第一章 元素在地壳、地球中的分布-2013秋冬学期.pdf

第一章第一章第一章第一章 元素在地壳、地球中的分布元素在地壳、地球中的分布元素在地壳、地球中的分布元素在地壳、地球中的分布 本章主要内容本章主要内容本章主要内容本章主要内容 • 元素丰度及其研究意义元素丰度及其研究意义 • 地球的结构模型地球的结构模型 • 地球的化学分带地球的化学分带 • 元素在地壳中的分布特征元素在地壳中的分布特征 • 元素在不同岩石中的分布特征元素在不同岩石中的分布特征 • 岩石中各元素在各组成矿物间的分配岩石中各元素在各组成矿物间的分配 • 元素在大气圈的分布特征元素在大气圈的分布特征 • 元素在水圈的分布特征元素在水圈的分布特征 • 元素在生物圈的分布特征元素在生物圈的分布特征 §§§§1.1 1.1 元素丰度及其研究意义元素丰度及其研究意义元素丰度及其研究意义元素丰度及其研究意义 •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 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 一系列地球化学概念 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 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 一系列地球化学概念。

•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 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 •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？宇宙天体是怎样起源的？ – 地球又是如何形成的？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？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？生命是怎么产生和演化的？ §§§§1.1 1.1 元素丰度及其研究意义元素丰度及其研究意义元素丰度及其研究意义元素丰度及其研究意义 •1.1.1丰度和丰度体系1.1.1丰度和丰度体系 •1、丰度1、丰度 – 丰度概念：丰度概念：化学元素在一定自然体中的相对平均含量化学元素在一定自然体中的相对平均含量 – 丰度和平均含量的差异：丰度和平均含量的差异：丰度通常指元素在较大自然体中的平均含量， 如地壳丰度、太阳系丰度等；如果这个自然体占据一个较小的空间位置 时，称为元素的平均含量，如花岗岩中元素的平均含量，某矿区中元素 的平均含量。

丰度通常指元素在较大自然体中的平均含量， 如地壳丰度、太阳系丰度等；如果这个自然体占据一个较小的空间位置 时，称为元素的平均含量，如花岗岩中元素的平均含量，某矿区中元素 的平均含量 •2、丰度研究的意义2、丰度研究的意义 – 研究自然体的化学组成是地球化学最基本的任务研究自然体的化学组成是地球化学最基本的任务 •3、丰度体系3、丰度体系 – 小尺度的丰度是为大尺度服务的；大尺度丰度是小尺度丰度的背景值小尺度的丰度是为大尺度服务的；大尺度丰度是小尺度丰度的背景值 •4、几个名词4、几个名词 – （1）克拉克值（1）克拉克值 – （2）区域克拉克值：地壳以下不同构造单元中元素的丰度值，如克拉通 区地壳元素丰度值等 （2）区域克拉克值：地壳以下不同构造单元中元素的丰度值，如克拉通 区地壳元素丰度值等 – （3）丰度系数：用来指示元素的相对富集和贫化及其程度3）丰度系数：用来指示元素的相对富集和贫化及其程度 5 §§§§1.1 1.1 元素丰度及其研究意义元素丰度及其研究意义元素丰度及其研究意义元素丰度及其研究意义  1.1.2 元素丰度表示法元素丰度表示法  克拉克值的定义：元素在地壳中的相对平均含量。

克拉克值的定义：元素在地壳中的相对平均含量  1、质量克拉克值：以质量百分数表示，、质量克拉克值：以质量百分数表示，%，克，克/吨，吨，10–6 （（ppm），毫克），毫克/吨，吨，10–9（（ppb），）， 10–12（（ppt）等  2、原子克拉克值：以原子百分数来表示原子克拉克值：以原子百分数来表示 100% i i i i i N i N i N    元素的质量克拉克值 元素的原子量 元素的原子克拉克值 元素的质量克拉克值 元素的原子量 元素的原子克拉克值 3、相对丰度（元素的宇宙丰度）：通常采用以、相对丰度（元素的宇宙丰度）：通常采用以Si原子数原子数106 （或（或104）为标准，来衡量其他元素的原子数为标准，来衡量其他元素的原子数 *：硅元素在自然界分布相当广泛，便于比较各种自然体系中的丰度；硅是易形成不挥发的稳定化 合物的元素；硅在化学分析和光谱分析都是较易准确测定的元素，当取硅原子数为 ：硅元素在自然界分布相当广泛，便于比较各种自然体系中的丰度；硅是易形成不挥发的稳定化 合物的元素；硅在化学分析和光谱分析都是较易准确测定的元素，当取硅原子数为106时，绝大部 分其他元素的相对原子数介于 时，绝大部 分其他元素的相对原子数介于106-10-4之间。

之间 6 §§§§1.1 1.1 元素丰度及其研究意义元素丰度及其研究意义元素丰度及其研究意义元素丰度及其研究意义  1.1.2 元素丰度表示法元素丰度表示法  4、氧化物的重量百分数、氧化物的重量百分数  5、氧化物的重量百分数与元素重量百分数的换算、氧化物的重量百分数与元素重量百分数的换算 可以将氧化物的重量百分数或元素的重量百分数换算成原子丰度，设a为某元素的原子量，N 为任一元素的原子个数 可以将氧化物的重量百分数或元素的重量百分数换算成原子丰度，设a为某元素的原子量，N 为任一元素的原子个数 对任一元素的原子百分数Ai为对任一元素的原子百分数Ai为 式中∑N是参与计算的全部元素的原子数总和式中∑N是参与计算的全部元素的原子数总和  6、重量丰度与相对丰度的换算、重量丰度与相对丰度的换算  设Ri为任一元素的相对丰度，则有：设Ri为任一元素的相对丰度，则有：  其中Wsi为元素硅的重量丰度，28.09是硅的原子量其中Wsi为元素硅的重量丰度，28.09是硅的原子量 0 W m Xa W   i i i a W N  100100100 0 , 0      m XW m XW a W a W N N A i ii i i i i 6 10 09.28  Si i i i W a W R 7 §§§§1.1 1.1 元素丰度及其研究意义元素丰度及其研究意义元素丰度及其研究意义元素丰度及其研究意义  1.1.2 元素丰度表示法元素丰度表示法 微微克pg ×10-12万亿分之ppt、pg/g毫微克ng ×10-9十亿分之ppb、μg/kg微克μg ×10-6百万分之ppm、μg/g、g/T毫克mg 克g ×10-3千分之‰千克kg ×10-2百分之％吨T 相对含量单位绝对含量单位 地球化学的基本问题之一基本问题之一就是研究元素在地 球化学体系中的分布分布（丰度）、分配分配问题， 也就是地球化学体系中元素“量量”的研究。

§§§§1.1 1.1 元素丰度及其研究意义元素丰度及其研究意义元素丰度及其研究意义元素丰度及其研究意义 §§§§1.1.1 1.1.1 地球的结构地球的结构地球的结构地球的结构  1. 了解地球内部结构的方法了解地球内部结构的方法  地球物理地球物理  模拟实验模拟实验  天体物质对比天体物质对比 §§§§1.2 1.2 地球的结构模型地球的结构模型地球的结构模型地球的结构模型 10  1. 地球的壳层结构模型地球的壳层结构模型 §§§§1.2 1.2 地球的结构模型地球的结构模型地球的结构模型地球的结构模型 11  1. 地球的壳层结构地球的壳层结构  （（1）地壳：）地壳：陆壳平均陆壳平均33 km，洋壳，洋壳8 km，总平均为，总平均为16 km，为地球 半径的 ，为地球 半径的1/400，很薄固态物质，密度，很薄固态物质，密度2.7  （（2）地幔：）地幔：厚厚~ 2860 km占地球体积的占地球体积的82%，基本上为固态超 基性岩地幔又分为上地幔、过渡带、下地幔上地幔密度 ，基本上为固态超 基性岩地幔又分为上地幔、过渡带、下地幔上地幔密度3.5，下 地幔 ，下 地幔5.1。

 软流圈：软流圈：在上地幔在上地幔 50–150 km，有一个地震 波低速带，推测属熔融状态，液态，可蠕动变 形而缓慢流动软流圈上、下界线是渐变的、 起伏的软流圈以上，上地幔的刚性顶盖和地 壳一起合称岩石圈 ，有一个地震 波低速带，推测属熔融状态，液态，可蠕动变 形而缓慢流动软流圈上、下界线是渐变的、 起伏的软流圈以上，上地幔的刚性顶盖和地 壳一起合称岩石圈 （（3）地核：）地核：密度密度10–13；由；由Fe–Ni组成 外核：液态；过渡层；内核：固态外核：液态；过渡层；内核：固态 §§§§1.2 1.2 地球的结构模型地球的结构模型地球的结构模型地球的结构模型 12  1. 地球的壳层结构地球的壳层结构 188 245 98 62 5 质量/1025克 12.0－12.3 11.5－12.0 9.40－11.5 4.68－5.69 3.65－4.68 3.32－3.65 2.7－3.0 密度/g•cm3 0.76/ 0.28/ 15.16/ 44.28/245 21.31/98 16.67/62 1.55/5 占地球体积 的百分数/% 地核 下地幔 过渡带 上地幔 5500－60003320－37005155－6371Fe－Ni内核 4700－55002980－33204640－5155Fe－Ni过渡层 4000－47001350－29802898－4640Fe－Ni外核 2500－4000380－1350984－2898地幔岩（富Fe） 1800－2500120－380400－984 1400－180050－120150－400下部 1100－140018－5050－150地幔岩低速带 600－110010－1833－50Si－Mg质岩石岩壳 常温－6001－100－33Si－Al层 Si－Mg（Fe）层 大陆地壳 温度/℃压力/108Pa深度/KM主要组成壳层 地球各层的基本性质 §§§§1.2 1.2 地球的结构模型地球的结构模型地球的结构模型地球的结构模型 13  1. 地球的壳层结构地球的壳层结构  基本两类认识：基本两类认识：  地球分层结构是由于地球各层物质的化学成分不同造成。

地球分层结构是由于地球各层物质的化学成分不同造成  整个地球在化学成分上是均一的，只是由于压力向着地心 方向不断增大，物质发生了物相或状态的改变，从而造成 地球的分层结构 整个地球在化学成分上是均一的，只是由于压力向着地心 方向不断增大，物质发生了物相或状态的改变，从而造成 地球的分层结构  近年来地球物理、高压物理和宇宙化学的研究结果支持了 第一种假设 近年来地球物理、高压物理和宇宙化学的研究结果支持了 第一种假设 14  3. 地球内部分层的原因地球内部分层的原因  地球早期的物质分异作用造成内部化学组成的变化地球早期的物质分异作用造成内部化学组成的变化  证据：天体化学（陨石）证据：天体化学（陨石）+高温高压实验高温高压实验  天体化学（陨石） ：天体化学（陨石） ：  铁陨石：铁陨石：由金属镍由金属镍-Fe（占（占98%）和少量的其他矿物组成；）和少量的其他矿物组成；  石陨石：石陨石：由硅酸盐矿物组成由硅酸盐矿物组成  铁石陨石：铁石陨石：由数量大体相等的镍由数量大体相等的镍-铁和硅酸盐矿物组成，是上述两 类陨石之间的过渡类型 铁和硅酸盐矿物组成，是上述两 类陨石之间的过渡类型。