太陽系和地球系統(tǒng)的元素豐度

地球科學(xué)學(xué)院地球化學(xué)教研室——多媒體課件地球化學(xué)geochem@第一章太陽系和地球系統(tǒng)的元素豐度本章內(nèi)容基本概念元素在太陽系中的分布規(guī)律地球的結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分(自學(xué)）地殼元素的豐度具體區(qū)域元素豐度的研究小結(jié)及思考題中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院地球化學(xué)系制作，2021年8月11日更新一、基本概念地球化學(xué)體系分布和豐度分布與分配絕對含量和相對含量研究元素豐度的意義中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院地球化學(xué)系制作，2021年8月11日更新1.地球化學(xué)體系按照地球化學(xué)的觀點，我們把所要研究的對象看作是一個地球化學(xué)體系，每個地球化學(xué)體系都有一定的空間，都處于特定的物理化學(xué)狀態(tài)（C、T、P等），并且有一定的時間連續(xù)。這個體系可大可小。某個礦物包裹體，某礦物、某巖石可看作一個地球化學(xué)體系，某個地層、巖體、礦床（某個流域、某個城市）也是一個地球化學(xué)體系，從更大范圍來講，某一個區(qū)域、地殼、地球直至太陽系、整個宇宙都可看作為一個地球化學(xué)體系。地球化學(xué)的基本問題之一就是研究元素在地球化學(xué)體系中的分布（豐度）、分配問題，也就是地球化學(xué)體系中“量”的研究。中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院地球化學(xué)系制作，2021年8月11日更新2.分布和豐度體系中元素的分布，一般認(rèn)為是指的是元素在這個體系中的相對含量（平均含量），即元素的“豐度”，體系中元素的相對含量是以元素的平均含量來表示的，其實“分布”應(yīng)當(dāng)比“豐度”具有更廣泛的涵義。體系中元素的豐度值實際上只能對這個體系里元素真實含量的一種估計，它只反映了元素分布特征的一個方面，即元素在一個體系中分布的一種集中（平均）傾向；元素在一個體系中的分布，特別是在較大體系中決不是均一的。因此，元素的分布還包含著元素在離散程度（不均一）的特征，因此元素的分布:①元素的相對含量（平均含量）=“豐度”；②元素含量的不均一性（分布離散特征數(shù)、分布所服從統(tǒng)計模型）。需要指出的是，從目前的情況來看，地球化學(xué)對元素特征所積累的資料（包括太陽系地球地殼）都僅限于豐度的資料，關(guān)于元素分布的離散程度及元素分布統(tǒng)計特征研究，僅限于少量范圍不大的地球化學(xué)體系內(nèi)做一些工作。

中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院地球化學(xué)系制作，2021年8月11日更新3.分布與分配分布指的是元素在一個化學(xué)體系中（太陽隕石地球地殼某地區(qū)）整體總含量。元素的分配指的是元素在各地球化學(xué)體系內(nèi)各個區(qū)域區(qū)段中的含量。

分布是整體，分配是局部，兩者是一個相對的概念，既有聯(lián)系也有區(qū)別.例如，地球化學(xué)作為整體，元素在地殼中的分布，也就是元素在地球中的分布的表現(xiàn)，把某巖石作為一個整體，元素在某組成礦物中的分布，也就是元素在巖石中分配的表現(xiàn).中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院地球化學(xué)系制作，2021年8月11日更新4.絕對含量和相對含量絕對含量單位相對含量單位T噸％百分之×10-2kg千克‰千分之×10-3g克

mg毫克ppm、μg/g、g/T百萬分之×10-6μg微克ppb、μg/kg十億分之×10-9ng毫微克ppt、pg/g萬億分之×10-12pg微微克

中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院地球化學(xué)系制作，2021年8月11日更新5.研究元素豐度的意義

①元素豐度是每一個地球化學(xué)體系的基本數(shù)據(jù)。可在同一或不同體系中進行用元素的含量值來進行比較，通過縱向（時間）、橫向（空間）上的比較，了解元素動態(tài)情況，從而建立起元素集中、分散、遷移活動等一些地球化學(xué)概念。從某種意義上來說，也就是在探索喝了解豐度這一課題的過程中，逐漸建立起近代地球化學(xué)。

②研究元素豐度是研究地球化學(xué)基礎(chǔ)理論問題的重要素材之一。宇宙天體是怎樣起源的？地球又是如何形成的？地殼中主要元素為什么與地幔中的不一樣？生命是怎么產(chǎn)生喝演化的？這些研究都離不開地球化學(xué)體系中元素豐度分布特征和規(guī)律。中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院地球化學(xué)系制作，2021年8月11日更新

二、元素在太陽系中的分布規(guī)律獲得太陽豐度資料的主要途徑隕石的化學(xué)成分太陽系元素豐度規(guī)律中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院地球化學(xué)系制作，2021年8月11日更新（一）獲得太陽豐度資料的主要途徑

光譜分析儀太陽光譜大家都知道我們地球所在的太陽系是由太陽、行星、行星物體(宇宙塵、彗星、小行星）其中太陽的質(zhì)量占太陽系總質(zhì)量的99.8%，其他成員的總和僅為0.2%。所以太陽的成分是研究太陽系成分的關(guān)鍵。獲得太陽元素豐度資料的主要途徑主要有以下幾種：

1.光譜分析:對太陽和其它星體的輻射光譜進行定性和定量分析，但這些資料有兩個局限性：一是有些元素產(chǎn)生的波長小于2900?，這部分譜線在通過地球化學(xué)大氣圈時被吸收而觀察不到；二是這些光譜產(chǎn)生于表面，它只能說明表面成分，如太陽光譜時太陽其產(chǎn)生的，只能說明太陽氣的組成。中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院地球化學(xué)系制作，2021年8月11日更新（一）獲得太陽豐度資料的主要途徑

宇航員月球車火星車大家都知道我們地球所在的太陽系是由太陽、行星、行星物體(宇宙塵、彗星、小行星）其中太陽的質(zhì)量占太陽系總質(zhì)量的99.8%，其他成員的總和僅為0.2%。所以太陽的成分是研究太陽系成分的關(guān)鍵。獲得太陽元素豐度資料的主要途徑主要有以下幾種：

1.直接分析:如測定地殼巖石、各類隕石和月巖、火星的樣品.上個世紀(jì)七十年代美國“阿波羅”飛船登月，采集了月巖、月壤樣品，1997年美國“探路者”號，2004年美國的“勇敢者”“機遇”號火星探測器測定了火星巖石的成分。

2.利用宇宙飛行器分析測定星云和星際間物質(zhì)及研究宇宙射線。

由此可見，太陽系豐度是通過以上各種途徑得到的。中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院地球化學(xué)系制作，2021年8月11日更新太陽系景觀中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院地球化學(xué)系制作，2021年8月11日更新（二）隕石的化學(xué)成分隕石是從星際空間降落到地球表面上來的行星物體的碎片。隕石是空間化學(xué)研究的重要對象，具有重要的研究意義：①它是認(rèn)識宇宙天體、行星的成分、性質(zhì)及其演化的最易獲取、數(shù)量最大的地外物質(zhì)；②也是認(rèn)識地球的組成、內(nèi)部構(gòu)造和起源的主要資料來源；③隕石中的60多種有機化合物是非生物合成的“前生物物質(zhì)”，對探索生命前期的化學(xué)演化開拓了新的途徑；④可作為某些元素和同位素的標(biāo)準(zhǔn)樣品（稀土元素，鉛、硫同位素）。中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院地球化學(xué)系制作，2021年8月11日更新1.隕石類型

鐵隕石石隕石隕石主要是由鎳-鐵合金、結(jié)晶硅酸鹽或兩者的混合物所組成，按成份分為三類：

1）鐵隕石（siderite）主要由金屬Ni,Fe（占98%）和少量其他元素組成（Co,S,P,Cu,Cr,C等）。

2）石隕石（aerolite）主要由硅酸鹽礦物組成（橄欖石、輝石）。這類隕石可以分為兩類，即決定它們是否含有球粒硅酸鹽結(jié)構(gòu)，分為球粒隕石和無球粒隕石。

3）鐵石隕石（sidrolite）由數(shù)量上大體相等的Fe－Ni和硅酸鹽礦物組成，是上述兩類隕石的過渡類型。中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院地球化學(xué)系制作，2021年8月11日更新1.隕石類型

這些隕石大都是石質(zhì)的，但也有少部分是碳質(zhì)。碳質(zhì)球粒隕石有一個典型的特點：碳的有機化合分子和主要由含水硅酸鹽組成。它對探討生命起源的研究和探討太陽系元素豐度等各個方面具有特殊的意義。由于Allende碳質(zhì)球粒隕石的元素豐度幾乎與太陽中觀察到的非揮發(fā)性元素豐度完全一致，碳質(zhì)球粒隕石的化學(xué)成分已被用于估計太陽系中揮發(fā)性元素的豐度。中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院地球化學(xué)系制作，2021年8月11日更新圖1.1CⅠ型碳質(zhì)球粒隕石元素豐度與太陽元素豐度對比(據(jù)涂光熾，1998)中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院地球化學(xué)系制作，2021年8月11日更新1.隕石類型

隕石的主要礦物組成：Fe、Ni合金、橄欖石、輝石等。隕石中共發(fā)現(xiàn)140種礦物，其中39種在地球（地殼淺部）上未發(fā)現(xiàn)。如褐硫鈣石CaS，隕硫鐵FeS。這說明隕石是在缺水、氧的特殊物理化學(xué)環(huán)境中形成的。中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院地球化學(xué)系制作，2021年8月11日更新2.隕石的平均化學(xué)成分

要計算隕石的平均化學(xué)成分必須要解決兩個問題：首先要了解各種隕石的平均化學(xué)成分；其次要統(tǒng)計各類隕石的比例。各學(xué)者采用的方法不一致。（V.M.Goldschmidt

采用硅酸鹽：鎳-鐵：隕硫鐵=10：2：1）。隕石的平?jīng)Q化學(xué)成分計算結(jié)果如下：中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院地球化學(xué)系制作，2021年8月11日更新基本認(rèn)識：

從表中我們可以看到O、Fe、Si、Mg、S、Ni、Al、Ca是隕石的主要化學(xué)成分。

根據(jù)對世界上眾多各類隕石的研究，對隕石成分的看法還不甚一致，但以下一些基本認(rèn)識是趨于公認(rèn)的：①它們來自某種曾經(jīng)分異成一個富金屬核和一個硅酸鹽包裹層的行星體，這種天體的破裂就導(dǎo)致各類隕石的形成；②石隕石與地球上的基性、超基性火山巖礦物組成和化學(xué)成分相似，鐵隕石與地核的化學(xué)成分相似，隕石的母體在組成上、核結(jié)構(gòu)上與地球極為相似；③各種隕石分別形成于不同的行星母體，因為各類隕石具有不同的年齡及成分差異核氧同位素比值的不同；④隕石的年齡與地球的年齡相近（隕石利用鉛同位素求得的年齡是45.5±0.7億年）；⑤隕石等地外物體撞擊地球，將突然改變地表的生態(tài)環(huán)境誘發(fā)大量的生物滅絕，構(gòu)成了地球演化史中頻繁而影響深遠(yuǎn)的突變事件，為此對探討生態(tài)環(huán)境變化、古生物演化和地層劃分均具有重要意義。中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院地球化學(xué)系制作，2021年8月11日更新（三）太陽系元素豐度規(guī)律序號元素推薦值相對誤差

(±1sigma)序號元素推薦值相對誤差

(±1sigma)1H2.79E+10-47Ag0.4862.9%2He2.72E+09-48Cd1.616.5%3Li57.19.2%49In0.1846.4%4Be0.739.5%50Sn3.829.4%5B21.210.0%51Sb0.30918.0%6C1.01E+07-52Te4.8110.0%7N3.13E+06-53I0.921.0%有關(guān)太陽系元素的豐度估算各類學(xué)者選取太陽系的物體是不同的。有的主要是根據(jù)太陽和其它行星光譜資料及隕石物質(zhì)測定；有的根據(jù)I型球粒隕石，再加上估算方法不同，得出的結(jié)果也不盡相同，下表列出了GERM（1998）的太陽系元素豐度（單位：原子數(shù)/106Si原子）（部分）。中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院地球化學(xué)系制作，2021年8月11日更新由表可知：對于這樣的數(shù)據(jù)我們應(yīng)給有一個正確的的評價：首先這是一種估計值，是反映目前人類對太陽系的認(rèn)識水平，這個估計值不可能是正確的，隨著人們對太陽系以至于宇宙體系的探索的不斷深入，這個估計值會不斷的修正；它反映了元素在太陽系分布的總體規(guī)律，雖然還是很粗略的，但從總的方面來看，它反映了元素在太陽系分布的總體規(guī)律。如果我們把太陽系元素豐度的各種數(shù)值先取對數(shù)，隨后對應(yīng)其原子序數(shù)作出曲線圖（如下圖）時，我們會發(fā)現(xiàn)太陽系元素豐度具有以下規(guī)律：

中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院地球化學(xué)系制作，2021年8月11日更新1.太陽系元素豐度規(guī)律圖把太陽系元素豐度的數(shù)值取對數(shù)lgC作縱坐標(biāo)，原子序數(shù)（Z）作橫坐標(biāo)。中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院地球化學(xué)系制作，2021年8月11日更新基本規(guī)律：

1.H和He是豐度最高的兩種元素。這兩種元素的原子幾乎占了太陽中全部原子數(shù)目的98％。

2.原子序數(shù)較低的范圍內(nèi)，元素豐度隨原子序數(shù)增大呈指數(shù)遞減，而在原子序數(shù)較大的范圍內(nèi)（Z＞45）各元素豐度值很相近。

3.原子序數(shù)為偶數(shù)的元素其豐度大大高于相鄰原子序數(shù)為奇數(shù)的元素。具有偶數(shù)質(zhì)子數(shù)（A）或偶數(shù)中子數(shù)（N）的核素豐度總是高于具有奇數(shù)A或N的核素。這一規(guī)律稱為奧多-哈根斯法則，亦即奇偶規(guī)律。

4.質(zhì)量數(shù)為4的倍數(shù)（即α粒子質(zhì)量的倍數(shù)）的核素或同位素具有較高豐度。此外，還有人指出原子序數(shù)（Z）或中子數(shù)（N）為“幻數(shù)”（2、8、20、50、82和126等）的核素或同位素豐度最大。例如，4He（Z=2，N＝2）、16O（Z=8，N=8）、40Ca（Z=20，N=20）和140Ce(Z=58,N=82)等都具有較高的豐度。

5.Li、Be和B具有很低的豐度，屬于強虧損的元素，而O和Fe呈現(xiàn)明顯的峰，它們是過剩元素。中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院地球化學(xué)系制作，2021年8月11日更新深入分析：通過對上述規(guī)律的分析，人們認(rèn)識到在元素豐度與原子結(jié)構(gòu)及元素形成的整個過程有著一定的關(guān)系。

1.與元素的原子結(jié)構(gòu)有關(guān)。原子核由質(zhì)子和中子組成，其間既有核力又有庫侖斥力，但中子數(shù)和核子數(shù)比例適當(dāng)時，核最穩(wěn)定，而具有最穩(wěn)定原子核的元素一般分布最廣。在原子序數(shù)（Z）小于20的輕核中，中子（N）/質(zhì)子（P）＝1時，核最穩(wěn)定，為此可以說明4He（Z=2，N＝2）、16O（Z=8，N=8）、40Ca（Z=20，N=20）等元素豐度較大的原因。又如偶數(shù)元素與偶數(shù)同位素的原子核內(nèi)，核子傾向成對，它們的自旋力矩相等，而方向相反，量子力學(xué)證明，這種核的穩(wěn)定性大，而偶數(shù)元素核、偶數(shù)同位素在自然界的分布廣。

2.與元素形成的整個過程有關(guān)。H和He豐度占主導(dǎo)地位和Li、Be和B等元素的虧損時與元素的起源和形成的整個過程等方面來分析。例如，根據(jù)恒星合成元素的假說，在恒星高溫條件下（n×106），可以發(fā)生原子（H原子核）參加的熱核反應(yīng)，最初時刻H的“燃燒”產(chǎn)生He，另外在熱核反應(yīng)過程中Li、Be和B迅速轉(zhuǎn)變?yōu)镠e的同位素42He，為此在太陽系中Li、Be和B等元素豐度偏低的原因可能是恒星熱核反應(yīng)過程中被消耗掉了。

中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院地球化學(xué)系制作，2021年8月11日更新自學(xué)思考題：為什么太陽系中只有前10種元素起主導(dǎo)作用？為什么太陽系元素豐度隨元素序數(shù)增加而逐漸降低？Li、Be、B的豐度為什么會虧損？（參考書：隕石、地球、太陽系.[法]阿萊格爾，地質(zhì)出版社）中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院地球化學(xué)系制作，2021年8月11日更新三、地球的結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分(自學(xué)）自學(xué)思考題:1.地球的結(jié)構(gòu)核各圈層的組成；2.地球元素豐度研究方法；3.地球元素豐度及其規(guī)律；4.地球的形成和早期分異。中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院地球化學(xué)系制作，2021年8月11日更新四、地殼元素的豐度研究地殼元素豐度是地球化學(xué)的一項重要的基礎(chǔ)任務(wù)。地殼豐度是地球各層圈中研究最詳細(xì)和較正確的。

地殼元素豐度確定的方法地殼元素的豐度特征地殼元素豐度研究的意義地殼元素分布的不均一性中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院地球化學(xué)系制作，2021年8月11日更新（一）地殼元素豐度的研究方法

地殼（大陸）的化學(xué)組成是認(rèn)識地球總體成分分異演化和地球的力學(xué)過程的基本地球化學(xué)前提，再加之大陸地殼是人類生活和獲取資源的場所，為此大陸地殼化學(xué)組成的研究自地球化學(xué)學(xué)科誕生以來一直是研究的中心問題之一。下面是幾種研究地殼豐度的方法。

1.早期克拉克計算法

是由美國F.W.Clarke和H.S.Washington于1924年發(fā)表的地球化學(xué)資料中計算出來的。他們的思路是在地殼上部16公里范圍內(nèi)（最高的山脈和最深海洋深度接近16公里）分布著95%的巖漿巖，4%的頁巖，0.75%的砂巖，0.25%的灰?guī)r，而這5%沉積巖也是巖漿巖派生的，因此認(rèn)為巖漿巖的平均化學(xué)成分實際上可以代表地殼的平均化學(xué)成分。中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院地球化學(xué)系制作，2021年8月11日更新其作法如下：①在世界各大洲和大洋島嶼采集了5159個不同巖漿巖樣品和676件沉積巖樣品；②對53種元素進行了定量的化學(xué)分析；③其樣品的數(shù)量相當(dāng)于這些樣品在地球表面分布面積的比例;④計算時用算術(shù)平均求出整個地殼的平均值。他們的工作具有重大的意義：①開創(chuàng)性的工作，為地球化學(xué)發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)；②代表陸地區(qū)域巖石圈成分，其數(shù)據(jù)至今仍有參考價值。

中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院地球化學(xué)系制作，2021年8月11日更新2.簡化研究法（取巧研究法）

1）哥爾德斯密斯（Goldschmidt）采集了挪威南部冰川成因粘土（77個樣）用其成分代表巖石圈平均化學(xué)成分，其結(jié)果與克拉克的結(jié)果相似，但對微量元素的豐度做了大量補充和修訂，Na2O和CaO含量偏低（這與表生條件下，Na和Ca容易淋濾沉淀有關(guān)）。

2)維諾格拉多夫（1962）巖石比例法是以兩份酸性巖加一份基性巖來計算地殼平均化學(xué)成分。

3）泰勒和麥克倫南（Taylor和McLennan,1985）提出細(xì)粒碎屑沉積巖，特別是泥質(zhì)巖，可作為源巖出露區(qū)上地殼巖石的天然混合樣品，用太古宙后頁巖平均值扣除20%計算上部陸殼元素豐度。

綜合上述各種研究方法，根據(jù)目前對地殼的認(rèn)識，顯然具有以下的不足之處:首先采用的地殼的概念不統(tǒng)一，均未按照現(xiàn)代地殼結(jié)構(gòu)模型來考慮；其次沒有考慮巖石組成隨深度和構(gòu)造單元的變化。中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院地球化學(xué)系制作，2021年8月11日更新圖1.2出露地表的大陸地殼剖面的一般模式（據(jù)Percival等，1992）中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院地球化學(xué)系制作，2021年8月11日更新3.大陸地殼剖面法造山作用可使下地殼甚至上地幔的巖石大規(guī)模暴露到地表，出露地表的大陸地殼剖面（exposedcrustalcross-section）是研究大陸地殼元素豐度的良好樣品。這樣的剖面僅分布在少量地區(qū)，為了研究地殼深部（下地殼）的成分還可以采用火山巖中深部地殼包體（探針巖）和地球物理法（地震波）。盡管各家所采用的研究方法不同，但所得得地殼主要元素豐度的估計值還是相互接近的，這充分說明其估計值是比較精確的。中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院地球化學(xué)系制作，2021年8月11日更新（二）地殼元素的豐度特征

1.地殼中元素的相對平均含量是極不均一的，豐度最大的元素是O：47%，與豐度最小的元素Rn的6x10-16相差達1017倍。相差十分懸殊。前九種元素：O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg、Ti

前五種:82.58%

前九種:98.13%前十五種元素占99.61%，其余元素僅占0.39%。這表明：地殼中只有少數(shù)元素在數(shù)量上起決定作用，而大部分元素居從屬地位。中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院地球化學(xué)系制作，2021年8月11日更新（二）地殼元素的豐度特征

2.對比地殼、整個地球和太陽系元素豐度數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，它們在元素豐度的排序上有很大的不同：太陽系：H>He>O>Ne>N>C>Si>Mg>Fe>S

地球：Fe>O>Mg>Si>Ni>S>Ca>Al>Co>Na

地殼：O>Si>Al>Fe>Ca>Na>K>Mg>Ti>H

與太陽系或宇宙相比，地殼和地球都明顯地貧H,He,Ne,N等氣體元素；而地殼與整個地球相比，則明顯貧Fe和Mg，同時富集Al,K和Na。這種差異說明什么呢？中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院地球化學(xué)系制作，2021年8月11日更新分析結(jié)論：由宇宙化學(xué)體系形成地球的演化（核化學(xué)）過程中必然伴隨著氣態(tài)元素的逃逸。而地球原始的化學(xué)演化（電子化學(xué)）具體表現(xiàn)為較輕易熔的堿金屬鋁硅酸鹽在地球表層富集，而較重的難熔鎂、鐵硅酸鹽和金屬鐵則向深部集中。由此可見地殼元素的豐度取決于兩個方面的原因:元素原子核的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性；宇宙物質(zhì)形成地球的整個演化過程中物質(zhì)的分異?？傊?，現(xiàn)今地殼中元素豐度特征是由元素起源直到太陽系、地球、（地殼）的形成和存在至今這一段漫長時期內(nèi)元素演化歷史的最終結(jié)果。中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院地球化學(xué)系制作，2021年8月11日更新（二）地殼元素的豐度特征

3.地殼中元素豐度不是固定不變的，它是不斷變化的開放體系。①地球表層H、He等氣體元素逐漸脫離地球重力場；②每天降落到地球表層的地外物質(zhì)102~105噸；③地殼與地幔的物質(zhì)交換；④放射性元素衰變；⑤人為活動的干擾。中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院地球化學(xué)系制作，2021年8月11日更新

（三）元素地殼豐度研究的地球化學(xué)意義

元素地殼豐度(克拉克值)是地球化學(xué)中一個很重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。它確定了地殼中各種地球化學(xué)作用過程的總背景，它是衡量元素集中、分散及其程度的標(biāo)尺，本身也是影響元素地球化學(xué)行為的重要因素。

1.控制元素的地球化學(xué)行為

1）元素的克拉克值在某種程度上影響元素參加許多化學(xué)過程的濃度，從而支配元素的地球化學(xué)行為。例如，地殼元素豐度高的K、Na，在天然水中高濃度，在某些特殊環(huán)境中，發(fā)生過飽和作用而形成各種獨立礦物（鹽類礦床）；而地殼元素豐度低的Rb、

Cs，在天然水中極低濃度，達不到飽和濃度，為此不能形成各種獨立礦物而呈分散狀態(tài)。中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院地球化學(xué)系制作，2021年8月11日更新

2）限定自然界的礦物種類及種屬實驗室條件下，化合成數(shù)十萬種化合物。自然界中卻只有3000多種礦物。礦物種屬有限（硅酸鹽25.5%；氧化物、氫氧化物12.7%；其他氧酸23.4%；硫化物、硫酸鹽24.7%；鹵化物5.8%；自然元素4.3%；其它3.3%

）。如圖所示：中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院地球化學(xué)系制作，2021年8月11日更新中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院地球化學(xué)系制作，2021年8月11日更新問題：

為什么酸性巖漿巖的造巖礦物總是長石、石英、云母、角閃石為主？因為地殼中O,Si,Al,Fe,K,Na,Ca等元素豐度最高，濃度大，容易達到形成獨立礦物的條件。自然界濃度低的元素很難形成獨立礦物，如硒酸鋰(Li2SeO4)和硒酸銣(Rb2SeO4)；但也有例外，“Be”元素地殼豐度很低(1.7×10-6)，但是它可以形成獨立的礦物Be3Al2Si6O18(綠柱石)，其原因我們在下一章里面講述。中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院地球化學(xué)系制作，2021年8月11日更新自然界常見的礦物鈉長石黃水晶石英云母中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院地球化學(xué)系制作，2021年8月11日更新

3)限制了自然體系的狀態(tài)實驗室條件下可以對體系賦予不同物理化學(xué)狀態(tài)，而自然界體系的狀態(tài)受到限制，其中的一個重要的因素就是元素豐度的影響。例如，酸堿度pH值在自然界的變化范圍比在實驗室要窄很多，氧化還原電位也是如此。

4）對元素親氧性和親硫性的限定在實驗室條件下，化合物組成的劑量可以任意調(diào)配。在自然條件下，情況就不同了：在地殼O豐度高，S豐度低環(huán)境下，Ca元素顯然是親氧的；在地幔，隕石缺O(jiān)富S環(huán)境，能形成CaS(褐硫鈣石)。中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院地球化學(xué)系制作，2021年8月11日更新

2.可作為微量元素集中、分散的標(biāo)尺

1）可以為闡明地球化學(xué)省(場)特征提供標(biāo)準(zhǔn)。

例如在東秦嶺地區(qū)進行區(qū)域地球化學(xué)研究表明：東秦嶺是一個富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。資源：Mo地殼豐度1×10-6，東秦嶺Mo區(qū)域豐度2.3×10-6Mo的地球化學(xué)省。環(huán)境：克山病病區(qū)中土壤有效Mo、飲水Mo含量、主食中Mo含量普遍低于地殼背景，導(dǎo)致人體Mo低水平。中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院地球化學(xué)系制作，2021年8月11日更新某些元素克拉克比值是相對穩(wěn)定的，當(dāng)發(fā)現(xiàn)這些元素比值發(fā)生了變化，示蹤著某種地球化學(xué)過程的發(fā)生。例如稀土元素比值Th/U（3.3-3.5）、K/Rb、Zr/Hf、Nb/Ta在地殼環(huán)境下，性質(zhì)相似，難以彼此分離，有相對穩(wěn)定的比值。一旦某地區(qū)、某地質(zhì)體中的某元素組比值偏離了地殼正常比值，示蹤著某種過程的發(fā)生。Th/U<2則可認(rèn)為本區(qū)存在鈾礦化，Th/U>8-10則可認(rèn)為本區(qū)發(fā)生了釷礦化。

2)指示特征的地球化學(xué)過程中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院地球化學(xué)系制作，2021年8月11日更新

實例：東秦嶺鉬礦帶各期巖漿巖中鉬元素豐度變化

前加里東期基性火山巖（變質(zhì)為斜長角閃巖）安山巖、安山玢巖

加里東期輝綠巖、輝長輝綠巖燕山期

花崗閃長巖、花崗斑巖、石英斑巖2.5ppm-5ppm早基性Mo少4-7ppm十幾－幾十ppm晚酸性Mo多

中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院地球化學(xué)系制作，2021年8月11日更新

3)濃度克拉克值和濃集系數(shù)濃度克拉克值

=某元素在某一地質(zhì)體中平均含量/某元素的克拉克值

＞1意味該元素在地質(zhì)體中集中了

＜1意味該元素在地質(zhì)體中分散了

區(qū)域濃度克拉克值=某元素在區(qū)域內(nèi)某一地質(zhì)體中平均含量/某區(qū)域元素的豐度值

濃集系數(shù)

=某元素最低可采品位/某元素的克拉克值,反映了元素在地殼中傾向于集中的能力。Sb和Hg濃集系數(shù)分別為25000和14000，F(xiàn)e的濃集系數(shù)為6，這說明Fe成礦時只要克拉克值富集6倍即可。中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院地球化學(xué)系制作，2021年8月11日更新

4)地殼豐度對地殼能源的限制

地殼的能源有兩個主要來源，一個是太陽能，另外一個是放射性元素的衰變能。放射性衰變能是由放射性元素（K、U、Th）的類型和數(shù)量所決定的。例如，地球經(jīng)過45億年的演化，已衰變95％，已衰變掉50%左右，而僅消耗了其總量的20％，周而復(fù)始，為地球提供能量。中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院地球化學(xué)系制作，2021年8月11日更新(四)地殼元素分布的不均一性整個地球元素分布是不均勻的，地殼也是一樣，地殼元素的分布不論在空間上及時間上都是不均一的。這與地殼，乃至于地幔物質(zhì)分異的整體過程聯(lián)系起來?？臻g上分布的不均一性時間上地殼元素分布的不均一性中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院地球化學(xué)系制作，2021年8月11日更新1.空間上分布的不均一性垂向深度（陸殼）：上下地殼元素豐度的不均勻性：上地殼：0-8~12km

偏酸性火成巖、沉積巖；下地殼：

8~12km-莫霍面麻粒巖、玄武巖。

Ri=上地殼元素豐度/下地殼元素豐度：

Ri約等于1:Ca,Si,Zr,Nd,Pb等；

Ri<1:Mg,Cu,V,Fe,Ni,Cr,Ag,Co,Sr等；

Ri>1:Cl,C,Cs,K,Rb,U,Th,Bi,Tl,Nb等。反映了地殼物質(zhì)在分異調(diào)整過程中的宏觀趨勢。

中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院地球化學(xué)系制作，2021年8月11日更新1.空間上分布的不均一性橫向分布：大陸地殼和海洋地殼的不均一性洋殼：占地球表面60%

以上，厚5-16km，它們的化學(xué)成分與地幔物質(zhì)相似，以鎂、鐵硅酸鹽為主，主要分布著Cr,Fe,Ni,Pt等親鐵元素。陸殼：占地球表面30%，厚30-50km，它們的化學(xué)成分由鋁、鉀硅酸鹽組成，主要分布著親氧及親硫元素W，Sn，Mo,Cu,Pb,Zn,Ag等。陸殼內(nèi)：板塊間、區(qū)域間、地質(zhì)體間、巖石間、礦物間元素分布不均一性。中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院地球化學(xué)系制作，2021年8月11日更新2.時間上地殼元素分布的不均一性隨著地質(zhì)歷史的發(fā)展，元素的活動與分布有著明顯的規(guī)律性。

地史早期：一些穩(wěn)定元素在地史早期富集。

Au元素：主要產(chǎn)在前寒武紀(jì)；

Fe元素:主要產(chǎn)在前寒武紀(jì)元古代（前寒武紀(jì)變質(zhì)鐵礦占世界鐵礦儲量60%）。

地史晚期：一些活潑的不穩(wěn)定元素向著地史晚期富集。

Sn,Nb,Ta和W等元素：鎢成礦作用高峰期在中生代（燕山期）。中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院地球化學(xué)系制作，2021年8月11日更新2.時間上地殼元素分布的不均一性世界部分大陸（北美、南非、印度）不同地史時期成礦元素變化規(guī)律:

前寒武紀(jì)：

Pt,Fe,Ni,Co,Au,U(占這些元素儲量50%以上);

古生代:U,Pb,Co,Ni,Pt,其次為W,Sn,Mo,Pb,Zn,Hg等;

中生代:W,Sn,Ag,Sb等;

新生代:Hg,Mo,Cu,Pb,Zn等。以上是從地質(zhì)歷史大的時間跨度上來說是這樣，就是從某一時期限內(nèi)元素在時間上的分布也是不均勻的。中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院地球化學(xué)系制作，2021年8月11日更新實例：

我國南方各地稀有元素的富集都有與中生代燕山期花崗巖有關(guān)，但各稀有元素之間在成礦時間上也大致有一時間先后順序：

這與花崗巖的巖漿演化歷史有著密切的關(guān)系。

從以上資料可以看出，不僅應(yīng)了解元素的集中趨勢，而且研究元素的時空不均一性顯得更為重要。研究元素在區(qū)域上空間分布及時間是演化趨勢對于為國民經(jīng)濟服務(wù)（資源、環(huán)境）有著十分重要的意義。中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院地球化學(xué)系制作，2021年8月11日更新五、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)，但是我們一般都是在某個具體的區(qū)域內(nèi)工作，因此更關(guān)心的是具體工作區(qū)域內(nèi)元素的分布規(guī)律。當(dāng)我們想研究某地質(zhì)體中元素是相對富集還是相對貧化了，拿什么做標(biāo)準(zhǔn)呢？只有與具體區(qū)域內(nèi)元素的區(qū)域豐度來進行比較會更有實際意義，而與地殼豐度對照，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)研究的一項基礎(chǔ)工作。中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院地球化學(xué)系制作，2021年8月11日更新（一）區(qū)域元素研究的意義

1.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)；

2.為研究各類地質(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)律提供重要的基礎(chǔ)資料；

3.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。

中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院地球化學(xué)系制作，2021年8月11日更新（二）區(qū)域元素分布研究的思路

1.區(qū)域范圍的確定——靶區(qū)的選擇

根據(jù)工作任務(wù)和區(qū)域特征來選擇工作范圍。

區(qū)域找礦：應(yīng)該盡量與構(gòu)著黨員中成礦帶結(jié)合起來，因為一定的構(gòu)造環(huán)境中的成礦帶往往與一定的地球化學(xué)過程相聯(lián)系，某個特定的地球化學(xué)必然具有某些特色元素的分布。例如長江中下游Cu、Fe成礦帶。

原生環(huán)境：某流域水系沉積物中元素的高值區(qū)與該流域源區(qū)原巖沉積物組成及元素本身的地球化學(xué)性質(zhì)等因素有關(guān)。例如沿長江流域沖積成因土壤鎘元素高值帶。如下圖所示。中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院地球化學(xué)系制作，2021年8月11日更新沿長江流域沖積成因土壤鎘元素高值帶圖中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院地球化學(xué)系制作，2021年8月11日更新2.研究元素空間上分布規(guī)律

如沿江鎘的地球化學(xué)圖（上圖），就是沒平方公里采集一個土壤樣品(在采樣點附近用梅花狀5點采樣組合成一個樣），再通過計一項算機成圖展示出鎘元素空間分布趨勢（右圖）。

在區(qū)域內(nèi)采集不同時代和不同巖石（土壤）類型的樣品，對所獲的樣品進行測試分析，然后按照各類巖石在區(qū)域累所占的比例，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）就需要樣品在空間上有一定密度的展布。中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院地球化學(xué)系制作，2021年8月11日更新3.研究元素在時間上的分布規(guī)律

我們以沿江鎘的分布為例?，F(xiàn)代沿江沖積物鎘含量較高，那么歷史上的又如何呢？

從表中我們可以看到，近70-80年以來長江沖積物中鎘的含量比早期沉積物高2-3倍。中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院地球化學(xué)系制作，2021年8月11日更新4.研究元素的分布特征的原因

一個地區(qū)元素的分布現(xiàn)狀是整個地質(zhì)歷史過程中元素活動的展示狀況，是各種地質(zhì)、地球化學(xué)作用的綜合結(jié)果，而每一個主要的地質(zhì)地球化學(xué)過程，元素的活動必然有其特定的組合和強度。因此，在元素時空分布的資料中，蘊含著豐富的地球化學(xué)信息。

例如：沿長江（漢江）沖積成因土壤中鎘是從哪里來的？為什么樣會形成高值帶？中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院地球化學(xué)系制作，2021年8月11日更新土壤類別

Al2O3

Fe2O3MgOCaOMgO+CaOMgO/CaO

Na2O

K2ONa2O/K2O

Cd

長江(26)

14.3

6.36

2.523.67

6.19

0.69

1.06

2.65

0.40

0.33

漢江(27)

17.9

8.52

2.210.99

3.21

2.22

0.80

2.92

0.27

0.27

土壤類別

Zn

PbZn/Pb

As