出的，是在 1912 年德国学者阿尔弗雷德魏格纳，他是一个气象学家
8、，他首先提出了大陆漂移说，但是遭到了当时大多数地质学家的反对，二次大战后新的数据和事实导致在二十世纪六十年代产生了板块构造革命，现在板块构造学说已经基本为，全世界每一位地质学家所接受，也就是今天地质学的教科书的内容与四十年前的已经井然不同，这是阿尔弗雷德魏格纳的照片，他是大陆漂移之父，同时又是板块构造的主父。这是两亿年前的联合古陆叫泛大陆，当时全球的这些六大板块是汇成了一个板块叫联合古陆，那么这些呢，当时提出大陆漂移非常重要的一个就是，非洲和南美它的这个大陆的形态是具有可拼性的，另外呢，从古生物学地质学的其他证据都表明非洲板块和南美板块原来是在一起的，一块板块那么这是今天的，泛大陆的裂解形成了
9、我们今天看到的六大板块的分布格局，板块构造的驱动力是由地幔对流岩石圈底部的摩擦将能量从软流圈传递到岩石圈，那么这样的对流使得软流圈的物质更新了 4 到 6 次 我们前面谈到的这些就是人类对我们地球的认识，但是实际上人类对地球内部结构和组成的了解更多的是间接的，主要是通过地球物理模拟实验和与天体物质进行对比，所以说我们现在我们的神七又要上天了，但是我们入地还很难，所以说上天容易，入地难，这是一个假想的地球剖面他示意了大陆地壳，洋壳，莫霍面以及岩石圈和软流圈的位置，在这个图的最上面这个小的插图，C 这一张图上，我们看到地球上最深的矿井是南美的一个金矿，他的深度是 3.8 公里，那么他的旁边是世界上
10、最深的超深钻，就是俄罗斯打的超深钻深度是 12公里，那么这就是我们对于地球的深部的认识，但是实际上地壳本身的厚度，平均厚度在30 公里，我们所认识的地壳是非常，在地壳里面也就认识到了 1/3 的厚度，其他的我们主要是通过地球物理，比如说地震波，这一张图我们就是根据地震波我们来确定地球的内部结构，那么地震波有两种，我们叫做体波，当然还有一种面波，那么体波又分为压缩地震波和剪切地震波，压缩地震波又叫主波或者叫纵波，就是波长与传播方向一致在固体和流体中传播的，那么剪切地震波又叫做 S 波又叫做次波，又叫横波他的波长与传统方向垂直，S 波只能在固体中传播，那么根据地震体波的就是 S 波和纵波的反射折射
11、我们可以确定地球内部物质的密度和弹性的突变。那么这一张图可以看得出来，这一个 P 波，就是 VP 和 VS 他的变化，在我们地核的外层圈，他是一个液体的，所以这个 S 波是不能通过的，是 P 波通过的，我们也可以看到正是由于地震波确定了它是根据地球物质的密度有关系的，所以说密度和地震波变换曲线是一致的。这一张图也是地震，我们地球内部的物质密度的一个变化曲线，那么在牛顿时代根据万有引力定律我们已经算出地球的质量是 5.974 乘上 10 的 21 次方吨，这个大概相当于 60 万亿亿吨，那么由此我们就可以得到地球的平均密度，因为我们知道地球的体积，我们就可以得到平均密度是多少呢，是每立方厘米 5
12、.517 克，然而我们现在确定的地表岩石的平均密度只有 2.7 到 2.8 柯，每立方厘米，因此呢，断定地球内部物质的密度一定要大于地球的平均密度，根本地震波速向下增大的规律，可以计算出固体地球不同深度物质的密度，那么这是一个地球内部的一个结构的一个图解，那么分为岩石圈和软流圈，那么岩石圈包括了地壳和地幔的上部，那么中间呢，被莫霍面所分割，这是地壳和地幔的分界。这一张图是地球内部结构的矿物组成的模型，从地壳下部的上地幔，他的矿物是由橄榄石、辉石和石榴石组成的，那么到了上地幔和下地幔的过渡带他主要是由尖晶石，镁铝榴石构成的，到了下地幔他是由后钙钛矿和铁方镁石构成的，那么再往下部就是河幔边界，那么
13、这个河幔边界又叫做地撇撇层，他是在两千六百公里到两千九百公里这个深度，在两千九百公里深度以下就是液体的铁的合金这个地核的外核，那么地核的内核就是固体的，铁内核，以铁为主的内核，是从五千一百公里到六千四百公里，这一张图是地球结构的化学组成模型，那么我们所说的，地球的地幔，他主要是由硅酸盐和氧化物组成的，到了地核的外地核他主要是溶体的，就是铁，硫化亚铁和镍组成，那么内地核就是固体的铁和镍组成的，我们说地球和宇宙都是由永恒运动的物质所构成的，我们从化学的观点看，他就是由 90 种元素和 354 种核素所组成的，地球内部不稳定的核素自发出衰变，释放出能量，提供了物质运动主要能源。于是产生了岩石的熔融，
14、岩浆的侵入，火山的喷溢，构造的变化，地表风化的剥蚀和沉积作用等等，这就造成了全球规模的地质作用，持续几十亿年的构造变动不断的改变着地球的外貌和内部结构，也推动着元素及其同位素的化合、分异、迁移和活动。地质作用经久不息，元素迁移演化不止，地球科学面对的就是一个经历了几十亿年发展演化，目前仍处于强烈变动中的活的一个地球。那么地球作用不停形成了各种宏观地质体，同时造成了地质产物中不同的物质组成以及元素及同位素结合的微观现象。这些微观和宏观现象记录了地球的变迁历史，地球科学任务就是要准确的判读这一宏伟的自然史卷。这是一张地质年代表，这一张年代表从我们最早的太古代一直到第四纪，那费塔经历了 46 亿年的
15、变化，那么分为太古代，元古代，显生宙的古生代到中生代最后到新生代也就是我们所说的包括第四纪在内的。那么这是美国科罗拉多下峡谷南部边缘，我们看这个姑娘所坐的位置实际上是一个很老的时代的地层是在十七亿年前的一个岩石，那么在他和上面的这个沉积的岩石，呈现了一个我们叫做不整合的一个界面，也就是说在 17 亿年到 5.5 亿年之间是一个沉积间断，是一个不整合沉积间断发生构造变动，那么从 5.5 亿年一直到 2.5 亿年这是科罗拉多大峡谷形成的是从寒武纪到二叠纪整个三亿年间隔的整个古层带。那么这一张也是地质历史生物演化的一个图解，我们人类出现在十万年前，这是一个地球地质作用演化的一个图解，主要是一个我们所
16、说的沉积岩的一个演化，从最早的他主要是即性的喷发岩为主，然后随着时代的推移，逐渐的变成陆向喷发岩，变成沉积的杂砂岩，各种砂岩各种黏土岩一直到最后出现蒸发岩，应该呈现的就是从物质成分上来讲，是从简单到复杂，从无序到有序这么一个发展演化的过程。这一张图解是俄罗斯的两为学者，凯德洛夫和耶里马克夫一张图解，这个表示的是整个自然界物质发展的一个图解，这个图解反映出物质的从自然界，整个自然界从星云阶段到行星系到地球和他的表面到形成地壳生命人类，整个自然体系是越来越复杂，物质的特殊的排列，从量子正电子，中子，质子，核子，原子，分子到无机碳到结晶的和胶体分出两支来，到结晶矿物和有机胶体质点，那么这个结晶矿物这
17、个无机界最后发展出岩石最后形成矿床，那么有机界就出现蛋白质、化合物、细胞到动植物到有机质最后出现人类，这是两个分支，那么我们说有机界最高的复杂性的就是人类，那么在无机界里最高的无机界就是矿床，矿床实际上是一种有用金属的堆积体，我们说这个金银铜铁锡，他来自哪里呢他就来自矿床。这个就是一个宇宙地质年代，我们用 11 年每单位，那么大致在我们现在不太确定的，160 亿年的时候呢，这个发生了宇宙大爆炸，形成了银河系，这个叫 BIG BANG，然后在十亿到四十五亿年间行星中核合成形成的元素，形成了各种元素，在 45 亿 46 亿年前形成了我们的太阳系，然后就进入了地质时代，那么人类是在第四纪才开始出现的
18、，所以我们如果假设地球的历史是一年的话，人类出现在第十二个月最后一天的晚上十二点，人类我们说是伟大的，但也是渺小的，这就是新的自然观，你要与大自然和谐相处，我们国家提出的天人合一的观点。那么前面是一个概述，我们说什么是地球科学，那么从地球化学的角度，也就是我们说从化学的观点来看地球的话，地球他是一个巨大的化学机器，也可以叫他一个地球化学工厂，他的驱动力就是地球内部的热和太的热，这个图解就反映了这么一个循环。首先我们看地幔，首先地幔他对流以后，他的深部物质可以带到大洋中脊，温度压力降低，组分分离形成玄武岩，这些岩石主要是富含硅、钾、钙、钠、铝铁以及碱金属，这些元素了，固结成了洋壳，那么这种大洋板
19、块会离开大洋中脊在俯冲带向下进入地幔，又继续产生化学分离，那么形成了流体或者溶体，我们说向上迁移因为他密度比较低，这样的话就呈现富二氧化硅的花岗岩类固结成了我们所说的陆壳。那么地表的岩石暴露于阳光下以后，水和空气会浸透岩石产生水岩反映，就会发生又一次的化学分离，这个时候二氧化硅会集中于型砂和水尺中，铝会进入黏土矿物钙进入辉岩，重金属进入矿石，这是又一个化学机器，我们说地球内部的对流和地表的分化是两部化学机器半独立的运行发生了明显的联系，当新地幔的物质被带到并暴露在地表，分化沉积物再次被带到地下进入地幔对流，那么来自两种作用的能量就建立了物质进入岩石圈，物质的循环。地球的两部化学机器他他是充满物
20、理化学问题的，第一个就是地幔对流，他究竟怎么进行？何时产生？第二就是地球的分异，上地幔的玄武岩是怎么从橄榄岩中形成的他又如何形成了花岗岩，地球上大面积分布的花岗岩是怎么形成的？水和空气如何侵蚀了花岗岩中的矿物？第三个问题就是更深层次的，地幔对流和分异的最终结果是什么？地壳从地幔中分离的过程是怎么样的？地壳物质通过消减作用回到地幔它达到了一种平衡状态了吗？地壳增长的总量如何？第四个问题就是时间问题，在地质历史中，地幔对流分异和消减作用进行了多么长的时间？他们最初是在何时何地开始的？是怎么开始的？第五个问题就是现实主义的问题，我们人类在大陆上建立了家园和文明世纪，那么上述过程是如何影响着大陆地表，
21、化学机器是怎么将一些岩石中的金属集中成矿，又怎么将另一些岩石中的烃类富集为石油、天然气和煤炭，随着人口增长和对地球物质利用量的增加，这个行星的资源还能维持多久，人类活动对地球化学机器产生了怎样的影响？对人类生存环境产生了怎样的影响？这些问题地球化学可以进行回答，下面我们就谈一下什么是地球化学。地球是一个极其复杂的物质体系，地球科学具有众多的分支学科，他们是分别从不同侧面认识地球的过去和现在，地球化学着重是从地球的化学组成化学作用和化学演化，也就是物质的化学运动形式方面来研究地球，地球化学英文叫 geochemistry ，“geology”是我们所说地质学的词头，“chemistry”就是我们
22、知道，大家都清楚的化学，所以说这个词最初是瑞士化学家 Schonbein 于 1838 年提出的，从词源学上讲，地球化学就是地质学和化学的联姻那么地球化学就是用化学的原理和方法技术来解决地球科学问题，也就是可以这样认识，是从化学的角度来理解地球和地球的演化。这一张图解就反映了我们所说的几门基础科自然科学化学、地球科学和物理学之间，化学合地球科学他们之间的融合就形成了地球化学，地球科学就是我们传统的地质学，地球和物理学的结合就形成了地球物理学，那么这三门学科分别对应的就是地球化学主要研究地球的物质科学，就是地球物质科学，地质学它涉及的主要是历史地质学，而地球物理呢，主要系物理地质学，所以地球化学
23、就是研究地球以及有关宇宙体的化学组成化学作用和化学演化的科学，我们举一个例子，就是现在我们研究月球，我们现在不能说，现在我们叫月球化学，我们还叫地球化学，就是地球化学他是研究地球及有关宇宙体的化学组成、化学作用和化学演化的科学。地球化学是研究地球物质组成的基础科学，地球化学有四个目的，第一个是认识元素，在地球和太阳系中的分布规律，第二个是探索地球和宇宙化学组成形成的原因，为什么是这样，而不是那样，第三是研究地球表面地球内部以及太阳系发生的化学反应，第四个综合上述建立地球化学的循环，认识这些循环在过去地质时代是怎么起作用，将来又可能如何变化。所以地球化学研究的基本问题是四个，第一个就是研究地球系
24、统中元素和同位素的组成，包括元素及其同位素的含量在空间时间及不同产状地质体中的变化，也就是元素中的平均含量，我们叫丰度和分布分配问题。这是地球化学的我们称作叫地球化学之父，Goldschmidt 他的一段话，那么地球化学的主要目的是什么呢，就是定量的确定地球和它的其他部分的组成以及发现控制元素分布的规律，这个 Goldschmidt 我们先简单介绍一下，他 1911 年毕业于挪威奥斯陆大学，他毕业时候做的博士论文对地球化学基础理论的贡献，他研究了地球化学的各个方面，包括接触变子现象的物理化学解释以及化学元素的分布等问题，他在德国哥廷根大学建立了第一个地球化学研究所，他的主要贡献就是提出了晶体化
25、学第一定律，运用原子和离子半径以及极化效应成功的阐明了元素公生组合和类质同像，提出了元素的地球化学分类。他去世后部分成果由AMuir 编辑成了地球化学，这是地球化学的经典著作，因此 Goldschmidt 被尊称为地球化学之父。这一张图解就是反映出我们要研究元素在地球及其各层圈，包括地壳、地幔、地核中的平均含量也就是丰度问题，那么这个分布和分配是指什么呢，比如说一个元素，他在橄榄岩玄武岩是怎么分配的，在辉石，斜长石之间是如何分配的，这是一个分配问题。第二个，研究元素的共生组合和赋存形式，元素在地球中他不是单个元素存在的，他是成为化合物存在的，那么更形象的讲就是成为矿物存在的，所以元素的赋存形式
26、又叫做存在形式，赋存状态，就是指元素在地质体中以什么形式存在，比如说化合物形成，氧化物，硫化物，硅酸盐，碳酸盐等等，另外呢，还可以成类质同象混入物，机械混入物，包裹体吸附物等等，由于这个元素的结合形态是地质作用物理化学条件的指示剂，因此元素的存在形式他具有成因意义。第三个我们要研究元素的迁移，元素的地球化学迁移是指什么呢，是指元素的重新组合伴随着元素在空间上的位移，或者一个元素在一个系统不同子系统之间的集中或者分散的就叫元素的地球化学迁移。那么元素的地球化学迁移是地球化学研究的核心问题，举一个例子我们说矿床的形成就是成矿元素集中的结果。第四个研究元素迁移的历史以及地球的演化，我们说地球的演化历
27、史是一个漫长的时间序列，元素和同位素的迁移寓于这种演化过程中的地质作用之中，并且被保存下来，通过微量元素或者同位素我们可以揭示这种演化历史，这就叫做微量元素或者同位素的示踪，这些元素合乎同位素就被称为示踪剂，比如说我们前面提到的板块构造与大洋中脊的扩张，我们可以进行同位素定年来确定大洋中脊扩展的时间。地球化学的研究思路是什么呢？有四个字可以概括，就叫见微知著，就是自然地质作用除形成宏观地质体外，他还造成了大量肉眼难以辨认的常量、微量元素和同位素成分的变化，以及它们之间相互结合和赋存状态的微观踪迹，这些微观踪迹包含着重要的地质作用信息，我们应用现代分析测试手段进行观察研究，就可以深入揭示地质事件
28、的奥秘。这一张图反映出地球化学所处的位置，地球化学是化学和地质学的结合，所以说化学的基础理论是地球化学的基础理论，包括化学物理化学量子化学结构化学等等，那么另一个分支就是地质学，那么地球化学又是我们在地质学中研究地球物质科学的像矿物学，岩石学，矿床学的基础学科，这是地球化学按照不同观点对地球化学进行了分类。那么地球化学呢，也可以把它分成若干个分支，这个我们现在给大家展示的这个图解是六个分支，实际上还可以分得更细，有不同的研究对象，有不同的研究内容，可以把它分得更细，分为晶体化学，低温地球化学，高温地球化学，宇宙地球化学，有机地球化学和同位素地球化学，这是意大利的一个地球化学家，Ottonell
29、o 说的一段话，地球化学是一门令人着迷的一个学科，他为什么着迷呢，就在于它处在我们所说的精确科学，什么是精确科学呢，化学物理学和数学和自然科学之间的一个过渡位置，这是地球化学所处的位置，为什么令人着迷就在此。地球化学的研究对象主要是地球和太阳系或者是我们宇宙中的元素，那么刚才谈到的低温地球化学，高温地球化学实际上又可以称为所谓软岩地球化学，硬岩地球化学，地球化学的研究内容有四个部分。我们可以简单这样分析，他是地球化学原理，地球化学的作用，地球化学的研究方法以及地球化学的应用。原理呢，涉及到原子的电子结构，周期表以及原子量，化学键，离子半径，晶体，晶体中的离子替代，地球化学热力学，反映速率和质量
30、迁移以及表面化学，地球化学作用包括沉积和陈岩作用，电子作用分化和土壤形成以及岩浆的结晶作用，矿床的形成作用。地球化学研究方法是地球化学对地质学的独特的贡献，包括两个方面的内容，就是微迹元素地球化学和同位素地球化学，地球化学的应用可以在化学分化作用，矿床的化学分化作用，地球化学的循环，大气圈的化学，环球地球化学等等方面，等等领域。这个地方是二十一世纪地球化学十大挑战这是美国国家科学研究理事会，2008 年 3 月12 号公布的一份最新的报告，确定了推动地质学和行星科学需优先解答的十个问题。那么加州大学伯克利分校地球化学教授，起草报告的委员会主席唐纳德德帕罗表示，在过去二十年间各个方面均取得了不小
31、的进步，我们现在可以通过微观和宏观的角度给地球勾画一幅更为美好的蓝图，为使这些领域继续前进，应回顾历史，提出更为深刻的根本问题，比如地球和生命的起源，行星结构和动力学，生命和气侯的联系等等。报告是在美国能源部，国家科学基金会，美国地质勘测局和美国宇航局的联合要求下起草的，起草委员会挑选了各种问题覆盖了各种各样的空间尺度原子到行星和时间尺度，过去到现在和将来，那么委员会对地质学界进行了广泛调查最后精选出的十个问题。第一，地球和其他行星来自哪里？第二地球的黑暗时代，他是指地球诞生后最初的五亿年究竟发生了什么事情？第三生命是如何开始的？第四地球内部如何运转及其对地表的影响？第五、为何地球拥有板块构造
32、和大陆？第六、地球进程如何受物质特性的制约？第七、什么原因引起了气侯的变化，气侯变化的幅度到底有多大？第八、生命如何改变地球，地球又是如何改变生命？第九、人类能够预测地震火山喷发及其后果吗？第十、流体流动和输送如何影响着人类的环境。二十一世纪地球化学的十大挑战，这些问题的最终解决都离不开地球化学。地球化学（二）张德会：下面我们讲第二个问题，就是元素的地球化学分类，1923 年国际原子量委员会决定化学元素就是指具有相同核电荷的同一类原子。这是我们大家都很熟悉的周期表，周期表已经对元素进行了分类，但是仅用周期表的元素分类对于地质学和地球化学家来说还不够，我们先看一看自然物理化学体系及其形成物的特征
33、。地球化学我们说是研究自然化学作用和元素在自然体系中迁移演化规律的科学，那么自然条件下，元素间相互作用与认为控制的化学反应是有很大不同的，地壳和地球范围内的自然作用体系有以下主要特点。第一，温度压力变化幅度与人为制备条件相比是有限的，从地表到地核温度可以从零下 80 度到 4500摄氏度，压力从 0.0N 到 36 万 Mpa，地壳和上地幔温度变化幅度也是零下 80 度到 1800 摄氏度，压力是 0.0n 到一万个 mpa 也就是相当于十万个大气压，而现在试验设备，人工他可以制备的温度极限是从接近绝对零度到超高温就是 5 乘 10 的 4 次方摄氏度就等离子火焰的温度，以致 100M 度这就
34、是聚合反应的温度，压力由真空到 1.210 的 11 次方的 Pa，12 万的 Pa，那么自然体系与实验体系温压条件变化幅度是差异很大的，那这一张图解是一张地壳中的一些地质作用的温度压力的范围，我们看一下我们常见的地表的分化沉积，他基本上是一种常温低压，然后第二种情况就是，第二个环境就是成岩的环境，那么温度可以上升到将近 300 摄氏度，压力到两个千 Pa，然后温度再升高，但是压力变化不大了，我们叫接触变质作用这就是低压高温的地质过程，那么温度再升高的就是我们所说的火山作用，当然火山作用的压力他是地表的压力，但是温度可以高达 3000 度，岩浆作用处在高压高温的范围内，然后呢，是区域变质，区域
35、变质是高压但是温度是中等的温度，那么还有一个区间就是高压变质我们所说的这个蓝片岩相，地质学中叫蓝片岩相变质作用，也就是我们刚才谈到的，前面谈到的板块构造俯冲带他形成的温压条件就是这样的条件，压力很大，但是温度不是很高，就是高压低温条件。这一张图解反映了地壳中的一些地温气度，我们看一看，迅速沉降的俯冲带就是体现出它的压力很大，但是温度上升不大，而接触变质作用的特点是正好相反，他是温度上升非常快，但是压力变换不大，那么这里面反映的是变质下面的一些特点，这是第一个特征。第二个特征就是多相多组分的复杂体系，自然体系中成多相存在，我们所说的固相、液相、气相另外还有一些过渡相，这是第一个，第二个他是大量化
36、学组分共存的，而浓度却相差悬殊，我们可以这样说，任何一个地质作用都可以看成是由九十种元素和 354 种核素参加的体系，元素以各自的丰度决定的量比来参加化学反映，这跟我们人工的实验室以高纯试剂，有限组分按照理论量比设计的化学反应是有很大差别的。那么在体制体系中我们所说的岩石矿物土壤水体，那么俄罗斯的学者提出过一个观点，一个定律，叫元素无处不有定律，也叫做克拉克维尔纳茨基定律，这个定律指出地面上每一点滴或者每一微粒的物质无一不是宇宙总成分的反映，也就是在这些岩石土壤水体等等中包括气体中我们说，所有的元素在周期表上的，除了这个人工的那些放射性元素以外，所有的元素 90 种元素还有 300 多种的同位
37、素你都可以测出来，只要你测试水平足够高，那么岩石或者水中可以测到任何一种元素的含量，所以说这个定律又叫元素无处不有定律。第三个就是开放式体系，这是地球化学体系中非常重要的一个特点，就是自然过程他的体系与环境是有充分的能量和物质交换的，大不断的改变着系统内的作用的性质和条件，我们在实验室把这个碳酸钙放在盐酸中发生化学反应，发生分解反映以后会影响二氧化碳，在实验室我们可以让二氧化碳不能逃逸的方式进行这个实验，反映达到平衡的时候就会有过量的二氧化碳与氯化氢盐酸共存，但是自然条件下不是这样的，二氧化碳他是可以逃逸的，那么二氧化碳的逃逸就使得反映不能达到平衡，反映会持续的向前进方向进行，那非自然界就会形
38、成大规模的夕卡岩及其矿床，我们这一张图解就是这样的，实际上这个作用就是我们所说的夕卡岩化或者叫接触变质作用，就是一个花岗岩成分的岩浆侵入到辉岩地层中那么就会形成在大理岩和花岗岩的接触带上形成夕卡岩，这个反映就是 caco3+maco32sio2 那么形成 camgsi2o6 加上二氧化碳，或者碳酸钙加上碳酸镁加上二氧化硅会形成透辉石加上二氧化碳，如果这个二氧化碳能够逃逸，当然这个反映可以持续进行那么就会形成大量的caMgSi2O6，透辉石这两种矿物是典型的夕卡岩矿物。第四，地球化学反映都是自发进行的不可逆的过程，反映进行的方向、速率、限度受能量的制约，由于地质作用能量他的作用的能源来自地球本身
39、，因此地球热量的空间分布他控制着地球化学过程进行的规模和强度，我们看一下这一张图和表，那么我们知道，在地质作用演化中，放射性的产热元素是大量集中于地壳的上部，而下地壳的岩石会更基性，那么产热元素就会降低，这样的话放射性元素的含量随深度的降低必然伴随着地球底部的温度降低。那么我们看这个表，就是各种岩石的 U，TH，K 的含量与热的产生，还有较多产热元素的 U，TH，K 的岩石的就是我们所说的花岗岩类，这一图解就反映出来，大陆地壳的低温梯度随着深度他是增大的，我们这一条直线反映是以每公里 25 度的地温梯度计算，在地壳的深度 35 公里处，温度能够达到 885 度，但实际上由于放射性热产生，他主要
40、是在浅部，所以说该处的实际温度达不到 885 度，只有 600 度，这个就是地壳的上部赋及产热元素。我们再看看这个板块，这一张图反映了在北美有一个叫 JUAN DE FUCA 板块，这是叫圣德富卡板块，这是在加拿大西部，那么这个板坏了，这一张图反映是海底岩壳的年龄，这个红的颜色就是年龄比较新的，我们看得出来，刚才这个板块是新形成的板块，在他的西边是比较老的太平洋的板块，那么这个新形的板块我们可以测他的热流，我们同这个图表上可以看得出来，这是加拿大南部穿过太平洋北美消减带的一个热流剖面，这个年轻的板块具有高的热通量，热通量与每平方米毫瓦来表示，那么这个热通量跟老的太平洋板块低的热流形成鲜明的对比
41、，另外在海沟的地方热流是低的，这是因为大洋板块携带了大量的冷物质向下俯冲所致的。岛弧和弧后盆地热流都是高的，这主要是大洋岩石圈沉降与地幔相互作用使得岩浆在这个位置发育造成了热流的升高。那么由于地球化学作用的特点，那么造成了自然过程产物的特征也是非常有特点的。第一个就是自然稳定相，我们所指的就是矿物，以及各种流体相的总数是有限的。那么现在了，实验室人工可以制取的化合物可以达到数十万种，动植物数量达到数万种，但是自然界元素和组分种类很多，但是丰度差异显著，这就造成了自然化合物单质的种类是有限的，迄今我们发现的矿物总数也就约 3500 种，当然不包括天然的有机化合物，矿物的化合物只有七的类，总族数是
42、小于 200 种，所以自然界矿物总数受制于地球的组成和物理化学条件的有限变化范围。第二个元素成组分类形成自然组合。那么元素了，主要是按照阴离子进行分类，地壳中只有含氧的化合物，硫化物，卤化物，自然元素类以及稀少的砷化物，硒化物，碲化物这类矿物。与各种阴离子结合的阳离子就形成特征各异的共生元素，反映自然作用体系中元素按阴离子结合而分类的习性。这一张图就是氧化物，我们各种氧化物，这是几个典型的，我们知道的磁铁矿以及刚玉都属于氧化物，这张图解反映三种矿物，就是硫化物，比如方铅矿，黄铁矿都是属于硫化物，这个地方还有一个硬石膏，但实际上它不应该是硫化物，他应该是硫酸岩类矿物，他是硫酸钙，这一张图解就是碳
43、酸岩类矿物，比如说我们所说的方解石，白云石。第三，与各种阴离子结合的阳离子组成特征各异的共生元素组合。我们知道这个元素他主要是以化合物的形式存在的，比如说铜铅锌这些元素他主要是形成硫化物像刚才我们所看到的方铅矿，黄铜矿，都是这样的矿物。钾钠钙镁这些元素主要是形成硅酸盐，也就是我们所说的氧化物，Nb，Ta，Zr，Hf 系统元素这些元素倾向于形成硅酸盐或者是含氧的岩类，金银多种元素主要是呈单质和金属互化物存在的。第四个特点，自然界矿物都不是纯的化合物，每一种矿物都构成一个成分复杂含量变化的混入系列，这个跟人工的制造的化合物是完全不一样的，人工的他都是化学纯，所以制出的化合物绝对是纯的化合物，而自然
44、界不是纯的化合物。第五，在地壳物理化学条件下，相似的物质组成和类似的作用过程，会使得自然作用产物类型他会重复出现在一定程度上达到平衡，不同岩石的大类和不同矿床类型分别由各具特征的矿物组合构成，矿物之间他是按照一定环境形成有规律的共生组合。这一张表就是地球上间的岩浆岩，沉积岩和变质岩中的普通矿物，我们看这三类岩石中都有石英都有斜长石，另外还有云母，辉石，方解石等等，在不同的岩石中重复出现，这是一个火成岩也就是我们所说的岩浆岩的分类，那么岩浆岩他主要是规律二氧化硅的含量来分的，那么从下面这个坐标我们看 70 一直到 40，那么它分别 70%左右都是花岗岩类，60%是花岗闪长岩类，50%左右是辉长岩
45、类，40%左右是橄榄岩类。下面我们谈一下元素的地球化学亲和性，自然体系中元素结合的方式是阳离子与阴离子之间结合，他构成了化合物，也就是我们所说的矿物，按照化学计量比来计算，地球和地壳中阴阳离子的总数是不相等的，阴离子的总数远远小于阳离子，这就造成了一种竞争性的环境，因为阳离子要迁移一定要与阴离子结合，那么如果阴离子的含量远远小于阳离子那么就会形成一种对于阴离子争夺的竞争性的环境。地球地壳中的元素的丰度会导致地球化学过程中阳离子之间对阴离子形成争夺，元素间的结合关系与元素形成阳离子的能力有关系，那么这种能力呢，既与元素本身的性质结构有关系，也与元素相互结合是体系的物理化学条件，也就是能量效应有关
46、系，这是地球化学非常重要的概念，就是元素地球化学亲和性的概念，他是指元素形成阳离子的能力和显示出的有选择性与某阴离子结合的特性就叫地球化学亲和性。元素的地球化学亲和性是控制元素在自然界相互结合的对基本的规律，那么这就有了新的元素的地球化学分类，那么最经典最常用的就是个戈尔 斯密特在 1923 年提出的分类，这种分类呢，他是通过对矿石冶炼和陨石的观察，戈尔斯密特发现，存在的四个相，硅酸盐溶体相，硫化物溶体相，金属溶体相和气相，那么元素呢，将根据对各项主要离子的亲和性在四个相之间进行分配这就是元素的地球化学分类。进入气相的元素就是亲气的元素，主要是氢氦氮以及我们所说的惰性气体，进入硅酸盐溶体的就是
47、亲石元素又叫亲氧元素，包括碱金属，碱土金属，卤素，硼氧铝硅钪肽矾镉锰铱锆锂蓝系，就是我们所说的稀土元素，铪碳钍铀。进入硫化物溶体的主要是亲铜元素也叫亲硫元素，铜锌夹银镉铟汞铊砷锍锑钎碲这些元素，进入金属溶体的就叫亲铁元素，包括铁钴碾镣铹钯砵铱铂钼铼金碳磷锗锡等元素。这一张表就是地球化学的元素分类，就是我们谈到的戈尔德斯密特的地球化学分类这里面有一个要注意的，有些元素是可以在两相甚至三个相之间作为三个相的这个分类，就是跨类的分类，比如说铁，又可以是亲铁，他又可以亲氧，同时还亲硫。那么亲铁元素主要是富集于陨石金属相和铁陨石中的化学元素。这一类元素与氧和硫的结合能力弱，易溶于熔融铁中，相对于地壳地幔
48、，这些元素主要是地核中聚集，他的外侧电子数，离子最外侧电子数是 8 到 18，典型的亲铁元素就是镍、钴、金、铂族元素。亲石元素主要是在陨石硅酸盐相中富集。在地球中他们明显富集在地壳中，主要是以氧化物，含氧盐特别是是以硅酸盐形式出现的。亲铜元素主要是在陨石的硫化物相和陨硫铁中富集的，在自然界主要与二钾硫离子结合成硫化物和复杂的零硫化物的，比如说硫、铜、锌、铅、镉等等，那么这些离子的最外层电子是 18 个。亲气元素主要是组成了地球大气圈的主要元素，那么还有一类了，后来又分出了，亲生物的元素，主要集中在有生命的动植物的元素，包括碳、氢、氧、氮、磷、硫、铝、碘等等，这是一个戈尔德斯密特第一句话，地球化
49、学元素分类的一个表，那么这一张图解也是反映出来地球和陨石中元素的亲和性，其中重叠的区域表示元素常见于两个或更多相。下面讲第三个问题，就是元素在地球和地壳中的分配问题，这个问题是地球化学家基本任务之一，为什么这样说，为什么要研究元素的地球化学分布，我们首先从化学上的一个基本定律谈起，化学上有一个著名的定律叫质量作用定律，他是描述浓度对于化学反应速度的影响，当温度恒定的时候，均相体系化学反应速度与反映物的质量成正比。我们看一个颗粒反映，这个 A 加 B 形成了 E 加 F，向右有一个反映速度，向左有一个反映速度，那么向右和向左的反映速度相等的时候，也就是说反映达到了平衡，那么有这么一个关系，就是生
50、成物的质量或者是浓度的沉积除以反映物的浓度的沉积等于向右的反映速率K1除以向左的反映速率 K2，那么这个是一个常数等于一个大的 K，K1 和 K2 就是反映速度常数，K 就是我们所说的化学中的化学反应平衡常数。这个质量作用定律表明，元素的质量浓度、丰度这些因素在地球化学反映中起着重要甚至是决定性的作用，这个丰度反映了地质体中元素平均化学成份及其元素的质量他决定了地球或者地壳作为一个物理化学体系的总特征以及各种地球化学过程中元素的总背景，元素的丰度或者克拉克值既是影响元素地球化行为的重要因素，又为地球化学提供了衡量元素集中或分散程度的一个标尺。那么这里头有两个概念，我们谈一下，第一个就是丰度的概