第一章自然体系中元素丰度 LZ Formalppt课件.ppt

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1、第一章 自然体系中化学元素的丰度,内容提要基本概念元素在太阳系中的分布规律地球的结构和化学成分 地壳中元素的丰度区域地壳元素丰度研究小结及思考题,引言,地球化学的定义告诉我们，地球化学研究的主要内容是地球及部分天体的化学组成及其化学运动。因此，了解地球和太阳系的化学组成特征是地球化学的基础研究内容。现有的科学技术条件下，我们目前了解最多的是地球和太阳系的化学组成。太阳系具有共同的起源，但组成太阳系的各星体具有不同的演化特征，导致了各星体不同的化学组成。因此，要认识太阳系的起源与演化，有必要了解太阳系各组成星体的现有化学组成。,1 基本概念,地球化学体系 分布和丰度 分布与分配 绝对含量和相对含

2、量 研究元素丰度的意义,1. 地球化学体系,按照地球化学的观点，可将研究的对象看作是一个地球化学体系，每个地球化学体系都有一定的空间，都处于特定的物理化学状态（C、T、P等），并且有一定的时间连续。根据研究需要，地球化学体系可大可小， 小至某个矿物包裹体，某矿物、某岩石可看作一个地球化学体系，某个地层、岩体、矿床（某个流域、某个城市）也是一个地球化学体系；从更大范围来讲，某一个区域、地壳、地球直至太阳系、整个宇宙都可看作为一个地球化学体系。,2. 元素分布,元素分布是指元素在某个宇宙体或地质体(太阳、行星、陨石、地球、地圈、地壳)中的整体(平均)含量。 元素在地壳中的原始分布量与下列因素有关：

3、 1） 元素的起源 2） 元素的质量 3） 原子核的结构、性质 4） 地球演化过程中的热核反应,3. 元素分配,分配是指元素在各宇宙体或地质体内部不同部分或区段中的含量。对元素分配进行观察的参考点来自元素的分布。 地壳中元素的分配指的是地壳形成后，随着它的演化、造山运动的更替，元素在地壳的各个不同部位和各种地质体中的平均含量。这是元素在地壳各部分不同的物理化学条件下，不断迁移的表现。 元素的分配取决于下列因素： 1） 地质作用中元素的迁移 2） 元素的化学反应 3） 元素电子壳层结构及其地球化学性质,分布与分配的关系,元素的分布与分配是一个相对的概念，它们之间具有一定的联系。化学元素在地壳中的

4、分布，也就是元素在地球中分配的具体表现，而元素在地壳各类岩石中的分布，则又是元素在地壳中分配的表现。,4. 元素的丰度,通常将化学元素在任何宇宙体或地球化学系统中（如地球、地球各圈层或各个地质体等）的平均含量称之为丰度。 以上可见，元素的分布、分配及元素的丰度都是来度量元素的含量特征。,5. 绝对含量和相对含量,地球化学中对常量元素（major element或称主量元素）的含量一般用其氧化物的重量百分数（%）表示，而对微量元素(trace element)则一般用百万分之一来表示。Major Elements1 wt. %Minor Elements0.1 to 1 wt. %Trace E

5、lements100 ppm or less 表示方法：g/t(克/吨)、g/g、ppm 1g/t = 1g/g = 10-4 % = 10-6对溶液和气态样品也有相应的含量表达方式,6. 元素丰度的研究意义,元素丰度是每一个地球化学体系的基本数据。可在同一或不同体系中用元素的含量值来进行比较，通过纵向（时间）、横向（空间）上的比较，了解元素动态情况，从而建立起元素集中、分散、迁移活动等一些地球化学概念。从某种意义上来说，正是在探索和了解元素丰度的过程中，近代地球化学才逐渐建立起来。 元素丰度是研究地球化学基础理论问题的重要素材之一。宇宙天体是怎样起源的？地球又是如何形成的？地壳中主量元素组成

6、为什么与地幔中的不一样？生命是怎么产生和演化的？这些研究都离不开地球化学体系中元素丰度分布特征和规律的了解。,2 元素在太阳系或宇宙体中的丰度,太阳是太阳系中的恒星和中心，其质量为1.9831033g，约为地球的33万倍，占整个太阳系总质量的99.8%。太阳的直径为1,391,000km，体积为地球的130万倍。,太阳系的组成,太阳（99.8%）行星（内行星：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）行星物体卫星,已有的科学证据表明，太阳系物质具有共同的起源，地球等星体与太阳系是联系的，因此可以通过对太阳系形成过程的了解来认识地球和其它行星的形成与演化。由于太阳占据了

7、太阳系质量的绝大部分，通过对其化学组成的了解，并结合陨石、月球和其它行星组成的研究成果，可对元素在太阳系中的丰度特征进行确定。,关于宇宙的时代目前认识不统一，但多数证据表明其年龄约为17-11 Billion Year。太阳系的年龄为4.5 Billion Year，显然属较年轻的星系。在茫茫宇宙中，太阳系仅为“沧海一粟”。因此，通常提出的元素宇宙丰度应该系指元素的太阳系丰度。元素在太阳系中的丰度可理解为元素在太阳系中的分布。以此为基础，通过对比元素在太阳系中各组成星体中元素的分配特征，可对包括地球在内的各星体的形成进行研究。目前对太阳系化学组成进行研究的主要途径的：太阳光谱测量、陨石研究、宇

8、航样品和星体观察等。,2.1 太阳系或天体中元素丰度的研究方法,1、 太阳和其它星系的幅射谱线的研究 由于太阳表面温度极高(5700K，太阳核的温度可能高达14106K)，因此各种元素的原子均处于激发状态，从而不断地辐射出各自的特殊光谱。例如：Pb 2170 ，Ag 3281 ，Au 2428 太阳光谱的谱线数和它们的波长主要取决于太阳表层中所存在的元素，而这些谱线的亮度则取决于以下因素： 1）元素的相对丰度；2）温度；3）压力 在温度和压力固定的条件下，元素丰度愈大，则谱线的亮度愈强。,McMath-Pierce太阳望远镜也称太阳塔,太阳塔,太阳光谱,光谱仪,2. 陨石的研究,陨石是落到地球

9、上的行星物体的碎块，天文学和化学方面的证据都说明，太阳系和地球具有共同的成因。因此，陨石的化学成分是估计太阳系元素丰度及地球整体和地球内部化学组成最有价值的依据。,1965，英国，Barwell 陨石,直径500km的陨石落入地球(动画效果),陨石的Pb-Pb等时线，地球的沉积物也落于此线上，指示陨石和地球具有共同的物质起源,陨石的意义,陨石是空间化学研究的重要对象，其研究意义为： 它是认识宇宙天体、行星的成分、性质及其演化的最易获取、数量最大的地外物质； 也是认识地球的组成、内部构造和起源的主要资料来源； 陨石中的60多种有机化合物是非生物合成的“前生物物质”，对探索生命前期的化学演化开拓了

10、新的途径； 可作为某些元素和同位素的标准样品（稀土元素，Pb、Nd、Os、S同位素等）。,陨石类型,陨石主要是由镍-铁合金、结晶硅酸盐或两者的混合物所组成，按成份，分为三类： 1）铁陨石（siderite）。主要由金属Ni, Fe（占98%）和少量其他元素组成（Co, S, P, Cu, Cr, C等）。 2）石陨石（aerolite）。主要由硅酸盐矿物组成（橄榄石、辉石）。这类陨石按照它们是否含有球粒硅酸盐结构，可进一步分为两类：球粒陨石和无球粒陨石。 3）铁石陨石（sidrolite）。由数量上大体相等的FeNi和硅酸盐矿物组成，是上述两类陨石的过渡类型。,铁陨石,石陨石,铁石陨石,铁石陨

11、石,铁陨石,球粒陨石,无球粒陨石,更专业的陨石分类，可供大家作为文献阅读时的参考,顽辉石,高铁群普通,低铁普通,低铁低金属普通,碳质,陨石是行星增生过程不同阶段的“化石”：,球粒陨石在化学组成上接近于太阳；相对于分异(演化)了的其它陨石，球粒陨石的组成更为“原始(Primitive)”在所有的球粒陨石中，碳质球陨石化学组成为最原始，甚至含有挥发份组成。,Planetesimal： 小行星体,橄辉无球粒陨石,顽火无球粒陨石,钛辉无球粒陨石,钙长辉长岩,多数陨石来自小行星带(asteroid)，但也有相当数量的陨石来自月球或火星。,陨石大都是石质的，但也有少部分是碳质。碳质球粒陨石有一个典型的特征

12、：含有碳的有机化合分子并主要由含水硅酸盐组成。它对探讨生命起源的研究和探讨太阳系元素丰度等具有特殊的意义。由于Allende碳质球粒陨石(1969年陨落于墨西哥)及其它碳质球粒陨石的元素丰度几乎与太阳中观察到的非挥发性元素丰度完全一致，碳质球粒陨石的化学成分已被用于估计太阳系中非挥发性元素的丰度。,Allende, Mexico CV3碳质球粒陨石,Allende carbonaceous chondrite,宁强陨石“1983年6月25日宁强燕子砭降落4块陨石，经国家科研部门确认，属炭质球粒陨石，是迄今为止人类掌握的最古老的太阳系考古样品。”,元素含量相对于Si=106标准化，元素含量测量精

13、度为5-10%；由于元素之间含量水平差异过大，作图采用了对数值坐标。,太阳大气层与C1球粒陨石元素含量关系图,新的数据，并增加了强挥发性元素,C型碳质球粒陨石元素丰度与太阳元素丰度对比(Anders & Grevasee, 1989),陨石的主要矿物组成：FeNi 合金、橄榄石、辉石等。陨石中共发现140种矿物，其中39种在地球（地壳浅部）上尚未发现。 如褐硫钙石CaS，陨硫铁FeS。这说明这些陨石是在缺水、缺氧的特殊物理化学环境中形成的。,陨石的平均化学成分,要计算陨石的平均化学成分必须解决两个问题：首先要了解各种陨石的平均化学成分；其次要统计各类陨石的比例。 各学者采用的方法不一致。 Go

14、ldschmidt 采用硅酸盐：镍-铁：陨硫铁=10 : 2 : 1比例，获得以下陨石平均化学成分：,基本认识,由表可以看出，元素O、Fe、Si、Mg、S、Ni、Al、Ca是陨石的主要化学组成。 根据对世界各地不同类型陨石的研究，获得以下基本认识： 陨石来自某种曾经分异成一个富金属核和一个硅酸盐包裹层的行星体，这种天体的破裂就导致各类陨石的形成一个母体形成陨石； 石陨石与地球上的基性、超基性火山岩矿物组成和化学成分相似，铁陨石与地核的化学成分相似。陨石的母体在组成上、结构上与地球极为相似推测地球内部结构和化学成分； 陨石的年龄与地球的年龄相近（陨石利用铅同位素求得的年龄是45.50.7亿年）；

15、 各种陨石分别形成于不同的行星母体； 陨石等地外物体撞击地球，将突然改变地表的生态环境诱发大量的生物灭绝，构成了地球演化史中频繁而影响深远的突变事件，为此对探讨生态环境变化、古生物演化和地层划分均具有重要意义。,3. 宇航事业,上世纪50年代以来，人类相继发射了人造地球卫星和各种地球探测器，对地球高层大气的成分进行了测定。另外，还对水星、金星、火星、木星、土星及其卫星大气层的结构和成分进行了探测。1969年阿波罗-11登月，此次登月及其他的登月共采集月球样品380Kg(送给我国1克，其中0.5克用于研究，另外0.5克封存)，使得人们对月球的化学成分、内部结构、演化历史增添了许多新的知识。,嫦娥

16、一号,嫦娥一号,嫦娥一号,月球车,美航天局发表新闻公报说，半人马座火箭、月球坑观测和传感卫星2009年10月9日相继撞击了月球南极附近的凯布斯坑，扬起至少25加仑（95升）水，而这一数量仅仅是在单个月球坑单次撞击所扬起的“水量”。撞击点地表温度为摄氏零下185度。月球坑观测与传感卫星发回的数据确凿证实月球有水，虽然并非人们想象中的液态水，只是气态和冰态水。,据科学家发表在自然杂志上的报告，他们所分析的岩石样本是上世纪六七十年代“阿波罗”探月任务从月球带回的“火山玻璃”，这种“火山玻璃”由月球火山喷发的岩浆迅速冷却后形成，形状像小小的鹅卵石。 负责质谱仪分析的卡内基学会科学家埃里克豪里说：“我们

17、设计的分析方法能检测到（百万分之一）含量的水，令人吃惊的是在这些小玻璃珠子中发现的水高达。” 新华网华盛顿 2008年7月9日,月全食,月球内部结构,giant Impact,Hypotheses of the origin of the Moon,giant Impact,Artists conception of the Giant Impact Hypothesis of the origin of the Moon.,月球表面,月球岩石的矿物组成,4. 根据星体的密度和行星表面天文观察资料间接推断化学成分,测量星体的密度，而密度与物质成分相关。例如：地球的平均密度为5.52, 铁镍相占

18、31.5%,2.2 元素在太阳系或宇宙中的丰度规律,星子(小行星),T -Tauri恒星（像太阳一样的恒星的前身）从极区发生超音速物质流,太阳星云收缩，因角动量守恒产生星盘,恒星阶段发展导致太阳系系统内部星体挥发份物质吹失,星云假说,宇宙的成因大爆炸理论(Big Bang),大爆炸形成了质子、中子和电子，并随后形成了1H(75 %) 、2H(10ppm)、3He(20ppm)、4He (25%)和7Li(0.5ppb) 核素。这些元素在宇宙中呈氢星云分布，当氢星云发生重力凝聚时将产生高温和高压，进而发生一系列以核聚变为主的恒星核合成反应(Nucleosynthesis)，形成了周期表上的各元素

19、。热核反应伴随着恒星的演化，直到衰亡完成一次循环。太阳系目前演化至“中年”，具有着与其演化过程相对应的元素组成，即太阳系元素丰度。,恒星核合成理论认为，包括太阳系在内的各星系，其组成体中的恒星和行星具有共同的元素起源。因此，太阳系中的太阳、行星和周围的星体具有共同的初始化学组成。由于太阳系已经历了45.6亿年的演化，需要寻找能够代表太阳系初始组成的样品。由于碳质球粒陨石与太阳光谱中绝大多数元素的比例相同，因此将碳质球粒陨石作为经历最低程度分异作用、并可在实验室内直接进行高精度元素含量测量的初始样品，以代表太阳系的原始物质成分。由于碳质球粒陨石也经历了一定程度的演化，导致了挥发性元素不同程度的丢

20、失，因此，太阳系挥发性元素的丰度参考了太阳光谱。,太阳系元素丰度按奇数和偶数原子序数统计,宇宙元素丰度分布规律,1）元素的丰度随着原子序数增大而减小。元素丰度开始迅速降低，然后，在原子序数Z45的区间变为近似水平线。元素丰度与原子核的质量数和中子数之间，也分别存在类似的关系。,2）原子序数为偶数的元素丰度明显高于相邻原子序数为奇数的元素丰度。同时具有偶数质量数（A）或偶数中子数（N）的同位素或核类的丰度也总是高于相邻具有奇数A或N的同位素或核类。这一规律称为奥多-哈根斯法则奇偶规律。,3）质量数为4的倍数的核类或同位素具有较高的丰度，原子序数或中子数为“幻数”（2、8、20、50、82、126

21、等）的核类或同位素分布最广、丰度最高。例如：4He(Z=2,N=2),16O(Z=8,N=8),40Ca(Z=20,N=20),140Ce(Z=58, N=82),4）宇宙(太阳系)中丰度最高的元素为H和He；5）与He相邻的三种低原子序数的元素Li、Be和B在丰度曲线上相对周围的元素表现为明显亏损；6）在元素丰度曲线上，相对于周边元素，Fe和O显示出含量“过剩”的高丰度特征。,来自太阳光球层(太阳大气最低层) 的元素组成,太阳光球层原子序数小于35的元素丰度,导致元素宇宙丰度特征的原因为(理论解释)：1、与元素原子结构的关系：原子核由质子和中子组成，其间既有核力又有库仑斥力，但中子数和核子数

22、比例适当时，核最稳定，而具有最稳定原子核的元素一般分布最广。1）对Z20元素，中子数和质子数的比例为1：1，这种核最稳定，为此可以说明4He（Z=2，N2）、16O（Z=8，N=8）、40Ca（Z=20，N=20）等元素丰度较大的原因；随Z增大，1：1的比例被破坏，核内库仑斥力增大，并大于核力，使得原子核不稳定。2）Z为偶数的元素或同位素，核子成对排布，它们自旋力矩相等，而方向相反，量子力学已证明这种核最稳定，因而偶数元素和偶数同位素在自然界的分布更广。,2、与元素形成的整个过程有关： H、He的丰度占主导地位和Li、Be、B等元素的亏损可从元素的起源和形成的整个过程等方面来分析。根据恒星合成

23、元素的假说，在恒星高温条件下（n106K），可以发生有原子（H原子核）参加的热核反应，最初时刻H的“燃烧”产生He，另外在热核反应过程中Li、Be、B迅速转变为He的同位素42He， 因此太阳系中Li、Be、B等元素丰度偏低可能是恒星热核反应过程中被消耗掉了的缘故。,3 地球的结构和化学成分,地球的化学分异,Seismic velocity structure of the Earth,地球的层圈结构,岩石化学分层,地球不同圈层主要元素组成,地球各圈层的体积和质量,Volumes and masses of the Earths shells,值得指出，地球自形成以来，不仅存在来源于地幔物质的

24、大陆地壳生长，也存在各物质偖库间的交换，即壳幔物质再循环。地壳和地幔的化学组成是动态的变化过程。,Schematic diagram showing some of the major reservoirs in the Earth (atmosphere,ocean, continental crust, oceanic crust, mantle, core) and how they may interact. Red ovals represent regions where solid mantle is being partially melted.,Plate Tectonics

25、 Igneous Genesis,1. Mid-ocean Ridges2. Intracontinental Rifts3. Island Arcs4. Active ContinentalMargins,5. Back-arc Basins6. Ocean Island Basalts7. Miscellaneous Intra-Continental Activitykimberlites, carbonatites, anorthosites.,一、地球的结构,1、 地壳 地壳为地表向下到莫霍面，其厚度差异较大，5km-80km不等，并且大陆地壳和大洋地壳之间存在显著的差别。 大洋壳：

26、 0-2km为没有固结的沉积物 3-5km为硅镁层（玄武岩层） 大陆壳：平均厚度为30-40km 上层硅铝壳（康氏面以上），上部为沉积岩，下部相当于为花岗岩和片麻岩成分, 富Si、K、 Rb、U、Th等元素，组成不均一； 下层硅镁层（康氏面以下），当于玄武岩和辉长岩或相当于麻粒岩相岩石。,2、地幔地幔从莫霍面以下到2900km在地球层圈模型中，地幔界于两个一级界面M界面（莫霍面）和G界面（古登堡界面）之间，其体积占整个地球的83%，其质量占地球总质量的67.8%上地幔: 从莫霍面往下410km深处。过渡带: 410-660km深处. 下地幔: 660-2900km深处。,研究地幔的途径：1）深

27、源地幔包体(地幔岩石的直接代表橄榄岩、辉石岩)2）幔源岩石部分熔融形成的幔源岩浆岩(以玄武岩为代表),地幔分为上地幔、下地幔及两者之间的过渡层上地幔莫霍面-410km, 主要是致密的Fe-Mg硅酸盐，相当于橄榄岩和榴辉岩，对来自该圈层的超基性岩包体的研究表明，上地幔主要由橄榄石、辉石、石榴子石及少量尖晶石、角闪石和金云母组成。Ringwood根据玄武岩与金伯利岩中直接来自上地幔的二辉橄榄岩包体及大洋拉斑玄武岩的化学成分，计算出上地幔的成分相当于3份橄榄岩+1份玄武岩的总成分，主要矿物组成为：橄榄石57%、斜方辉石17%、单斜辉石12%和石榴子石14%，所获得的化学组成与球粒陨石相当。,上地幔之

28、下为过渡层（约600km厚），该层是一个温度相当于岩石熔点的可流动塑性层，也称软流层(软流圈)，在软流层之上的地幔和地壳统称为岩石圈。由于压力大，该区内Fe、Mg硅酸盐矿物晶体结构均从橄榄石型转变为尖晶石型。 在软流层内随深度变化岩石发生近等化学的同质多象转变，如在400-600km的压力下，橄榄石和辉石发生相变： 镁橄榄石(Mg2SiO4，斜方晶系) 转变为镁尖晶石(Mg2SiO4，等轴晶系)，其相应的密度增加了10%。,下地幔：由1000km延伸到2900km, 物质较为均一，矿物成分一般没有发生明显变化，主要为Fe含量增高，密度更大。 其主要矿物成分为： 橄榄石系列(Mg,Fe)SiO4

29、(55%) 钛铁矿型固溶体（Mg,Fe)SiO3-(Al,Cr,Fe)AlO3(36%) 钙钛矿CaSiO3(6.5%),原始地幔的化学成分见教材33页表1.9亏损地幔的化学成分p34, 表1.10,斜方/单斜辉石,镁铁榴石,类晶橄榄石,钙钛矿顽火辉石,镁方铁矿,Composition of rocks,3、地核 由2900km以下到地心。通过与铁陨石的对比，以及地球磁场和密度资料，认为地核是由于重力和(呈)化学分异(两种不同的成因观点)形成的铁镍合金，也有人认为地核由原始太阳系星云吸积形成的铁与硅、氧、碳、硫等轻元素合金组成，因而采取了Ni、Fe-FeS等地核模型。 地核以富集亲铁元素为特征

30、，主要成分为Fe + (5-10%)的其它低质量元素。 目前关于地核化学组成的知识仍相对有限。,Schematic diagram showing various input and output fluxes of elements into and out of the ocean.,地球的外部层圈,水圈大气圈生物圈,二、地球的平均化学成分,由于地球内部结构已高度演化，这种化学不均一性可能自地球形成以来便存在。因此没有能代表地球初始组成的直接测量样品；对地球元素丰度的估算均建立在各种模型的基础之上，包括:陨石法(不同类型陨石按比例加权计算)地球圈层与陨石类比法(不同圈层用不同陨石对应)地球

31、物理类比法(不同圈层用地球岩石平均组成、理想岩石或物质相加权计算)。,例：Mason(1966)以下列考虑建立模型，计算了地球平均化学成分：,1）大气圈、水圈和生物圈的质量相对固体地球可忽略不计；2）地核+地幔代表地球总质量的99%；3）地核与幔-壳的质量比=32.3%:67.7%； 其中地核成分采用：选择含5.3%陨硫铁的球粒陨石，以其Ni-Fe相的平均成分代表地核的组成；而幔-壳部分的成分采用球粒陨石中硅酸盐相的平均成分。 以上加权平均则可得到地球的平均化学成分。 地球的平均化学组成参见第38页表1.13。,8种元素占地球(除去水圈和大气圈)总质量的99%,地球中元素含量从高到低的顺序为：

32、Fe、O、Si、Mg、Ni、S、Ca、Al、Na、Co、P、K、Ti 90% 1% 0.01-1% 地球中元素丰度的顺序与太阳系中元素丰度顺序明显不同，说明组成地球的物质相对于太阳系组成已发生了明显的化学分异。,4 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，一直受到各国地球化学家的关注，地壳元素丰度是地球各圈层化学组成中目前研究得最详细的地球化学工作。一、地壳元素丰度的研究方法 1 、克拉克计算法： 由美国F.W.Clarke和H.S.Washington于1924年根据积累的地球化学资料进行统计计算获得，后人将元素在地壳中的丰度也称为克拉克值。 他们的思路是：地壳上部1

33、6公里范围内（最高的山脉和最深海洋深度接近16公里）分布着95%的岩浆岩+变质岩，4%的页岩，0.75%的砂岩， 0.25%的灰岩，而变质岩+这5%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。,方法： 在世界上采集了5159个不同岩浆岩样品； 对53种元素进行了定量的化学分析； 采用岩石圈、水圈、大气圈的质量比值为93%、7%、0.03%; 计算时用算术平均求出整个地壳的平均值。意义： 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组成，其数据至今仍具参考价值。,2简化研究法 1）Goldschmidt采集了挪威南部冰川成因粘土(7

34、7件样品)用其成分代表地壳的平均化学成分，其结果与克拉克的结果相似，但对微量元素的丰度做了大量补充和修订。 2) 维诺格拉多夫（1962）岩石比例法是以两份酸性岩加一份基性岩来计算地壳平均化学成分。 3）SR泰勒（1964、1985）岩石比例法是以一份酸性岩加一份基性岩来计算地壳平均化学成分。,细粒碎屑沉积物可以作为源岩出露区上地壳岩石的天然混合样品, 对源岩出露面积巨大的细屑沉积物(如冰川粘土, 深海沉积物, 泥质岩和黄土等)进行分析, 可以得到不同时期地壳的平均成分. 优点: 简单, 易行 缺点: 不能确定主要元素组成; 限定于对 REE, Y, Th, Sc, Co等元素含量的分析,风化

35、过程中不同元素的行为,Ca, Na and Sr are lostK, Rb, Cs and Ba are retained.Al, Ga, HSFE (Ti, Zr, Hf, Ta, Th) and REE, Y, Sc are immobile.,研究实例,1. Goldschmidt采集了挪威南部冰川粘土（77个样）用其成分代表地壳的平均化学成分，其结果与克拉克的结果相似，但Na2O和CaO含量明显偏低2.Taylor and McLennan(1985)通过对泥质岩石的研究得到了类似的大陆地壳元素丰度.,3按 照 地 壳 模 型 加 权 法 A.波德瓦尔特（A.Polderraat）和

36、A.B罗诺夫(A.B.POHOB) 及我国黎彤教授采用了此方法。优 点 ：1）按现代地壳结构模型计算； 2）包括2/3以上大洋地壳； 3）考虑了地壳物质随深度变化的特征。计算方法： 1）对地壳进行分区，求出各区的质量 2）求出各区各岩类岩石中元素含量 3）求出各区中元素的丰度 4）按厚度加权平均,The deep crust,1. 大陆地壳剖面法,对由造山作用出露地表的大陆地壳剖面进行系统的研究,得到大陆地壳元素丰度,2 Crustal structure based on deep crustal xenoliths(Mengel et al., 1992),到目前为主，许多作者发表了元素在

37、地壳中的丰度，对比这些数据可见，尽管各研究者采用的计算方法不同，但所得的地壳主要元素的估计值相互接近，丰度较高的元素在含量上无明显差别，但部分丰度小或在地壳中分配高度不均一的稀有分散元素(如铂族元素)和形成易挥发溶解化合物的元素差别则较为明显。,不同作者提出的大陆地壳常量元素平均组成,Structure and compositional model of the crust,Metamorphic Facies,Temperature-pressure diagram showing the generally accepted limits of the various facies us

38、ed in this text. Boundaries are approximate and gradational. The “typical” or average continental geotherm is from Brown and Mussett (1993). Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall.,上、中、下大陆地壳及总地壳的成分,By Rudnick and Gao (2003),二: 地壳元素的丰度特征地壳中元素的相对平均含量极不均一。 丰度最

39、大的元素是O：47%，丰度最小的元素Rn(氡，其中222Rn具放射性，衰变，半衰期为3.825天)为610-16，两者相差达1017倍。相差十分悬殊。 O Si Al Fe Ca Na K Mg Ti前五种: 82.58%前九种: 98.13%前十五种元素占99.61%, 其余元素仅占0.39% 这表明：在地壳的化学组成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。,2、大陆地壳含有总硅酸岩地球中的大部分不相容元素 (33-35% of Rb, Ba, K, Pb, Th and U)；相对亏损Nb、富集Pb；,地壳中元素原子克拉克值（对数值）与原子序数曲线,(黑线表示偶原子序数的

40、元素，红线为奇原子序数的元素）,3. 从图上可以看出随着原子序数的增大，元素丰度曲线下降。与太阳系元素分布规律相似,偶数元素丰度大于奇数元素丰度。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。 这说明地壳元素丰度特征与太阳系元素丰度特征既有相似性又有区别。,4. 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的不同：太阳系：HHeONeNCSiMgFeS地球： FeOMgSiNiSCaAlCoNa地壳： OSiAlFeCaNaKMgTiH, 与太阳系或宇宙相比，地壳和地球都明显地贫H, He, Ne, N等挥发性元素； 而地壳与整个地球相比，则明显贫Fe和Mg

41、，同时富集Al, K和Na，这种差异说明什么？ 由宇宙化学体系形成地球的演化（核化学）过程中必然伴随着气态元素的逃逸。 地球原始的化学演化表现为较轻易熔的碱金属铝硅酸盐在地球外层富集，而较重的难熔镁、铁硅酸盐和金属铁则向深部集中。,注意： 地壳中元素丰度不是固定不变的，它是不断演化的开放体系。 地球表层H、He等气体元素逐渐脱离地球重力场； 每天降落到地球表层的地外物质102105吨； 地壳与地幔的物质交换； 放射性元素衰变；人为活动的干扰。,5、现今地壳中元素丰度特征是由元素起源到太阳系、地球、地壳的形成和演化至今漫长时间累积的结果，并将继续发展变化。,地壳生长模式 After: Taylo

42、r & McLennan (1985),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。,1. 控制元素的地球化学行为,1）支配元素的地球化学行为例如：地球化学性质相似的碱金属 （丰度高）K, Na 天然水中高浓度，形成各种独 立 矿 物（盐类矿床） （丰度低）Rb, Cs 天然水中极低浓度，不能形成各种独立矿物，呈分 散 状 态2）限定自然界的矿物种类及种属实验室条件下：可合成数十万种化合物。自然界：只有3000多种矿物。矿物种属有限（

43、硅酸盐25.8%； 氧化物、氢氧化物12.7%； 其他氧酸23.4%； 硫化物、硫酸盐24.7%；卤化物5.8%；自然元素4.3%；其它3.3% ）,自然界中主要的矿物类型及其相对比例,为什么？ 因为地壳中O、 Si、Al、Fe、K、Na和Ca等元素丰度最高，浓度大，容易达到形成独立矿物的条件。（酸性岩浆岩的造岩矿物以长石、石英、云母、角闪石为主）。 自然界浓度低的元素很难形成独立矿物。 硒酸锂：Li2SeO4 硒酸铷：Rb2SeO4 但也有例外：“Be”元素地壳丰度很低，但可形成Be的独立矿物：Be3Al2Si6O18（绿柱石）,Be3Al2Si6O18（绿柱石）,3) 限制了自然体系的状态

44、实验室条件下：可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，其中的一个重要的因素就是元素丰度的影响 O2（游离氧） 氧化还原环境 H+ (pH) 溶液的酸碱度4）对元素亲氧性和亲硫性的限定 在O丰度高，S丰度低的地壳环境下，Ca元素显然是亲氧的。 在地幔环境，陨石缺O富S，能形成CaS（褐硫钙石）,2. 地壳克拉克值可作为微量元素集中、分散的标尺 1）可以为阐明地球化学省（场）特征提供标准。,资源：Mo地壳丰度1 10-6，东秦岭Mo区域丰度 2.3 10-6， Mo的地球化学省。环境：克山病病区：土壤有效Mo、饮水Mo含量、 主食中Mo含量普遍低于地壳背景，导致 人体Mo低水平。,

45、2）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，当发现这些元素比值发生了变化，示踪着某种地球化学过程的发生。 Th/U（3.33.5）, K/Rb, Zr/Hf, Nb/Ta在地壳环境下，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常比值，示踪着某种过程的发生。 Th/U 2 铀矿化 Th/U 8-10 钍矿化,3) 浓度克拉克值和浓集系数,浓度克拉克值 = 某元素在某一地质体中平均含量 某元素的克拉克值 1 意味该元素在地质体中发生了富集 1意味该元素在地质体中发生了分散区域浓度克拉克值 = 某元素在区域内某一地质体中平均含量 某区

46、域元素的丰度值浓集系数 = 某元素最低可采品位 某元素的克拉克值反映了元素在地壳中倾向于发生富集的能力 Sb浓集系数 = 25000; Hg = 14000; Fe = 6,整个地球元素分布是不均匀的，地壳和地幔也是 如此。地壳元素的分布不论在空间上及时间上都具有不均一的特点（这与地壳乃至于地幔物质分异的演化过程密切相关）。,四、 地壳元素分布的不均一性,1. 空间上分布的不均一性垂向深度（陆壳）：上、下地壳元素丰度的不均匀性： 上地壳；0- 812 km 偏酸性火成岩、沉积岩 下地壳： 812 km- 莫霍面 麻粒岩、玄武岩 Ri =上地壳元素丰度/ 下地壳元素丰度 Ri 1: Ca, Si

47、, Zr, Nd, Pb等. Ri 1: Cl, C, Cs, K, Rb, U,Th, Bi, Tl, Nb等.反映了地壳物质在分异演化过程中的宏观趋势。,横向分布：大陆地壳和海洋地壳的不均一性 洋壳：占地球表面60% 以上，厚5-16 km，它们的化学成分与地幔物质的部分熔融直接相关 (与地幔物质相似)，以镁、铁硅酸盐为主要矿物组成，以相对富集Cr、 Fe、Ni和PGE等亲铁元素为特征。 陆壳：占地球表面30%，厚30-50km，它们的矿物成分主要由富铝、钾的硅酸盐组成，以相对富集亲氧及亲硫元素，如K、Na、Ca、W、Sn、Mo、Cu、Pb、Zn和Ag等为特征。 陆壳内：板块间、区域间、地

48、质体间、岩石间、矿物间元素分布不均一性，区域上元素的不均一性表现出不同的地球化学省的特征。,2. 时间上地壳元素分布的不均一性 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。地史早期：一些稳定元素在地史早期富集。 Au元素：主要产在前寒武纪。 Fe元素 :主要产在前寒武纪元古宙（前寒武纪变质 铁矿占世界铁矿储量60%）。地史晚期：一些活泼的不稳定元素趋于在地史晚期富集。 W元素：钨成矿作用高峰期在中生代（燕山期） （Sn、Nb、Ta等）,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: 前寒武纪： Pt、Fe、Ni、Co、Au、U(占这些元素储量50%以上); 古生代:

49、U、Pb、Co、Ni、Pt，其次为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。,元素在时间上的分布在大的地质时间跨度上不均匀，在某一时期内也是不均匀的。,5 区域地壳元素丰度研究,一、区域元素丰度研究的意义它是决定区域地壳（岩石圈）体系化学特征的重要基础数据；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；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。,1 、确定区域范围：根据工作任务和性质来确定；2、建立地壳结构模型（地球物理）3、地壳岩石结构模型： 1）沉积盖

50、层的岩石组成及厚度 2）中、下地壳的岩石组成及厚度 3）岩浆岩类型及分布比例,二、区域元素丰度研究方法,三、区域地壳丰度的计算,1、样品采集 采用构造-地层分区与标准剖面结合的采样方案，对于岩体，采用路线穿越采样。2、样品分析与数据质量 多元素、多方法主量元素：湿化学分析、XRF、ICP-AES微量元素：仪器分析(ICP-MS、AAS-原子吸收光谱等)分析精确度（相对标准偏差）：主量0.10.5%，微量元素5-10%分析准确度：由国内、国际标样监控。,区域地壳丰度的计算,3、丰度计算1）计算各地层单元中每类岩石的元素丰度，并进行厚度加权平均，计算上、中、下地壳的元素丰度；2）计算各岩体中的元素