第一章自然體系中化學元素的豐度內容提要基本概念元素在太陽系中的分布規律地球的結構和化學成分

地殼中元素的豐度區域地殼元素豐度研究小結及思考題第一章自然體系中化學元素的豐度內容提要引言地球化學的定義告訴我們，地球化學研究的主要內容是地球及部分天體的化學組成及其化學運動。因此，了解地球和太陽系的化學組成特征是地球化學的基礎研究內容?，F有的科學技術條件下，我們目前了解最多的是地球和太陽系的化學組成。太陽系具有共同的起源，但組成太陽系的各星體具有不同的演化特征，導致了各星體不同的化學組成。因此，要認識太陽系的起源與演化，有必要了解太陽系各組成星體的現有化學組成。引言地球化學的定義告訴我們，地球化學研究的主要內容是地球及部§1基本概念地球化學體系分布和豐度分布與分配絕對含量和相對含量研究元素豐度的意義§1基本概念地球化學體系1.地球化學體系按照地球化學的觀點，可將研究的對象看作是一個地球化學體系，每個地球化學體系都有一定的空間，都處于特定的物理化學狀態（C、T、P等），并且有一定的時間連續。根據研究需要，地球化學體系可大可小，小至某個礦物包裹體，某礦物、某巖石可看作一個地球化學體系，某個地層、巖體、礦床（某個流域、某個城市）也是一個地球化學體系；從更大范圍來講，某一個區域、地殼、地球直至太陽系、整個宇宙都可看作為一個地球化學體系。1.地球化學體系按照地球化學的觀點，可將研究的對象看作是一2.元素分布

元素分布是指元素在某個宇宙體或地質體(太陽、行星、隕石、地球、地圈、地殼)中的整體(平均)含量。元素在地殼中的原始分布量與下列因素有關：

1）

元素的起源

2）

元素的質量

3）

原子核的結構、性質

4）

地球演化過程中的熱核反應2.元素分布元素分布是指元素在某個宇3.元素分配

分配是指元素在各宇宙體或地質體內部不同部分或區段中的含量。對元素分配進行觀察的參考點來自元素的分布。地殼中元素的分配指的是地殼形成后，隨著它的演化、造山運動的更替，元素在地殼的各個不同部位和各種地質體中的平均含量。這是元素在地殼各部分不同的物理化學條件下，不斷遷移的表現。

元素的分配取決于下列因素：

1）

地質作用中元素的遷移

2）

元素的化學反應

3）

元素電子殼層結構及其地球化學性質3.元素分配分配是指元素在各宇宙分布與分配的關系

元素的分布與分配是一個相對的概念，它們之間具有一定的聯系。化學元素在地殼中的分布，也就是元素在地球中分配的具體表現，而元素在地殼各類巖石中的分布，則又是元素在地殼中分配的表現。分布與分配的關系元素的分布與分配是一個4.元素的豐度

通常將化學元素在任何宇宙體或地球化學系統中（如地球、地球各圈層或各個地質體等）的平均含量稱之為豐度。

以上可見，元素的分布、分配及元素的豐度都是來度量元素的含量特征。4.元素的豐度通常將化學元素在任何宇宙5.絕對含量和相對含量絕對含量單位相對含量單位T噸％百分之×10-2kg千克‰千分之×10-3g克

mg毫克ppm,μg/g,g/T百萬分之million×10-6μg微克ppb,μg/kg十億分之billion×10-9ng納克ppt,pg/g萬億分之trillion×10-12pg皮克

5.絕對含量和相對含量絕對含量單位相對含量單位T噸％百分地球化學中對常量元素（majorelement或稱主量元素）的含量一般用其氧化物的重量百分數（%）表示，而對微量元素(traceelement)則一般用百萬分之一來表示。MajorElements >1wt.%MinorElements ~0.1to1wt.%TraceElements ~100ppmorless

表示方法：g/t(克/噸)、μg/g、ppm1g/t=1μg/g=10-4%=10-6對溶液和氣態樣品也有相應的含量表達方式地球化學中對常量元素（majorelement或稱主量元素6.元素豐度的研究意義元素豐度是每一個地球化學體系的基本數據。可在同一或不同體系中用元素的含量值來進行比較，通過縱向（時間）、橫向（空間）上的比較，了解元素動態情況，從而建立起元素集中、分散、遷移活動等一些地球化學概念。從某種意義上來說，正是在探索和了解元素豐度的過程中，近代地球化學才逐漸建立起來。元素豐度是研究地球化學基礎理論問題的重要素材之一。宇宙天體是怎樣起源的？地球又是如何形成的？地殼中主量元素組成為什么與地幔中的不一樣？生命是怎么產生和演化的？這些研究都離不開地球化學體系中元素豐度分布特征和規律的了解。6.元素豐度的研究意義元素豐度是每一個地球化學體系的基本數§2元素在太陽系或宇宙體中的豐度太陽是太陽系中的恒星和中心，其質量為1.9831033g，約為地球的33萬倍，占整個太陽系總質量的99.8%。太陽的直徑為1,391,000km，體積為地球的130萬倍。太陽系的組成１．太陽（99.8%）２．行星（內行星：水星，金星，地球，火星；外行星：木星，土星，天王星，海王星和冥王星）３．行星物體４．衛星§2元素在太陽系或宇宙體中的豐度太陽是太陽系中的恒星和中心

已有的科學證據表明，太陽系物質具有共同的起源，地球等星體與太陽系是聯系的，因此可以通過對太陽系形成過程的了解來認識地球和其它行星的形成與演化。由于太陽占據了太陽系質量的絕大部分，通過對其化學組成的了解，并結合隕石、月球和其它行星組成的研究成果，可對元素在太陽系中的豐度特征進行確定。已有的科學證據表明，太陽系物質具有共同關于宇宙的時代目前認識不統一，但多數證據表明其年齡約為17-11BillionYear。太陽系的年齡為4.5BillionYear，顯然屬較年輕的星系。在茫茫宇宙中，太陽系僅為“滄海一粟”。因此，通常提出的元素宇宙豐度應該系指元素的太陽系豐度。元素在太陽系中的豐度可理解為元素在太陽系中的分布。以此為基礎，通過對比元素在太陽系中各組成星體中元素的分配特征，可對包括地球在內的各星體的形成進行研究。目前對太陽系化學組成進行研究的主要途徑的：太陽光譜測量、隕石研究、宇航樣品和星體觀察等。2.1太陽系或天體中元素豐度的研究方法關于宇宙的時代目前認識不統一，但多數證據表明其年齡約為17-1、

太陽和其它星系的幅射譜線的研究由于太陽表面溫度極高(5700K，太陽核的溫度可能高達14106K)，因此各種元素的原子均處于激發狀態，從而不斷地輻射出各自的特殊光譜。例如：Pb2170?，Ag3281?，Au2428?

太陽光譜的譜線數和它們的波長主要取決于太陽表層中所存在的元素，而這些譜線的亮度則取決于以下因素：

1）元素的相對豐度；2）溫度；3）壓力在溫度和壓力固定的條件下，元素豐度愈大，則譜線的亮度愈強。McMath-Pierce太陽望遠鏡也稱太陽塔1、

太陽和其它星系的幅射譜線的研究McMath-Pier太陽塔太陽光譜光譜儀太陽塔太陽光譜光譜儀2.隕石的研究隕石是落到地球上的行星物體的碎塊，天文學和化學方面的證據都說明，太陽系和地球具有共同的成因。因此，隕石的化學成分是估計太陽系元素豐度及地球整體和地球內部化學組成最有價值的依據。1965，英國，Barwell隕石直徑500km的隕石落入地球(動畫效果)2.隕石的研究隕石是落到地球上的行星物體的碎塊，天文學和化隕石的Pb-Pb等時線，地球的沉積物也落于此線上，指示隕石和地球具有共同的物質起源隕石的Pb-Pb等時線，地球的沉積物也落于此線上，隕石的意義

隕石是空間化學研究的重要對象，其研究意義為：

它是認識宇宙天體、行星的成分、性質及其演化的最易獲取、數量最大的地外物質；也是認識地球的組成、內部構造和起源的主要資料來源；隕石中的60多種有機化合物是非生物合成的“前生物物質”，對探索生命前期的化學演化開拓了新的途徑；可作為某些元素和同位素的標準樣品（稀土元素，Pb、Nd、Os、S同位素等）。隕石的意義隕石是空間化學研究的重要隕石類型

隕石主要是由鎳-鐵合金、結晶硅酸鹽或兩者的混合物所組成，按成份，分為三類：

1）鐵隕石（siderite）。主要由金屬Ni,Fe（占98%）和少量其他元素組成（Co,S,P,Cu,Cr,C等）。

2）石隕石（aerolite）。主要由硅酸鹽礦物組成（橄欖石、輝石）。這類隕石按照它們是否含有球粒硅酸鹽結構，可進一步分為兩類：球粒隕石和無球粒隕石。

3）鐵石隕石（sidrolite）。由數量上大體相等的Fe－Ni和硅酸鹽礦物組成，是上述兩類隕石的過渡類型。鐵隕石石隕石鐵石隕石隕石類型隕石主要是由鎳-鐵合金、結晶硅鐵石隕石鐵隕石球粒隕石無球粒隕石鐵石隕石鐵隕石球粒隕石無球粒隕石鐵紋石鎳紋石更專業的隕石分類，可供大家作為文獻閱讀時的參考頑輝石高鐵群普通低鐵普通低鐵低金屬普通碳質鐵紋石鎳紋石更專業的隕石分類，可供頑輝石高鐵群普通低鐵普通低隕石是行星增生過程不同階段的“化石”：球粒隕石在化學組成上接近于太陽；相對于分異(演化)了的其它隕石，球粒隕石的組成更為“原始(Primitive)”在所有的球粒隕石中，碳質球隕石化學組成為最原始，甚至含有揮發份組成。隕石是行星增生過程不同階段的“化石”：球粒隕石在化學組成上接Planetesimal：小行星體橄輝無球粒隕石頑火無球粒隕石鈦輝無球粒隕石鈣長輝長巖Planetesimal：小行星體橄輝無球粒隕石頑火無球粒第一章-自然體系中元素豐度-LZ-Formalppt課件多數隕石來自小行星帶(asteroid)，但也有相當數量的隕石來自月球或火星。多數隕石來自小行星帶(asteroid)，但也有相當數量的隕隕石大都是石質的，但也有少部分是碳質。碳質球粒隕石有一個典型的特征：含有碳的有機化合分子并主要由含水硅酸鹽組成。它對探討生命起源的研究和探討太陽系元素豐度等具有特殊的意義。由于Allende碳質球粒隕石(1969年隕落于墨西哥)及其它碳質球粒隕石的元素豐度幾乎與太陽中觀察到的非揮發性元素豐度完全一致，碳質球粒隕石的化學成分已被用于估計太陽系中非揮發性元素的豐度。隕石大都是石質的，但也有少部分是碳質。碳質球粒隕石有一個典型第一章-自然體系中元素豐度-LZ-Formalppt課件Allende,MexicoCV3碳質球粒隕石Allende,MexicoCV3碳質球粒隕石AllendecarbonaceouschondriteAllendecarbonaceouschondrite寧強隕石“1983年6月25日寧強燕子砭降落4塊隕石，經國家科研部門確認，屬炭質球粒隕石，是迄今為止人類掌握的最古老的太陽系考古樣品。”寧強隕石“1983年6月25日寧強燕子砭降落4塊隕石，經國元素含量相對于Si=106標準化，元素含量測量精度為5-10%；由于元素之間含量水平差異過大，作圖采用了對數值坐標。太陽大氣層與C1球粒隕石元素含量關系圖元素含量相對于Si=106標準化，元素含量測量精度為5-10新的數據，并增加了強揮發性元素

CⅠ型碳質球粒隕石元素豐度與太陽元素豐度對比(Anders&Grevasee,1989)新的數據，并增加了CⅠ型碳質球粒隕石元素豐度與太陽元素豐度

隕石的主要礦物組成：FeNi合金、橄欖石、輝石等。隕石中共發現140種礦物，其中39種在地球（地殼淺部）上尚未發現。如褐硫鈣石CaS，隕硫鐵FeS。這說明這些隕石是在缺水、缺氧的特殊物理化學環境中形成的。隕石的主要礦物組成：FeNi合金、隕石的平均化學成分

要計算隕石的平均化學成分必須解決兩個問題：首先要了解各種隕石的平均化學成分；其次要統計各類隕石的比例。各學者采用的方法不一致。

Goldschmidt采用硅酸鹽：鎳-鐵：隕硫鐵=10:2:1比例，獲得以下隕石平均化學成分：元素OFeSiMgSNiAl%32.328.816.312.32.121.571.38CaNaCrMnKTiCoP1.330.60.340.210.150.130.120.11隕石的平均化學成分要計算隕石的平均化學基本認識

由表可以看出，元素O、Fe、Si、Mg、S、Ni、Al、Ca是隕石的主要化學組成。

根據對世界各地不同類型隕石的研究，獲得以下基本認識：①隕石來自某種曾經分異成一個富金屬核和一個硅酸鹽包裹層的行星體，這種天體的破裂就導致各類隕石的形成——一個母體形成隕石；②石隕石與地球上的基性、超基性火山巖礦物組成和化學成分相似，鐵隕石與地核的化學成分相似。隕石的母體在組成上、結構上與地球極為相似——推測地球內部結構和化學成分；③隕石的年齡與地球的年齡相近（隕石利用鉛同位素求得的年齡是45.5±0.7億年）；④各種隕石分別形成于不同的行星母體；⑤隕石等地外物體撞擊地球，將突然改變地表的生態環境誘發大量的生物滅絕，構成了地球演化史中頻繁而影響深遠的突變事件，為此對探討生態環境變化、古生物演化和地層劃分均具有重要意義?；菊J識由表可以看出，元素O、Fe、3.

宇航事業

上世紀50年代以來，人類相繼發射了人造地球衛星和各種地球探測器，對地球高層大氣的成分進行了測定。另外，還對水星、金星、火星、木星、土星及其衛星大氣層的結構和成分進行了探測。1969年阿波羅-11登月，此次登月及其他的登月共采集月球樣品380Kg(送給我國1克，其中0.5克用于研究，另外0.5克封存)，使得人們對月球的化學成分、內部結構、演化歷史增添了許多新的知識。宇航員月球車火星車3.

宇航事業上世紀50年代以來，人類嫦娥一號嫦娥一號嫦娥一號月球車嫦娥一號嫦娥一號嫦娥一號月球車

美航天局發表新聞公報說，半人馬座火箭、月球坑觀測和傳感衛星2009年10月9日相繼撞擊了月球南極附近的凱布斯坑，揚起至少25加侖（95升）水，而這一數量僅僅是在單個月球坑單次撞擊所揚起的“水量”。撞擊點地表溫度為攝氏零下185度。月球坑觀測與傳感衛星發回的數據確鑿證實月球有水，雖然并非人們想象中的液態水，只是氣態和冰態水。美航天局發表新聞公報說，半人馬座火箭、月球坑觀測

據科學家發表在《自然》雜志上的報告，他們所分析的巖石樣本是上世紀六七十年代“阿波羅”探月任務從月球帶回的“火山玻璃”，這種“火山玻璃”由月球火山噴發的巖漿迅速冷卻后形成，形狀像小小的鵝卵石。

負責質譜儀分析的卡內基學會科學家埃里克·豪里說：“我們設計的分析方法能檢測到５ｐｐｍ（百萬分之一）含量的水，令人吃驚的是在這些小玻璃珠子中發現的水高達４６ｐｐｍ。”新華網華盛頓

2008年7月9日據科學家發表在《自然》雜志上的報告，他們所分析的月全食月球內部結構月全食月球內部結構giantImpactHypothesesoftheoriginoftheMoongiantImpactgiantImpactHypothesesoftheArtist’sconceptionoftheGiantImpactHypothesisoftheoriginoftheMoon.月球表面Artist’sconceptionoftheGia月球巖石的礦物組成月球巖石的礦物組成4.根據星體的密度和行星表面天文觀察資料間接推斷化學成分

測量星體的密度，而密度與物質成分相關。例如：地球的平均密度為5.52,鐵鎳相占31.5%4.根據星體的密度和行星表面天文觀察資料間接推斷化學成分2.2元素在太陽系或宇宙中的豐度規律2.2元素在太陽系或宇宙中的豐度規律

星子(小行星)T-Tauri恒星（像太陽一樣的恒星的前身）從極區發生超音速物質流太陽星云收縮，因角動量守恒產生星盤恒星階段發展導致太陽系系統內部星體揮發份物質吹失星云假說星子(小行星)T-Tauri恒星（像太陽一樣的恒星的前身宇宙的成因—大爆炸理論(BigBang)宇宙的成因—大爆炸理論(BigBang)第一章-自然體系中元素豐度-LZ-Formalppt課件大爆炸形成了質子、中子和電子，并隨后形成了1H(75%)、2H(10ppm)、3He(20ppm)、4He(25%)和7Li(0.5ppb)核素。這些元素在宇宙中呈氫星云分布，當氫星云發生重力凝聚時將產生高溫和高壓，進而發生一系列以核聚變為主的恒星核合成反應(Nucleosynthesis)，形成了周期表上的各元素。熱核反應伴隨著恒星的演化，直到衰亡完成一次循環。太陽系目前演化至“中年”，具有著與其演化過程相對應的元素組成，即太陽系元素豐度。大爆炸形成了質子、中子和電子，并隨后形成了1H(75%)恒星核合成理論認為，包括太陽系在內的各星系，其組成體中的恒星和行星具有共同的元素起源。因此，太陽系中的太陽、行星和周圍的星體具有共同的初始化學組成。由于太陽系已經歷了45.6億年的演化，需要尋找能夠代表太陽系初始組成的樣品。由于碳質球粒隕石與太陽光譜中絕大多數元素的比例相同，因此將碳質球粒隕石作為經歷最低程度分異作用、并可在實驗室內直接進行高精度元素含量測量的初始樣品，以代表太陽系的原始物質成分。由于碳質球粒隕石也經歷了一定程度的演化，導致了揮發性元素不同程度的丟失，因此，太陽系揮發性元素的豐度參考了太陽光譜。恒星核合成理論認為，包括太陽系在內的各星系，其組成體中的恒星太陽系元素豐度按奇數和偶數原子序數統計宇宙元素豐度分布規律太陽系元素豐度宇宙元素豐度分布規律1）元素的豐度隨著原子序數增大而減小。元素豐度開始迅速降低，然后，在原子序數Z>45的區間變為近似水平線。元素豐度與原子核的質量數和中子數之間，也分別存在類似的關系。1）元素的豐度隨著原子序數增大而減小。元素豐度開始迅速降低2）原子序數為偶數的元素豐度明顯高于相鄰原子序數為奇數的元素豐度。同時具有偶數質量數（A）或偶數中子數（N）的同位素或核類的豐度也總是高于相鄰具有奇數A或N的同位素或核類。這一規律稱為奧多-哈根斯法則——奇偶規律。2）原子序數為偶數的元素豐度明顯高于相鄰原子序數為奇數的元素3）質量數為4的倍數的核類或同位素具有較高的豐度，原子序數或中子數為“幻數”（2、8、20、50、82、126等）的核類或同位素分布最廣、豐度最高。例如：4He(Z=2,N=2),16O(Z=8,N=8),40Ca(Z=20,N=20),140Ce(Z=58,N=82)3）質量數為4的倍數的核類或同位素具有較高的豐度，原子序數或4）宇宙(太陽系)中豐度最高的元素為H和He；5）與He相鄰的三種低原子序數的元素Li、Be和B在豐度曲線上相對周圍的元素表現為明顯虧損；6）在元素豐度曲線上，相對于周邊元素，Fe和O顯示出含量“過?！钡母哓S度特征。4）宇宙(太陽系)中豐度最高的元素為H和He；來自太陽光球層(太陽大氣最低層)的元素組成來自太陽光球層(太陽大氣最低層)的元素組成太陽光球層原子序數小于35的元素豐度太陽光球層原子序數小于35的元素豐度第一章-自然體系中元素豐度-LZ-Formalppt課件導致元素宇宙豐度特征的原因為(理論解釋)：1、與元素原子結構的關系：原子核由質子和中子組成，其間既有核力又有庫侖斥力，但中子數和核子數比例適當時，核最穩定，而具有最穩定原子核的元素一般分布最廣。1）對Z<20元素，中子數和質子數的比例為1：1，這種核最穩定，為此可以說明4He（Z=2，N＝2）、16O（Z=8，N=8）、40Ca（Z=20，N=20）等元素豐度較大的原因；隨Z增大，1：1的比例被破壞，核內庫侖斥力增大，并大于核力，使得原子核不穩定。2）Z為偶數的元素或同位素，核子成對排布，它們自旋力矩相等，而方向相反，量子力學已證明這種核最穩定，因而偶數元素和偶數同位素在自然界的分布更廣。導致元素宇宙豐度特征的原因為(理論解釋)：2、與元素形成的整個過程有關：H、He的豐度占主導地位和Li、Be、B等元素的虧損可從元素的起源和形成的整個過程等方面來分析。根據恒星合成元素的假說，在恒星高溫條件下（n×106K），可以發生有原子（H原子核）參加的熱核反應，最初時刻H的“燃燒”產生He，另外在熱核反應過程中Li、Be、B迅速轉變為He的同位素42He，因此太陽系中Li、Be、B等元素豐度偏低可能是恒星熱核反應過程中被消耗掉了的緣故。2、與元素形成的整個過程有關：H、He的豐度占主導地位和L§3地球的結構和化學成分§3地球的結構和化學成分地球的化學分異Fe-Ni核橄欖巖(地幔)玄武巖安山巖流紋巖Bulkearth地殼巖石地球的化學分異Fe-Ni核橄欖巖玄武巖安山巖流紋巖Bulk地第一章-自然體系中元素豐度-LZ-Formalppt課件SeismicvelocitystructureoftheEarthSeismicvelocitystructureof地球的層圈結構地球的層圈結構巖石化學分層巖石化學分層地球不同圈層主要元素組成地球不同圈層主要元素組成地球各圈層的體積和質量地球各圈層的體積和質量VolumesandmassesoftheEarth’sshellsVolumesandmassesoftheEart值得指出，地球自形成以來，不僅存在來源于地幔物質的大陸地殼生長，也存在各物質偖庫間的交換，即殼幔物質再循環。地殼和地幔的化學組成是動態的變化過程。值得指出，地球自形成以來，不僅存在來源于地幔物質的大陸地殼生SchematicdiagramshowingsomeofthemajorreservoirsintheEarth(atmosphere,ocean,continentalcrust,oceaniccrust,mantle,core)andhowtheymayinteract.Redovalsrepresentregionswheresolidmantleisbeingpartiallymelted.SchematicdiagramshowingsomePlateTectonics–IgneousGenesis

1.

Mid-oceanRidges2.

IntracontinentalRifts3.IslandArcs4.

ActiveContinental Margins

5.Back-arcBasins6.OceanIslandBasalts7.MiscellaneousIntra-ContinentalActivitykimberlites,carbonatites,anorthosites...PlateTectonics–IgneousGene一、地球的結構1、

地殼地殼為地表向下到莫霍面，其厚度差異較大，5km-80km不等，并且大陸地殼和大洋地殼之間存在顯著的差別。

大洋殼：

0-2km為沒有固結的沉積物

3-5km為硅鎂層（玄武巖層）

大陸殼：平均厚度為30-40km

上層硅鋁殼（康氏面以上），上部為沉積巖，下部相當于為花崗巖和片麻巖成分,富Si、K、Rb、U、Th等元素，組成不均一；下層硅鎂層（康氏面以下），當于玄武巖和輝長巖或相當于麻粒巖相巖石。一、地球的結構1、

地殼第一章-自然體系中元素豐度-LZ-Formalppt課件第一章-自然體系中元素豐度-LZ-Formalppt課件2、地幔地幔從莫霍面以下到2900km在地球層圈模型中，地幔界于兩個一級界面——M界面（莫霍面）和G界面（古登堡界面）之間，其體積占整個地球的83%，其質量占地球總質量的67.8%

上地幔:從莫霍面往下410km深處。過渡帶:410-660km深處.

下地幔:660-2900km深處。

2、地幔研究地幔的途徑：1）深源地幔包體(地幔巖石的直接代表—橄欖巖、輝石巖)2）幔源巖石部分熔融形成的幔源巖漿巖(以玄武巖為代表)研究地幔的途徑：

地幔分為上地幔、下地幔及兩者之間的過渡層上地幔莫霍面-410km,主要是致密的Fe-Mg硅酸鹽，相當于橄欖巖和榴輝巖，對來自該圈層的超基性巖包體的研究表明，上地幔主要由橄欖石、輝石、石榴子石及少量尖晶石、角閃石和金云母組成。Ringwood根據玄武巖與金伯利巖中直接來自上地幔的二輝橄欖巖包體及大洋拉斑玄武巖的化學成分，計算出上地幔的成分相當于3份橄欖巖+1份玄武巖的總成分，主要礦物組成為：橄欖石57%、斜方輝石17%、單斜輝石12%和石榴子石14%，所獲得的化學組成與球粒隕石相當。地幔分為上地幔、下地幔及兩者之間的過渡層上地幔之下為過渡層（約600km厚），該層是一個溫度相當于巖石熔點的可流動塑性層，也稱軟流層(軟流圈)，在軟流層之上的地幔和地殼統稱為巖石圈。由于壓力大，該區內Fe、Mg硅酸鹽礦物晶體結構均從橄欖石型轉變為尖晶石型。

在軟流層內隨深度變化巖石發生近等化學的同質多象轉變，如在400-600km的壓力下，橄欖石和輝石發生相變：鎂橄欖石(Mg2SiO4，斜方晶系)轉變為鎂尖晶石(Mg2SiO4，等軸晶系)，其相應的密度增加了10%。上地幔之下為過渡層（約600km厚），該層是一個溫度

下地幔：由1000km延伸到2900km,物質較為均一，礦物成分一般沒有發生明顯變化，主要為Fe含量增高，密度更大。其主要礦物成分為：橄欖石系列(Mg,Fe)SiO4(55%)

鈦鐵礦型固溶體（Mg,Fe)SiO3-(Al,Cr,Fe)AlO3(36%)

鈣鈦礦CaSiO3(6.5%)原始地幔的化學成分見教材33頁表1.9虧損地幔的化學成分p34,表1.10下地幔：由1000km延伸到2900km,物質較為均一，斜方/單斜輝石斜方/單斜輝石鎂鐵榴石類晶橄欖石鎂鐵榴石類晶橄欖石鈣鈦礦頑火輝石鎂方鐵礦鈣鈦礦頑火輝石鎂方鐵礦CompositionofrocksPyroliteharzburgitelherzoliteeclogiteSiO245464450Al2O34.51.22.216FeO8.07.38.210MgO3844418CaO3.60.92.210*Mg#89.491.589.958.8*densityr3.3853.3463.3763.970olivine566265--orthopyx183021--clinopyx102850garnet146650CompositionofrocksPyroliteha3、地核由2900km以下到地心。通過與鐵隕石的對比，以及地球磁場和密度資料，認為地核是由于重力和(呈)化學分異(兩種不同的成因觀點)形成的鐵鎳合金，也有人認為地核由原始太陽系星云吸積形成的鐵與硅、氧、碳、硫等輕元素合金組成，因而采取了Ni、Fe-FeS等地核模型。地核以富集親鐵元素為特征，主要成分為Fe+(5-10%)的其它低質量元素。目前關于地核化學組成的知識仍相對有限。3、地核Schematicdiagramshowingvariousinputandoutputfluxesofelementsintoandoutoftheocean.

地球的外部層圈水圈大氣圈生物圈Schematicdiagramshowingvari二、地球的平均化學成分由于地球內部結構已高度演化，這種化學不均一性可能自地球形成以來便存在。因此沒有能代表地球初始組成的直接測量樣品；對地球元素豐度的估算均建立在各種模型的基礎之上，包括:隕石法(不同類型隕石按比例加權計算)地球圈層與隕石類比法(不同圈層用不同隕石對應)地球物理類比法(不同圈層用地球巖石平均組成、理想巖石或物質相加權計算)。二、地球的平均化學成分由于地球內部結構已高度演化，這種化學不例：Mason(1966)以下列考慮建立模型，計算了地球平均化學成分：1）大氣圈、水圈和生物圈的質量相對固體地球可忽略不計；2）地核+地幔代表地球總質量的99%；3）地核與幔-殼的質量比=32.3%:67.7%；其中地核成分采用：選擇含5.3%隕硫鐵的球粒隕石，以其Ni-Fe相的平均成分代表地核的組成；而幔-殼部分的成分采用球粒隕石中硅酸鹽相的平均成分。

以上加權平均則可得到地球的平均化學成分。

地球的平均化學組成參見第38頁表1.13。例：Mason(1966)以下列考慮建立模型，計算了地球平均8種元素占地球(除去水圈和大氣圈)總質量的99%8種元素占地球(除去水圈和大氣圈)總質量的99%地球中元素含量從高到低的順序為：Fe、O、Si、Mg、Ni、S、Ca、Al、Na、Co、P、K、Ti…90%>1%0.01-1%

地球中元素豐度的順序與太陽系中元素豐度順序明顯不同，說明組成地球的物質相對于太陽系組成已發生了明顯的化學分異。地球中元素含量從高到低的順序為：

§4地殼元素的豐度

研究地殼元素豐度是地球化學的一項重要的基礎任務，一直受到各國地球化學家的關注，地殼元素豐度是地球各圈層化學組成中目前研究得最詳細的地球化學工作。一、地殼元素豐度的研究方法

1、克拉克計算法：由美國F.W.Clarke和H.S.Washington于1924年根據積累的地球化學資料進行統計計算獲得，后人將元素在地殼中的豐度也稱為克拉克值。他們的思路是：地殼上部16公里范圍內（最高的山脈和最深海洋深度接近16公里）分布著95%的巖漿巖+變質巖，4%的頁巖，0.75%的砂巖，0.25%的灰巖，而變質巖+這5%沉積巖也是巖漿巖派生的，因此認為巖漿巖的平均化學成分實際上可以代表地殼的平均化學成分?！?地殼元素的豐度研究地殼元素豐度是地球化學的方法：①在世界上采集了5159個不同巖漿巖樣品；②對53種元素進行了定量的化學分析；③采用巖石圈、水圈、大氣圈的質量比值為93%、7%、0.03%;④計算時用算術平均求出整個地殼的平均值。意義：①開創性的工作，為地球化學發展打下了良好的基礎；②代表陸地區域巖石圈組成，其數據至今仍具參考價值。方法：2．簡化研究法1）Goldschmidt采集了挪威南部冰川成因粘土(77件樣品)用其成分代表地殼的平均化學成分，其結果與克拉克的結果相似，但對微量元素的豐度做了大量補充和修訂。

2)維諾格拉多夫（1962）巖石比例法是以兩份酸性巖加一份基性巖來計算地殼平均化學成分。

3）S．R泰勒（1964、1985）巖石比例法是以一份酸性巖加一份基性巖來計算地殼平均化學成分。2．簡化研究法細粒碎屑沉積物可以作為源巖出露區上地殼巖石的天然混合樣品,對源巖出露面積巨大的細屑沉積物(如冰川粘土,深海沉積物,泥質巖和黃土等)進行分析,可以得到不同時期地殼的平均成分.

優點:簡單,易行缺點:不能確定主要元素組成;限定于對REE,Y,Th,Sc,Co等元素含量的分析細粒碎屑沉積物可以作為源巖出露區上地殼巖石的天然混合樣品,風化過程中不同元素的行為Ca,NaandSrarelostK,Rb,CsandBaareretained.Al,Ga,HSFE(Ti,Zr,Hf,Ta,Th)andREE,Y,Scareimmobile.風化過程中不同元素的行為Ca,NaandSrare研究實例1.

Goldschmidt采集了挪威南部冰川粘土（77個樣）用其成分代表地殼的平均化學成分，其結果與克拉克的結果相似，但Na2O和CaO含量明顯偏低2.TaylorandMcLennan(1985)通過對泥質巖石的研究得到了類似的大陸地殼元素豐度.研究實例1.Goldschmidt采集了挪威南部冰川粘土（3．按照地殼模型加權法

A.波德瓦爾特（A.Polderraat）和A.B羅諾夫(A.B.POHOB)及我國黎彤教授采用了此方法。優點

：1）按現代地殼結構模型計算；

2）包括2/3以上大洋地殼；

3）考慮了地殼物質隨深度變化的特征。計算方法：1）對地殼進行分區，求出各區的質量

2）求出各區各巖類巖石中元素含量

3）求出各區中元素的豐度

4）按厚度加權平均3．按照地殼模型加權法ThedeepcrustThedeepcrust1.大陸地殼剖面法對由造山作用出露地表的大陸地殼剖面進行系統的研究,得到大陸地殼元素豐度1.大陸地殼剖面法對由造山作用出露地表的大陸地殼剖面進行系2Crustalstructurebasedondeepcrustalxenoliths

(Mengeletal.,1992)2Crustalstructurebasedond第一章-自然體系中元素豐度-LZ-Formalppt課件第一章-自然體系中元素豐度-LZ-Formalppt課件第一章-自然體系中元素豐度-LZ-Formalppt課件Continentalcrust

LaCePrNdSmEuGdTbDyHoErTmYbLu110100Rock/ChondriteGaoetal.(1998;Eu/Eu*=0.80)Wedepohl(1995;Eu/Eu*=0.83)Rudnick&Fountain(1995;Eu/Eu*=0.98)Taylor&McLennan(1995;Eu/Eu*=1.00)TotalContinentalCrustContinentalcrustLaCePrNdSmEu

到目前為主，許多作者發表了元素在地殼中的豐度，對比這些數據可見，盡管各研究者采用的計算方法不同，但所得的地殼主要元素的估計值相互接近，豐度較高的元素在含量上無明顯差別，但部分豐度小或在地殼中分配高度不均一的稀有分散元素(如鉑族元素)和形成易揮發溶解化合物的元素差別則較為明顯。到目前為主，許多作者發表了元素在地殼中的豐度，對不同作者提出的大陸地殼常量元素平均組成不同作者提出的大陸地殼常量元素平均組成Continentalcrust

LaCePrNdSmEuGdTbDyHoErTmYbLu110100Rock/ChondriteGaoetal.(1998;Eu/Eu*=0.80)Wedepohl(1995;Eu/Eu*=0.83)Rudnick&Fountain(1995;Eu/Eu*=0.98)Taylor&McLennan(1995;Eu/Eu*=1.00)TotalContinentalCrustContinentalcrustLaCePrNdSmEuStructureandcompositionalmodelofthecrust

StructureandcompositionalmoMetamorphicFacies

Temperature-pressurediagramshowingthegenerallyacceptedlimitsofthevariousfaciesusedinthistext.Boundariesareapproximateandgradational.The“typical”oraveragecontinentalgeothermisfromBrownandMussett(1993).Winter(2001)AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology.PrenticeHall.MetamorphicFaciesTempe上、中、下大陸地殼及總地殼的成分

ElementUpperCrustMiddleCrustLowerCrustBCCSiO266.663.553.460.62TiO20.640.690.820.72Al2O315.415.016.915.89FeOT5.046.028.576.71MnO0.100.100.100.10MgO2.483.597.244.66CaO3.595.259.596.41Na2O3.273.392.653.07K2O2.802.300.611.81P2O50.150.150.100.13Total100.05100.00100.00100.12Mg#46.751.560.155.3ByRudnickandGao(2003)上、中、下大陸地殼及總地殼的成分ElementUpper二:地殼元素的豐度特征地殼中元素的相對平均含量極不均一。豐度最大的元素是O：47%，豐度最小的元素Rn(氡，其中222Rn具放射性，衰變，半衰期為3.825天)為610-16，兩者相差達1017倍。相差十分懸殊。

OSiAlFeCaNaKMgTi前五種:82.58%前九種:98.13%前十五種元素占99.61%,其余元素僅占0.39%

這表明：在地殼的化學組成中只有少數元素在數量上起決定作用，而大部分元素居從屬地位。二:地殼元素的豐度特征2、大陸地殼含有總硅酸巖地球中的大部分不相容元素(33-35%ofRb,Ba,K,Pb,ThandU)；相對虧損Nb、富集Pb；2、大陸地殼含有總硅酸巖地球中的大部分不相容元素(33-3地殼中元素原子克拉克值（對數值）與原子序數曲線(黑線表示偶原子序數的元素，紅線為奇原子序數的元素）地殼中元素原子克拉克值（對數值）與原子序數曲線(黑線表示偶原3.從圖上可以看出隨著原子序數的增大，元素豐度曲線下降。與太陽系元素分布規律相似,偶數元素豐度大于奇數元素豐度。但這些規律不如太陽系元素豐度曲線所反應的規律那么明顯。這說明地殼元素豐度特征與太陽系元素豐度特征既有相似性又有區別。

3.從圖上可以看出隨著原子序數的增大，元素豐度曲線4.對比地殼、整個地球和太陽系元素豐度數據發現，它們在元素豐度的排序上有很大的不同：太陽系：H>He>O>Ne>N>C>Si>Mg>Fe>S地球：Fe>O>Mg>Si>Ni>S>Ca>Al>Co>Na地殼：O>Si>Al>Fe>Ca>Na>K>Mg>Ti>H與太陽系或宇宙相比，地殼和地球都明顯地貧H,He,Ne,N等揮發性元素；而地殼與整個地球相比，則明顯貧Fe和Mg，同時富集Al,K和Na，這種差異說明什么？由宇宙化學體系形成地球的演化（核化學）過程中必然伴隨著氣態元素的逃逸。地球原始的化學演化表現為較輕易熔的堿金屬鋁硅酸鹽在地球外層富集，而較重的難熔鎂、鐵硅酸鹽和金屬鐵則向深部集中。

4.對比地殼、整個地球和太陽系元素豐度數據發現，它們在元素

注意：

地殼中元素豐度不是固定不變的，它是不斷演化的開放體系。①地球表層H、He等氣體元素逐漸脫離地球重力場；②每天降落到地球表層的地外物質102~105噸；③地殼與地幔的物質交換；④放射性元素衰變；人為活動的干擾。

5、現今地殼中元素豐度特征是由元素起源到太陽系、地球、地殼的形成和演化至今漫長時間累積的結果，并將繼續發展變化。注意：地殼中元素豐度不是固定不變的，它是不地殼生長模式

After:Taylor&McLennan(1985)地殼生長模式After:Taylor&McLenna三地殼元素豐度研究的意義

元素地殼豐度—“元素克拉克值”是地球化學中重要的基礎數據。它確定了地殼中各種地球化學作用過程的總背景。它是衡量元素集中、分散及其程度的標尺，本身也是影響元素地球化學行為的重要因素。三地殼元素豐度研究的意義1.控制元素的地球化學行為1）支配元素的地球化學行為例如：地球化學性質相似的堿金屬

（豐度高）K,Na

天然水中高濃度，形成各種獨立礦物（鹽類礦床）

（豐度低）Rb,Cs

天然水中極低濃度，不能形成各種獨立礦物，呈分散狀態2）限定自然界的礦物種類及種屬實驗室條件下：可合成數十萬種化合物。自然界：只有3000多種礦物。礦物種屬有限（硅酸鹽25.8%；氧化物、氫氧化物12.7%；其他氧酸23.4%；硫化物、硫酸鹽24.7%；鹵化物5.8%；自然元素4.3%；其它3.3%）1.控制元素的地球化學行為1）支配元素的地球化學行為自然界中主要的礦物類型及其相對比例自然界中主要的礦物類型及其相對比例

為什么？

因為地殼中O、Si、Al、Fe、K、Na和Ca等元素豐度最高，濃度大，容易達到形成獨立礦物的條件。（酸性巖漿巖的造巖礦物以長石、石英、云母、角閃石為主）。自然界濃度低的元素很難形成獨立礦物。硒酸鋰：Li2SeO4

硒酸銣：Rb2SeO4

但也有例外：“Be”元素地殼豐度很低，但可形成Be的獨立礦物：Be3Al2Si6O18（綠柱石）為什么？Be3Al2Si6O18（綠柱石）Be3Al2Si6O18（綠柱石）3)限制了自然體系的狀態實驗室條件下：可對體系賦予不同物理化學狀態自然界：體系的狀態受到限制，其中的一個重要的因素就是元素豐度的影響

O2（游離氧）

氧化還原環境

H+(pH)

溶液的酸堿度4）對元素親氧性和親硫性的限定在O豐度高，S豐度低的地殼環境下，Ca元素顯然是親氧的。在地幔環境，隕石缺O富S，能形成CaS（褐硫鈣石）3)限制了自然體系的狀態

2.地殼克拉克值可作為微量元素集中、分散的標尺

1）可以為闡明地球化學省（場）特征提供標準。資源：Mo地殼豐度1×10-6，東秦嶺Mo區域豐度2.3×10-6，Mo的地球化學省。環境：克山病病區：土壤有效Mo、飲水Mo含量、主食中Mo含量普遍低于地殼背景，導致人體Mo低水平。2.地殼克拉克值可作為微量元素集中、分散的標尺資源：Mo2）指示特征的地球化學過程

某些元素克拉克比值是相對穩定的，當發現這些元素比值發生了變化，示蹤著某種地球化學過程的發生。

Th/U（3.3~3.5）,K/Rb,Zr/Hf,Nb/Ta在地殼環境下，性質相似，難以彼此分離，有相對穩定的比值。

一旦某地區、某地質體中的某元素組比值偏離了地殼正常比值，示蹤著某種過程的發生。

Th/U<2鈾礦化

Th/U8-10釷礦化2）指示特征的地球化學過程3)濃度克拉克值和濃集系數

濃度克拉克值

=某元素在某一地質體中平均含量某元素的克拉克值＞1意味該元素在地質體中發生了富集＜1意味該元素在地質體中發生了分散區域濃度克拉克值=某元素在區域內某一地質體中平均含量某區域元素的豐度值濃集系數

=某元素最低可采品位某元素的克拉克值反映了元素在地殼中傾向于發生富集的能力

Sb濃集系數=25000;Hg=14000;Fe=63)濃度克拉克值和濃集系數

濃度克拉克值=某元素在某一

整個地球元素分布是不均勻的，地殼和地幔也是如此。地殼元素的分布不論在空間上及時間上都具有不均一的特點（這與地殼乃至于地幔物質分異的演化過程密切相關）。四、地殼元素分布的不均一性整個地球元素分布是不均勻的，地殼和地幔也是1.空間上分布的不均一性垂向深度（陸殼）：上、下地殼元素豐度的不均勻性：上地殼；0-8~12km偏酸性火成巖、沉積巖下地殼：8~12km-莫霍面麻粒巖、玄武巖

Ri=上地殼元素豐度/

下地殼元素豐度

Ri

1:Ca,Si,Zr,Nd,Pb等.Ri<1:Mg,Cu,V,Fe,Ni,Cr,Ag,Co,Sr等.Ri>1:Cl,C,Cs,K,Rb,U,Th,Bi,Tl,Nb等.反映了地殼物質在分異演化過程中的宏觀趨勢。1.空間上分布的不均一性橫向分布：大陸地殼和海洋地殼的不均一性

洋殼：占地球表面60%以上，厚5-16km，它們的化學成分與地幔物質的部分熔融直接相關(與地幔物質相似)，以鎂、鐵硅酸鹽為主要礦物組成，以相對富集Cr、Fe、Ni和PGE等親鐵元素為特征。

陸殼：占地球表面30%，厚30-50km，它們的礦物成分主要由富鋁、鉀的硅酸鹽組成，以相對富集親氧及親硫元素，如K、Na、Ca、W、Sn、Mo、Cu、Pb、Zn和Ag等為特征。

陸殼內：板塊間、區域間、地質體間、巖石間、礦物間元素分布不均一性，區域上元素的不均一性表現出不同的地球化學省的特征。橫向分布：大陸地殼和海洋地殼的不均一性2.時間上地殼元素分布的不均一性隨著地質歷史的發展，元素的活動與分布有著明顯的規律性。地史早期：一些穩定元素在地史早期富集。

Au元素：主要產在前寒武紀。

Fe元素:主要產在前寒武紀元古宙（前寒武紀變質鐵礦占世界鐵礦儲量60%）。地史晚期：一些活潑的不穩定元素趨于在地史晚期富集。

W元素：鎢成礦作用高峰期在中生代（燕山期）（Sn、Nb、Ta等）2.時間上地殼元素分布的不均一性

世界部分大陸（北美、南非、印度）不同地史時期成礦元素變化規律:

前寒武紀：

Pt、Fe、Ni、Co、Au、U(占這些元素儲量50%以上);

古生代:U、Pb、Co、Ni、Pt，其次為W、Sn、Mo、Pb、Zn和Hg等;

中生代:W、Sn、Ag和Sb等;

新生代:Hg、Mo、Cu、Pb和Zn等。元素在時間上的分布在大的地質時間跨度上不均勻，在某一時期內也是不均勻的。世界部分大陸（北美、南非、印度）不同地史時§5區域地殼元素豐度研究一、區域元素豐度研究的意義它是決定區域地殼（巖石圈）體系化學特征的重要基礎數據；為研究各類地質、地球化學作用、分析區域構造演化歷史及區域成礦規律提供重要的基礎資料；為研究區域生態環境，為工業、農業、畜牧業、醫療保健等事業提供重要信息?！?區域地殼元素豐度研究一、區域元素豐度研究的意義1、確定區域范圍：根據工作任務和性質來確定；2、建立地殼結構模型（地球物理）3、地殼巖石結構模型：

1）沉積蓋層的巖石組成及厚度

2）中、下地殼的巖石組成及厚度

3）巖漿巖類型及分布比例二、區域元素豐度研究方法1、確定區域范圍：根據工作任務和性質來確定；二、區域元素豐三、區域地殼豐度的計算1、樣品采集采用構造-地層分區與標準剖面結合的采樣方案，對于巖體，采用路線穿越采樣。2、樣品分析與數據質量多元素、多方法主量元素：濕化學分析、XRF、ICP-AES微量元素：儀器分析(ICP-MS、AAS-原子吸收光譜等)分析精確度（相對標準偏差）：主量0.1—0.5%，微量元素<5-10%分析準確度：由國內、國際標樣監控。三、區域地殼豐度的計算1、樣品采集區域地殼豐度的計算3、豐度計算1）計算各地層單元中每類巖石的元素豐度，并進行厚度加權平均，計算上、中、下地殼的元素豐度；2）計算各巖體中的元素豐度，并按巖體出露面積進行加權平均，計算巖漿巖總體中的元素豐度；3）按巖漿巖和地層的質量或出露面積加權平均計算區域地殼總體中的元素豐度；4）對構造復雜的地區，必須先進行構造分區，然后按構造區的質量比例進行加權獲得總體地殼中的元素豐度。區域地殼豐度的計算3、豐度計算1、提供區域地殼地球化學特征的總背景2、地殼不同結構層元素豐度對比（上、下地殼分異）3、區域各構造單元地殼組成對比4、地殼演化（地層、巖漿作用、構造作用）5、區域成礦規律、生態環境、農業等四、區域元素地殼豐度資料的應用1、提供區域地殼地球化學特征的總背景四、區域元素地殼豐度資料

西班牙BarrancodelGrederoK/E剖面Ir含量的變化時間尺度：Ir元素