中国地质大学(武汉)地球化学-第一章

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下地幔：由1000km延伸到2900km, 物质较为均一，矿物成 分一般没有发生变化，只是Fe更多一些，密度更大。 其主要成分为： 橄榄石系列(Mg,Fe)SiO4(55%) 钛铁矿固溶体（Mg,Fe)SiO3-(Al,Cr,Fe)AlO3(36%) 钙钛矿CaSiO3(6.5%)
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
元素的分布与分配是一个相对的概念， 它们之间具有一定的联系。化学元素在地 壳中的分布，也就是元素在地球中分配的 具体表现，而元素在地壳各类岩石中的分 布，则又是元素在地壳中分配的表现。
宇航员
月球车
火星车
4、根据星体的密度和行星表面天文观察资 料间接推断化学万分
测量星体的密度，而密度与物质成分 相关。例如：地球的平均密度为5.52, 铁镍相占31.5%
二、元素在太阳系或宇宙中的丰度规律 1、太阳系的行星和周围的星体化学成分相似， 物质成分是统一的。 2、发现了碳质球粒陨石与太阳系中的元素比 例几乎一样，认为碳质球粒陨石原始分异 最小，能代表太阳系的原始物质成分。 3、非挥发份元素可参考碳质球粒陨石，而挥发 性的元素可参考太阳光谱
第一章 自然体系中化学元素的丰度
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 小结及思考题
§1 基本概念
地球化学体系 分布和丰度 分布与分配 绝对含量和相对含量 研究元素丰度的意义
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。
• 上地幔之下为过渡层（约600km厚），该层 是一个温度相当于岩石熔点的可流动塑性层， 也称软流层，在软流层之上统称为岩石圈。 在软流层内进行着不伴随明显成分变化的物 质同质多象转变，如在400-600km的压力下， 橄榄石和辉石发生相变：
从Mg2SiO4(镁橄榄石，斜方晶体）转 变为 Mg2SiO4（镁尖晶石，等轴晶系）， 密度增加10%
3、宇航事业 50年代以来，人们相继发射了人造地球卫星和各种
地球探测器，对地球高层大气的成分进行了测定。另 外，还对水星、金星、火星、木星、土星及其卫星大 气层的结构和成分进行了探测。1969年阿波罗-11登月， 采集月球样品380Kg,使得人们对月球的化学成分、内 部结构、演化历史增添了许多新的知识。
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）石陨石（aerolite）。主要由硅酸盐矿物组成（橄榄石、辉 石）。这类陨石按照它们是否含有球粒硅酸盐结构，可进一步分为两 类：球粒陨石和无球粒陨石。
元素在太阳系中的元素丰度 ：
当把太阳系中元素丰度值取对数分别与对应其原子序 数（Z）、原子核的中子数（N）或原子核的质量数（A） 作图，具有以下规律：
1）元素的丰度随着原子序数增大而减小。 元素丰度开始迅速降低，然后，在Z>45 的区间近似变为水平线。元素丰度与原 子核的质量数和中子数之间，也分别存 在类似的关系。
2）原子序数为偶数的元素丰度大大高于相 邻原子序数为奇数的元素丰度。同时具 有偶数质量数（A）或偶数中子数（N） 的同位素或核类的丰度也总是高于相邻 具有奇数A或N的同位素或核类。这一规 律称为奥多-哈根斯法则。
3）质量数为4的倍数的核类或同位素具有较 高的丰度，原子序数或中子数为“约数” （2、8、20、50、83、126等）的核类或 同位素分布最广、丰度最大。例如： 4He(Z=2,N=2),16O(Z=8,N=8),40Ca(Z=20,N= 20),140Ce(z=58, N=82)
地球化学体系可大可小， 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 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 O Fe Si Mg S Ni Al % 32.30 28.80 16.30 12.30 2.12 1.57 1.38 Ca Na Cr Mn K Ti Co P 1.33 0.60 0.34 0.21 0.15 0.13 0.12 0.11
基本认识：
从表中我们可以看到O、Fe、Si、Mg、S、Ni、Al、Ca是陨石的主要化学 成分。
一、太阳系或宇宙中元素丰度的研究方法 1、 太阳其它星系的幅射谱线的研究
由于太阳表面温度极高，各种元素的原子都处于 激发状态，并不断地辐射出各自的特殊光谱。例如：
Pb 2170 å，Ag 3281 å，Au 2428 å 太阳光谱的谱线数和它们的波长主要取决于太阳表 层中所存在的元素，而这些谱线的亮度则取决于以 下因素： 1）元素的相对丰度；2）温度平共处；3） 压力
CⅠ型碳质球粒陨石元素丰度与太阳元素丰度 对比(据涂光炽，1998)
陨石的主要矿物组成：Fe、Ni 合金、橄 榄石、辉石等。陨石中共发现140种矿物，其 中39种在地球（地壳浅部）上未发现。
如褐硫钙石CaS，陨硫铁FeS。这说明陨石 是在缺水、氧的特殊物理化学环境中形成的。
陨石的平均化学成分
2要. 陨计算石陨的石平的均平化均学化成学分成分必须要解决两个问题：首
4、 元素的丰度 通常将化学元素在任何宇宙体或地球化
学系统中（如地球、地球各圈层或各个 地质体等）的平均含量称之为丰度。
以上可见，元素的分布、分配及元素的 丰度都是来度量元素的含量。
5.绝对含量和相对含量
绝对含量单位
T
吨
kg
千克
g
克
mg
毫克
μg
微克
ng
毫微克
pg
微微克
相对含量单位
％
百分之
×10-2
4） 三种低原子序数的元素Li, Be, B， 在丰度曲线上出现亏损。
5）与元素丰度的正常关系，Fe 显示出 过剩的特征。
6）含量最高的元素为H, He
对上述规律的解释：
1）对Z<20元素，中子数和质子数的比例为1： 1，这种核最稳定，随Z增大，1：1的比例 被破坏，核内库仑斥力增大，并大于核力， 使得原子核不稳定。
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 研究都离不开地球化学体系中元素丰度分布特征和规律。
§2 元素在太阳系或宇宙体中的丰度
大量的科学事实已证明地球与太阳系是联 系的，因此可以从太阳系的形成过程来研究 地球的演化过程。从元素在太阳系中的丰度 特征来研究元素在地球中丰度特征的变异。 通过太阳系及其它星球及陨石、月球的认识， 促进了对地球早期演化过程的了解。
2）Z为偶数的元素或同位素，核子成对排布， 它们自旋力矩相等，量子力学已证明这种 核最稳定。
§3 地球的结构和化学成分
一、地球的结构
1、 地壳
地壳为地表向下到莫霍面，其厚度差异较大，5km-80km 不等，并且大陆地壳和大洋地壳之间存在显著的差别。
大洋壳： 0-2km为没有固结的沉积物 3-5km为硅镁层（玄武岩层） 大陆壳：平均厚度为30-40km 上层硅铝壳（康氏面以上），上部为沉积岩，下部相当 于为花岗岩和片麻岩成分, 富Si、K、 Rb、U、Th等元 素, 组成不均一；下层硅镁层（康氏面以下），当于玄武岩和 辉长岩或相当于麻粒岩相岩石。
在温度和压力固定的条件下，元素丰度愈大，则 谱线的亮度愈强。
光谱分析仪
太阳光谱
2、陨石的研究
陨石是落到地球上的行星物体的碎块， 天文学和化学方面的证据都说明，太阳系 和地球具有共同的成因。因此，陨石的化 学成分是估计太阳系元素丰度以地球整体 和地球内部化学组成最有价值的依：
3）铁石陨石（sidrolite）。由数量上大体相等的Fe－Ni和硅酸 盐矿物组成，是上述两类陨石的过渡类型。
铁陨石
石陨石
陨石大都是石质的，但也有少部分是碳质。碳质 球粒陨石有一个典型的特点：碳的有机化合分子和 主要由含水硅酸盐组成。它对探讨生命起源的研究 和探讨太阳系元素丰度等各个方面具有特殊的意义。 由于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，碳质球粒陨 石的化学成分已被用于估计太阳系中挥发性元素的 丰度。
根据对世界上众多各类陨石的研究，一些基本认识是趋于公认： ①它们来自某种曾经分异成一个富金属核和一个硅酸盐包裹层的行星体 ，这种天体的破裂就导致各类陨石的形成； ②石陨石与地球上的基性、超基性火山岩矿物组成和化学成分相似，铁 陨石与地核的化学成分相似，陨石的母体在组成上、核结构上与地球极为相 似； ③各种陨石分别形成于不同的行星母体； ④陨石的年龄与地球的年龄相近（陨石利用铅同位素求得的年龄是 45.5±0.7亿年）； ⑤陨石等地外物体撞击地球，将突然改变地表的生态环境诱发大量的生 物灭绝，构成了地球演化史中频繁而影响深远的突变事件，为此对探讨生态 环境变化、古生物演化和地层划分均具有重要意义。