元素在地球各圈层中的分布

第二章

元素在地球各圈层中的分布研究地球内部结构、组成的方法：1、地球物理:依据地震波(P波和S波)在地球内部传播速度的变化，确定地球内部由若干不同速度的圈层组成。63705145289866041060220CrustMantleCoreUpperMantleTransitionZoneInnerCoreDepth(km)LowerMantle(solid)OuterCore(liquid)地球除了大气圈、水圈和生物圈外

自表层向内部分三个圈层：地壳、地幔和地核。

2、实验模拟：高温高压实验模拟地球内部不同深度条件下具有相同地震波速的物相组成。3、天体物质的对比：对比不同类型陨石成分及波速特征（推测地球深部）4、地球化学:玄武岩和地幔包体(＜200km)0-40第一节地球的圈层结构和组成400-670第一节地球的圈层结构和组成一、地壳的结构与组成（一）大陆地壳1大陆地壳的结构大陆地壳一般以地震康拉德面为界划分出上地壳和下地壳。①上地壳P波速度多为5.8-6.4km/s相当于酸性火成岩和酸性变质岩的波速。但根据地表岩石加权计酸的平均化学成分接近花岗闪长岩。②下地壳康拉德面到莫霍面P波速多介于6.5-7.2km/s，满足这一波速范围的岩石类型较多，在含水条件下，温度低于600℃时，主要为基性斜长角闪岩和角闪岩类；相对干条件下稳定的岩石类型为麻粒岩和石榴石粒变岩，大于50公里范围内，则以榴辉岩相岩石为主。目前研究结果倾向于:下地壳的平均化学成分相当于偏镁铁质的中性岩。在不同构造背景下，岩石组合可有较大差别。大陆超深钻探成果表明，上下地壳之间岩石组合并无截然的界面，而是复杂的交错和渗透关系。2大陆地壳的化学组成目前常采用两类方法计算地壳平均成分

（1）用细碎屑沉积物代表陆壳平均成分

（2）用地表各类岩石的加权平均成分，按一定的陆壳结构模型计算平均地壳成分。

不同陆壳结构模型计算出的大陆平均地壳成分存在一定差异。第一节地球的圈层结构和组成研究地壳组成的意义研究地壳平均成分的意义:地球演化进程与能量衰减原始地壳成因上下地壳演化过程、地壳生长、地壳物质的再循环、底侵、拆沉作用等。第一节地球的圈层结构和组成（二）大洋地壳

1、洋壳结构：

现代大洋地壳厚度约5-10公里

洋壳剖面：远洋沉积物→洋底玄武岩、席状岩墙群→辉长岩+超镁铁堆积岩+地幔橄榄岩。洋壳的地球物理特征（1）海洋沉积物P波速度2.0km/s（2）玄武岩和席状岩墙,P波速度4.5-5.5km/s密度2.55g/cm3.（3）辉长岩和超镁铁堆积岩平均厚5kmP波速度6.5-7.1km/s密度2.88g/cm3（4）莫霍面以下为变形橄榄岩P波8.1km/s密度3.33g/cm3

现代地球不同圈层的组成和压力、温度的平均值壳层主要组成深度/km压力/108Pa温度/℃大陆地壳Si-Al层Si-Mg（Fe）层0～401～10常温至600上地幔岩壳Si-Mg质岩石40～5010～18600～1100低速带地幔岩50～15018～501100～1400下部150～40050～1201400～1800过渡带400～984120～3801800～2500下地幔地幔岩（富Fe）984～2898380～13502500～4000地核外核Fe-Ni2898～46401350～29804000～4700过渡层Fe-Ni4640～51552980～33204700～4500内核Fe-Ni5155～63713320～37005500～60002、洋壳化学组成

洋壳以拉斑玄武质成分为主体，化学成分中碱金属含量低，K2O仅为陆壳的1/7比陆壳贫硅、碱金属，而富镁铁。洋底热水沉积作用极其发育，是许多金属成矿的重要场所。二、地幔和地核（1）400公里P波速不连续面

地幔过渡带顶界（2）670公里P波速不连续面

上地幔底界（3）2900公里P波不连续面、S波停止传播核幔边界63705145289866041060220CrustCoreUpperMantleTransitionZoneInnerCoreDepth(km)LowerMantle(solid)OuterCore(liquid)（4）2900-4640公里P波为8.1-8.9km/sS波不通过为流体状态的外核（5）4640-5155公里P波增大10.4km/s

流体外核和固体内核的过渡层（6）5155-地心（6371）P波速度增大为11.0-11.3km/s地核以FeNi合金为主含少量Si=7.35%S（2.30%）O（4.10%）等轻元素区域边界深度km体积分配质量1025克总质量分配地幔质量分配地壳上地幔过渡带下地幔外地核内地核0-莫霍面莫霍面-400400-10001000-29002900-51005100-63710.0080.160.220.440.1540.0082.4621002451890.0040.100.170.410.320.0060.150.240.6地球内部各层的规模和质量据林伍德,1975

三、岩石圈及上地幔结构的不均一性

现代地球物理研究表明，地幔存在横向和垂向的不均一性。

1古老地台地幔顶部波速大达8.2-8.3km/s岩石圈地幔厚度大软流圈极弱或不存在

2年轻地台地幔顶部波速为7.9-8.1km/s具有正常软流圈3大陆裂谷

地幔顶部波速接近8km/s，软流圈波速低厚度大，整个岩石圈都薄，出现大量玄武岩4年轻造山带地壳厚，岩石圈地幔薄，出现巨量花岗岩。(五)地幔中的相变实验表明：（1）约330公里处，地幔组成中发生辉石（含量29%）向石榴石结构转化（密度增加2.5%），约370公里，橄榄石（含量55%）向尖晶石-β-M2SiO4转变（密度增加，由3.38g/cm3增大到3.63g/cm3）（2）670公里不连续面出现方镁石，斯石英并发生石榴石结构向钛铁矿转变，尖晶石和β相镁硅酸盐向钙钛矿结构转变，岩石密度增大(3.63增大到4.03g/cm3)（3）1000公里深矿物转化为比复杂氧化物更致密的相（冲击实验外推结果）。(六)地幔岩模型实验结果证实地幔中速度不连续界面主要是相变作用的结果，而不是化学界面，支持了地幔岩的模型思想。（1）橄榄岩地幔岩模型：林伍德地幔岩模型：3分阿尔卑斯橄榄岩+1分夏威夷拉斑玄武岩（2）榴辉岩-橄榄岩互层地幔模型根据地震波和密度计算(1979,1982):①在220-670公里深度之间橄榄岩地幔岩的VPVS计算值与实测值不一致而与橄榄榴辉岩计算值吻合（2）榴辉岩-橄榄岩互层地幔模型②400及670公里处相转变所造成的橄榄岩密度和波速变化与实测值有偏差，据此提出榴辉岩-橄榄岩互层模型，把地幔自上而下分为三层：富集的橄榄岩上地幔（莫霍面-220公里深）亏损橄榄榴辉岩组成的过渡带(220-670公里)亏损橄榄岩下地幔

(七)地球化学模型Depaolo(1983)根据幔源火山岩地球化学研究提出双层地幔地球化学模型,支持林伍德的双层地幔对流模型(1)亏损上地幔(2)670公里下相对不亏损的下地幔目前对全地幔对流和双层地幔对流存在不同认识，层析成像结果支持全地幔对流模型第二节元素在地壳中的丰度一、地壳元素丰度与计算模型１、元素的克拉克值元素在地壳中的相对平均含量称为克拉克值。若以质量表示，称为“质量克拉克值”表示方法：10-6、10-9、10-12、g/t（一）地壳元素丰度计算模型2黎彤（1976）认为地壳化学成分除大陆地壳成分外，还应考虑包括大洋地壳成分。3Taylor（1985）采用细碎屑沉积岩的平均成分代表不同时期地壳的平均成分。认为细碎屑沉积岩是地壳表层岩石平均成分的最理想的代表（先决条件）（讨论：不同计算模型得出的地壳元素丰度的差异）

（二）区域地壳元素丰度的研究方法区域地壳元素丰度计算模型：1、天然地壳剖面模型2、根据变质作用确定的深度剖面模型3、根据岩石地球化学与区域地球化学建立的地壳剖面模型

第二节元素在地壳中的丰度（三）地壳的元素丰度规律(1)元素在地壳中的分布具有明显的不均一性：（O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg、Ti）占地壳总量的99.18%其它元素仅占0.82%

第二节元素在地壳中的丰度(2)服从元素丰度的偶数规则（原子序数为偶数的元素丰度大于相邻的齐数元素）。但有不符合偶数规则的元素存在。

12Mg偶数规则的破坏与元素化学性质有关，是地球化学演化的结果。第二节元素在地壳中的丰度(3)具四倍规则：原子量或质量数是4的整数倍的元素丰度高。约占地壳总重的87%，如C、O、Mg、Si、S、Ca、Ti、Cr、Fe、Ce、Pb、Th等。(4)原子核的质子和中子数组合控制了元素的丰度，偶偶型的元素丰度高，齐偶型次之。(5)核壳层规则：质子数为2、8、14、20、28、50、82和中子数为2、8、14、20、28、50、82、126的核稳定性高，分布量大。第二节元素在地壳中的丰度三、元素在地壳各类岩石中的分布地壳中元素丰度大小或元素分布的不均一性，反映不同类型岩石的元素含量不同，是元素地球化学性质和岩石形成环境差异的结果。地球7种元素占总质量的97%O50.7%Mg15.3%Fe15.2%Si14.4%S3.0%Al1.4%Ca1.0%（一）火成岩中元素丰度的主要特征

1、按超基性岩-基性岩-中性岩-酸性岩:

Fe、Mg、Cr、Ni、Co和铂族元素丰度递减碱金属元素：Li、Na、K、Rb、Cs及Si、Be、Sr、Ba、Zr、Hf、U、Th、Nb、Ta、W、Mo、Sn、Pb和稀土元素等的含量递增。2、Ca、Al、Ti、V、Mn、Cu、Sc等在基性岩中含量最高，其它岩石含量降低。3、Ge、Sb、As等元素含量在各类岩石中变化不大。（一）火成岩中元素丰度的主要特征（二）沉积岩中元素丰度的主要特征1、碱金属元素Li、Na、K、Rb、Cs和Si、Al等在页岩、泥质岩石中含量最高碳酸岩中最低。2、碱土金属元素Ca、Mg、Sr在碳酸岩中含量最高，砂岩中最低，但现代深海碳酸岩富钙而不富镁。3、过渡族元素Mn、Co、Ni在深海软泥中含量最高，现代大洋中形成巨大海底锰结核矿产，并半生有CoNi的富集。4、深海沉积软泥中，B、Na、Ba、P、S、Cu、Mo、Pb及卤素元素F、Cl、Br、I等都高于它们在岩浆岩中的丰度。（二）沉积岩中元素丰度的主要特征（三）地壳元素丰度的研究意义１、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)(2)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（三）地壳元素丰度的研究意义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倍才可达到工业品位（矿主要形成于古生代以后）。Pb、Zn在花岗岩各矿物中的分配第三节水圈、大气圈和生物圈

的化学成分一、水圈的化学成分水圈由海（洋）水和陆地水组成。陆地水包括河流、湖泊、冰川、土壤和地下水。占地球表部水的99.9985%，地球总量的0.024%。一、水圈的化学成分（一）海水海水中溶解有少量（不大于海水总量的3.5%）气体、有机体和微量元素，被溶解的物质有三种存在形式：简单离子、酸根和化合物。

其中Cl-、Na+、SO42-、Mg2+(MgSO4)、Ca2+(CaSO4)、K+、HCO3-（H2CO3、CO32-）、Br-、Sr2+（SrSO4）九种被溶解物质总量的99.91%。其它微量元素主要以简单阳离子、硫酸盐和氯化物形式存在。一、水圈的化学成分一、水圈的化学成分氯度：每千克海水中，所含氯、溴和碘的总克数。单位g/kg(Cl‰).盐度：1kg海水中，溶解的碳酸盐、有机物换算为氧化物后的总克数，溴和碘化物换算为氯化物。符号为S‰。海水的盐度为34-36‰，其它微量元素总量不到0.1‰海水中溶解少量气体，主要为CO2（50cm3/L）N213cm3/L、O22-8cm3/L。极少量H2S和惰性气体，有机物质约占0.03‰一、水圈的化学成分(二)大陆水的化学成分

大陆水所含被溶物质主要为Ca2+、Mg2+、K+、Na+、HCO3-、SO42-和CI-等。这些物质的总量习惯上称为含盐量，含盐量因所处的地质、地理环境不同而变化。

1．河水主要来自大气降水，水质变化大。世界河水含盐量一般介于n×10—300mg／L，平均含盐量为160mg／L。河水中主要离子浓度顺序一般为

Ca2+＞Na+,HCO3-＞SO42-＞CI-，少数河水Na+＞Ca2+,CI-＞HCO3-。(二)大陆水的化学成分2．湖水包括湖泊水、沼泽水和内海水等。水质有淡水和咸水两种。淡水的主要成分中：Ca2+＞Na+，HCO3-＞SO42-＞CI-。咸水中CI-＞HCO3-，其它阳离子浓度顺序与海水相似。含盐量变化比河水小。(二)大陆水的化学成分3、地下水地下水主要由大气降水经过土壤和岩层的渗透而形成，成分因地而异，（与所处地质背景有关）。含盐量高，随深度增大。悬浮物少、受地表污染少。(二)大陆水的化学成分上部地下水一般为Ca2+＞Na+，HCO3-＞SO42-＞CI-，深部转化为Na+＞Ca2+，CI-＞SO42-＞HCO3-。地下水具还原性质，常含有低价金属，特别是Fe2+和Mn2+等。(二)大陆水的化学成分4、温泉水

温泉是由内动力地质作用形成的一种特殊的地下水体。常含有特殊的成分，例如CO2、H2S、CH4、N2等气体及放射性元素．(二)大陆水的化学成分5、冰川冰川来自大气降水，主要分布在极地和大于4500M的高原和山脉中。(二)大陆水的化学成分地球水圈的存在，对风化、沉积作用和生命的衍生具有决定性意义．水在表生条件下使矿物发生分解、运移，并改变了原有矿物的元素组合，导致一些元素发生迁移、分散，另一些元素聚合、集中。据统计，世界资源总量的75%左右是在水圈中经沉积和沉积变质而生成的。(二)大陆水的化学成分二、大气圈的化学成分

1、大气圈的基本特征岩石圈表面及外部的空气层称为大气圈。其质量约为5.3×105t。大气圈与星际空间没有明显的界限.根据大气的组成状况将大气分为均匀层（低层大气）和非均匀层（高层大气）．100km高度以下为均匀层，约97％的大气质量集中在距地表29km内的均匀层中．所测大气成分均来自均匀层的下部。第三节

水圈、大气圈和生物圈的化学成分

２、大气组成大气的成分主要为N2、O2、Ar和CO2，这四种气体占大气总体积的99．65％，痕量气体有H2、Xe，Kr，CO，CH4和O3（表1-11）３、现代地球大气成分的循环作用（１）氮循环氮和氧是大气的主要成分，占大气体积的98．9％。它们主要来自地球内部的去气作用。生物消耗氮，但死亡腐烂后，又转化为NH3重新返回大气，另一部分则保留在沉积物中。

第三节

水圈、大气圈和生物圈的化学成分（２）氧循环大气中的氧来源：植物的光合作用太阳能6CO2+6H2O＋2822J－－－－－C6H12O6＋6O2

叶绿素大气中高能射线与水气的相互作用2H2O-高能射线——2H2＋O2（３）氧消耗：生物呼吸消耗氧，机体死亡分解时消耗氧．氧的循环对元素的迁移有着重大的影响。例如硫化物的表生富集作用。第三节

水圈、大气圈和生物圈的化学成分（３）CO2的循环：大气中CO2含量仅占0.031%（体积），但对表生作用、气候环境有着重要的影响。来源：地球去气作用（火山、早期大气）+生物排气+碳酸岩风化+化石燃料燃烧释放消耗：植物光合作用、海洋和湖泊中的碳酸盐沉淀、有机质深埋第三节

水圈、大气圈和生物圈的化学成分三、生物圈的成分

地球表面的植物、动物和微生物活动空间构成生物圈，主要集中分布于地表和海洋。目前已发现生物体内含有60余种元素。其中O、C、H的总量达98.5%，其次是Ca、K、Si、Mg、P、S等。O、C、H组成生物机体的主体，主要以：蛋白质、类酯物、碳水化合物、色素和木质素五大类有机分子形式存在。无机元素N、S、P、K、Ca、Mg、Fe等对细胞、骨骼、血液及循环系统，植物根、茎、叶的生长等都有重要作用。四、大气圈、水圈、岩石圈的相互作用与化学演化37亿年前（无确切依据）原始地球：主要由气体（H2、He、CH4）和尘埃（硅酸盐、铁化合物、水、NH3）经重力吸集作用而形成。原始大气圈：H2、H2O、CH4、NH3、N2、CO、CO2、H2S和少量惰性气体。属于还原性。原始水圈：现代的1/10、酸性（PH=1～2）

这段时间，只能用“比较行星学”来研究。例如，月球表面布满着陨石坑，考虑到地球引力比月球大，应有更多的陨石坑，但由于地球的风化作用强，消毁了这些痕迹。

37-25亿年（太古宙）

岩石圈：地壳为现代保存的绿岩带、花岗质岩石。

水圈：酸性，海水的氯度和盐度增加。大气圈：大气氧增加到现在的千分之一。生物圈：最早生命35亿年，最初生命的发展是从海洋中进行的。开始为嫌氧（恶氧）生物，后来逐渐转化为喜氧生物，矿产：与绿岩和花岗质岩石有关Cr、Ni、Co、Cu、Au、Ag、Pb、Zn及Pt。沉积铁矿Fe3O4并伴有SiO2胶体的沉淀—磁铁石英岩25-16亿年（古元古代）大气圈：游离氧、CO2含量增加生物圈：藻类的出现→游离氧增加→CO、CH4氧化成CO2→出现碳酸盐。水圈：氯化物-碳酸盐型矿产有Cr、Ni、Co、Cu、Fe、P及Pt——与基性侵入岩有关Fe：在早期（缺氧）以Fe(HCO3)2大量溶解于水中，当游离氧增多时，以FeCO3沉积下来→Fe3O4（碳酸盐和硅铁建造相伴生）。16-5.7亿年（中、新元古代）矿产有：Cu、Ni、Co、Fe、P及Pt——与基性侵入岩有关地壳：由老到新，K、Si增加，Al、Fe、Mg、Ca、Na减少。生物圈：藻类（叠层石）大量繁殖→游离氧增加→CO大量氧化成CO2→出现厚层碳酸盐沉积。大气圈：游离氧、CO2含量大量增加水圈：SO42-的浓度增加，为氧化物-碳酸岩-硫酸岩水圈，海水pH值中性。5.7亿年-现在（显生宙）水圈（海水）：氯化物-硫酸岩型，呈碱性，大气圈：早期N2-CO2-O2型→N2-O2型（陆生植物出现后）生物圈：大量生物繁衍矿产：的多样性。金属（与基性岩有关—Cr、Ni、Co和铂族；与壳源中酸性岩浆岩有关的—W、Sn、Mo、Bi等）、有机（煤、石油、磷、天然气）；盐类矿床（显生宙）；大洋锰结核。总的演化趋势：⑴地球物质演化过程中，亲氧、亲气元素向地球表部迁移。它们是大陆壳的主要组成元素。⑵大气圈：游离氧少→多。（氧：游离氧缺少（还原环境）→增多（CO、CH4氧化成CO2）碳酸盐沉积，有机矿产出现⑶水圈：（从酸性→中性→碱性）；⑷生物圈：无→开始出现嫌氧（恶氧）生物→藻类出现→大量藻类繁衍→大量生物繁衍（海生→陆生）。⑸能量：太阳辐射和放射性同位素衰变析出的热量（是地球构造活动和化学演化的主动力）（太古宙-地球热能大量释放；元古宙到早古生代—减弱；中晚古生代加强；中生代-高峰；此后-稳定。）

太古-早元古中元古-晚元古显生宙条带状硅铁建造白云岩建造石灰岩建造

科马提岩碱性花岗岩金伯砾岩

铁铅锌、稀土钨锡、汞梯强烈分异、去气温度下降出现巨厚岩石圈

水圈酸性水圈PH值升高地壳分异明显火山喷发气体使海水PH值降低，导致硅沉淀，间歇期导致PH值增大，铁沉淀。解释说明

水圈、大气圈和生物圈的化学成分大气CO2与海洋间的平衡：

25℃溶度积CO2+Mg2++H2OMgCO3+2H+MgCO3（1×10-5)CO2+Ca2++H2OCaCO3+2H+CaCO3（3.8×10-9)

CO2+Fe2++H2OFeCO3+2H+FeCO3(3.2×10-11)

Fe2++H2OFe(OH)2+2H+Fe(OH)2(8×10-16)>5.5>7.2Fe3++H2OFe(OH)3+2H+Fe(OH)3(3×10-39)>2.2>3.2Mn2++H2OMn(OH)2+2H+Mn(OH)2(1.9×10-13)>8.5>10

Ca(OH)2(5.5×10-6)

Mg(OH)2(1.8×10-11)

>8.5>11.5沉淀的PH范围10-2M10-5M

水圈、大气圈和生物圈的化学成分由上述