地球科學概論第三章

1、地球是一個特殊的物理化學體系 元素礦物巖石第一 節(jié) 地球中的元素 宇宙中的元素是通過熱核聚變反應，經歷了從簡單到復雜的形成演化過程的。物質復雜多樣 地球上多種多樣的物質，都是從基本粒子聚變而成氫開始的,然后是四個氫合成一個氦，氦再進一步合成其它元素 約在150億年前的大爆炸以后50100萬年時，從輕元素到重元素，現(xiàn)今所有的元素就已逐漸形成兩千多年前中國李耳 “道生一，一生二，二生三，三生萬物”的哲學思想美國化學家克拉克(F.W.Clarke,1847-1931) 根據大陸地殼中(地下16Km以內)的5159個巖石、礦物、土壤和天然水的樣品分析數據，于1889年第一次算出元素在地殼中的平均含量數

2、值(平均質量百分比)，即元素的豐度。 為了紀念這個創(chuàng)舉，命名為克拉克值。 克拉克值：某一種元素在地殼中的平均重量百分含量地殼中各元素的豐度 氧(45.2%）,硅(27.2%) 鋁(8%),鐵(5.8%),鈣(5.06%) 鎂(2.77%),鈉(2.32%),鉀(1.68%) 鈦(0.68%),氫(0.14%),錳(0.10%),磷(0.10%) 其它所有元素(0.95%)地殼中其它重要元素 10-5 : Cu 5.5, Pb 1.25, Zn 7, Co 2.5, Ni 7.5 10-6 (g/t) : W 1.5, Sn 2, U 2.7, Mo 1.5, As 1.8 10-7 : Sb

3、2 10-8 : Ag 7, Au 4 10-9 : Pt 5整個地球的物質 （按重量計算）各元素的豐度 鐵近34.6%，氧為29.5% 硅為15.2%，鎂為12.7% 鎳為2.4%，硫為1.9%， 鈣和鋁為2.2% 其它所有元素共占1.5% 地核：大部分以金屬狀態(tài)存在的鐵和鎳 地殼和地幔：大部分是氧和硅、鋁也較多 水 圈：以氧和氫為主 生物圈：主要為碳、氫、氧和氮 大氣圈：主要為氮、氧 全球的質量近六十萬億億噸 (5.9761027g) 幾乎都集中在平均半徑為6371km的固體地球內 以巖石和金屬的形態(tài)出現(xiàn),其平均密度為5.52g/cm3(即1立方厘米5.52克)。 大氣、水和生物體的總質量

4、不足0.1%。Top 第二節(jié) 自然界中的礦物礦物：天然形成的、具有一定化學成分、內部原子排列順序和物理特征的元素單質和無機化合物。 礦物一般都有自己固有的形態(tài)，但在自然界產出時常不完整 只有部分礦物如水晶、金剛石、黃鐵礦、方解石、黑云母、石棉等少數礦物易形成其固有的形態(tài)特征 礦物也有較大的形體，可以用肉眼及簡單的試驗方法辨認 自然金孔雀石金剛石紅寶石石英黃鐵石礦物肉眼鑒定方法 顏色：對白光中不同波長光波吸收的結果，為吸收光的補色 條痕色：礦物粉末的顏色 透明度：透過可見光的能力 光澤：礦物表面的總光量 硬度：抵抗外來機械力（刻劃、壓入、研磨）的能力 比重： 磁性： 解理：礦物在外力作用下嚴格沿

5、著一定的結晶方向破裂，并裂成光滑平面的性質孔雀石白云母方解石Top 第三節(jié) 礦物晶體結構 礦物的DNA 絕大部分礦物都是結晶體 德國物理家馮勞埃(M. Von Laue, 1879-1960)用X光觀測晶體，發(fā)現(xiàn)不論晶體的外形如何，內部的原子、離子、分子都是有序的排列 這種質點的有序排列，就好像生物的基因物質脫氧核糖核酸（DNA）一樣 礦物的各種特征 不僅與它的化學成分相關更受到晶體構造的控制礦物種數 從20世紀初的兩千多種到20世紀90年代的五千多種礦物分類 自然元素礦物： 如金，金剛石、石墨、硫磺，還有銅、銀、汞等 鹵化物礦物（F、Cl、Br、I化合物）：石鹽、鉀鹽、螢石等 硫化物礦物：黃

6、鐵礦、黃銅礦、方鉛礦、閃鋅礦、輝鉬礦、雄黃等 氧化物和氫氧化物礦物： 如赤鐵礦、磁鐵礦、鉻鐵礦、錫石、鋁土礦、軟錳礦、硬錳礦、瀝青鈾礦、石英等。 含氧酸鹽礦物： 最重要的是下面三種： 硫酸鹽礦物： 有石膏、芒硝、重晶石等 碳酸鹽礦物： 如方解石、孔雀石 硅酸鹽礦物： 自然鉑（Pt）（自然元素礦物）黃鐵礦（FeS2）硫化物石膏（Ca(H2O)2SO4）（氫氧化物）奧長石（100nNaAlSi3O8nCaAlSi2O8）硅酸鹽鉀鹽（KCl）（鹵化物）錫石（SnO2）氧化物方解石（CaCO3）（含氧酸鹽）硅酸鹽礦物 氧離子和硅離子結合的基礎上，再與金屬離子結合而成硅酸鹽礦物石英（SiO2） 硅酸鹽礦

7、物種類繁多，約占已知礦物種數的1/4，占地殼總重量的85% 其中最常見的就是各類長石、云母、輝石、角閃石、橄欖石等幾種，它們廣泛分布在地殼與地幔內。硅酸鹽礦物的晶體結構黃玉（島狀硅酸鹽）薔薇輝石（鏈狀硅酸鹽）蛇紋石（層狀硅酸鹽）奧長石（架狀硅酸鹽） 礦物的非晶質體：黑曜巖、珍珠巖、蛋白石 由于儀器觀測精度越來越高，過去許多以為是非晶質的礦物，其實是晶體微小的“隱晶質” 原來被列為非晶質礦物的種數變得越來越少Top 第四節(jié) 巖石的科學與情趣 礦物總是集合成為巖石而產出的 巖石：自然狀態(tài)下形成的，由一種或幾種礦物有規(guī)律組合而成的礦物集合體 巖石是混合物 巖石的成因 水成論 魏爾納(A.G.Wern

8、er,1750-1815） 火成論 赫 頓（J. Hutton, 17261797） 按巖石成因來進行科學分類 地球上的巖石： 沉積巖主要來自地表的沉積物（很多沉積于水中），也稱水成巖 巖漿巖是巖漿冷凝的產物，也叫火成巖 變質巖是原巖在固體狀態(tài)下、經過一定的溫度與壓力的作用，有時還有新的成分加入，使其內部物質組成或結構 發(fā)生了不同程度的變化古代中國的學者走的是另一條路 不是去探究巖石的成因和尋求合乎邏輯的分類，而是想從巖石的身上找出精神的價值。 將玉與普通的石頭區(qū)別開來，并把它擺到崇高的位置，就是這種追求的表現(xiàn)。 將玉的色澤、晶瑩、柔潤、堅固，敲擊時聲音清純綿長等特點，看作仁義道德和勇敢機智的

9、體現(xiàn)。玉乃“ 石之美 有五德者”，“ 君子必佩玉”。玉 古人不知道它是什么成分，經過現(xiàn)代技術手段測定，才知道玉不是礦物而是礦物的集合體，即巖石一類 大多為透閃石(Ca2Mg5Si4O112(OH)2) 或陽起石 (Ca2(Mg,Fe)5Si4O112(OH)2）一類，成纖維狀，非 常細微 商周兩代最盛。商王后婦好的墓中挖出玉器755件。 武王滅商，“ 得佩玉億有八萬” 即18萬塊之多。 歐洲人沒有這些講究，哥倫布帶回印地安人用來治病的玉，這才有了Jade（玉）這個名詞 祖母綠(綠柱石)玉透雕三龍環(huán)型飾中國人不僅追求精神，也重視實用 四千多年前就會開采銅礦石、冶煉金屬在兩千多年前就知道把煤拿來當燃料將礦物巖石用于醫(yī)藥，更有獨到之處。 總之，一句話，事情做了不少，但卻從來沒有人去探索其中的科學奧秘。賢哲們是不去做這些事的，他們醉心的 仍是在天人合一的境界中去領略石頭的情趣。愛因斯坦在1953年致斯威策(J.E.Switzer)的信中說過： “西方科學的發(fā)展是以兩個偉大的成就為基礎，那就是：希臘哲學家發(fā)明形式邏輯體系（在歐幾里得幾何學中）以及通過系統(tǒng)的實驗發(fā)現(xiàn)有可能找出因果關系（