第二章地壳

1第二章地壳地壳是地学研究的重点对象，在进一步学习地质之前，应该对地壳的物质组成有一个了解。本章将介绍地壳的化学组成，矿物组成和岩石组成。建立地壳演变的时代概念以及地质作用的概念对于学好地质是重要的。本章最后介绍了地质年代表和地质作用的概念，为进一步学习地质作好准备。1地壳的化学组成地壳是由化学元素组成的。在进一步学习地学之前，先了解地壳的元素组成是有益的。本节先介绍地壳的平均化学成分，然后讲一讲同位素。一、地壳的平均化学成分美国地质学家克拉克花费了近50年的时间去统计和分析地壳中主要元素的含量，于1924年发表了他的统计结果。人们为了纪念他的开创性工作，把元素在地壳中的重量百分含量值叫克拉克值。自克拉克之后，有大批地质学家也投入这项工作，不断发表自己的统计结果。总的来说，含量较大的元素的数据无明显的差异，而分歧最大的是那些含量小的或在地壳中分布特别不均匀的稀有元素。为了方便的表示稀少元素的含量，人们引入了丰度的概念。丰度是指地质体中各种元素的含量，通常是以百万分之一为单位，简称ppm。所谓地质体可看作是地学研究的对象，如地球、地壳、某地区的地壳、某个具体的研究对象等。地壳中化学元素分布有如下特点：1地壳中各种元素相对的平均含量是相差悬殊的丰度最大的元素氧（47%)比丰度最小的元素氡（7*10-16%）在含量上大1017倍。氧占地壳总重量的近二分之一，而氡仅重数十吨，相差十分悬殊。若按克拉克值递减的顺序排列各种元素，则前三种分布最多的元素（氧、硅、铝）的重量的82.58%；前九种元素（氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁、氢）的重量占98.13%;前十五种元素重量占99.61%,其余七十七种元素的重量仅占地壳总重量的0.39%。微量元素在地壳中的分布也是不均匀的。2地壳中元素的分布规律若将元素原子克拉克值取对数后，作出这些对数对应于原子序数的曲线。可以看出元素随原子序数增大而减小；偶数的原子序数的丰度大于奇数的原子序数的丰度。原子克拉克值是指地壳中元素的原子数目的百分比值。3地壳中分布最广的元素的丰度大小顺序与地球、太阳系有别太阳系：HHeONeNCSiMgFeS地球：FeOMgSNiSCaAlCoNa2地壳：OSiAlFeCaNaKMgTiH与太阳系相比，地球与地壳明显的贫于H、He、Ne、N等气体元素，这说明在地球形成的过程中必然伴随着气态元素的散失。与地球相比，地壳相对贫Fe、Mg富Al、K、Na，这说明，在地球自身演化过程中，较轻的碱金属硅酸盐上升富集于地球表层和较重的难熔的镁铁硅酸盐和金属铁镍下沉。元素克拉克值反映了地壳的平均化学成分，确定着地壳中各种地球化学过程的总背景。一般来说，丰度大的元素易于富集成矿，但丰度小到的元素也可以通过高度富集成矿。二、同位素原子核中质子数目相同而中子数目不同的原子称之为同位素。自然界中存在两类同位素，即稳定同位素和放射性同位素。迄今在自然界已发现越340种属于各种元素的同位素，其中稳定的同位素273种，约有60多种为放射性同位素。质量数小于209的同位素多数是稳定的，只有少数是放射性的，而质量数大于209的同位素全部属于放射性的。自然界中多数元素是由二至五种同位素混合而成的，例如氧由O16、O17、O18三种同位素混合组成，也存在着由一种同位素单独组成的元素，如Be、F、Na、Al等共21种元素。1.同位素效应和同位素交换反应众所周知，一种元素的原子核外电子层结构决定着它的化学行为而原子核则在一定程度上影响着它的物理性质，既然元素的所有同位素其原子中电子的数目和排列相同，他们的化学性质必然相似。但是同位素质量的差别可以引起他们在物理化学性质方面的某些差异。一种元素的同位素，虽然具有极相似的化学性质，可以参加相同类型的化学反应，但是对于某些较轻的元素的同位素来说，由于它们之间存在的相对质量差别较大，已经影响到它们参加化学反应的速度，使之各有不同。这种质量差别对同位素性质施加的不同影响，造成同位素参加化学反应的动力学性能的不同称之为同位素效应。由于存在同位素效应，结果就引起同位素在反应参加物之间的重新分配，导致同位素的分馏作用。引起同位素在不同化学物质，不同相或个别分子之间发生重新分配或分馏的反应过程叫同位素交换反应。2．地壳中同位素的分馏地壳中元素同位素成分变化或同位素分馏可由两类作用引起。元素放射性衰变引起同位素分馏许多放射性元素可经过放射性衰变而转化成其他元素的稳定同位素，结果母体元素同位素的数量随时间流失而逐渐减少，而子体元素的同位素的数量却不断增加。例如U238和U235可以不同速度发生放射性衰变而最终分别转化成铅的稳定同位素Pb206和Pb207，这不仅导致地壳中铀原子的减少和铅原子的增多，3而且同时也逐渐改变着铀和铅的同位素成分。各种化学和物理过程引起同位素分馏地壳中最明显的同位素分常常都是由各种同位素交换作用所引起的。动物、植物及微生物在其生活过程中经常与介质交换物质，并且通过生物化学反应过程引起同位素分馏例如植物在光合作用中，有机体主要吸收C12并与之化合，使得在有机质中的C12减少。物质在气态和液态下的扩散、以及蒸发、升华和凝聚等作用都引起同位素的分馏，例如由于强烈的蒸发作用，使得H2O16的含增加。上述过程所造成的同位素成分的变化，是随着原子质量的增大而减小的，甚至消失。因为随着原子序数的增大，同位素之间的相对质量差迅速减少，从而大大削弱了元素的同位素效应，并且当原子叙述超过20，过于微弱的同位素效应引起的同位素成分的变化已不能成为现代的技术所发现。在这种情况下，只有放射性同位素衰变才能导致明显的同位素成分的变化。2地壳的矿物组成地壳是由化学元素组成的，地壳中化学元素则以矿物的形式出现，所以地壳也是由矿物组成的。一、矿物的概念矿物是地壳中天然形成的单质或化合物，它具有一定的化学成分和内部结构，因而具有一定的物理、化学性质及外部形态。自然界大多数矿物是由两种以上的元素组成的化合物，如石英（SiO2）、方解石（CaCO3）、磁铁矿（Fe3O4）等；少数是由一种元素组成的单质矿物，如自然金（Au）、自然硫（S）、金刚石(C)等。在通常状况下，绝大多数矿物是固体，只有极少数是液体（如自然汞（Hg）、水（H2O）等）。固体矿物按其内部质点的结构不同可分为晶质矿物和非晶质矿物两类。晶质矿物的内部质点（原子、离子或分子）呈有规律的排列，如石盐（NaCl）内部的Na+和Cl-离子在任一方向上都是按一定间隔重复出现并组成网格状。晶质矿物在有利的条件下都能生长成规则的几何多面体外形，这种几何多面体称为晶体，包围晶体的平面称晶面。晶体的大小不等，小的可以是几微米到几毫米，大的可以达几十厘米甚至几米以上。非晶质矿物的内部质点排列无规律，颇类似于液体，可以说是硬化了的液体，它在外形上常表现为均一的、无颗粒的不定形凝固体面貌。自然界中绝大多数固体矿物是晶质矿物，只有4少数矿物，如火山玻璃及一些胶体凝固矿物属非晶质矿物，而且非晶质矿物随时间增长可自发转变为晶质矿物。二、矿物的形态与物理性质不同矿物的化学成分与内部结构不同，决定其具有不同的外部形态与物理性质，这种特定的矿物形态与物理性质是鉴定矿物的重要依据。（1）矿物的形态晶质矿物在有利的条件下形成的单个完整晶体（称单体）往往具有特殊的几何形态。这种单体的形态多种多样，但归纳起来，可分为三种类型：一向延伸型呈柱状或针状的晶形，如石英、辉锑矿、角闪石等；二向延伸型呈片状或板状的晶形，如云母、长石等；三向等长型呈粒状或等轴状晶形，如黄铁矿、石榴子石、磁铁矿等。由同种矿物的多个单体或颗粒聚合在一起时称为矿物集合体。矿物集合体也常具有某种习惯性的形态，它们多取决于矿物单体形态及集合方式。一向延长型单体常集合成晶簇状、纤维状、放射状等集合体形态；二向延长型单体常集合型成片状、鳞片状等集合体形态；三向延长型单体常集合成粒状等集合体形态。由胶体凝聚而成的非晶质及隐晶质矿物集合体常呈鲕状、肾状和钟乳状等集合体形态。（2）矿物的物理性质矿物的物理性质中重要的是矿物的光学性质和力学性质。矿物的光学性质是指矿物对可见光的吸收、透射和反射等的程度不同所引起的各种性质。它包括颜色、条痕、透明度和光泽等。颜色是矿物吸收可见光后所呈现的色调。如矿物对可见光中各种波长的光波均匀吸收，则随吸收程度的由小变大而呈白、灰、黑色；如对各种波长的光波选择性吸收，则呈现红、橙、黄、绿、青、蓝、紫各种鲜艳的颜色。矿物有时因混有不同杂质或其它原因使本身的颜色发生一定的变化。条痕是矿物粉末的颜色，通常用矿物在毛瓷板上刻划来观察。由于条痕色消除或减低了矿物中杂质或其它原因对矿物颜色的影响，突出了矿物本身的颜色，因而更稳定、更具有鉴定意义。透明度是指可见光透射矿物的程度。随透射程度的由大变小可分为透明、半透明和不透明三个等级。透明度由强变弱通常与矿物颜色由浅变深呈对应关系。光泽是矿物表面反射光波的能力。按反射光的由强到弱分为三级：金属光泽、半金属光泽5和非金属光泽。非金属光泽中最常见的是玻璃光泽，此外尚见有一些特殊光泽，如油脂光泽、丝绢光泽、金刚光泽、珍珠光泽等。矿物的光泽与其颜色和透明度具反相关关系，即透明度强、颜色浅则偏向非金属光泽，反之则偏向金属光泽。矿物的力学性质是指矿物受外力作用（敲打、刻划等）后所表现出的性质，包括硬度、解理与断口等。硬度是指矿物抵抗外力刻划的能力。测定矿物硬度的绝对值需用特殊装置。为了应用方便，德国矿物学家弗里德里克•摩斯（FriedrichMohs）选择了10种软硬不同的矿物作为10个等级标准，组成相对硬度系列，称为摩氏硬度计。摩氏硬度计中硬度等级高的矿物可刻动硬度等级低的矿物，但各等级之间的绝对硬度值并不成倍数或等差关系。表3.3摩氏硬度计级别12345678910矿物滑石石膏方解石萤石磷灰石正长石石英黄玉刚玉钻石相当无指甲铜币铁钉玻璃小刀锉钢刀砂纸无无在鉴定矿物的相对硬度时，可将所测矿物与摩氏硬度计中的标准矿物相互刻划来确定。如某种矿物能刻动正长石，又被石英刻动，则其硬度介于6～7之间。在野外时，常用小刀（硬度为5.5）和指甲（硬度2.5）进行简易鉴定。解理与断口矿物受力后沿一定方向规则裂开的性质称为解理。裂开的面称为解理面。如菱面体的方解石被打碎后仍呈菱面体，云母可揭成一页一页的薄片。矿物中具同一方向的解理面算一组解理，如方解石有3组解理，云母只有一组解理。各种矿物解理发育程度不一样，解理面的完整性也不相同，按解理裂开的难易程度及解理面的完好程度一般分为极完全解理、完全解理、中等解理和不完全解理4个等级。如果矿物受敲击后沿任意方向裂开成凹凸不平的断面，则称为断口。断口与解理是互为消长的。常见的断口形态有贝壳状（如石英）、参差状（如黄铁矿）、锯齿状（如自然铜）等。矿物除力学、光学性质外，还有相对密度、磁性、压电性等物理性质。这些物理性质有时在鉴定矿物时具有特殊的作用，如方铅矿（SbS）相对密度大（为7.6）、磁铁矿具磁性、纯净的石英（水晶）具压电性等。此外，某些矿物的化学性质对鉴定矿物也特别有利，如碳酸盐类的方解石加盐酸会剧烈起泡等。所以，在鉴定矿物时往往要综合各方面特点进行分析。3.地壳中的矿物种类地壳中目前已发现的矿物有2270余种，常见矿物约二三百种，按矿物的化学成分可分为下6述五大类：（1）自然元素矿物是自然界中呈元素单质状态产出的矿物。已知的该类矿物约50多种，占地壳质量的0.1％。主要包括金、银、铜、铂等金属元素矿物和砷、锑、铋、碲、硒等半金属元素矿物及硫、碳等非金属元素矿物。此类矿物一般均为重要的矿产资源。（2）硫化物矿物是主要由阴离子硫与一些金属阳离子相结合而形成的矿物。已知的硫化物矿物约有300余种，约占地壳质量的0.25％。常见的硫化物矿物主要有黄铁矿、黄铜矿、方铅矿、闪锌矿、辉锑矿等，它们多是有色金属及部分稀有金属的主要矿物原料。（3）卤化物矿物是卤族元素（F、Cl、Br、I）与K、Na、Ca、Mg等元素化合而成的矿物。其种类较少，在地壳中的含量甚低。常见的矿物有石盐、钾盐、光