第一章 地史学.ppt

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第一章 自然体系中化学元素的丰度,本章内容,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,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，我们把所要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。,地球化学体系可大可小，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,、分布,是指元素在各个宇宙或地质体中（太阳、行星、陨石、地球、地圈、地壳）整体中的含量。,元素在地壳中的原始分布量与下列因素有关：,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,、分配,是指元素在各宇宙体或地质体内部各个部分或区段中的含量。,地壳中元素的分配指的是地壳形成后，随着它的演化、造山运动的更体，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,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。,5.,绝对含量和相对含量,绝对含量单位,相对含量单位,T,吨,百分之,10,-2,kg,千克,千分之,10,-3,g,克,mg,毫克,ppm,、,g/g,、,g/T,百万分之,10,-6,g,微克,ppb、g/kg,十亿分之,10,-9,ng,毫微克,ppt,、,pg/g,万亿分之,10,-12,pg,微微克,地球化学中对常量元素（或称主要元素）的含量一般用重量百分数（,%,），而对微量元素则一般用百万分之一来表示。,表示方法：,g/t(,克,/,吨,),、,g/g,、,ppm,1g/t=1g/g=10,-4,%=10,-6,5.,研究元素丰度的意义,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进行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，也就是在探索和了解丰度这一课题的过程中，逐渐建立起近代地球化学。,研究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？地壳中主要元素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。,2,元素在太阳系或宇宙体中的丰度,大量的科学事实已证明地球与太阳系是联系的，因此可以从太阳系的形成过程来研究地球的演化过程。从元素在太阳系中的丰度特征来研究元素在地球中丰度特征的变异。通过太阳系及其它星球及陨石、月球的认识，促进了对地球早期演化过程的了解。,一、太阳系或宇宙中元素丰度的研究方法,1,、,太阳其它星系的幅射谱线的研究,由于太阳表面温度极高，各种元素的原子都处于激发状态，并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,）温度平共处；,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。,光谱分析仪,太阳光谱,2,、陨石的研究,陨石是落到地球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以地球整体和地球内部化学组成最有价值的依据。,陨石是空间化学研究的重要对象，具有重要的研究意义：,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,铁陨石,石陨石,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,Fe,Ni,和硅酸盐矿物组成，是上述两类陨石的过渡类型。,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点：碳的有机化合分子和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各个方面具有特殊的意义。由于,Allende,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挥发性元素的丰度。,C,型碳质球粒陨石元素丰度与太阳元素丰度对比,(,据涂光炽，,1998),陨石的主要矿物组成：,Fe,、,Ni,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）上未发现。,如褐硫钙石,CaS,，,陨硫铁,FeS,。,这说明陨石是在缺水、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要解决两个问题：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。,（,V.M.,Goldschmidt,采用硅酸盐：镍,-,铁：陨硫铁,=,10,：,2,：,1,）。陨石的平决化学成分计算结果如下：,基本认识：,从表中我们可以看到,O,、,Fe,、,Si,、,Mg,、,S,、,Ni,、,Al,、,Ca,是陨石的主要化学成分。,根据对世界上众多各类陨石的研究，一些基本认识是趋于公认：,它们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；,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、核结构上与地球极为相似；,各种陨石分别形成于不同的行星母体；,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,45.5,0.7,亿年）；,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,50,年代以来，人们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，采集月球样品,380,Kg,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。,宇航员,月球车,火星车,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万分,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,31.5%,二、元素在太阳系或宇宙中的丰度规律,1,、太阳系的行星和周围的星体化学成分相似，,物质成分是统一的。,2,、发现了碳质球粒陨石与太阳系中的元素比,例几乎一样，认为碳质球粒陨石原始分异,最小，能代表太阳系的原始物质成分。,3,、非挥发份元素可参考碳质球粒陨石，而挥发,性的元素可参考太阳光谱,元素在太阳系中的元素丰度：,当把太阳系中元素丰度值取对数分别与对应其原子序数（,Z,）、,原子核的中子数（,N,）,或原子核的质量数（,A,）,作图，具有以下规律：,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,Z45,的区间近似变为水平线。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大大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。,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“约数”（,2,、,8,、,20,、,50,、,83,、,126,等）的核类或同位素分布最广、丰度最大。例如：,4,He(Z=2,N=2),16,O(Z=8,N=8),40,Ca(Z=20,N=20),140,Ce(z=58,N=82),4,）三种低原子序数的元素,Li,Be,B,，,在丰度曲线上出现亏损。,5,）与元素丰度的正常关系，,Fe,显示出过剩的特征。,6,）含量最高的元素为,H,He,对上述规律的解释：,1,）对,Z1%,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，说明地球的原始物质已发生了化学分异,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,，,地壳中元素丰度是地球各层圈中研究最详细的。,一,、,地壳元素丰度确定的方法,1,、,早期克拉克计算法：,是由美国,F.W.Clarke,和,H.S.Washington,于1924年发表的地球化学资料中计算出来的,，,后人称元素在地壳中的丰度为克拉克值,。,他们的思路是在地壳上部16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，4%的页岩，,0.75%,的砂岩，,0.25%,的灰岩，而这,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。,2,简 化 研 究 法,1,）,Goldschmidt,采集了挪威南部冰川成因粘土（,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,）,S,R,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。,3,按 照 地 壳 模 型 加 权 法,A.,波德瓦尔特（,A.,Polderraat,）和,A.B,罗诺夫,(,A.B.POHOB),及我国黎彤教授采用采用此方法。,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,到目前为主，已经发表了许多作者的元素在地壳中的丰度，对比这些表中的数据可见，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，丰度较大的元素在含量上无明显差别，而属于那些丰度小或在地壳中分配不均一的稀有分散元素和形成易挥发溶解化合物的那些元素差别较大。,（粗线表示偶原子序数的元素，细线为奇原子序数的元素）,地壳中元素原子克拉克值（对数值）与原子序数曲线,2.,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与太阳系元素丰度特征既有,统一性,又有,区别,。,3.,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：,HHeO,Ne,NC,Si,MgFeS,地球：,FeOMg,Si,NiSCaAlCoNa,地壳：,O,Si,AlFeCaNaKMgTiH,与太阳系或宇宙相比，地壳和地球都明显地贫,H,He,Ne,N,等气体元素；,而地壳与整个地球相比，则明显贫,Fe,和,Mg,，,同时富集,Al,K,和,Na,，,这种差异说明什么呢？,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。,而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表层富集，而较重的难熔镁、铁硅酸盐和金属铁则向深部集中。,注意点,：地壳中元素丰度不是固定不变的，它是不断变化的 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,10,2,10,5,吨；,地壳与地幔的物质交换；,放射性元素衰变；,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）的形成和存在至今这一段漫长时期内元素演化历史的最终结果。,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。,碱金属元素,为什么？,因为地壳中,O,Si,Al,Fe,K,Na,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独立矿物。,硒酸锂：,Li,2,SeO,4,硒酸铷：,Rb,2,SeO,4,但也有,例外,：“,Be”,元素地壳丰度很低，,Be,3,Al,2,Si,6,O,18,（,绿柱石）,3),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,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,O,2,（,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,在地壳,O,丰度高，,S,丰度低环境下，,Ca,元素显然是亲氧的。,在地幔，陨石缺,O,富,S,环境，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。,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,四、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）。,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：,8,12KM-,莫霍面 麻粒岩、玄武岩,R,i,=,上地壳元素丰度,/,下地壳元素丰度,R,i,1:Ca,Si,Zr,Nd,Pb,等,.,R,i,1:,Cl,C,Cs,K,Rb,U,Th,Bi,Tl,Nb,等,.,反映了地壳物质在分异调整过程中的宏观趋势。,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相似，以镁、铁硅酸盐为主，主要分布着,Cr,Fe,Ni,Pt,等亲铁元素。,陆壳：占地球表面,30%,，厚,30-50,KM,，,它们的化学成分由铝、钾硅酸盐组成，主要分布着亲氧及亲硫元素,W,，,Sn,，,Mo,Cu,Pb,Zn,Ag,等。,陆壳内：板块间、区域间、地质体间、岩石间、矿物间元素分布不均一性。,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代（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）,（,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,:,U,Pb,Co,Ni,Pt,其次为,W,Sn,Mo,Pb,Zn,Hg,等,;,中生代,:,W,Sn,Ag,Sb,等,;,新生代,:,Hg,Mo,Cu,Pb,Zn,等,.,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。,二、,区域元素丰度研究方法,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,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,微量元素：仪器分析,分析精确度（相对标准偏差）：,5-10%,分析准确度：由国内、国际标样监控。,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丰度，并按岩体出露面积进行加权平均，计算岩,浆岩总体中的元素丰度,3,）按岩浆岩和地层的质量或出露面积加权平均计算区域地壳总体中的,元素丰度,4,）对构造复杂的地区，必须先进行构造分区，然后按构造区的质量比例,进行加权获得总体地壳中的元素丰度,四、区域元素地壳丰度资料的应用,1,、提供区域地壳地球化学特征的总背景,2,、地壳不同结构层元素丰度对比（上、下地壳分异）,3,、区域各构造单元地壳组成对比,4,、地壳演化（地层、岩浆作用、构造作用）,5,、区域成矿规律、生态环境、农业等,西班牙,Barranco,del,Gredero,K/E,剖面,Ir,含量的变化,时间尺度,：,Ir,元素丰度在,K/E,界线上的突变，意味着什么？,空间尺度,：在世界各地,K/E,界面上,Ir,元素丰度亦有相似的 变异，这示踪着什么？,18,O,13,C,突变,Ir,(,10,-9,),6,元素在岩石和矿物中的分配,一、,各类型岩石中元素的分配,自学,二、岩石中元素在组成矿物间的分配,在岩石中元素极不均匀地分配各种组成矿物中，主要受两个因素控制：,1,）晶体化学性质；,2,）热力学条件,要查明控制元素在矿物间的分配，首先要确定各组成矿中元素的含量，并据此对共存矿物内元素含量进行平衡计算。,平衡计算方法：,1,、测定某元素在全岩中的含量（,C,）,2,、,确定岩石中矿物组成及其比例（,A,、,B,、,C,、,D.),3,、,测定各组成矿物中该元素的含量（,C,A,、,C,B,、,C,C,、,C,D,),4,、,计算各矿物中该元素含量占岩石中该元素的含量比例,C,A,=AC,A,/C,C,B,=BC,B,/C,C,C,=CC,C,/C,.,5,、,列表分析，确定哪些是携带矿物，哪些是富集矿物,携带矿物,：是指岩石中所研究元素主要量分配于其中的那种矿物,富集矿物,：是指所研究的元素在其中的含量大大超过它在岩石,总体中的含量的那种矿物,注意两点：,尽量包含所有的矿物并精确地测定每种矿物中元素的含 量；,计算出来的岩石中元素含量与实测岩石元素含量要一致，如果不一致，查原因：分析有误？遗漏了矿物,?,实例,7,元素含量的概率分布,自学,要求掌握：,1,、研究元素含量的概率分布的意义,2,、地球化学过程的基本定律,3,、后期地球化学过程叠加影响,小结及思考题,地球是太阳系的一个行星，地壳是地球的外部圈层，因此，太阳系、地球、地壳的元素丰度共同遵循太阳系元素丰度的基本规律，如奇偶规律、随原子序数增大元素丰度递减等。在太阳系物质形成地球、地球分异出地壳的过程中发生过化学分异，导致三者间在组成和元素丰度上也存在差异。一个自然体系的丰度在与外界的相互作用过程中会不断发生演化，因此，地壳现今的元素丰度并不能代表它形成和演化过程中的元素丰度。,元素丰度是自然体系的基本化学特性，它决定了体系内化学作用和化学演化的基本特征，也控制着与相邻体系的物质交换，地壳、尤其上地壳的元素丰度与人类生存活动密切相关，最受人们的关注，研究成果也最丰富。,复杂体系元素丰度的研究已积累了很多有成效和有启发性的思路和方法，地球化学参考模型,GERM,综合了对太阳系、地球、地壳等化学组成和元素丰度的最新研究成果。,绪论,1,地球化学定义、研究对象、学科性质、研究的基本任务,2,、,地球化学体系,3,、,地球化学与其他地质类学科的联系与区别,第一章,1,、元素分布与分配概念,2,、元素丰度概念,3,、元素在地壳中的克拉克值和浓度克拉克值概念,4,、太阳系、地球及地壳中元素丰度的研究方法,5,、太阳系、地球及地壳中元素丰度特征并讨论它们的异同,6,、元素克拉克值的地球化学意义并举例说明,7,、区域地壳丰度的研究方法及研究意义,8,、地壳中各类岩浆岩元素丰度的基本特征,9,、地壳中元素分配不均一性的基本特征,10,、富集矿物与携带矿物概念,11,、研究富集矿物与携带矿物的意义,12,、地球化学过程的基本定律,13,、元素含量的概率分布的意义,