1应用地球化学讲义2元素分布
地球化学体系第一章自然体系中元素的分布
3：分布与分配的关系
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 含量。
分配指的是元素地球化学体系内部各个部分 或区段的含量。
4： 地球化学研究中常用的含量单位
绝对含量单位
地核：外地核(2900-5000km)/内地核(51006371km)
地球的层圈结构（3）
地球原始化学分异：46亿年前形成； 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，形成 壳、幔、核。 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，是地 址时期的起点。
• 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：分布和丰度
丰度：指的是元素在这个体系中的相对含量 （平均含量）
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）、
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。
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：
地球化学-化学元素丰度与分布
C.中子俘获过程（铁以后的元素）
中子捕获反应是恒星演化到最晚阶段才开始 发生的重要反应，由此产生原子序数大于 26（Fe）的重元素。 a.慢中子俘获（s 过程）：一个原子的两次 中子俘获之间有足够时间让生成核发生衰 变（ 衰变），可合成元素至A=209。
b.快中子俘获（r 过程）：两次俘获时间很 短（ 衰变较少），可合成A=209以后的 元素。
74 34 33 32 As Ge Ga 31 70 69 71 70 72 71 73 72
76 75 74
77 76 75
质 子 数 Z
30
Zn
Cu
64
63 62 34
65
64 63 35
66
65 64 36
67
66 65 37
68
69
70
70
29 28 Ni 33
38
39
40
41
42Βιβλιοθήκη 中子数N 红巨星中由慢中子捕获反应合成核素示意图（据柴之芳， 1998）。蓝色部分为稳定同位素，其余为放射性同位素
4. 研究元素和同位素丰度与分布的意义 • 研究元素丰度是研究地球化学基础理论问题 的重要素材之一
宇宙天体是怎样起源的？地球又是如何形成的？ 地壳与地幔中的主要元素有什么不一样？生命体是
怎么产生和演化的？这些研究都离不开地球化学体
系中元素丰度分布特征和规律。
• 元素丰度是每一个地球化学体系的基本数据
第2章 化学元素的丰度与分布
• 2.1 元素丰度的概念和表示方法 • 2.2 太阳系的化学组成 2.3 地球的化学组成 2.4 地壳的化学组成 2.5 水-岩化学作用
2.1 元素丰度的概念和表示方法
2.1.1 丰度和丰度体系
2第一章太阳系和地球系统的元素分布和分配
♣认识太阳系和地球系统的物质组成，
对研究太阳系及地球的成因和元素的起 源具有重要意义，也为理解地球形成以 后的演化、地球各圈层的发展及元素的 迁移和分配规律提供必要的基础。
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太阳系和地球的倾向性认识
☻太阳系的化学元素起源于6.2~7.7Ga以前； • 行星（包括地球）的形成则在 4.57±0.0310Ga以前，并且整个形成过程可 能是在较短的时间间隔内完成的； • 地球上第一次出现生命物质的时间大约在 3.5Ga以前； • 人类的出现仅有2.0Ma的历史；
41
1.1.4.1 陨石的类型
• 通常根据其中的金属含量将陨石划分为3大类 型： 球粒陨石 约含10％金属 • 1.石陨石 { 无球粒陨石 约含1％金属 • 2.石一铁陨石 镍-铁金属相和硅酸盐相各50% • 3.铁陨石 金属镍-铁含量大于90％
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铁陨石
石陨石
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1 太阳系和地球系统元素的丰度
1.1 太阳系的组成及其元素丰度 1.2 地球的结构和化学成分 1.3 地壳的化学组成
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1.1 太阳系的组成及其元素丰度
• • • • • • • •
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1.1.1 1.1.2 1.1.3 1.1.4 1.1.5 1.1.6 1.1.7 1.1.8
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1.1.2 太阳系组成
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1.1.2 太阳系的组成
• 1. 太阳系组成 • 2. 行星类型：
内行星 (接近太阳的较小行星)——水星、金星、地球、 火星，也称类地行星（岩石质行星）；
地质学知识：地球化学中的元素分布与演化
地质学知识：地球化学中的元素分布与演化地球化学是研究地球物质的组成、性质、分布和演化的学科。
其中，元素分布与演化是地球化学研究的基本内容之一。
本文将简要介绍元素分布与演化的相关知识。
一、元素分布地球上的元素主要来源于宇宙物质和地球内部物质。
宇宙物质包括星际物质和陨石，其中包含的元素种类很多，主要是氢、氦和锂等轻元素以及碳、氧、氮、铁等重元素。
地球内部物质主要包括地壳、地幔和核，其元素分布也具有明显的层次性。
较轻的元素主要分布在地壳和地幔，包括硅、铝、钙、钾、钠等。
地壳中的元素主要以氧化物、硅酸盐和硫酸盐的形式存在。
而地幔中的元素主要是以硅酸盐和氧化物的形式存在，且含有较多的铁、镁等元素。
重元素主要存在于地球内部核中。
地球核分为外核和内核，外核主要是由铁和镍等元素组成的液态物质，而内核则主要由铁和一些轻元素如硫、氧组成。
地球内部物质的元素分布不均衡，这种不均衡性是地球化学研究的重要内容之一。
二、元素演化元素的演化是指地球上元素来源、变化和分布的历史过程。
元素演化的主要过程包括元素的起源和演化、元素的循环作用以及元素的分布特征。
地球上的元素起源主要有两种观点，一种是大爆炸后形成的宇宙元素在恒星内部聚合，形成新的元素，然后经由恒星飞出到空间中，经过一定的演化过程后，形成了地球上的基本元素。
另一种观点认为，地球上的元素大部分来源于超新星爆炸。
元素的循环作用是指地球系统内元素的相互作用过程，主要包括地球化学循环和物质循环。
其中，地球化学循环包括一系列物质的化学反应和迁移，如氧化还原反应、水文循环、生物地球化学循环等。
物质循环则是指物质在不同介质之间的循环过程，如水、大气、岩石、土壤和生物等介质之间的物质转化过程。
元素的分布特征是指地球上各种元素的分布规律和区域特征。
例如，地壳中铝的含量较高，主要分布在长芦山、横山等地区。
地幔中铁的含量较高，主要分布在太平洋橙色液体等地区。
地球内部核中铁和镍的含量较高，约占地球质量的1/3。
地球化学概述了解地球的元素组成和化学过程
地球化学概述了解地球的元素组成和化学过程地球化学是研究地球中元素的分布、组成、循环和地球化学过程的学科。
通过地球化学的研究，可以深入了解地球内部的构造、岩石的形成和变化，以及地球表面的地球化学循环过程。
本文将对地球化学的概念、地球的元素组成和化学过程进行详细介绍。
一、地球化学的概念地球化学是研究地球内部、地壳以及地球表面物质的元素组成、构造、化学性质、分布和相互作用的学科。
它综合运用地质学、化学以及物理学等多学科的知识，通过对地球样品的分析和实验研究，揭示地球内外部物质的来源和演化过程，以及地球系统各部分之间的相互关系。
二、地球的元素组成地球是由各种元素组成的。
根据地球上物质的组成，可以将其分为地壳、地幔和核三部分。
1. 地壳地壳是地球最外层的岩石壳层，主要由氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾等元素组成。
其中，氧的含量最多，占地壳质量的约46.6%，次为硅，占约27.7%。
2. 地幔地幔位于地壳之下，是地球的中间层，其元素主要有铁、镁、铝、钙等。
地幔的质量约占地球质量的68%，是地球上最大的岩石体。
地幔的主要成分是硅酸镁铁质岩石，这种岩石含有较多的镁和铁。
3. 核地球的核分为外核和内核两部分。
外核主要由铁和镍组成，内核则是主要由铁和镍合金组成的固体球体。
核部分含有大量的重元素，如黄金、铂等，但是在地壳和地幔中的含量相对较少。
三、地球的化学过程地球的化学过程主要包括物质的释放、迁移、转化和再结晶等过程。
1. 物质的释放地球化学过程首先是物质的释放。
通过火山喷发、岩浆的侵入、地壳的拆解和岩石的风化等方式，地球内部的物质被释放到地表。
2. 物质的迁移释放到地表的物质会通过水、空气、土壤等介质进行迁移。
例如，地下水中的溶解物质会随着地下水流动的迁移而分布到不同位置。
3. 物质的转化地球中的物质会在不同的环境条件下发生转化。
例如，地壳中的岩石可以在高温高压的条件下变质成为变质岩，而在地表的岩石则会受到风化作用而转化为沉积岩。
地球化学研究地球上的化学元素分布
地球化学研究地球上的化学元素分布地球，这颗我们赖以生存的蓝色星球，充满了无数的奥秘等待着我们去探索。
而地球化学这门科学，就像是一把神奇的钥匙，帮助我们解开地球上化学元素分布的谜题。
在我们日常生活的世界里，化学元素无处不在。
从我们呼吸的氧气，到构成身体的各种矿物质，再到脚下的土地和周围的岩石，无一不是由化学元素组成的。
然而，这些元素在地球上并非均匀分布，而是有着特定的规律和模式。
地球化学的研究首先关注的是地球的内部结构和组成。
地球的核心、地幔和地壳，每个部分都有着不同的化学元素组成。
例如，地球的核心主要由铁和镍等重金属元素组成，而地壳则富含硅、铝、氧等轻元素。
这种分层结构的形成，与地球在漫长的演化过程中的物理和化学过程密切相关。
在地球的表面，化学元素的分布也受到多种因素的影响。
气候就是其中一个重要的因素。
在湿润的地区，由于雨水的冲刷和侵蚀作用，一些易溶解的元素如钾、钠等更容易被迁移和重新分布。
而在干旱的地区，这些元素则相对较为集中。
地质作用也是影响化学元素分布的关键因素。
火山活动会将地球内部的岩浆带到地表，其中蕴含着丰富的矿物质和化学元素。
这些岩浆冷却凝固后，形成了各种岩石，从而改变了当地的化学元素组成。
板块运动则会导致不同地区的岩石相互碰撞和融合，进一步影响元素的分布。
除了自然因素，人类活动也在逐渐改变地球上化学元素的分布。
工业生产、农业活动、矿产开采等人类行为，都使得大量的化学物质被释放到环境中。
例如，过度使用化肥会导致土壤中氮、磷等元素的含量过高，进而影响周边的水体和生态系统。
为了研究地球上化学元素的分布，地球化学家们运用了各种各样的方法和技术。
他们采集岩石、土壤、水样等样本，然后通过化学分析的手段，测定其中各种元素的含量。
这些分析技术包括原子吸收光谱、X 射线荧光光谱等，能够精确地测量出样本中微量的化学元素。
此外，地球化学家还会利用同位素分析的方法。
同位素是同一元素的不同原子，它们的质子数相同，但中子数不同。
元素地球化学
元素地球化学预览说明:预览图片所展示的格式为文档的源格式展示,下载源文件没有水印,内容可编辑和复制元素地球化学第一章：导论◆地球化学的三个主要分支：①元素地球化学②同位素地球化学③实验地球化学◆元素地球化学：是地球化学最主要的分支学科，它通过逐一阐明个别元素的地球化学和宇宙化学特征及其与其它元素的组合关系来研究自然界化学演化规律的学科,是地球化学的传统研究内容和主干学科。
它力求完整地了解元素的地球化学旋回及其演化历史和原因,揭示元素含量变化对自然过程的指示意义◆元素地球化学主要研究内容和任务：（1）每个或每组化学元素的地球化学性质；（2）元素或元素群在自然界的分布、分配情况；（3）元素相互置换、结合、分离的规律和机制；（4）元素的存在形式、组合特点、迁移条件；（5）每个元素的地球化学旋回及其演化历史和原因（6）应用于地球资源、环境和材料的研究、预测、开发和保护。
◆元素地球化学的研究方法：（1）地质研究方法；（2）高灵敏度、高精度、快速和经济的测定和分析手段：ICP-MAS、ICP-AES、X荧光、电子探针等等；（3）各种地球化学模拟实验研究；（4）一些物理化学、热力学等理论的应用；（5）计算机技术在处理大量数据方面的广泛应用。
◆戈尔德施密特的元素地球化学分类：亲铁元素Siderophile：富集于陨石金属相和铁陨石中的化学元素。
它们与氧和硫的结合能力均弱,并易溶于熔融铁中；在地球中相对于地壳和地幔,明显在地核内聚集。
其离子最外层电子数在8～18之间。
典型的秦铁元素有镍、钴、金、铂族元素。
亲石元素lithophile：在陨石硅酸盐相中富集的化学元素;在地球中它们明显富集在地壳内,有较大的氧化自由能。
在自然界中都以氧化物,含氧盐，特别是硅酸盐的形式出现。
如硅、铝、钾、钠、钙、镁、铷、锶、铀、稀土元素等。
其离子最外层电子数为2或8。
亲铜元素chalcophile：在陨石硫化物相和陨硫铁(FeS)中富集的化学元素；在自然界中,它们往往易与S2-结合成硫化物和复杂硫化物。
04第二章元素在地球各圈层中的分布
Mn2++H2O Mn(OH)2+2H+
(1.9×10-13)
Ca(OH)2 (5.5×10-6)
Mg(OH)2 (1.8×10-11)
沉淀的PH范围 10-2M 10-5M
>5.5 >2.2 >8.5
>7.2 >3.2 >10
>8.5 >11.5
水圈PH值的变化:
表生含水矿物的形成,释放出(HO)- 离子 4K[AlSi3O8]+10H2O=Al4[Si4O10](OH)8 •4H2O+
地球的化学演化
由于地球的去气作用，产生了地球外部的大气 圈。原始大气圈的成分主要是H2、H2O、CH4 NH3、N2、CO、CO2、H2S以及少量的惰性气 体。由于游离氧很少，所以大气圈具有还原性质。
40亿年左右，地球遭受了强烈的陨石冲击 火山 活动加强，扩大了原始的水圈和大气圈。
原始水圈中因含有HF、H3BO4和SiO2，估计当 时地表水的PH值接近于l-2．
8SiO2+4K(OH) 岩石圈与水圈中发生的氧化还原反应对水圈的PH值 也产生重要影响:
4Fe+2+4H++O2 --- 4Fe+3+2H2O 氧化反应消耗大量H+，使溶液向碱性方向演化。
大气圈O2 的主要来源； (1) 火山排气作用 (2) 早期大气电离作用 (3) 生物作用
由上述反应和溶度积大小，可以看出，地 球早期硅铁建造，与碳酸岩的缺失，表明 当时海水具有较低的PH值，碳酸岩的大规 模沉淀标志海水PH值发生由酸性向碱性方 向的变化。正是水圈PH值的变化导致大气 圈中的CO2快速向固体岩石圈的转化，使 大气圈由CO2型向富氮氧型转化。
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应 用 地 球 化 学
华南花岗岩的形成时代由老到新，岩石中SiO2 、K2O 的含量越来越高，相应的不相容元素Nb、Ta、REE、 W、Sn、Be、Li、Rb、Pb、F、Cu等含量越来越高， 巴尔科特把岩浆岩演化的这种规律总结为极性演化， 即酸性岩越来越酸性，基性岩越来越基性。 这为矿产评价与找矿提供了思路，即在时代最新的花 岗岩类岩体中寻找不相容元素的矿床，如我国稀有金 属元素总是与燕山期花岗岩有关，而相容元素如Cr、 Ni、Pt等主要在最年轻的基性岩、超基性岩岩体中去 找。
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应 用 地 球 化 学
第二节
元素的共生组合
一、元素的亲和性 二、成岩与成矿作用的典型元素组合 三、元素的时空分布—地球化学场
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第二节
元素的共生组合
异）
查瓦理斯基分类（12族）（成岩成矿作用） 成岩成矿作用） 查瓦理斯基分类（ 族）（成岩成矿作用 谢尔巴科夫 相容性分类（岩浆作用） 相容性分类（岩浆作用）
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应 用 地 球 化 学
谢尔巴科夫用元素的向心力和离心力描述这 种向地球外圈贫化或富集的趋势。其假设： 陨石成分（u）当作地球的平均成分，代表地 球的原始浓度 玄武岩作为地幔平均成分，将玄武岩元素丰 度（V）作为元素离心的基本参数； 页岩是地壳中广泛分布的沉积岩，是地球表 部各类岩石的平均成分代表（c）
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我国华南不同时期花岗岩中元素含量特征
应 用 地 球 化 学
成岩时期 研究岩体数 SiO2（％） K2O Nb Ta TR（总量) WO3 Li Rb
雪峰-四堡期 加里东期 61 69.3 29 15 3 208 2.87 67 190 143 70.53 3.8.6 21 6 209 2.79 58 214
应用地球化学
-----第一章
任利民
renlm9974@
地球科学学院地球化学研究所
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应 用 地 球 化 学
本章内容
一、地球化学旋回与元素分布 二、元素的共生组合 三、元素的空间分布 四、元素含量的概率分布
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应 用 地 球 化 学
10000 1000 100 10 1 雪峰-四堡期
我国华南不同时期花岗岩中元素含量特征
加里东期
海西期
燕山期
SiO2 K2O Nb Ta TR Cs Sn Cu Pb Cr V
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应 用 地 球 化 学
二、常量组分分布特征
遵循化学计量原则形成自然矿物 地壳：易熔的硅铝长英质成分（Si、Al、 地壳 Ca）和Ｋ、Na、水增加，以长英质浅色 矿物为主 地幔：难熔组分Mg、Fe、Ni、Co、Cr； 地幔 以铁镁暗色矿物为主
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三．微量元素的分布规律
应 用 地 球 化 学
微观上受元素类质同象置换条件制约 微观 宏观上受元素分配系数制约，以某种统计规 宏观 律反映富集贫化趋势。
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常见造岩矿物中类质同象混入物微量元素含量表
应 用 地 球 化 学
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应 用 地 球 化 学
Hofman(1988年)排出了亲石元素不相容性降低序列： Rb、Pb、U、Th、Ba、K、La、Ce、Nb、Pr、Sr、 Nd、Zr、Na、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Y、 Tm、Ti、Lu、Cu、Sc、Co、Mg、Ni。 地幔部分熔融形成岩浆，下地壳岩石在增温增压，特 别是在含有一定水时可以重熔成岩浆。每次重熔，不 相容元素和相容元素都产生一次分离，从而使晚期的 岩浆较早期的岩浆更富集不相容元素。
应 用 地 球 化 学
一、地球化学旋回
元素演化是以元素的赋存介质的变迁实现的。 岩石大循环： 岩石大循环 在大旋回演化过程中，同时还存在不同级次 的次级旋回。 地球化学旋回的方式可以重复，但其物质成 分的演化趋势是不可逆的，不能简单的重复， 从而引起了化学元素的分异和演化，这种分 异和演化是有规律的。
0.0x% Mn,Ta,V,Cr U,Pb Ga Rb,Ti Cr,Mn,V,Cs,Ga Cr,Ga,Sn,Cu,V Zn,Cu,Sn,Ni Ti,Mn,P —
0.00x% Ba As,Cr,V — Pb,Ga,V,Zn,Ni,Cu,Li Zn,Sn,Cu,B,Nb Rb Co,Pb,Mo Be,U,Sn,Nb Fe,Mg,Al,Ti,Na,B,Ga ,Ge,Mn,Zn
加里东 期
143 1.6 16 792 15 27 37 61 51 4.6
海西 期
62 15 25 18 36 46 6
燕 山 期
272 5.4 2.5 1388 42 38 54 28 16 1
研究岩体数 Be Cs F Sn Cu Pb Cr V Co
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X% 橄榄石 角闪石 辉 石 黑云母 斜长石 绿帘石 — — — Ti,F K TR
0.x% Ni,Mn Ti,F,K,Mn,Cl, Rb Ti,Ni,Mn,K Ca,Na,Ba, Mn,Rb Sr Mn.,Ti
0.0n,V,Cu,Sc Co Zn,Cr,V,Sr,Ni Cr,V,Ni,Cl,Sr Ba,Cu,P,Co, Ga, Pb,Li,B P,Cu,Co,Zn,Li,Rb, Ba
岩石类型 元 素 共 生 组 合
1、深成岩 一般组合
Si-Al-Fe-Mg-Ca-Na-K-Ti-Mn Zr-Hf-Th-U-B-Be-Li-Sr-Ba-P-V Cr-Sn-Ga-Nb-Ta-W-卤族-TR Cr-Co-Ni-Mg-Fe-Cu Fe-Mg-Ti-V-Sc Ba-Li-W-Mo-Sn-Zr-Hf-U-Th Ti-Nb-Ta-Zr-TR-F-P Li-Rb-Cs-Be-REE-Nb-Ta-U-Th-Zr-Hf-Sc
海西期 62 71.23 4.36 21 4 152
燕山期 272 72.76 4.74 35 8 256 5.16 96 358
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成岩时期
应 用 地 球 化 学
雪峰-四 堡期
61 1.6 16 726 15 28 33 129 87 10
应 用 地 球 化 学
榍 石 磷灰石 石榴石 正长石 白云母 电气石 磁铁 锆石 石英
— — Mn,Cr Na — — Ti,Al, Cr Hf —
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元素的地球化学分类
应 用 地 球 化 学
戈尔德斯密特的元素分类（ 类）（圈层分 戈尔德斯密特的元素分类（5类）（圈层分
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岩石循环
应 用 地 球 化 学
a
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View of Earth’s layered structure
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元素相容性分类 应 用 地 球 化 学
地球化学家用来描述在结晶相或流体相 富集的特征。 D>1 D>1为相容元素，相当于谢尔巴科夫的 向心元素 D＜1为不相容元素，相当于谢尔巴科夫 的离心元素，如LILE
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第一章
元素分布的基本规律
应 用 地 球 化 学
元素分布、分配有两重含义： 1、元素在地球各圈层的分布，特别是地壳表 层各地质体间及各类岩石、矿物间的分布、 分配； 2、元素在各地质作用过程中的分布、分配。 前者是后者的结果，是应用地球化学研究的 主要内容 自然组合方式与赋存形式
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应 用 地 球 化 学
一、元素的亲和性 戈尔德施密特将冶炼炉中出现的四相(金属铁、 硫化铁、硅酸盐矿渣和气体)与陨石中的铁陨 石、陨硫铁和球粒陨石中的化学成分相比较， 并结合地质作用中元素共生规律，提出了划 分为亲铁、亲硫(亲铜)、亲氧(亲石)、亲气、 亲生物元素的分类方案，并得到了广泛的认 同。
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二．成岩成矿作用的典型元素组合
应 用 地 球 化 学
常见岩石、矿石类型中元素的组合特征
Cl,Zn,V,Cr,Li, Cu,Sn,Sr,Co, Ni P,Pb,Ga Ba,Rb,Ti,Mn Th,Sn P,Ga,V,Zn,Ni,Pb, Cu,Li V,Nb,Zn,Be,U