第1章 太阳系的组成和元素丰度
太阳系的元素丰度
或取样分析； (5)分析测定气体星云和星际间的物质； (6)分析研究宇宙射线。
2、太阳系的元素丰度
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，并且有一定的时间连续。
2、太阳系的元素丰度
地球化学体系
地球化学的基本问题之一就是研究元素在地球化学体 系中的分布（丰度）、分配问题。化学元素在一定自 然体系中的相对平均含量。
估算复杂系统总体化学组成的方法有： 1、用主体代表整体（太阳—太阳系） 2、若已知系统各部分的成分后，可用加权平均法求整 体的化学组成； 3、在拟定的模型基础上，求系统的化学组成（用陨石 对比法求地球的化学组成）
2、太阳系的元素丰度
分布与分配
元素的分布指的是元素在一个化学体系中（太阳、陨 石、地球、地壳、某地区等）的整体总含量； 元素的分配指的是元素在各地球化学体系内各个区域 或区段中的含量； 分布是整体，分配是局部，两者是一个相对的概念， 既有联系又有区别。 例如，地球作为整体，元素在地壳中的分布，也就是 元素在地球中分配的表现，把某岩石作为一个整体， 元素在某组成矿物中的分布，也就是元素在岩石中分 配的表现。
土星
火星
天王星 水星
金星
木星
冥王星
海王星
太阳系8大行星分布及运行轨道
1、太阳系的组成
行星沿椭圆轨道绕太阳运行。分为 两类：接近太阳的较小内行星-水星， 金星，地球，火星－类地行星；远 离太阳大的外行星-木星，土星，天 王星，海王星－类木行星。
第01章 元素丰度与分布.ppt
第一节 元素的宇宙丰度 第二节 元素在地球中的分布
第二节 元素在地球中的分布
一． 地球元素平均成分 二． 地壳元素平均成分 三． 地幔成分
第二节 元素在地球中的分布
一、地球的圈层构造及化学组成 1.圈层构造 地壳：上地壳和下地壳 地幔：上地幔和下地幔 地核：外核和内核
Crust 0
1000 Mantle
0.44
0.42
0.41
6.50
6.25
6.04
单一陨石类比法 艾伦司 （109.0645） 35.0 0.7 14.4 1.30 17.8 0.05 2.3 0.085 1.40 0.05 0.25 0.2 25.1 0.08 1.35
第二节 元素在地球中的分布
(2)地球模型-陨石类比法 按地球的各主要圈层的比例计算： 地核 ：32.4%，球粒陨石的镍铁金属相+5.3%陨
Ni, Co, Cu, Ag, Au, Mo, U, Cd, As, Sb
第二节 元素在地球中的分布
(3) 元素在岩石各矿物中的分配 载体矿物和富集矿物的概念 载体矿物：在岩石中某元素主要赋存的矿物 富集矿物：某元素的含量远远高于岩石平均含量的
矿物
Pb、Zn 在花岗岩各矿物中的分配
矿物 石英
岩石中矿 矿物中 物含量 Pb 含量
星带的物质相同；c.陨石是破坏了的星体碎片；d. 产生陨石的星体其内部结构和成分分布与地球类 似
元素 C O Na Mg Al Si P S K Ca Ti Cr Mn Fe Co Ni
陨石类比法求得的地球元素丰度（wt%）
法令顿
综合陨石类比法 契尔文斯基
克拉克
（109.0141） 10.10
3% b.岩石圈中（地壳） 岩浆岩： 页岩： 砂岩： 灰岩 95% 4% 0.75% 0.25%
1-太阳系和地球系统的元素丰度-3
地球的结构和各圈层的成分
地幔的结构
核-幔边界(CMB)和D’’层 下地幔与外核边界和D’’层的界线是古登堡不连续面，深度约 2800km。CMB具有10km的地形起伏。D’’层为一200-300km厚 的物理化学不均一区，该层是核幔间热和化学反应带。核是热源， 它将热能传送到D’’层，富铁外核液体可以渗透并与地幔硅酸盐 岩反应，地幔元素(O,Si和Mg)也可以溶入液体外核。地幔对流及 地幔柱的形成也是由地核热能引起。
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地球的结构和各圈层的成分
地壳化学成分
综上所述得出结论：地壳中元素丰度不仅取决于
元素原子核的结构和稳定性（决定宇宙中元素丰
度的因素），同时又受地球形成前、地球形成时
以及地球存在时期物质演化和分异的影响。 即现在地壳中元素丰度特征是由元素起源直到地 壳形成和存在这一漫长时期内元素演化历史的总 体体现。
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地球的结构和各圈层的成分
元素在主要岩石类型中的分配
2.沉积岩中元素的分配 1）碱金属元素Li、Na、K、Rb、Cs和Si、Al等在页岩、泥质岩 中含量最高，碳酸盐岩中最低。 2）碱土金属元素Ca、Mg和Sr等在碳酸盐岩中含量最高，砂岩 中最低。 3）过渡族元素Mn、Co、Ni等在深海沉积物中含量最高，深 海沉积物中还富集B、Na、Ba、P、S、Cu、Mo、Pb及卤族 元素F、Cl、Br、I 等，其含量高于各自在岩浆岩中含量最高 值。 变质岩的化学成分受原岩（沉积岩和岩浆岩）控制，因此其元 素含量不因变质类型程度的不同有明显差异
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地球的结构和各圈层的成分
地壳化学成分
偏离这种 依从关系 的元素， 可以归入 过剩元素 (O、Si、 Ca、Fe) 或短缺元 素(Li、Be 等)。
1太阳系和地球系统元素的丰度
第一章太阳系和地球系统的元素丰度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用元素的含量值来进行比较，通过纵向（时间）、横向（空间）上的比较，了解元素动态情况，从而建立起元素集中、分散、迁移活动等一系列地球化学概念。
从某种意义上来说，也就是在探索和了解丰度这一课题的过程中，逐渐建立起近代地球化学。
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？地壳中主要元素为什么与地幔中的不一样？生命是怎么产生和演化的？这些研究都离不开基础概念太阳系的组成及元素丰度地球的结构和化学成分地球化学体系中元素丰度分布特征和规律。
1.1基本概念地壳元素的丰度区域中元素分布的研究1. 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。
地球化学的基本问题之一就是研究元素在地球化学体系中的分布（丰度）、分配问题，也就是地球化学体系中元素“量”的研究。
2. 分布与丰度所谓元素在体系中的分布，一般认为是元素在这个体系中的相对含量（以元素的平均含量表示），即元素的“丰度”。
其实“分布”比“丰度”具有更广泛的涵义：体系中元素的丰度值实际上只是对这个体系里元素真实含量的一种估计，它只反映了元素分布特征的一个方面，即元素在一个体系中分布的一种集中（平均）倾向。
但是，元素在一个体系中，特别是在较大体系中的分布决不是均一的，还包含着元素在体系中的离散（不均一）特征，因此，元素的分布包括：①元素的相对含量（平均含量=元素的“丰度”）；② 元素含量的不均一性（分布离散特征数、分布所服从的统计模型）。
第一章太阳系
太阳
• 太阳
•
太 阳是太阳
系的母星，也是
最主要和最重要
的成员。它有足
够的质量让内部
的压力与密度足
以抑制和承受核
融合产生的巨大
能量，并以辐射
的型式，例如可
见光，让能量稳
定的进入太空。
• 太阳在赫罗图上 的位置
•
内太阳系 内太阳系在传统上是类地行星 和小行星带区域的名称，主要是由 硅酸盐和金属组成的。这个区域挤 在靠近太阳的范围内，半径还比木 星与土星之间的距离还短。
（黄道）的附近。行星都非常靠近黄道，而彗星和柯伊伯带天体，
通常都有比较明显的倾斜角度。
–
由北方向下鸟瞰太阳系，所有的行星和绝大部分的其他天体，
都以逆时针（右旋）方向绕着太阳公转。有些例外的，像是哈雷彗
星。
–
环绕着太阳运动的天体都遵守开普勒行星运动定律，轨道都以
太阳为椭圆的一个焦点，并且越靠近太阳时的速度越快。行星的轨
（earth）、火星（mars）、木星 (jupiter）、土星（saturn）、天王星 （uranus）、海王星（neptune）。离太 阳较近的水星、金星、地球及火星称为类
地行星（terrestrial planets）。
宇宙飞船对它们都进行了探测，还曾在火星与金星 上着陆，获得了重要成果。它们的共同特征是密度 大（>3.0克/立方厘米），体积小，自转慢，卫星少， 内部成分主要为硅酸盐（silicate），具有固体外壳。 离太阳较远的木星、土星、天王星、海王星称为类 木行星（jovian planets）。它们都有很厚的大气 圈，其表面特征很难了解，一般推断，它们都具有 与类地行星相似的固体内核。在火星与木星之间有 100000个以上的小行星（asteroid）（即由岩石组 成的不规则的小星体）。推测它们可能是由位置界 于火星与木星之间的某一颗行星碎裂而成的，或者 是一些未能聚积成为统一行星的石质碎块。陨星存
1-太阳系和地球系统的元素丰度-2
7 7
地球的结构和各圈层的成分
地球不同圈层主要元素组成
Schematic diagram showing some of the major reservoirs in the Earth (atmosphere, ocean, continental crust, oceanic crust, mantle, core) and how they may interact. Red ovals represent regions where solid mantle is being partially melted.
地球中元素含量从高到低的顺序为： Fe、O、Si、Mg、Ni、S、Ca、Al、Na、Co、P、K、Ti… 90% >1% 0.01-1%
太阳系：H>He>O>Ne>N>C>Si>Mg>Fe>S 地壳：O>Si>Al>Fe>Ca>Na>K>Mg>Ti>H 地球中元素丰度的顺序与太阳系中元素丰度顺序明显不同， 说明组成地球的物质相对于太阳系组成已发生了明显的 化学分异。
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27
地球的结构和各圈层的成分
元素克拉克值研究地球化学意义
稀有金属和贵金属的浓集系数达数百、数千，甚 至几万倍。表明形成矿床需要很高的富集程度。 如Mo需要富集460倍，汞10000倍，铋1250000倍, 这些元素要在克拉克值基础上富集数百到数万倍 才能成矿。
元素富集成矿的可能性并不完全取决于元素克拉 克值，还取决于元素地球化学性质即元素迁移能 力和活动性等。如Au的浓集系数6000，但金的大 型超大型矿床很多，表明金的活动和迁移能力很 强。
太阳系的元素丰度
02
太阳系的元素丰度分布
太阳的元素丰度
太阳的元素丰度
太阳主要由氢和氦组成，其中氢的丰 度最高，约占太阳质量的70%以上， 氦素合成
行星形成
行星在形成过程中吸收了 不同元素，形成了各自独 特的化学成分。
行星的形成与演化
行星形成
行星由星子凝聚而成，通过吸附 周围物质逐渐增大质量。
行星演化
行星在形成后经历了数亿年的演化， 包括内部结构和外部形态的变化。
行星化学成分
行星的化学成分受到太阳系元素丰 度的影响，同时也受到行星内部演 化过程的制约。
太阳元素丰度的影响
太阳的元素丰度决定了太阳系的化学 成分和行星的演化过程。例如，行星 内部的热压和重力作用会影响行星的 结构和组成。
太阳内部的核聚变反应将氢元素转化 为氦元素，并释放大量能量。这个过 程是太阳发光发热的主要原因。
行星的元素丰度
类地行星的元素丰度
类地行星（如水星、金星、地球和火星）主要由硅酸盐岩石组成，含有较高丰 度的氧、硅、铁等元素。其中，地球的铁核占据了地球质量的很大一部分。
太阳系的形成始于约46亿年前，由一个巨大的分子云坍缩形 成，其中主要的组成部分是氢和氦。随着时间的推移，太阳 系内的行星和其他天体逐渐形成，它们的组成成分反映了原 始星云中的元素丰度。
元素丰度定义
元素丰度指的是宇宙中某一元素的相对含量。在太阳系中，元素丰度通常以每百万 个氢原子中的数量来表示（ppm），或者以每十亿个原子中的数量来表示（ppb）。
彗星的元素丰度
彗星是一种小天体，主要由冰、尘埃和岩石组成。彗星的化学成分较为复杂，含有大量的水、二氧化 碳、一氧化碳等物质。彗星的轨道特征表明它们来自太阳系的外部区域。
第一章元素的丰度与分布
第一章元素的丰度与分布第一节元素的宇宙丰度我们常说的元素宇宙丰度，实际上是太阳系的元素丰度，元素的宇宙丰度是研究元素起源的理论依据，是解释各类天体演化过程的基础。
由太阳、行星及其卫星、小行星、营星、流星体和星际物质构成的天体系统称为太阳系。
太阳的质量占整个太阳系总质量的99．8％，而其它成员总合仅占o．2％。
按成分特点，九大行星可以划分为三种类型：类地行星：顾名思义，它指与地球类似的行星，包括水星、金星、地球和火星。
其特点是质量小、密度大、体积小、卫星少。
成分特点是以岩石物质为主，富含Mg、Si、Fe等，含亲气元素少；巨行星：木星和土星。
它们的体积大、质量大、密度小、卫星多。
如果以地球质量和体积分别为1，则土星分别为95．18和745，木星分别为317．94和1316。
其成分特点是主要含H、He，亲石和亲铁元素少；远日行星：天王星、海王星、具王星。
其成分特点是以冰物质为主。
H含量估计为10％，He、Ne平均为12％。
上述三类行星中岩石物质：冰物质：气物质的比值分别为1：10—‘：10—y—lo“’；O．02：o．07：o．9120．195：0．68：0．12。
以上三类行星主要元素的原子相对丰度如表1．1所示：随着行星际空间探测的发展，地球和月球成分的大量精细研究，各类陨石元素组成数据的积累，雪星、流星体成分的测定，“使之对太阳系化学组成的研究获得了比较满意的结果，对各行星及卫星也提出了多种化学组成模式。
如前所述，太阳系的行星成分可分三大类：岩石质的；岩石质和冰物质的；气物质的。
根据平衡凝聚模型，由于太阳星云凝聚过程中温度的差异，距太阳愈远温度愈低，因而各行星区凝聚物的成分和含量均不相同。
水星：主要由难熔金属矿物，铁镍合金和少量顽辉石组成；金星：除上述成分外，还含有钾(钠)铝硅酸盐，但不含水；地球；除上述成分外，还含有透闪石等一些含水硅酸盐和三种形式的铁(金属铁，FeO，FeS)，其中金属钦和FeS形成低熔点混合物，在放射性加热下熔化、分异，形成早期地核。
第一节认识太阳系
太阳系
你
了
解
金
星
吗
？
金星是天空中除日月外最亮的、也是与地球最接近的行 星，人们经常可以在黎明或者黄昏看到它，我们把它叫 做启明星，又把他比作爱神维纳斯。
太阳系
金星的名称
金星，在中国民间称它为“太白”或 “太白金星”。古代神话中，“太白金星” 是一位天神。有时是晨星，黎明前出现在 东方天空，被称为“启明”；有时是昏星， 黄昏后出现在西方天空，被称为“长庚”。
爱因斯坦的质能关系： E m c2
氢热核聚变为氦：
4p
H
4 e
2e
2
0
释放能量：26.7MeV。
每秒钟有质量为 6 亿吨的氢热核聚变为 5.96 亿吨的 氦，释放出相当于 400 万吨氢的能量，根据目前对太 阳内部氢含量的估计，太阳至少还有 50 亿年的正常 寿命。
太阳系
二、太阳系的组成
太阳系
观察八大行星的位置关系。
距太阳由近到远：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天 王星、海王星。
太阳系
水星 Mercury
金星 Venus
地球 arth
火星 Mars
木星 Jupiter
土星 Saturn
天王星 Uranus
海王星 Neptune
太阳系
2、八大行星的运动特点
① 同向： 行星绕日公转方向和自转方向一致。
太阳系
太阳系
太阳系
3、对流层 ：在辐射区外侧，太阳气体呈对流的不 稳定状态，厚度大约 14 万km。 温度、压力和密度变化梯度很大，物质径向对流强 烈又不均匀，可产生低频声波，将机械能通过光球 传输到太阳的外层大气。
4、大气层：①光球层 ：厚度为500km的不透明的黄 色气体薄层，温度约 5770 k（太阳的平均有效温度）。 光球层发射几乎全部可见光。 光球层上最显著的现象是太阳黑子。 在光球层有“米粒”、“超米粒”组织， “米粒”组 织直径约 1000 到 2000 公里 ，寿命约十分钟；“超 米粒”组织，尺度达 三万公里 左右，寿命约 20 小时。
第1章 太阳系的组成和元素丰度,地球剖析
★炽热的气态星云凝聚（均一增生再熔融分异） ★冷的固态质点逐渐吸积（非均一增生说)。地球轻气
体H、He等及重气体Kr、Xe等都强亏损有利该说。目 前，星子连续吸积说较流行。
太阳星云自转加速=> 星云盘+原太阳 =>温度增高引起星云盘内的物质分 馏。靠近原太阳的星子主要由难熔的 金属Fe、Ni及其氧化物所组成，与原 太阳距离的增加，星子的化学组成逐 渐被Mg和Fe的硅酸盐以及水、甲烷 （CH4)、氨(NH3)以及其他的挥发组 分的冰所组成
又叫SMT法(硅酸盐相S-金属相M-硫化物相T)
（1）地球元素丰度的研究方法
③地球物理类比法(黎彤，1976):在布伦模 型A+B+C+D+E +F+G(层)基础上,提出各 层圈（地壳、上地幔、下地幔、外核、 内核）质量分数和物质成分，再加权平 均计算获得地球元素丰度
（2）地球元素丰度及其规律
先分壳幔核三层
布伦模型:A、B、C、D、E、F、G
地球结构概要
区域
大陆地壳 海洋地壳
上地幔 过渡带 下地幔 外核 内核
深度
0-50 0-10 10-400 400-650 650-2890 2890-5150 5150-6370
占总地球质 量的比率 0.00374 0.00099
0.103 0.075 0.492 0.308 0.017
华盛顿，1925；Mason,1966：地球模型-陨石类比法 黎彤，1976：地球物理类比法 请与 教材73页“整体地球成分估值，McDonough2003”对比
（2）地球元素丰度及其规律
太阳系和地球系统化学元素的分布与分配
第一章太阳系和地球系统化学元素的分布与分配研究任何物质的存在和运动规律，都必须观察研究对象的质和量的特征。
地壳和地球的化学组成如何，元素的相对含量怎样，无疑是地球化学必须探讨的基础课题。
地球化学在研究太阳系、地球和地壳及其它不同地质体中元素的含量时，常采用“丰度”（abundance）“分布”（distribution）和“分布量”等不同术语，它们都表示一定空间中物质组成的相对平均含量。
1.1太阳系的化学成分太阳系由太阳、行星、行星物体（宇宙尘、彗星、小行星）和卫星所组成，其中太阳集中了整个太阳系99.8%的质量。
行星沿着椭圆轨道绕太阳而运行(图1.1)。
在它们中间可以划分为两种类型：接近太阳的较小的内行星－水星、金星、地球、火星，也称为类地行星；远离太阳的大的外行星－木星、土星、天王星、海王星和冥王星。
在火星和木星之间存在着数以兆计的小行星（小行星带）。
它们的大小相差极大，其中最大的谷神星直径达770km。
据估计，直径大于10km的小行星有104个，而直径大于1m 的则有1011个。
有些小行星的轨道是横切过行星的轨道。
在殒落到地球上来的陨石中，已经发现有两颗的轨道曾位于小行星带内。
确定太阳系或宇宙丰度的途径计有：（1）直接分析测定地壳岩石、各类陨石和月球岩石的样品；（2）对太阳及其它星体辐射的光谱进行定性和定量研究；（3）利用宇宙飞行器对邻近地球的星体进行就近观察和测定，或取样分析；（4）分析测定气体星云和星际间的物质；（5）分析研究宇宙射线。
图1.1 太阳系及其行星示意图上图－示大小比例，下图－示分布及运行轨道1.1.1陨石的化学成分陨石是落到地球上来的行星物体的碎块。
它们可能起源于彗星。
更加可能来自火星和木星之间的小行星带。
陨石可由显微质点大小到具有几千公斤的巨块。
据估计，每年落到地球表面的大约有500个陨石，其总质量可达3×106至3×107t。
然而，每年见到其殒落，但又能找到的陨石仅5到6个。
《地球化学》练习题2
恩《地球化学》练习题第一章太阳系和地球系统的元素丰度（答案）1.概说太阳成份的研究思路和研究方法。
2.简述太阳系元素丰度的基本特征。
3.说说陨石的分类及相成分的研究意义.4.月球的结构和化学成分与地球相比有何异同？5.讨论陨石的研究意义。
6.地球的结构对于研究和了解地球的总体成分有什么作用？7.阐述地球化学组成的研究方法论。
8.地球的化学组成的基本特征有哪些？9.讨论地壳元素丰度的研究方法。
10.简介地壳元素丰度特征。
11.地壳元素丰度特征与太阳系、地球对比说明什么问题？12.地壳元素丰度值（克拉克值）有何研究意义？13.概述区域地壳元素丰度的研究意义。
14.简要说明区域地壳元素丰度的研究方法。
15.岩浆岩中各岩类元素含量变化规律如何？16.简述沉积岩中不同岩类中元素含量变化规律。
第二章元素结合规律与赋存形式（答案）1.亲氧元素和亲硫元素地球化学性质的主要差异是什么？2.简述类质同像的基本规律。
3.阐述类质同像的地球化学意义。
4.简述地壳中元素的赋存形式及其研究方法。
5.举例说明元素存在形式研究对环境、找矿或农业问题的意义。
6.英国某村由于受开采ZnCO3矿的影响，造成土壤、房尘及饮食摄入Cd明显高于其国标，但与未受污染的邻村相比，在人体健康方面两村没有明显差异，为什么？第三章自然界体系中元素的地球化学迁移（答案）1.举例说明元素地球化学迁移的定义。
2.举例说明影响元素地球化学迁移过程的因素。
3.列举自然界元素迁移的标志。
4.元素地球化学迁移的研究方法。
5.水溶液中元素的迁移形式有那些？其中成矿元素的主要迁移形式又是什么？6.解释络离子的稳定性及其在地球化学迁移中的意义。
7.简述元素迁移形式的研究方法。
8.什么是共同离子效应？什么是盐效应？9.天然水的pH值范围是多少？对于研究元素在水介质中的迁移、沉淀有何意义？10.举例说明Eh、pH值对元素迁移的影响。
11.非标准电极电位E及环境的氧化还原电位Eh，在研究元素地球化学行为方面有什么作用？12.试述影响元素溶解与迁移的内部因素。
地球化学-化学元素丰度与分布
• 1H + 1H => 2D+ ++ + 0.422MeV • 2D + 1H => 3He + + 5.493MeV • 3He + 3He => 4He + 21H + 12.859MeV
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。
2. 地球化学的体系：泛指一定范围内或同类的 事物按照一定的秩序和内部联系组合而成的整 体，体系可大可小。
火山角砾岩 地球化学-化学元素丰度与分布
目前已建立的元素丰度体系
地球化学-化学元素丰度与分布
3.与丰度相关的名词
（1）克拉克值：是地壳中元素的重量百 分数的丰度单位。
（2）区域克拉克值：是指地壳不同构造 单元中元素的丰度值。如克拉通地壳 元素丰度值。
Figure2. Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall. Data from Sun and McDonough (1989). 地球化学-化学元素丰度与分布
太阳系的化学组成
Mn
Mg Ca Na
0.29
15.88 1.82 1.15
0.20
22.63 1.57 1.10
0.40
21.80 1.95 0.99
0.44
24.73 2.24 1.15
0.40
22.44 2.36 1.29
0.31
22.91 2.58 0.82
0.26
23.48 2.54 0.74
0.27
23.78 2.64 0.64
５太阳系元素丰度规律
① 原子序数较低的 元素丰度随原子序数 增大呈指数迅速递减 较重元素范围内( 原 子序数>45 ) 元素 丰度几乎保持不变 丰度曲线近于水平
当N=50、82和126时 曲线出现明显的双峰
核素的宇宙丰度曲线
α 、e、γ、s代表过程
５太阳系元素丰度规律
② 原子序数为偶数的元素 丰度明显高于原子序数为 奇数的相邻元素 具有偶 数质量数(A)或偶数中子数 (N)的同位素的丰度也总 是高于奇数质量数（A） 或中子数（N）的同位素 这一规律称之奥多-哈根斯 法则
第一节 太阳系行星的化学组成和基本特征
金星和地球： 金星: 有稠密的大气层 金星大气层达100大气 压 主要为CO2（95%）和N2（4.5%）、H2O （约1%）O2＜0.1% 地球: N2(78.1%) O2(21%) H2O (0.1－2.8%) Ne(1.8×10-5)、CO2(3.0×10-4) 已有研究成果表明：太阳、陨石、地球、和月球 样品中的同位素组成是一致的 太阳系各天体都 是同位素组成均一的太阳星云凝聚的产物
K
P Ni Co Fe/Si Mg/S i Al/Si
0.14
0.46 2.79 0.12 2.01 0.631 0.047
2太阳系和地球系统的元素分布和分配3
?Ri =上地壳元素丰度 / 下地壳元素丰度 ?Ri约等于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 ?反映了地壳物质在分异调整过程中的宏观趋势。
地球化学是一门示踪的科学！
微量元素和同位素起了指示流们 是地质示踪剂。 Allegre 1982
以微量元素在固相－液相（气相）间 的分配特征分类
分为：
1.不相容元素（Incompatible elements） 2.相容元素（ Compatible elements ）
钨成矿作用高峰期在中生代（燕山 期）。
?世界部分大陆（北美、南非、印度）不同地史时
期成矿元素变化规律 :
?前寒武纪： Pt、Fe、Ni、Co、Au、U(占这些元
素储量 50% 以上 )；
?古生代： U、Pb、Co、Ni、Pt，其次为W、Sn、
Mo、Pb、Zn、Hg等；
?中生代： W、Sn、Ag、Sb等； ?新生代：Hg、Mo、Cu、Pb、Zn等。
2. 时间上地壳元素分布的不均一性
?随着地质历史的发展，元素的活动与分布有
着明显的规律性。
?地史早期：一些稳定元素在地史早期富集。 ?Au元素：主要产在前寒武纪； ?Fe元素：主要产在前寒武纪元古代（前寒
武纪变质铁矿占世界铁矿储量60%）。
地史晚期：一些活泼的不稳定元素向 着地史晚期富集。Sn、 Nb、Ta和W 等元素。
石英、云母、角闪石为主？
?因为地壳中O, Si, Al, Fe, K, Na, Ca 等元素
丰度最高， 浓度大 ，容易达到形成独立矿 物的条件。
太阳系的化学组成
第一节 太阳系行星的化学组成和基本特征
1、太阳系行星的一般特征： 太阳系元素的形成年龄6277亿年 太阳星云凝聚成太 阳系各行星的年龄为45.7±0.3亿年。 太阳系的九大行星按其成分特点，可划分成三 类：类地行星；巨行星；远日行星。
类地行星；巨行星；远日行星
行星
水星 金星 地球 月球 火星
太阳系行星的物理数据
③ 远日行星 包括：天王星、海王星、冥王星 特点： 随远离太阳,质量依次减小、密度增大、体积 减小 成分以C、N、O为主（占85%） H（10%） He （痕量） 少量亲铁-亲石元素（15%） 巨行星和远日行星也称类木行星
第一节 太阳系行星的化学组成和基本特征
2、太阳系行星的化学组成与内部结构 太阳星云中元素的分馏与凝聚导致了各 行星化学组成的差异。 随着与太阳距离的增加，太阳星云中元 素的分馏具有一定的规律性：
顽辉石球粒陨石：十分稀少（收集20块 左右），是在比较还原条件下冷凝与聚集 形成的。
一、球粒陨石与无球粒陨石
碳质球粒陨石 ： 未经高温作用影响 CI型（I型）碳质球粒陨石 的难挥发性元素丰度与太阳光谱测定值一致，目 前多作为太阳系非挥发性元素初始丰度的标准
球粒的成因： 星云凝聚、星云凝聚物重熔 两种假说。 CI碳质球粒陨石为原始太阳 星云凝聚形成的。
33.49 0.07 1.73 0.38 36.26 0.20 22.63 1.57 1.10 0.08 0.25 2.11 0.15 1.08
普通球粒陨石（O群）
HБайду номын сангаас
L（LL）
26.40
30.76
0.09
0.12
1.89
2.09
0.45
0.51
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设任一元素(i)在某一自然体(j)中的质量
为Qij，该自然体的总质量为Mj，则元素i在 该自然体中的丰度值Aij为： Aij = Qij/Mj Aij就是i元素在j自然体中的平均相对含量 例如：铝在地壳中的丰度就是铝在地壳中 的平均相对含量。而铝在地壳中的质量Qij 则是铝在地壳中的绝对含量。这种绝对含 量称为分布量-abundance.
元素丰度常用三种单位表示即重量 单位、原子单位和相对原子单位。由于 采用单位的不同，元素丰度有下列三种 名称： 1）质量丰度 2）原子丰度 3）相对丰度
1）质量丰度是以质量单位表示的元素丰度。 常用的质量级序有三种: (1) 质量百分数(质量％或wt%)，常用于表示常 量元素的丰度； (2) 克/吨(g/t)或ppm(parts per million)，以百万 分之一(10-6)的质量为单位.常用于表示微量元 素的丰度； (3) 毫克/吨(mg/t)或ppb(parts per billion)，以十 亿分之一(10-9)质量为单位.常用于表示超微量 元素的丰度
5.绝对含量和相对含量
绝对含量单位 T kg 吨 千克 ％ ‰ ppm、μg/g、 g/T ppb、μg/kg 相对含量单位 百分之 千分之 百万分之 十亿分之 ×10-2 ×10-3 ×10-6 ×10-9
g
mg μg
克
毫克 微克
ng
pg
毫微克
微微克
ppt、pg/g
万亿分之
×10-12
地球化学中对常量元素（或称主要元素） 的含量一般用重量百分数（%），而对微 量元素则一般用百万分之一来表示。 表示方法：g/t(克/吨)、μg/g、ppm 1g/t = 1μg/g = 10-4% =10-6
已知Al的质量百分数为8.07%（质量丰度），Al 的原子量为26.98，Si的质量百分数为32.91% （质 量丰度）， 据前面的公式可求出Al的相对丰度：
RAl = {(8.07%/26.98)/(32.91%/28.09)}×106 = 255303 即当Si = 106个原子时，Al有255303个原子(≈ 0.255×106)
三种不同单位元素丰度中，质量丰度是最基本的 数据，原子丰度和相对丰度都可以根据质量丰度 换算取得。
将质量丰度换算为相对丰度： Ri={(Wi/ai)/(Wsi/28.09)}×106 Ri为任一元素的相对丰度， Wi为任一元素的质量 丰度， ai为任一元素的原子量， Wsi 为硅的质量 丰度，28.9为硅的原子量， ×106 是取Si原子数＝ 106。
2.矮行星：根据新定义，同样具有足够质量、呈圆球 形，但不能清除其轨道附近其他物体的天体被称为“ 矮行星”。 目前,符合这一定义的包括：谷神星、冥王星、齐娜 (Eris,2003UB313)，总计三颗。冥王星为什么降级？ 两种说法：1)因为冥王星未能清除柯伊伯带上邻近的小 天体，所以是一颗矮行星。 2)冥王星由于其轨道与海王星的轨道相交，不符合新的 行星定义，因此被降级为“矮行星”。
但请大家注意：在欧美这两个词经常混用 事实上，如果严格区别的话，如果我们已知任一 元素在某自然体中分布量和丰度时, 据公式：Dij = Qij = Mj × Aij可以求出该自然体 的重量。 例如：已知锡在地壳内的分布量为41×1012t ，丰度为0.00017%，有:
Mj＝Dij/Aij=41×1012t/0.00017%≈24×1018t＝ 24×1024g
2、 分布（distribution） 分布是指元素在各个宇宙或地质体中（太阳、 行星、陨石、地球、地圈、地壳）整体中的含 量。
元素在地壳中的原始分布量与下列因素有关： 1） 元素的起源 2） 元素的质量 3） 原子核的结构、性质 4） 地球演化过程中的热核反应
3、 分配（partitioning）
6.研究元素丰度的意义
①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 （时间）、横向（空间）上的比较，了解元素动态情况，从 而建立起元素集中、分散、迁移活动等一些地球化学概念。 从某种意义上来说，也就是在探索和了解丰度这一课题的过 程中，逐渐建立起近代地球化学。 ②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。宇宙天体是怎样演化的？地球又是如何演化的？地 壳中主要元素为什么与地幔中的不一样？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。
注意：
★球粒陨石和少量无球粒陨石属原始陨石 （微星物质碎块）， ★石-铁陨石、铁陨石和多数无球粒陨石属 于分异型陨石，经过了岩浆侵入、喷出 ，岩浆结晶分异（具球粒陨石成分的物 质再熔融和分异）
第一章 太阳系和地球系统的元素丰度
本章内容
基本概念 元素在太阳系中的分布规律 地球的结构和化学成分 地壳中元素的丰度 区域地壳元素丰度研究
利用宇宙飞行器观察,直接测定或取样(如月球,火星等）
分析测定气体星云或星际间物质(极稀薄气体、极少量 尘埃） 分析研究宇宙射线(高强粒子：质子和α粒子、较重元素 原子核、电子、中微子、高能光子等）
宇航员
月球车
火星车
（二）陨石的化学成分
1.陨石定义与研究意义:
1)定义：落到地球上的行星物体碎块，即从行星际空 间穿越大气层到达地表的星体（流星体）残骸称 为陨石. （有一层黑色或深褐色熔壳。主要来自小行星
任一元素(i)在某一自然体(j)中的分布量(Dij)为： Dij = Qij = Mj × Aij 例如：铝在地壳中的分布量等于地壳总质量和铝的地 壳丰度值的乘积。 这样看来，在任一自然体中，全部化学元素的分布量 总和，应当等于该自然体的总质量。 而全部化学元素的丰度值总和理论上应当等于 100％。实际上是在100±e%的范围之内，这里e为允许 的相对误差范围。因此，元素丰度和元素分布量是两 个不同的概念。
带：小行星碎块和崩解的彗星残核，少量来自其它天体， 大小从显微质点到几十吨, 非洲戈巴铁陨石60t,是最
大的铁陨石,新疆铁陨石28吨,世界第3铁陨石;吉 林石陨石2.55t,是世界最大的石陨石）
南极和沙漠是陨石富集区！
在南极已采集15000块陨石 （为什么？不易风化、特殊的运移富集、醒目）
2）陨石研究意义：
1)
2)
3)
铁陨石：主要由金属Ni-Fe(>90%)和少量其它矿物 如磷铁镍钴矿[(Fe,Ni,Co)3P]、陨硫铁（FeS)、 镍碳铁矿（Fe,Ni ) 3C和石墨等组成。 石陨石：主要由硅酸盐矿物组成。根据它是否含 有细小而大致相近的球状硅酸盐结构而进一步分 为球粒陨石和无球粒陨石。 石-铁陨石：由数量大体相等的Ni-Fe和硅酸盐（ 主要是橄榄石，偶尔辉石）组成。
2. 陨石的基本分类
石陨石 Aerolite 石-铁陨Stonyiron Meteorite 铁陨石Iron Meteorite 球粒陨石 chondrite 约10%金属
无球粒陨石 achondrite
约1%金属
约50%金属
大于90%金属（ 铁、镍）
★玻璃陨石(雷公墨） 是陨石吗？
2. 陨石的基本分类（按成分、结构）
分配是指元素在各宇宙体或地质体内部各个部分 或区段中的含量。 地壳中元素的分配指的是地壳形成后，随着它的 演化、造山运动的更替，元素在地壳的各个不同部位 和各种地质体中的平均含量。这是元素在地壳各部分 不同的物理化学条件下，不断迁移的表现。 元素的分配取决于下列因素： 1） 地质作用中元素的迁移 2） 元素的化学反应 3） 元素电子壳层结构及其地球化学性质
3.宇宙元素丰度的研究途径
直接采样分析（如地壳岩石、各类陨石等）
CI陨石测非挥发性元素（准确度高） 光谱分析 (如据光谱波长和亮度测太阳表层元素丰度） 测挥发性元素 由物质的物理性质与成分的对应关系推算（如行星） （表面温度低，无法测光谱，据体积,质量,密度等对比）
3.宇宙元素丰度的研究途径
2）原子丰度-以原子百分数(原子％)来表
示。某元素的原子百分数是该元素的原 子数，在全部元素的原子数总和中所占 的百分数。
3）相对丰度：以原子数/106Si原子为单位。也 有采用原子数/104Si原子或原子数/102Si原子 为单位的。原子数/106Si原子单位常用于宇宙 元素丰度，宇宙丰度单位(Cosmic abundance unit)简称c.a.u.是取硅的原子数等于一百万 个(106)原子，并以此为基数，求出其它元素的 相对原子数。这种单位实际上就是各种元素的 原子数与一百万个硅原子的比值。
3.球粒陨石与无球粒陨石
（1）球粒陨石与无球粒陨石的区别
石陨石按是否含硅酸盐球粒分为球粒陨石和无球粒陨石 ★球粒陨石 球粒主要由橄榄石、辉石、（玻璃）组成 （球粒成因两种假说:非平衡热条件下，从热的、低密度 、部分电离的气体中直接凝聚说;星云凝聚物重熔说） 基质常由镍铁、陨硫铁(FeS)、斜长石、橄榄石、辉石 组成 ★无球粒陨石不含球粒，结构上成分上与前者也有差异（ 较粗，较贫金属Fe-Ni） 。
陨石是空间化学研究的重点对象，已有几百年的研 究历史，近几十年发展尤为迅速 ★是目前最易获取和数量最大的地外物质 ★研究太阳系的物质组成、起源与演化，对认识太阳 系早期演化历史有重要意义。 ★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 ★作为地球成分研究的对比标准(如稀土和微量元素标 准化及硫同位素国际标准)，帮助了解地球的;偏离黄道面角度较大
3.小天体：其他围绕太阳运转但不符合上
述条件的物体被统称为 “太阳系小天 体”（彗星,小行星,卫星,宇宙尘等）。
(一)太阳系元素组成的研究方法
1. 地球化学体系:
特点：A.一定空间范围、B.一定物化条件下特定物化 状态、C.有一定的时间连续性 2.地球化学体系总体化学组成研究法：因其通常具有复 杂结构，化学组成不均一，估算其总体化学组成的方 法有： ★用主体代表整体 ★已知系统各部分的成分后，用加权平均法求 ★在拟定的模型基础上，求系统的化学组成（如用陨石 对比法求地球的化学组成）