化學(xué)元素風(fēng)度分布

第一章化學(xué)元素的豐度與分布張展適Zhszhang@

元素豐度的概念和表示方法

太陽系的化學(xué)組成地球的結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成地殼的元素豐度元素在巖石和礦物中的分配主要內(nèi)容元素豐度的概念和表示方法豐度和豐度體系元素豐度的三種表示方法元素豐度的應(yīng)用豐度是指各種化學(xué)元素在一定自然體系中的相對平均含量。元素在較大自然體系中的平均含量即稱為豐度。當(dāng)研究對象等在自然體系中僅占據(jù)一個較小的空間位置時，習(xí)慣上稱為元素的平均含量，如巖石中元素的平均含量豐度的實質(zhì)豐度的實質(zhì)：一種化學(xué)元素在某個自然體系中的重量占這個自然體的全部化學(xué)元素總重量〔即自然體系的總重量〕的相對份額〔如百分數(shù)〕稱為該元素在自然體中的豐度。無論地球化學(xué)的研究領(lǐng)域和對象如何發(fā)生反響和化學(xué)演化始終是地球化學(xué)的根本任務(wù)，其中化學(xué)組成又是首當(dāng)其沖豐度體系不同層次的元素豐度構(gòu)成豐度體系，目前建立的豐度體系類木行星太陽系豐度類地行星宇宙豐度地核豐度地幔豐度上地幔豐度地球豐度下地幔豐度地殼豐度地殼豐度系列地盾區(qū)地殼豐度褶皺區(qū)地殼豐度地殼豐度海洋地殼豐度淺海地殼豐度深海地殼豐度陸地地殼豐度中國陸地地殼豐度中國地臺區(qū)地殼豐度中國褶皺區(qū)地殼豐度關(guān)于幾個名詞的說明克拉克值:指地殼中元素重量百分數(shù)的豐度值

區(qū)域克拉克值:是指地殼以下不同構(gòu)造單元中元素的豐度值;如地盾區(qū)地殼元素豐度值豐度系數(shù):是指某一自然體的元素豐度與另一可作為背景的自然體的元素豐度的比值，因為豐度體系是多層次的，所以豐度系數(shù)也是多層次的豐度系數(shù)的計算如以地球豐度為背景。那么地殼中該元素的豐度系數(shù)定義為：K1=地殼豐度/地球豐度例K1Fe=5.8%÷32.0%=0.18以地殼豐度為背景，全球陸地地殼豐度定義為K2=全球陸地地殼豐度/地殼豐度K2Fe=4.8%÷5.8%=0.83豐度系數(shù)可用來指示元素的充裕及變化程度豐度背景與地球化學(xué)背景地球化學(xué)中常講的地球化學(xué)背景是：首先確定背景區(qū)：即地殼中有的地方受到了成礦作用的影響，而有的地方那么沒有，我們將未受礦作用影響的地區(qū)叫背景區(qū)。在背景區(qū)內(nèi)各種天然物質(zhì)中〔巖石、土壤、水系沉積物、地表水、地下水、植物和空氣〕各種地球化學(xué)元素和同位素的含量及其比值的數(shù)值，稱為地球化學(xué)背景值。用作背景的地殼元素豐度與化探中背景是兩個不同的概念。豐度的三種表示法

元素豐度常以三種單位來表示，即重量單位，原子單位和相對單位，由于采用了不同的單位，元素豐度有以下三種名稱重量豐度原子豐度(AtomicAbundance)相對豐度(RelativeAbundance)重量豐度

以重量單位表示的元素豐度，常用的級序有三種：重量百分數(shù)wt%：常用來表示常量元素g/T或ppm：以百萬分之一或10-6的重量為單位，常用來表示微量元素mg/T或ppb：十億分之一或10-9，常用來表示超微量元素在同一張元素豐度表中，由于多種元素豐度屬于微量元素范圍，所以常統(tǒng)一用g/T或ppm來表示原子豐度

(AtomicAbundance)

以原子百分數(shù)來表示。某元素的原子百分數(shù)是該元素的原子數(shù)，在全部元素的原子數(shù)總和中所占的百分數(shù)

相對豐度

(RelativeAbundance)

常以原子數(shù)÷106Si原子為單位，常用于宇宙元素豐度，所以又稱宇宙豐度單位(CosmicAbundanceUnit),簡稱C.A.U。

這種單位是取Si的原子數(shù)等于一百萬個(106)原子，并以此為基數(shù)，求出其它元素的相對原子數(shù)。

Si元素作為比照標準的理由Si元素在自然界中分布相當(dāng)廣泛，便于比照各種自然體系的豐度值Si是形成不揮發(fā)的穩(wěn)定化合物的元素Si在化學(xué)分析和光譜分析中，都是較易精確測定的元素。取Si原子=106是由于大局部元素的相對原子數(shù)介于106～10-4之間，因此最常用至于球粒隕石標準化豐度，這種豐度表示方法，我們將在微量元素地球化學(xué)中詳細討論元素豐度的計算

在上述三種不同的元素豐度中。重量豐度是最根本的數(shù)據(jù)，原子豐度和相對豐度均可依據(jù)重量豐度獲得重量豐度的原始資料來自三方面：化學(xué)全分析。通常以氧化物的重量百分數(shù)來表示元素的光譜定量分析利用元素比照值〔如Rb/K〕或用回歸方程，根據(jù)元素的含量，求出未知元素的含量通常我們只需要進行將氧化物的重量百分數(shù)換算成元素的重量百分數(shù)豐度的定義式：即豐度與分布量的關(guān)系設(shè)任一元素(i)在某一自然體系(j)中的重量為Qij，該自然體的總重量為Mj，那么元素i在體系j中的豐度值A(chǔ)ij定義為：Aij=Qij/MjAij就是元素i在自然體系j中的相對平均含量，如Al在地殼中的豐度，就是Al在地殼中的相對平均含量，而Al在地殼中的重量，那么是Al在地殼中的絕對含量，這種絕對含量，稱之為分布量。按上式，任一元素(i)在某一自然體系(j)中的分布量Dij定義為：Dij=Qij=Mj×Aij如Al在地殼中的分布量。等于地殼總質(zhì)量和Al的地殼豐度值的乘積

重量豐度的計算

設(shè)重量豐度W以重量百分數(shù)表示，氧化物重量百分數(shù)為W’那么W=(a×i/m)×W’式中：m為氧化物的分子量，a為欲求元素的原子量，i是氧化物中欲求元素的原子個數(shù)

例1巖石化學(xué)全分析中測得SiO2的重量百分數(shù)為70.40%，求Si的重量百分數(shù)Wsi=(a×i/m)×W`=(28.086×1/60.09)×70.40%=32.91%重量豐度換算為原子豐度

設(shè)Ni為任一元素的相對原子數(shù)ai為該元素的原子量那么Ni=Wi/ai任一元素的原子百分數(shù)(Ai)那么為Ai=(Ni/∑N)×100=(Wi/ai)/(∑W/a)×100=(W`.i/mi)/∑(W.I/m)×100∑N是參與計算的全部元素的原子數(shù)總和換算的步驟，按下表原子豐度換算表原子序數(shù)元素重量豐度(ppm)W原子量A相對原子數(shù)N相對豐度(%)A1H1.4×1031.0081.389×1033.00………………13Al80.7×10326.0812.999×1036.4114Si329.1×10328.08311.72×10325.1192U2238.0298.4×1031.8×10-5

∑N=46.67×103100.00重量豐度換算為相對豐度

將任一元素的重量豐度Wi換算為相對豐度Ri可采用以下公式Ri={(Wi/ai)÷(Wsi/28.09)}×106例:Al的重量百分數(shù)為8.07%,Al的原子量為26.98,Si的重量百分數(shù)為32.91%,求Al的相對豐度RAl={(8.07%/26.98)÷(32.91%/28.09)}×106=255303即當(dāng)Si=106個原子時，Al有255303個原子元素豐度的概念和表示方法

太陽系的化學(xué)組成

地球的結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成地殼的元素豐度元素在巖石和礦物中的分配主要內(nèi)容太陽系的化學(xué)組成

太陽系概述

宇宙豐度特點隕石化學(xué)

月球化學(xué)太陽系的性質(zhì)太陽系概述

太陽系的組成

太陽系中，太陽質(zhì)量占99.86%，但角動量僅占2%，為恒星八大行星共性：共面性，近圓性和同向公轉(zhuǎn)性

行星自旋周期不同八大行星密度分布特點

八大行星衛(wèi)星數(shù)

太陽系已以現(xiàn)1600個彗星，其運行軌道和傾角各不相同

太陽系各行星化學(xué)組成特點

太陽系的組成太陽系由太陽，行星，星際物質(zhì)〔塵埃，隕石，彗星，小行星〕和衛(wèi)星組成。類地行星：水，金，地，火巨行星：木星，土星遠日行星：天王星，海王星，冥王星行星自旋周期不同

八大行星衛(wèi)星數(shù)

彗星什么是彗星彗星的類型彗星的結(jié)構(gòu)彗星化學(xué)成分彗星的起源彗星的研究意義彗星：是太陽系中以扁長軌道繞太陽運行的一種質(zhì)量較小的云霧狀天體。彗頭彗核：集中大局部質(zhì)量.〔原子核〕彗星彗發(fā)彗尾太陽系內(nèi)有約1012 ~1014個彗星彗星彗星化學(xué)彗星的類型短周期：10~200年，多數(shù)遠日點靠近木星長周期：>200年，遠日點達50000AU彗星結(jié)構(gòu)彗核：直徑0.3-4km,一般1-2km,密度：2g/cm3,成分：冰物質(zhì)+土物質(zhì)?；郯l(fā)：直徑104-105km，化合物基團〔OH2、C2、C3、CH、CN〕;原子成分〔C、H、O、S、He〕；分子成分〔HCN、H2O等〕；離子成分〔CO+、CH+、CO2+等〕。彗尾：長達108km,等離子彗尾的成分為CO+,CO2+,H2O+,OH+,CH+,CN+,N2+,C+,Ca+；塵埃彗尾為H、C、N、Fe、Si、Mg、Ca、Ni。彗星的構(gòu)造和名稱彗星彗星起源仍不明確，一種觀點是形成于海王星-冥王星區(qū)域，由于攝動而改變軌道。意義：西伯利亞的通古斯爆炸〔1908.6.30〕帶入揮發(fā)元素它們的瓦解即是我們常見的流星，它們常成群出現(xiàn)隕落形成的隕石是我們研究天體的依據(jù)哈雷彗星76年出現(xiàn)一次，1985年11月18日經(jīng)過地球。

太陽系各行星化學(xué)組成特點

取決于兩方面因素：1〕距日遠近2〕目前所處溫度難熔元素：富集于類地行星中，特別是Zr,Hf,TR,Si,Mg,Ta,Ca,Al,Th,U親鐵元素：距日遠而下降:Fe,W,Ni,Os,Ir,Pt,Ru,Rh,Rd,Cr親硫元素：隨距日遠而上升:S,As,Se,Te,Cu,Pb,Zn,Ge,In,Tl九大行星中，氧的含量對星云物質(zhì)的凝聚成巖有很大的影響太陽系元素的起源

“恒星合成元素〞假說宇宙核合成,形成H和He鐵組前元素合成,又分四個階段①H燃燒階段②He燃燒階段③C和O燃燒階段④平衡階段e鐵組后元素的合成分為①慢中子俘獲過程，s②快中子俘獲過程,r③快質(zhì)子俘獲過程,pLi,Be,B的組成確定太陽系宇宙元素豐度的途徑

H、He及其它揮發(fā)性元素的豐度數(shù)據(jù)主要依據(jù)太陽光譜的測定結(jié)果。非揮發(fā)性元素常以I型碳質(zhì)球粒隕石的元素豐度來代表；近年來隕石的開展，高質(zhì)量隕石成分資料不斷增多，此進展揭示出I型碳質(zhì)球粒隕石可能代表其它類型隕石由之分餾形成的原始物質(zhì)成分。利用宇宙飛行星對鄰近地球的星體進行就近觀察和測定，或取樣分析。宇宙中元素豐度分布圖太陽系元素豐度規(guī)律

元素豐度在原子序數(shù)較低的范圍內(nèi)，隨原子數(shù)增大呈指數(shù)迅速遞減，而后在重元素范圍內(nèi)〔Z>45〕幾乎保持固定不變，即豐度曲線近于水平偶數(shù)規(guī)律也稱奧多--哈根斯法那么：原子序數(shù)為偶數(shù)的元素其豐度大大高于原子序數(shù)為奇數(shù)的相鄰元素，同時具有偶數(shù)質(zhì)量數(shù)或偶數(shù)中子數(shù)的同位素或核類的豐度也總是高于奇數(shù)A或N的同位素或核類太陽系元素豐度規(guī)律

H和He是豐度最高的兩種元素。Li、Be、B的豐度與鄰近元素He相比豐度特別低。O和Fe呈明顯的峰出現(xiàn)在元素豐度曲線上〔A=56、80、90、130、138、196、208處出現(xiàn)峰值〕太陽系元素豐度規(guī)律

4倍規(guī)那么：質(zhì)量數(shù)為4的倍數(shù)的核素或同位素具有較高豐度。約數(shù)規(guī)那么：原子序數(shù)或中子數(shù)為約數(shù)即2、8、20、50、82、126等的核類或同位素分布最廣，豐度最大。隕石化學(xué)

隕石的概念及研究意義

隕石的分類

隕石的同位素研究

隕石研究實例：吉林隕石

隕石的概念及研究意義隕石是降落在地球上的行星物質(zhì)的碎塊，可能來源于彗星，更可能來自于火星和木星之間的小行星帶，每年降落于地球的隕石約500個。但見其隕落又可能找到的僅5~6個到目前為止隕石的化學(xué)成分資料仍然是估計太陽系元素豐度及推斷地球和地球內(nèi)部化學(xué)成分的最有價值的依據(jù)

隕石的分類

分類依據(jù)：1〕所含金屬與硅酸鹽之比值2〕結(jié)構(gòu)3〕化學(xué)成分分類鐵隕石石鐵隕石石隕石球粒隕石非球粒隕石隕石的分類隕落和發(fā)現(xiàn)的隕石數(shù)目和頻率球粒隕石球粒隕石：具球粒，球粒一般由橄欖石和斜方輝石組成，而球粒間的基質(zhì)常為鎳鐵，隕S鐵，斜長石，橄欖石，輝石等。C群：碳質(zhì)球粒隕石的特征是含有炭的有機化合物分子，并且主要由含水硅酸鹽組成C石群隕少見，但在探討太陽系元素豐度方面卻具有特殊的意義，如1969年隕落于墨西哥北部的隕石，為III型C群，其化成〔元素豐度〕幾乎同太陽中觀察到的非揮性元素的豐度完全一致。E為頑輝石球粒隕石，H，L和LL分別代表高鐵、低鐵和極低鐵普通球粒隕石，C為碳質(zhì)球粒隕石球粒隕石各化學(xué)群的特征參數(shù)隕石的分類關(guān)于球粒的形成

北京大學(xué)：魏菊英P39A：星云物質(zhì)凝聚成液滴后冷凝形成球粒B：由星云凝聚形成的各種固態(tài)物質(zhì)，高速碰撞而重熔再由重熔的液滴冷凝形成球粒C：在太陽星云凝聚的晚期，由于星云的放電和太陽高亮度的照射，強擊波的沖擊，加熱，使星云中的固體凝聚物重熔而形成液滴。武地：P16：在明顯熱的非平衡條件下，從熱的，低密度和局部電離的氣體中直接凝聚出固態(tài)物質(zhì)。也即球粒隕石可能代表著行星由凝集形成微星物質(zhì)的碎塊，而其它類型的隕石似乎可能為球粒隕石成分的物質(zhì)經(jīng)局部或完全熔融和分異開展形成隕石的同位素研究根據(jù)隕石中輝石的氧同位素組成，等(1965)將石隕石分成了3組:1).玄武質(zhì)無球粒隕石，紫蘇無球粒隕石和中鐵隕石。其中輝石的δ18O值為3.7~4.4‰.2).紫蘇橄欖球粒隕石，古銅橄欖球粒隕石，頑火球粒隕石，頑火無球粒隕石和透輝橄欖無球粒隕石，其中輝石的δ18O值為5.3~6.3‰.3).類C石和橄-輝無球粒隕石，其中橄欖石和輝石的氧同位素組成變化非常明顯，這說明，它們與普通球粒隕石相比還沒的到達同位素平衡。隕石的同位素研究據(jù)此，等認為:這3組隕石中的每一組內(nèi)的隕石在成因上有聯(lián)系，而在這3組之間,成因上聯(lián)系不密切或沒有聯(lián)系，這些隕石很可能起源于太陽系中不同的局部：球粒隕石起源于小行星帶；玄武質(zhì)無球粒隕石和紫蘇無球粒隕石起源于月球外表；炭質(zhì)球粒隕石是彗星碎片。隕石的同位素研究另外R.N.clayton等1976年進一步采用δ18O--δ17O圖研究碳質(zhì)球粒隕石的氧同位素組成：得到以下結(jié)論1〕多種來源的地球巖石樣品，月巖樣品以及頑火球粒隕石都落在一條斜率為0.52左右的直線〔稱地球線〕上，這說明它們具有成因聯(lián)系。隕石的同位素研究2〕II類和III類碳質(zhì)球粒隕石中無水高溫礦物的數(shù)據(jù)點落在與地球線完全不同的另一條直線上，其斜率接近于1，這不僅說明它們與地球樣品有不同的成因，而且說明它們本身的氧同位素組成是不一致的，這就證實太陽星云的氧同位素組成也不是完全均一的。R.N.clayton等〔1976〕認為，位于C2—C3線上的樣品是二元混合的產(chǎn)物；一個端元組分是正常的氧同位素組成與地球樣品的氧同位素組成相似；另一個端元組分為接近于純16O的氧，后一端元組分在太陽星云凝固以前就已存在，它包含在與地球形成過程關(guān)系不大的星際顆粒中，在不同樣品中，這兩個端元組分混合的比例是不同的隕石的同位素研究3〕在C2隕石中，含水硅酸鹽基質(zhì)的氧同位素組成沿著一條與地球線平行的分餾線分布，但往16O變富的方向移動了4墸?這說明含水硅酸鹽基質(zhì)與地球樣品的關(guān)系不密切，但這些基質(zhì)間彼此有成因聯(lián)系，因此能單獨構(gòu)成一類。隕石母體的演化太陽系元素的形成初始太陽星云的形成。這兩個階段的過程，隕石同月球和地球是一致的隕石球粒的形成隕石母體——小行星及類地行星的形成小行星體的局部或全部熔融熔融物質(zhì)的冷卻結(jié)晶并產(chǎn)生分異，行星殼層構(gòu)造的發(fā)育與增長隕石母體的破裂。由于小行星體的碰撞，使隕石母體破裂，產(chǎn)生的碎片即成為隕石體。宇宙線長期照射隕石體形成大量宇宙成因核，可計算隕石體在宇宙空間的暴露年齡，也就是隕石母體破碎的年齡隕石降落到地面隕石的成因

1)隕石是發(fā)生在太陽系中；2)它們與小行星有許多共同之處；3)它們不是作為單獨的個體發(fā)生，而是一個較大的分裂物體的碎片；4)石隕石與地球上基性及超基性火成巖的化學(xué)組成和礦物組成的連續(xù)性證明，隕石的母體在組成上和構(gòu)造上與地球極為相似；5)隕石的年齡與地球的年齡差不多，它們與地球經(jīng)歷了相似的形成與演化過程。吉林隕石

1976年3月8日，吉林市郊區(qū)隕落了一場世上罕見的隕石雨，收到樣重2700公斤，為高鐵群普通球粒隕石。《地球化學(xué)》1978.1.吉林隕石雨研究專號。經(jīng)過歷年來多學(xué)科研究，利用多種當(dāng)代先進技術(shù)對吉林隕石從形成到隕落的歷史作了全面剖析，提出了世界上最為完整細致的隕石形成演化模式，最近還完成了宇宙照射歷史研究，在世界上首次提出了隕石多階段演化模式，并第一次成功地恢復(fù)了隕石母體的初始形態(tài)。吉林隕石的化學(xué)成分吉林隕石化學(xué)成分的研究意義對三個地點搜集的隕石樣品(1，2，5)號進行化學(xué)全分析的結(jié)果說明不同地點隕落的隕石化學(xué)成分是非常接近的，屬于普通球粒隕石中的高鐵(H)類型，與我國同類型的新沂球粒隕石、安龍球粒隕石等以及國外的同類型球粒隕石相比，化學(xué)成分亦甚為相似。這說明同類型的球粒隕石雖然在隕落時間和地點上有所差異，或同一球粒隕石中部位雖然不同，但其化學(xué)成分都具有共同性和同一性，這說明隕石雨的原始成分的均一性。某些鎳鐵含量的波動顯然與大顆粒鎳鐵分布不均勻有關(guān)。根據(jù)對吉林球粒隕石的同位素年齡測定結(jié)果，得出鉛同位素年齡為45.5億a，鉀—氬法測定為42.7億a，與地球的年齡根本一致。這就再次證明，落人地球上的隕石和地球均處于太陽系的統(tǒng)一體中，有著共同的發(fā)生過程。月球化學(xué)

月球概況根本參數(shù)特點概況月巖和月球的化學(xué)組成月巖的概念及類型月球的化學(xué)組成月巖的研究意義月球概況：根本參數(shù)月球距地球的平均距離為284，402公里半徑為1738公里，體積為22×109立方公里質(zhì)量為7.353×109克，密度為3.34g/cm3月球概況：特點1〕無大氣圈或大氣圈非常薄，缺少水蒸氣，并具復(fù)原性質(zhì)，因此月球上巖石保持新鮮狀態(tài)。2〕據(jù)月面上的地震探測資料，月球內(nèi)局部層，但物質(zhì)分異微弱。月殼，60公里月球內(nèi)部是分層的月幔，980公里月核，700公里但月球外表巖石密度為3.1~3.2g/cm3,而其平均密度為3.34g/cm3，因此可知月球物質(zhì)分異相當(dāng)微弱。月球概況1〕月殼的地形分為月海和高地兩局部。月海：地勢低洼，無水高地：為山地地勢2〕月面大局部被一層疏松巖石，礦物顆粒和玻璃碎塊以及少量隕石碎屑所覆蓋，月巖破碎的原因，可能與隕石的沖擊作用，月面日夜溫差大〔150℃〕，巖石導(dǎo)熱性差有關(guān)。月球上的撞擊坑登月行動美.阿波羅，蘇.宇宙自動站，共取回380公斤月球外表物質(zhì)樣品〔包括結(jié)晶巖石，未膠結(jié)的微粒物質(zhì)，角礫巖和顯微角礫巖〕美國：宇宙登月倉Apollo—11,12,14,15,16,17前蘇：宇宙自動站Luna—16,20,24月巖和月球的化學(xué)組成

月巖的概念及類型月海玄武巖高地斜長巖高地玄武巖月球的化學(xué)組成月巖的概念及類型月巖是月殼上結(jié)晶的巖石，主要有三種類型1〕月海玄武巖：富鐵玄武巖，主要分布在月球外表相對低洼的廣闊的月海地區(qū)，主要由鈣質(zhì)斜長石，單斜輝石和鈦鐵礦等組成，常含有橄欖石，在化學(xué)成分上和地球上的大洋拉斑玄武巖相似，但TiO2和Fe含量較高月巖的概念及類型2〕高地斜長巖：組成月球高地的主要巖石，在化學(xué)成分上以富Al為特征，其TiO2和FeO含量偏低，主要巖石類型是斜長巖，橄長巖，蘇長巖和富斜長石的輝長巖3〕高地玄武巖：由鈣質(zhì)斜長石，單斜輝石和鈦鐵礦三種礦物組成，同月海玄武巖相比，鐵鎂礦物和不透明礦物含量偏低，斜長石含量偏高，富Al在高地玄武巖中，有一種富K，REE和P的巖石，稱為克里普〔KREEP〕巖，這種巖石地球上未曾發(fā)現(xiàn)，是巖漿分異或剩余熔漿結(jié)晶形成的富揮發(fā)份的巖石月巖－常量元素含量月巖－微量元素含量月球的化學(xué)組成月球的化學(xué)組成

月球化學(xué)組成特點

與地球和隕石的相應(yīng)資料相比照，月球月巖中堿金屬和許多揮發(fā)份元素較貧：Bi,Hg,Zn,Cd,Tl,Pb,Ge,Cl,Br富含耐熔元素及REE元素：Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Sc,Zr,Nb,Mo,Y這種成分特征反映了月巖形成于高溫條件之下，并且說明月球同地球在化學(xué)成分上不屬于同一類。這一事實動搖了月球是由地球拋出的一局部物質(zhì)所形成的假說，同時支持了月球是太陽系中的一個小行星或其它物體，后來被地球所捕獲的觀點月巖的研究意義

1〕月球上缺水圈與大氣圈，不發(fā)育風(fēng)化作用，且月球31億年前即已停止了活動，而地球那么一直處于活動狀態(tài)，因而對月球的研究有利于了解地球早期歷史2〕月巖年齡與地球相似，月海玄武巖相當(dāng)于拉斑玄武巖3〕月球中有可供人類利用的元素4〕月巖早期火山活動即相當(dāng)于地球火山帶元素豐度的概念和表示方法太陽系的化學(xué)組成

地球的結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成

地殼的元素豐度元素在巖石和礦物中的分配主要內(nèi)容地球的結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成地球和地殼是地球化學(xué)研究的主要對象和體系，了解地球內(nèi)部物質(zhì)的成分與狀態(tài)是理解地殼中各類地球化學(xué)過程的根本前提地球內(nèi)部資料不能直接觀察到〔目前最深的超深鉆僅十幾公里〕因而現(xiàn)階段人們對于地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)、物質(zhì)成分及狀態(tài)的觀察均是依據(jù)間接資料，尤其是地球物理資料地球的結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成地球的結(jié)構(gòu)〔構(gòu)造〕地球內(nèi)部的地球化學(xué)特征地球的豐度估計方法地球豐度的特點關(guān)于地球豐度中惰性元素的缺失的解釋地球的結(jié)構(gòu)〔構(gòu)造〕地球的結(jié)構(gòu)

外圈：大氣圈、水圈、生物圈上地殼地球地殼下地殼上地幔內(nèi)圈地幔過渡層下地幔外核地核過渡層內(nèi)核CrustMantleCoreA′A"B′C′D′B"C"D"EFG

上地幔下地幔0-3560km400km920km2900km4640km5120km低速帶60-250kmGuteabergDisc.G.一級界面二級界面巖石圈，地殼，軟流圈，相變帶，液態(tài)外核地球內(nèi)部的地球化學(xué)特征借助于間接資料和地下淺層的觀察，在一定的假設(shè)下做出理論估計，由地表向地下深處，隨著壓力的增大，不可防止地將引起化學(xué)作用過程的改變1〕h<60km時，正常地球化學(xué)作用帶地殼巖石圈，邊緣圈，正常化學(xué)作用帶2〕h60~2900km，地幔榴輝巖圈，中間圈，退化化學(xué)作用帶3〕h>2900km超高壓條件〔P>百萬atm〕“金屬化〞核心，中心圈，無化學(xué)作用帶地球內(nèi)部的地球化學(xué)特征1〕h<60km時，正常地球化學(xué)作用帶此時原子的核外電子層構(gòu)造不會發(fā)生變化，其化學(xué)性質(zhì)和化學(xué)作用過程服從周期律2〕h60~2900km高壓下，假設(shè)核外電子層有個別比較靠近原子核的能級未充滿，以高壓的結(jié)果，可以使外層電子壓入到內(nèi)層未充滿的軌道上，即電子排列產(chǎn)生變化，元素化學(xué)性質(zhì)也變化，于周期表中位置亦變，使元素周期表由原來的七個周期壓縮成五個周期，這種現(xiàn)象，稱為原子的退化現(xiàn)象地球內(nèi)部的地球化學(xué)特征3〕h>2900km超高壓條件〔P>百萬atm〕原子核外電子層完全破壞，電子呈自由狀態(tài)，為所有原子核共有，從而不同的原子沒有性質(zhì)的不同，且不會發(fā)生化學(xué)作用，完全喪失了一般的化學(xué)性質(zhì)地球的豐度地球的元素豐度是假定的和不確定的，其估計方法有：隕石類比法地球模型法〔隕石類比法和隕石相法〕地球物理類比法隕石類比法1〕隕石類比法假定前提A：隕石在太陽系內(nèi)形成B：隕石與小行星帶的物質(zhì)相同C：隕石是已破壞了的星體的碎片D：產(chǎn)生隕石的母體，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和成分分布同地球相似隕石類比法2〕分類A：綜合隕石類比法Clarke以各種隕石類型的平均化學(xué)成分作為地球的類似成分，由于采用鐵隕石比例過大，導(dǎo)致鐵豐度明顯偏高〔達67~72%〕，導(dǎo)致誤以為整個地球根本上是由鐵或鐵、鎳合金組成。B：單一隕石類比法Ahrens，1965直接用維諾格拉多夫1962年，計算的球粒隕石的平均含量來代表整個地球的元素豐度。突出特點：鐵明顯偏低，25.1%地球模型—隕石類比法A：Washington，將地球分6圈1〕地核，以鐵隕石代表2〕石源層〔LithosporicShell〕以隕石的鎳、鐵成分和石鐵隕石〔兩者同等勸重〕的平均化學(xué)成分為代表。3〕鐵源層〔FerrosporicShell〕，隕石平均化學(xué)成分代表4〕橄欖巖層：無球粒隕石平均化學(xué)成分代表5〕玄武巖層：以戴利玄武巖平均化學(xué)成分代表6〕花崗巖層：以CLARKE和WASHINGTON的火成巖平均化學(xué)成分，然后以地圈質(zhì)量加權(quán)平均法求出整個地球主要元素豐度。地球模型—隕石類比法B：MasonSMT認為地球總體成分根本取決于地幔和地核的成分和相對質(zhì)量〔M〕99%〕，并假定地球物理類比法我國黎彤1976年采用，殼層模型地球物理類比法1〕首先采用布倫〔Bullen〕的固體地球物理模型劃分層殼，求出這些層殼的質(zhì)量及其比值2〕按一定的物質(zhì)代表成分，分別求出各層殼的元素豐度3〕以層殼質(zhì)量加權(quán)平均法求出整個地球的元素豐度地球物理類比法1〕采用布倫〔Bullen〕提出的地球殼層模型劃分：A：地殼A四個殼層的質(zhì)量百分數(shù)為0.4%B：上地幔，B+C，27.17%C：下地幔D40.4%D；地核〔E+F+G〕31.5%地球物理類比法2〕根據(jù)地球物理資料選擇了四個殼層的物質(zhì)成分A：地殼成分他和饒紀龍1965地殼元素豐度來代表B：上地幔成分，以RINGWOOD地幔巖的成分代表C：下地幔，超基性巖+20%的鐵橄欖巖成分代表D；外核，用FES模型E：內(nèi)核〔F+G層〕，用金屬鐵模型3〕計算步驟上，先計算出四個殼層的元素豐度，然后用地圈質(zhì)量加權(quán)平均法求出整個地球的元素豐度地球的平均化學(xué)成分〔wt%〕地球的平均化學(xué)成分〔wt%〕地球豐度的特點是假定、不確定的半定量〞認識地球90%以上由Fe、O、Si、Mg組成>1%的元素有Ni、Ca、Al、S0.01~1%Na、K、Cr、Co、P、Mn、Ti地球幾乎全部由上述15種元素組成。地球豐度曲線地球豐度中揮發(fā)性元素狀況關(guān)于地球豐度中惰性元素的缺失的解釋原因在于惰性元素具有很高的化學(xué)穩(wěn)定性，在自然界中難與其他元素結(jié)合，單獨呈氣體存在，根據(jù)地球由星云塵粒吸積生成的假說，當(dāng)?shù)厍蛐纬蓵r，行星星云的溫度條件已降至3000K以下，許多揮發(fā)性元素都可以通過化學(xué)反響的方式組成地球的物質(zhì)中，唯獨惰性氣體不能以化合物的方式形成塵粒，只有少量被其他化合物包裹，帶至地球，而大多逸散到大氣中去元素豐度的概念和表示方法太陽系的化學(xué)組成地球的結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成

地殼的元素豐度

元素在巖石和礦物中的分配主要內(nèi)容地殼的元素豐度確定方法豐度特征研究克拉克值的地球化學(xué)意義地殼中化學(xué)元素的分布在時間上和空間上的不均勻性地殼豐度的反偶數(shù)規(guī)那么地殼元素豐度確實定方法

Clarke計算法

Goldsmidt簡化計算法地殼模型計算法Clarke計算法巖石圈：水圈：大氣圈=93%：7.0%：0.003%，用地圈質(zhì)量加權(quán)平均法求得地殼的平均化學(xué)成分水圈〔海水〕引用Dittmar，1884氣圈：采用Humphrey1920，巖石圈與Washington ，5159個火成巖，676個沉積巖組成，火成巖：沉積巖=95%：5%沉積巖中：頁巖：砂巖：灰?guī)r=4%：0.75%：0.25%計算步驟1〕按48個地理區(qū)用第一算術(shù)平均法〔除以實際測定次數(shù)〕求各區(qū)平均值2〕歸納為9個含大洋島嶼與大州的大區(qū)平均值，用第二種算術(shù)平均法〔除以5159個樣品〕求出地殼火成巖的平均值3〕將氧化物含量換算為元素含量計算步驟4〕對于一些微量元素有時采用第一和第二算術(shù)平均數(shù)的平均值5〕沉積巖按頁巖：砂巖：灰?guī)r=4%：0.75%：0.25%，以質(zhì)量比加權(quán)得出沉積巖的平均成分6〕火成巖：沉積巖=95%：5%，質(zhì)量加權(quán)平均求出巖石圈平均成分7〕巖石圈：水圈：大氣圈=93%：7.0%：0.003%，質(zhì)量加權(quán)平均法求得地殼的平均化學(xué)成分Clarke計算法

的缺陷沒有考慮巖石組成隨深度和構(gòu)造單元的變化深度16km是人為確定的，而未考慮莫霍界面。忽略了海洋地殼的物質(zhì)成分此外費爾斯曼的方法同Clarke

Goldsmidt簡化計算法1〕Goldsmidt簡化計算法2〕維諾格拉多夫3〕泰勒Taylor，1964〔自稱為大陸地殼元素豐度〕4)TaylorandMclennan(泰勒和麥克倫南)1985大大開展了該方法Goldsmidt簡化計算法1〕Goldsmidt簡化計算法以挪威南部廣泛分布的冰川粘土來代表，除Na2O和CaO由于淋失偏低外，其它組分含量與Clarke的數(shù)據(jù)一致冰川粘土：由芬諾斯坎顛〔Fennoscandian〕冰蓋溶化水中沉淀出的最細巖粉組成，G氏認為這種冰川粘土可以作為一種平均樣品，代表著大面積分布的結(jié)晶巖石的平均化學(xué)成分〔計算了77個樣品的平均值〕Goldsmidt簡化計算法2〕維諾格拉多夫1949年，根據(jù)粘土和頁巖的平均化學(xué)成分得出1962年，以兩份酸性巖加一份基性巖的平均化學(xué)成分的平均值代表地殼的元素豐度值Goldsmidt簡化計算法3〕泰勒Taylor，1964〔自稱為大陸地殼元素豐度〕采用花崗巖和玄武巖的質(zhì)量比例為1：1，并直接以標準樣G-1和W-1來分別代表花崗巖和玄武巖的平均成分。此值實際上是已包括大洋在內(nèi)的整個地殼元素豐度。Goldsmidt簡化計算法4)TaylorandMclennan(泰勒和麥克倫南)1985大大開展了該方法提出細粒碎屑沉積巖，特別是泥質(zhì)巖，可作為源區(qū)上地殼巖石的天然混合樣品，這類巖石對研究大陸地殼元素豐度有特殊意義。p41圖1.5是最有力的證據(jù)，后太古宙的泥質(zhì)巖、深海沉積物和黃土中的稀土元素組成模式與現(xiàn)今大陸上的地殼完全一致沉積過程中稀土元素沒有發(fā)生明顯的分異，同時太古宙以后沉積巖中REE模式的一致型說明：沉積巖代表了地殼外表大面積平均采樣地殼豐度存在的主要問題A：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)模型來進行元素豐度的計算。B：地殼的深度16Km是人為確定的，而未考慮莫霍界面。C：忽略了海洋地殼的物質(zhì)成分。D：地殼物質(zhì)成分隨深度變化的因素未予考慮。地殼模型計算法1〕A.Poldervoat，1955A.Poldervoat，1955，取莫霍面為計算深度的下限，把整個地殼分為深洋區(qū)、淺洋區(qū)、地盾區(qū)和褶皺區(qū)四個區(qū)，分別計算各區(qū)的平均化學(xué)成分后，用各區(qū)質(zhì)量比例加權(quán)平均，求出整個地殼的平均化學(xué)成分2〕羅諾夫和雅羅謝夫斯基，19573〕黎彤，1976地殼模型計算法3〕黎彤，1976在計算中國巖漿巖平均化學(xué)成分的根底上，采用普爾德瓦爾特(Poldervaart，1955)的全球地殼模型，計算時，對于各類巖漿巖平均元素含量綜合應(yīng)用涂里千和費得波〔1967〕和維諾格拉多夫〔1962〕資料，并參照了我國各類巖漿巖中13種主要元素的數(shù)據(jù)，首先計算出各地殼構(gòu)造單元的元素豐度〔各類巖石的質(zhì)量加權(quán)平均〕，然后采用各構(gòu)造單元的質(zhì)量加權(quán)平均計算了整個地殼的元素豐度值盡管各家計算方案不同，但所得地殼主要元素豐度的估計值是相互接近的，我們可以有一定根據(jù)地說現(xiàn)在已經(jīng)有了較精確的有關(guān)地殼平均化學(xué)成分的估計值，至少對于主要元素來說情況是如此地殼中元素豐度曲線地殼的元素豐度確定方法豐度特征研究克拉克值的地球化學(xué)意義地殼中化學(xué)元素的分布在時間上和空間上的不均勻性地殼豐度的反偶數(shù)規(guī)那么地殼豐度特征1、元素在地殼中的分布有明顯的不均勻性。O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg、H、Ti、C、Cl、P、S、Mn82.58%〔3〕98%〔8〕98.13%〔9〕99.61%〔15〕O為47%，而Rn為7×10-16，相差1017倍同時，同位素的分布也是不均勻的。O1699.75%O170.00374%O180.2079%地殼豐度特征2、與太陽系中元素的豐度值相比較，同樣存在如下規(guī)律：A〕偶數(shù)規(guī)那么，在地殼中偶數(shù)元素占86.36%，奇數(shù)元素占13.64%B〕A=100以前，克拉克值呈8或7次方呈指數(shù)下降。再次說明地球、地殼在物質(zhì)上同太陽系其它局部的統(tǒng)一性，但具有自己的演化特征地殼豐度特征3、有些元素〔同位素〕的含量與地質(zhì)時代有關(guān)。238U235U40K87Rb地史早期含量高206Pb207Pb40Ar87Sr隨地質(zhì)時代而增加地殼豐度特征4、4倍規(guī)那么按元素質(zhì)量數(shù)A/4，把地殼中元素或同位素分為四類：4q型元素：C、O、Mg、Si、S、Ca、Ti、Cr、Fe、Ge、Pb、Th4q+3：Li、B、F、Na、Al、P、Cl、K、V、Mn、Co、Cu、As、Ag4q+2：238U、222Rn、230I、210Po、14N、102Rn、126Pd4q+1：9Be、45Sc、113Ir、85Rb、65Zn地殼豐度特征4q型元素：C、O、Mg、Si、S、Ca、Ti、Cr、Fe、Ge、Pb、Th4q+3：Li、B、F、Na、Al、P、Cl、K、V、Mn、Co、Cu、As、Ag4q+2：238U、222Rn、230I、210Po、14N、102Rn、126Pd4q+1：9Be、45Sc、113Ir、85Rb、65Zn地殼豐度特征5、將地殼、地球、太陽系中分布最廣的元素按豐度大小順序加以比較，即可以發(fā)現(xiàn)它們之間存在明顯的差異：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地殼豐度特征A：同太陽系或宇宙相比，地殼和地球都明顯貧H、He、Ne、N等氣體元素，說明由于宇宙物質(zhì)形成地球的演化過程必然伴隨著氣態(tài)元素的散失B：同整個地球相比，那么地殼相對貧Fe和Mg，同時富含Al、Na、K，因而地球的原始化學(xué)演化表現(xiàn)為：較易熔的堿金屬鋁硅酸鹽在地球表層富集，而較難熔的鎂鐵硅酸鹽和金屬鐵下沉地殼豐度特征的意義從2和5可以得出結(jié)論：地殼中元素的豐度不僅取決于元素原子核的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性〔決定宇宙中元素豐度的因素〕，同時又受地球形成前、地球形成時和地球存在時期物質(zhì)演化和分異的影響。幾個與地殼元素含量有關(guān)的概念克拉克值：地殼中元素的平均化學(xué)組成濃度克拉克值：某元素的濃度克拉克值為其在某一地質(zhì)體〔礦床、巖體、礦物等〕中的平均含量與克拉克值之比，它可以反映出某些元素在地質(zhì)體中的濃集程度濃集系數(shù)：以某元素在礦床中的最低可采品位作為它在該地質(zhì)體中的平均含量來計算它與克拉克值之比地殼的元素豐度確定方法豐度特征研究克拉克值的地球化學(xué)意義地殼中化學(xué)元素的分布在時間上和空間上的不均勻性地殼豐度的反偶數(shù)規(guī)那么研究克拉克值的地球化學(xué)意義1〕克拉克值確定著地殼作為一個物理化學(xué)體系的總特征以及地殼中各種地球化學(xué)過程的總背景，它既是一種影響元素地球化學(xué)行為的重要因素，又為地球化學(xué)提供了衡量元素集中分散及其程度的尺度。研究克拉克值的地球化學(xué)意義2〕元素克拉克值在某種程度上影響著元素參加許多地球化學(xué)過程的濃度，從而支配著元素的地球化學(xué)行為。如Na、K、Rb、Cs的化學(xué)性質(zhì)相似，但，前兩者可以形成各種獨立礦物，但后兩者卻只能存在于含鉀的礦物中。因此，在分析地殼中元素的遷移、集中和分散等地球化學(xué)行為時，必須考慮到元素克拉克值這一重要的影響因素。3〕克拉克值為說明地球化學(xué)省的特征提供一種標準。地殼的元素豐度確定方法豐度特征研究克拉克值的地球化學(xué)意義地殼中化學(xué)元素的分布在時間上和空間上的不均勻性地殼豐度的反偶數(shù)規(guī)那么地殼中化學(xué)元素的分布在時間上和空間上的不均勻性地殼中化學(xué)元素的分布在時間上和空間上的不均勻性突出表現(xiàn)在成礦元素常呈帶狀分布1〕與上地幔不均勻性有關(guān)，如華南W、Sn，長江中下游Fe、Cu2〕與地幔物質(zhì)的熔融、分異及易熔相析出的程度有關(guān)時間上的不均勻性〔1〕主要與元素的活動性有關(guān)，表現(xiàn)在：1〕穩(wěn)定元素在地史早期富集，時間越晚，富集的可能性越小。如金主要富集在前寒武紀的綠巖帶中。2〕活潑的不穩(wěn)定元素，隨地史發(fā)現(xiàn)有晚期富集的趨向。如W，前寒武少，加里東始，3/4產(chǎn)量集中于燕山期。時間上的不均勻性〔2〕世界各大陸不同地史時期成礦元素變化規(guī)律:前寒武主要成礦元素：Pt、Fe、Ni、Co、Au、U、及親鐵元素，大于儲量的一半；古生代主要成礦元素：U、Pb、Co、Ni、Pt族，次為W、Sn、Mo、Hg；中生代主要成礦元素：W、Sn、Au、Sb新生代主要成礦元素：Hg、Mo、Cu、Pb、Sb空間上的不均勻性與地幔物質(zhì)的熔融、分異及易熔物質(zhì)的析出有關(guān)1〕在極地和高緯度地區(qū)，地幔物質(zhì)分異較差，通?；◢弾r類巖石少，硅鋁層薄，火山作用主要表現(xiàn)為超基性巖及基性噴出巖，主要內(nèi)生礦床多為：Cr、Fe、Ni、Pt族，2)中低緯度地區(qū)分異明顯，硅鋁層厚，花崗巖廣布，火山作用強烈，構(gòu)造活動強烈，主要內(nèi)生礦床多為親石和親銅元素，如：W、Sn、Mo、Cu、Pb、Zn、Ag等。地殼豐度的反偶數(shù)規(guī)那么在地殼的元素豐度中，偶數(shù)規(guī)那么對有些元素來說遭到了破壞，如：3Li>4Be<5B12Mg<13Al15P>16S23V>24Cr<25Mn73Ta>74W31Ga>32Ge<33As>34Se<35Br40Zr<41Nb>42Mo51Sb>52Te<53I地殼豐度的反偶數(shù)規(guī)那么為解釋上述違反偶數(shù)規(guī)那么的豐度特征，黎彤1982年提出以下解釋：1〕根據(jù)地殼是地球的產(chǎn)物這個根本領(lǐng)實，求地殼與地球相對豐度的豐度系數(shù)：〔R1/R2〕，R1為地殼豐度，R2為地球豐度，并取豐度系數(shù)的對數(shù)Lg〔R1/R2〕表示豐度的增減率：地殼豐度的反偶數(shù)規(guī)那么SI原子Lg〔R1/R2〕=0Lg〔R1/R2〕>0，表示它們在地殼內(nèi)豐度相對增加Lg〔R1/R2〕<0，表示它們在地殼內(nèi)豐度相對減少。增減率的大小，反映豐度相對增加或相對減少的程度地殼豐度的反偶數(shù)規(guī)那么2〕增減率曲線，具有許多與地殼豐度曲線相反的特征，占據(jù)增減率曲線峰位的許多元素，主要的不是偶數(shù)元素，而是奇數(shù)元素。這種規(guī)律性正好與偶數(shù)規(guī)那么相反，而且對偶數(shù)規(guī)那么起著不同程度的破壞作用，稱之為反偶數(shù)規(guī)那么。3〕偶數(shù)規(guī)那么與反偶數(shù)規(guī)那么的出現(xiàn)，具有完全不同的自然條件和形成過程，偶數(shù)規(guī)那么形成于>107K的溫度條件下的熱核反響，在宇宙豐度中表現(xiàn)得最完善，并可用核穩(wěn)定理論來說明。地殼豐度的反偶數(shù)規(guī)那么4〕反偶數(shù)規(guī)那么，形成于<2000K溫度條件下的地球化學(xué)分異〔尤其是巖漿分異〕的產(chǎn)物，它遵從著晶體化學(xué)和熱力學(xué)的原理，在地殼的形成和演化過程中，大量親中性巖元素和親酸性巖元素〔按費爾斯曼分類術(shù)語〕，其中包括許多Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ和Ⅶ族的奇數(shù)原子序數(shù)的元素，高度富集在地殼的硅鋁層中，因而導(dǎo)致反偶數(shù)規(guī)那么的出現(xiàn)和對偶數(shù)規(guī)那么的破壞。地殼豐度的反偶數(shù)規(guī)那么反偶數(shù)規(guī)那么的出現(xiàn)，是地球化學(xué)演化的結(jié)果。地殼豐度的反偶數(shù)規(guī)那么但是，并非所有符合反