元素丰度与分布

元素丰度与分布第一页，共八十七页，2022年，8月28日第一节元素的宇宙丰度第二节元素在地球中的分布第二页，共八十七页，2022年，8月28日第一节元素的宇宙丰度一、元素宇宙丰度的定义二、太阳系的成员三、宇宙丰度的研究四、太阳系宇宙丰度的规律第三页，共八十七页，2022年，8月28日一、元素宇宙丰度的定义元素的宇宙丰度＝太阳系的元素丰度这里的丰度＝A/B的比值，一般B为Si宇宙丰度是研究元素起源的理论依据，是解释各类天体演化过程的基础第四页，共八十七页，2022年，8月28日二、太阳系的介绍第五页，共八十七页，2022年，8月28日太阳系成员第六页，共八十七页，2022年，8月28日八大行星的相对大小第七页，共八十七页，2022年，8月28日太阳系组成太阳八大行星小行星－小行星带（火星与木星之间）彗星第八页，共八十七页，2022年，8月28日第一节元素的宇宙丰度一、元素宇宙丰度的定义二、太阳系的成员三、宇宙丰度的研究四、太阳系宇宙丰度的规律第九页，共八十七页，2022年，8月28日三、元素宇宙丰度研究实验室分析：地球、月球、陨石和宇宙尘光谱和射电分析：太阳、恒星、星际介质星系空间探测器分析：行星大气、表面土壤、岩石太阳风和宇宙线分析：第十页，共八十七页，2022年，8月28日Suess和Urey（1956）：综合天体物理和宇宙化学的成果，提出了宇宙核素丰度－－B2FH假说的基础；Cameron（1968）提出太阳系的核素丰度，依据：非挥发性元素的初始丰度－－I型碳质球粒陨石；挥发性元素－－太阳光球的光谱成分Ganapathy和Anders（1974)：均一的太阳星云的平衡凝聚模式－－行星化学成分（表1.3）Palme、Suess和Zeh（1981)计算了初始太阳星云的元素丰度和初始的核素丰度（表1.7）Trimble（1975），提出了陨石、太阳光球、日冕宇宙射线的元素丰度第十一页，共八十七页，2022年，8月28日太阳系的成分非挥发性元素的初始丰度－－I型碳质球粒陨石挥发性元素－－太阳光球的光谱成分第十二页，共八十七页，2022年，8月28日H.Palme第十三页，共八十七页，2022年，8月28日第一节元素的宇宙丰度元素宇宙丰度的定义太阳系的成员宇宙丰度的计算太阳系宇宙丰度的规律第十四页，共八十七页，2022年，8月28日第十五页，共八十七页，2022年，8月28日第十六页，共八十七页，2022年，8月28日四、太阳系元素丰度的规律Oddo-Harkins规则（偶数规则）－－O、Fe、Ni、Si、Mg、S、Ca等7种丰度最高的元素，全为偶数元素，总丰度达98.6％；在A为1~100的区域，核素丰度大致按指数规律下降；A>100，丰度曲线的斜率显著减缓；具有4倍数核素（如12C、16O、--40Ca、48Ti）丰度明显高于其相邻核素丰度；H和He为丰度最大的元素，占原子总数的99%以上，而Li、Be和B等与邻近元素相比丰度特别低；以56Fe为中心的突出的峰值；在A为80和90、130和138、196和208等处，出现双峰；第十七页，共八十七页，2022年，8月28日第一节元素的宇宙丰度第二节元素在地球中的分布第十八页，共八十七页，2022年，8月28日第二节元素在地球中的分布地球元素平均成分地壳元素平均成分地幔成分第十九页，共八十七页，2022年，8月28日第二节元素在地球中的分布一、地球的圈层构造及化学组成1.圈层构造地壳：上地壳和下地壳地幔：上地幔和下地幔地核：外核和内核第二十页，共八十七页，2022年，8月28日第二十一页，共八十七页，2022年，8月28日地球内部P波和S波随深度变化.CompositionalsubdivisionsoftheEarthareontheleft,rheologicalsubdivisionsontheright.AfterKeareyandVine(1990),GlobalTectonics.©BlackwellScientific.Oxford.CrustMantleOuterCoreVelocity(km/sec)0510100020003000400050006000Depth(km)SwavesPwavesInnerCoreLithosphereAstheno-sphereSolidLiquidMeso-sphereSwaves第二十二页，共八十七页，2022年，8月28日固体地球地幔:橄榄岩(超基性岩)63705145289866041060220CrustMantleCoreUpperMantleTransitionZoneInnerCoreDepth(km)LowerMantle(solid)OuterCore(liquid)上地幔

深达410km(olivine®spinel)LowVelocityLayer

60-220km过渡带

asvel.incr.~rapidly660spinel®perovskite-typeSiIV

®SiVI下地幔

hasmoregradual velocityincrease第二十三页，共八十七页，2022年，8月28日第二十四页，共八十七页，2022年，8月28日第二节元素在地球中的分布2.地球元素丰度估算方法(1)陨石类比法以下列假设：a.陨石在太阳系内形成;b.陨石与小行星带的物质相同；c.陨石是破坏了的星体碎片；d.产生陨石的星体其内部结构和成分分布与地球类似第二十五页，共八十七页，2022年，8月28日第二十六页，共八十七页，2022年，8月28日第二节元素在地球中的分布(2)地球模型-陨石类比法按地球的各主要圈层的比例计算：地核：32.4%，球粒陨石的镍铁金属相+5.3%陨硫铁（硫化物相）代表地幔+地壳：67.6%，球粒陨石的平均硅酸盐成分第二十七页，共八十七页，2022年，8月28日第二十八页，共八十七页，2022年，8月28日第二节元素在地球中的分布二、地壳的平均化学成分1.克拉克值的概念（1）重量克拉克值：地壳中元素的重量平均含量（2）原子克拉克值：地壳中元素的原子平均含量第二十九页，共八十七页，2022年，8月28日第二节元素在地球中的分布2、地壳平均化学成分的确定方法（1）克拉克法（5159样品，50元素，1924）a.岩石圈：水圈：大气圈

93%7%0.03%b.岩石圈中（地壳）岩浆岩：页岩：砂岩：灰岩95%4%0.75%0.25%第三十页，共八十七页，2022年，8月28日第二节元素在地球中的分布具体计算过程：1.分48个地区计算平均化学成分2.合并为9个地区计算平均化学成分3.计算总平均化学成分第三十一页，共八十七页，2022年，8月28日第二节元素在地球中的分布（2）戈尔德施密特法（细碎屑岩法）特点：细碎屑岩的源物质来自剥蚀区适合于区域地壳成分的估计第三十二页，共八十七页，2022年，8月28日第二节元素在地球中的分布（3）地壳模型法Taylor法：基性岩/酸性岩=1(质量)基性岩代表下地壳，酸性岩代表上地壳第三十三页，共八十七页，2022年，8月28日第二节元素在地球中的分布3.地壳元素丰度特征第三十四页，共八十七页，2022年，8月28日第三十五页，共八十七页，2022年，8月28日第三十六页，共八十七页，2022年，8月28日地壳元素丰度

第三十七页，共八十七页，2022年，8月28日第二节元素在地球中的分布3.地壳元素丰度特征(1)地壳中各种元素丰度极不均匀O,Si,Al占82%O,Si,Al,Fe,Ca,Na,K,Mg占>98%O与Rn相差1017倍(2)随原子序数的增加其丰度降低，但Li,Be,B仍表现为亏损第三十八页，共八十七页，2022年，8月28日第二节元素在地球中的分布(3)除了惰性气体和少数元素外，质量数为偶数的元素丰度大于奇数(4)四倍规则（质量数为四的倍数）4A型：12C,16O

,24Mg,28Si,32S,40Ca,48Ti,52Cr,56Fe,140Ce,232Th,238U占87%4A+3型：7Li,11B,19F,23Na,27Al,31P,35Cl,39K,51V,55Mn,59Co,63Cu,75As,107Ag占13%第三十九页，共八十七页，2022年，8月28日第二节元素在地球中的分布4A+2和4A+1型仅占0.n%偶数规则被破坏的原因：1.惰性气体与其它气体元素之间存在差别2.分异作用=>偶-奇元素丰度的反常地壳-地幔分异=>12Mg,24Cr的亏损核-幔分异=>34Se,52Te第四十页，共八十七页，2022年，8月28日第二节元素在地球中的分布4.元素克拉克值的地球化学意义(1)元素的地球化学行为与克拉克值的关系克拉克值高=>独立矿物(K,Na)克拉克值低=>类质同象(Rb,Cs)第四十一页，共八十七页，2022年，8月28日元素的克拉克值与可形成矿物种数的关系第四十二页，共八十七页，2022年，8月28日第二节元素在地球中的分布(2)作为元素集中分散的标尺浓度克拉克值的概念浓度克拉克值=观测值/克拉克值第四十三页，共八十七页，2022年，8月28日第二节元素在地球中的分布(3)判断元素在地壳中富集成矿的能力浓集系数：矿石边界品位/克拉克值一些元素的浓集系数值第四十四页，共八十七页，2022年，8月28日第二节元素在地球中的分布浓集系数低的较容易富集成矿Si,Al,Fe分别仅需富集1.5，3，6倍即可达到工业品位（矿主要形成于前寒武纪）。Cu,Zn,Ag分别需富集50，600，2000倍c才可达到工业品位（矿主要形成于古生代以后）。第四十五页，共八十七页，2022年，8月28日第二节元素在地球中的分布5.元素在主要类型岩石中的分配(1)主要类型岩浆岩中元素的丰度特征超基性岩富集的元素：Mg,Cr,Ni,Co,Fe,Ru,Rh,Pd,Os,Ir,Pt,Au基性岩富集的元素：Ca,Al,V,Ti,Mn,Cu,Sc,P,Zn,Mo,Ag中性岩富集的元素：Sr,Zr,Nb,Ga,Na第四十六页，共八十七页，2022年，8月28日第二节元素在地球中的分布酸性岩富集的元素：Li,Be,B,F,Si,K,Rb,Y,Sn,Cs,Ba,Hf,Ta,W,Tl,Pb,Th,U变化不大的元素：Ge,Sb,As一般规律：同族上部在偏基性岩中含量高，下部酸性岩中含量高。解释：原子和离子电价和半径第四十七页，共八十七页，2022年，8月28日第二节元素在地球中的分布(2)主要类型沉积岩中的规律砂岩中富集的元素：Si,Zr碳酸岩中富集的元素：Mg,Ca,Sr,Mn页岩中富集的元素：Al及大多数微量元素，如V,Ni,Co,Cu,Ag,Au,Mo,U,Cd,As,Sb第四十八页，共八十七页，2022年，8月28日第二节元素在地球中的分布(3)元素在岩石各矿物中的分配载体矿物和富集矿物的概念载体矿物：在岩石中某元素主要赋存的矿物富集矿物：某元素的含量远远高于岩石平均含量的矿物第四十九页，共八十七页，2022年，8月28日Pb、Zn在花岗岩各矿物中的分配第五十页，共八十七页，2022年，8月28日三、地幔的化学组成第五十一页，共八十七页，2022年，8月28日地壳与地幔化学三、地幔化学(一)地幔岩模型1.橄榄岩地幔模型第五十二页，共八十七页，2022年，8月28日三份橄榄岩、一份玄武岩第五十三页，共八十七页，2022年，8月28日地幔化学2.榴辉岩-橄榄岩互层地幔岩模型第五十四页，共八十七页，2022年，8月28日第五十五页，共八十七页，2022年，8月28日地幔化学(二)地幔低速层（软流圈）1.低速层的性质和特点低的地震波速高的电导率高的热流值低速层越浅，热流越大第五十六页，共八十七页，2022年，8月28日第五十七页，共八十七页，2022年，8月28日第五十八页，共八十七页，2022年，8月28日高导层深度与热流值的关系第五十九页，共八十七页，2022年，8月28日地幔化学2.地幔低速层的成因部分熔融第六十页，共八十七页，2022年，8月28日第六十一页，共八十七页，2022年，8月28日地幔化学(三)地幔的化学成分1.地幔成分的研究方法(1)主要元素确定的地球物理方法地球的地震波速测量高温高压下矿物地震波速和密度的测量第六十二页，共八十七页，2022年，8月28日第六十三页，共八十七页，2022年，8月28日第六十四页，共八十七页，2022年，8月28日(2)原始地幔成分的确定基本假定a.金属相与硅酸盐相的分离发生在行星初期b.挥发性元素的亏损发生在地球增生以前c.亲石元素全部进入地幔，因此亲石元素之间无分异第六十五页，共八十七页，2022年，8月28日地幔化学几种不同的估算方法原始未亏损样品法(Jagoutz,1979)：用亲石元素(Al,Ca,Nd同位素等)之间的比值与CI球粒陨石一致的样品，与地壳平均成分混合计算。第六十六页，共八十七页，2022年，8月28日地幔化学地幔模型法（Anderson,1983）：以下岩石和宇宙化学限制条件计算得到各类岩石的份额和原始地幔的成分超镁铁质岩（32.6%）平均地壳岩石（0.56%，现代地壳为0.6%）洋中脊玄武岩（6.7%,与40亿年消减洋壳相当）金伯利岩（0.11%）斜方辉石岩（59.8%）第六十七页，共八十七页，2022年，8月28日地幔化学质量平衡法（Taylor，1985）C地球=XC地幔+（1-X）C地核地核/地幔=31：69（由地球物理方法获得）亲石微量元素是球粒陨石的1.5倍第六十八页，共八十七页，2022年，8月28日地幔化学3.地幔不均一性的研究方法（1）研究意义a.大地构造分区b.地壳不均一性的原因c.矿产分布d.构造环境第六十九页，共八十七页，2022年，8月28日地幔化学(2)样品地幔橄榄岩类岩石玄武岩类岩石（分布量）第七十页，共八十七页，2022年，8月28日地幔化学用玄武岩中微量元素或同位素示踪地幔成分的原理a.元素比值原理b.干扰因素的处理第七十一页，共八十七页，2022年，8月