第1章 太陽(yáng)系的組成和元素豐度,地球

1、第一章 太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)的元素豐度 本章內(nèi)容w基本概念w元素在太陽(yáng)系中的分布規(guī)律w地球的結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分 w地殼中元素的豐度w區(qū)域地殼元素豐度研究第一章 太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度 F三、地球的結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分三、地球的結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分F先講兩個(gè)基本知識(shí)1)地球在天體分級(jí)體系中的位置：宇宙宇宙超星系團(tuán)超星系團(tuán)星系團(tuán)星系團(tuán)銀河系銀河系太陽(yáng)系太陽(yáng)系地球地球上下四方曰宇，古往今來(lái)曰宙。宇宙是包容了一切上下四方曰宇，古往今來(lái)曰宙。宇宙是包容了一切時(shí)空范圍的自然體系，是最高級(jí)別的體系時(shí)空范圍的自然體系，是最高級(jí)別的體系在宇觀尺度上，三維空間在任何時(shí)刻都是均勻各向在宇觀尺度上，三維空間在任何時(shí)刻都是均勻各向同性

2、的，所有星系經(jīng)歷了相似的演化歷程，都具有均同性的，所有星系經(jīng)歷了相似的演化歷程，都具有均勻的物質(zhì)分布。所以從太陽(yáng)系的化學(xué)組成可推知宇宙勻的物質(zhì)分布。所以從太陽(yáng)系的化學(xué)組成可推知宇宙的物質(zhì)分布。的物質(zhì)分布。2)與其它類(lèi)地行星一樣，地球內(nèi)部的物質(zhì)組成不均一,具有殼、幔、核層圈構(gòu)造地球成因：46億年前誕生，由形成太陽(yáng)和其他行星的同樣物質(zhì)所構(gòu)成。形成方式有兩種假說(shuō)：熾熱的氣態(tài)星云凝聚（均一增生再熔融分異）冷的固態(tài)質(zhì)點(diǎn)逐漸吸積（非均一增生說(shuō))。地球輕氣體H、He等及重氣體Kr、Xe等都強(qiáng)虧損有利該說(shuō)。目前，星子連續(xù)吸積說(shuō)較流行。 太陽(yáng)星云自轉(zhuǎn)加速= 星云盤(pán)+原太陽(yáng)=溫度增高引起星云盤(pán)內(nèi)的物質(zhì)分餾?？拷?/p>

3、太陽(yáng)的星子主要由難熔的金屬Fe、Ni及其氧化物所組成，與原太陽(yáng)距離的增加，星子的化學(xué)組成逐漸被Mg和Fe的硅酸鹽以及水、甲烷（CH4)、氨(NH3)以及其他的揮發(fā)組分的冰所組成( (一一).).地球的結(jié)構(gòu)地球的結(jié)構(gòu)和元素豐度和元素豐度1.1.地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)認(rèn)為由地殼、地幔、地核等不同層圈組成認(rèn)為由地殼、地幔、地核等不同層圈組成主要依據(jù)：主要依據(jù)：地震波傳播速度的變化及地球內(nèi)物質(zhì)密度的不均勻分地震波傳播速度的變化及地球內(nèi)物質(zhì)密度的不均勻分布等地球物理資料（間接資料）布等地球物理資料（間接資料）F縱波（壓縮波）縱波（壓縮波）P PF橫波（剪切波）橫波（剪切波）S S1.地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

4、地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)布倫（布倫（19751975）B B層包括巖石層包括巖石圈地幔和軟圈地幔和軟流圈流圈F注意：注意：4001000Km劃分較混亂劃分較混亂650（670）Km下地幔；下地幔；4001000KmKm過(guò)渡層過(guò)渡層（轉(zhuǎn)變區(qū)）（轉(zhuǎn)變區(qū)）F先分殼幔核三層先分殼幔核三層F布倫模型布倫模型:A:A、B B、C C、D D、E E、F F、G G地球結(jié)構(gòu)概要引自引自Anderson(1993)Anderson(1993)2.2.地球元素豐度：地球元素豐度：（1 1）地球元素豐度的研究方法）地球元素豐度的研究方法：隕石類(lèi)比法隕石類(lèi)比法：依據(jù)依據(jù): : a. a.隕石在太陽(yáng)系形成；隕石在太陽(yáng)系形成；

5、b.b.隕石與小行星成分相同；隕石與小行星成分相同； c.c.隕石是破壞了的星體碎片；隕石是破壞了的星體碎片； d.d.產(chǎn)生隕石的星體，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和成分與地球產(chǎn)生隕石的星體，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和成分與地球相似。相似。F各類(lèi)隕石平均（如各類(lèi)隕石平均（如Clarke,1924)，F(xiàn)問(wèn)題問(wèn)題:隕石比例確定？發(fā)現(xiàn)的鐵隕石多，而實(shí)際隕石比例確定？發(fā)現(xiàn)的鐵隕石多，而實(shí)際隕落的石隕石多，所以結(jié)果隕落的石隕石多，所以結(jié)果Fe高高O、Mg、Si低低F球粒隕石單類(lèi)隕石平均（如球粒隕石單類(lèi)隕石平均（如Ahrens,1965)F問(wèn)題問(wèn)題: Fe低低!（凝聚形成地球的星子靠近太陽(yáng)，發(fā)（凝聚形成地球的星子靠近太陽(yáng)，發(fā)生過(guò)分異，富

6、難熔元素，與球粒隕石有差異）生過(guò)分異，富難熔元素，與球粒隕石有差異）隕石類(lèi)比法求得的地球元素豐度（wt%）綜合隕石類(lèi)比法單一隕石類(lèi)比法元素法令頓（1911）契爾文斯基（1919）克拉克（1924）艾倫司（1965）C0.040.04-0.04O10.1011.2812.7735.0Na0.170.190.580.7Mg3.804.282.1314.4Al0.390.441.861.30Si5.205.826.9817.8P0.140.130.160.05S0.490.660.962.3K0.040.050.390.085Ca0.460.521.121.40Ti-0.150.05Cr0.090.

7、100.070.25Mn0.030.050.080.2Fe72.0669.7967.2925.1Co0.440.420.410.08Ni6.506.256.041.35F與地球中與地球中FeFe的現(xiàn)代估算值（百分之三十幾）比較的現(xiàn)代估算值（百分之三十幾）比較（1）地球元素豐度的研究方法）地球元素豐度的研究方法地球模型-隕石類(lèi)比法（華盛頓，（華盛頓，1925；Mason,1966):按地球的各主要圈層的比例計(jì)算：F地核 ：32.4%，以球粒隕石的鎳鐵金屬相(總量27.1%)+隕硫鐵（硫化物相）(占 5.3%)代表F地幔+地殼：67.6%，以球粒隕石的平均硅酸鹽成分代表又叫又叫SMT法法(硅酸鹽相

8、硅酸鹽相S-金屬相金屬相M-硫化物相硫化物相T)（1）地球元素豐度的研究方法）地球元素豐度的研究方法地球物理類(lèi)比法地球物理類(lèi)比法(黎彤，黎彤，1976):在布倫模在布倫模型型A+B+C+D+E +F+G(層層)基礎(chǔ)上基礎(chǔ)上,提出各提出各層圈（地殼、上地幔、下地幔、外核、層圈（地殼、上地幔、下地幔、外核、內(nèi)核）質(zhì)量分?jǐn)?shù)和物質(zhì)成分，再加權(quán)平內(nèi)核）質(zhì)量分?jǐn)?shù)和物質(zhì)成分，再加權(quán)平均計(jì)算獲得地球元素豐度均計(jì)算獲得地球元素豐度（2）地球元素豐度及其規(guī)律F請(qǐng)與請(qǐng)與 教材教材7373頁(yè)頁(yè)“整體地球成分估值，整體地球成分估值，McDonough2003”McDonough2003”對(duì)比對(duì)比華盛頓，華盛頓，1925

9、1925；Mason,1966Mason,1966：地球模型-隕石類(lèi)比法黎彤，黎彤，19761976：地球物理類(lèi)比法地球物理類(lèi)比法（2）地球元素豐度及其規(guī)律F Fe+O+Si+Mg 90%；F含量大于1%的元素：Ni,Ca,Al,S；F含量介于0.01%-1%的元素Na,K,Cr,Co,P,Mn,Ti。F地球元素豐度遵循太陽(yáng)系元素豐度的基本規(guī)則，如奇偶規(guī)律、遞減規(guī)律等。 但地球中親氣元素含量低（原因？）（相似是因?yàn)橛邢嗤钠鹪?，不同是地球物質(zhì)（相似是因?yàn)橛邢嗤钠鹪矗煌堑厍蛭镔|(zhì)遭受過(guò)分異，如太陽(yáng)風(fēng)對(duì)揮發(fā)性組分的驅(qū)趕）遭受過(guò)分異，如太陽(yáng)風(fēng)對(duì)揮發(fā)性組分的驅(qū)趕） (二).地殼的組成和元素的豐度1

10、.地殼的組成（1）大陸地殼大陸地殼: 由沉積巖沉積巖, 變質(zhì)巖變質(zhì)巖, 侵入巖和火山巖組成，侵入巖和火山巖組成，平均厚平均厚3740Km，占地殼質(zhì)量的，占地殼質(zhì)量的79%，地球質(zhì)量的，地球質(zhì)量的0.35%。其其高演化的化學(xué)成分在太陽(yáng)系獨(dú)一無(wú)二高演化的化學(xué)成分在太陽(yáng)系獨(dú)一無(wú)二近地表近地表深部深部輝長(zhǎng)巖質(zhì)輝長(zhǎng)巖質(zhì)花崗質(zhì)花崗質(zhì)上地殼上地殼下地殼下地殼偏酸性火成偏酸性火成巖和沉積巖巖和沉積巖長(zhǎng)英質(zhì)麻粒巖長(zhǎng)英質(zhì)麻粒巖 鎂鐵質(zhì)麻粒巖鎂鐵質(zhì)麻粒巖（1）大陸地殼）大陸地殼F據(jù)出露地表剖面據(jù)出露地表剖面大陸地殼地球物理分層的結(jié)構(gòu)模型大陸地殼地球物理分層的結(jié)構(gòu)模型 （據(jù)折射地震測(cè)深資料）（據(jù)折射地震測(cè)深資料）上、

11、中、下地殼平均厚度上、中、下地殼平均厚度1212、1111、14(17)Km14(17)Km地殼：拉張帶薄、擠壓造山帶厚（已去根者也薄）地殼：拉張帶薄、擠壓造山帶厚（已去根者也?。?）大陸地殼）大陸地殼F據(jù)歐洲據(jù)歐洲3000Km3000Km地質(zhì)地質(zhì)- -地球物理剖面確定地球物理剖面確定上部地殼深成巖體的體積比例F花崗巖類(lèi)和花崗閃長(zhǎng)巖類(lèi) 77 %F石英閃長(zhǎng)巖類(lèi) 8 %F閃長(zhǎng)巖類(lèi) 1 %F輝長(zhǎng)巖類(lèi) 13 %F正長(zhǎng)巖類(lèi)、斜長(zhǎng)巖類(lèi)、橄欖巖類(lèi) 1 % F 總總 量量 100 %（1）大陸地殼）大陸地殼第一章 太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)的元素豐度 本章內(nèi)容w基本概念w元素在太陽(yáng)系中的分布規(guī)律w地球的結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分

12、 w地殼中元素的豐度w區(qū)域地殼元素豐度研究F海洋沉積物海洋沉積物（12 Km）- -洋底玄武巖洋底玄武巖+ +席狀巖墻席狀巖墻群群+ +輝長(zhǎng)巖輝長(zhǎng)巖- -超鎂鐵堆積巖超鎂鐵堆積巖( (以上為洋殼以上為洋殼) ) 上地幔變形橄欖巖上地幔變形橄欖巖（2）洋殼洋殼 主要由洋中脊玄武巖組成（主要由洋中脊玄武巖組成（以低以低 的的K2O, TiO2 , LREE , Rb/Sr 和和 ISr為特征為特征). 厚厚010Km，占地球質(zhì)量，占地球質(zhì)量0.1%，現(xiàn)今洋殼年，現(xiàn)今洋殼年齡齡HeONeNCSiMgFeS地球：FeOMgSiNiSCaAlCoNa地殼：OSiAlFeCaNaKMgTiH(含水圈大氣圈

13、）(P，不含水氣圈)2、地殼的平均化學(xué)成分與元素克拉克值3）地殼元素豐度特征（規(guī)律）各種元素豐度極不均勻FO, Si, Al 占82%FO, Si, Al, Fe, Ca, Na, K, Mg占98%，前前1313種元種元素素占地殼總重量的占地殼總重量的99.799.7；其余只占；其余只占0.30.3FO 與Rn相差1017倍隨原子序數(shù)的增加其豐度降低，例外：例外：Li, Be, B; 232Th、238U、235U；貴金屬；貴金屬, Se, Te等。等。Li，Be， B與太陽(yáng)系一樣仍表現(xiàn)為虧損3）地殼元素豐度特征（規(guī)律）除了惰性氣體和少數(shù)元素外，質(zhì)量數(shù)為偶數(shù)的元素豐度大于奇數(shù)（偶數(shù)的元素含量

14、占86%）。但有反偶數(shù)規(guī)則：如:3Li4Be5B, 12Mg16S, 23V24Cr獨(dú)立礦物(K,Na)克拉克值低=類(lèi)質(zhì)同象(Rb,Cs)元素的克拉克值與可形成礦物種數(shù)的關(guān)系克拉克值(wt%)每種元素可形成的礦物數(shù)克拉克值(wt%)每種元素可形成的礦物數(shù)1072910-310-42311023910-410-528110-113910-510-62310-110-23110-610-7210-210-32810-714）元素克拉克值的地球化學(xué)意義作為元素集中分散的標(biāo)尺F濃度克拉克值的概念濃度克拉克值 = 觀測(cè)值 / 克拉克值4）元素克拉克值的地球化學(xué)意義判斷元素在地殼中富集成礦的能力濃集系數(shù)

15、= 礦石邊界品位 / 克拉克值 一些元素的濃集系數(shù)值SiAlFeKNaVCu Ba1.53612153050600ZnAgAsAuHg600 2000 4000 6000140004）元素克拉克值的地球化學(xué)意義 濃集系數(shù)低的較容易富集成礦（但也不是絕對(duì)的，有的元素集中能力強(qiáng)）FSi, Al, Fe分別僅需富集1.5，3，6倍即可達(dá)到工業(yè)品位（礦主要形成于前寒武紀(jì)）。 FCu, Zn, Ag分別需富集50，600，2000倍才可達(dá)到工業(yè)品位（礦主要形成于古生代以后）。 計(jì)算資源潛力 美國(guó)礦產(chǎn)儲(chǔ)量R(噸）=A(10-6) 106 (McKelvey,1960)；地殼質(zhì)量按1公里深計(jì)算 世界資源潛力

16、R(噸）=2.45A(10-6) 106 17.3 (Erickson,1973) R3=MAF/h-(R1+R2)（黎彤，1990） M地殼質(zhì)量；A元素豐度；h地殼深度；F成礦率，R1歷史已采儲(chǔ)量，R2現(xiàn)有儲(chǔ)量；R3資源預(yù)測(cè)量4）元素克拉克值的地球化學(xué)意義 地球化學(xué)相似或相關(guān)元素的比值變化可用地球化學(xué)相似或相關(guān)元素的比值變化可用于示蹤特殊地質(zhì)作用于示蹤特殊地質(zhì)作用（如殼幔體系中（如殼幔體系中Nb/Ta= 17.5，Zr/Hf=37，若明顯降低，說(shuō)明有富，若明顯降低，說(shuō)明有富F流流體交代或高體交代或高F花崗巖的巖漿結(jié)晶分異）花崗巖的巖漿結(jié)晶分異） 4）元素克拉克值的地球化學(xué)意義區(qū)域元素克拉克值

17、可以為闡明地球化學(xué)省的特征或劃分大地構(gòu)造單元提供依據(jù)F例如：在東秦嶺地區(qū)進(jìn)行區(qū)域地球化學(xué)研究表明：東秦嶺是一個(gè)富Mo貧Cu的地球化學(xué)省，Mo元素區(qū)域豐度比地殼克拉克值高2.3倍，而Cu元素則低于地殼克拉克值，這樣的區(qū)域地球化學(xué)背景，有利于形成Mo成礦帶。第一章 太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)的元素豐度 本章內(nèi)容w基本概念w元素在太陽(yáng)系中的分布規(guī)律w地球的結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分 w地殼中元素的豐度w區(qū)域地殼元素豐度研究五、具體區(qū)域元素豐度的研究 從上面的討論中我們可以清楚的知道，元素在太陽(yáng)系、從上面的討論中我們可以清楚的知道，元素在太陽(yáng)系、地殼中的豐度是地球化學(xué)研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，但是我們一般都地殼中的豐度是地球化學(xué)研究

18、的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，但是我們一般都是在是在某個(gè)具體的區(qū)域內(nèi)某個(gè)具體的區(qū)域內(nèi)工作，因此更關(guān)心的是工作，因此更關(guān)心的是具體工作區(qū)域具體工作區(qū)域內(nèi)元素的分布規(guī)律。內(nèi)元素的分布規(guī)律。當(dāng)我們想研究某地質(zhì)體中元素是相對(duì)富當(dāng)我們想研究某地質(zhì)體中元素是相對(duì)富集還是相對(duì)貧化了，拿什么做標(biāo)準(zhǔn)呢？只有與具體區(qū)域內(nèi)元集還是相對(duì)貧化了，拿什么做標(biāo)準(zhǔn)呢？只有與具體區(qū)域內(nèi)元素的區(qū)域豐度來(lái)進(jìn)行比較會(huì)更有實(shí)際意義，而與地殼豐度對(duì)素的區(qū)域豐度來(lái)進(jìn)行比較會(huì)更有實(shí)際意義，而與地殼豐度對(duì)照，只能得到一般概念。為此，區(qū)域元素分布研究是區(qū)域地照，只能得到一般概念。為此，區(qū)域元素分布研究是區(qū)域地球化學(xué)研究的一項(xiàng)基礎(chǔ)工作。球化學(xué)研究的一項(xiàng)基礎(chǔ)工作。（

19、一）區(qū)域元素研究的意義 1.1.它是決定區(qū)域地殼（巖石圈）體系的物它是決定區(qū)域地殼（巖石圈）體系的物源、物理化學(xué)特征的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源、物理化學(xué)特征的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（提供區(qū)（提供區(qū)域地殼地球化學(xué)特征的總背景）域地殼地球化學(xué)特征的總背景）； 2.2.為研究各類(lèi)地質(zhì)地球化學(xué)作用、分析區(qū)為研究各類(lèi)地質(zhì)地球化學(xué)作用、分析區(qū)域構(gòu)造演化歷史及區(qū)域成礦規(guī)律提供重要的域構(gòu)造演化歷史及區(qū)域成礦規(guī)律提供重要的基礎(chǔ)資料；基礎(chǔ)資料； 3. 3.為研究區(qū)域生態(tài)環(huán)境，為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、為研究區(qū)域生態(tài)環(huán)境，為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、醫(yī)療保健等事業(yè)提供重要信息。畜牧業(yè)、醫(yī)療保健等事業(yè)提供重要信息。 （二） 區(qū)域元素分布研究的思路 1.區(qū)

20、域范圍的確定靶區(qū)的選擇 根據(jù)工作任務(wù)和區(qū)域特征來(lái)選擇工作范圍。根據(jù)工作任務(wù)和區(qū)域特征來(lái)選擇工作范圍。 區(qū)域找礦區(qū)域找礦：應(yīng)該盡量與：應(yīng)該盡量與構(gòu)造單元中成礦區(qū)、帶構(gòu)造單元中成礦區(qū)、帶結(jié)合起來(lái)，結(jié)合起來(lái)，因?yàn)橐欢ǖ臉?gòu)造環(huán)境中的成礦帶往往與一定的地球化學(xué)過(guò)程因?yàn)橐欢ǖ臉?gòu)造環(huán)境中的成礦帶往往與一定的地球化學(xué)過(guò)程相聯(lián)系，某個(gè)特定的地球化學(xué)過(guò)程必然具有某些特色元素的相聯(lián)系，某個(gè)特定的地球化學(xué)過(guò)程必然具有某些特色元素的分布。分布。例如長(zhǎng)江中下游例如長(zhǎng)江中下游Cu、Fe成礦帶成礦帶。 原生環(huán)境原生環(huán)境：某流域水系沉積物中元素的高值區(qū)與：某流域水系沉積物中元素的高值區(qū)與該流域源該流域源區(qū)原巖的化學(xué)組成及元素本

21、身的地球化學(xué)性質(zhì)區(qū)原巖的化學(xué)組成及元素本身的地球化學(xué)性質(zhì)等因素有關(guān)。等因素有關(guān)。 2.研究元素空間上分布規(guī)律 在區(qū)域內(nèi)在區(qū)域內(nèi)采集不同時(shí)代和不同巖石（土壤）類(lèi)型采集不同時(shí)代和不同巖石（土壤）類(lèi)型的樣的樣品，對(duì)所獲的樣品進(jìn)行測(cè)試分析，然后按照各類(lèi)巖石在區(qū)品，對(duì)所獲的樣品進(jìn)行測(cè)試分析，然后按照各類(lèi)巖石在區(qū)域內(nèi)所占的比例，求出該區(qū)域（表殼）元素的豐度。域內(nèi)所占的比例，求出該區(qū)域（表殼）元素的豐度。 為了要了解元素空間分布規(guī)律（一般是二維平面）就為了要了解元素空間分布規(guī)律（一般是二維平面）就需要樣品在空間上有一定密度的展布需要樣品在空間上有一定密度的展布。 如如: :每平方公里采集一個(gè)土每平方公里采集一個(gè)土壤樣品壤樣品( (在采樣點(diǎn)附近用梅花在采樣點(diǎn)附近用梅花狀狀5 5點(diǎn)采樣組合成一個(gè)樣點(diǎn)采樣組合成一個(gè)樣3.研究元素在時(shí)間上的分布規(guī)律 我們以沿長(zhǎng)江鎘的分布為例?，F(xiàn)代沿江沖積物鎘含我們以沿長(zhǎng)江鎘的分布為例?，F(xiàn)代沿江沖積物鎘含量較高，那么歷史上的又如何呢？量較高，那么歷史上的又如何呢？ 從表中我們可以看到，近從表中我們可以看到，近70-80年以來(lái)長(zhǎng)江沖積物年以來(lái)長(zhǎng)江沖積物中鎘的含量比早期沉積物高中鎘的含量比早期沉積物高2-3倍。倍。4.研究元素的分布特征的原因 一個(gè)地區(qū)元素的分布現(xiàn)狀是整個(gè)地質(zhì)歷史過(guò)程中元一個(gè)地區(qū)元素