地球化学

1.3.3 地壳化学成分特征和元素克拉克值的地球化学意义

1.3.3.1 地壳元素丰度特征分析

1) 地壳中元素相对的平均含量极不均匀。按维氏（1949）值，丰度最大的元素（O=45.6%）比丰度最小的元素（Rn－氡,7×10-17%）在含量上大1017倍，相差十分悬殊。按克拉克值递减的顺序排列，含量最多的前3种元素（O、Si、Al）即占地壳总重量的81.3％(图1.12)；含量最多的前9种元素（O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg）占地壳总重量的99.1％，其它元素只占0.9%，而前15种元素的重量占99.6－99.8％，其余77种元素总重量仅占地壳总重量的0.4－0.2％。微量元素在地壳中的分布也是不均匀的，它们的丰度可以相差达107倍。

2) 元素克拉克值与周期表对比。克拉克值大体上随原子序数的增大而减小。周期表中前26种元素（从H至Fe）的丰度占地壳总重量的99.74％。但Li、B、Be及惰性气体的含量并不符合上述规律。周期表中原子序数为偶数的元素总分布量（占86.36％）大于奇数元素的总分布量（占13.64％），相邻元素偶数序数的元素分布量大于奇数元素分布量，这一规律称为奥多－哈根斯法则。这一规律仍粗略地与太阳系元素的分布规律相同。这一事实再次说明地球、地壳在物质上同太阳系其它部分的统一性。

图1.12 地球地壳中的组成、主要岩石和主要矿物(Krauskopf et al,1995)

3) 若按元素丰度排列，太阳系、地球、地幔和地壳中主要的10种元素的分布顺序是：

太阳系：H>He>O>Ne>N>C>Si>Mg>Fe>S

地球：Fe>O>Mg>Si>Ni>S>Ca>Al>Co>Na

地幔：O>Mg>Si>Fe>Ca>Al>Na>Ti>Cr>Mn

地壳：O>Si>Al>Fe>Ca>Na>K>Mg>Ti>H

与太阳系和宇宙相比，地球和地壳明显贫H、He、Ne和N等气体元素，表明由宇宙物质形成地球的演化过程必然伴随气态元素的散失。而与地球和地幔相比，地壳贫Fe、Mg，而富Al、K、Na和Si等亲石元素，表明地球的原始化学演化为，较轻易熔的碱金属和铝硅酸盐在地球表层富集，较重难熔的镁铁硅酸盐和金属铁下沉，在地幔和地核中富集。

综上所述可以得出结论：地壳中元素的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。

1.3.3.2 元素克拉克值的地球化学意义

元素克拉克值反映了地壳的平均化学成分，决定着地壳作为一个物理化学体系的总特征及地壳中各种地球化学过程的总背景。既是一种影响元素地球化学行为的重要因素，又为地球化学提供了衡量元素集中或分散程度的标尺。

1.3.3.

2.1 大陆地壳化学组成对壳幔分异的指示

大陆地壳是在地质历史过程中通过地幔部分熔融的岩浆向上侵入或喷出逐步形成的，部分熔融形成地壳后残余的地幔部分就成了现今的贫化或亏损地幔。大洋中脊玄武岩(MORB)是这种贫化地幔的典型代表，相容性元素(compatible elements)是指在矿物-岩浆分配过程中主要富集在矿物中的元素。反之，不相容元素(incompatible elements)是指主要富集在岩浆中的元素。霍夫曼(Hoffmann,1988)提出，由于大陆地壳是原始地幔部分熔融形成的，因此将大陆

地壳的元素丰度对原始地幔标准化后的比值可以定量衡量元素的相容性。比值越大者，元素的相容性越小，相对于地幔在大陆地壳中越富集。霍夫曼给出了37种元素的相容性顺序。图1.13是高山等(1998)最近得出的63种元素的相容性顺序，这一顺序与霍夫曼给出的顺序基本相同。由图还可见大陆地壳和代表贫化地幔的MORB在组成上表现出很好的互补性，从Cs到Mo不相容性较强的元素表现得尤为清楚。霍夫曼进一步用部分熔融的两阶段模型定量证明了如图所示的元素分布关系：第一阶段原始地幔通过1.5%的部分熔融产生大陆地壳，第二阶段地幔通过8~10%的熔融产生大洋地壳。

图1.13 原始地幔标准化大陆地壳和大洋中脊玄武岩(MORB)平均成分(Gao et al,1998) 元素按大陆地壳元素含量标准化值从左至右增加的顺序排列，对应于元素相容性增加的顺序相容性相近的元素具有相似的地球化学行为，它们的含量比值在壳幔系统中基

本固定或变化很小，高山等(1998)的研究表明，大陆地壳整体下列相容性相近的元素对比值与原始地幔相同或接近，它们是：w(Zr)/w(Hf)＝37、w(Nb)/w(Ta)＝17.5、w(Ba)/w(Th)＝87、w(K)/w(Pb)＝0.12×104、w(Rb)/w(Cs)＝25、w(Ba)/w(Rb)＝8.94、w(Sn)/w(Sm)＝0.31、w(Se)/w(Cd)＝1.64、w(La)/w(As)＝10.2、w(Ce)/w(Sb)＝271、w(Pb)/w(Bi)＝57、w(Rb)/w(Tl)＝177、w(Er)/w(Ag)＝52、w(Cu)/w(Au)＝3.2×104、w(Sm)/w(Mo)＝7.5、w(Nd)/w(W)＝40、w(Cl)/w(Li)＝10.8、w(F)/w(Nd)＝21.9和w(La)/w(B)＝1.8。

1.3.3.

2.2 元素克拉克值影响着元素参加地球化学过程的浓度（强度），从而支配着元素的地球化学行为

地壳中分布量最多的前7种元素（O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K），在地壳中比较容易富集成矿，形成数量众多、分布广泛且规模巨大的矿床，如铁矿床、铝土矿床、石灰岩和盐类矿床等等。克拉克值低的Rb、Cs、Br、I等元素，尽管它们的盐类都是易溶化合物，但它们在天然水中的浓度也总是低的；相反，丰度较高的K和Na，则可在天然水中形成较高的浓度，在蒸发环境中还可以发生过饱和而大量沉淀出自己的盐类。

化学性质相当近似的碱金属元素（Na、K、Rb、Cs），由于克拉克值的差异在地壳中呈现出两类不同的地球化学行为。Na和K在地壳中的各种体系中都可有较大的浓度（克拉克值均为2.50％），因此可以形成各种独立矿物，甚至沉淀出易溶的氯化物，形成岩盐和钾盐矿床。相反，Rb和Cs因克拉克值低（Rb:0.015％，Cs:3.7×10-7），它们在各种地质体系中的浓度亦低，总是难于达到饱和浓度，因而不能形成自己的独立矿物，总是呈分散状态存在于其它元素（主要是K）的矿物中。