地球化学原理2

1、 元素的丰度元素的丰度 元素地球化学性质（行为）元素地球化学性质（行为） 元素的地球化学分类元素的地球化学分类元素丰度的概念元素丰度的概念 1元素丰度（abundance of elements） 化学元素在一定自然体系中的相对平均含量。 2元素丰度的广义概念: 元素丰度是该自然体系中i个元素含量的幂函数的连乘，用符号A表示 由上式，元素的含量常用符号C表示。除元素的含量外，常见的广义的元素丰度（用符号A表示）还包括： 该自然体系中某两种元素含量的比值（如：Th/u），称元素含量比。该自然体系中某种元素含量的倒数（如：1/La），称元素含量倒数。该自然体系中某两种或两种以上元素含量的乘积（如：

2、SmTb）；称元素含 量积。 该自然体系中某种元素含量的平方值（如：Ce2），称元素含量平方。该自然体系中某种元素含量的开方值，称元素含量方根。该自然体系中两种以上积、商、平方和开方值的多种组合。 m1iniiCA 微量元素微量元素.相对概念：相对概念：含量小于含量小于.的元素的元素.地球化学中的概念：地球化学中的概念：在矿物、岩石、岩浆等地质体中在矿物、岩石、岩浆等地质体中含量很低并遵守亨利定律（稀溶液定律）的元素。含量很低并遵守亨利定律（稀溶液定律）的元素。（元素（元素的分配系数与体系中该元素的浓度无关，只与其地球化学的分配系数与体系中该元素的浓度无关，只与其地球化学性质有关。即在地质作用

3、过程中，当某元素的地球化学行性质有关。即在地质作用过程中，当某元素的地球化学行为不受该元素含量影响时，这个元素称为微量元素）为不受该元素含量影响时，这个元素称为微量元素） 分配系数分配系数当体系处于平衡状态时，元素当体系处于平衡状态时，元素 （i）在两个相）在两个相A和和B之间的分配。之间的分配。 两个相可以是固相两个相可以是固相/液相、固相液相、固相/固相、液相固相、液相/液液相或熔体相相或熔体相/液相、熔体相液相、熔体相/固相等。固相等。 分配系数（分配系数（D）在遵守享利定律的浓度范围内）在遵守享利定律的浓度范围内与元素的浓度无关。与元素的浓度无关。 在地质体或地质作用过程中，元素的地球

4、化在地质体或地质作用过程中，元素的地球化学行为用学行为用分配系数分配系数表示。表示。 在生物体或生物作用过程中，元素的化学行在生物体或生物作用过程中，元素的化学行为用为用富集系数或吸收系数富集系数或吸收系数表示。表示。 在水体中元素的地球化学行为用分配系数或在水体中元素的地球化学行为用分配系数或滞留系数滞留系数表示。表示。地质体中元素的分配系数：地质体中元素的分配系数：biaiCCD,BAD或相中元素的浓度相中元素的浓度两个相可以是矿物两个相可以是矿物/流体、矿物流体、矿物/岩浆、流体岩浆、流体/岩浆、气体岩浆、气体/流体等流体等或流体（或流体（1）/流体（流体（2）、矿物（）、矿物（1）/矿

5、物（矿物（2）、熔浆（）、熔浆（1）/熔浆（熔浆（2）等）等 生物中元素的分配系数生物中元素的分配系数 植物植物/土壤，鱼土壤，鱼/水等水等 植物中元素的（富集）吸收系数：植物中元素的（富集）吸收系数：soilplantCCK水体中元素的滞留系数（水体中元素的滞留系数（Rd ） 滞留系数（滞留系数（Rd ）和分配系数（）和分配系数（Kd ）的关系）的关系Kdn1Rded 元素的地球化学分类涉及元素的地球化学分类涉及到无机环境中的地球化学分类到无机环境中的地球化学分类和生物地球化学分类。和生物地球化学分类。元素的地球化学分类主要体现了元素的地元素的地球化学分类主要体现了元素的地球化学性质或地球化

6、学行为，原子的外电球化学性质或地球化学行为，原子的外电子层结构和离子大小对元素的地球化学性子层结构和离子大小对元素的地球化学性质起决定性作用。质起决定性作用。离子电位离子电位是离子大小和离子电荷的综合作是离子大小和离子电荷的综合作用效果，决定了离子吸引价电子的能力。用效果，决定了离子吸引价电子的能力。I形成自由离子；形成自由离子；II形成复杂络离子；形成复杂络离子；III形成多元酸阴离子；形成多元酸阴离子；IV形成形成CO32-、SO42-型阴离子型阴离子按元素是否遵守亨利定律，将元素分为两大类：按元素是否遵守亨利定律，将元素分为两大类：（1）非亨利元素，如）非亨利元素，如Si、O、Al等造岩

7、元素。等造岩元素。（2）亨利元素，遵守亨利定律的元素。这类元素按分配系数大小可以进一）亨利元素，遵守亨利定律的元素。这类元素按分配系数大小可以进一步分为：步分为： （a）相容元素相容元素（D1），在固、液相分配中，该类元素趋向于在固相富），在固、液相分配中，该类元素趋向于在固相富集（相容），在液相亏损。如集（相容），在液相亏损。如Cr、Ni、Co等。在岩浆体系中，相容元素又称等。在岩浆体系中，相容元素又称憎岩浆元素。憎岩浆元素。 （b）不相容元素不相容元素（D1），在固、液相分配中，该类元素趋向于在固相），在固、液相分配中，该类元素趋向于在固相亏损（不相容），在液相富集。在岩浆体系中不相容元素

8、又称亲岩浆元素。亏损（不相容），在液相富集。在岩浆体系中不相容元素又称亲岩浆元素。 不相容元素中不相容元素中D1的（一般的（一般D0.1）称强不相容元素或强亲岩浆元素。）称强不相容元素或强亲岩浆元素。如如Th、U、K、Rb、Cs、Nb、Ta和和La、Ce等。等。 （c）中性元素中性元素(D=1)。自然界不存在真正的中性元素，一般将。自然界不存在真正的中性元素，一般将D1的相的相容元素和不相容元素称为中性元素，如容元素和不相容元素称为中性元素，如Ga、Zn等。等。 高场强元素高场强元素 Nb、Ta、Zr 、 Hf 、 P 碱金属碱金属 碱土金属碱土金属 贵金属贵金属 黑色金属黑色金属 有色金属有

9、色金属 稀有元素稀有元素 稀土元素稀土元素 分散元素分散元素 粗实线为亲铁元素；细实线为亲石元素；虚线为亲铜元素；粗实线为亲铁元素；细实线为亲石元素；虚线为亲铜元素； 点线为亲气元素点线为亲气元素HHeLi BeBCNOFNeNa MgAlSiPSClArKCaScTiVCrMn Fe Co Ni Cu Zr Ga Ge As Se BrKrRb SrYZrNbMoTc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb TeIXeCs Ba REEHfTaWRe Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po AtRnFr RaAcThPaU戈尔德施密特的元素地球化学分类戈尔德施密特的元素

10、地球化学分类 亲石元素亲石元素：亲氧性，形成氧化物、氢氧化物和含氧酸盐。：亲氧性，形成氧化物、氢氧化物和含氧酸盐。 典典 型的有型的有U 、 Th 、 K、Na、Ca、Mg、Si等等. 亲铜元素亲铜元素：亲硫性，形成硫化物、对硫化物。典型的有：亲硫性，形成硫化物、对硫化物。典型的有Cu、 Pb、Zn等等. 亲铁元素亲铁元素：两性元素，过度族元素。既可以形成氧化物，也：两性元素，过度族元素。既可以形成氧化物，也 可以形成硫化物。典型的有可以形成硫化物。典型的有Fe. 亲气元素亲气元素：包括惰性气体元素，以及易于形成气体分子：包括惰性气体元素，以及易于形成气体分子N2、 O2、CO2、H2O等的高

11、电负性元素。等的高电负性元素。 根据微量元素的营养作用特征及生理功能可分为四类根据微量元素的营养作用特征及生理功能可分为四类： 1 1、生命元素、生命元素 2 2、 毒性元素毒性元素 3、 潜在毒性和放射性元素潜在毒性和放射性元素 4、无毒性稳定性元素（非必需元素）、无毒性稳定性元素（非必需元素） 任何有益或有害元素都是相对的。任何有益或有害元素都是相对的。元素的生物学分类周期表示意图元素的生物学分类周期表示意图 生命元素生命元素1生命组成元素生命组成元素（生物必须大量元素）（生物必须大量元素） 它们在人体及生物体中含量最高，可占人体99%以上，主要是元素周期表中原子序数小的元素，包括：H、C

12、、N、O、Ca、P、K、S、Cl、Na、Mg。2生命必需元素生命必需元素（生物必需微量元素）（生物必需微量元素）它们是人体维持正常机能所必需的元素Li、B、F、Si、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Se、Mo、Br、Sn，I等。约占人体重量的0.025%，它们在人体中的不足或过剩都会影响健康，甚至危及生命。对于必需元素，法国Bertrand 提出了最适营养浓度定律。动植物缺少某种必需元素时就不能成活；当元素适量时，它就能茁壮成长；过量时就有毒害。此外，在某些生物非必需元素中，有些微量元素对生物似乎起着某些有益的作用，但对其生物学性质又不是很清楚，所以还不能肯定是生物必需微量元素。

13、因此，有人将这类元素划分为可能的生物必需元素。它们包括：Ti、Ge、As、Rb、Sr等。 毒性元素毒性元素 Cd、Sb、Te、Hg、Pb、Ga，In等。等。这些元素对生物无明显的有益作用，而只这些元素对生物无明显的有益作用，而只有毒性。有毒性。 潜在毒性和放射性元素潜在毒性和放射性元素 Be、Bi、Tl、Th、U、Po、Ra、Ba。 无毒性稳定性元素无毒性稳定性元素（非必需元素）（非必需元素） 该类元素的地球化学性质稳定，多呈氧化矿物或自然元素状态产出，并多数呈副矿物。由于它们在地壳中含量极低，故在生物体内的含量极微，至今未见到它们对生物体有毒性的报道。它们包括：Al、Zr、Hf、Sc、Y、N

14、b、Ta、Ru、Os、Ir、Pd、Pt、Ag、Au等。 生物最适营养浓度定律生物最适营养浓度定律德国科学家伯特兰德（德国科学家伯特兰德（G.Bertrand，1813-1878）在对）在对Mn与植物生态关系的研究中，发现植物与植物生态关系的研究中，发现植物缺少某种必需元素时就不能成活。元素适量时，植缺少某种必需元素时就不能成活。元素适量时，植物就能茁壮生长。当元素过量就显示出它对植物的物就能茁壮生长。当元素过量就显示出它对植物的毒性，甚至导致死亡。这一现象被称为伯特兰德定毒性，甚至导致死亡。这一现象被称为伯特兰德定律律,即生物最适营养定律。即生物最适营养定律。 生物最适营养定律生物最适营养定律 生物最适营养定律生物最适营养定律 生物最适营养浓度定律生物最适营养浓度定律 生物必需元素生理效应图解生物必需元素生理效应图解l CdCd、HgHg的的容容忍量极小忍