地球和太阳系的化学组成课件.pptx

1、1.2 地球的结构和化学成分1.2.1 地球的结构和各圈层的成分1.2.2地球元素丰度1.3 地壳的化学组成1.3.1 大陆地壳化学组成的研究方法1.3.2 大陆地壳的结构与组成1.3.3 地壳化学成分和元素克拉克值的地球化学意义 对地球内部结构和组成的了解只能是间接：地球物理 模拟实验，高温高压实验研究成果的支持 天体物质，宇宙化学-陨石 主要是化学组成不同所造成的，Ocean crust is thin(6 km)and is nowhere older than about 200 million.The continental crust is thicker and relative

2、ly permanent.Rigid,(Na,HCO3SO42-Cl-vLake water v湖泊水、沼泽水、内海水v地下水v 地下水主要由大气降水经过土壤和岩层的渗透而形成。v由于地下水所处的土壤和岩层的化学组成不同，因而它们的被溶物质各有不同。又由于不同部位水层之间不易交流，所以其水质成分常多种多样，因地而异。v地下水的基本特点是：v悬浮杂质少；v有机质和细菌少；v受地表污染少；v含盐量高，v浓度变化大，v硬度和矿化度较高。v 地下水的含盐量一般比地表水高数倍。但因其悬浮物少和受地表远染少，故其水质清澈透明。v地下水含盐量常随深度而增大，成分的比例也有变化。地下水中离子浓度一般为vCaN

3、a+，HCO3-SO4+Cl-，v至深部转化为Na+Ca2+，Cl-SO4-HCO3-。v还原性质，常含有低价金属，特别是Fe2+和Mn2+等。温泉水常含有特殊的成分，例如CO2、H2s、CH4、N2等气体及放射性元素。它是由内力地质作用形成的一种特殊的地下水体。v地球水圈的存在，对于风化、沉积作用和生命的衍生具有决定性意义。v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，另一些元素发生聚合、集中。v据统计，世界资源总且的75左右是在水圈中经沉积和沉积变质而生成的。因此，对于水圈地球化学作用的研究，不仅具有理论意义，而且具有重要的经济意义。二、大气

4、圈的成分v分布于岩石圈表面及外部的空气层称为大气圈。v大气圈与星际空间没有明显的界限，大气的密度随距地表高度的增大而渐趋稀薄。v根据大气的组成状况，将大气分为v均匀层(低层大气)v和非均匀层(高层大气)。v100km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。v实际上所测得的大气成分均来自均匀层的下部。（三）、生物圈的成分v 生物圈是地球表部植物、动物和微生物生息活动的空间部分。v在大气圈10km高空，地壳断裂的3km深处都发现有生物存在，v但大量生物则集中分布于地表和水圈上层。与水圈、大气圈比较，生物圈的质量最少。据兰卡马和萨哈马(1940)资料，水圈、大气圈和生物

5、圈的质量比例为6900：300：1。v然而，生物对元素的迁移和转化有重大的作用。v目前已发现生物体内含有60余种元素。综合6000种以上动植物化学成分分析资料得出的生物圈平均化学成分。从中可以看出，0、c、H的总含量(质量分数)多达985，其次是ca、K、si、Mg、P、s等。元素在生命物质中的作用不仅取决于含量多少，还应考虑它们对促进有机体生长的作用。从生物化学角度看，起支配作用的元素主要为0、C、H、N、S、P六种，其次为K、Ca、Mg和Fe。vO、C、H组成：蛋白质、类酯物、碳水化合物、色素、木质素。主体vN、P、K、Ca、Mg、Fe对生产细胞、动物在骨骼、血液及循环系统，对植物的根、茎

6、、叶v微量元素 研究地壳元素丰度是地球化学的一项重要的基础任务。地壳丰度是地球各层圈中研究最详细和较正确的。地壳元素丰度确定的方法 地壳元素的丰度特征 地壳元素丰度研究的意义 地壳元素分布的不均一性 地球化学为表示元素在某地质体中(如地球、地壳、宇宙星体及各种岩类、岩体等)的含量常采用“丰度”一词。克拉克值 地壳()中的平均含量 最早系统地研究元素在地壳中的丰度，是从Fw克拉克开始的。后来为了表彰他在这方而的贡献，费尔斯曼提议把元素在地壳中的平均含量称为克拉克值 由于各元素的原子量不同，元素的质量克拉克还不能反映各元素原子个数的相对含量。为此，费尔斯曼提出了“原子克拉克”的概念 原子克拉克是以

7、原子数之比表示的元素相对含量，它是指某元素在某地质体全部元素的原子总数中所占原子个数的百分数。计算时应先求出元素的相对原子数，设N为某一元素在某地质体中的相对原子数，N为所有元素相对原子数总和，则 多数研究者所得的数值是比较接近的，但也存在某些差异。其差异的原因，除可能的分析误差外，还与不同作者对地球结构模式认识不同和所选用样品的代表性不同等有关。例如克拉克和华盛顿(1924)以地壳厚度为10km作标准，并按岩浆岩占95、页岩占40%、砂岩占075、石灰岩占0.25，然后用加权法计算出各元素的平均含量，作为地壳的平均化学成分。维诺格拉多夫则采用两份花岗岩(代表硅铝层)和一份玄武岩(代表硅镁层)

8、的组合样品来代表地壳的总成分。挪威南部广泛分布着冰川粘土，戈尔德施密特(1937)认为它代表着大陆地壳岩石的平均化学组成，他根据对这种冰川粘土分析结果，计算出地壳的平均化学成分。黎彤(1976)认为，地壳化学成分除大陆地壳成分外，还应包括大洋地完成分，他按这一想法计算得出了地壳的平均成分。对比各元素的克拉克值，可以发现它们彼此之间有很大的差异。按维诺格拉多夫值(1949)，丰度最大的元素(O为47%)和丰度最小的元素(Rn为710-18)之间，其含量之比可达1017。若按克拉克值递减的顺序排列，含量最多的前三种元素(o、si、Al)即占地壳总质量的84.55，含量最多的前九种元素(O、Si、A

9、l、Fe、ca、Na、K、Mg、Ti)占地壳总质量的99.18，而其余的元素仅占082%。由此可见，元素在地壳中分布具有极大的不均一性。元素在地壳中的分布规律与其在太阳系中的分布规律有很大的相似性。元素的克拉克值大体上随原子序数的增大而减小。周期表中前26种元素(从H至Fe)的丰度占地壳总质量的99.74%。但H、B、Be以及惰性气体的含量并不符合上述规律，其丰度值很低。此外，周期表中原子序数为偶数的元素总分布量(约86.36%)大于奇数元素的总分布量(约13.64%)，相邻元素之间偶数序数的元素分布量大于奇数元素分布量(如REE)，这一规律称为奥多哈根斯法则。已知天然稳定和放射性核素有352

10、种。同一元素的不同同位素丰度差异很大 地壳（大陆）的化学组成是认识地球总体成分、分异演化和地球的动力学过程的基本前提，再加之大陆地壳是人类生活和获取资源的场所，为此大陆地壳化学组成的研究自地球化学学科诞生以来一直是研究的中心问题之一。下面是几种研究地壳丰度的方法。1.早期克拉克计算法 是由美国F.W.Clarke和H.S.Washington于1924年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16公里范围内（最高的山脉和最深海洋深度接近16公里）分布着95%的岩浆岩，4%的页岩，0.75%的砂岩，0.25%的灰岩，而这5%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

11、可以代表地壳的平均化学成分。在世界各大洲和大洋岛屿采集了5159个不同岩浆岩样品和676件沉积岩样品；对53种元素进行了定量的化学分析；其样品的数量相当于这些样品在地球表面分布面积的比例;计算时用算术平均求出整个地壳的平均值。他们的工作具有重大的意义：开创性的工作，为地球化学发展打下了良好的基础；代表陆地地壳成分，其数据至今仍有参考价值。1）Goldschmidt采集了挪威南部冰川成因粘土（77个样）用其成分代表地壳平均化学成分，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，Na2O和CaO含量偏低（这与表生条件下，Na和Ca容易淋滤沉淀有关）。2)维诺格拉多夫（1962）岩

12、石比例法是以两份酸性岩加一份基性岩来计算地壳平均化学成分。3）泰勒和麦克伦南（Taylor和McLennan,1985）提出细粒碎屑沉积岩，特别是泥质岩，可作为源岩出露区上地壳岩石的天然混合样品，用太古宙后页岩平均值扣除20%计算上部陆壳元素丰度。综合上述各种研究方法，根据目前对地壳的认识，显然具有以下的不足之处:首先采用的地壳的概念不统一，均未按照现代地壳结构模型来考虑；其次没有考虑岩石组成随深度和构造单元的变化。造山作用可使下地壳甚至上地幔的岩石大规模暴露到地表，出露地表的大陆地壳剖面（exposed crustal cross-section）是研究大陆地壳元素丰度的良好样品。这样的剖面

13、仅分布在少量地区，为了研究地壳深部（下地壳）的成分还可以采用火山岩中深部地壳包体（探针岩）和地球物理法（地震波）。尽管各家所采用的研究方法不同，但所得得地壳主要元素丰度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。1.有规律的变质分带2.剖面中颁布的麻粒岩形成于下地壳条件(600-1400MPa）3.由于下地壳岩石密度较大、磁性较强，因此向着地表出露的下地壳岩石方向应表现出明显的重力和磁性4.地表出露的被确认为下地壳的岩石可直接延伸至地壳深部 1.地壳中元素的相对平均含量是极不均一的，丰度最大的元素是O：47%，与丰度最小的元素Rn的6x10-16相差达1017倍。相差十分悬殊。前九

14、种元素：O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg、Ti 前五种:82.58%前九种:98.13%前十五种元素占99.61%，其余元素 仅占0.39%这表明：地壳中只有少数元素在数量上起决定作用，而大部分元素居从属地位。2.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的不同：太阳系：HHeONeNCSiMgFeS 地球：FeOMgSiNiSCaAlCoNa 地壳：OSiAlFeCaNaKMgTiH 与太阳系或宇宙相比，地壳和地球都明显地贫H,He,Ne,N等气体元素；而地壳与整个地球相比，则明显贫Fe和Mg，同时富集Al,K和Na。这种差异说明什么呢？3.地壳中元素

15、丰度不是固定不变的，它是不断变化的开放体系。地球表层H、He等气体元素逐渐脱离地球重力场 每天降落到地球表层的地外物质102105吨；地壳与地幔的物质交换；放射性元素衰变；人为活动的干扰。由宇宙化学体系形成地球的演化（核化学）过程中必然伴随着气态元素的逃逸。而地球原始的化学演化（电子化学）具体表现为较轻易熔的碱金属铝硅酸盐在地球表层富集，而较重的难熔镁、铁硅酸盐和金属铁则向深部集中。由此可见地壳元素的丰度取决于两个方面的原因:1.元素原子核的结构和稳定性；2.宇宙物质形成地球的整个演化过程中物质的分异。总之，现今地壳中元素丰度特征是由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

16、时期内元素演化历史的最终结果。元素在主要岩石类型中的分布v元素在地壳中的分布具有极大的不均匀性。v造成这种不均匀性的主要原因，是由于地壳中分布着各种类型的岩石。不同类型岩石的出现，实际上是元素的不同地球化学性质和其形成环境的差异所导致的必然结果。各主要元素在不同类型岩石中的分配特征为：v 1主要类型岩浆岩中元素的分配v (1)Fe、Mg、Cr、Ni、Co和铂族等，按超基性岩、基性岩、中性岩、酸性岩的顺序含量递减。v (2)Ca、Al、Ti、V、Mn、Cu和Sc等在基性岩中含量最高，而在超基性岩、中性岩及酸性岩中含量降低。v (3)碱金属元素K、Na、Li、Rb、Cs及Si、Be、TI、Sr、Z

17、r、Hf、U、Th、Nb、Ta、w、Mo、Sn、Pb和稀土元素等，随着由超基性岩向基性岩、中性岩、酸性岩过渡，其含量明显递增。碱性岩中K、Na的含量达到最高值。v (4)某些元素在各类岩浆岩中的含量变化不大，例如Ge、Sb、As等(2)主要类型沉积岩中的规律(1)砂岩中富集的元素：Si,Zr（2）碱金属元素Li、Na、K、Rb、Cs和Si、Al等在页岩和泥质岩中含量最高，在碳酸盐岩中含量最低，含量之差常达10倍(Li、Cs)至数10倍(K、Na)。碳酸岩中富集的元素：Mg,Ca,Sr,Mn,在砂岩中最低，在硫酸盐中富集可达10-100倍。页岩中富集的元素：Al及大多数微量元素，如V,Ni,Co

18、,Cu,Ag,Au,Mo,U,Cd,As,Sb (3)过渡元素Mn、Ni、Co等在深海沉积物中含量高，因而在深海沉积物中形成了巨 大的海底锰结核矿产，并伴有Ni、Co等可供综合利用。与Mn类似，在深海沉积物中富集的元素还有B、Na、Ba、P、S、Cu、Mo、Pb及卤素元素F、Cl、Br、I等，它们的含量都高于各自在岩浆岩中含量的最高值。各类变质岩的化学成分受原岩(沉积岩和火成岩)所控制。一般地说，变质岩石中元 家的含量并不因其变质类型和变质程度的不同而有明显差异。元素地壳丰度(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

19、的标尺，本身也是影响元素地球化学行为的重要因素。1.控制元素的地球化学行为 1）元素的克拉克值在某种程度上影响元素参加许多化学过程的浓度，从而支配元素的地球化学行为。例如，地壳元素丰度高的K、Na，在天然水中高浓度，在某些特殊环境中，发生过饱和作用而形成各种独立矿物（盐类矿床）；而地壳元素丰度低的Rb、Cs，在天然水中极低浓度，达不到饱和浓度，为此不能形成各种独立矿物而呈分散状态。2）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。自然界中却只有3000多种矿物。矿物种属有限（硅酸盐25.5%；氧化物、氢氧化物12.7%;其他氧酸23.4%；硫化物、硫酸盐24.7%；卤化物5.

20、8%；自然元素4.3%；其它3.3%）。如图所示：为什么酸性岩浆岩的造岩矿物总是长石、石英、云母、角闪石为主？因为地壳中O,Si,Al,Fe,K,Na,Ca等元素丰度最高，浓度大，容易达到形成独立矿物的条件。自然界浓度低的元素很难形成独立矿物，如硒酸锂(Li2SeO4)和硒酸铷(Rb2SeO4)；但也有例外，“Be”元素地壳丰度很低(1.710-6)，但是它可以形成独立的矿物Be3Al2Si6O18(绿柱石)，其原因我们在下一章里面讲述。钠长石黄水晶石英云母 3)限制了自然体系的状态 实验室条件下可以对体系赋予不同物理化学状态，而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

21、。例如，酸碱度pH值在自然界的变化范围比在实验室要窄很多，氧化还原电位也是如此。4）对元素亲氧性和亲硫性的限定 在实验室条件下，化合物组成的剂量可以任意调配。在自然条件下，情况就不同了：在地壳O丰度高，S丰度低环境下，Ca元素显然是亲氧的；在地幔，陨石缺O富S环境，能形成CaS(褐硫钙石)。1）可以为阐明地球化学省(场)特征提供标准。例如在东秦岭地区进行区域地球化学研究表明：东秦岭是一个富Mo贫Cu的地球化学省，Mo元素区域丰度比地壳克拉克值高2.3倍，而Cu元素则低于地壳克拉克值，这样的区域地球化学背景，有利于形成Mo成矿带。资源：Mo地壳丰度110-6，东秦岭Mo区域丰度2.310-6 M

22、o的地球化学省。环境：克山病(地方性心肌病病,低硒)区中土壤有效Mo、饮水Mo含量、主食中Mo含量普遍低于地壳背景，导致人体Mo低水平。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。例如稀土元素比值、Th/U（3.3-3.5）、K/Rb、Zr/Hf、Nb/Ta在地壳环境下，性质相似，难以彼此分离，有相对稳定的比值。一旦某地区、某地质体中的某元素组比值偏离了地壳正常比值，示踪着某种过程的发生。Th/U8-10则可认为本区发生了钍矿化。2)指示特征的地球化学过程 实例：东秦岭钼矿带各期岩浆岩中钼元素丰度变化 前加里东期 基性火山岩（变质为斜长角闪岩）安

23、山岩、安山玢岩 加里东期 辉绿岩、辉长辉绿岩 燕山期 花岗闪长岩、花岗斑岩、石英斑岩（深源）2.5ppm-5ppm 早 基性 Mo少4-7ppm十几几十ppm 晚 酸性 Mo多 地壳的能源有两个主要来源，一个是太阳能，另外一个是放射性元素的衰变能。放射性衰变能是由放射性元素（K、U、Th）的类型和数量所决定的。例如，地球经过45亿年的演化，235U已衰变95，238U已衰变掉50%左右，而232Th仅消耗了其总量的20，周而复始，为地球提供能量。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。这与地壳，乃至于地幔物质分异的整体过程联系起来 空间上分布的

24、不均一性 时间上地壳元素分布的不均一性 垂向深度（陆壳）：上下地壳元素丰度的不均匀性：上地壳：0-812km 偏酸性火成岩、沉积岩；下地壳：812km-莫霍面 麻粒岩、玄武岩。Ri=上地壳元素丰度/下地壳元素丰度：Ri约等于1:Ca,Si,Zr,Nd,Pb等；Ri 1:Cl,C,Cs,K,Rb,U,Th,Bi,Tl,Nb等。反映了地壳物质在分异调整过程中的宏观趋势。横向分布：大陆地壳和海洋地壳的不均一性 洋壳：占地球表面60%以上，厚5-16km，它们的化学成分与地幔物质相似，以镁、铁硅酸盐为主，主要分布着Cr,Fe,Ni,Pt等亲铁元素。陆壳：占地球表面30%，厚30-50km，它们的化学成

25、分由铝、钾硅酸盐组成，主要分布着亲氧及亲硫元素W，Sn，Mo,Cu,Pb,Zn,Ag等。陆壳内：板块间、区域间、地质体间、岩石间、矿物间元素分布不均一性。随着地质历史的发展，元素的活动与分布有着明显的规律性。地史早期：一些稳定元素在地史早期富集。Au元素：主要产在前寒武纪；Fe元素: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60%）。地史晚期：一些活泼的不稳定元素向着地史晚期富集。Sn,Nb,Ta和W等元素：钨成矿作用高峰期在中生代（燕山期）。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:前寒武纪：Pt,Fe,Ni,Co,Au,U(占这些元素储量50%以上);古生代

26、:U,Pb,Co,Ni,Pt,其次为W,Sn,Mo,Pb,Zn,Hg等;中生代:W,Sn,Ag,Sb等;新生代:Hg,Mo,Cu,Pb,Zn等。以上是从地质历史大的时间跨度上来说是这样，就是从某一时期内元素在时间上的分布也是不均匀的。我国南方各地稀有元素的富集都有与中生代燕山期花岗岩有关，但各稀有元素之间在成矿时间上也大致有一时间先后顺序：Ti、Zr Ce、Y （Be）Nb、Ta、Hf、Li Rb(Sr)Be 这与花岗岩的岩浆演化历史有着密切的关系。从以上资料可以看出，不仅应了解元素的集中趋势，而且研究元素的时空不均一性显得更为重要。研究元素在区域上空间分布及时间演化趋势对于为国民经济服务（资

27、源、环境）有着十分重要的意义。从上面的讨论中我们可以清楚的知道，元素在太阳系、地壳中的丰度是地球化学研究的基础数据，但是我们一般都是在某个具体的区域内工作，因此更关心的是具体工作区域内元素的分布规律。当我们想研究某地质体中元素是相对富集还是相对贫化了，拿什么做标准呢？只有与具体区域内元素的区域丰度来进行比较会更有实际意义，而与地壳丰度对照，只能得到一般概念。为此，区域元素分布研究是区域地球化学研究的一项基础工作。浓度克拉克值=某元素在某一地质体中平均含量/某元素的克拉克值浓度克拉克值1 意味该元素在地质体中集中了浓度克拉克值1 意味该元素在地质体中分散了 区域浓度克拉克值=某元素在区域内某一地

28、质体中平均含量/某区域元素的丰度值 浓集系数=某元素最低可采品位/某元素的克拉克值,反映了元素在地壳中倾向于集中的能力。Sb和Hg浓集系数分别为25000和14000，Fe的浓集系数为6，这说明Fe成矿时只要克拉克值富集6倍即可。1.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；2.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；3.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。1.区域范围的确定靶区的选择 根据工作任务和区域特征来选择工作范围。区域找矿：应该尽量与构造单元中成矿区、带结合起来，因为一定的构造环境中的

29、成矿带往往与一定的地球化学过程相联系，某个特定的地球化学必然具有某些特色元素的分布。例如长江中下游Cu、Fe成矿带。原生环境：某流域水系沉积物中元素的高值区与该流域源区原岩的化学组成及元素本身的地球化学性质等因素有关。例如沿长江流域冲积成因土壤镉元素高值带。如下图所示。沿长江流域冲积成因土壤镉元素高值带图 在区域内采集不同时代和不同岩石（土壤）类型的样品，对所获的样品进行测试分析，然后按照各类岩石在区域内所占的比例，求出该区域（表壳）元素的丰度。为了要了解元素空间分布规律（一般是二维平面）就需要样品在空间上有一定密度的展布。如沿江镉的地球化学图（上图），就是每平方公里采集一个土壤样品(在采样点

30、附近用梅花状5点采样组合成一个样），再通过计算机成图展示出镉元素空间分布趋势（右图）。我们以沿江镉的分布为例。现代沿江冲积物镉含量较高，那么历史上的又如何呢？从表中我们可以看到，近70-80年以来长江冲积物中镉的含量比早期沉积物高2-3倍。一个地区元素的分布现状是整个地质历史过程中元素活动的展示状况，是各种地质、地球化学作用的综合结果，而每一个主要的地质地球化学过程，元素的活动必然有其特定的组合和强度。因此，在元素时空分布的资料中，蕴含着丰富的地球化学信息。例如：沿长江（汉江）冲积成因土壤中镉是从哪里来的？为什么样会形成高值带？土壤类土壤类别别 Al2O3 Fe2O3MgOCaO MgO+Ca

31、O MgO/CaO Na2O K2O Na2O/K2O Cd 长江长江(26)14.3 6.36 2.523.67 6.19 0.69 1.06 2.65 0.40 0.33 汉江汉江(27)17.9 8.52 2.210.99 3.21 2.22 0.80 2.92 0.27 0.27 土壤类土壤类别别 Zn Pb Zn /Pb As Sb As/Sb Mo Cr Ni Cr/Ni F pH 长江长江(26)10536.3 2.911.50.8114.2 0.81 9439.82.366808.02 汉江汉江(27)12732.0 4.018.21.2614.4 1.2611153.62.0

32、78766.8例1 长江、汉江冲积成因土壤化学组成特征氧化物：，其余：mg/kg；括号内为样品数 结论1：用CaO+MgO 对pH作图，Fe2O3对Cr+Ni作图，Cr+Ni 对Mo作图，由图可见，长江与汉江冲积成因土壤化学组成具有明显的差别。6789246810pHMgO+CaO(%)长江汉江5678910Fe2O3(10)-2长江汉江100120140160180Cr+Ni(10)6100120140160180Cr+Ni(10)6长江汉江0.40.81.21.6Mo(10)65678910Fe2O3(10)-2长江汉江100120140160180Cr+Ni(10)61001201401

33、60180Cr+Ni(10)6长江汉江0.40.81.21.6Mo(10)6 两江汇水域表壳岩石化学组成特征 作为土壤母岩的沉积物来自各自的汇水流域，河流沉积物中化学组成的差异受控于各自汇水域表壳岩石的化学组成。为此，长江沿江冲积成因土壤的化学组成受长江中上游流域扬子陆块表壳岩系化学组成的制约，而汉江冲积成因土壤的化学组成则受汉江中上游流域秦岭造山带表壳岩系化学组成的限定。长江汉江秦岭造山带扬子陆块扬子陆块、秦岭造山带上地壳化学组成 化学组成构造单元Fe2O3MgO CaOAsSbCrNiMoF 扬子陆块1.543.827.403.290.2456330.63493 秦岭造山带2.213.60

34、6.884.060.3182400.70526氧化物：，其余：mg/kg 扬子陆块盖层中的一个明显特征是碳酸盐发育，为此风化后的沉积物 CaO含量高，土壤呈碱性。而秦岭造山带表壳岩系中基性火山岩比例大，这样，Fe2O3、Cr、Ni丰度偏大，其发育的土壤中性偏酸。这些特征都分别被长江、汉江冲积成因的灰潮土对应地继承下来了。结论2:森林植被覆盖、区域土壤森林植被覆盖、区域土壤地球化学测量；地球化学测量；Co,Ni,Cr,V,Ti累加异常南累加异常南北迥异，为什么？北迥异，为什么？北侧：华北地台，碳酸盐北侧：华北地台，碳酸盐岩岩 南侧：秦岭褶皱系，基性南侧：秦岭褶皱系，基性火山岩火山岩 界线界线-异

35、常急变带异常急变带-黑沟断黑沟断裂带裂带 在西安一带是中在西安一带是中华民族发祥地之一，华民族发祥地之一，周秦汉唐等十几个周秦汉唐等十几个王朝建过都，王朝建过都，秦始秦始皇墓葬皇墓葬“纳百川，纳百川，容天地容天地”水银水银（HgS）河流，河流，皇亲贵族死后皇亲贵族死后“涂涂红绘彩红绘彩”。地球化学汞气测地球化学汞气测量来确定墓穴空间量来确定墓穴空间位置。位置。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匀区域元素分布不均匀由各类岩由各类岩石、矿物引起石、矿物引起各类岩石、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

36、学研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始点。究的始点。1）各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 为什么？为什么？自学自学、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 元素在组成矿物中的分配是极不均匀的，受元素在组成矿物中的分配是极不均匀的，受 元素性质及矿元素性质及矿物形成时物理化学条件等因素所控制。查明其原因必须要确定物形成时物理化学条件等因素所控制。查明其原因必须要确定各组成矿物中元素的含量。各组成矿物中元素的含量。进行共生矿物内元素平均含量的进行共生矿物内元素平均含量的平平衡计算衡计算。平衡计算前获得以下资料：岩石中元

37、素的含量；岩石中各矿物的百分含量；每种矿物的元素含量。例例：某某花花岗岗岩岩中中各各矿矿物物 Nb 含含量量的的平平衡衡计计算算（岩岩石石中中 Nb 含含量量: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 /长长石石 59.95 1 0.60 3.75 黑黑云云母母 5.28 205 10.82 67.63 钛铁矿 0.007 1085 0.08 0.50 锆石 0.006 1890 0.11 0.69 褐帘石 0.004 350 0.01 0.06 褐

38、钇铌矿 0.003 146100 4.38 27.37 合计 100 16.00 100 注 意 两 点：尽量包含所有的矿物并精确地测定每种矿物中元素的含 量；计算出来的岩石元素含量与实测岩石元素含量要一致（16x10-6），如 果 不 一 致，查 原 因 分 析 有 误？遗 漏 了 矿 物?携携带带矿矿物物：岩 石 中 该 元 素 主 要 含 量 分 配 于 哪 种 矿 物。富富 集集 矿矿 物物 ：元 素 在 某 种 矿 物中 的 含量 大大 超 过了 该 元素 在 岩石 中 的 平 均 含 量。地球是太阳系的一个行星，地壳是地球的外部圈层，因此，太阳系、地球、地壳的元素丰度共同遵循太阳系

39、元素丰度的基本规律，如奇偶规律、随原子序数增大元素丰度递减等。在太阳系物质形成地球、地球分异出地壳的过程中发生过化学分异，导致三者间在组成和元素丰度上也存在差异。一个自然体系的丰度在与外界的相互作用过程中会不断发生演化，因此，地壳现今的元素丰度并不能代表它形成和演化过程中的元素丰度。元素丰度是自然体系的基本化学特性，它决定了体系内化学作用和化学演化的基本特征，也控制着与相邻体系的物质交换，地壳、尤其上地壳的元素丰度与人类生存活动密切相关，最受人们的关注，研究成果也最丰富。复杂体系元素丰度的研究已积累了很多有成效和有启发性的思路和方法，地球化学参考模型GERM综合了对太阳系、地球、地壳等化学组成

40、和元素丰度的最新研究成果。(1)太阳系、地球、地壳的元素丰度特征。(2)太阳、行星、陨石对太阳系元素丰度研究的贡献。(3)陨石研究对地球形成和组成演化的意义。(4)地球各圈层化学组成的基本特征。(5)地球和地壳元素丰度研究的难点是什么。(6)上地壳元素丰度的方法对比。(7)元素丰度研究在地球化学研究中的地位。地壳的化学演化75%形成于太古宙，25%形成于后太古宙2.地壳演化的沉积地球化学证据 主要元素证据（下表）各时代碎屑沉积物的平均化学成分太古宙元古代显生代SiO2 *65.970.070.6TiO20.60.60.7Al2O314.914.514.2FeO *6.45.55.2*MgO3.

41、62.12.4*CaO3.31.72.2*Na2O2.91.81.8*K2O2.23.52.8*微量元素证据 Eu,REE等（图）La、Th、U(下表)各时代碎屑沉积物的微量元素特征年 龄Ga3.03.0-2.5 2.5-1.7 1.7-0.6 0.6-0La261643042Th8.3.614315U.1.53.5.23.03.地壳演化的沉积物Nd同位素模式年龄证据 原始地壳和大陆地壳 原始地壳是指地球上主要由岩浆作用生成的最初的固态表面.大洋地壳?50%的地壳应该在太古代时就形成了 地壳重熔岩石主要为花岗质岩石,太古代以后,高的Si,K,Rb含量,低Sr和其他中等不相容元素(Ti,V,P)

42、,Eu负异常.原始的地球和太阳系其他行星都是由气体和尘埃组成的。康德康德-拉普拉斯星云说拉普拉斯星云说 太阳系的星球的物质，在初时都为大量基本微粒，充满整个的太阳系的星球的物质，在初时都为大量基本微粒，充满整个的宇宙空间，现在已形成的星体就在这空间中运转宇宙空间，现在已形成的星体就在这空间中运转”。他认为是万有。他认为是万有引力的作用，使这些原始弥漫的星云物质逐渐分别凝聚，形成了包引力的作用，使这些原始弥漫的星云物质逐渐分别凝聚，形成了包括地球在内的太阳系的各天体。括地球在内的太阳系的各天体。康德康德-拉普拉斯星云说拉普拉斯星云说 太阳系的星球的物质，在初时都为大量基本微粒，充满整个的太阳系的

43、星球的物质，在初时都为大量基本微粒，充满整个的宇宙空间，现在已形成的星体就在这空间中运转宇宙空间，现在已形成的星体就在这空间中运转”。他认为是万有。他认为是万有引力的作用，使这些原始弥漫的星云物质逐渐分别凝聚，形成了包引力的作用，使这些原始弥漫的星云物质逐渐分别凝聚，形成了包括地球在内的太阳系的各天体。括地球在内的太阳系的各天体。康德康德-拉普拉斯星云说拉普拉斯星云说 太阳系的星球的物质，在初时都为大量基本微粒，充满整个的太阳系的星球的物质，在初时都为大量基本微粒，充满整个的宇宙空间，现在已形成的星体就在这空间中运转宇宙空间，现在已形成的星体就在这空间中运转”。他认为是万有。他认为是万有引力的

44、作用，使这些原始弥漫的星云物质逐渐分别凝聚，形成了包引力的作用，使这些原始弥漫的星云物质逐渐分别凝聚，形成了包括地球在内的太阳系的各天体。括地球在内的太阳系的各天体。原始太阳随银河系公转，在经过有大量星际物质弥漫的空间时，将它们吸引在周围，成为行星的物质来源的，用外来物质形成包括地球在内的九大行星。银河系中一颗快速运动的恒星撞击原始太阳，溅起大量物质成为行星的物质来源的，积聚形成包括地球在内的九大行星。在另一颗恒星经过太阳旁边时，把太阳物质吸引出来形成一条状星云，后来此条状星云在环绕太阳旋转中，分裂凝聚增大密度而成行星。太阳太阳外来星原始地球化学分异原始地球化学分异重力能重力能+撞击动能撞击动

45、能+放射性热能放射性热能使原始地球熔融使原始地球熔融 （位能）（位能）4040K K 2626Al FeAl Fe的熔化温度在地球形成后的熔化温度在地球形成后 600Ma600Ma于几百公里深度即可达到。于几百公里深度即可达到。原始地球金属铁熔融后逐渐汇聚成原始地球金属铁熔融后逐渐汇聚成“巨滴巨滴”由于重力原因，向地心由于重力原因，向地心沉没，同时产生大量的位能转化的热能，使地球内部温度高达沉没，同时产生大量的位能转化的热能，使地球内部温度高达20002000。巨滴熔铁沉没时间约需巨滴熔铁沉没时间约需10105 5年。年。与此同时，较轻的硅酸盐上浮、形成地幔；与此同时，较轻的硅酸盐上浮、形成地

46、幔；地幔部分熔融，又分异出玄武质岩浆、岩浆结晶分异，形成中酸性岩地幔部分熔融，又分异出玄武质岩浆、岩浆结晶分异，形成中酸性岩以上的地壳岩石，故地壳中岩石最大年龄不超过以上的地壳岩石，故地壳中岩石最大年龄不超过4040亿年。亿年。在分异中，元素分配受其密度和原子量的影响较小，主要是受其硅在分异中，元素分配受其密度和原子量的影响较小，主要是受其硅酸盐、硫化物、金属相的影响酸盐、硫化物、金属相的影响。尘埃向中心聚集的过程中，由于引力的作用，体积收缩，压力加大，会释放出大量的热量。放射性元素的蜕变和陨石的撞击，也都要放出热能。地球物质处于热的熔融状态。重力的作用与高温的影响，地球里面的物质发生部分熔融

47、，使重者下沉，轻者上浮，出现了大规模的物质分异和迁移，形成了从里向外，物质密度从大到小的圈层结构。铁和镍比较重，向中心聚集地地核。核。较轻的硅酸盐物质形成地幔地幔和地幔之上的地壳。地壳。原始地球上的水还很少，大约只有现代的110。约在40亿年左右，地球遭受了强烈的陨石冲击、火山活动加强，导致了地球内部水和气体的外逸，扩大了原始的水圈和大气圈。最初大气圈的成分主要是水蒸汽，还有一些二氧化碳、甲烷、硫化氢和氯化氢等。由于游离氧很少，还原性 直到距今38亿年前，地球上的大气仍是缺氧和呈酸性的随着时间的流逝，地球上的温度逐渐降低（低于100C），大气中的水蒸汽陆续凝结出来，形成广阔的海洋（水圈）。由于

48、未发现被保留下来的地质实体，因而，对这一时期地壳的组成和性质的判断尚无确切依据。目前测得公认的最古老岩石(西格陵兰灰色片麻岩中的斜长角闪岩包体)的年龄为37亿年，标志着地球演化进入到太古宙时期的开始。二、3725亿年(太古宙）最初大气圈的成分主要是水蒸汽，还有一些二氧化碳、甲烷、硫化氢和氯化氢等，仍然是酸性的。太古宙早期地表水仍然是酸性的。地壳表部在酸性水的破坏下，Na+、K+、Ca+、Mg2+、Al、Fe和其他金属离子被带出，并与主要由内生热液活动逸出的Cl-、F-和B-等加入水圈。这些元素进入海洋，从而增加了海水的氯度和盐度。二、3725亿年(太古宙）太古宙地壳具有独特的岩石组合。广泛的、

49、间歇性玄武岩(及少量橄榄岩岩浆)火山喷发和后期改造，形成了现代保存的绿岩带和绿岩包体，并伴生有大面积分布的花岗质岩石。花岗质岩石的化学成分具有两个不同的特点：一种是富钠的奥长花岗岩和英云闪长岩，分布广泛；另一种是分布较少的钾质的石英二长岩和酸性花岗岩。前者已部分被变质作用改造为片麻岩，其化学成分表现为随ca含量的减少w(K）w（Na)比值相当恒定。后者具有较明显的侵入岩特征，其化学成分特点是w(K）w(Na）比值随Ca含量的增加而减小。玄武质岩浆活动不仅表现为广泛的火山喷发，还形成几期次的基性脉体群利层状岩体的入侵。对于太古宙地壳的演化模式，争论较大的是早期地壳的化学组成问题。太古宙最早的地壳

50、可能是玄武岩质的认识，尚无充分根据，而地壳是酸性的或中酸性的可能性则更大。最早地壳形成之后，玄武岩质和少量橄榄岩质岩浆的多次喷发、入侵和变质形成了不同期次的绿岩地体。花岗质岩石可能是早地幔分熔和绿岩及早地壳的改造所产生。在每一个地质旋回和整个太古宙中，花岗质岩石的演化都具有早期富钠、晚期富钾的总趋势，而且这种趋势具有全球性。太古宙是地球历史中的重要成矿时期。与绿岩和花岗质岩石有关的矿床有Cr、Ni、Co、cu、Au、Ag、Pb、Zn和铂族元素等*沉积矿床以磁铁石英岩建造为特点。条带状铁矿的形成除了必要的铁的物源外，大气和地表水中氧的含量增加具有重要影响。太古宙以来，由于大气和水中游离氧的不断增