1、第一章 太阳系和地球系统元素的丰度,二、地球的结构和化学成分,先讲两个概念 1) abundance,distribution:丰度（分布）（欧美这两个词混用，我国前者译丰度，后者译分布）：指元素在宇宙体或较大的地球化学系统中的平均含量（本书）。或者说元素在较大自然体系中的平均含量。 如太阳、行星、陨石、地球、地壳等。强调整体（母体），大的地球化学系统丰度的类型：重量丰度(WB)、原子丰度、相对丰度（宇宙丰度）元素常用含量单位：以重量丰度(WB)为例 10-2（百分含量，%）、 10-6（parts per million,1/百万,ppm,g/t,g/g), 10-9 （parts per
2、billion,ppb, 1/10亿，mg/t,ng/g) ， 10-12 (parts per trillion,ppt, 1/万亿，g/t,pg/g),二、地球的结构和化学成分,2)分配（partition, distribution):元素在构成该宇宙体或地质体内各个部分或各区段（子体）中的含量。分配强调整体中的一部分（ 母体中各子体），一般用于岩石、矿物等小地质体丰度（分布）与分配是相对的概念 如地球上元素的平均含量，相对于太阳系是分配，而相对于地壳、地幔、地核等是丰度,两个基本知识1)地球在天体分级体系中的位置： 宇宙超星系团星系团银河系太阳系地球上下四方曰宇，古往今来曰宙。宇宙是包
3、容了一切时空范围的自然体系，是最高级别的体系在宇观尺度上，三维空间在任何时刻都是均匀各向同性的，所有星系经历了相似的演化历程，都具有均匀的物质分布。所以从太阳系的化学组成可推知宇宙的物质分布。,2)与其它类地行星一样，地球内部的物质组成不均一,具有壳、幔、核层圈构造 地球成因：46亿年前诞生，由形成太阳和其他行星的同样物质所构成。形成方式有两种假说： 炽热的气态星云凝聚（均一增生再熔融分异） 冷的固态质点逐渐吸积（非均一增生说)。地球轻气体H、He等及重气体Kr、Xe等都强亏损有利该说。目前，星子连续吸积说较流行。,太阳星云自转加速= 星云盘+原太阳=温度增高引起星云盘内的物质分馏。靠近原太阳
4、的星子主要由难熔的金属Fe、Ni及其氧化物所组成，与原太阳距离的增加，星子的化学组成逐渐被Mg和Fe的硅酸盐以及水、甲烷（CH4)、氨(NH3)以及其他的挥发组分的冰所组成,(一).地球的结构和元素丰度 1.地球的内部结构 认为由地壳、地幔、地核等不同层圈组成 主要依据：地震波传播速度的变化及地球内物质密度的不均匀分布等地球物理资料（间接资料）,纵波（压缩波）P 横波（剪切波）S,1.地球的内部结构,布伦（1975） B层包括岩石圈地幔和软流圈,注意：4001000Km划分较混乱650（670）Km下地幔；4001000Km过渡层（转变区）,先分壳幔核三层,布伦模型:A、B、C、D、E、F、G
5、,地球结构概要,引自Anderson(1993),2.地球元素丰度： （1）地球元素丰度的研究方法： 陨石类比法：依据:a.陨石在太阳系形成；b.陨石与小行星成分相同；c.陨石是破坏了的星体碎片；d.产生陨石的星体，其内部结构和成分与地球相似。 各类陨石平均（如Clarke,1924)，问题:陨石比例确定？发现的铁陨石多，而实际陨落的石陨石多，所以结果Fe高O、Mg、Si低 球粒陨石单类陨石平均（如Ahrens,1965)，问题: Fe低!（凝聚形成地球的星子靠近太阳，发生过分异，富难熔元素，与球粒陨石有差异）,与地球中Fe的现代估算值（百分之三十几）比较,（1）地球元素丰度的研究方法,地球模
6、型-陨石类比法（华盛顿，1925；Mason,1966): 按地球的各主要圈层的比例计算： 地核 ：32.4%，以球粒陨石的镍铁金属相(总量27.1%)+陨硫铁（硫化物相）(占 5.3%)代表 地幔+地壳：67.6%，以球粒陨石的平均硅酸盐成分代表 又叫SMT法(硅酸盐相S-金属相M-硫化物相T),（1）地球元素丰度的研究方法,地球物理类比法(黎彤，1976):在布伦模型A+B+C+D+E +F+G(层)基础上,提出各层圈（地壳、上地幔、下地幔、外核、内核）质量分数和物质成分，再加权平均计算获得地球元素丰度,（2）地球元素丰度及其规律,请与书上的“因特网上国际地球化学参考模型数据，1998”对
7、比,华盛顿，1925；Mason,1966：地球模型-陨石类比法 黎彤，1976：地球物理类比法,（2）地球元素丰度及其规律, Fe+O+Si+Mg 90%； 含量大于1%的元素：Ni,Ca,Al,S； 含量介于0.01%-1%的元素Na,K,Cr,Co,P,Mn,Ti。 地球元素丰度遵循太阳系元素丰度的基本规则，如奇偶规律、递减规律等。但地球中亲气元素含量低（原因？）,（相似是因为有相同的起源，不同是地球物质 遭受过分异，如太阳风对挥发性组分的驱赶）,欧阳自远，1983,Kr,(二).地壳的组成和元素的丰度 1.地壳的组成 （1）大陆地壳: 由沉积岩, 变质岩, 侵入岩和火山岩组成，平均厚3
8、740Km，占地壳质量的79%，地球质量的0.35%。 其高演化的化学成分在太阳系独一无二,近地表,深部,辉长岩质,花岗质,上地壳,下地壳,偏酸性火成 岩和沉积岩,长英质麻粒岩 镁铁质麻粒岩,（1）大陆地壳,据出露地表剖面,大陆地壳地球物理分层的结构模型（据折射地震测深资料）,上、中、下地壳平均厚度12、11、14(17)Km 地壳：拉张带薄、挤压造山带厚（已去根者也薄）,（1）大陆地壳,据欧洲3000Km地质-地球物理剖面确定,上部地壳深成岩体的体积比例,花岗岩类和花岗闪长岩类 77 % 石英闪长岩类 8 % 闪长岩类 1 % 辉长岩类 13 % 正长岩类、斜长岩类、橄榄岩类 1 %,总 量
9、 100 %,（1）大陆地壳,海洋沉积物（12 Km）-洋底玄武岩+席状岩墙群+辉长岩-超镁铁堆积岩 (以上为洋壳) 上地幔变形橄榄岩,（2）洋壳主要由洋中脊玄武岩组成（以低 的K2O, TiO2 , LREE , Rb/Sr 和 ISr为特征). 厚010Km，占地球质量0.1%，现今洋壳年龄200Ma(J以后),洋壳总成分相当于苦橄质玄武岩,（二）地壳的组成和元素丰度,2、地壳的平均化学成分与元素克拉克值 1）克拉克值的概念 元素在地壳中的丰度（平均含量）叫-。两种表示方法 a. 重量克拉克值： 地壳中元素的重量平均含量 b. 原子克拉克值： 地壳中元素的原子平均含量（原子百分数）重量克拉
10、克值/元素的原子量=元素的原子克拉克值,（二）地壳的组成和元素丰度,2)、大陆地壳化学组成的研究方法 岩石平均化学组成法如克拉克和华盛顿（1924）、维诺格拉多夫（1962）（1基性岩+2酸性岩）、泰勒（1964）（1花岗岩+1基性岩）,（二）地壳的组成和元素丰度,克拉克法（1924） ：（8602个火成岩数据中选5159样品，50元素） a.岩石圈：水圈：大气圈93% 7% 0.03% b.岩石圈中（地壳） 岩浆岩： 页岩： 砂岩： 灰岩95% 4% 0.75% 0.25% 具体计算过程： 1.分48个地区计算平均化学成分 2.合并为9个地区计算平均化学成分 3.计算总平均化学成分,该方法没
11、有考虑岩石组成随深度和构造单元的变化，也即未考虑地壳结构模型；计算厚度采用16km是人为确定，未考虑莫霍面；虽然考虑了洋岛但忽略了海洋地壳的物质成分，所以实际上代表的是大陆（上）地壳的元素丰度,（二）地壳的组成和元素丰度,细粒碎屑沉积岩法 最早戈尔德施密特（77件冰川黏土）， Taylor and McLenan(1985)发展了这一方法 特点： 细碎屑岩的源物质来自剥蚀区，源区出露岩石天然平均样品 经济、快速 适合于区域地壳成分的估计缺点：Na、Ca、Sr、Ba等一些易溶元素不准,细碎屑岩REE组成模式与 现今大陆上地壳一致但含 量略高。降20%-30%，则一 致。因后者含稀土量少的 碳酸盐
12、岩、石英砂岩等,（二）地壳的组成和元素丰度,大陆地壳生长历史法泰勒和麦克伦南（1985）：现今大陆地壳质量75%形成于太古宙（2镁铁质+1长英质=安山质），25%形成于后太古宙，后太古宙大陆生长主要发生在岛弧地区，代表性物质是岛弧安山岩。 提出大陆地壳(总体）化学组成安山岩模式 另外，其下部陆壳成分的计算：假设下地壳占陆壳厚度75%，上地壳占25%，据质量平衡，由地壳总体减上地壳得到下地壳成分 问题：a. 大陆地壳生长历史认识不同（再循环） b.不同时期大陆壳原始物质性质的认识不同,（二）地壳的组成和元素丰度,区域大规模取样和分析（地表或上地壳）Shaw et al(1967、1986、199
13、4）对加拿大地盾8448样；高山等（1992、1998）中国东部。 大陆地壳剖面法（选择合适的剖面，如意大利Ivrea,有5条标志） 地球物理法（主要地震波速与化学组成关系） 火山岩中的深部地壳包体研究法（主要碱性玄武岩中的麻粒岩包体）,大陆地壳组成模型法（据大陆地壳剖面、深部地壳包体、实验岩石学、地球物理学等）：大陆地壳化学组成英云闪长岩模式（Wedepohl,1995),大陆地壳化学组成英云闪长岩模式 （Wedepohl,1995),3).地壳元素丰度特征,3）地壳元素丰度特征（规律）比较：太阳系、地球、地壳中前10种元素 太阳系：HHeONeNCSiMgFeS 地球：FeOMgSiNiS
14、CaAlCoNa 地壳：OSiAlFeCaNaKMgTiH(含水圈大气圈）(P，不含水气圈),2、地壳的平均化学成分与元素克拉克值,3）地壳元素丰度特征（规律）,各种元素丰度极不均匀 O, Si, Al 占82% O, Si, Al, Fe, Ca, Na, K, Mg占98%，前13种元素占地壳总重量的99.7；其余只占0.3 O 与Rn相差1017倍 随原子序数的增加其丰度降低，例外：Li, Be, B; 232Th、238U、235U；贵金属, Se, Te等。Li, Be, B与太阳系一样仍表现为亏损,3）地壳元素丰度特征,除了惰性气体和少数元素外，质量数为偶数的元素丰度大于奇数（偶数
15、的元素含量占86%）。 但有反偶数规则：如:3Li4Be16S, 23V24Cr25Mn 四倍规则（质量数为四的倍数） 4A型：12C, 16O , 24Mg, 28Si, 32S, 40Ca, 48Ti, 52Cr, 56Fe, 140Ce, 232Th, 238U 占87% 4A+3型：7Li, 11B, 19F, 23Na, 27Al, 31P, 35Cl, 39K, 51V, 55Mn, 59Co, 63Cu, 75As, 107Ag占13% 4A+2 （如238 U 等）和4q1型（如9 Be ）仅占0.n%,3）地壳元素丰度特征, 差六规则，偶、奇数元素丰度对数曲线上出现高峰的元素
16、原子序数之差为6或6的倍数，如偶数的8O、14Si、20Ca、26Fe、38Sr、50Sn、56Ba、74W、82Pb、90Th（偶数规则之特例） 原子核质子数与中子数关系为偶-偶型的元素丰度最高（ 60）； 偶-奇型次之，偶奇和奇偶：35；奇奇：5。核壳层规则（幻数）：质子数2、8、14、20、28、50、82和中子数为2、8、14、20、28、50、82、126的核稳定性高（核壳层被核子充满，原子核最稳定），分布量大 放射性蜕变：U238，U235，K40、Rb87随时间减少；Pb206、Pb207、Pb208，Ar40，Sr87随时间增多（地壳元素丰度特征与太阳系及地球元素特征相一致是因
17、相同的起源，表现出不同是因分异和地球化学作用。）,宇宙中元素丰度的分布与元素的化学性质无关，而主要受原子核的结构控制。但地壳元素丰度还受地球形成前分异和形成后地球化学演化的控制，从而与化学性质有关。,2、地壳的平均化学成分与元素克拉克值,4）元素克拉克值的地球化学意义大陆地壳化学组成 对壳幔分异的指示,元素的地球化学行为与克拉克值的关系 克拉克值高=独立矿物(K,Na) 克拉克值低=类质同象(Rb,Cs) 元素的克拉克值与可形成矿物种数的关系,4）元素克拉克值的地球化学意义,作为元素集中分散的标尺 浓度克拉克值的概念 浓度克拉克值=观测值/克拉克值,4）元素克拉克值的地球化学意义,判断元素在地
18、壳中富集成矿的能力 浓集系数：矿石边界品位/克拉克值一些元素的浓集系数值,4）元素克拉克值的地球化学意义,浓集系数低的较容易富集成矿（但也不是绝对的，有的元素集中能力强） Si, Al, Fe分别仅需富集1.5，3，6倍即可达到工业品位（矿主要形成于前寒武纪）。 Cu, Zn, Ag分别需富集50，600，2000倍才可达到工业品位（矿主要形成于古生代以后）。,计算资源潜力美国矿产储量R(吨）=A(10-6) 106 (McKelvey,1960);地壳质量按1公里深计算世界资源潜力R(吨）=2.45A(10-6) 106 17.3 (Erickson,1973) R3=MAF/h-(R1+R2)（黎彤，1990）M地壳质量；A元素丰度；h地壳深度；F成矿率，R1历史已采储量R2现有储量；R3资源预测量,4）元素克拉克值的地球化学意义,地球化学相似或相关元素的比值变化可用于示踪特殊地质作用（如壳幔体系 中Nb/Ta= 17.5, Zr/Hf=37,若明显降低，说明有富F流体交代或高F花岗岩的岩浆结晶分异）区域元素克拉克值可以为阐明地球化学省的特征或划分大地构造单元提供依据,4）元素克拉克值的地球化学意义,
