自然体系中化学元素的丰度章省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第一章 自然体系中化学元素丰度 本章内容基本概念元素在太阳系中分布规律地球结构和化学成份 地壳中元素丰度区域地壳元素丰度研究小结及思索题第1页1基本概念基本概念w地球化学体系 w分布和丰度 w分布与分配 w绝对含量和相对含量 w研究元素丰度意义第2页1、地球化学体系、地球化学体系按照地球化学观点，我们把所要研究对象看作按照地球化学观点，我们把所要研究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是一个地球化学体系，每个地球化学体系都有一定空间，都处于特定物理化学状态（空间，都处于特定物理化学状态（C、T、P等），等），而且有一定时间连续。而且有一定时间连续。地球化学体系可大可小，地球化学体系可大可小，某个矿物包裹体，某某个矿物包裹体，某矿物、某岩石可看作一个地球化学体系，某个地层、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，从更大范围来讲化学体系，从更大范围来讲,某一个区域、地壳、地某一个区域、地壳、地球直至太阳系、整个宇宙都可看作为一个地球化学球直至太阳系、整个宇宙都可看作为一个地球化学体系。体系。第3页2、分布分布分分布布是是指指元元素素在在各各个个宇宇宙宙或或地地质质体体中中（太太阳阳、行星、陨石、地球、地圈、地壳）整体中含量。行星、陨石、地球、地圈、地壳）整体中含量。元素在地壳中原始分布量与以下原因相关：元素在地壳中原始分布量与以下原因相关：1）元素起源元素起源2）元素质量元素质量3）原子核结构、性质原子核结构、性质4）地球演化过程中热核反应地球演化过程中热核反应第4页3、分配分配分分配配是是指指元元素素在在各各宇宇宙宙体体或或地地质质体体内内部部各各个个部部分分或区段中含量。或区段中含量。地地壳壳中中元元素素分分配配指指是是地地壳壳形形成成后后，伴伴随随它它演演化化、造造山山运运动动更更替替，元元素素在在地地壳壳各各个个不不一一样样部部位位和和各各种种地地质质体体中中平平均均含含量量。这这是是元元素素在在地地壳壳各各部部分分不不一一样样物物理理化学条件下，不停迁移表现。化学条件下，不停迁移表现。元素分配取决于以下原因：元素分配取决于以下原因：1）地质作用中元素迁移地质作用中元素迁移2）元素化学反应元素化学反应3）元素电子壳层结构及其地球化学性质元素电子壳层结构及其地球化学性质第5页元素分布与分配是一个相正确概念，它们之间元素分布与分配是一个相正确概念，它们之间含有一定联络。化学元素在地壳中分布，也就含有一定联络。化学元素在地壳中分布，也就是元素在地球中分配详细表现，而元素在地壳是元素在地球中分配详细表现，而元素在地壳各类岩石中分布，则又是元素在地壳中分配表各类岩石中分布，则又是元素在地壳中分配表现。现。第6页4、元素丰度元素丰度通通常常将将化化学学元元素素在在任任何何宇宇宙宙体体或或地地球球化化学学系系统统中中（如如地地球球、地地球球各各圈圈层层或或各各个个地质体等）平均含量称之为丰度。地质体等）平均含量称之为丰度。以上可见，元素分布、分配及元素丰度以上可见，元素分布、分配及元素丰度都是来度量元素含量。都是来度量元素含量。第7页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10-2kg千克千分之10-3g克mg毫克ppm、g/g、g/T百万分之10-6g微克ppb、g/kg十亿分之10-9ng毫微克ppt、pg/g万亿分之10-12pg微微克第8页地地球球化化学学中中对对常常量量元元素素（或或称称主主要要元元素素）含含量量普普通通用用重重量量百百分分数数（%），而而对对微微量量元素则普通用百万分之一来表示。元素则普通用百万分之一来表示。表示方法：表示方法：g/t(克克/吨吨)、g/g、ppm1g/t=1g/g=10-4%=10-6第9页5.研究元素丰度意义 元素丰度是每一个地球化学体系基本数据。可在同一或不一元素丰度是每一个地球化学体系基本数据。可在同一或不一样体系中进行用元素含量值来进行比较，经过纵向（时间）、横向样体系中进行用元素含量值来进行比较，经过纵向（时间）、横向（空间）上比较，了解元素动态情况，从而建立起元素集中、分散、（空间）上比较，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过程中，逐步建立起近代地球化学。和了解丰度这一课题过程中，逐步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主要素材之一。研究元素丰度是研究地球化学基础理论问题主要素材之一。宇宙天体是怎样起源？地球又是怎样形成？地壳中主要元素为何与宇宙天体是怎样起源？地球又是怎样形成？地壳中主要元素为何与地幔中不一样？生命是怎么产生和演化？这些研究都离不开地球化地幔中不一样？生命是怎么产生和演化？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。学体系中元素丰度分布特征和规律。第10页2元素在太阳系或宇宙体中丰度元素在太阳系或宇宙体中丰度大量科学事实已证实地球与太阳系是联络，大量科学事实已证实地球与太阳系是联络，所以能够从太阳系形成过程来研究地球演化过所以能够从太阳系形成过程来研究地球演化过程。从元素在太阳系中丰度特征来研究元素在程。从元素在太阳系中丰度特征来研究元素在地球中丰度特征变异。经过太阳系及其它星球地球中丰度特征变异。经过太阳系及其它星球及陨石、月球认识，促进了对地球早期演化过及陨石、月球认识，促进了对地球早期演化过程了解。程了解。第11页一、太阳系或宇宙中元素丰度研究方法一、太阳系或宇宙中元素丰度研究方法1、太阳其它星系幅射谱线研究太阳其它星系幅射谱线研究因因为为太太阳阳表表面面温温度度极极高高，各各种种元元素素原原子子都都处处于于激激发发状态，并不停地辐射出各自特殊光谱。比如：状态，并不停地辐射出各自特殊光谱。比如：Pb2170，Ag3281，Au2428太太阳阳光光谱谱谱谱线线数数和和它它们们波波长长主主要要取取决决于于太太阳阳表表层层中中所所存在元素，而这些谱线亮度则取决于以下原因：存在元素，而这些谱线亮度则取决于以下原因：1）元素相对丰度；）元素相对丰度；2）温度平共处；）温度平共处；3）压力压力在温度和压力固定条件下，元素丰度愈大，则谱线在温度和压力固定条件下，元素丰度愈大，则谱线亮度愈强。亮度愈强。光光谱分析分析仪太阳光太阳光谱第12页2、陨石研究陨石研究陨石是落到地球上行星物体碎块，陨石是落到地球上行星物体碎块，天文学和化学方面证据都说明，太阳系天文学和化学方面证据都说明，太阳系和地球含有共同成因。所以，陨石化学和地球含有共同成因。所以，陨石化学成份是预计太阳系元素丰度以地球整体成份是预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依据。和地球内部化学组成最有价值依据。第13页陨石是空间化学研究主要对象，含有主要研究意义：陨石是空间化学研究主要对象，含有主要研究意义：它是认识宇宙天体、行星成份、性质及其演化最易它是认识宇宙天体、行星成份、性质及其演化最易获取、数量最大地外物质；获取、数量最大地外物质；也是认识地球组成、内部结构和起源主要资料起源；也是认识地球组成、内部结构和起源主要资料起源；陨石中陨石中6060各种有机化合物是非生物合成各种有机化合物是非生物合成“前生物物前生物物质质”，对探索生命前期化学演化开拓了新路径；，对探索生命前期化学演化开拓了新路径；可作为一些元素和同位素标准样品（稀土元素，可作为一些元素和同位素标准样品（稀土元素，PbPb、NdNd、OsOs、S S同位素等）。同位素等）。第14页陨石类型铁陨石石陨石 陨石主要是由镍陨石主要是由镍-铁合金、结晶硅酸盐或二者混合物所组成，按铁合金、结晶硅酸盐或二者混合物所组成，按成份，分为三类：成份，分为三类：1 1）铁陨石（）铁陨石（sideritesiderite）。主要由金属。主要由金属Ni,FeNi,Fe（占（占98%98%）和少许其）和少许其它元素组成（它元素组成（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。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，可深入分为两类：石）。这类陨石按照它们是否含有球粒硅酸盐结构，可深入分为两类：球粒陨石和无球粒陨石。球粒陨石和无球粒陨石。3 3）铁石陨石（）铁石陨石（sidrolitesidrolite）。由数量上大致相等）。由数量上大致相等FeFeNiNi和硅酸盐和硅酸盐矿物组成，是上述两类陨石过渡类型。矿物组成，是上述两类陨石过渡类型。第15页 陨陨石石大大都都是是石石质质，但但也也有有少少部部分分是是碳碳质质。碳碳质质球球粒粒陨陨石石有有一一个个经经典典特特点点：碳碳有有机机化化合合分分子子和和主主要要由由含含水水硅硅酸酸盐盐组组成成。它它对对探探讨讨生生命命起起源源研研究究和和探探讨讨太太阳阳系系元元素素丰丰度度等等各各个个方方面面含含有有特特殊殊意意义义。因因为为AllendeAllende碳碳质质球球粒粒陨陨石石元元素素丰丰度度几几乎乎与与太太阳阳中中观观察察到到非非挥挥发发性性元元素素丰丰度度完完全全一一致致，碳碳质质球球粒粒陨陨石石化化学学成成份份已已被被用用于于预预计计太太阳阳系系中中挥挥发发性性元元素丰度。素丰度。第16页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)第17页 陨石主要矿物组成：Fe、Ni 合金、橄榄石、辉石等。陨石中共发觉140种矿物，其中39种在地球（地壳浅部）上未发觉。如褐硫钙石CaS，陨硫铁FeS。这说明陨石是在缺水、氧特殊物理化学环境中形成。第18页陨石平均化学成份陨石平均化学成份 要要计计算算陨陨石石平平均均化化学学成成份份必必须须要要处处理理两两个个问问题题：首首先先要要了了解解各各种种陨陨石石平平均均化化学学成成份份；其其次次要要统统计计各各类类陨陨石石百百分分比比。各各学学者者采采取取方方法法不不一一致致。（V.M.Goldschmidt V.M.Goldschmidt 采采取取硅硅酸酸盐盐：镍镍-铁铁：陨陨硫硫铁铁=10=10：2 2：1 1）。陨陨石石平平决决化化学学成成份份计计算结果以下：算结果以下：第19页基本认识：基本认识：从表中我们能够看到从表中我们能够看到O O、FeFe、SiSi、MgMg、S S、NiNi、AlAl、CaCa是陨石主要化学是陨石主要化学成份。成份。依据对世界上众多各类陨石研究，一些基本认识是趋于公认：依据对世界上众多各类陨石研究，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行星体，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行星体，这种天体破裂就造成各类陨石形成；这种天体破裂就造成各类陨石形成；石陨石与地球上基性、超基性火山岩矿物组成和化学成份相同，铁石陨石与地球上基性、超基性火山岩矿物组成和化学成份相同，铁陨石与地核化学成份相同，陨石母体在组成上、核结构上与地球极为相同；陨石与地核化学成份相同，陨石母体在组成上、核结构上与地球极为相同；各种陨石分别形成于不一样行星母体；各种陨石分别形成于不一样行星母体；陨石年纪与地球年纪相近（陨石利用铅同位素求得年纪是陨石年纪与地球年纪相近（陨石利用铅同位素求得年纪是45.50.745.50.7亿年）；亿年）；陨石等地外物体撞击地球，将突然改变地表生态环境诱发大量生物陨石等地外物体撞击地球，将突然改变地表生态环境诱发大量生物灭绝，组成了地球演化史中频繁而影响深远突变事件，为此对探讨生态环灭绝，组成了地球演化史中频繁而影响深远突变事件，为此对探讨生态环境改变、古生物演化和地层划分均含有主要意义。境改变、古生物演化和地层划分均含有主要意义。第20页3、宇航事业宇航事业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，对地球高层大气成份进行了测定。另外，地球探测器，对地球高层大气成份进行了测定。另外，还对水星、金星、火星、木星、土星及其卫星大气层还对水星、金星、火星、木星、土星及其卫星大气层结构和成份进行了探测。结构和成份进行了探测。1969年阿波罗年阿波罗-11登月，采集登月，采集月球样品月球样品380Kg,使得人们对月球化学成份、内部结构、使得人们对月球化学成份、内部结构、演化历史增添了许多新知识。演化历史增添了许多新知识。宇航宇航员月球月球车火星火星车第21页4、依依据据星星体体密密度度和和行行星星表表面面天天文文观观察察资资料间接推断化学成份料间接推断化学成份测量星体密度，而密度与物质成份相测量星体密度，而密度与物质成份相关。比如：地球平均密度为关。比如：地球平均密度为5.52,铁镍相铁镍相占占31.5%第22页二、元素在太阳系或宇宙中丰度规律二、元素在太阳系或宇宙中丰度规律1、太阳系行星和周围星体化学成份相同，、太阳系行星和周围星体化学成份相同，物质成份是统一。物质成份是统一。2、发觉了碳质球粒陨石与太阳系中元素比、发觉了碳质球粒陨石与太阳系中元素比例几乎一样，认为碳质球粒陨石原始分异例几乎一样，认为碳质球粒陨石原始分异最小，能代表太阳系原始物质成份。最小，能代表太阳系原始物质成份。3、非挥发份元素可参考碳质球粒陨石，而挥发、非挥发份元素可参考碳质球粒陨石，而挥发性元素可参考太阳光谱性元素可参考太阳光谱第23页元素在太阳系中元素丰度元素在太阳系中元素丰度(p28,表表1.8）：当把太阳系中元素丰度值取对数分别与对应其当把太阳系中元素丰度值取对数分别与对应其原子序数（原子序数（Z）、原子核中子数（）、原子核中子数（N）或原子核）或原子核质量数（质量数（A）作图，含有以下规律：）作图，含有以下规律：第24页1）元素丰度伴随原子序数增大而减小。）元素丰度伴随原子序数增大而减小。元素丰度开始快速降低，然后，在元素丰度开始快速降低，然后，在Z45区间近似变为水平线。元素丰度与原子区间近似变为水平线。元素丰度与原子核质量数和中子数之间，也分别存在类核质量数和中子数之间，也分别存在类似关系似关系。第25页2）原子序数为偶数元素丰度大大高于相邻）原子序数为偶数元素丰度大大高于相邻原子序数为奇数元素丰度。同时含有偶原子序数为奇数元素丰度。同时含有偶数质量数（数质量数（A）或偶数中子数（）或偶数中子数（N）同位）同位素或核类丰度也总是高于相邻含有奇数素或核类丰度也总是高于相邻含有奇数A或或N同位素或核类。这一规律称为奥多同位素或核类。这一规律称为奥多-哈根斯法则。哈根斯法则。第26页3）质量数为）质量数为4倍数核类或同位素含有较高丰倍数核类或同位素含有较高丰度，原子序数或中子数为度，原子序数或中子数为“约数约数”（2、8、20、50、83、126等）核类或同位素分布等）核类或同位素分布最广、丰度最大。比如：最广、丰度最大。比如：4He(Z=2,N=2),16O(Z=8,N=8),40Ca(Z=20,N=20),140Ce(z=58,N=82)第27页4）三三种种低低原原子子序序数数元元素素Li,Be,B，在在丰度曲线上出现亏损。丰度曲线上出现亏损。5）与与元元素素丰丰度度正正常常关关系系，Fe显显示示出出过过剩特征。剩特征。6）含量最高元素为）含量最高元素为H,He第28页对上述规律解释：对上述规律解释：1）对对Z1%90%1%地球中元素丰度次序与太阳系中元素丰度次序显著不一样，说明地球原始物质已发生了化学分异第44页原始地球化学分异：原始地球化学分异：(重力不直接控制元素分配，而是控制各主要相相对位置）重力能+撞击动能+放射性热能使原始地球熔融（位能）40K26AlFe熔化温度在地球形成后600Ma于几百公里深度即可到达。原始地球金属铁熔融后逐步汇聚成“巨滴”因为重力原因，向地心淹没，同时产生大量位能转化热能，使地球内部温度高达2000。巨滴熔铁淹没时间约需1。与此同时，较轻硅酸盐上浮、形成地幔；地幔部分熔融，又分异出玄武质岩浆、岩浆结晶分异，形成中酸性岩以上地壳岩石，故地壳中岩石最大年纪不超出40亿年。在分异中，元素分配受其密度和原子量影响较小，主要是受其硅酸盐、硫化物、金属相影响。第45页三、硅酸盐地球平均化学组成 因为壳-幔与地核分别富集了地球上硅酸盐相和铁-镍相元素组合，它们在地球演化过程中含有不一样地球化学行为(即使它们在地球化学过程中可能发生相互作用，并到达动态化学平衡)。所以，为研究人们最关心地壳形成与演化，我们常将地球硅酸部分初始组成作为了解地壳演化参考物质组成，进而提出了硅酸盐地球(BulkSilicateEarthBulkEarth)平均组成概念。第46页第47页按照现有地球科学理论，地壳形成和增加来自于地幔岩石部分熔融作用形成岩浆。在地壳形成以前，地球应含有基本“均一”初始地幔物质；当地壳开始形成后，部分地幔岩石因为其形成岩浆进入了地壳而发生了化学组成改变，即相对于初始地幔组成，其不相容元素发生了亏损。故因为地壳形成与生长，地球硅酸盐部分演化形成了三个圈层：地壳、亏损上地幔和原始(下部)地幔。我们将地球初始地幔化学组成称为硅酸盐地球平均丰度，其组成计算为地球平均化学组成减去地核部分。原始地幔化学组成请参考文件：Sun,S.-S.,McDonough,W.F.,1989.Chemicalandisotopicsystematicsofoceanicbasalt:implicationsformantlecompositionandprocesses.In:Saunders,A.D.,Norry,M.J.(Eds.),MagmatismintheOceanBasins.Geol.Soc.Spec.Publ.42,pp.528548.第48页 4 地壳元素丰度 研究地壳元素丰度是地球化学一项主要基础任务，一直受到各国地球化学家关注，地壳中元素丰度是地球各层圈中研究最详细。一、地壳元素丰度确定方法 1、早期克拉克计算法：是由美国F.W.Clarke和H.S.Washington于1924年发表地球化学资料中计算出来，后人称元素在地壳中丰度为克拉克值。他们思绪是在地壳上部16公里范围内（最高山脉和最深海洋深度靠近16公里）分布着95%岩浆岩，4%页岩，0.75%砂岩，0.25%灰岩，而这5%沉积岩也是岩浆岩派生，所以认为岩浆岩平均化学成份实际上能够代表地壳平均化学成份。第49页第50页2简简 化化 研研 究究 法法 1）Goldschmidt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（77个样）用其成份代表地壳平均化学成份，其结果与克个样）用其成份代表地壳平均化学成份，其结果与克拉克结果相同，但对微量元素丰度做了大量补充和修拉克结果相同，但对微量元素丰度做了大量补充和修订。订。2)2)维维诺诺格格拉拉多多夫夫（19621962）岩岩石石百百分分比比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份。性岩加一份基性岩来计算地壳平均化学成份。3 3）S SR R泰勒（泰勒（19641964、19851985）岩石百分比法是以一份）岩石百分比法是以一份酸性岩加一份基性岩来计算地壳平均化学成份。酸性岩加一份基性岩来计算地壳平均化学成份。第51页3按按 照照 地地 壳壳 模模 型型 加加 权权 法法 A.波德瓦尔特（波德瓦尔特（A.Polderraat）和）和A.B罗诺夫罗诺夫(A.B.POHOB)及我国黎彤教授采取采取此方法。及我国黎彤教授采取采取此方法。优优点点：1）按当代地壳结构模型计算；）按当代地壳结构模型计算；2）包含）包含2/3以上大洋地壳；以上大洋地壳；3）考虑了地壳物质随深度改变特征。）考虑了地壳物质随深度改变特征。计算方法计算方法：1）对地壳进行分区，求出各区质量）对地壳进行分区，求出各区质量2）求出各区各岩类岩石中元素含量）求出各区各岩类岩石中元素含量3）求出各区中元素丰度）求出各区中元素丰度4）按厚度加权平均）按厚度加权平均第52页到当前为主，已经发表了许多作者元素在到当前为主，已经发表了许多作者元素在地壳中丰度，对比这些表中数据可见，尽管各地壳中丰度，对比这些表中数据可见，尽管各家采取计算方法不一样，但所得地壳主要元素家采取计算方法不一样，但所得地壳主要元素预计值还是相互靠近，丰度较大元素在含量上预计值还是相互靠近，丰度较大元素在含量上无显著差异，而属于那些丰度小或在地壳中分无显著差异，而属于那些丰度小或在地壳中分配不均一稀有分散元素和形成易挥发溶解化合配不均一稀有分散元素和形成易挥发溶解化合物那些元素差异较大。物那些元素差异较大。第53页第54页（粗线表示偶原子序数元素，细线为奇原子序数元素）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）与原子序数曲线第55页 2.从图上能够看出伴随原子序数增大，元素丰度曲线下降。与太阳系元素分布规律相同；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规律那么显著。这说明地壳元素丰度与太阳系元素丰度特征现有统一性又有区分。第56页3.3.对比地壳、整个地球和太阳系元素丰度数据发觉，对比地壳、整个地球和太阳系元素丰度数据发觉，它们在元素丰度排序上有很大不一样：它们在元素丰度排序上有很大不一样：太阳系：太阳系：HHeONeNCSiMgFeSHHeONeNCSiMgFeS地球：地球：FeOMgSiNiSCaAlCoNa FeOMgSiNiSCaAlCoNa地壳：地壳：OSiAlFeCaNaKMgTiH OSiAlFeCaNaKMgTiH 与太阳系或宇宙相比，地壳和地球都显著地贫H,He,Ne,N等气体元素；而地壳与整个地球相比，则显著贫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演化（核化学）过程中必定伴伴随气态元素逃逸。而地球原始化学演化表现为较轻易熔碱金属铝硅酸盐在地球表层富集，而较重难熔镁、铁硅酸盐和金属铁则向深部集中。第57页注意点注意点：地壳中元素丰度不是固定不变，它是不停改地壳中元素丰度不是固定不变，它是不停改变变开放体系。开放体系。地球表层地球表层H,He等气体元素逐步脱离地球重力场；等气体元素逐步脱离地球重力场；天天降落到地球表层地外物质天天降落到地球表层地外物质102105吨；吨；地壳与地幔物质交换；地壳与地幔物质交换；放射性元素衰变；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）形成和存在至今这一段太阳系、地球、（地壳）形成和存在至今这一段漫长时期内元素演化历史最终止果。漫长时期内元素演化历史最终止果。第58页三三 地壳元素丰度研究意义地壳元素丰度研究意义元素地壳丰度元素地壳丰度“元素克拉克值元素克拉克值”是地球是地球化学中一个很主要基础数据。它确定了地壳中化学中一个很主要基础数据。它确定了地壳中各种地球化学作用过程各种地球化学作用过程总背景总背景。它是衡量元素。它是衡量元素集中、分散及其程度集中、分散及其程度标尺标尺，本身也是影响元素，本身也是影响元素地球化学行为主要原因。地球化学行为主要原因。第59页碱金属元素第60页第61页为何？为何？因为地壳中因为地壳中O,Si,Al,Fe,K,Na,Ca等元素丰度最高，等元素丰度最高，浓度大，轻易到达形成独立矿物条件。（酸性岩浆岩造浓度大，轻易到达形成独立矿物条件。（酸性岩浆岩造岩矿物总是长石、石英、云母、角闪石为主）。岩矿物总是长石、石英、云母、角闪石为主）。自然界浓度低元素极难形成独立矿物。自然界浓度低元素极难形成独立矿物。硒酸锂：硒酸锂：Li2SeO4硒酸铷：硒酸铷：Rb2SeO4但也有但也有例外例外：“Be”元素地壳丰度很低，元素地壳丰度很低，但可形成但可形成Be独立矿物：独立矿物：Be3Al2Si6O18（绿柱石）（绿柱石）第62页3)限制了自然体系状态限制了自然体系状态试验室条件下：对体系赋予不一样物理化学状态试验室条件下：对体系赋予不一样物理化学状态自然界：体系状态受到限制，其中一个主要原因自然界：体系状态受到限制，其中一个主要原因就是元素丰度影响就是元素丰度影响O2（游离氧）游离氧）氧化还原环境氧化还原环境H+(pH)溶液酸碱度溶液酸碱度4）对元素亲氧性和亲硫性限定）对元素亲氧性和亲硫性限定在地壳在地壳O丰度高，丰度高，S丰度低环境下，丰度低环境下，Ca元素显元素显然是亲氧。然是亲氧。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（褐硫钙石）钙石）第63页2.地壳克拉克值可作为微量元素集中、分散标尺1）可认为说明地球化学省（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2.310-6，Mo地球化学省。地球化学省。环境：克山病病区：土壤有效环境：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，造成含量普遍低于地壳背景，造成人体人体Mo低水平。低水平。第64页2）指示特征地球化学过程）指示特征地球化学过程一些元素克拉克比值是相对稳定，当发觉一些元素克拉克比值是相对稳定，当发觉这些元素比值发生了改变，示踪着某种地球化这些元素比值发生了改变，示踪着某种地球化学过程发生。学过程发生。Th/U（3.33.5）,K/Rb,Zr/Hf,Nb/Ta在地壳在地壳环境下，性质相同，难以彼此分离，有相对稳环境下，性质相同，难以彼此分离，有相对稳定比值。定比值。一旦某地域、某地质体中某元素组比值偏一旦某地域、某地质体中某元素组比值偏离了地壳正常比值，示踪着某种过程发生。离了地壳正常比值，示踪着某种过程发生。Th/U2铀矿化铀矿化Th/U8-10钍矿化钍矿化第65页第66页四、四、地壳元素分布不均一性地壳元素分布不均一性整个地球元素分布是不均匀，地壳也是一整个地球元素分布是不均匀，地壳也是一样，地壳元素分布不论在空间上及时间上都是样，地壳元素分布不论在空间上及时间上都是不均一（这与地壳，乃至于地幔物质分异整体不均一（这与地壳，乃至于地幔物质分异整体过程联络起来）。过程联络起来）。第67页1.空间上分布不均一性空间上分布不均一性垂向深度（陆壳）：上下地壳元素丰度不均匀垂向深度（陆壳）：上下地壳元素丰度不均匀性：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.反应了地壳物质在分异调整过程中宏观趋势。反应了地壳物质在分异调整过程中宏观趋势。第68页横向分布：横向分布：大陆地壳和海洋地壳不均一性大陆地壳和海洋地壳不均一性洋壳：占地球表面洋壳：占地球表面60%以上，厚以上，厚5-16KM，它们化，它们化学成份与地幔物质相同，以镁、铁硅酸盐为主，主学成份与地幔物质相同，以镁、铁硅酸盐为主，主要分布着要分布着Cr,Fe,Ni,Pt等亲铁元素。等亲铁元素。陆壳：占地球表面陆壳：占地球表面30%，厚，厚30-50KM，它们化学，它们化学成份由铝、钾硅酸盐组成，主要分布着亲氧及亲硫成份由铝、钾硅酸盐组成，主要分布着亲氧及亲硫元素元素W，Sn，Mo,Cu,Pb,Zn,Ag等。等。陆壳内：板块间、区域间、地质体间、岩石间、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。矿物间元素分布不均一性。第69页2.时时间间上上地地壳壳元元素素分分布布不不均均一一性性伴随地质历史发展，元素活动与分布有着显著规律伴随地质历史发展，元素活动与分布有着显著规律性。性。地史早期：一些稳定元素在地史早期富集。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。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质铁矿占世界铁矿储量60%）.地史晚期：一些活泼不稳定元素向着地史晚期富集。地史晚期：一些活泼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70页世界部分大陆（北美、南非、印度）不世界部分大陆（北美、南非、印度）不一样地史时期成矿元素改变规律一样地史时期成矿元素改变规律:前寒武纪：前寒武纪：Pt,Fe,Ni,Co,Au,U(占这些占这些元素储元素储量量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71页5区域地壳元素丰度研究区域地壳元素丰度研究一、一、区域元素丰度研究意义区域元素丰度研究意义它是决定区域地壳（岩石圈）体系化学特征主它是决定区域地壳（岩石圈）体系化学特征主要基础数据；要基础数据；为研究各类地质、地球化学作用、分析区域结为研究各类地质、地球化学作用、分析区域结构演化历史及区域成矿规律提供主要基础资料；构演化历史及区域成矿规律提供主要基础资料；为研究区域生态环境，为工业、农业、畜牧业、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主要信息。医疗保健等事业提供主要信息。第72页二、二、区域元素丰度研究方法区域元素丰度研究方法1、确定区域范围：依据工作任务和性质来确确定区域范围：依据工作任务和性质来确定；定；2、建立地壳结构模型（地球物理）、建立地壳结构模型（地球物理）3、地壳岩石结构模型：、地壳岩石结构模型：1）沉积盖层岩石组成及厚度）沉积盖层岩石组成及厚度2）中、下地壳岩石组成及厚度）中、下地壳岩石组成及厚度3）岩浆岩类型及分布百分比）岩浆岩类型及分布百分比第73页三、区域地壳丰度计算三、区域地壳丰度计算1、样品采集、样品采集采取结构采取结构-地层分区与标准剖面结合采样方案，地层分区与标准剖面结合采样方案，对于岩体，采取路线穿越采样。对于岩体，采取路线穿越采样。2、样品分析与数据质量、样品分析与数据质量多元素、多方法多元素、多方法主量元素：湿化学分析主量元素：湿化学分析微量元素：仪器分析微量元素：仪器分析分析准确度（相对标准偏差）：分析准确度（相对标准偏差）：5-10%分析准确度：由国内、国际标样监控。分析准确度：由国内、国际标样监控。第74页3、丰度计算、丰度计算1）计算各地层单元中每类岩石元素丰度，并进行厚）计算各地层单元中每类岩石元素丰度，并进行厚度加权平均，度加权平均，计算上、中、下地壳元素丰度计算上、中、下地壳元素丰度2）计算各岩体中元素丰度，并按岩体出露面积进行）计算各岩体中元素丰度，并按岩体出露面积进行加权平均，计算岩加权平均，计算岩浆岩总体中元素丰度浆岩总体中元素丰度3）按岩浆岩和地层质量或出露面积加权平均计算区）按岩浆岩和地层质量或出露面积加权平均计算区域地壳总体中元素丰度域地壳总体中元素丰度4）对结构复杂地域，必须先进行结构分区，然后按）对结构复杂地域，必须先进行结构分区，然后按结构区质量百分比进行加权取得总体地壳中元素丰度结构区质量百分比进行加权取得总体地壳中元素丰度第75页四、区域元素地壳丰度资料应用四、区域元素地壳丰度资料应用1、提供区域地壳地球化学特征总背景、提供区域地壳地球化学特征总背景2、地壳不一样结构层元素丰度对比（上、下地壳分异）、地壳不一样结构层元素丰度对比（上、下地壳分异）3、区域各结构单元地壳组成对比、区域各结构单元地壳组成对比4、地壳演化（地层、岩浆作用、结构作用）、地壳演化（地层、岩浆作用、结构作用）5、区域成矿规律、生态环境、农业等、区域成矿规律、生态环境、农业等第76页西班牙西班牙BarrancodelGrederoK/E剖面剖面Ir含量改变含量改变时间尺度时间尺度：Ir元素丰度在元素丰度在K/E界限上突变，意味着什么？界限上突变，意味着什么？空间尺度空间尺度：在世界各地：在世界各地K/E界面上界面上Ir元素丰度亦有相同变元素丰度亦有相同变异，这示踪着什么？异，这示踪着什么？18O,13C突变突变Ir(10-9)第77页6元素在岩石和矿物中分配元素在岩石和矿物中分配一、一、各类型岩石中元素分配各类型岩石中元素分配自学自学二、二、岩石中元素在组成矿物间分配岩石中元素在组成矿物间分配在岩石中元素极不均匀地分配各种组成矿物中，主要在岩石中元素极不均匀地分配各种组成矿物中，主要受两个原因控制：受两个原因控制：1）晶体化学性质；）晶体化学性质；2）热力学条件）热力学条件要查明控制元素在矿物间分配，首先要确定各组成矿中元要查明控制元素在矿物间分配，首先要确定各组成矿中元素含量，并据此对共存矿物内元素含量进行平衡计算。素含量，并据此对共存矿物内元素含量进行平衡计算。第78页平衡计算方法：平衡计算方法：1、测定某元素在全岩中含量（、测定某元素在全岩中含量（C）2、确定岩石中矿物组成及其百分比（、确定岩石中矿物组成及其百分比（A、B、C、D.)3、测定各组成矿物中该元素含量（、测定各组成矿物中该元素含量（CA、CB、CC、CD)4、计算各矿物中该元素含量占岩石中该元素含量百分比、计算各矿物中该元素含量占岩石中该元素含量百分比CA=ACA/CCB=BCB/CCC=CCC/C.5、列表分析，确定哪些是携带矿物，哪些是富集矿物、列表分析，确定哪些是携带矿物，哪些是富集矿物携带矿物携带矿物：是指岩石中所研究元素主要量分配于其中那种矿物：是指岩石中所研究元素主要量分配于其中那种矿物富集矿物富集矿物：是指所研究元素在其中含量大大超出它在岩石：是指所研究元素在其中含量大大超出它在岩石总体中含量那种矿物总体中含量那种矿物第79页注意两点：注意两点：尽可能包含全部矿物并准确地测定每种矿物中元尽可能包含全部矿物并准确地测定每种矿物中元素含素含量；量；计算出来岩石中元素含量与实测岩石元素含量要计算出来岩石中元素含量与实测岩石元素含量要一致，假如不一致，查原因：一致，假如不一致，查原因：分析有误？分析有误？遗漏了矿遗漏了矿物物?第80页实例第81页小结及思索题 地球是太阳系一个行星，地壳是地球外部圈层，所以，太阳系、地球是太阳系一个行星，地壳是地球外部圈层，所以，太阳系、地球、地壳元素丰度共同遵照太阳系元素丰度基本规律，如奇偶规地球、地壳元素丰度共同遵照太阳系元素丰度基本规律，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、地球分异出地壳过程中发生过化学分异，造成三者间在组成和元素丰球分异出地壳过程中发生过化学分异，造成三者间在组成和元素丰度上也存在差异。一个自然体系丰度在与外界相互作用过程中会不度上也存在差异。一个自然体系丰度在与外界相互作用过程中会不停发生演化，所以，地壳现今元素丰度并不能代表它形成和演化过停发生演化，所以，地壳现今元素丰度并不能代表它形成和演化过程中元素丰度。程中元素丰度。元素丰度是自然体系基本化学特征，它决定了体系内化学作用和化元素丰度是自然体系基本化学特征，它决定了体系内化学作用和化学演化基本特征，也控制着与相邻体系物质交换，地壳、尤其上地学演化基本特征，也控制着与相邻体系物质交换，地壳、尤其上地壳元素丰度与人类生存活动亲密相关，最受人们关注，研究结果也壳元素丰度与人类生存活动亲密相关，最受人们关注，研究结果也最丰富。最丰富。复杂体系元素丰度研究已积累了很多有成效和有启发性思绪和复杂体系元素丰度研究已积累了很多有成效和有启发性思绪和方法，地球化学参考模型方法，地球化学参考模型GERMGERM综合了对太阳系、地球、地壳等化学综合了对太阳系、地球、地壳等化学组成和元素丰度最新研究结果。组成和元素丰度最新研究结果。第82页第一章第一章1、元素分布与分配概念2、元素丰度概念3、元素在地壳中克