地球化学基础课件第二章.ppt

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1、第第二二章章自然体系中元素的分布自然体系中元素的分布一一.自然体系（地球化学体系）自然体系（地球化学体系）按照地球化学的观点，我们将所要按照地球化学的观点，我们将所要研研究的对象究的对象看作是一个看作是一个地球化学体系地球化学体系。地球化学体系的特点是：地球化学体系的特点是：（1 1）有一定的空间；有一定的空间；（2 2）一定的物理化学条件下（温度、压一定的物理化学条件下（温度、压力、力、pHpH、EhEh等等）,处于特定的物理化学处于特定的物理化学状态；状态；（3 3）有一定的时间连续性。有一定的时间连续性。地球化学体系可大可小：一个地球化学体系可大可小：一个矿物或岩石单位矿物或岩石单位可看

2、作是一个地球可看作是一个地球化学体系；一个化学体系；一个区域或地壳、地球、区域或地壳、地球、太阳系太阳系，甚至，甚至整个宇宙整个宇宙也可看作是也可看作是一个地球化学体系，都可作为一个一个地球化学体系，都可作为一个地球化学的研究对象。地球化学的研究对象。二二.复杂系统及其组成研究方复杂系统及其组成研究方法法复杂系统复杂系统:多元（有多元（有内部结构内部结构）组成，系统内）组成，系统内组成组成不均一不均一。确定系统组成的方法确定系统组成的方法：a.a.直接采样直接采样;b.b.光谱分析光谱分析;c.c.由物质的物理由物质的物理性质与成分的对应关系进行推测。性质与成分的对应关系进行推测。估算系统总体

3、化学组成的方法：估算系统总体化学组成的方法：a.a.用用主体主体代表整体（如用太阳的组代表整体（如用太阳的组成代表太阳系）；成代表太阳系）；b.b.在已知各部分成分后，由各部分在已知各部分成分后，由各部分组成组成加权平均加权平均求整体化学组成（如用求整体化学组成（如用上中下地壳组成求整体地球的化学组上中下地壳组成求整体地球的化学组成）；成）；c.c.在在拟定模型拟定模型的基础上，求系统的的基础上，求系统的化学组成（如用陨石对比法求地球的化学组成（如用陨石对比法求地球的化学组成）。化学组成）。三、元素的丰度、分布与分配三、元素的丰度、分布与分配 1 1、分布与丰度分布与丰度 体系中元素的含量通常

4、指元素相对含量体系中元素的含量通常指元素相对含量的平均值。的平均值。“丰度丰度”即元素在一个体系中即元素在一个体系中的相对含量的相对含量,又称为元素在体系中的又称为元素在体系中的“分布分布”。体系中元素的体系中元素的丰度值丰度值只反映元素分布的只反映元素分布的一个特征，即元素在体系中分布的趋近倾一个特征，即元素在体系中分布的趋近倾向（平向（平均值均值）。实际上，元素在体系）。实际上，元素在体系空间空间上的分布是不均一上的分布是不均一的，在较大的体系中这的，在较大的体系中这一特征往往更显著。也就是说一特征往往更显著。也就是说分布分布还应反还应反映元素在体系中的映元素在体系中的离散程度离散程度。2

5、 2、分布与分配的关系分布与分配的关系：分布是分布是整体整体，分配，分配是是局部局部.分布分布 :是指元素在研究体系中（太阳、陨石、地是指元素在研究体系中（太阳、陨石、地球、地壳、地区等）的球、地壳、地区等）的总体平均总体平均含量。含量。分配分配 :指的是元素在研究体系中指的是元素在研究体系中各部分各部分或各区段或各区段中的含量。中的含量。绝对含量单位绝对含量单位相对含量单位相对含量单位T吨吨0/0百分之百分之.10-2Kg千克千克0/00千分之千分之.10-3g克克mg毫克毫克 g()微克微克ppm,/g,g/g,g/T,百万分之百万分之10-6ng毫微克毫微克ppb,ng/g,十亿分之十亿

6、分之10-9pg微微克微微克ppt,pg/g万亿分之万亿分之10-12四四.地球化学研究中常用的含量单位地球化学研究中常用的含量单位1.1.元素丰度是每一个地球化学元素丰度是每一个地球化学体系的基本数据体系的基本数据 可在同一体系或不同体系中用元素的含量可在同一体系或不同体系中用元素的含量值来进行比较，通过值来进行比较，通过纵向（时间）纵向（时间）、横向（空横向（空间）间）上的比较，了解元素上的比较，了解元素动态动态情况，从而建立情况，从而建立起元素起元素集中、分散、迁移活动集中、分散、迁移活动等一些地球化学等一些地球化学概念。概念。人类在探索和了解元素丰度这一课题时人类在探索和了解元素丰度这

7、一课题时建立建立了近代地球化学。了近代地球化学。举例来加深对元素丰度意义的理解！举例来加深对元素丰度意义的理解！五五.研究元素丰度的意义研究元素丰度的意义时间尺度：时间尺度：IrIr 元素丰度在元素丰度在K/EK/E界线上的突变，意味着什么？界线上的突变，意味着什么？空间尺度：空间尺度：在世界各地在世界各地K/EK/E界面上界面上IrIr 元素丰度亦有相似的变异，元素丰度亦有相似的变异，这示踪着什么？这示踪着什么？：18O,13C突变突变Ir(10-9)实例实例西班牙西班牙BarrancodelGrederoK/E剖面剖面Ir含量的变化含量的变化2.2.研研究究元元素素丰丰度度也也是是地地球球

8、科科学学基基础础理理论论问题的重要素材之一。问题的重要素材之一。宇宙天体是怎样起源的？宇宙天体是怎样起源的？地球又是如何形成的？地球又是如何形成的？生命是怎样产生和演化的？生命是怎样产生和演化的？.这些都离不开元素丰度、分布的研究。这些都离不开元素丰度、分布的研究。本章学习的核心目标本章学习的核心目标1 1、从从前前人人研研究究资资料料中中认认识识各各地地球球化学体系中元素分布的特征和规律；化学体系中元素分布的特征和规律；2 2、了解获得这些资料的指导思想了解获得这些资料的指导思想和途径。和途径。1 1 元素在太阳系中的分布规律元素在太阳系中的分布规律陨石是从星际空间降落到地球表面上来的行星物

9、体陨石是从星际空间降落到地球表面上来的行星物体的碎片。陨石是空间化学研究的重要对象，具有重要的的碎片。陨石是空间化学研究的重要对象，具有重要的研究意义：研究意义：它是认识宇宙天体、行星的成分、性质它是认识宇宙天体、行星的成分、性质及其演化的最易获取、数量最大的及其演化的最易获取、数量最大的地外物地外物质质；也是认识地球的组成、内部构造和起源也是认识地球的组成、内部构造和起源的主要资料来源；的主要资料来源；一、陨石的化学成分一、陨石的化学成分陨石中的陨石中的60多种多种有机化合物有机化合物是非生是非生物合成的物合成的“前生物物质前生物物质”，对探索生，对探索生命前期的化学演化开拓了新的途径；命前

10、期的化学演化开拓了新的途径；可作为某些元素和同位素的可作为某些元素和同位素的标准样标准样品品（稀土元素，铅、硫同位素。如美（稀土元素，铅、硫同位素。如美国国CanyonDiable铁陨石铁陨石中的中的Pb、S同同位素组成，已经作为位素组成，已经作为地球初始地球初始Pb同位同位素组成和碳同位素的标准样品素组成和碳同位素的标准样品）。）。1.1.陨石类型陨石类型 陨陨石石主主要要是是由由镍镍-铁铁合合金金、结结晶晶硅硅酸酸盐盐或或两两者者的的混混合合物物所组成，按成份分为三类：所组成，按成份分为三类：1 1）铁铁陨陨石石（sideritesiderite）主主要要由由金金属属Ni,Ni,FeFe（

11、占占98%98%）和和少少量其他元素组成（量其他元素组成（Co,S,P,Cu,Cr,CCo,S,P,Cu,Cr,C等）。等）。2 2）石石陨陨石石（aeroliteaerolite）主主要要由由硅硅酸酸盐盐矿矿物物组组成成（橄橄榄榄石石、辉石）。辉石）。据据是否含有球粒硅酸盐结构是否含有球粒硅酸盐结构 球粒陨石球粒陨石 无球粒陨石无球粒陨石 球球粒粒陨陨石石又又进进一一步步分分为为石石质质球球粒粒陨陨石石和和炭炭质质球球粒粒陨陨石石两两类，以前者为主，后者稀少。类，以前者为主，后者稀少。炭炭质质球球粒粒陨陨石石的的特特征征：由由碳碳的的有有机机化化合合分分子子和和含含水水硅硅酸酸盐盐组组成成。

12、其其数数量量虽虽稀稀少少，但但却却具具有有特特殊殊的的研研究究意意义义，主主要要表现在：表现在：探讨探讨生命起源生命起源；代代 表表 太太 阳阳 星星 云云 平平 均均 化化 学学 成成 分分（AllendeAllende 炭炭质质球球粒粒陨陨石石的的元元素素丰丰度度几几乎乎与与太太阳阳中中观观察察到到的的非非挥挥发发性性元元素素丰度完全一致）。丰度完全一致）。3)3)铁铁-石石陨陨石石（sidrolitesidrolite）由由数数量量上上大大体体相相等等的的FeFe、NiNi和和硅硅酸酸盐盐矿矿物物组组成成（过渡类型）。（过渡类型）。陨陨石石的的主主要要矿矿物物组组成成：FeFe、Ni N

13、i 合合金金、橄橄榄榄石石、辉辉石石等等。陨陨石石中中共共发发现现140140种种矿矿物物，其其中中3939种种在在地地球球（地地壳壳浅浅部部）上上未未发发现现过过。例例如如 褐褐硫硫钙钙石（石（CaSCaS），陨硫铁（，陨硫铁（FeSFeS）。）。这是为什么？还原环境这是为什么？还原环境 2.陨石的平均化学成分陨石的平均化学成分 要计算陨石的平均化学成分必须要解决两个问题：要计算陨石的平均化学成分必须要解决两个问题：首先要了解各种陨石的平均化学成分；首先要了解各种陨石的平均化学成分；其其次次要要统统计计各各类类陨陨石石的的比比例例。（V.M.GoldschmidtV.M.Goldschmid

14、t 采用硅酸盐：镍采用硅酸盐：镍-铁：陨硫铁铁：陨硫铁=10=10：2 2：1 1）其平均成分计算结果如下：其平均成分计算结果如下：元素元素OFeSiMgSNiAl%32.3028.8016.3012.302.121.571.38CaNaCrMnKTiCoP1.330.600.340.210.150.130.120.113.3.研究陨石的新进展研究陨石的新进展 地外物体（陨石、小行星）撞击地球，将突然改变地外物体（陨石、小行星）撞击地球，将突然改变地表的生态、环境地表的生态、环境,诱发大量生物灭绝，构成了地球演诱发大量生物灭绝，构成了地球演化史中频繁而影响深远的灾变事件，为此化史中频繁而影响深

15、远的灾变事件，为此,对探讨生态对探讨生态环境变化、古生物演化和地层划分均具重要的意义。环境变化、古生物演化和地层划分均具重要的意义。（1 1）撞击坑和玻璃陨石（柯石英、超石英及冲击玻璃撞击坑和玻璃陨石（柯石英、超石英及冲击玻璃）（2 2）生态环境灾变与生物灭绝地球化学证据（生态环境灾变与生物灭绝地球化学证据（E/KE/K、T/PT/P）（3 3）预测与防止（陨石、小行星撞击事件）预测与防止（陨石、小行星撞击事件）（4 4）陨石中有机质陨石中有机质:研究研究生命前期生命前期有机质形成和演化，有机质形成和演化，探索探索地球生命物质起源地球生命物质起源。铁陨石铁陨石陨石坑陨石坑二、太阳系元素丰度规律

16、1 1获得太阳系元素丰度资料的主要途径：获得太阳系元素丰度资料的主要途径：太太阳阳、恒恒星星、星星际际介介质质和和星星系系元元素素丰丰度度的的光光谱谱与射电测定；与射电测定；地地球球、月月球球、陨陨石石、宇宇宙宙尘尘埃埃样样品品的的实实验验室室精精细分析和广泛的测定；细分析和广泛的测定；利利用用空空间间探探测测器器对对行行星星大大气气、表表层层土土壤壤和和岩岩石石成分的分析；（探路者号、火星）成分的分析；（探路者号、火星）太阳风、宇宙线成分测定等太阳风、宇宙线成分测定等 估估算算太太阳阳系系元元素素丰丰度度时时，各各个个学学者者选选取取太太阳阳系系的的物体是不同的物体是不同的.19891989

17、年，年，Anders Anders 发表了太阳系元素发表了太阳系元素和核素最新资料如下：和核素最新资料如下：表表2 21 1太阳系元素丰度太阳系元素丰度（10106 6 SiSi原子原子）（数据表示每（数据表示每106个硅原子中该元素的原子数）个硅原子中该元素的原子数）这是一种估计值，是反映人类当前对太阳系这是一种估计值，是反映人类当前对太阳系的认识水平。的认识水平。它反映了元素在太阳系分布的总体规律。它反映了元素在太阳系分布的总体规律。元素元素1H2He3Li.Andersetal.(1989)2.7910102.7210957.1资料来源资料来源Abundancesoftheelement

18、:Meteoriticandsolar,Cosmochim.Acta,1989,53(1),198-200把太阳系元素丰度的数值取对数把太阳系元素丰度的数值取对数lgC作纵坐标，原子序数（作纵坐标，原子序数（Z）作横坐标作横坐标。2、太阳系元素丰度规律1)1)在所有元素中在所有元素中H,HeH,He占绝对优势占绝对优势,H,H占占90%,90%,HeHe占占8%8%。2 2）太阳系元素的太阳系元素的丰度随着原子序数丰度随着原子序数（Z）的增的增大而减少大而减少，曲线开始下降很陡，以后逐渐变曲线开始下降很陡，以后逐渐变缓。在原子序数大于缓。在原子序数大于4545的重元素范围内，丰的重元素范围内，

19、丰度曲线近于水平，丰度值几乎不变。度曲线近于水平，丰度值几乎不变。3 3）偶序数元素的丰度偶序数元素的丰度（）大于相邻奇序数元大于相邻奇序数元素的丰度素的丰度（），这一规律称之为这一规律称之为OddoOddo-HarkinsHarkins（奥多奥多-哈金斯）法则。哈金斯）法则。4 4）与以上的规律相比，与以上的规律相比，Li,Be,B,ScLi,Be,B,Sc具有与它们具有与它们原子序数不相称的原子序数不相称的低低丰度，在较轻元素中丰度，在较轻元素中亏损亏损；而而OO和和FeFe呈明显的峰值，其丰度显著偏呈明显的峰值，其丰度显著偏高高，为，为过过剩剩元素。元素。5 5）原子序数或中子数为原子序

20、数或中子数为“幻数幻数”（2 2、8 8、2020、5050、8282和和128128等）的核素分布最广，丰度最大。如：等）的核素分布最广，丰度最大。如：4 4HeHe（Z=2,N=2),Z=2,N=2),1616O(Z=8,N=8),O(Z=8,N=8),4040Ca(Z=20,Ca(Z=20,N=20)N=20)等。等。这这些些规规律律是是表表象象，其其原原因因是是什什么么？与与元元素素本本身身原原子结构有关、子结构有关、与元素形成的整个过程有关。与元素形成的整个过程有关。自学思考题自学思考题：（1 1）为什么太阳系中只有前为什么太阳系中只有前1010种元素起主导作用？种元素起主导作用？（

21、2 2）为什么太阳系元素丰度随元素序数增加而逐渐降低？为什么太阳系元素丰度随元素序数增加而逐渐降低？（3 3）Li,Li,Be,Be,B B的的丰丰度度为为什什么么会会亏亏损损？（参参考考书书：陨陨石石、地球、太阳系地球、太阳系 法法 阿莱格尔，地质出版社）阿莱格尔，地质出版社）三三 、地球的结构和化学成分地球的结构和化学成分 (自学）自学思考题：自学思考题：（1 1）地球各层圈元素丰度特征？地球各层圈元素丰度特征？（2 2）地球中元素的分异是如何造成的？地球中元素的分异是如何造成的？22地壳元素的丰度地壳元素的丰度研究地壳元素丰度是地球化学的一项重要的基础任务。研究地壳元素丰度是地球化学的一

22、项重要的基础任务。地壳丰度是地球各层圈中研究最详细和较正确的。地壳丰度是地球各层圈中研究最详细和较正确的。一一、地壳元素丰度确定的方法地壳元素丰度确定的方法1.1.早期克拉克计算法早期克拉克计算法：是由美国是由美国F.W.ClarkeF.W.Clarke和和H.S.WashingtonH.S.Washington于于19241924年年发表的地球化学资料中计算出来的。发表的地球化学资料中计算出来的。他们的思路是在地壳上部他们的思路是在地壳上部1616公里范围内（最公里范围内（最高的山脉和最深海洋深度接近高的山脉和最深海洋深度接近1616公里）分布着公里）分布着95%95%的岩浆岩，的岩浆岩，4

23、%4%的页岩，的页岩，0.75%0.75%的砂岩，的砂岩，0.25%0.25%的灰岩，而这的灰岩，而这5%5%沉积岩也是岩浆岩派生沉积岩也是岩浆岩派生的，因此认为岩浆岩的平均化学成分实际上可的，因此认为岩浆岩的平均化学成分实际上可以代表地壳的平均化学成分。以代表地壳的平均化学成分。作法：作法：在在世世界界各各大大洲洲和和大大洋洋岛岛屿屿采采集集了了51595159个个不不同同岩岩浆浆岩岩样样品品，其其样样品品的的数数量量相相当当于于这这些些样样品品在在地地球球表面分布面积的比例；表面分布面积的比例；对对5353种元素进行了定量的化学分析；种元素进行了定量的化学分析；采采用用岩岩石石圈圈、水水圈

24、圈、大大气气圈圈的的质质量量比比值值为为93%93%、7%7%、0.03%;0.03%;计算时用算术平均求出整个地壳的平均值。计算时用算术平均求出整个地壳的平均值。意义：意义：开开创创性性的的工工作作，为为地地球球化化学学发发展展打打下下了了良良好好的的基基础；础；代表陆地区域岩石圈成分，其数据至今仍有参考代表陆地区域岩石圈成分，其数据至今仍有参考价值。价值。2 2简化研究法（取巧研究法）：简化研究法（取巧研究法）：1 1）GoldschmidtGoldschmidt采集了挪威南部冰川成因粘采集了挪威南部冰川成因粘土（土（7777个样）用其成分代表岩石圈平均化学个样）用其成分代表岩石圈平均化学

25、成分，其结果与克拉克的结果相似，但对微成分，其结果与克拉克的结果相似，但对微量元素的丰度做了大量补充和修订。量元素的丰度做了大量补充和修订。2)2)维维诺诺格格拉拉多多夫夫（19621962）岩岩石石比比例例法法是是以以两两份份酸酸性性岩岩加加一一份份基基性性岩岩来来计计算算地地壳壳平平均均化化学学成分。成分。3 3）S SR R泰勒泰勒（19641964、19851985）用太古宙后页）用太古宙后页岩平均值扣除岩平均值扣除20%20%计算上部陆壳元素丰度计算上部陆壳元素丰度 3 3按照地壳模型加权法：按照地壳模型加权法：A.A.波波德德瓦瓦尔尔特特（A.PolderraatA.Polderr

26、aat）和和A.BA.B罗罗诺诺夫夫(A.B.POHOB)(A.B.POHOB)及及我我国国黎黎彤彤教教授授采采用用地地壳壳模模型型加加权法计算地壳元素丰度。权法计算地壳元素丰度。优点：优点：按现代地壳结构模型计算；按现代地壳结构模型计算；包括包括2/32/3以上大洋地壳；以上大洋地壳；考虑了地壳物质随深度变化的特征。考虑了地壳物质随深度变化的特征。尽管各家采用的计算方法不同，但所得的地壳尽管各家采用的计算方法不同，但所得的地壳主要元素的估计值还是相互接近的，这充分说主要元素的估计值还是相互接近的，这充分说明，其估计值是比较精确的。明，其估计值是比较精确的。二、地壳元素的丰度特征1 1地地壳壳

27、中中元元素素的的相相对对平平均均含含量量是是极极不不均均一一的的，丰丰度度最最大大的的元元素素是是O O：47%47%，比比丰丰度度最最小小的的元元素素RnRn为为610610-16-16相差达相差达10101717倍。相差十分悬殊。倍。相差十分悬殊。O O SiSi Al Fe Ca Na K Mg Ti Al Fe Ca Na K Mg Ti前五种前五种:82.58%82.58%前九种前九种:98.13%98.13%前十五种元素占前十五种元素占99.61%,99.61%,其余元素仅占其余元素仅占0.39%0.39%这表明：地壳中只有少数元素在数量上起决定这表明：地壳中只有少数元素在数量上起

28、决定作用，而大部分元素居从属地位。作用，而大部分元素居从属地位。地壳中元素原子克拉克值（对数值）与原子序数曲线地壳中元素原子克拉克值（对数值）与原子序数曲线（粗线表示偶原子序数的元素，细线为奇原子序数的元素粗线表示偶原子序数的元素，细线为奇原子序数的元素）2.2.从图上可以看出随着原子序数的增大，从图上可以看出随着原子序数的增大，元素丰度曲线下降。与太阳系元素分布元素丰度曲线下降。与太阳系元素分布规律相似；偶数元素丰度大于相邻奇数规律相似；偶数元素丰度大于相邻奇数元素丰度。但这些规律不如太阳系元素元素丰度。但这些规律不如太阳系元素丰度曲线所反应的规律那么明显。丰度曲线所反应的规律那么明显。这说

29、明地壳元素丰度与太阳系元素丰这说明地壳元素丰度与太阳系元素丰度特征既有统一性又有区别。度特征既有统一性又有区别。3.3.对比地壳、整个地球和太阳系元素丰度数对比地壳、整个地球和太阳系元素丰度数据发现，它们在元素丰度的排序上有很大据发现，它们在元素丰度的排序上有很大的不同：的不同：太阳系：太阳系：HHeONeNCSiMgFeS地球：地球：FeOMgSiNiSCaAlCoNa地壳：地壳：OSiAlFeCaNaKMgTiH现象：现象：与太阳系或宇宙相比，与太阳系或宇宙相比，地壳和地球都地壳和地球都明显地贫明显地贫H,He,H,He,NeNe,N,N等气体元素等气体元素；为什么为什么？而地壳与整个地球

30、相比，而地壳与整个地球相比，则明显贫则明显贫FeFe和和MgMg，同时富集同时富集Al,KAl,K和和NaNa，这种差这种差异说明什么呢？异说明什么呢？原因：原因：由宇宙化学体系形成地球的演化（核化学）由宇宙化学体系形成地球的演化（核化学）过程中必然伴随着过程中必然伴随着气态元素的逃逸。气态元素的逃逸。而地球原始的化学演化（电子化学）具而地球原始的化学演化（电子化学）具体表现为体表现为较轻易熔较轻易熔的碱金属铝硅酸盐在地的碱金属铝硅酸盐在地球表层富集，而球表层富集，而较重的难熔较重的难熔镁、铁硅酸盐镁、铁硅酸盐和金属铁则向深部集中。和金属铁则向深部集中。总之，总之，现今地壳中元素丰度特征是由现

31、今地壳中元素丰度特征是由元素起源直到太阳系、地球、（地元素起源直到太阳系、地球、（地壳）的形成和存在至今这一段漫长壳）的形成和存在至今这一段漫长时期内元素演化历史的最终结果时期内元素演化历史的最终结果。4.地壳中元素丰度不是固定不变的，它是地壳中元素丰度不是固定不变的，它是不断变化的不断变化的开放体系。开放体系。地球表层地球表层H,He等气体元素逐渐脱离等气体元素逐渐脱离 地球重力场；地球重力场；每天降落到地球表层的地外物质每天降落到地球表层的地外物质102105吨；吨；地壳与地幔的物质交换；地壳与地幔的物质交换；放射性元素衰变；放射性元素衰变；人为活动的干扰。人为活动的干扰。三、地壳元素丰度

32、研究的意义元素地壳丰度“元素克拉克值”是地球化学中一个很重要的基础数据。它确定了地壳中各种地球化学作用过程的总背景。它是衡量元素集中、分散及其程度的标尺，本身也是影响元素地球化学行为的重要因素。1.1.控制元素的地球化学行为控制元素的地球化学行为1）支配元素的地球化学行为）支配元素的地球化学行为 丰度丰度地球化学作用浓度地球化学作用浓度 支配行为。支配行为。例如：例如：（丰丰度度高高）K,Na天天然然水水中中高高浓浓度度形形成成各各种种独独立立矿矿物物（盐类矿床）（盐类矿床）（丰丰度度低低）Rb,Cs天天然然水水中中极极低低浓浓度度不不能能形形成成各各种种独独立矿物，呈立矿物，呈分散状态分散状

33、态碱金属元素碱金属元素化学性质相似化学性质相似2）限定自然界的矿物种类及种属）限定自然界的矿物种类及种属实验室条件下：化合成数十万种化合物。实验室条件下：化合成数十万种化合物。自然界：自然界：只只有有3000多多种种矿矿物物。矿矿物物种种属属有有限限（其其中中，硅硅酸酸盐盐矿矿物物占占25.5%；氧氧化化物物、氢氢氧氧化化物物12.7%；其其他他含含氧氧酸酸盐盐23.4%；硫硫化化物物、硫硫酸酸盐盐24.7%；卤卤化化物物5.8%；自自然然元元素素4.3%；其它；其它3.3%。）为什么？因为地壳中为什么？因为地壳中O,O,SiSi,Al,Fe,K,Na,Ca,Al,Fe,K,Na,Ca等元等元

34、素丰度最高，浓度大，容易达到形成独立矿物的素丰度最高，浓度大，容易达到形成独立矿物的条件。（酸性岩浆岩的造岩矿物总是长石、石英、条件。（酸性岩浆岩的造岩矿物总是长石、石英、云母、角闪石为主）。云母、角闪石为主）。自然界浓度低的元素很难形成独立矿物。自然界浓度低的元素很难形成独立矿物。硒酸锂：硒酸锂：LiLi2 2SeOSeO4 4 硒酸铷：硒酸铷：RbRb2 2SeOSeO4 4 但也有例外：但也有例外：“BeBe”元素地壳丰度很低，却可元素地壳丰度很低，却可形成：形成：BeBe3 3AlAl2 2SiSi6 6OO1818（绿柱石）绿柱石）3)限制了自然体系的状态限制了自然体系的状态实验室条

35、件下：对体系赋予不同物理化学状态实验室条件下：对体系赋予不同物理化学状态自然界：体系的状态受到限制，其中的一个重要的自然界：体系的状态受到限制，其中的一个重要的因素就是元素丰度的影响因素就是元素丰度的影响O2（游离氧）游离氧）氧化还原环境氧化还原环境H+(pH)溶液的酸碱度溶液的酸碱度4）对元素亲氧性和亲硫性的限定）对元素亲氧性和亲硫性的限定在地壳在地壳O丰度高，丰度高，S丰度低环境下，丰度低环境下，Ca元素显然是元素显然是亲氧的。亲氧的。在地幔，陨石缺在地幔，陨石缺O富富S环境，能形成环境，能形成CaS（褐硫钙石）褐硫钙石）2.地壳克拉克值可作为微量元素集中、分散地壳克拉克值可作为微量元素集

36、中、分散的标尺的标尺。1）可以为阐明地球化学省（场）特征提供标准。）可以为阐明地球化学省（场）特征提供标准。资源资源：Mo地壳丰度地壳丰度110-6，东秦岭，东秦岭Mo区域丰度区域丰度2.310-6，Mo的地球化学省。的地球化学省。环境：环境：克山病病区：土壤有效克山病病区：土壤有效Mo、饮水饮水Mo含量、含量、主食中主食中Mo含量普遍低于地壳背景，导致含量普遍低于地壳背景，导致人体人体Mo低水平。低水平。2）指示特征的地球化学过程）指示特征的地球化学过程某些元素克拉克比值是相对稳定的，当发现这些元某些元素克拉克比值是相对稳定的，当发现这些元素比值发生了变化，示踪着某种地球化学过程的发生。素比

37、值发生了变化，示踪着某种地球化学过程的发生。稀土元素稀土元素、比值比值Th/U（3.33.5）、）、K/Rb、Zr/Hf、Nb/Ta在地壳环境下，性质相似，难以彼此分离，有在地壳环境下，性质相似，难以彼此分离，有相对稳定的比值。相对稳定的比值。一旦某地区、某地质体中的某元素组比值偏离了地一旦某地区、某地质体中的某元素组比值偏离了地壳正常比值，示踪着某种过程的发生。壳正常比值，示踪着某种过程的发生。Th/U2铀矿化铀矿化Th/U8-10钍矿化钍矿化3)浓度克拉克值和浓集系数浓度克拉克值和浓集系数 1意味该元素在地质体中集中了意味该元素在地质体中集中了1意味该元素在地质体中分散了意味该元素在地质体

38、中分散了反映了元素在地壳中倾向于集中的能力。反映了元素在地壳中倾向于集中的能力。Sb浓集系数浓集系数:25000;Hg:14000;Fe:63.地壳丰度对地壳能源的限制地壳丰度对地壳能源的限制地壳能源地壳能源太阳能太阳能放射性元素衰变放射性元素衰变能能四四 、地壳元素分布的不均一性地壳元素分布的不均一性整个地球元素分布是不均匀的，地壳也是一样，地壳整个地球元素分布是不均匀的，地壳也是一样，地壳元素的分布不论在空间上及时间上都是不均一的（这元素的分布不论在空间上及时间上都是不均一的（这与地壳，乃至于地幔物质分异的整体过程联系起来）。与地壳，乃至于地幔物质分异的整体过程联系起来）。1.空间上分布的

39、不均一性空间上分布的不均一性垂向深度（陆壳）垂向深度（陆壳）：上下地壳元素丰度的不均匀性：上下地壳元素丰度的不均匀性：上地壳：上地壳：0-812KM偏酸性火成岩、沉积岩偏酸性火成岩、沉积岩下地壳：下地壳：812KM-莫霍面莫霍面麻粒岩、玄武岩麻粒岩、玄武岩Ri=上地壳元素丰度上地壳元素丰度/下地壳元素丰度下地壳元素丰度Ri 1:Ca,Si,Zr,Nd,Pb等。等。Ri1:Cl,C,Cs,K,Rb,U,Th,Bi,Tl,Nb等。等。反映了地壳物质在分异调整过程中的宏观趋势。反映了地壳物质在分异调整过程中的宏观趋势。横向分布横向分布：大陆地壳和海洋地壳的不均一性大陆地壳和海洋地壳的不均一性洋洋壳壳

40、：占占地地球球表表面面60%以以上上，厚厚5-16KM，它它们们的的化化学学成成分分与与地地幔幔物物质质相相似似，以以镁镁、铁铁硅硅酸酸盐盐为为主主，主主要要分布着分布着Cr,Fe,Ni,Pt等亲铁元素。等亲铁元素。陆陆壳壳：占占地地球球表表面面30%，厚厚30-50KM，它它们们的的化化学学成成分分由由铝铝、钾钾硅硅酸酸盐盐组组成成，主主要要分分布布着着亲亲氧氧及及亲亲硫硫元元素素W，Sn，Mo,Cu,Pb,Zn,Ag等。等。陆壳内陆壳内：板块间、区域间、地质体间、岩石间、矿物：板块间、区域间、地质体间、岩石间、矿物间元素分布不均一性。间元素分布不均一性。2.时间上地壳元素分布的不均一性时间

41、上地壳元素分布的不均一性随着地质历史的发展，元素的活动与分布有着明显的随着地质历史的发展，元素的活动与分布有着明显的规律性。规律性。地史早期：地史早期：一些稳定元素在地史早期富集。一些稳定元素在地史早期富集。Au元素：主要产在前寒武纪。元素：主要产在前寒武纪。Fe元素元素:主要产在前寒武纪元古代（前寒武纪变质主要产在前寒武纪元古代（前寒武纪变质铁矿占世界铁矿储量铁矿占世界铁矿储量60%）。）。地史晚期：地史晚期：一些活泼的不稳定元素向着地史晚期富集。一些活泼的不稳定元素向着地史晚期富集。W元素：钨成矿作用高峰期在中生代（燕山期）元素：钨成矿作用高峰期在中生代（燕山期）（Sn,Nb,Ta等）等）

42、世界部分大陆（北美、南非、印度）不同地世界部分大陆（北美、南非、印度）不同地史时期成矿元素变化规律史时期成矿元素变化规律:前寒武纪：前寒武纪：Pt,Fe,Ni,Co,Au,U(占这些占这些元素储元素储量量50%以上以上);古生代古生代:U,Pb,Co,Ni,Pt,其次为其次为W,Sn,Mo,Pb,Zn,Hg等等;中生代中生代:W,Sn,Ag,Sb等等;新生代新生代:Hg,Mo,Cu,Pb,Zn等。等。3 具体区域元素丰度的研究1 1 它是决定区域地壳（岩石圈）体系的物源、物理化学它是决定区域地壳（岩石圈）体系的物源、物理化学特征的重要基础数据；特征的重要基础数据；2 2 为研究各类地质、地球化

43、学作用、分析区域构造演化为研究各类地质、地球化学作用、分析区域构造演化历史及区域成矿规律提供重要的基础资料；历史及区域成矿规律提供重要的基础资料；3 3 为研究区域生态环境，为工业、农业、畜牧业、医疗为研究区域生态环境，为工业、农业、畜牧业、医疗保健等事业提供重要信息。保健等事业提供重要信息。一、区域元素丰度研究的意义1 区域范围的确定（靶区的选择）：根据工作任务和性区域范围的确定（靶区的选择）：根据工作任务和性质来确定；质来确定；区域成矿规律研究：长江中下游区域地球化学研究为区域成矿规律研究：长江中下游区域地球化学研究为例。例。一定的成矿区、带一定的成矿区、带特定的地球化学过程特定的地球化学

44、过程某些元素的特色分布某些元素的特色分布地球化学分区。地球化学分区。2尽可能全面收集前人的地质、地球化学资料，总结前人尽可能全面收集前人的地质、地球化学资料，总结前人认识、找出工作焦点。认识、找出工作焦点。二、二、区域元素丰度研究的思路区域元素丰度研究的思路3了了解解元元素素的的空空间间分分布布规规律律（二二维维、三三维维空空间间岩岩石石圈圈）需需要要样样品品在在空空间间上上要要有有代代表表性性的的展展布布，再再通通过过统统计计方方法法来来研研究究区区域域内内元元素素丰丰度度分分布布态态势。势。4 了解元素在时间上分布规律了解元素在时间上分布规律沉积岩沉积岩：从老到新地层系统剖面研究和样品分析

45、从老到新地层系统剖面研究和样品分析元素在各时期沉积过程中变化趋势；元素在各时期沉积过程中变化趋势；元元素素在在各各时时期期沉沉积积过过程程中中富富集集地地段段（矿矿源源层层）及及它它们的赋存形式；们的赋存形式；各时期沉积作用的岩相古地理环境。各时期沉积作用的岩相古地理环境。岩浆岩：岩浆岩：建立岩浆活动的时间序列，研究元素随时间建立岩浆活动的时间序列，研究元素随时间演化趋势。演化趋势。前加里东期前加里东期基性火山岩基性火山岩（变质为斜长角闪岩）（变质为斜长角闪岩）安山岩、安山玢岩安山岩、安山玢岩加里东期加里东期辉绿岩、辉绿岩、辉长辉绿岩辉长辉绿岩燕山期燕山期花岗闪长岩、花岗闪长岩、花岗斑岩、花岗

46、斑岩、石英斑岩石英斑岩东秦岭钼矿带各期岩浆岩中钼元素丰度变化东秦岭钼矿带各期岩浆岩中钼元素丰度变化提供信息提供信息:东秦岭深源是具富钼的地球化学特征；东秦岭深源是具富钼的地球化学特征；钼元素在中生代燕山期岩浆作用中富集。钼元素在中生代燕山期岩浆作用中富集。5 5 分析元素区域分布的地质分析元素区域分布的地质-地球化学原因地球化学原因 一个地区元素分布现状是整个地质历史过程中元一个地区元素分布现状是整个地质历史过程中元素活动的暂时状况，是各种地质、地球化学作用素活动的暂时状况，是各种地质、地球化学作用的综合结果，每一个作用过程的综合结果，每一个作用过程 特定的元素组合特定的元素组合和强度。和强度

47、。Co,Ni,Cr,V,Ti累加异常累加异常 森林植被覆盖、区域森林植被覆盖、区域土壤地球化学测量；土壤地球化学测量；Co,Ni,Cr,V,TiCo,Ni,Cr,V,Ti累加异累加异常南北迥异，为什么？常南北迥异，为什么？北侧：华北地台，碳北侧：华北地台，碳酸盐岩酸盐岩 南侧：秦岭褶皱系，南侧：秦岭褶皱系，基性火山岩基性火山岩 界线界线-异常急变带异常急变带-黑黑沟断裂带沟断裂带例例1 1：华北地台南缘与秦岭褶皱系北缘界线（豫西段）：华北地台南缘与秦岭褶皱系北缘界线（豫西段）在西安一带是中华民在西安一带是中华民族发祥地之一，周秦汉族发祥地之一，周秦汉唐等十几个王朝建过都唐等十几个王朝建过都 天

48、子墓葬天子墓葬“纳百川，纳百川，容天地容天地”水银（水银（HgSHgS辰辰砂）砂）河流，贵族河流，贵族“涂涂红绘彩红绘彩”。地球化学汞气测量来地球化学汞气测量来确定墓穴空间位置。确定墓穴空间位置。例例2 2：秦始皇的陵墓是否已盗？：秦始皇的陵墓是否已盗？三、元素在岩石和矿物中的分配地壳中元素分布不均匀地壳中元素分布不均匀区域元素分布不均区域元素分布不均由各类岩石、矿物引由各类岩石、矿物引起起各类岩石、矿物中元素含量差别是悬殊的。各类岩石、矿物中元素含量差别是悬殊的。各种岩石类型和组成矿物中元素含量及变化是地球化学研究的出各种岩石类型和组成矿物中元素含量及变化是地球化学研究的出发点。发点。1 各

49、类型岩石中元素的平均含量各类型岩石中元素的平均含量自学自学与与作业作业2岩石中元素在组成矿物间的分配岩石中元素在组成矿物间的分配分配是极不均匀的，受分配是极不均匀的，受元素性质元素性质矿物形成时物理化学条件矿物形成时物理化学条件等因素所控制。查明原因必须要确定各组成矿物中元素的含量。等因素所控制。查明原因必须要确定各组成矿物中元素的含量。进进行共生矿物内元素平均含量的平衡计算。行共生矿物内元素平均含量的平衡计算。平衡计算前获得以下资料：平衡计算前获得以下资料：岩石中元素的含量；岩石中元素的含量；岩石中各矿物的百分含量；岩石中各矿物的百分含量；每种矿物的元素含量。每种矿物的元素含量。例：某花岗岩

50、中各矿物例：某花岗岩中各矿物Nb含量的平衡计算（岩石中含量的平衡计算（岩石中Nb含量含量:1610-6）矿物岩石中矿物的含量（%）矿物中Nb的含量（x10-6）岩石中各矿物Nb含量（x10-6）矿物中Nb含量占岩石中Nb含量的百分比（%）石英34.75/长石长石59.9510.603.75黑云母黑云母5.2820510.8267.63钛铁矿0.00710850.080.50锆石0.00618900.110.69褐帘石0.0043500.010.06褐钇铌矿0.0031461004.3827.37合计10016.00100注意两点：注意两点：尽尽量量包包含含所所有有的的矿矿物物并并精精确确地地测