第一章 化学元素风度分布

第一章化学元素风度分布第1页，课件共167页，创作于2023年2月

元素丰度的概念和表示方法

太阳系的化学组成地球的结构和化学组成地壳的元素丰度元素在岩石和矿物中的分配主要内容第2页，课件共167页，创作于2023年2月元素丰度的概念和表示方法丰度和丰度体系元素丰度的三种表示方法元素丰度的应用第3页，课件共167页，创作于2023年2月丰度是指各种化学元素在一定自然体系中的相对平均含量。元素在较大自然体系中的平均含量即称为丰度。当研究对象等在自然体系中仅占据一个较小的空间位置时，习惯上称为元素的平均含量，如岩石中元素的平均含量第4页，课件共167页，创作于2023年2月丰度的实质

丰度的实质：一种化学元素在某个自然体系中的重量占这个自然体的全部化学元素总重量（即自然体系的总重量）的相对份额（如百分数）称为该元素在自然体中的丰度。无论地球化学的研究领域和对象如何发生反应和化学演化始终是地球化学的基本任务，其中化学组成又是首当其冲第5页，课件共167页，创作于2023年2月丰度体系不同层次的元素丰度构成丰度体系，目前建立的丰度体系类木行星太阳系丰度类地行星宇宙丰度地核丰度地幔丰度上地幔丰度地球丰度下地幔丰度地壳丰度第6页，课件共167页，创作于2023年2月地壳丰度系列地盾区地壳丰度褶皱区地壳丰度地壳丰度海洋地壳丰度浅海地壳丰度深海地壳丰度陆地地壳丰度中国陆地地壳丰度中国地台区地壳丰度中国褶皱区地壳丰度第7页，课件共167页，创作于2023年2月第8页，课件共167页，创作于2023年2月关于几个名词的说明克拉克值:指地壳中元素重量百分数的丰度值

区域克拉克值:是指地壳以下不同构造单元中元素的丰度值;如地盾区地壳元素丰度值丰度系数:是指某一自然体的元素丰度与另一可作为背景的自然体的元素丰度的比值，因为丰度体系是多层次的，所以丰度系数也是多层次的第9页，课件共167页，创作于2023年2月丰度系数的计算如以地球丰度为背景。则地壳中该元素的丰度系数定义为：

K1=地壳丰度/地球丰度例

K1Fe=5.8%÷32.0%=0.18

以地壳丰度为背景，全球陆地地壳丰度定义为

K2=全球陆地地壳丰度/地壳丰度

K2Fe=4.8%÷5.8%=0.83

丰度系数可用来指示元素的富余及变化程度第10页，课件共167页，创作于2023年2月丰度背景与地球化学背景地球化学中常讲的地球化学背景是：首先确定背景区：即地壳中有的地方受到了成矿作用的影响，而有的地方则没有，我们将未受矿作用影响的地区叫背景区。在背景区内各种天然物质中（岩石、土壤、水系沉积物、地表水、地下水、植物和空气）各种地球化学元素和同位素的含量及其比值的数值，称为地球化学背景值。用作背景的地壳元素丰度与化探中背景是两个不同的概念。

第11页，课件共167页，创作于2023年2月丰度的三种表示法

元素丰度常以三种单位来表示，即重量单位，原子单位和相对单位，由于采用了不同的单位，元素丰度有下列三种名称重量丰度

原子丰度(AtomicAbundance)

相对丰度

(RelativeAbundance)

第12页，课件共167页，创作于2023年2月重量丰度

以重量单位表示的元素丰度，常用的级序有三种：重量百分数wt%：常用来表示常量元素

g/T或ppm：以百万分之一或10-6的重量为单位，常用来表示微量元素

mg/T或ppb：十亿分之一或10-9，常用来表示超微量元素在同一张元素丰度表中，由于多种元素丰度属于微量元素范围，所以常统一用g/T或ppm来表示第13页，课件共167页，创作于2023年2月原子丰度

(AtomicAbundance)

以原子百分数来表示。某元素的原子百分数是该元素的原子数，在全部元素的原子数总和中所占的百分数

第14页，课件共167页，创作于2023年2月

相对丰度

(RelativeAbundance)

常以原子数÷106Si原子为单位，常用于宇宙元素丰度，所以又称宇宙丰度单位(CosmicAbundanceUnit),简称C.A.U。

这种单位是取Si的原子数等于一百万个(106)原子，并以此为基数，求出其它元素的相对原子数。

第15页，课件共167页，创作于2023年2月Si元素作为对比标准的理由

Si元素在自然界中分布相当广泛，便于对比各种自然体系的丰度值

Si是形成不挥发的稳定化合物的元素

Si在化学分析和光谱分析中，都是较易精确测定的元素。取Si原子=106是由于大部分元素的相对原子数介于106～10-4之间，因此最常用

至于球粒陨石标准化丰度，这种丰度表示方法，我们将在微量元素地球化学中详细讨论第16页，课件共167页，创作于2023年2月元素丰度的计算

在上述三种不同的元素丰度中。重量丰度是最基本的数据，原子丰度和相对丰度均可依据重量丰度获得重量丰度的原始资料来自三方面：化学全分析。通常以氧化物的重量百分数来表示元素的光谱定量分析利用元素对比值（如Rb/K）或用回归方程，根据已知元素的含量，求出未知元素的含量

通常我们只需要进行将氧化物的重量百分数换算成元素的重量百分数第17页，课件共167页，创作于2023年2月丰度的定义式：即丰度与分布量的关系设任一元素(i)在某一自然体系(j)中的重量为Qij，该自然体的总重量为Mj，则元素i在体系j中的丰度值Aij定义为：Aij=Qij/MjAij

就是元素i在自然体系j中的相对平均含量，如Al在地壳中的丰度，就是Al在地壳中的相对平均含量，而Al在地壳中的重量，则是Al在地壳中的绝对含量，这种绝对含量，称之为分布量。按上式，任一元素(i)在某一自然体系(j)中的分布量Dij定义为：Dij=Qij=Mj×Aij

如Al在地壳中的分布量。等于地壳总质量和Al的地壳丰度值的乘积第18页，课件共167页，创作于2023年2月

重量丰度的计算

设重量丰度W以重量百分数表示，氧化物重量百分数为W’

则W=(a×i/m)×W’

式中：m为氧化物的分子量，a为欲求元素的原子量，i是氧化物中欲求元素的原子个数

例1已知岩石化学全分析中测得SiO2的重量百分数为70.40%，求Si的重量百分数Wsi=(a×i/m)×W`=(28.086×1/60.09)×70.40%=32.91%第19页，课件共167页，创作于2023年2月重量丰度换算为原子丰度

设Ni为任一元素的相对原子数ai为该元素的原子量则Ni=Wi/ai

任一元素的原子百分数(Ai)则为Ai=(Ni/∑N)×100=(Wi/ai)/(∑W/a)×100=(W`.i/mi)/∑(W.I/m)×100∑N是参与计算的全部元素的原子数总和

换算的步骤，按下表

第20页，课件共167页，创作于2023年2月原子丰度换算表原子序数元素重量丰度(ppm)W原子量A相对原子数N相对丰度(%)A1H1.4×1031.0081.389×1033.00………………13Al80.7×10326.0812.999×1036.4114Si329.1×10328.08311.72×10325.1192U2238.0298.4×1031.8×10-5

∑N=46.67×103100.00第21页，课件共167页，创作于2023年2月重量丰度换算为相对丰度

将任一元素的重量丰度Wi换算为相对丰度Ri可采用下列公式Ri={(Wi/ai)÷(Wsi/28.09)}×106

例:已知Al的重量百分数为8.07%,Al的原子量为26.98,Si的重量百分数为32.91%,求Al的相对丰度RAl={(8.07%/26.98)÷(32.91%/28.09)}×106=

255303

即当Si=106个原子时，Al有255303个原子

第22页，课件共167页，创作于2023年2月元素丰度的概念和表示方法

太阳系的化学组成

地球的结构和化学组成地壳的元素丰度元素在岩石和矿物中的分配主要内容第23页，课件共167页，创作于2023年2月太阳系的化学组成

太阳系概述

宇宙丰度特点陨石化学

月球化学第24页，课件共167页，创作于2023年2月太阳系的性质第25页，课件共167页，创作于2023年2月太阳系概述

太阳系的组成

太阳系中，太阳质量占99.86%，但角动量仅占2%，为恒星八大行星共性：共面性，近圆性和同向公转性

行星自旋周期不同八大行星密度分布特点

八大行星卫星数

太阳系已以现1600个彗星，其运行轨道和倾角各不相同

太阳系各行星化学组成特点

第26页，课件共167页，创作于2023年2月太阳系的组成太阳系由太阳，行星，星际物质（尘埃，陨石，彗星，小行星）和卫星组成。类地行星：水，金，地，火巨行星：木星，土星远日行星：天王星，海王星，冥王星第27页，课件共167页，创作于2023年2月行星自旋周期不同

八大行星卫星数

第28页，课件共167页，创作于2023年2月彗星什么是彗星彗星的类型彗星的结构彗星化学成分彗星的起源彗星的研究意义第29页，课件共167页，创作于2023年2月彗星：是太阳系中以扁长轨道绕太阳运行的一种质量较小的云雾状天体。

彗头彗核：集中大部分质量.（原子核）彗星彗发彗尾太阳系内有约1012 ~1014个彗星彗星第30页，课件共167页，创作于2023年2月彗星化学彗星的类型短周期：10~200年，多数远日点靠近木星长周期：>200年，远日点达50000AU彗星结构彗核：直径0.3-4km,一般1-2km,密度：2g/cm3,成分：冰物质+土物质。慧发：直径104-105km，化合物基团（OH2、C2、C3、CH、CN）;原子成分（C、H、O、S、He）；分子成分（HCN、H2O等）；离子成分（CO+、CH+、CO2+

等）。彗尾：长达108km,等离子彗尾的成分为CO+,CO2+,H2O+,OH+,CH+,CN+,N2+,C+,Ca+；尘埃彗尾为H、C、N、Fe、Si、Mg、Ca、Ni。第31页，课件共167页，创作于2023年2月彗星的构造和名称第32页，课件共167页，创作于2023年2月彗星彗星起源仍不明确，一种观点是形成于海王星-冥王星区域，由于摄动而改变轨道。意义：西伯利亚的通古斯爆炸（1908.6.30）带入挥发元素它们的瓦解即是我们常见的流星，它们常成群出现陨落形成的陨石是我们研究天体的依据哈雷彗星76年出现一次，1985年11月18日经过地球。第33页，课件共167页，创作于2023年2月

太阳系各行星化学组成特点

取决于两方面因素：1）距日远近2）目前所处温度难熔元素：富集于类地行星中，特别是Zr,Hf,TR,Si,Mg,Ta,Ca,Al,Th,U亲铁元素：距日远而下降:Fe,W,Ni,Os,Ir,Pt,Ru,Rh,Rd,Cr亲硫元素：随距日远而上升:S,As,Se,Te,Cu,Pb,Zn,Ge,In,Tl九大行星中，氧的含量对星云物质的凝聚成岩有很大的影响第34页，课件共167页，创作于2023年2月太阳系元素的起源

“恒星合成元素”假说宇宙核合成,形成H和He铁组前元素合成,又分四个阶段①H燃烧阶段②He燃烧阶段③C和O燃烧阶段④平衡阶段e铁组后元素的合成分为①慢中子俘获过程，s②快中子俘获过程,r③快质子俘获过程,pLi,Be,B的组成第35页，课件共167页，创作于2023年2月确定太阳系宇宙元素丰度的途径

H、He及其它挥发性元素的丰度数据主要依据太阳光谱的测定结果。非挥发性元素常以I型碳质球粒陨石的元素丰度来代表；近年来陨石的发展，高质量陨石成分资料不断增多，此进展揭示出I型碳质球粒陨石可能代表其它类型陨石由之分馏形成的原始物质成分。利用宇宙飞行星对邻近地球的星体进行就近观察和测定，或取样分析。第36页，课件共167页，创作于2023年2月第37页，课件共167页，创作于2023年2月第38页，课件共167页，创作于2023年2月宇宙中元素丰度分布图第39页，课件共167页，创作于2023年2月太阳系元素丰度规律

元素丰度在原子序数较低的范围内，随原子数增大呈指数迅速递减，而后在重元素范围内（Z>45）几乎保持固定不变，即丰度曲线近于水平偶数规律也称奥多--哈根斯法则：原子序数为偶数的元素其丰度大大高于原子序数为奇数的相邻元素，同时具有偶数质量数或偶数中子数的同位素或核类的丰度也总是高于奇数A或N的同位素或核类第40页，课件共167页，创作于2023年2月太阳系元素丰度规律

H和He是丰度最高的两种元素。

Li、Be、B的丰度与邻近元素He相比丰度特别低。

O和Fe呈明显的峰出现在元素丰度曲线上（A=56、80、90、130、138、196、208处出现峰值）第41页，课件共167页，创作于2023年2月太阳系元素丰度规律

4倍规则：质量数为4的倍数的核素或同位素具有较高丰度。约数规则：原子序数或中子数为约数即2、8、20、50、82、126等的核类或同位素分布最广，丰度最大。第42页，课件共167页，创作于2023年2月陨石化学

陨石的概念及研究意义

陨石的分类

陨石的同位素研究

陨石研究实例：吉林陨石

第43页，课件共167页，创作于2023年2月陨石的概念及研究意义陨石是降落在地球上的行星物质的碎块，可能来源于彗星，更可能来自于火星和木星之间的小行星带，每年降落于地球的陨石约500个。但见其陨落又可能找到的仅5~6个到目前为止陨石的化学成分资料仍然是估计太阳系元素丰度及推断地球和地球内部化学成分的最有价值的依据

第44页，课件共167页，创作于2023年2月陨石的分类

分类依据：1）所含金属与硅酸盐之比值2）结构3）化学成分分类铁陨石石铁陨石石陨石球粒陨石非球粒陨石第45页，课件共167页，创作于2023年2月陨石的分类第46页，课件共167页，创作于2023年2月陨落和发现的陨石数目和频率第47页，课件共167页，创作于2023年2月球粒陨石球粒陨石：具球粒，球粒一般由橄榄石和斜方辉石组成，而球粒间的基质常为镍铁，陨S铁，斜长石，橄榄石，辉石等。

C群：碳质球粒陨石的特征是含有炭的有机化合物分子，并且主要由含水硅酸盐组成C石群陨少见，但在探讨太阳系元素丰度方面却具有特殊的意义，如1969年陨落于墨西哥北部的陨石，为III型C群，其化成（元素丰度）几乎同太阳中观察到的非挥性元素的丰度完全一致。

第48页，课件共167页，创作于2023年2月E为顽辉石球粒陨石，H，L和LL分别代表高铁、低铁和极低铁普通球粒陨石，C为碳质球粒陨石第49页，课件共167页，创作于2023年2月球粒陨石各化学群的特征参数第50页，课件共167页，创作于2023年2月陨石的分类第51页，课件共167页，创作于2023年2月关于球粒的形成

北京大学：魏菊英P39

A：星云物质凝聚成液滴后冷凝形成球粒

B：由星云凝聚形成的各种固态物质，高速碰撞而重熔再由重熔的液滴冷凝形成球粒

C：在太阳星云凝聚的晚期，由于星云的放电和太阳高亮度的照射，强击波的冲击，加热，使星云中的固体凝聚物重熔而形成液滴。武地：P16：在明显热的非平衡条件下，从热的，低密度和部分电离的气体中直接凝聚出固态物质。也即球粒陨石可能代表着行星由凝集形成微星物质的碎块，而其它类型的陨石似乎可能为球粒陨石成分的物质经部分或完全熔融和分异发展形成第52页，课件共167页，创作于2023年2月陨石的同位素研究

根据陨石中辉石的氧同位素组成，H.P.Taylor等(1965)将石陨石分成了3组:1).玄武质无球粒陨石，紫苏无球粒陨石和中铁陨石。其中辉石的δ18O值为3.7~4.4‰.2).紫苏橄榄球粒陨石，古铜橄榄球粒陨石，顽火球粒陨石，顽火无球粒陨石和透辉橄榄无球粒陨石，其中辉石的δ18O值为5.3~6.3‰.3).I.II.III类C石和橄-辉无球粒陨石，其中橄榄石和辉石的氧同位素组成变化非常明显，这说明，它们与普通球粒陨石相比还没的达到同位素平衡。第53页，课件共167页，创作于2023年2月陨石的同位素研究据此，H.P.Taylor等认为:这3组陨石中的每一组内的陨石在成因上有联系，而在这3组之间,成因上联系不密切或没有联系，这些陨石很可能起源于太阳系中不同的部分：球粒陨石起源于小行星带；玄武质无球粒陨石和紫苏无球粒陨石起源于月球表面；炭质球粒陨石是彗星碎片。第54页，课件共167页，创作于2023年2月陨石的同位素研究另外R.N.clayton等1976年进一步采用δ18O--δ17O图研究碳质球粒陨石的氧同位素组成：得到以下结论

1）多种来源的地球岩石样品，月岩样品以及顽火球粒陨石都落在一条斜率为0.52左右的直线（称地球线）上，这说明它们具有成因联系。第55页，课件共167页，创作于2023年2月陨石的同位素研究

2）II类和III类碳质球粒陨石中无水高温矿物的数据点落在与地球线完全不同的另一条直线上，其斜率接近于1，这不仅表明它们与地球样品有不同的成因，而且表明它们本身的氧同位素组成是不一致的，这就证实太阳星云的氧同位素组成也不是完全均一的。R.N.clayton等（1976）认为，位于C2—C3线上的样品是二元混合的产物；一个端元组分是正常的氧同位素组成与地球样品的氧同位素组成相似；另一个端元组分为接近于纯16O的氧，后一端元组分在太阳星云凝固以前就已存在，它包含在与地球形成过程关系不大的星际颗粒中，在不同样品中，这两个端元组分混合的比例是不同的第56页，课件共167页，创作于2023年2月陨石的同位素研究

3）在C2陨石中，含水硅酸盐基质的氧同位素组成沿着一条与地球线平行的分馏线分布，但往16O变富的方向移动了4墸¬这说明含水硅酸盐基质与地球样品的关系不密切，但这些基质间彼此有成因联系，因此能单独构成一类。第57页，课件共167页，创作于2023年2月陨石母体的演化太阳系元素的形成初始太阳星云的形成。这两个阶段的过程，陨石同月球和地球是一致的陨石球粒的形成陨石母体——小行星及类地行星的形成小行星体的局部或全部熔融熔融物质的冷却结晶并产生分异，行星壳层构造的发育与增长陨石母体的破裂。由于小行星体的碰撞，使陨石母体破裂，产生的碎片即成为陨石体。宇宙线长期照射陨石体形成大量宇宙成因核，可计算陨石体在宇宙空间的暴露年龄，也就是陨石母体破碎的年龄陨石降落到地面第58页，课件共167页，创作于2023年2月陨石的成因

1)陨石是发生在太阳系中；2)它们与小行星有许多共同之处；3)它们不是作为单独的个体发生，而是一个较大的分裂物体的碎片；4)石陨石与地球上基性及超基性火成岩的化学组成和矿物组成的连续性证明，陨石的母体在组成上和构造上与地球极为相似；5)陨石的年龄与地球的年龄差不多，它们与地球经历了相似的形成与演化过程。第59页，课件共167页，创作于2023年2月吉林陨石

1976年3月8日，吉林市郊区陨落了一场世上罕见的陨石雨，收到样重2700公斤，为高铁群普通球粒陨石。《地球化学》1978.1.吉林陨石雨研究专号。经过历年来多学科研究，利用多种当代先进技术对吉林陨石从形成到陨落的历史作了全面剖析，提出了世界上最为完整细致的陨石形成演化模式，最近还完成了宇宙照射历史研究，在世界上首次提出了陨石多阶段演化模式，并第一次成功地恢复了陨石母体的初始形态。第60页，课件共167页，创作于2023年2月吉林陨石的化学成分第61页，课件共167页，创作于2023年2月吉林陨石化学成分的研究意义

对三个地点搜集的陨石样品(1，2，5)号进行化学全分析的结果表明不同地点陨落的陨石化学成分是非常接近的，属于普通球粒陨石中的高铁(H)类型，与我国同类型的新沂球粒陨石、安龙球粒陨石等以及国外的同类型球粒陨石相比，化学成分亦甚为相似。这说明同类型的球粒陨石虽然在陨落时间和地点上有所差异，或同一球粒陨石中部位虽然不同，但其化学成分都具有共同性和同一性，这说明陨石雨的原始成分的均一性。某些镍铁含量的波动显然与大颗粒镍铁分布不均匀有关。第62页，课件共167页，创作于2023年2月根据对吉林球粒陨石的同位素年龄测定结果，得出铅同位素年龄为45.5亿a，钾—氩法测定为42.7亿a，与地球的年龄基本一致。这就再次证明，落人地球上的陨石和地球均处于太阳系的统一体中，有着共同的发生过程。第63页，课件共167页，创作于2023年2月月球化学

月球概况基本参数

特点

概况

月岩和月球的化学组成月岩的概念及类型月球的化学组成月岩的研究意义第64页，课件共167页，创作于2023年2月月球概况：基本参数月球距地球的平均距离为284，402公里半径为1738公里，体积为22×109立方公里质量为7.353×109克，密度为3.34g/cm3第65页，课件共167页，创作于2023年2月第66页，课件共167页，创作于2023年2月月球概况：特点1）无大气圈或大气圈非常薄，缺少水蒸气，并具还原性质，因此月球上岩石保持新鲜状态。2）据月面上的地震探测资料，月球内部分层，但物质分异微弱。月壳，60公里月球内部是分层的月幔，980公里月核，700公里但月球表面岩石密度为3.1~3.2g/cm3,而其平均密度为3.34g/cm3，因此可知月球物质分异相当微弱。第67页，课件共167页，创作于2023年2月月球概况1）月壳的地形分为月海和高地两部分。月海：地势低洼，无水高地：为山地地势2）月面大部分被一层疏松岩石，矿物颗粒和玻璃碎块以及少量陨石碎屑所覆盖，月岩破碎的原因，可能与陨石的冲击作用，月面日夜温差大（150℃），岩石导热性差有关。第68页，课件共167页，创作于2023年2月月球上的撞击坑第69页，课件共167页，创作于2023年2月登月行动美.阿波罗，苏.宇宙自动站，共取回380公斤月球表面物质样品（包括结晶岩石，未胶结的微粒物质，角砾岩和显微角砾岩）美国：宇宙登月仓Apollo—11,12,14,15,16,17前苏：宇宙自动站Luna—16,20,24第70页，课件共167页，创作于2023年2月月岩和月球的化学组成

月岩的概念及类型月海玄武岩高地斜长岩高地玄武岩月球的化学组成第71页，课件共167页，创作于2023年2月月岩的概念及类型月岩是月壳上结晶的岩石，主要有三种类型1）月海玄武岩：富铁玄武岩，主要分布在月球表面相对低洼的广阔的月海地区，主要由钙质斜长石，单斜辉石和钛铁矿等组成，常含有橄榄石，在化学成分上和地球上的大洋拉斑玄武岩相似，但TiO2和Fe含量较高第72页，课件共167页，创作于2023年2月月岩的概念及类型2）高地斜长岩：组成月球高地的主要岩石，在化学成分上以富Al为特征，其TiO2

和FeO含量偏低，主要岩石类型是斜长岩，橄长岩，苏长岩和富斜长石的辉长岩3）高地玄武岩：由钙质斜长石，单斜辉石和钛铁矿三种矿物组成，同月海玄武岩相比，铁镁矿物和不透明矿物含量偏低，斜长石含量偏高，富Al

在高地玄武岩中，有一种富K，REE和P的岩石，称为克里普（KREEP）岩，这种岩石地球上未曾发现，是岩浆分异或残余熔浆结晶形成的富挥发份的岩石第73页，课件共167页，创作于2023年2月月岩－常量元素含量第74页，课件共167页，创作于2023年2月月岩－微量元素含量第75页，课件共167页，创作于2023年2月月球的化学组成第76页，课件共167页，创作于2023年2月月球的化学组成

第77页，课件共167页，创作于2023年2月月球化学组成特点

与地球和陨石的相应资料相对比，月球月岩中碱金属和许多挥发份元素较贫：Bi,Hg,Zn,Cd,Tl,Pb,Ge,Cl,Br富含耐熔元素及REE元素：Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Sc,Zr,Nb,Mo,Y这种成分特征反映了月岩形成于高温条件之下，并且说明月球同地球在化学成分上不属于同一类。这一事实动摇了月球是由地球抛出的一部分物质所形成的假说，同时支持了月球是太阳系中的一个小行星或其它物体，后来被地球所捕获的观点第78页，课件共167页，创作于2023年2月月岩的研究意义

1）月球上缺水圈与大气圈，不发育风化作用，且月球31亿年前即已停止了活动，而地球则一直处于活动状态，因而对月球的研究有利于了解地球早期历史2）月岩年龄与地球相似，月海玄武岩相当于拉斑玄武岩3）月球中有可供人类利用的元素4）月岩早期火山活动即相当于地球火山带第79页，课件共167页，创作于2023年2月元素丰度的概念和表示方法太阳系的化学组成

地球的结构和化学组成

地壳的元素丰度元素在岩石和矿物中的分配主要内容第80页，课件共167页，创作于2023年2月地球的结构和化学组成地球和地壳是地球化学研究的主要对象和体系，了解地球内部物质的成分与状态是理解地壳中各类地球化学过程的基本前提地球内部资料不能直接观察到（目前最深的超深钻仅十几公里）因而现阶段人们对于地球内部结构、物质成分及状态的观察均是依据间接资料，尤其是地球物理资料第81页，课件共167页，创作于2023年2月地球的结构和化学组成地球的结构（构造）地球内部的地球化学特征地球的丰度估计方法地球丰度的特点关于地球丰度中惰性元素的缺失的解释第82页，课件共167页，创作于2023年2月地球的结构（构造）第83页，课件共167页，创作于2023年2月地球的结构

外圈：大气圈、水圈、生物圈上地壳地球地壳下地壳上地幔内圈地幔过渡层下地幔外核地核过渡层内核第84页，课件共167页，创作于2023年2月CrustMantleCoreA´A"B´C´D´B"C"D"EFG

上地幔下地幔0-3560km400km920km2900km4640km5120km低速带60-250kmGuteabergDisc.G.一级界面二级界面岩石圈，地壳，软流圈，相变带，液态外核第85页，课件共167页，创作于2023年2月第86页，课件共167页，创作于2023年2月地球内部的地球化学特征借助于间接资料和地下浅层的观察，在一定的假设下做出理论估计，由地表向地下深处，随着压力的增大，不可避免地将引起化学作用过程的改变1）h<60km时，正常地球化学作用带地壳岩石圈，边缘圈，正常化学作用带

2）h60~2900km，地幔榴辉岩圈，中间圈，退化化学作用带3）h>2900km超高压条件（P>百万atm）“金属化”核心，中心圈，无化学作用带第87页，课件共167页，创作于2023年2月地球内部的地球化学特征1）h<60km时，正常地球化学作用带此时原子的核外电子层构造不会发生变化，其化学性质和化学作用过程服从周期律2）h60~2900km高压下，若核外电子层有个别比较靠近原子核的能级未充满，以高压的结果，可以使外层电子压入到内层未充满的轨道上，即电子排列产生变化，元素化学性质也变化，于周期表中位置亦变，使元素周期表由原来的七个周期压缩成五个周期，这种现象，称为原子的退化现象第88页，课件共167页，创作于2023年2月地球内部的地球化学特征3）h>2900km超高压条件（P>百万atm）原子核外电子层完全破坏，电子呈自由状态，为所有原子核共有，从而不同的原子没有性质的不同，且不会发生化学作用，完全丧失了一般的化学性质第89页，课件共167页，创作于2023年2月地球的丰度地球的元素丰度是假定的和不确定的，其估计方法有：陨石类比法地球模型法（陨石类比法和陨石相法）地球物理类比法第90页，课件共167页，创作于2023年2月陨石类比法1）陨石类比法假定前提

A：陨石在太阳系内形成

B：陨石与小行星带的物质相同

C：陨石是已破坏了的星体的碎片

D：产生陨石的母体，其内部结构和成分分布同地球相似第91页，课件共167页，创作于2023年2月陨石类比法2）分类A：综合陨石类比法Clarke

以各种陨石类型的平均化学成分作为地球的类似成分，由于采用铁陨石比例过大，导致铁丰度明显偏高（达67~72%），导致误以为整个地球基本上是由铁或铁、镍合金组成。B：单一陨石类比法Ahrens，1965

直接用维诺格拉多夫1962年，计算的球粒陨石的平均含量来代表整个地球的元素丰度。突出特点：铁明显偏低，25.1%第92页，课件共167页，创作于2023年2月地球模型—陨石类比法A：Washington，将地球分6圈1）地核，以铁陨石代表2）石源层（LithosporicShell）以陨石的镍、铁成分和石铁陨石（两者同等劝重）的平均化学成分为代表。3）铁源层（FerrosporicShell），陨石平均化学成分代表4）橄榄岩层：无球粒陨石平均化学成分代表5）玄武岩层：以戴利玄武岩平均化学成分代表

6）花岗岩层：以CLARKE和WASHINGTON的火成岩平均化学成分，然后以地圈质量加权平均法求出整个地球主要元素丰度。第93页，课件共167页，创作于2023年2月地球模型—陨石类比法B：MasonSMT认为地球总体成分基本取决于地幔和地核的成分和相对质量（M）99%），并假定第94页，课件共167页，创作于2023年2月地球物理类比法我国黎彤1976年采用，壳层模型地球物理类比法1）首先采用布伦（Bullen）的固体地球物理模型划分层壳，求出这些层壳的质量及其比值2）按一定的物质代表成分，分别求出各层壳的元素丰度

3）以层壳质量加权平均法求出整个地球的元素丰度第95页，课件共167页，创作于2023年2月地球物理类比法1）采用布伦（Bullen）提出的地球壳层模型划分：A：地壳A四个壳层的质量百分数为0.4%B：上地幔，B+C，27.17%C：下地幔D40.4%D；地核（E+F+G）31.5%第96页，课件共167页，创作于2023年2月地球物理类比法2）根据地球物理资料选择了四个壳层的物质成分A：地壳成分他和饶纪龙1965地壳元素丰度来代表B：上地幔成分，以RINGWOOD地幔岩的成分代表C：下地幔，超基性岩+20%的铁橄榄岩成分代表D；外核，用FES模型E：内核（F+G层），用金属铁模型3）计算步骤上，先计算出四个壳层的元素丰度，然后用地圈质量加权平均法求出整个地球的元素丰度第97页，课件共167页，创作于2023年2月地球的平均化学成分（wt%）第98页，课件共167页，创作于2023年2月地球的平均化学成分（wt%）第99页，课件共167页，创作于2023年2月地球丰度的特点是假定、不确定的半定量”认识地球90%以上由Fe、O、Si、Mg组成

>1%的元素有Ni、Ca、Al、S0.01~1%Na、K、Cr、Co、P、Mn、Ti地球几乎全部由上述15种元素组成。第100页，课件共167页，创作于2023年2月地球丰度曲线第101页，课件共167页，创作于2023年2月地球丰度中挥发性元素状况第102页，课件共167页，创作于2023年2月关于地球丰度中惰性元素的缺失的解释原因在于惰性元素具有很高的化学稳定性，在自然界中难与其他元素结合，独自呈气体存在，根据地球由星云尘粒吸积生成的假说，当地球形成时，行星星云的温度条件已降至3000K以下，许多挥发性元素都可以通过化学反应的方式组成地球的物质中，唯独惰性气体不能以化合物的方式形成尘粒，只有少量被其他化合物包裹，带至地球，而大多逸散到大气中去第103页，课件共167页，创作于2023年2月元素丰度的概念和表示方法太阳系的化学组成地球的结构和化学组成

地壳的元素丰度

元素在岩石和矿物中的分配主要内容第104页，课件共167页，创作于2023年2月地壳的元素丰度确定方法丰度特征研究克拉克值的地球化学意义地壳中化学元素的分布在时间上和空间上的不均匀性地壳丰度的反偶数规则第105页，课件共167页，创作于2023年2月地壳元素丰度的确定方法

Clarke计算法

Goldsmidt简化计算法地壳模型计算法第106页，课件共167页，创作于2023年2月Clarke计算法岩石圈：水圈：大气圈=93%：7.0%：0.003%，用地圈质量加权平均法求得地壳的平均化学成分水圈（海水）引用Dittmar，1884气圈：采用Humphrey1920，岩石圈与Washington ，5159个火成岩，676个沉积岩组成，火成岩：沉积岩=95%：5%沉积岩中：页岩：砂岩：灰岩=4%：0.75%：0.25%第107页，课件共167页，创作于2023年2月计算步骤1）按48个地理区用第一算术平均法（除以实际测定次数）求各区平均值2）归纳为9个含大洋岛屿与大州的大区平均值，用第二种算术平均法（除以5159个样品）求出地壳火成岩的平均值3）将氧化物含量换算为元素含量第108页，课件共167页，创作于2023年2月计算步骤4）对于一些微量元素有时采用第一和第二算术平均数的平均值5）沉积岩按页岩：砂岩：灰岩=4%：0.75%：0.25%，以质量比加权得出沉积岩的平均成分6）火成岩：沉积岩=95%：5%，质量加权平均求出岩石圈平均成分7）岩石圈：水圈：大气圈=93%：7.0%：0.003%，质量加权平均法求得地壳的平均化学成分第109页，课件共167页，创作于2023年2月Clarke计算法

的缺陷没有考虑岩石组成随深度和构造单元的变化深度16km是人为确定的，而未考虑莫霍界面。忽略了海洋地壳的物质成分此外费尔斯曼的方法同Clarke第110页，课件共167页，创作于2023年2月Goldsmidt简化计算法1）Goldsmidt简化计算法2）维诺格拉多夫3）

泰勒Taylor，1964（自称为大陆地壳元素丰度）4)TaylorandMclennan(泰勒和麦克伦南)1985大大发展了该方法第111页，课件共167页，创作于2023年2月Goldsmidt简化计算法1）Goldsmidt简化计算法以挪威南部广泛分布的冰川粘土来代表，除Na2O和CaO由于淋失偏低外，其它组分含量与Clarke的数据一致冰川粘土：由芬诺斯坎颠（Fennoscandian）冰盖溶化水中沉淀出的最细岩粉组成，G氏认为这种冰川粘土可以作为一种平均样品，代表着大面积分布的结晶岩石的平均化学成分（计算了77个样品的平均值）第112页，课件共167页，创作于2023年2月Goldsmidt简化计算法2）维诺格拉多夫1949年，根据粘土和页岩的平均化学成分得出1962年，以两份酸性岩加一份基性岩的平均化学成分的平均值代表地壳的元素丰度值第113页，课件共167页，创作于2023年2月Goldsmidt简化计算法3）

泰勒Taylor，1964（自称为大陆地壳元素丰度）采用花岗岩和玄武岩的质量比例为1：1，并直接以标准样G-1和W-1来分别代表花岗岩和玄武岩的平均成分。此值实际上是已包括大洋在内的整个地壳元素丰度。

第114页，课件共167页，创作于2023年2月Goldsmidt简化计算法4)TaylorandMclennan(泰勒和麦克伦南)1985大大发展了该方法提出细粒碎屑沉积岩，特别是泥质岩，可作为源区上地壳岩石的天然混合样品，这类岩石对研究大陆地壳元素丰度有特殊意义。p41图1.5是最有力的证据，后太古宙的泥质岩、深海沉积物和黄土中的稀土元素组成模式与现今大陆上的地壳完全一致

第115页，课件共167页，创作于2023年2月沉积过程中稀土元素没有发生明显的分异，同时太古宙以后沉积岩中REE模式的一致型表明：沉积岩代表了地壳表面大面积平均采样第116页，课件共167页，创作于2023年2月地壳丰度存在的主要问题

A：采用的地壳的概念不统一，均未按照现代地壳结构模型来进行元素丰度的计算。

B：地壳的深度16Km是人为确定的，而未考虑莫霍界面。

C：忽略了海洋地壳的物质成分。

D：地壳物质成分随深度变化的因素未予考虑。第117页，课件共167页，创作于2023年2月地壳模型计算法1）A.Poldervoat，1955A.Poldervoat，1955，取莫霍面为计算深度的下限，把整个地壳分为深洋区、浅洋区、地盾区和褶皱区四个区，分别计算各区的平均化学成分后，用各区质量比例加权平均，求出整个地壳的平均化学成分2）罗诺夫和雅罗谢夫斯基，19573）黎彤，1976第118页，课件共167页，创作于2023年2月地壳模型计算法3）黎彤，1976在计算中国岩浆岩平均化学成分的基础上，采用普尔德瓦尔特(Poldervaart，1955)的全球地壳模型，计算时，对于各类岩浆岩平均元素含量综合应用涂里千和费得波（1967）和维诺格拉多夫（1962）资料，并参照了我国各类岩浆岩中13种主要元素的数据，首先计算出各地壳构造单元的元素丰度（各类岩石的质量加权平均），然后采用各构造单元的质量加权平均计算了整个地壳的元素丰度值尽管各家计算方案不同，但所得地壳主要元素丰度的估计值是相互接近的，我们可以有一定根据地说现在已经有了较精确的有关地壳平均化学成分的估计值，至少对于主要元素来说情况是如此第119页，课件共167页，创作于2023年2月第120页，课件共167页，创作于2023年2月第121页，课件共167页，创作于2023年2月第122页，课件共167页，创作于2023年2月地壳中元素丰度曲线第123页，课件共167页，创作于2023年2月地壳的元素丰度确定方法丰度特征

研究克拉克值的地球化学意义地壳中化学元素的分布在时间上和空间上的不均匀性地壳丰度的反偶数规则第124页，课件共167页，创作于2023年2月地壳丰度特征1、元素在地壳中的分布有明显的不均匀性。O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg、H、Ti、C、Cl、P、S、Mn82.58%（3）98%（8）98.13%（9）99.61%（15）O为47%，而Rn为7×10-16，相差1017倍同时，同位素的分布也是不均匀的。

O1699.75%O170.00374%O180.2079%第125页，课件共167页，创作于2023年2月地壳丰度特征2、与太阳系中元素的丰度值相比较，同样存在如下规律：A）偶数规则，在地壳中偶数元素占86.36%，奇数元素占13.64%B）A=100以前，克拉克值呈8或7次方呈指数下降。再次说明地球、地壳在物质上同太阳系其它部分的统一性，但具有自己的演化特征第126页，课件共167页，创作于2023年2月地壳丰度特征3、有些元素（同位素）的含量与地质时代有关。238U235U40K87Rb地史早期含量高206Pb207Pb40Ar87Sr随地质时代而增加第127页，课件共167页，创作于2023年2月地壳丰度特征4、4倍规则按元素质量数A/4，把地壳中元素或同位素分为四类：4q型元素：C、O、Mg、Si、S、Ca、Ti、Cr、Fe、Ge、Pb、Th4q+3：Li、B、F、Na、Al、P、Cl、K、V、Mn、Co、Cu、As、Ag4q+2：238U、222Rn、230I、210Po、14N、102Rn、126Pd4q+1：9Be、45Sc、113Ir、85Rb、65Zn第128页，课件共167页，创作于2023年2月地壳丰度特征4q型元素：C、O、Mg、Si、S、Ca、Ti、Cr、Fe、Ge、Pb、Th4q+3：Li、B、F、Na、Al、P、Cl、K、V、Mn、Co、Cu、As、Ag4q+2：238U、222Rn、230I、210Po、14N、102Rn、126Pd4q+1：9Be、45Sc、113Ir、85Rb、65Zn第129页，课件共167页，创作于2023年2月地壳丰度特征5、将地壳、地球、太阳系中分布最广的元素按丰度大小顺序加以比较，即可以发现它们之间存在明显的差异：太阳系：H>He>O>Ne>N>C>Si>Mg>Fe>S地球：Fe>O>Mg>Si>Ni>S>Ca>Al>Co>Na地壳：O>Si>Al>Fe>Ca>Na>K>Mg>Ti>H第130页，课件共167页，创作于2023年2月地壳丰度特征A：同太阳系或宇宙相比，地壳和地球都明显贫H、He、Ne、N等气体元素，说明由于宇宙物质形成地球的演化过程必然伴随着气态元素的散失B：同整个地球相比，则地壳相对贫Fe和Mg，同时富含Al、Na、K，因而地球的原始化学演化表现为：较易熔的碱金属铝硅酸盐在地球表层富集，而较难熔的镁铁硅酸盐和金属铁下沉第131页，课件共167页，创作于2023年2月地壳丰度特征的意义从2和5可以得出结论：地壳中元素的丰度不仅取决于元素原子核的结构和稳定性（决定宇宙中元素丰度的因素），同时又受地球形成前、地球形成时和地球存在时期物质演化和分异的影响。第132页，课件共167页，创作于2023年2月几个与地壳元素含量有关的概念克拉克值：地壳中元素的平均化学组成浓度克拉克值：某元素的浓度克拉克值为其在某一地质体（矿床、岩体、矿物等）中的平均含量与克拉克值之比，它可以反映出某些元素在地质体中的浓集程度浓集系数：以某元素在矿床中的最低可采品位作为它在该地质体中的平均含量来计算它与克拉克值之比第133页，课件共167页，创作于2023年2月地壳的元素丰度确定方法丰度特征研究克拉克值的地球化学意义

地壳中化学元素的分布在时间上和空间上的不均匀性地壳丰度的反偶数规则第134页，课件共167页，创作于2023年2月研究克拉克值的地球化学意义1）克拉克值确定着地壳作为一个物理化学体系的总特征以及地壳中各种地球化学过程的总背景，它既是一种影响元素地球化学行为的重要因素，又为地球化学提供了衡量元素集中分散及其程度的尺度。第135页，课件共167页，创作于2023年2月研究克拉克值的地球化学意义2）元素克拉克值在某种程度上影响着元素参加许多地球化学过程的浓度，从而支配着元素的地球化学行为。如Na、K、Rb、Cs的化学性质相似，但，前两者可以形成各种独立矿物，但后两者却只能存在于含钾的矿物中。因此，在分析地壳中元素的迁移、集中和分散等地球化学行为时，必须考虑到元素克拉克值这一重要的影响因素。3）克拉克值为阐明地球化学省的特征提供一种标准。第136页，课件共167页，创作于2023年2月地壳的元素丰度确定方法丰度特征研究克拉克值的地球化学意义地壳中化学元素的分布在时间上和空间上的不均匀性地壳丰度的反偶数规则第137页，课件共167页，创作于2023年2月地壳中化学元素的分布在时间上和空间上的不均匀性地壳中化学元素的分布在时间上和空间上的不均匀性突出表现在成矿元素常呈带状分布1）与上地幔不均匀性有关，如华南W、Sn，长江中下游Fe、Cu2）与地幔物质的熔融、分异及易熔相析出的程度有关第138页，课件共167页，创作于2023年2月时间上的不均匀性（1）主要与元素的活动性有关，表现在：1）稳定元素在地史早期富集，时间越晚，富集的可能性越小。如金主要富集在前寒武纪的绿岩带中。2）活泼的不稳定元素，随地史发现有晚期富集的趋向。如W，前寒武少，加里东始，3/4产量集中于燕山期。第139页，课件共167页，创作于2023年2月时间上的不均匀性（2）世界各大陆不同地史时期成矿元素变化规律:前寒武主要成矿元素：Pt、Fe、Ni、Co、Au、U、及亲铁元素，大于储量的一半；古生代主要成矿元素：U、Pb、Co、Ni、Pt族，次为W、Sn、Mo、Hg；中生代主要成矿元素：W、Sn、Au、Sb新生代主要成矿元素：Hg、Mo、Cu、Pb、Sb第140页，课件共167页，创作于2023年2月空间上的不均匀性与地幔物质的熔融、分异及易熔物质的析出有关1）在极地和高纬度地区，地幔物质分异较差，通常花岗岩类岩石少，硅铝层薄，火山作用主要表现为超基性岩及基性喷出岩，主要内生矿床多为：Cr、Fe、Ni、Pt族，2)中低纬度地区分异明显，硅铝层厚，花岗岩广布，火山作用强烈，构造活动强烈，主要内生矿床多为亲石和亲铜元素，如：W、Sn、Mo、Cu、Pb、Zn、Ag等。第141页，课件共167页，创作于2023年2月地壳丰度的反偶数规则在地壳的元素丰度中，偶数规则对有些元素来说遭到了破坏，如：3Li>4Be<5B12Mg<13Al15P>16S23V>24Cr<25Mn73Ta>74W31Ga>32Ge<33As>34Se<35Br40Zr<41Nb>42Mo51Sb>52Te<53I第142页，课件共167页，创作于2023年2月地壳丰度的反偶数规则为解释上述违反偶数规则的丰度特征，黎彤1982年提出以下解释：1）根据地壳是地球的产物这个基本事实，求地壳与地球相对丰度的丰度系数：（R1/R2），R1为地壳丰度，R2为地球丰度，并取丰度系数的对数Lg（R1/R2）表示丰度的增减率：第143页，课件共167页，创作于2023年2月地壳丰度的反偶数规则SI原子Lg（R1/R2）=0Lg（R1/R2）>0，表示它们在地壳内丰度相对增加Lg（R1/R2）<0，表示它们在地壳内丰度相对减少。增减率的大小，反映丰度相对增加或相对减少的程度第144页，课件共167页，创作于2023年2月地壳丰度的反偶数规则2）增减率曲线，具有许多与地壳丰度曲线相反的特征，占据增减率曲线峰位的许多元素，主要的不是偶数元素，而是奇数元素。这种规律性正好与偶数规则相反，而且对偶数规则起着不同程度的破坏作用，称之为反偶数规则。3）偶数规则与反偶数规则的出现，具有完全不同的自然条件和形成过程，偶数规则形成于>107K的温度条件下的热核反应，在宇宙丰度中表现得最完善，并可用核稳定理论来阐明。第145页，课件共167页，创作于2023年2月地壳丰度的反偶数规则4）反偶数规则，形成于<2000K温度条件下的地球化学分异（尤其是岩浆分异）的产物，它遵从着晶体化学和热力学的原理，在地壳的形成和演化过程中，大量亲中性岩元素和亲酸性岩元素（按费尔斯曼分类术语），其中包括许多Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ和Ⅶ族的奇数原子序数的元素，高度富集在地壳的硅铝层中，因而导致反偶数规则的出现和对偶数规则的破坏。第146页，课件共167页，创作于2023年2月地壳丰度的反偶数规则反偶数规则的出现，是地球化学演化的结果。第147页，课件共167页，创作于2023年2月地壳丰度的反偶数规则但是，并非所有符合反偶数规则的元素都会引起偶数规则的破坏，因为偶数规则的破坏，不仅取决于奇数原子序数