1、地球化学地球科学学院地球化学系* *地球科学学院地球化学教研室 多 媒体课件地球化学第一章 太阳系和地球系统的元素丰度本章内容w 基本概念w 元素在太阳系中的分布规律w 地球的结构和化学成分 (自学）w 地壳元素的丰度w 具体区域元素丰度的研究w 小结及思考题一、 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。这个体系可大可小。某个矿物包裹体，某矿物、某岩石可看作一
2、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。地球化学的基本问题之一就是研究元素在地球化学体系中的分布（丰度）、分配问题，也就是地球化学体系中 “ 量 ” 的研究。 2.分布和丰度体系中 元素的分布 ，一般认为是指的是元素在这个体系中的相对含量（平均含量），即元素的 “ 丰度 ” ，体系中元素的相对含量是以元素的平均含量来表示的，其实 “ 分布 ” 应当比 “ 丰度 ” 具有更广泛的涵义。体系中 元素的丰度 值实际上只能对这个体系里元素真实含量的一种估计，它只反映了元素分布特
3、征的一个方面，即元素在一个体系中分布的一种集中（平均）倾向；元素在一个体系中的分布，特别是在较大体系中决不是均一的。因此，元素的分布还包含着元素在离散程度（不均一）的特征，因此元素的分布 : 元素的相对含量（平均含量） = “ 丰度 ” ； 元素含量的不均一性（分布离散特征数、分布所服从统计模型）。需要指出的是，从目前的情况来看，地球化学对元素特征所积累的资料（包括太阳系地球地壳）都仅限于丰度的资料，关于元素分布的离散程度及元素分布统计特征研究，仅限于少量范围不大的地球化学体系内做一些工作。 3.分布与分配分布 指的是元素在一个化学体系中（太阳、陨石、地球、地壳、某地区）整体总含量。元素的 分
4、配 指的是元素在各地球化学体系内各个区域区段中的含量。分布是整体，分配是局部 ，两者是一个相对的概念，既有联系也有区别 .例如，把地球作为整体，元素在地壳中的分布，也就是元素在地球中的分配的表现，把某岩石作为一个整体，元素在某组成矿物中的分布，也就是元素在岩石中分配的表现.4.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 5.研究元素丰度的意义 元素丰度是每
5、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。二、 元素在太阳系中的分布规律w 获得太阳丰度资料的主要途径w 陨石的化学成分w 太阳系元素丰度规律（一）
6、获得太阳丰度资料的主要途径 大家都知道我们地球所在的太阳系是由太阳、行星、行星物体 (宇宙尘、彗星、小行星）其中太阳的质量占太阳系总质量的 99.8%，其他成员的总和仅为 0.2%。所以太阳的成分是研究太阳系成分的关键。获得太阳元素丰度资料的途径主要有以下几种： 1. 光谱分析 :对太阳和其它星体的辐射光谱进行定性和定量分析，但这些资料有两个局限性：一是有些元素产生的波长小于 2900，这部分谱线在通过地球大气圈时被吸收而观察不到；二是这些光谱产生于表面，它只能说明表面成分，如太阳光谱是太阳气产生的，只能说明太阳气的组成。光谱分析仪 太阳光谱（一） 获得太阳丰度资料的主要途径 2.直接分析 :
7、如测定地壳岩石、各类陨石和月岩、火星的样品 .上个世纪七十年代美国 “ 阿波罗 ” 飞船登月，采集了月岩、月壤样品，1997年美国 “ 探路者 ” 号， 2004年美国的 “ 勇敢者 ”“ 机遇 ” 号火星探测器测定了火星岩石的成分。 3.利用宇宙飞行器 分析测定 星云和星际间物质及研究宇宙射线 。 由此可见，太阳系丰度是通过以上各种途径得到的。宇航员 月球车 火星车太阳系景观（二） 陨石的化学成分陨石是从星际空间降落到地球表面上来的行星物体的碎片。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
8、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，铅、硫同位素）。1.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）。这类陨石可以分为两类，即决定它们是否含有球粒硅酸盐结构，分为球粒陨石和无球粒陨石
9、。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。1.陨石类型 这些陨石大都是石质的，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。图 1.1 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)1.陨石类型 陨石的主要矿物组成： Fe、 Ni 合金、
10、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。2.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 要了解各类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）。陨石的平均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，对陨石成
11、分的看法还不甚一致，但 以下一些基本认识是趋于公认的 ： 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； 各种陨石分别形成于不同的行星母体，因为各类陨石具有不同的年龄及成分差异； 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）； 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
12、有重要意义。（三）太阳系元素丰度规律有关太阳系元素的丰度估算各学者选取太阳系的物体是不同的。有的主要是根据太阳和其它行星光谱资料及陨石物质测定；有的根据 I型球粒陨石，再加上估算方法不同，得出的结果也不尽相同，下表列出了 GERM（1998） 的太阳系元素丰度（单位：原子数 /106Si原子）（部分）。序号 元素 推荐 值相 对误 差 (1sigma)序号元素 推荐 值相 对误 差 (1sigma)1 H 2.79E+10 - 47 Ag 0.486 2.9%2 He 2.72E+09 - 48 Cd 1.61 6.5%3 Li 57.1 9.2% 49 In 0.184 6.4%4 Be 0
13、.73 9.5% 50 Sn 3.82 9.4%5 B 21.2 10.0% 51 Sb 0.309 18.0%6 C 1.01E+07 - 52 Te 4.81 10.0%7 N 3.13E+06 - 53 I 0.9 21.0%由表可知：对于这样的数据我们应有一个 正确的的评价 ：首先这是 一种估计值 ，是反映目前人类对太阳系的认识水平，这个估计值不可能是很精确的，随着人们对太阳系以至于宇宙体系的探索的不断深入，这个估计值会不断的修正；它反映了元素在太阳系 分布的总体规律 ，虽然还是很粗略的，但从总的方面来看，它反映了元素在太阳系分布的总体规律。如果我们把太阳系元素丰度的各种数值 先取对数
14、 ，随后对应其 原子序数 作出曲线图（如下图）时，我们会发现太阳系元素丰度具有 以下规律 ： 1.太阳系元素丰度规律图把太阳系元素丰度的数值取对数 lgC作纵坐标，原子序数 （ Z） 作横坐标。基本规律：1. H和 He是丰度最高的两种元素 。这两种元素的原子几乎占了太阳中全部原子数目的 98 。2. 原子序数较低的范围内，元素丰度随原子序数增大呈 指数递减 ，而在原子序数较大的范围内 （ Z 45） 各元素丰度值很相近。3. 原子序数为偶数的元素其丰度大大高于相邻原子序数为奇数的元素。具有偶数质子数 （ A） 或偶数中子数 （ N） 的核素丰度总是高于具有奇数 A或 N的核素。这一规律称为
15、奥多 -哈根斯法则 ，亦即 奇偶规律 。 4. 质量数为 4的倍数（即 粒子质量的倍数）的核素或同位素具有较高丰度。此外，还有人指出原子序数 （ Z） 或中子数 （ N） 为 “ 幻数 ” （ 2、 8、 20、 50、 82和 126等）的核素或同位素丰度最大。例如， 4He（ Z=2， N2）、 16O（ Z=8， N=8）、 40Ca（ Z=20， N=20） 和 140Ce(Z=58,N=82)等都具有较高的丰度。 5. Li、 Be和 B具有很低的丰度，属于 强亏损 的元素，而 O和 Fe呈现明显的峰，它们是 过剩元素 。深入分析：通过对上述规律的分析，人们认识到在 元素丰度与原子结
16、构及元素形成的整个过程 有着一定的关系。 1. 与元素的原子结构有关 。原子核由质子和中子组成，其间既有核力又有库仑斥力，当中子数和核子数比例适当时，核最稳定，而具有最稳定原子核的元素一般分布最广。在原子序数 （ Z） 小于 20的轻核中，中子 （ N） /质子 （ P）1时，核最稳定，为此可以说明 4He（ Z=2， N 2）、 16O（ Z=8， N=8）、 40Ca（Z=20， N=20） 等元素丰度较大的原因。又如偶数元素与偶数同位素的原子核内，核子倾向成对，它们的自旋力矩相等，而方向相反，量子力学证明，这种核的稳定性大，为此偶数元素核、偶数同位素在自然界的分布广。 2. 与元素形成的
17、整个过程有关 。 H和 He丰度占主导地位和 Li、 Be和 B等元素的亏损，这需从元素的起源和形成的整个过程等方面来分析。例如，根据恒星合成元素的假说，在恒星高温条件下 （ n106k）， 可以发生原子 （ 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和 B迅速转变为 He的同位素 42He，为此在太阳系中 Li、 Be和 B等元素丰度偏低的原因可能是恒星热核反应过程中被消耗掉了。 自学思考题：w 为什么太阳系中只有前 10种元素起主导作用？w 为什么太阳系元素丰度随元素序数增加而逐渐降低？w Li、 Be、 B的丰度为什么会亏损？（
18、参考书：陨石、地球、太阳系 .法 阿莱格尔，地质出版社）三 、地球的结构和化学成分 (自学）w 自学思考题 :w 1. 地球的结构和各圈层的组成；w 2. 地球元素丰度研究方法；w 3. 地球元素丰度及其规律；w 4. 地球的形成和早期分异。四、 地壳元素的丰度w 研究 地壳元素丰度 是地球化学的一项重要的基础任务。地壳丰度是地球各层圈中研究最详细和较正确的。w 地壳元素丰度确定的方法w 地壳元素的丰度特征w 地壳元素丰度研究的意义w 地壳元素分布的不均一性（一）地壳元素丰度的研究方法 地壳（大陆）的化学组成是认识地球总体成分、分异演化和地球的动力学过程的基本前提，再加之大陆地壳是人类生活和获
19、取资源的场所，为此大陆地壳化学组成的研究自地球化学学科诞生以来一直是研究的中心问题之一。下面是几种研究地壳丰度的方法。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。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 。其作法如下： 在世界各大洲和大洋岛屿采集了 5159个不同岩浆岩样品和 676件沉积岩样品
20、； 对 53种元素进行了定量的化学分析； 其样品的数量相当于这些样品在地球表面分布面积的比例 ; 计算时用算术平均求出整个地壳的平均值。他们的工作具有 重大的意义 ： 开创性的工作，为地球化学发展打下了良好的基础； 代表陆地地壳成分，其数据至今仍有参考价值。 2.简化研究法（取巧研究法）1） 哥尔德斯密特 （ 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， Na2O和 CaO含量偏低（这与表生条件下， Na和 Ca容易淋滤沉淀有关）。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） 泰勒和麦克伦南 （ Taylor和 McLennan,1985）提出细粒碎屑沉积岩，特别是泥质岩，可作为源岩出露区上地壳岩石的天然混合样品，用太古宙后页岩平均值扣除 20%计算上部陆壳元素丰度。 综合上述各种研究方法，根据目前对地壳的认识，显然具有以下的 不足之处 :首先采用的地壳的概念不统一，均未按照 现代地壳结构模型 来考虑；其次没有考虑岩石组成随深度和构造单元的变化。
