第一章 元素在地壳、地球中分布

1、元素在地壳、地球中的分布元素在地壳、地球中的分布第一章第一章元素在地壳、地球中的分布元素在地壳、地球中的分布第一节 地壳的结构和组成第二节 元素和核素在地壳中的分布第三节 水圈、大气圈和生物圈的成分第四节 地球发展历史中的化学演化元素在地壳、地球中的分布元素在地壳、地球中的分布有关地球内部结构和组成方面的了解主要靠有关地球内部结构和组成方面的了解主要靠地地球物理资料球物理资料（地震波、重力等）、（地震波、重力等）、高温高压实高温高压实验验，天体物质天体物质，地幔和地壳中的，地幔和地壳中的岩石包体岩石包体、正、正在喷发的在喷发的火山物质火山物质以及科拉超深钻（以及科拉超深钻（1151511515

2、米）米）等间接或直接了解地球内部结构的信息。中国等间接或直接了解地球内部结构的信息。中国的超深钻计划正在实施。的超深钻计划正在实施。地球圈层结构的解释：地球物理模型地球圈层结构的解释：地球物理模型+ +岩石学岩石学模型模型+ +高温高压实验高温高压实验第一节第一节 地壳的结构和组成地壳的结构和组成元素在地壳、地球中的分布元素在地壳、地球中的分布地球内部壳层分带的根本原因在于化学组成的不同，以及类似化学成分在不同深度上有着不同的稳定矿物组合与晶体结构。元素在地壳、地球中的分布元素在地壳、地球中的分布地壳地壳水（层）水（层）沉积物沉积物玄武岩玄武岩辉长岩辉长岩 沉积物沉积物枕状熔岩枕状熔岩席状岩墙

3、杂岩席状岩墙杂岩镁铁质堆积岩镁铁质堆积岩大洋地壳大洋地壳蛇绿岩套蛇绿岩套 现代大洋地壳的岩石层序与产于大陆地壳上的蛇绿岩套比较一致，因而人们认为蛇绿岩套代表古洋壳的残片蛇绿岩套代表古洋壳的残片。大洋地壳总体上相当于玄武质成分。元素在地壳、地球中的分布元素在地壳、地球中的分布大陆地壳大陆地壳 闪长质到英云闪长质成分。闪长质到英云闪长质成分。绿片岩相绿片岩相：花岗闪长岩：花岗闪长岩花岗岩成分，不同构花岗岩成分，不同构 造环境的岩性有所不同造环境的岩性有所不同角闪岩相角闪岩相：花岗闪长岩：花岗闪长岩英云闪长岩英云闪长岩麻粒岩相麻粒岩相：主要是双峰式组合，即以基性麻粒岩：主要是双峰式组合，即以基性麻粒

4、岩 和酸性麻粒岩为主，总体上相当于和酸性麻粒岩为主，总体上相当于 闪长质。闪长质。 大陆地壳的平均厚度大约为大陆地壳的平均厚度大约为3838km km 元素在地壳、地球中的分布元素在地壳、地球中的分布上地幔上地幔下地幔下地幔岩石圈地幔软流圈地幔上地幔下部过渡带下地幔（未亏损）400km实际上，莫霍面是一个化学界面（化学间断面），即地壳与地幔间是一个化学成分突变面，而地壳内部的地震波速的变化界面仅仅是物理界面。400公里处存在一个物理间断面，它是尖晶石转变为橄榄石的相变界面。400公里以下被称为下地幔或者深地幔，通常在上、下地幔间存在一个过渡带。岩石圈地幔：橄榄岩软流圈地幔：半塑性状态，橄榄岩成

5、分，因为它易于对流，其微量元素成分与岩石圈地幔有较大的差别。 元素在地壳、地球中的分布元素在地壳、地球中的分布软流圈存在的岩石学模型示意图软流圈存在的岩石学模型示意图元素在地壳、地球中的分布元素在地壳、地球中的分布 最新研究资料认为，上地幔（地幔橄榄岩）的成分比较均一，且年龄也相差不大，认为是在30亿年以前由下地幔部分熔融所形成。 地核地核外外核核过渡层过渡层内内核核地核与地幔间为化学界面，地核与地幔间为化学界面，地核成分为地核成分为FeFe、NiNi合金合金元素在地壳、地球中的分布元素在地壳、地球中的分布壳幔成分的交换壳幔成分的交换下地壳物质通过下地壳物质通过折沉作用折沉作用下沉到地幔及软流

6、下沉到地幔及软流圈中，岩浆通过圈中，岩浆通过垫底作用垫底作用侵入到地壳底部和侵入到地壳底部和地壳中。地壳中。由于地幔热柱的活动，上地幔中地温梯度的由于地幔热柱的活动，上地幔中地温梯度的升高，软流圈上移，部分岩石圈就变成了软升高，软流圈上移，部分岩石圈就变成了软流圈，于是产生的岩浆便带有岩石圈地幔的流圈，于是产生的岩浆便带有岩石圈地幔的某些特征，如钾玄质岩浆，富集大离子亲石某些特征，如钾玄质岩浆，富集大离子亲石元素等特征。元素等特征。元素在地壳、地球中的分布元素在地壳、地球中的分布地球：地球：FeOMgSiNiSCaAlCoNa地幔：地幔：OMgSiFeCaAlNaTiCrMn地壳：地壳：OSi

7、AlFeCaNaKMgTiH 地壳 地幔 地核闪长质成分 橄榄岩 Fe、Ni合金元素在地壳、地球中的分布元素在地壳、地球中的分布第二节第二节 元素和核素在地壳中的分布元素和核素在地壳中的分布核素核素：由不同数量的质子和中子按一定结：由不同数量的质子和中子按一定结构组成各种元素的原子核，称为核素。相构组成各种元素的原子核，称为核素。相同质子数的核素构成元素。同质子数的核素构成元素。丰度丰度：泛指任何宇宙体或地质体中元素的：泛指任何宇宙体或地质体中元素的平均含量。元素在地壳中的丰度又称克拉平均含量。元素在地壳中的丰度又称克拉克值。克值。元素在地壳、地球中的分布元素在地壳、地球中的分布 分布分布：是

8、指元素在各种宇宙体或地质体中的：是指元素在各种宇宙体或地质体中的含量。如，元素在地壳中的分布。含量。如，元素在地壳中的分布。 分配分配：是指元素在宇宙体或地质体各部分或：是指元素在宇宙体或地质体各部分或各区段中的含量。如，元素在地壳花岗岩中各区段中的含量。如，元素在地壳花岗岩中的分配。的分配。 分布是描述一个总体的量，而分配这是描述分布是描述一个总体的量，而分配这是描述这个总体中局部的量。这个总体中局部的量。 分布分布/ /分配（分配（Distribution） 在西方国家并在西方国家并无严格区分。无严格区分。元素在地壳、地球中的分布元素在地壳、地球中的分布（重量）克拉克值（重量）克拉克值=地

9、壳总重量（吨）重量（吨）某一元素在地壳中的总原子克拉克值原子克拉克值：以原子百分数所表示的：以原子百分数所表示的元素相对含量（元素相对含量（= =重量克拉克值重量克拉克值/ /原子量原子量100100）元素在地壳、地球中的分布元素在地壳、地球中的分布宇宙丰度单位宇宙丰度单位（Cosmic abundance unitCosmic abundance unit，简称简称c.a.u.c.a.u.) )：取硅原子数等于一百万个取硅原子数等于一百万个原子，并以此为基数，求出其它元素的相原子，并以此为基数，求出其它元素的相对原子数对原子数c.a.u.c.a.u.丰度丰度= =X Xi i28.085/2

10、8.085/（X XSiSiA Ai i）10106 6 X Xi i =i =i元素丰度，元素丰度， A Ai i = =i i元素原子量元素原子量元素在地壳、地球中的分布元素在地壳、地球中的分布地外天体地外天体：彗星陨石、月球陨石、火星陨：彗星陨石、月球陨石、火星陨 石以及行星早期脱落的碎块。石以及行星早期脱落的碎块。陨石陨石：硅酸盐矿物、铁硫化物（陨硫铁）：硅酸盐矿物、铁硫化物（陨硫铁） 铁镍合金铁镍合金石陨石石陨石：以硅酸盐矿物为主。球粒陨石：以硅酸盐矿物为主。球粒陨石 （具球粒结构，约占（具球粒结构，约占95%95%），无球），无球 粒陨石约占粒陨石约占5%5%。铁石陨石铁石陨石：两

11、类矿物相的比例大体相等：两类矿物相的比例大体相等铁陨石铁陨石：以铁镍合金为主：以铁镍合金为主 太阳系的化学成分太阳系的化学成分元素在地壳、地球中的分布元素在地壳、地球中的分布元素的宇宙丰度图元素的宇宙丰度图元素在地壳、地球中的分布元素在地壳、地球中的分布地壳中元素原子克拉克值分布曲线地壳中元素原子克拉克值分布曲线元素在地壳、地球中的分布元素在地壳、地球中的分布元素在地壳中的分布元素在地壳中的分布丰度最大的元素为氧：丰度最大的元素为氧：47%47%，丰度最小的元，丰度最小的元素为氡（素为氡（7 71010-16-16），其含量之比可达），其含量之比可达10101717个个数量级。数量级。元素的克

12、拉克值，大体上具有随原子序数元素的克拉克值，大体上具有随原子序数增大而减低的趋势，分布量最多的元素一般增大而减低的趋势，分布量最多的元素一般位于周期表的前端。位于周期表的前端。H H、HeHe、LiLi、BeBe、B B和惰和惰性气体的含量明显降低。性气体的含量明显降低。元素在地壳、地球中的分布元素在地壳、地球中的分布偶数规则偶数规则 周期表上原子序数为偶数的元素的总周期表上原子序数为偶数的元素的总分布量（分布量（86.36%86.36%）大于奇数元素的总分）大于奇数元素的总分布量（布量（13.64%13.64%）。）。 相邻元素之间，偶数元素的分布量大相邻元素之间，偶数元素的分布量大于相邻奇

13、数元素。于相邻奇数元素。元素在地壳、地球中的分布元素在地壳、地球中的分布核素的分布量，大体随原子量的增大而降低。核素的分布量，大体随原子量的增大而降低。原子量（质量数）为偶数的核素其总分布量原子量（质量数）为偶数的核素其总分布量大于奇数核素，在同一元素的同位素组成中，大于奇数核素，在同一元素的同位素组成中，中子数为偶数的同位素的分布量大于奇数同位中子数为偶数的同位素的分布量大于奇数同位素。如素。如1919K K，3232S S有下列规律：有下列规律： 39 39K=93.1% K=93.1% 4040K=0.0118% K=0.0118% 4141K=6.88%K=6.88% 32 32S=9

14、5.018% S=95.018% 3333S=0.75% S=0.75% 3434S=4.215% S=4.215% 3636S=0.017%S=0.017%元素在地壳、地球中的分布元素在地壳、地球中的分布 元素和核素在太阳系中的丰度与地壳类似，元素和核素在太阳系中的丰度与地壳类似，只是只是H H和和HeHe的丰度高，是一种正常情况。的丰度高，是一种正常情况。LiLi、BeBe、B B的丰度明显偏低，是因为在恒星演的丰度明显偏低，是因为在恒星演化初期，可以发生有质子参加的热核反应，使化初期，可以发生有质子参加的热核反应，使LiLi、BeBe、B B迅速转变为迅速转变为HeHe的同位素的同位素4

15、 4HeHe。地球和陨石中气态元素的丰度值极大地低于太地球和陨石中气态元素的丰度值极大地低于太阳系中各元素的丰度，这与这些元素逃逸到宇阳系中各元素的丰度，这与这些元素逃逸到宇宙空间有关。宙空间有关。元素在地壳、地球中的分布元素在地壳、地球中的分布地壳中反偶数规则的出现，如地壳中反偶数规则的出现，如2323V V 2424Cr Cr 2525MnMn，4040Zr Zr Nb 4242MoMo，是是地球化学演化的结果。即亲酸性元素在地球化学演化的结果。即亲酸性元素在地壳中不断增加，而亲基性元素在地壳地壳中不断增加，而亲基性元素在地壳中逐渐减少造成的。中逐渐减少造成的。元素在地壳、地球中的分布元素

16、在地壳、地球中的分布元素在主要岩石类型中的分配元素在主要岩石类型中的分配主要类型岩浆岩中元素的分配主要类型沉积岩中元素的分配变质岩中元素的分配元素在地壳、地球中的分布元素在地壳、地球中的分布第三节第三节 水圈、大气圈和生物圈的成分水圈、大气圈和生物圈的成分 水圈由海水和陆地水所组成，包括水圈由海水和陆地水所组成，包括海洋海洋、河流、湖、河流、湖泊、沼泽、咸湖、内海、泊、沼泽、咸湖、内海、冰盖和冰川冰盖和冰川、土壤水和地下、土壤水和地下水等各种水体。水等各种水体。 大气圈指分布于岩石圈表面及外部的空气层，其成大气圈指分布于岩石圈表面及外部的空气层，其成分主要为分主要为N N2 2、O O2 2、

17、ArAr、COCO2 2等等， 这四种气体即占大气总这四种气体即占大气总体积的体积的99.65%99.65%。 生物圈是地球表部植物、动物和微生物生息活动的生物圈是地球表部植物、动物和微生物生息活动的空间部分。在大气圈空间部分。在大气圈1010kmkm高空，地壳断裂的高空，地壳断裂的3 3公里深处公里深处都发现有生物存在，但大量生物则集中分布在地表和都发现有生物存在，但大量生物则集中分布在地表和水圈上层。其成分主要为：水圈上层。其成分主要为：O O、C C、H H其次是其次是CaCa、K K、SiSi、MgMg、P P、S S等元素。等元素。 元素在地壳、地球中的分布元素在地壳、地球中的分布第四节第四节 地球发展历史中的化学演化地球发展历史中的化学演化 原始地球是由气体和尘埃组成，这些物质经过重力聚原始地球是由气体和尘埃组成，这些物质经过重力聚集产生吸积作用，逐步形成了密度较大的星体，地球在集产生吸积作用，逐步形成了密度较大的星体，地球在早期的吸积过程中逐渐形成了原始的地核和地幔。大约早期的吸积过程中逐渐形成了原始的地核和地幔。大约在在3030亿年以前，由下地幔部分熔融形成上地幔，由地幔亿年以前，由下地幔部分熔融形成上地幔，由地