地球化学体系

太阳系：太阳 • 行星：水(Mercury)、 金(Venus) • 、地、火(Mars)（ earth-like行星）、 木Jupiter、土Saturn、天王Uranus、海 王Neptune、冥王Pluto (Jupiter-like planets) • 小行星、彗星、宇宙尘、卫星
测定元素丰度的途径 • 直接分析样品 • 对星体辐射的光谱进行测定 • 利用宇宙飞行器进行近距离观察、 测定和取样 • 测定气体星云和星际间物质 • 分析研究宇宙射线
依据：（1）地球质量5.974*1021吨 / 体积 1.083*1021m3 = 5.517 吨/ m3。而地表 岩石的平均密度为2.65吨/ m3。说明地 球深部存在着致密物质； （2）地震波：S波在在流体中不能传 播, P波的传播速度取决于物质的密度 和弹性强度。
地球的层圈结构（2）
地壳：Mohr面之上。上层Si、Al层，花岗闪长岩 成分/ 下层Si、Mg层，玄武岩成分 地幔：上地幔（33-400km, 成分可能相当与榴辉 岩成分）/地幔过渡层(400-1000km)/下地幔 (1000-2900km) 地核：外地核(2900-5000km)/内地核(51006371km)
之一。 宇宙天体是怎样起源的？ 地球又是如何形成的？ 生命是怎样产生和演化的？ ............ 这些都离不开元素丰度、 分布 丰度、 丰度 分布的研究。 要点： 本章的要点 ： 一是从前人研究资料中认识各地球化学体系中元素分布 的特征和规律； 二是了解获得这些资料的指导思想和途径。
§1 元素在太阳系中的分布规律
Ca 1.33
Na 0.60
Cr 0.34
Mn 0.21
K Ti 0.15 0.13
Co 0.12
P 0.11
研究陨石的新进展 地外物体（陨石、小行星）撞击地球，将 突然改变地表的生态、环境, 诱发大量生 物灭绝，构成了地球演化史中频繁而影响 深远的灾变事件，为此,对探讨生态环境变 化、古生物演化和地层划分均具重要的意 义。 （1）撞击坑和玻璃陨石（柯石英、超石 英及冲击玻璃……） （2）生态环境灾变与生物灭绝地球化学 证据（E/K、T/P）
3．按照地壳模型加权法： 按照地壳模型加权法： A.波德瓦尔特（A.Polderraat）和 A.B 罗诺 夫(A.B.POHOB) 及我国黎彤教授采用地壳模型 加权法计算地壳元素丰度。 优点：①按现代地壳结构模型计算； 优点 ②包括 2/3 以上大洋地壳； ③考虑了地壳物质随深度变化的特征。
尽管各家采用的计算方法不同， 但所得的地壳主要元素的估计值还是 相互接近的，这充分说明，其估计值 是比较精确的。
作法： 作法： ①在世界各大洲和大洋岛屿采集了 5159 个不 同岩浆岩样品， 其样品的数量相当于这些样品 在地球表面分布面积的比例； ②对 53 种元素进行了定量的化学分析； ③采用岩石圈、水圈、大气圈的质量比值为 93%、7%、0.03%; ④计算时用算术平均求出整个地壳的平均值。
意义： 意义： ①开创性的工作， 为地球化学发展打下了良好 的基础； ②代表陆地区域岩石圈成分， 其数据至今仍有 参考价值。
（3）预测与防止（陨石、小行星撞击事 件） （4）陨石中有机质 研究生命前期有 机质形成和演化，探索地球生命物质起源。
月
球
过去是间接方法得到化学成分数据 1969年以后，直接取样：美国Apollo 号、苏联月球号，共取回近半吨重样 品。 中国科学院地球化学研究所实物样品， 出专门著作（欧阳自远、谢先德、王 道德）、
估算太阳系元素丰度时，各学者选取太阳系 的物体是不同的. 1989 年，Anders 发表了太 阳系元素和核素最新资料。 太阳气元素丰度和陨石物质的测定数据； I 型碳质球粒陨石 ①这是一种估计值，是反映人类当前对太阳系 的认识水平。 ②它反映了元素在太阳系分布的总体规律。
2 . 太阳系元素丰度规律：
2：分布和丰度
丰度：指的是元素在这个体系中的相对含量 丰度 （平均含量）
元素的分布 元素的相对含量（平均含量）= “丰度 。 丰度” 丰度 元素含量的不均一性 （分布离散特征数、 分布所 服从统计模型） 。
3：分布与分配的关系
分布是整体，分配是局部： 分布是整体，分配是局部： 分布指的是元素在一个地球化学体系中整体总 分布 含量。 分配指的是元素地球化学体系内部各个部分 分配 或区段的含量。
陨石
是小行星碎块。对研究太阳系的化学成分很重 要。陨石是从星际空间降落到地球表面上来的 行星物体的碎片。陨石是空间化学研究的重要 对象，是推测地球内部结构和化学成分的重要 依据之一。具体意义：
① 它是认识宇宙天体、行星的成分、性
质及其演化的最易获取、数量最大的地外物质；
② 也是认识地球的组成、内部构造和起源
4： 地球化学研究中常用的含量单位
绝对含量单位 T Kg g mg 吨 千克 克 毫克 γ/g µg /g g/T, x10-6 十亿分之 万亿分之 x10-9 x10-12
0/ 0/ 0 00
相对含量单位 百分之.... 千分之.... x10-2 xg 毫微克 微微克
规律是表象。 原因：与元素本身原子结构有关 与元素形成的整 个过程有关
自学思考题：
为什么太阳系中只有前 10 种元素起主导作用？ 为什么太阳系元素丰度随元素序数增加而逐渐 降低？ Li, Be, B 的丰度为什么会亏损？（参考书：陨 石、 地球、 太阳系 [法]阿莱格尔， 地质出版社）
地球的层圈结构
把太阳系元素丰度的数值取对数lgC作纵坐标，原子序数 （Z）作横坐标。
1) 在所有元素中H, He占绝对优势 H占90%, 占绝对优势, 占绝对优势 He占8% 。 2）太阳系元素的丰度随着原子序数 丰度随着原子序数（Z）的 丰度随着原子序数 的 增大而减少，曲线开始下降很陡，以后逐渐 增大而减少 变缓。在原子序数大于45的重元素范围内， 丰度曲线近于水平，丰度值几乎不变。 3）偶序数元素的丰度 偶序数元素的丰度（ ）大于相邻奇序数 偶序数元素的丰度 大于相邻奇序数 元素的丰度（ ），这一规律称之为Oddo元素的丰度 Harkin（奥多-哈金斯）法则。这个规律在核 素（Z.N）丰度上亦体现出来： 偶（Z）偶（ P）>偶奇 ≈ 奇偶>奇奇。
4）原子序数或中子数为“幻数 幻数”（2、8、20、 幻数 50、82和128等）的核素分布最广，丰度最大, 如：4He（Z=2,N=2), 16O(Z=8, N=8), 40Ca(Z=20, N=20)等。 5）Li, Be, B,Sc具有与它们原子序数不相称的 低丰度，在较轻元素中亏损；而O和Fe呈明显 的峰值，为过剩元素。
球粒陨石:含有球粒硅酸盐结构 无球粒陨石 球粒陨石:大都是石质的，少数是碳质。 碳质球粒陨石：碳的有机化合分子,含水硅酸盐 组成。 意义：①探讨生命起源； ②代表太阳星云平均化学成分 （Allende 碳质球 粒陨石的元素丰度几乎与太阳中观察到的非挥 发性元素丰度完全一致） 。
陨石矿物组成：Fe、Ni 合金、橄榄石、 辉石等。 陨石中共发 140 种矿物， 其中 39 种在地球（地壳浅部）上未发现。 褐硫钙石 CaS，陨硫铁 FeS 这是为什么？
实例： 实例：
δ18O, δ13C 突变
Ir(×10-9) 西班牙Barranco del Gredero K/E剖面Ir含量的变化
时间尺度：Ir 元素丰度 丰度在K/E界线上的突变 突变，意味着什么？ 丰度 突变 空间尺度：在世界各地K/E界面上Ir 元素丰度亦有相似的
变异，这示踪着什么？
②
研究元素丰度也是地球科学基础理论问题的重要素材
的主要资料来源；
③ 陨石中的60多种有机化合物是非生物合
成的“前生物物质”，对探索生命前期的化学 演化开拓了新的途径；
④ 可作为某些元素和同位素的标准样品
（稀土元素，铅、硫同位素）。
陨石类型： 陨石类型： 陨石主要是由镍-铁合金、结晶硅酸盐或两者的混 合物所组成，按成份分为三类： 1）铁陨石（siderite） ：主要由金属 Ni, Fe（占 98%）和少量其他元素组成（Co, S, P, Cu, Cr, C 等） 。 2）铁石陨石（sidrolite） ：由数量上大体相等的 Fe、Ni 和硅酸盐矿物组成（过渡类型） 。 （aerolite） :主要由硅酸盐矿物组成 （橄 3）石陨石 榄石、辉石） 。
计算陨石的平均化学成分: 必须要解决两个问 题： 首先要了解各种陨石的平均化学成分 其 次 要 统 计 各 类 陨 石 的 比 例 （V.M.Goldschmidt 采用硅酸盐：镍-铁： 陨硫铁=10：2：1）
陨石平均化学成分计算结果 元素 O Fe Si Mg S % 32.30 28.80 16.30 12.30 2.12 Ni Al 1.57 1.38
自然体系中元素的分布
地球化学体系
按照地球化学的观点，我们把所要研 究的对象看作是一个地球化学体系， 每个地球化学体系都有一定的空间， 都处于特定的物理化学状态（C、T、P 等），并且有一定的时间连续。 • 这个体系可大可小
某个矿物包裹体，某矿物、某岩石可看作一个 地球化学体系，某个地层、岩体、矿床（某个流域、 某个城市）也是一个地球化学体系，从更大范围来 讲,某一个区域、地壳、地球直至太阳系、整个宇宙 都可看作为一个地球化学体系。
2．简化研究法（取巧研究法） ： 简化研究法（取巧研究法） 1）Goldschmidt 采集了挪威南部冰川成 ） 因粘土（77 个样）用其成分代表岩石圈平 均化学成分，其结果与克拉克的结果相似， 但对微量元素的丰度做了大量补充和修订。
2) 维诺格拉多夫（1962）岩石比例法是 以两份酸性岩加一份基性岩来计算地壳平 均化学成分。 3）S．R 泰勒（1964、1985）用太古宙 ） 后页岩平均值扣除 20%计算上部陆壳元素 丰度。
月
球
查明：“月海”—玄武岩或显微辉长 岩。月球高原—斜长岩（与 Chibugamou的似） 月球演化：形成于45亿年前，高原区 的岩石年龄为39-40亿年，月海岩石 39-31亿年。月球演化终止。 月球缺少水圈和大气圈
1．获得太阳系元素丰度资料的主要途径： ①太阳、恒星、星际介质和星系元素丰度的光谱与 射电测定； ②地球、月球、陨石、宇宙尘埃样品的实验室精细 分析和广泛的测定； ③利用空间探测器对行星大气、表层土壤和岩石成 分的分析； （探路者号、火星） ④太阳风、宇宙线成分测定等 ……
地壳元素的丰度
一：地壳元素丰度确定的方法
1. 早期克拉克计算法： 是由美国 早期克拉克计算法： F.W.Clarke和H.S.Washington于1924年发表的地 球化学资料中计算出来的。
他们的思路 思路是在地壳上部16公里范围内（最高的 思路 山脉和最深海洋深度接近16公里）分布着95%的岩浆 岩，4%的页岩，0.75%的砂岩， 0.25%的灰岩，而这 5%沉积岩也是岩浆岩派生的，因此认为岩浆岩的平均 化学成分实际上可以代表地壳的平均化学成分。
ppb, ng/g, ppt, pg/g
5： 研究元素丰度的意义
元素丰度是每一个地球化学体系的基本数 据。可在同一或不同体系中进行用元素的含量值 来进行比较，通过纵向 纵向（时间）、横向 横向（空间） 纵向 横向 上的比较，了解元素动态 动态情况，从而建立起元素 动态 集中、分散、迁移活动等一些地球化学概念。 人类在探索和了解元素丰度 丰度这一课题 建立了 丰度 近代地球化学。 举例来加深对元素丰度意义 丰度意义的理解！ 举例 丰度意义
地球的层圈结构（3）
地球原始化学分异： 亿年前形成 亿年前形成； 地球原始化学分异：46亿年前形成； 早期高温，发生部分熔融， 早期高温，发生部分熔融，物质由相 对的均一状态向层壳方向演化， 对的均一状态向层壳方向演化，形成 壳、幔、核。 伴随三种相： 硫化物，硅酸盐。 伴随三种相：Ni-Fe, 硫化物，硅酸盐。 地壳的独立演化应是30亿年前 亿年前， 地壳的独立演化应是 亿年前，是地 址时期的起点。 址时期的起点