第七章 地壳与地幔地球化学01

丰度背景与地球化学背景
• 地球化学背景：首先确定背景区：即地壳中有的地方受到 了成矿作用的影响，而有的地方则没有，我们将未受矿作 用影响的地区叫背景区 • 在背景区内各种天然物质中（岩石、土壤、水系沉积物、 地表水、地下水、植物和空气）各种地球化学元素和同位 素的含量及其比值的数值，称为地球化学背景值 用作背景的地壳元素丰度与化探中背景是两个不同的概念
• 丰度的实质：一种化学元素在某个自然体系中的重量 占这个自然体的全部化学元素总重量（即自然体系的 总重量）的相对份额（如百分数）称为该元素在自然 体中的丰度
• 无论地球化学的研究领域和对象如何，化学反应和化 学演化始终是地球化学的基本任务，其中化学组成又 是首当其冲
• 不同层次的元素丰度构成丰度体系，目前建立 的丰度体系 类木行星 太阳系丰度 类地行星 宇宙丰度 地核丰度 地幔丰度 上地幔丰度 地球丰度 下地幔丰度 地壳丰度
•
丰度的三种表示法
• 元素丰度常以三种单位来表示，即重量单位， 原子单位和相对单位，由于采用了不同的单 位，元素丰度有下列三种名称
– 重量丰度 – 原子丰度 (Atomic Abundance) – 相对（原子）丰度 (Relative Abundance)
重量丰度
• 以重量单位表示的元素丰度，常用的级序有三种 ：
陨石类比法
• 1）陨石类比法假定前提
– – – – A：陨石在太阳系内形成 B：陨石与小行星带的物质相同 C：陨石是已破坏了的星体的碎片 D：产生陨石的母体，其内部结构和成分分布同 地球相似
• 2）分类
– A：综合陨石类比法 Clarke 以各种陨石类型的平均化学成分作为地球的类似 成分，由于采用铁陨石比例过大，导致铁丰度明 显偏高（达67~72%），导致误以为整个地球基本 上是由铁或铁、镍合金组成。 – B：单一陨石类比法 Ahrens ，1965 直接用维诺格拉多夫1962年，计算的球粒陨石的 平均含量来代表整个地球的元素丰度。突出特点： 铁明显偏低，25.1%
地盾区地壳丰度 褶皱区地壳丰度 地壳丰度 海洋地壳丰度 浅海地壳丰度 深海地壳丰度 陆地地壳丰度
中国陆地地壳丰度 中国地台区地壳丰度
中国褶皱区地壳丰度
关于几个名词的说明
• 克拉克值:指地壳中元素重量百分数的丰度值 • 区域克拉克值:是指地壳以下不同构造单元中元素的丰 度值;如地盾区地壳元素丰度值 • 丰度系数:是指某一自然体的元素丰度与另一可作为背 景的自然体的元素丰度的比值，因为丰度体系是多层次 的，所以丰度系数也是多层次的
逐 渐 增 大
液态
过渡层F，轻元素
5100
固态
以铁镍为 主，并含 少量较轻 元素
元素丰度概念
丰
度
• 是指各种化学元素在一定自然体系中的相对平均含量 • 元素在较大自然体系中的平均含量即称为丰度 • 当研究对象等在自然体系中仅占据一个较小的空间位臵 时，习惯上称为元素的平均含量，如岩石中元素的平均 含量
Si元素作为对比标准的理由
• Si元素在自然界中分布相当广泛，便于对比各种自然体系的丰度值
•
•
Si是形成不挥发的稳定化合物的元素
Si在化学分析和光谱分析中，都是较易精确测定的元素。取Si原子 =106是由于大部分元素的相对原子数介于106～10-4之间，因此最常用 至于球粒陨石标准化丰度，这种丰度表示方法，我们将在微量元素 地球化学中详细讨论
重量丰度的计算
设重量丰度W以重量百分数表示，氧化物重量百分数为W’ 则W=(a×i/m)×W’ 式中： m为氧化物的分子量，a为欲求元素的原子量，i 是氧化物中欲 求元素的原子个数 例1 已知岩石化学全分析中测得SiO2的重量百分数为70.40%，求Si的重 量百分数 Wsi=(a×i/m) ×W`=(28.086 ×1/60.09) ×70.40%=32.91%
•
通常我们只需要进行将氧化物的重量百分数换算成元素 的重量百分数
丰度的定义： 即丰度与分布量的关系
设任一元素(i)在某一自然体系(j)中的重量为Qij，该自然体的总重量 为Mj ，则元素i在体系j中的丰度值Aij定义为：
Aij=Qij/Mj Aij 就是元素i在自然体系j中的相对平均含量，如Al在地壳中的丰度， 就是Al在地壳中的相对平均含量，而Al在地壳中的重量，则是Al在 地壳中的绝对含量，这种绝对含量，称之为分布量 按上式，任一元素(i)在某一自然体系(j)中的分布量Dij定义为： Dij= Qij= Mj ×Aij 如Al在地壳中的分布量。等于地壳总质量和Al的地壳丰度值的乘积
• • • • • • 地球的圈层结构 元素丰度概念 地球地球化学组成 地壳地球化学组成 地幔地球化学组成 地核地球化学组成
地球的圈层结构
大 圈
气 物 壳 地 幔 幔
圈
生
地 地
水
圈 壳
圈
水 地
岩石圈与大气圈、水圈、生物圈共同构成与人类关系最紧密的圈层
划分依据
地震波 纵波（P波）primary 速度快，能在固、液、气体中传播 横波（S波） secondary 速度慢，只能在固体中传播
…
6.41 25.11
1.8×10-5
329.1×103
2
238.029
100.00
重量丰度换算为相对原子丰度
将任一元素的重量丰度Wi换算为相对原子丰度Ri，可采用下列公式 Ri={(Wi/ai)÷(Wsi/28.09)} ×100 例:已知Al的重量百分数为8.07%,Al的原子量为26.98 ,Si的重量百分数为 32.91%,求Al的相对原子丰度 RAl={(8.07%/26.98)÷(32.91%/28.09)} ×100= 25.53%
• 3）h>2900km 超高压条件（P>百万atm） 原子核外电子层完全破坏，电子呈自由状态， 为所有原子核共有，从而不同的原子没有性 质的不同，且不会发生化学作用，完全丧失 了一般的化学性质
地球的元素丰度
• 地球的元素丰度是假定的和不确定的， 其估计方法有：
– 陨石类比法 – 地球模型法 – 地球物理类比法
•
元素丰度的计算
• 在上述三种不同的元素丰度中。重量丰度是最基本的数 据，原子丰度和相对丰度均可依据重量丰度获得
•
重量丰度的原始资料来自三方面：
– 化学全分析。通常以氧化物的重量百分数来表示 – 元素的光谱定量分析 – 利用元素对比值（如Rb/K）或用回归方程，根据已知元素的含量， 求出未知元素的含量
重量丰度换算为原子丰度
设Ni为任一元素的相对原子数；ai为该元素的原子量 则 Ni=Wi/ ai 任一元素的原子百分数(Ai )，即原子丰度，则 Ai=( Ni/∑N) ×100= (Wi/ ai)/ (∑W/a) ×100 =(W’.i/mi)/ ∑(W’.I/m) ×100
∑N是参与计算的全部元素的原子数总和
•
2）h=60~2900km，地幔榴辉岩圈，中间圈，退化化 学作用带
• 3）h>2900km 超高压条件（P>百万atm）“金属化”核 心，中心圈，无化学作用带
• 1）h<60km时，正常地球化学作用带 此时原子的核外电子层构造不会发生变化，其化学 性质和化学作用过程服从周期律 • 2）h=60~2900km 高压下，若核外电子层有个别比较靠近原子核的能 级未充满，以高压的结果，可以使外层电子压入到 内层未充满的轨道上，即电子排列产生变化，元素 化学性质也变化，于周期表中位臵亦变，使元素周 期表由原来的七个周期压缩成五个周期，这种现象， 称为原子的退化现象
– 重量百分数wt%：常用来表示常量元素 – g/T或ppm：以百万分之一或10-6的重量为单位，常用来表示微 量元素 – mg/T或ppb：十亿分之一或10-9，常用来表示超微量元素
•
在同一张元素丰度表中，由于多种元素丰度属于微量元 素范围，所以常统一用g/T或ppm来表示
原子丰度 (Atomic Abundance)
即以Si为标准，Al的相对原子丰度为25.53% （此时Si的相对原子丰度为100% ，原子数为定义为106个。则Al的原子 数为RAl* 106=255300个原子）
地球的地球化学组成
地球内部的地球化学特征
• 根据间接资料和地下浅层的观察，在一定的假设下做 出理论估计：由地表向地下深处，随着压力的增大， 不可避免地将引起化学作用过程的改变 • 1）h<60km时，正常地球化学作用带 地壳岩石圈， 边缘圈， 正常化学作用带
原子丰度换算
原子 序数
1 元素
重量丰 度(ppm) W
1.4×103
原子量 A
1.008
原子数 N
1.39×103
原子丰 度(%)A
2.98
H
…
13 14 92源自文库
…
Al Si U
…
80.7×103
…
26.981 28.083
…
2.99×103 11.72×103 8.4×10-3
∑N=46.67×103
Caroline Fitoussi and Bernard Bourdon, 2012 Science
地球模型法
• Washington，将地球分6圈 1925
– 1）地核，以铁陨石代表 – 2）石源层（Lithosporic Shell）以陨石的镍、铁成分和石铁 陨石（两者同等权重）的平均化学成分为代表 – 3）铁源层（Ferrosporic Shell），陨石平均化学成分代表 – 4）橄榄岩层：无球粒陨石平均化学成分代表 – 5）玄武岩层：以戴利玄武岩平均化学成分代表 – 6）花岗岩层：以CLARKE和WASHINGTON的火成岩平均 化学成分，然后以地圈质量加权平均法求出整个地球主要 元素丰度
大多数的地球总体成分模型认为地球最初的形成物质在组成上接近于球粒陨石。例如， 最简单的地球成分模型，认为地球组成近似于CI碳质球粒陨石，这是根据这一组陨石组 分最接近太阳系成分得出的。该模型的一个主要问题在于，它虽然成功匹配了难熔亲石 元素（如Al，Ca，Sc）的丰度，却无法解释同位素的差异变化。 但是对于部分同位素体系如O，Cr和Ni来说，地球和顽火辉石球粒陨石的这些同位素 组成是相同的。于是又科学家相应提出了顽火辉石球粒陨石模型。 但是顽火辉石球粒陨石是未分异的陨石，它指示的环境相对地球来说更还原，硅酸盐 中的铁含量极低，而且硫化物会出现。 顽火辉石球粒陨石模型的另一个主要障碍就是，上地幔橄榄岩与顽火辉石球粒陨石的 Mg/Si比例差异非常大；因此，如果总体地球组分为顽火辉石球粒陨石成分的话，那么上 地幔和总体地球之间Si丰度的巨大差异必须得到合理解释。而目前这一模型还缺乏有力的 证据。
大陆33 大洋6 平均17
状态
组成
温度压 力密度
地 壳 P、S波 的波速突 然增大 （莫霍面） 上地 幔 地 幔 P、S波 的波速突 下 地 幔D 然减小， S波甚至 地 消失（古 登堡面） 核 外核 E 内核 G
固态 岩石 固态 软流层 铁镁的硅
中地幔C
下地幔
400 1000 2900
固态
固态
酸盐类物 质，由上 而下铁镁 含量逐渐 增加
地球内部三大圈层
速度（千米/秒） 深 度 千 1000 米 2000 0 3 6 9 12 15
岩石圈
莫霍界面 A 古登堡界面 地幔 地壳 地核
E
F
横波
3000 4000
5000 6000
纵波
B
地震波波速与地球内部构造图
2900千米
17千米
纵横波
分层
厚度（千米）
硅铝层 硅镁层 上地幔B 上地幔B
• 以原子百分数来表示。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
相对丰度 (Relative Abundance)
• 常以原子数÷106Si原子为单位，常用于宇宙元素丰度， 所以又称宇宙丰度单位 (Cosmic Abundance Unit ),简称 C.A.U • 这种单位是取Si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
丰度系数的计算
• 如以地球丰度为背景，则地壳中该元素丰度系数定义为： K1=地壳丰度/地球丰度 例 K1Fe=5.8%÷32.0%=0.18 • 以地壳丰度为背景，全球陆地地壳丰度定义为 K2=全球陆地地壳丰度/地壳丰度 K2Fe=4.8%÷5.8%=0.83 • 丰度系数可用来指示元素的富集及变化程度
作
业
• 检索国内天体化学主要研究机构（机构名 称、研究方向和内容、主要成果等）
• 检索国内天体化学研究的领军人物（主要 研究方向、内容及成果）
• 介绍我国嫦娥工程项目计划（或深空探测 战略）
第七章 地壳与地幔地球化学
沈文杰 中山大学地球科学系 shenwjie@mail.sysu.edu.cn
内容提纲