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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。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、造山运动的更体，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。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相对含量单位T吨％百分之×10-2kg千克‰千分之×10-3g克mg毫克ppm、μg/g、g/T百万分之×10-6μg微克ppb、μg/kg十亿分之×10-9ng毫微克ppt、pg/g万亿分之×10-12pg微微克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、ppm1g/t=1μg/g=10-4%=10-65.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。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：Pb2170å，Ag3281å，Au2428å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据。陨石是空间化学研究的重要对象，具有重要的研究意义：①它是认识宇宙天体、行星的成分、性质及其演化的最易获取、数量最大的地外物质；②也是认识地球的组成、内部构造和起源的主要资料来源；③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；④可作为某些元素和同位素的标准样品（稀土元素，Pb、Nd、Os、S同位素等）。陨石类型铁陨石石陨石陨石主要是由镍-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。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。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。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.陨石的平均化学成分要计算陨石的平均化学成分必须要解决两个问题：①首先要了解各种陨石的平均化学成分；②其次要统计各类陨石的比例。（V.M.Goldschmidt采用硅酸盐：镍-铁：陨硫铁=10：2：1）其平均成分计算结果如下：元素OFeSiMgSNiAl%32.3028.8016.3012.302.121.571.38CaNaCrMnKTiCoP1.330.600.340.210.150.130.120.11要计算陨石的平均化学成分必须要解决两个问题：首先要了解各种陨石的平均化学成分；其次要统计各类陨石的比例。各学者采用的方法不一致。（V.M.Goldschmidt采用硅酸盐：镍-铁：陨硫铁=10：2：1）。陨石的平决化学成分计算结果如下：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。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。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。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Z45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)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Z20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）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。2、地幔地幔从莫霍面以下到2900km。研究地幔的途径：1）深源地幔包体2）幔源派生岩石，如玄武岩等地幔分为上地幔、下地幔及两者之间的过渡层•上地幔35-400km,主要是致密的Fe-Mg硅酸盐，相当于橄榄岩和榴辉岩。Ringwood根据玄武岩与金伯利岩中直接从上地幔上来的二辉橄榄岩包体及大洋拉斑玄武岩的化学成分，计算出上地幔的成分相当于3份橄榄岩+1份玄武岩的总成分，主要矿物组成为：橄榄石57%、斜方辉石17%、单斜辉石12%和石榴子石14%，如与陨石的对比相当于球粒陨石。•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%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%)原始地幔的化学成分亏损地幔的化学成分3、地核2900km以上到地心。通过与铁陨石的对比，以及地球磁场和密度资料，认为地核是由于重力和化学分异形成的铁镍合金，也有人认为地核由原始太阳系星云吸积形成的铁与硅、氧、碳、硫等轻元素合金组成，因而采取了Ni、Fe-FeS等地核模型。二、地球的平均化学成分Mason等在计算地球平均化学成分时，考虑：1）大气圈、水圈和生物圈可忽略不计2）地核+地幔的总质量是地球的99%3）核与幔壳的质量比=32.4%:67.7%•地核成分采用：在球粒陨石中Ni和Fe的平均成分