地壳的结构与物质组成

地壳的结构与物质组成2 地壳的结构与物质组成2(1 地壳元素组合与矿物形成(1)地壳元素组成和分类地壳元素丰度的总特征可大致归纳如下:地壳中已发现的化学元素有92种，即元素周期表中1至92号元素。

地壳中不同元素的含量差别很大，-16含量最高的元素氧(47,)与含量最低的氡(10)差1017倍。

含量最高的三个元素氧、硅、铝的总量占地壳元素总量的84.6,。

若加上含量大于1,的元素铁、钙、钠、钾、镁，总和达98,，剩余的84个元素重量的百分含量之和仅为2,。

总体上，元素的原子丰度随元素的原子序数增大而降低，偶数原子序数的元素比相邻的奇数原子序数的元素丰度值高。

惰性元素丰度偏低。

按化学计量比计算，地壳中阴离子的总数大大低于阳离子总数，阳离子与阴离子结合能力的大小和倾向性决定了元素的地球化学行为。

地壳中元素的地球化学行为与元素的化学和晶体化学性质有关，也与地壳中元素的丰度和物理化学条件有关。

元素的地球化学分类方案较多，以下从地壳化学组成的角度出发，结合元素的地球化学行为将地壳中元素的丰度分为主量元素、微量元素、硫(硒、碲)和卤族元素、金属成矿元素、亲生物元素和亲气元素、放射性元素。

主量元素:主量元素有时也称为常量元素，是指那些在岩石中(?地壳中)含量大于1,(或0.1,)的元素，在地壳中大于1,的8种元素都是主量元素，除氧以外的7种元素在地壳中都以阳离子形式存在，它们与氧结合形成的氧化物(或氧的化合物)，是构成三大类岩石的主体，因此又常被称为造岩元素。

地壳中重量百分比最大的10个元素的顺序是:O,Si,Al,Fe,Ca,Na,K,Mg,Ti,H，若按元素的原子克拉克值(原子个数)，则原子个数最多的元素是:O,Si,H,Al,Na,Mg,Ca,Fe,K,Ti。

Ti、H在地壳中的重量百分比虽不足1,，但在各大类岩石中频繁出现，也常被称为造岩元素。

上述地壳中含量最高的十种元素，在各类岩石化学组成中都占重要地位。

虽然不同类型岩石的矿物成分有差异，但主要矿物都是氧化物和含氧盐，尤其是各种类型的硅酸盐，因此可将整个地壳看成一个硅酸盐矿物集合体。

岩浆岩是地壳中分布最广的岩石大类，从酸性岩直到超基性岩，主要矿物都是硅酸盐。

不同的是，超基性岩和基性岩主要由镁、铁(钙)的硅酸盐组成，中、酸性岩主要由钾、钠的铝硅酸盐和氧化物组成。

大陆地壳中上部中酸性岩石占主导地位，下部中基性岩为主体。

大洋地壳以基性岩石为主。

因此地球科学家常称地壳为硅酸盐岩壳。

也有的学者将以中酸性岩为主的部分称为硅铝质地壳，将以基性岩为主的部分称为硅镁质地壳。

由此可知，地壳中主量元素的种类(化学成分)决定了地壳中天然化合物(矿物)的类型。

主要矿物种类及组合关系决定了其集合体(岩石)的分类。

而地壳中主要岩石类型决定了地壳的基本面貌。

微量元素:在地壳(岩石)中含量低于0.1,的元素，一般来说不易形成自己的独立矿物，多以类质同象的形式存在于其他元素组成的矿物中，这样的元,，属主要元素，在素被称为微量元素。

比如钾、钠的克拉克值都是2.5自然界可形成多种独立矿物。

与钾、钠同属第一主族的铷、铯，由于在地壳中的含量低，在各种地质体中的浓度亦低，难以形成自己的独立矿物，主要呈分散状态存在于钾、钠的矿物中。

硫(硒、碲)和卤族元素:在地壳中，除氧总是以阴离子的形式存在外，硫(硒、碲)和卤族元素在绝大多数情况下都以阴离子形式存在。

虽然硫在特定情况下可形成单质矿物(自然硫S)，硫仍是地壳中除氧以外最重要的呈阴离子的元素。

2硫在热液成矿阶段能与多种金属元素(如贵金属Ag、Au，贱金属Pb、Zn、Mo、Cu、Hg等)结合生成硫盐和硫化物矿物，这些矿物是金属矿床的物质基础。

若矿物结晶时硫含量不充分，硒可以进入矿物中占据硫在晶格中的位置，硫、硒以类质同象的方式在同种矿物中存在。

碲与硫的晶体化学性质差别比硒大，故碲通常不进入硫化物矿物，当硫不足时，它可以结晶成碲化物。

氯、氟等卤族元素，通过获得一个电子就形成稳定的惰性气体型(8电子外层)的电层结构，它们形成阴离子的能力甚至比氧、硫更强，只是因为卤族元素的地壳丰度较氧、硫低得多，限制了它们形成独立矿物的能力。

卤族元素与阳离子结合形成典型的离子键化合物。

离子键化合物易溶于水，但气化温度较高，在干旱条件下，卤化物还是比较稳定的。

当卤族元素的浓度较低，不能形成独立矿物时，它们进入氧化物，在含氧盐矿物中，常见它们以类质同象方式置换矿物中的氧或羟基。

金属成矿元素:在地质体中金属元素多形成金属矿物(硫化物、单质矿物或金属互化物，部分氧化物)，在矿产资源中作为冶炼金属物质的对象。

金属成矿元素按其晶体化学和地球化学习性以及珍稀程度可以分为:贵金属元素、金属元素、过渡元素、稀有元素、稀土元素。

贵金属元素 Ag、Au、Hg、Pt等，贵金属元素在地壳中主要以单质矿物、硫化物形式存在，在地质体中含量低，成矿方式多样，但矿物易分选，元素化学稳定性高，成矿物质的经济价值高。

金属元素 Pb、Zn、Cu(又称贱金属元素)、Sb、Bi等，在地壳中主要以硫化物形式存在。

成矿物质主要通过热液作用成矿，硫(硒、碲)的富集对成矿过程有重要意义。

矿床中成矿元素含量较高，是国民经济生活中广泛应用的矿产资源。

过渡元素 Co、Ni、Ti、V、Cr、Mn和W、Sn、Mo、Zr、Hf等，这些元素在自然界多以氧化物矿物形式存在，部分也可形成硫化物(如钼)或硫盐(如锡)。

稀有元素 Li、Be、Nb、Ta、Ti、Zr在地壳中含量很低，主要形成硅酸盐或氧化物。

稀土元素钇和镧系元素统称为稀土元素，地壳中稀土元素含量低，但它们常成组分布。

稀土元素较难形成自己的独立矿物，主要进入钙的矿物，在矿物中类质同象置换钙。

较常见的稀土元素矿物和含稀土元素的矿物都是氧化物或含氧盐类矿物。

亲生物元素和亲气元素:主要有C、H、O、N和P、B，它们是组成水圈、大气圈和生物圈的主要化学成分，在地壳表层的各种自然过程中起着相当重要的作用。

除上述元素外，生物还需要K、S、Mg、Fe、Si、Al、Ar等。

部分微量元素(如Zn、Pb、Se等)以及在地壳表层和水圈中富集的元素Ca、Na、F、Cl等对生命的活动有重要意义，具亲生物的属性。

某些亲生物元素的过量或馈乏不仅会影响生命物体的正常发育，严重时还会引起一些物种的绝灭。

放射性元素:现代地壳中存在的放射性元素(同位素)有67种。

原子量小于2091014405087123187的放射性同位素仅有十余种，它们是:Be，C，K，V，Rb，Te，Re，190138144147147148149Pt，La，Nd，Pm，Sm，Sm和Sm。

自84号元素钋(Po)起，元素(同位素)的原子质量都等于或大于209，这些原子核都有放射性，它们都是放射性同位素。

现代核物理技术的高度发展，已经能够通过中子活化及核合成技术生成许多新的放射性元素(同位素)，若将这些人造元素计算在内，元素周期表内的元素总数应增加到109个。

(2)矿物的分类、晶形及其物理性质地壳中各种元素多数组成化合物，并以矿物的形式出现。

矿物多数是在地壳(地球)物理化学条件下形成的无机晶质固体，也有少数呈非晶质和胶体。

矿物学是地球科学中研究历史最悠久的分支学科之一。

自有人类以来就开始了对矿物的认识和利用，人类有了文字就有了对矿物认识的记载。

矿物学作为一门独立的学科已有近三个世纪的历史了，20世纪20年代以来在矿物学研究中逐步引入了现代科学技术的研究手段和方法，使矿物学进入了由表及里、由宏观到微观的研究层次，开始了矿物成分、结构与物理性质、开发应用综合研究的新阶段。

迄今发现的矿物种数已达3000余种。

常见的造岩矿物只有十余种，如石英、正长石、斜长石、黑云母、白云母、角闪石、辉石、橄榄石等，其余属非造岩矿物。

按矿物中化学组分的复杂程度可将矿物分成单质矿物和化合物。

化合物按与阴离子的结合类型(化学键)划分为若干个大类，主要大类有硫化物(包括砷、锑、铋、碲、硒的化合物)、氧的化合物和卤化物。

在各大类中按阴离子或络阴离子种类可将矿物划分类，各类中按矿物结构还可以划分亚类，在亚类中又可以进一步划分部、族和矿物种。

硫化物及其类似化合物:在矿物分类中，硫化物大类还可以分成三个矿物类。

硫化物矿物的总特征是:首先，它们由金属阳离子与硫等阴离子之间以共价键方式结合形成。

它们在地壳中的总量很低(,1,)，但矿物种较多，占矿物种总数的16.5,。

硫化物矿物的生成多与成矿作用有关，即绝大多数矿床中的金属矿物都属硫化物大类。

其次，硫化物类矿物透明度和硬度较低，但通常色泽鲜艳、有金属(半金属)光泽、比重也较大。

最后，结晶程度较好，硫与其他元素结合时配位方式多样，因此晶体结构类型多，晶体形态多样，容易识别。

在成员众多的硫化物矿物家族中，方铅矿(PbS)、闪锌矿(ZnS)、黄铜矿(CuFeS)、黝锡矿(CuSnFeS)和黄铁矿(FeS)、斑铜矿(CuFeS)、224254雄黄(AsS)、雌黄(AsS)、辰砂(HgS)等是最常见的硫化物。

此外，4423还有硒化物和碲硫化物。

氧的化合物:几乎所有造岩矿物都是硅酸盐和氧化物，如长石、云母、角闪石、辉石等。

但也有一些氧化物和含氧盐主要与成矿作用有关，如锡石(SnO)、22+3+黑钨矿((FeMn)WO)、磁铁矿(FeFeO)和钛铁矿(FeTiO)，是锡、443钨、铁矿床中的资源矿物(矿石矿物)。

单质及其类似物:它们在矿物分类中也是一个大类，包括由单质原子结晶的矿物和多种原子结合的金属互壳重量的1,，但成矿能力很强，如自然铜(Cu)、银金矿(AgAu)、自然铂(Pt)、金刚石(C)、石墨(C)和自然硫(S)都可富集成矿。

单质矿物中原子以金属键或共价健和分子键相结合，原子间紧密堆积，矿物晶体对称性高。

宝石矿物:在矿物学分类中并未划分此大类，但它们是具特殊经济意义的矿物群体。

经过加工，能用于装饰的矿物，称为宝石矿物。

宝石矿物主要有以下特点:第一是晶莹艳丽，光彩夺目，即矿物的颜色和光泽质地优良。

第二是质地坚硬，经久耐用，即宝石矿物的硬度较大。

第三是稀少，即矿物产量少，又有一定的价值。

据以上特征，能称为宝石矿物的只可能是氧的化合物和单质矿物中的少数非金属矿物。

自然界的宝石矿物共有百余种，较重要的约20种。

最贵重的宝石有四种:钻石、红宝石、蓝宝石和祖母绿。

钻石的宝石矿物是金刚石 (C)，它属单质非金属矿物，是硬度最大的矿物。

金刚石结晶温度(,1100?)和压力(,40Pa)很高，是元素碳在距地表大约200km或更深处结晶的晶体。

红宝石和蓝宝石是两种极贵重的宝石，其宝石矿物都是刚玉(AlO)。

23刚玉虽是较常见的矿物，但能成为宝石矿物的刚玉仅出现在某些石灰岩和中酸性岩浆岩的接触带、基性岩墙及纯橄榄岩中，成为宝石矿床还需经过沉积作用，即在碎屑矿物中聚集。