1太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度詳解

1、 地殼元素的豐度區(qū)域中元素分布的研究.第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)的元素豐度元素豐度是每一個(gè)地球化學(xué)體系的基本數(shù)據(jù)，可在同一或不同體系中用元素的含量值來(lái)進(jìn)行比較，通過(guò)縱向（時(shí)間）、橫向（空間）上的比較，了解元素動(dòng)態(tài)情況，從而建立起元素集中、分散、遷移活動(dòng)等一系列地球化學(xué)概念。從某種意義上來(lái)說(shuō)，也就是在探索和了解豐度這一課題的過(guò)程中，逐漸建立起近代地球化學(xué)。研究元素豐度是研究地球化學(xué)基礎(chǔ)理論問(wèn)題的重要素材之一。宇宙天體是怎樣起源的？地球又是如何形成的？地殼中主要元素為什么與地幔中的不一樣？生命是怎么產(chǎn)生和演化的？這些研究都離不開(kāi)地球化學(xué)體系中元素豐度分布特征和規(guī)律?；A(chǔ)概念太陽(yáng)系的組成及元素豐度地球的

2、結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分1.1基本概念1.地球化學(xué)體系按照地球化學(xué)的觀點(diǎn)，我們把所要研究的對(duì)象看作是一個(gè)地球化學(xué)體系。每個(gè)地球化學(xué)體系都有一定的空間，都處于特定的物理化學(xué)狀態(tài)（C、T、P等），并且有一定的時(shí)間連續(xù)。這個(gè)體系可大可小。某個(gè)礦物包裹體，某礦物、某巖石可看作一個(gè)地球化學(xué)體系，某個(gè)地層、巖體、礦床（某個(gè)流域、某個(gè)城市）也是一個(gè)地球化學(xué)體系，從更大范圍來(lái)講,某一個(gè)區(qū)域、地殼、地球直至太陽(yáng)系、整個(gè)宇宙都可看作為一個(gè)地球化學(xué)體系。地球化學(xué)的基本問(wèn)題之一就是研究元素在地球化學(xué)體系中的分布（豐度）、分配問(wèn)題，也就是地球化學(xué)體系中元素“量”的研究。分布與豐度所謂元素在體系中的分布，一般認(rèn)為是元素在這個(gè)體系中

3、的相對(duì)含量（以元素的平均含量表示），即元素的“豐度”。其實(shí)“分布”比“豐度”具有更廣泛的涵義：體系中元素的豐度值實(shí)際上只是對(duì)這個(gè)體系里元素真實(shí)含量的一種估計(jì)，它只反映了元素分布特征的一個(gè)方面，即元素在一個(gè)體系中分布的一種集中（平均）傾向。但是，元素在一個(gè)體系中，特別是在較大體系中的分布決不是均一的，還包含著元素在體系中的離散（不均一）特征，因此，元素的分布包括:元素的相對(duì)含量（平均含量=元素的“豐度”）；元素含量的不均一性（分布離散特征數(shù)、分布所服從的統(tǒng)計(jì)模型）。需要指出的是，從目前的情況來(lái)看，地球化學(xué)對(duì)元素特征所積累的資料（包括太陽(yáng)系、地球、地殼）都僅限于豐度的資料，關(guān)于元素分布的離散程度及

4、元素分布統(tǒng)計(jì)特征研究，僅限于在少量范圍不大的地球化學(xué)體系內(nèi)做了一些工作。分布與分配元素的分布指的是元素在一個(gè)化學(xué)體系中（太陽(yáng)、隕石、地球、地殼、某地區(qū)等）的整體總含量；元素的分配指的是元素在各地球化學(xué)體系內(nèi)各個(gè)區(qū)域或區(qū)段中的含量；分布是整體，分配是局部，兩者是一個(gè)相對(duì)的概念，既有聯(lián)系又有區(qū)別。例如，地球作為整體，元素在地殼中的分布，也就是元素在地球中分配的表現(xiàn)，把某巖石作為一個(gè)整體，元素在某組成礦物中的分布，也就是元素在巖石中分配的表現(xiàn)。絕對(duì)含量和相對(duì)含量各地球體系中常用的含量單位有兩類，絕對(duì)含量和相對(duì)含量。絕對(duì)含量單位相對(duì)含量單位T噸%百分之X10-2kg千克%0千分之X10-3g克mg毫克

5、ppm、mg/g、g/T百萬(wàn)分之X10-6Mg微克ppb、Mg/kg十億分之X10-9ng毫微克ppt、pg/g萬(wàn)億分之X10-12pg微微克1.2太陽(yáng)系的組成和元素豐度獲得太陽(yáng)系豐度資料的主要途徑隕石的化學(xué)組成太陽(yáng)系元素豐度規(guī)律大家都知道，我們地球所在的太陽(yáng)系是由太陽(yáng)、行星、行星物體（宇宙塵、彗星、小行星）組成的，其中太陽(yáng)的質(zhì)量占太陽(yáng)系總質(zhì)量的99.8%，其他成員的總和僅為0.2%，所以太陽(yáng)的成分是研究太陽(yáng)系成分的關(guān)鍵。那么，太陽(yáng)系的成分是如何獲得的呢？一、獲得太陽(yáng)系豐度資料的主要途徑光譜分析2.直接分析對(duì)太陽(yáng)和其它星體的輻射光譜進(jìn)行定性和定量分析以獲得元素組成資料。但這些資料有兩個(gè)局限性：

6、一是有些元素產(chǎn)生的波長(zhǎng)小于2900A，這部分譜線在通過(guò)地球大氣圈時(shí)被吸收而觀察不到；二是這些光譜只產(chǎn)生于表面，它只能反映表面成分，如太陽(yáng)光譜是太陽(yáng)氣產(chǎn)生的，只能說(shuō)明太陽(yáng)氣的組成。如直接測(cè)定地殼巖石、各類隕石和月巖、火星巖石的樣品。上個(gè)世紀(jì)七十年代美國(guó)“阿波羅”飛船登月，采集了月巖、月壤樣品，1997年美國(guó)“探路者”號(hào)，2004年美國(guó)的“勇氣”、“機(jī)遇”號(hào)火星探測(cè)器測(cè)定了火星巖石的成分。宇航員月亮車火星車3.利用宇宙飛行器分析測(cè)定星云和星際物質(zhì)及研究宇宙射線。除了太陽(yáng)成分外，隕石的成分是人類研究太陽(yáng)系成分的重要地外物質(zhì)。二、隕石的化學(xué)組成隕石是從星際空間降落到地球表面上來(lái)的行星物體的碎片。它是認(rèn)

7、識(shí)宇宙天體、行星的成分、性質(zhì)及其演化最易獲取、數(shù)量最大的地外物質(zhì)；它是認(rèn)識(shí)地球的組成、內(nèi)部構(gòu)造和起源的主要資料來(lái)源；隕石中的60多種有機(jī)化合物是非生物合成的“前生物物質(zhì)”，對(duì)探索生命前期的化學(xué)演化開(kāi)拓了新的途徑；可作為某些元素和同位素的標(biāo)準(zhǔn)樣品（如稀土元素，鉛、硫同位素等）隕石類型隕石主要是由鎳-鐵合金、結(jié)晶硅酸鹽或兩者的混合物所組成，按成分分類：1）鐵隕石（siderite）:主要由金屬Ni、Fe（占98%）和少量其他元素組成（Co、S、P、Cu、Cr、C等）。2）石隕石（aerolite）：主要由硅酸鹽礦物（橄欖石、輝石）組成。這類隕石可以分為兩類，按它們是否含有球粒硅酸鹽結(jié)構(gòu)，分為球粒隕

8、石和無(wú)球粒隕石。這些隕石大都是石質(zhì)的，但也有少部分是碳質(zhì)的。碳質(zhì)球粒隕石是球粒隕石中的一個(gè)特殊類型，由碳的有機(jī)化合分子和主體含水硅酸鹽組成。它對(duì)探討生命起源和太陽(yáng)系元素豐度等各方面具有特殊的意義。由于阿倫德（Allende）碳質(zhì)球粒隕石（1969年隕落于墨西哥）的元素豐度幾乎與太陽(yáng)氣中觀察到的非揮發(fā)性元素豐度完全一致，因此碳質(zhì)球粒隕石的化學(xué)成分已被用來(lái)估計(jì)太陽(yáng)系中非揮發(fā)性元素的豐度。3）鐵石隕石（sidrolite）:由數(shù)量上大體相等的FeNi和硅酸鹽礦物組成，是上述兩類隕石的過(guò)渡類型。石隕石鐵隕石隕石的平均化學(xué)成分要計(jì)算隕石的平均化學(xué)成分必須要解決兩個(gè)問(wèn)題：首先要了解各種隕石的化學(xué)成分；其次

9、要統(tǒng)計(jì)各類隕石所占的比例。不同學(xué)者采用的方法不一致，如V.M.Goldschmidt采用硅酸鹽：鎳-鐵：隕硫鐵=10：2：1,其隕石的平均化學(xué)成分計(jì)算結(jié)果如下：*1元糸OFeSiMgSNiAl%32.3028.8016.3012.302.121.571.38CaNaCrMnKTiCoP1.330.600.340.210.150.130.120.113.幾點(diǎn)共識(shí)從表中我們可以看到O、Fe、Si、Mg、S、Ni、Al、Ca是隕石的主要化學(xué)成分。根據(jù)對(duì)世界上眾多各類隕石的研究,雖然對(duì)隕石成分的看法還不甚一致,但以下一些基本認(rèn)識(shí)是趨于公認(rèn)的：它們都來(lái)自某種曾經(jīng)分異成一個(gè)富金屬核和硅酸鹽包裹層的行星體，

10、這種天體的破裂導(dǎo)致各類隕石的形成；石隕石與地球上的基性、超基性火山巖礦物組成和化學(xué)成分相似，鐵隕石與地核的化學(xué)成分相似。因此，隕石的母體在組成上和結(jié)構(gòu)上與地球極為相似；各種隕石分別形成于不同的行星母體，這是因?yàn)楦黝愲E石具有不同的年齡、成分差異和氧同位素比值；隕石的年齡與地球的年齡相近(利用隕石鉛同位素測(cè)得的年齡是45.50.7億年)；隕石等地外物體撞擊地球，會(huì)突然改變地表的生態(tài)環(huán)境并可能誘發(fā)大量的生物滅絕，構(gòu)成了地球演化史中頻繁而影響深遠(yuǎn)的突變事件。為此研究隕石對(duì)探討生態(tài)環(huán)境變化、古生物演化和地層劃分均具有重要意義。三、太陽(yáng)系元素豐度規(guī)律對(duì)太陽(yáng)系元素的豐度估算各類學(xué)者選取太陽(yáng)系的物體是不同的。

11、有的是根據(jù)太陽(yáng)和其它行星光譜資料及隕石化學(xué)成分，有的根據(jù)I型球粒隕石。再加上估算方法不同，得出的結(jié)果也不盡相同，下表列出了GERM(1998)的太陽(yáng)系元素豐度(單位：原子數(shù)/106Si原子)。太陽(yáng)系兀素豐度序號(hào)*1兀素推薦值相對(duì)誤差(1sigma)序號(hào)1兀素推薦值相對(duì)誤差(1sigma)1H2.79E+10-47Ag0.4862.9%2He2.72E+09-48Cd1.616.5%3Li57.19.2%49In0.1846.4%4Be0.739.5%50Sn3.829.4%5B21.210.0%51Sb0.30918.0%6C1.01E+07-52Te4.8110.0%7N3.13E+06-5

12、3I0.921.0%8O2.38E+0710.0%54Xe4.720.0%9F84315.0%55Cs0.3725.6%10Ne3.44E+0614.0%56Ba4.496.3%11Na5.74E+047.1%57La0.4462.0%12Mg1.07E+063.8%58Ce1.1361.7%13Al8.49E+043.6%59Pr0.16692.4%14Si1.00E+060.0%60Nd0.82791.3%15P1.04E+0410.0%61(Pm)16S5.15E+0513.0%62Sm0.25821.3%17Cl524015.0%63Eu0.09731.6%18Ar1.01E+056.

13、0%64Gd0.331.4%19K37707.7%65Tb0.06032.2%20Ca6.11E+047.1%66Dy0.39421.4%21Sc34.28.6%67Ho0.08892.4%22Ti24005.0%68Er0.2531.3%23V2935.1%69Tm0.03862.3%24Cr1.35E+047.6%70Yb0.2431.6%25Mn95509.6%71Lu0.03691.3%26Fe9.00E+052.7%72Hf0.1761.9%27Co22506.6%73Ta0.02261.8%28Ni4.93E+045.1%74W0.1375.1%29Cu52211.0%75Re0.

14、05079.4%30Zn12604.4%76Os0.7176.3%31Ga37.86.9%77Ir0.666.1%32Ge1199.6%78Pt1.377.4%33As6.5612.0%79Au0.18615.0%34Se62.16.4%80Hg0.5212.0%35Br11.819.0%81Tl0.1849.4%36Kr4518.0%82Pb3.157.8%37Rb7.096.6%83Bi0.1448.2%38Sr23.58.1%84(Po)39Y4.646.0%85(At)40Zr11.46.4%86(Rn)41Nb0.6981.4%87(Fr)42Mo2.555.5%88(Ra)43(T

15、c)89(Ac)44Ru1.865.4%90Th0.03355.7%45Rh0.3448.0%91(Pa)46Pd1.396.6%92U0.0098.4%對(duì)于這樣的數(shù)據(jù)我們應(yīng)給予一個(gè)正確的的評(píng)價(jià)：這是一種估計(jì)值，反映的是目前人類對(duì)太陽(yáng)系的認(rèn)識(shí)水平，因此這個(gè)估計(jì)值不可能是準(zhǔn)確的，隨著人們對(duì)太陽(yáng)系以至于宇宙體系探索的不斷深入，這個(gè)估計(jì)值會(huì)不斷的修正。同時(shí)，從總的方面來(lái)看，雖然還是很粗略的，但它反映了元素在太陽(yáng)系分布的總體規(guī)律。三、太陽(yáng)系元素豐度規(guī)律10?104101Be“RbA相對(duì)于1臚SI原子數(shù)的豐度io,1r甲制10,135101520253035445）各元素豐度值很相近原子序數(shù)為偶數(shù)的元素

16、其豐度大大高于相鄰原子序數(shù)為奇數(shù)的元素。具有偶數(shù)質(zhì)子數(shù)（P）或偶數(shù)中子數(shù)（N）的核素豐度總是高于具有奇數(shù)P或N的核素，這一規(guī)律稱為OddoHarkins（奧多-哈根斯）法則，亦即奇偶規(guī)律；4質(zhì)量數(shù)為4的倍數(shù)（即a粒子質(zhì)量的倍數(shù)）的元素或同位素具有較高豐度。此外還有人指出，原子序數(shù)（Z）或中子數(shù)（N）為“幻數(shù)”（2、8、20、50、82和126等）的核素或同位素豐度最大。例如，4He（Z=2,N=2）、160（Z=8,N=8）、40Ca（Z=20,N=20）和140Ce（Z=58,N=82）等都具有較高的豐度；5.Li、Be和B具有很低的豐度，屬于強(qiáng)虧損的元素，而0和Fe呈現(xiàn)明顯的峰,為過(guò)剩元素

17、。通過(guò)對(duì)上述規(guī)律的分析，人們認(rèn)識(shí)到太陽(yáng)系元素豐度與元素原子結(jié)構(gòu)及元素形成的整個(gè)過(guò)程之間存在著某種關(guān)系：與元素原子結(jié)構(gòu)的關(guān)系。原子核由質(zhì)子和中子組成，其間既有核力又有庫(kù)侖斥力，但中子數(shù)和核子數(shù)比例適當(dāng)時(shí)，核最穩(wěn)定，而具有最穩(wěn)定原子核的元素一般分布最廣。在原子序數(shù)（Z）小于20的輕核中，中子（N）/質(zhì)子（P）=1時(shí)，核最穩(wěn)定，為此可以說(shuō)明4He（Z=2,N=2）、16O（Z=8,N=8）、40Ca（Z=20,N=20）等元素豐度較大的原因。又如偶數(shù)元素與偶數(shù)同位素的原子核內(nèi)，核子傾向成對(duì)，它們的自旋力矩相等，而方向相反，量子力學(xué)證明，這種核的穩(wěn)定性較大，因而偶數(shù)元素和偶數(shù)同位素在自然界的分布更廣；

18、2與元素形成的整個(gè)過(guò)程有關(guān)。H、He的豐度占主導(dǎo)地位和Li、Be、B等元素的虧損可從元素的起源和形成的整個(gè)過(guò)程等方面來(lái)分析。根據(jù)恒星合成元素的假說(shuō)，在恒星高溫條件下（nX106K），可以發(fā)生有原子（H原子核）參加的熱核反應(yīng)，最初時(shí)刻H的“燃燒”產(chǎn)生He,另外在熱核反應(yīng)過(guò)程中Li、Be、B迅速轉(zhuǎn)變?yōu)镠e的同位素42He,因此太陽(yáng)系中Li、Be、B等元素豐度偏低可能是恒星熱核反應(yīng)過(guò)程中被消耗掉了的緣故。1.3地球的結(jié)構(gòu)和地球的化學(xué)成分地球的結(jié)構(gòu)和各圈層的組成地球元素豐度研究方法地球元素豐度及其規(guī)律地球的形成和早期分異Flash2在浩瀚的宇宙中，在數(shù)以億計(jì)的星系中，有一個(gè)普通的旋渦星系，我們稱之為銀

19、河系。銀河系中大約有3000億顆恒星，其中有一顆不起眼的，有行星環(huán)繞的恒星，我們稱之為太陽(yáng)。地球，是太陽(yáng)的第三顆行星。宇宙中的地球，極其渺小，只能用“滄海一粟”來(lái)描繪。但她孕育了生命，孕育了人類，這在我們已知的宇宙范圍內(nèi)，是獨(dú)一無(wú)二的。一、地球的結(jié)構(gòu)和各圈層的組成地球由于早期的熔融和分異，形成了由不同物質(zhì)組成的分層結(jié)構(gòu)。根據(jù)地震壓縮波（P波）和剪切波（S波）隨地球深度的變化特征，將地球內(nèi)部分成地殼、地幔和地核三層。Flash3地殼地幔地核1.地殼的結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成按照地球物理的概念，地殼是指從地表（包括陸地表面和海洋底面）開(kāi)始深達(dá)莫霍面（M界面）的層殼，它不包括水圈和大氣圈，也不等于巖石圈，僅僅

20、相當(dāng)于巖石圈的上部。研究表明，大陸地殼的平均厚度為35km，而大洋地殼厚度僅為7km左右，兩者相差很大，主要原因是其巖石類型及其組成不同。大陸地殼可分為上地殼和下地殼，上地殼厚812km，由偏酸性的火成巖和沉積巖組成，下地殼主要由麻粒巖、玄武巖等中酸性或中基性巖石組成，它在組成上比上地殼均一。相比之下，大洋地殼的巖石就要簡(jiǎn)單得多，整個(gè)洋殼全是玄武巖組成，其中大洋型拉斑玄武巖占99%，僅有1%為大洋玄武巖分異的產(chǎn)物堿性玄武巖。Flash4地幔的結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成在地球?qū)尤δＰ椭?，地幔界于兩個(gè)一級(jí)界面M界面（莫霍面）和G界面（古登堡界面）之間，其體積占整個(gè)地球的83%，其質(zhì)量占地球總質(zhì)量的67.8%。

21、根據(jù)次級(jí)地震波界面，地幔又可分為三個(gè)亞層（B、C和D）,其中B為上地幔，C為轉(zhuǎn)變區(qū)，D為下地幔。從莫霍面往下400km深處為上地幔。對(duì)來(lái)自該圈層的超基性巖包體的研究表明，上地幔主要由橄欖石、輝石、石榴子石及少量尖晶石、角閃石和金云母組成。400-1000km深處稱為轉(zhuǎn)變區(qū)，由于壓力大，該區(qū)內(nèi)Fe、Mg硅酸鹽礦物晶體結(jié)構(gòu)均從橄欖石型轉(zhuǎn)變?yōu)榧饩汀?000-2900km深處為下地幔，該圈層的組成非常均勻且富含F(xiàn)e礦物（Henderson，1982）。Flash5地核的結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成地核是從2900km深直到地心的整個(gè)部分，地核占地球體積的16.2%，占地球總質(zhì)量的31.5%，地核的平均密度為10

22、.7g/cm3。地核是由以Ni、Fe為主要成分的Fe-Ni合金組成，相當(dāng)于鐵隕石的化學(xué)組成。地核又分為外核和內(nèi)核。根據(jù)密度和地震波速推測(cè)，地核中可能會(huì)有一定數(shù)量的S或者Si元素。Flash6、鐵核鐵隕石二、地球元素豐度研究方法隕石類比法直接利用隕石的化學(xué)成分，經(jīng)算術(shù)平均求出地球的元素豐度。計(jì)算時(shí)假設(shè)1）隕石在太陽(yáng)系中形成；2）隕石與行星帶的物質(zhì)成分相同；3）隕石是已破碎了的星體碎片；4）產(chǎn)生隕石的星體（母體），其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和成分與地球相似。華盛頓等（1911）采用此法來(lái)研究地球元素的豐度。地球模型和隕石類比法馬遜（1966）根據(jù)現(xiàn)代地球模型，認(rèn)為地球的總體成分應(yīng)取決于占地球總質(zhì)量99.3%的地核

23、和地幔，因此他用球粒隕石中的硅酸鹽相（silicatephase）代表地幔，用金屬相（metalphase）和隕硫化物（torilitephase）代表地核,再用質(zhì)量加權(quán)法計(jì)算出地球的平均化學(xué)成分，故又稱“SMT”法。地球物理類比法黎彤（1976）首先采用了這種層殼模型的地球物理類比法。該方法是先求出地殼、上地幔、下地幔和地核4個(gè)圈層的平均成分，取各個(gè)殼層的質(zhì)量分?jǐn)?shù)加權(quán)平均得到整個(gè)地球的平均化學(xué)成分。三、地球元素豐度及其規(guī)律盡管地球元素豐度計(jì)算中存在假定性和不確定性，目前所獲得的計(jì)算值還有待檢驗(yàn)和修正，但從已有的數(shù)據(jù)可以獲得以下規(guī)律：地球中最豐富的元素是Fe、0、Si和Mg，如果加上Ni、S、

24、Ca和Al，這8種元素的質(zhì)量占了地球總質(zhì)量的98%。地球中元素的分布規(guī)律和太陽(yáng)系元素豐度特征是很不相同的，從元素分布的角度說(shuō)明了地球和其他類地行星一樣是太陽(yáng)系中比較特殊的成員。地球的平均化學(xué)成分元素華盛頓（1925）費(fèi)爾斯曼（1933）史密斯（1963）馬遜（1966）黎彤（1976）O27.7128.5629.2629.5329Na0.390.520.560.570.49Mg8.6911.0311.2812.716Al1.791.221.241.090.91Si14.5314.4714.6715.213P0.110.120.150.10.1S0.641.443.291.933.8K0.110

25、.150.140.070.08Ca2.521.381.41.130.92Ti0.020.070.050.08Cr0.20.260.260.260.15Mn0.070.180.220.220.12Fe39.7637.0434.8234.6332Co0.230.060.170.130.03Ni3.162.962.432.391.6C0.130.03四、地球的形成和早期分異目前，關(guān)于地球成因較為流行的觀點(diǎn)是星子連續(xù)吸積模型（Murryetal.1981）。該模型認(rèn)為：原始的太陽(yáng)星云是由氣體和塵粒組成，星際塵粒在繞“原太陽(yáng)”旋轉(zhuǎn)過(guò)程中相互碰撞、黏合，進(jìn)而形成直徑為10106m的星子。在星云盤中，靠近“

26、原太陽(yáng)”的星子主要由難熔的金屬Fe、Ni及其氧化物所組成，隨著與“原太陽(yáng)”距離的增加，星子的化學(xué)組成逐漸被Mg和Fe的硅酸鹽以及水、甲烷、氨以及其它揮發(fā)性的冰所組成。o在地球形成之初，由金屬Fe和Ni的氧化物星子加積而成地核，然后Mg和Fe硅酸鹽星子覆蓋在之上。隨著地球的“長(zhǎng)大”，在星子捕獲產(chǎn)生的熱和放射性同位素衰變產(chǎn)生的熱的作用下，地球發(fā)生熔化并在重力作用下發(fā)生分層。地球增生的最后階段是揮發(fā)性星子的加積作用，這些星子由水、甲烷、氨的冰組成，形成于星云盤的外圈。這類冰狀星子增生到地球表面以后,很快蒸發(fā)成以水和其它揮發(fā)分組成的稠密大氣圈。隨著地球的冷卻，從4X109年前開(kāi)始，大氣圈中的水汽逐漸凝

27、結(jié)為海洋正是這些海水在地球上引發(fā)各種地質(zhì)作用，并產(chǎn)生了生命。1.4地殼元素的豐度地殼（大陸）的化學(xué)組成是認(rèn)識(shí)地球總體成分分異演化和地球動(dòng)力學(xué)過(guò)程的基本地球化學(xué)前提，再加之大陸地殼是人類生活和獲取資源的場(chǎng)所，為此大陸地殼化學(xué)組成的研究自地球化學(xué)學(xué)科誕生以來(lái)一直是研究的中心問(wèn)題之一。、地殼元素豐度的研究方法在陸地殼剖面法早期克拉克計(jì)算法簡(jiǎn)化研究方法早期克拉克計(jì)算法是從由美國(guó)F.W.Clarke和H.S.Washington于1924年發(fā)表的地球化學(xué)資料中計(jì)算出來(lái)的。Flash7大陸地殼和海洋地殼他們的思路是在地殼上部16公里范圍內(nèi)（最高的山脈和最深海洋深度接近16公里）分布著的巖漿巖占95%，沉積

28、巖占5（4%的頁(yè)巖，0.75%的砂巖，0.25%的灰?guī)r），而這5%沉積巖也是巖漿巖派生的，因此認(rèn)為巖漿巖的平均化學(xué)成分實(shí)際上可以代表地殼的平均化學(xué)成分。其作法如下：在世界各大洲和大洋島嶼采集了5159個(gè)不同巖漿巖樣品和676件沉積巖樣品；其樣品的數(shù)量相當(dāng)于這些樣品在地球表面分布面積的比例；對(duì)53種元素進(jìn)行了定量的化學(xué)分析；計(jì)算時(shí)用算術(shù)平均法求出整個(gè)地殼的平均值。他們的工作代表了地殼陸地區(qū)域巖石圈成分，具有重大的意義，是一項(xiàng)開(kāi)創(chuàng)性的工作，為地球化學(xué)發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)，其數(shù)據(jù)至今仍有參考價(jià)值。簡(jiǎn)化研究法（取巧研究法）1）戈?duì)柕率┟芩梗℅oldschmidt）采集了挪威南部冰川成因粘土（77個(gè)樣）

29、，用其成分代表巖石圈平均化學(xué)成分，其結(jié)果與克拉克的結(jié)果相似，但對(duì)微量元素的豐度做了大量補(bǔ)充和修訂，Na2O和CaO含量偏低，這與表生條件下Na和Ca容易淋濾流失有關(guān)。2）維諾格拉多夫（1962）巖石比例法是以兩份酸性巖加一份基性巖來(lái)計(jì)算地殼平均化學(xué)成分。3）泰勒和麥克倫南（Taylor和McLennan,1985）提出細(xì)粒碎屑沉積巖，特別是泥質(zhì)巖，可作為源巖出露區(qū)上地殼巖石的天然混合樣品，用太古宙以后頁(yè)巖平均值降低20%來(lái)計(jì)算上部地殼元素豐度。大陸地殼剖面法造山作用可使下地殼甚至上地幔的巖石大規(guī)模暴露到地表，為此出露地表的大陸地殼剖面是研究大陸地殼元素豐度的良好樣品。這樣的剖面僅分布在少量地區(qū)

30、，為了研究地殼深部（下地殼）的成分還可以采用火山巖中深部地殼包體（探針巖）和地球物理法（地震波）。Flash8出露地表的大陸地殼剖面的一般模式（據(jù)Percival等，1992）縱觀上述各種研究方法，結(jié)合目前對(duì)地殼的認(rèn)識(shí)，顯然具有以下的不足之處：首先采用的地殼的概念不統(tǒng)一，均未按照現(xiàn)代地殼結(jié)構(gòu)模型來(lái)考慮；其次沒(méi)有考慮巖石組成隨深度和構(gòu)造單元的變化。盡管各家所采用的研究方法不同，但所得的地殼主要元素豐度的估計(jì)值相互接近，這充分說(shuō)明其估計(jì)值是比較精確的。地殼（大陸）的化學(xué)組成是認(rèn)識(shí)地球總體成分分異演化和地球的力學(xué)過(guò)程的基本地球化學(xué)前提，再加之大陸地殼是人類生活和獲取資源的場(chǎng)所，為此大陸地殼化學(xué)組成的

31、研究自地球化學(xué)學(xué)科誕生以來(lái)一直是研究的中心問(wèn)題之一。下面是幾種研究地殼豐度的方法。地殼元素豐度特征地殼中元素的相對(duì)平均含量是極不均一的。豐度最大的元素是O為47%，與豐度最小的元素Rn（6x10-16）相差達(dá)1017倍，相差十分懸殊。地殼中豐度最大的九種元素O、Si、Al、Fe、CaNa、K、Mg、Ti,占地殼總質(zhì)量的98.13%；前十五種元素占99.61%,其余兀素僅占0.39%。這表明，地殼中只有少數(shù)元素在數(shù)量上起決定作用，而大部分元素處于從屬地位。地殼中主要元素含量地殼中元素豐度不是固定不變的，它是不斷變化的開(kāi)放體系。（1）地球表層H,He等氣體元素逐漸脫離地球重力場(chǎng)；（2）每天降落到地

32、球表層的地外物質(zhì)102-105噸；（3）地殼與地幔的物質(zhì)交換；（4）放射性元素衰變；（5）人為活動(dòng)的干擾。對(duì)比地殼、整個(gè)地球和太陽(yáng)系元素豐度數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，它們?cè)谠刎S度的排序上有很大的不同。太陽(yáng)系：HHeONeNCSiMgFeS；地球：FeOMgSiNiSCaAlCoNa；地殼：OSiAlFeCaNaKMgTiH。與太陽(yáng)系或宇宙相比，地殼和地球都明顯地貧H、He、Ne、太陽(yáng)系、地球、地殼的元素豐度對(duì)比N等氣體元素；而地殼與整個(gè)地球相比，則明顯貧Fe和Mg,同時(shí)富集Al、K和Na,這種差異說(shuō)明什么呢?地殼元素豐度的可能原因在宇宙化學(xué)體系形成地球的演化（核化學(xué)）過(guò)程中必然伴隨著氣態(tài)元素的逃逸，而地球原

33、始的化學(xué)演化（電子化學(xué)）具體表現(xiàn)為較輕易熔的堿金屬鋁硅酸鹽在地球表層富集，而較重的難熔鎂、鐵硅酸鹽和金屬鐵則向深部集中。由此可見(jiàn)地殼元素的豐度取決于兩個(gè)方面的原因:元素原子核的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性；宇宙物質(zhì)形成地球的整個(gè)演化過(guò)程中物質(zhì)的分異?？傊?，現(xiàn)今地殼中元素豐度特征是由元素起源直到太陽(yáng)系、地球（地殼）的形成和存在至今這一段漫長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)元素演化歷史的最終結(jié)果。三、地殼元素豐度研究的地球化學(xué)意義控制元素的地球化學(xué)行為1）元素的克拉克值（即元素在地殼中的重量百分含量）在某種程度上影響元素參加許多化學(xué)過(guò)程的濃度，從而支配元素的地球化學(xué)行為。例如，地殼元素豐度高的K和Na,在天然水中高濃度，在某些特殊環(huán)境中,

34、發(fā)生過(guò)飽和作用而形成各種獨(dú)立礦物（鹽類礦床）；而與之性質(zhì)相似的Rb和Cs，地殼豐度低，在天然水中濃度極低，遠(yuǎn)達(dá)不到飽和濃度，為此不能形成各種獨(dú)立礦物而呈分散狀態(tài)。2）限定了元素在自然界的礦物種類及種屬實(shí)驗(yàn)室條件下，可以化合成數(shù)十萬(wàn)種化合物，但自然界中卻只有3000多種礦物，礦物種屬也有限：硅酸鹽25.5%，氧化物、氫氧化物12.7%，其他氧酸23.4%，硫化物、硫酸鹽24.7%，鹵化物5.8%，自然元素4.3%，其它3.3%。為什么酸性巖漿巖的主要造巖礦物總是長(zhǎng)石、石英、云母、角閃石？因?yàn)榈貧ぶ蠴、Si、Al、Fe、K、Na、Ca等元素豐度最高，在地質(zhì)作用體系中濃度大，容易達(dá)到形成獨(dú)立礦物的條

35、件。自然界中的長(zhǎng)石、云母（白云母）和石英自然界濃度低的元素很難形成獨(dú)立礦物，如硒酸鋰（LiSeO）和硒酸銣24（RbSeO）；但也有例外，Be元素地殼豐度很低（1.7X10-6），但是它可以形24成獨(dú)立的礦物BeAlSiO（綠柱石），其原因我們將在下一章里面講述。326183）限制了自然體系的狀態(tài)實(shí)驗(yàn)室條件下可以對(duì)體系賦予不同物理化學(xué)狀態(tài)，而自然界體系的狀態(tài)受到限制，其中的一個(gè)重要的因素就是元素豐度的影響。例如，酸堿度（pH值）在自然界的變化范圍比在實(shí)驗(yàn)室要窄很多，氧化還原電位也是如此。4）對(duì)元素親氧性和親硫性的限定在實(shí)驗(yàn)室條件下，化合物組成的劑量可以任意調(diào)配；在自然條件下，情況就不同了：在地

36、殼中O元素豐度高、S元素豐度低的環(huán)境下，Ca元素顯然是親氧的;而在地幔、隕石的缺O(jiān)富S環(huán)境中，能形成CaS（褐硫鈣石）?？勺鳛榕袛辔⒘吭丶?、分散的標(biāo)尺1）為闡明地球化學(xué)?。▓?chǎng)）特征提供標(biāo)準(zhǔn)。例如在東秦嶺地區(qū)進(jìn)行區(qū)域地球化學(xué)研究表明：東秦嶺是一個(gè)富Mo貧Cu的地球化學(xué)省，Mo元素區(qū)域豐度比克拉克值高2.3倍，而Cu則低于克拉克值。從資源角度來(lái)看：這樣的區(qū)域地球化學(xué)背景特征，有利于形成Mo成礦帶；從環(huán)境角度來(lái)看：克山病病區(qū)中土壤有效態(tài)Mo、飲水Mo含量、主食中Mo元素含量普遍偏低，低于正常背景值，導(dǎo)致人體Mo元素低水平，是導(dǎo)致克山病病因的主要因素。2）指示特征的地球化學(xué)過(guò)程某些元素之間的克拉克

37、值比值是相對(duì)穩(wěn)定的，如果這些比值發(fā)生了變化，則示蹤著某種地球化學(xué)過(guò)程的發(fā)生。例如稀土元素比值、Th/U、K/Rb、Zr/Hf、Nb/Ta在地殼環(huán)境下性質(zhì)相似，難以彼此分離，有相對(duì)穩(wěn)定的比值。一但某地區(qū)、某地質(zhì)體中的某元素對(duì)比值（如Th/U一般為3.3-3.5）偏離了地殼正常比值，則示蹤著某種過(guò)程的發(fā)生。Th/U8-10則可認(rèn)為本區(qū)內(nèi)發(fā)生了釷礦化。3）濃度克拉克值和濃集系數(shù)濃度克拉克值=某元素在某一地質(zhì)體中平均含量/某元素的克拉克值；濃度克拉克值1意味該元素在該地質(zhì)體中集中了；濃度克拉克值VI意味該元素在該地質(zhì)體中分散了。區(qū)域濃度克拉克值=某元素在區(qū)域內(nèi)某一地質(zhì)體中平均含量/該區(qū)域元素的豐度值；

38、濃度克拉克值是衡量元素集中、分散及其程度的良好標(biāo)尺，具有重要的理論和實(shí)踐意義。濃集系數(shù)=某元素最低可采品位/某元素的克拉克值。濃集系數(shù)反映了元素在地殼中傾向于集中的能力。元素的集中能力相差是十分懸殊的，例如Sb和Hg濃集系數(shù)分別為25000和1400，而Fe的濃集系數(shù)為6,這說(shuō)明Fe成礦時(shí)只要比克拉克值富集6倍即可。地殼豐度對(duì)地殼能源的限制地殼的能源有兩個(gè)主要來(lái)源，一個(gè)是太陽(yáng)能，另外一個(gè)是放射性元素的衰變能。放射性衰變能是由放射性元素（K、U、Th）的類型和數(shù)量所決定的。例如地球經(jīng)過(guò)45億年的演化，235U已衰變95%,238U已衰變掉50%左右，而232Th僅消耗了其總量的20。年復(fù)一年，放

39、射性元素的衰變?yōu)榈厍?、地殼提供能量。太?yáng)能的利用放射性衰變能的利用（核電站）一、地殼元素分布的不均一性元素在整個(gè)地球（地殼）的分布是不均勻的。地殼元素的分布不論在空間上及時(shí)間上都是不均一的，這與地殼乃至于地幔物質(zhì)分異的整個(gè)過(guò)程聯(lián)系起來(lái)。1.空間上分布的不均一性垂向分布（陸殼）：上下地殼元素豐度的不均勻性，上地殼（0-812km）主要為偏酸性火成巖、沉積巖；下地殼（812km-莫霍面）主要為麻粒巖、玄武巖。記Ri=上地殼元素豐度/下地殼元素豐度，Ri1的元素有Ca、Si、Zr、Nd、Pb等；Ri1的有Cl、C、Cs、K、Rb、U、Th、Bi、Tl、Nb等。Ri值反映了地殼物質(zhì)在分異調(diào)整過(guò)程中的宏

40、觀趨勢(shì)。橫向分布：大陸地殼和大洋地殼的不均一性洋殼：占地球表面60%以上，厚5-16km，它們的化學(xué)成分與地幔物質(zhì)相似，以鎂、鐵硅酸鹽為主，主要成礦元素為Cr、Fe、Ni、Pt等親鐵元素。陸殼：占地球表面30%,厚30-50km,它們的化學(xué)成分由鋁、鉀硅酸鹽組成，主要成礦元素為親氧及親硫元素W、Sn、Mo、Cu、Pb、Zn、Ag等。陸殼內(nèi)：板塊之間、區(qū)域之間、地質(zhì)體之間、巖石之間、礦物之間元素分布也具不均一性。平能10-I20J3：）J40J同一闿一70-80洋殼與陸殼時(shí)間上地殼元素分布的不均一性隨著地質(zhì)歷史的發(fā)展，元素的活動(dòng)與分布有著明顯的規(guī)律性。地史早期：一些穩(wěn)定元素在地史早期富集成礦。如

41、Au礦主要產(chǎn)在前寒武紀(jì)；Fe礦主要產(chǎn)在前寒武紀(jì)元古代（前寒武紀(jì)變質(zhì)鐵礦占世界鐵礦儲(chǔ)量60%）。地史晚期：一些活潑的不穩(wěn)定元素在地史晚期富集成礦。如Sn、Nb、Ta和W等元素，W成礦作用高峰期在中生代（燕山期）。世界部分大陸（北美、南非、印度）不同地史時(shí)期成礦元素變化規(guī)律：前寒武紀(jì)：Pt、Fe、Ni、Co、Au、U（占這些元素探明儲(chǔ)量50%以上）；古生代：U、Pb、Co、Ni、Pt,其次為W、Sn、Mo、Pb、Zn、Hg等；中生代:W、Sn、Ag、Sb等；新生代：Hg、Mo、Cu、Pb、Zn等。1.5具體區(qū)域中元素分布的研究元素在地殼中的豐度是地球化學(xué)研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。但是,我們一般都是在某個(gè)具體

42、的區(qū)域內(nèi)工作的,因此更關(guān)心的是具體工作區(qū)域內(nèi)元素的分布規(guī)律。當(dāng)我們想研究某地質(zhì)體中元素是相對(duì)富集還是相對(duì)貧化時(shí),與地殼豐度對(duì)照,只能得到一般概念,而只有與相應(yīng)區(qū)域中元素豐度進(jìn)行比較才會(huì)更有實(shí)際意義。為此區(qū)域元素分布研究是區(qū)域地球化學(xué)研究的一項(xiàng)基礎(chǔ)工作,它具有以下幾個(gè)方面的意義：1.它是決定區(qū)域地殼（巖石圈）體系的物源、物理化學(xué)特征的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；2.為研究各類地質(zhì)、地球化學(xué)作用、分析區(qū)域構(gòu)造演化歷史及區(qū)域成礦規(guī)律提供重要的基礎(chǔ)資料；3.為研究區(qū)域生態(tài)環(huán)境,為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生等事業(yè)提供重要信息。具體區(qū)域中元素分布研究的方法確定區(qū)域范圍空間上分布規(guī)律時(shí)間上分布規(guī)律時(shí)空分布的原因確定研究

43、區(qū)域的范圍根據(jù)工作任務(wù)和區(qū)域特征來(lái)選擇工作范圍。區(qū)域找礦：應(yīng)該盡量與構(gòu)造單元中成礦帶結(jié)合起來(lái)。因?yàn)橐欢?gòu)造環(huán)境中的成礦帶往往與一定的地球化學(xué)過(guò)程相聯(lián)系，某個(gè)特定的地球化學(xué)過(guò)程必然具有某些特征元素的分布。例如長(zhǎng)江中下游Cu、Fe成礦帶。原生環(huán)境：某流域水系沉積物中元素的高含量與該流域源區(qū)原巖組成及元素本身的地球化學(xué)性質(zhì)等因素有關(guān)。例如武漢市沿長(zhǎng)江、漢江流域沖積成因土壤中鎘元素高值帶（右圖）。武漢市沿江土壤鎘元素高值帶2.研究元素空間上的分布在區(qū)域內(nèi)采集不同時(shí)代和不同巖石（土壤）類型的樣品，對(duì)所獲的樣品進(jìn)行測(cè)試分析，然后按照各類巖石在區(qū)域里所占的比例，求出該區(qū)域（表殼）元素的豐度。為了準(zhǔn)確把握元素

44、的空間分布規(guī)律（一般是二維平面），樣品在空間上必須有一定的密度。如武漢市沿江土壤鎘的地球化學(xué)圖，就是每平方公里采集一個(gè)土壤樣品（在采樣點(diǎn)附近用梅花狀5點(diǎn)采樣組合成一個(gè)樣），再通過(guò)計(jì)算機(jī)計(jì)算成圖，就能展示出鎘元素的空間分布趨勢(shì)。Flash9沿江鎘采樣布局圖研究元素時(shí)間上的分布規(guī)律以武漢市沿江鎘的分布為例?，F(xiàn)代沿江沖積物鎘含量較高，歷史上如何呢？從下表中可以看到，近70-80年以來(lái)長(zhǎng)江沖積物中鎘的含量比早期沉積物高2-3倍。不同時(shí)期長(zhǎng)江沖積物Cd(mg/kg)近期沖積物0.671930年沖積物0.64540年前沖積物0.222O2l810年前沖積物0.37670年前沖積物|0.22FlashlO不同時(shí)期長(zhǎng)江沉積物中Cd元素含量4研究元素時(shí)