地球的物质组成.ppt

第三章地球的物质组成、内容概要、元素、矿物、岩石、地壳、金属、地核、地幔、其中，地核和地幔主要由金属构成，地壳主要由通称石头的岩石(石灰岩、花岗岩、砂岩等)构成。 岩石是各种矿物聚集而成(石灰岩是方解石、白云石等矿物的集合体)。 花岗岩是石英、长石、黑云母等矿物的集合体。 矿物和金属是化学元素结合而成的，有些矿物是元素单质(金刚石是碳的单质)元素的化合物(石英是氧和硅的化合物)。 在地球进化过程中，各种岩石、矿物和元素总是进行成分、能量交换和状态的变化，旧岩石和矿物不断地被破坏，新岩石和矿物不断地形成，虽然那个过程极缓慢，但总是不断地进行，从而，某些元素和矿物的人们把在现在的技术条件下可以利用的岩石称为矿石，不能利用的岩石称为岩石。 从发展角度来看，自然界的所有岩石都有可能成为矿石。 第一节地球元素-元素的概念，元素：具有相同核电站电荷数(质子数)的同一种类的原子称为元素。 原子：元素由带正电荷的质子、电中性的中子、带负电荷的电子等基本粒子构成。 质子位于中心，有可能和中子一起构成原子核，电子围绕原子核高速运动形成非电原子。 原子的结构和质量的分配与太阳系很相似，电子围绕原子核占了好几亿倍的空间，而原子核收集了原子的大部分质量。 同位素：同一元素具有相同的质子数，其中子数可变，中子数增加时原子质量相应地增加，原子核的电荷数和电子数不变。 这样，质子数相同而中子数不同的原子在元素周期表中处于相同的位置，把这种原子称为同位素(例如，11H、21H、31H和23492U、23592U、23892U )。 主量要素：主量要素也称为常量要素。 岩石中含有1% (或0.1% )以上的元素，地壳中1%以上的8种元素是主量元素，氧以外的7种元素作为阳离子存在于地壳中，它们与氧结合形成的氧化物(或氧的化合物)是构成三种岩石的主体，因此经常被称为造岩元素。 微量元素：地壳(岩石)中含量小于0.1%的元素。 一般很难形成自己的独立矿物，多以类似的形式存在于由其他元素组成的矿物中，这种元素被称为微量元素。 例如钾、钠的克拉克值均为2.5%，是主要元素，可以在自然界中形成多种独立矿物。 与钾、钠同属的铷(Rb )、铯(Cs )，在地壳中的含量很低，在各种地质体中的浓度也很低，很难形成自己的独立矿物，主要以分散在钾、钠的矿物中的状态存在。 硫(硒和碲)和卤素：除了氧以外，地壳经常以阴离子的形式存在，硫(硒、碲)和烟囱族元素几乎都以阴离子的形式存在。 硫能在特定情况下形成单质矿物(自然硫S2 )，而硫却是地壳中除氧以外呈最重要阴离子的元素。 硫在热水成矿阶段可以与多种金属元素结合生成硫酸盐和硫化物矿物。 这些矿物是金属矿床的物质基础。 如果矿物结晶时硫的含量不够，硒就能在人矿物中占据硫的晶格中的位置，硫、硒就存在于同样的矿物中。 由于蹄和硫的结晶化学性质差异比硒大，蹄通常不属于人的硫化物矿物，硫不足时会结晶成碲化合物。氯、氟等卤素元素，通过得到一个电子形成稳定的惰性气体型电层结构，它们形成阴离子的能力比氧、硫强，但卤素混乱的地壳的存在度远低于氧、硫，因此限制了它们形成独立矿物的能力。 卤素与阳离子结合形成典型的离子健化合物。 离子性健化合物容易溶于水，但气化湿度高，干燥条件下卤化物比较稳定。 卤素浓度低，不能形成独立矿物时，它们进入人的氧化物，在含氧的盐矿物中，用同类方法置换矿物中的氧是常见的。 金属成矿元素：地质体中的金属元素多形成金属矿物(硫化物、单质矿物或金属互化物、部分氧化物)，成为矿物资源中金属物质的冶炼对象。 金属成矿元素根据其结晶化学和地球化学的习性和稀少度，分为贵金属元素、金属元素、过渡元素、稀有元素、稀土元素。 贵金属元素： Ag、Au、Hg、Pt等贵金属元素在地壳中主要以单质矿物、硫化物的形式存在，地质体中含量低，但矿物容易筛选，元素的化学稳定性高，成为矿物质的经济价值高。 金属元素： Pb (铅)、Zn、Cu等(别名：贱金属元素)在地壳中主要以硫化物的形式存在。 变成矿物质的主要是热水变成矿物质。 矿床中成矿元素含量高，是广泛应用于国民经济生活的矿产资源额。 过渡元素： Co、Ni、Ti (钛)、v (钒)、Cr、Mn等这些元素多作为氧化物矿物存在于自然界中，也能部分形成硫化物。 稀有元素： Li、Be、Nb (铌)、Ta (钽)、Zr (锆)在地壳中的含量低，主要形成硅酸盐和氧化物。 稀土元素：钇和锶类元素统称为稀土元素，虽然地壳中稀土元素的含量低，但它们总是呈组成分布。 稀土元素不易形成自己的独立矿物，主要进入人钙的矿物，在矿物中类质取代钙。 常见的稀土元素矿物和含稀土元素的矿物都是氧化物和含氧的盐类矿物。 亲生物元素和亲气体元素：主要是c、h、o、n和p、b (硼)。 它们是构成水圈、大气层和生物圈的主要化学成分，在地壳表层的各种自然过程中发挥着重要的作用。 放射性元素：现代地壳中存在的放射性元素(同位素)有67种。 一、元素的形成，根据宇宙大爆炸说，地球上的千姿百态，复杂多样的物质是在基本粒子通过融合形成氢之后，再由四个氢合成氦，氦再合成其他元素。 这样从轻元素到重元素依次进行了核聚变。 大约150亿年前的大爆炸50万年到100万年后，现在所有的元素都是通过核聚变形成的。 因此，元素的形成时间远早于太阳系的形成时间。 现代物理、化学理论和实验观察结果显示，太阳现在仍在进行氢合成氦的热核聚变和其他天体化学现象。 宇宙中的元素通过热核聚变反应，经历了从简单到复杂的进化过程。 世界上的一切都是从“一个氢”开始的。 现代的很多科学家，难怪钦佩我国著名思想家道家的创始人老子“道生一、一生二、二、三生万物”的哲学思想。 地球上元素的分布，地壳中元素的分布，现在已知的化学元素有108种，地壳中发现的有92种。 各宇宙体和地球的化学系统(地球、大气层、水圈、岩石圈等)中的化学元素的平均含量称为丰度。 19世纪末，美国化学家克拉克(F.W.Clarke，1847-1931 )根据欧美地壳16km范围内的5159个岩石、矿物、土壤、天然水样品的分析数据，在1889年首次发表了地壳50种元素的平均含量，作为地球化学研究的后者为了纪念克拉克的这个创意，把元素地壳的丰度称为克拉克值，其中以重量%表示的叫重量克拉克值，以原子%表示的叫原子克拉克值。 继克拉克之后，很多学者进一步研究、补充、修正了克拉克的值。 克拉克值的研究表明，地壳中元素分布有以下规律：元素的克拉克值差异很大。 o、Si、Al、Fe、Ca、Mg、Na、k等8种元素(称为八大元素)为总壳重量的98%以上，剩下的80种以上的元素不到2%。 地壳元素克拉克值随着原子序数的增加，地壳中偶数元素的分布量比奇数元素高，序号相邻元素间的偶数元素的分布量一般在奇数元素地壳元素的时间和空间分布上有不均匀性。 某些元素在某地质历史时代某地区相对丰富。 第二节，在矿物世界、高山峻岭、田野荒原或者城市皇城、乡下小院走路时，仔细观察的话，就会发现山石、土石、铺石、观赏石等不是由千姿百态、五色六色的粒子构成的，而是这些粒子是矿物。 这是由一种或多种元素在自然条件下形成的。 除了少数呈气体(硫化氢)和液体(水银)以外，几乎都呈固体。 固体矿物通常具有各种形态、颜色、光泽、透明度、比重、硬度和其他物理、化学性质，因此构成了姿态千万、颜色鲜艳、明亮、微妙无限的矿物世界。 现在已知的矿物达到3300多种，发现了新的矿物。 这些矿物是人类乃至整个生物界生存依赖的物质的基础，没有矿物，就没有人类，也没有人类的现代文明。 一、矿物的定义，矿物是指地壳中的一种或多种元素在各种地质作用下形成的天然无机化合物或元素单体，它们大多具有比较固定的化学成分、内部结构、形态特征和物理性质。 由一种元素组成的矿物被称为单质矿物或自然元素矿物，例如自然金(Au )、金刚石(c )等2种以上元素组成的矿物被称为化合物矿物，岩盐(NaCl )、方解石(CaCO3 )、石英(SiO2)等。 有些人工合成的矿物被称为人工矿物，与自然矿物相似，但不是真正意义上的矿物，所以在其名字前冠上“人工”或“合成”这个字，显示出与人工钻石等真正的矿物的差异。 固体矿物按其内部结构分为结晶矿物和非晶矿物，构成矿物的原子、离子或分子等内部质点有规则排列的情况下，称为结晶矿物(方解石等)。 内部质点无序排列时，称为非晶矿物(蛋白质)。 非晶质矿物可以通过胶体化学沉积作用(如蛋白石)形成，也可以通过岩浆喷出的急速凝结作用(如隋石)形成。 这些非晶矿物在自然界经过漫长的地质历史时间可以逐渐转化为晶矿物，这种作用被称为“脱玻璃化”作用。 只有具有以下5个条件的物质才能称为矿物：1)矿物是由各种地质作用形成的天然化合物或单体，如火山作用。 它们是固体(石英、金刚石等)、液体(自然水银等)、气体(火山气体的水蒸气等)、胶体(蛋白石等)。 2 )矿物具有一定的化学成分。 虽然金刚石成分为单质碳(c )，石英为二氧化硅(SiO2)，但天然矿物成分并不完全纯，通常含有少量杂质。 3 )矿物还具有一定的晶体结构，这些原子有规律地排列。 例如，石英的结晶排列是在硅离子的四个角的顶点各连接一个氧离子形成四面体，这些四面体之间在角的顶点连接，在三维空间中形成架状结构。 只要有足够的生长空间，固体矿物就有一定的形态。 金刚石形成为八面体状，石英形成为柱状，多在圆柱上形成横条纹。 没有成长空间，就无法表现其固有的形态。 4 )矿物具有比较稳定的物理性质。角铅矿为钢灰色，亮金属光泽，不透明，其粉末(条痕)为黑色，软(被刀刺)，能裂成互为直角的三组平滑的劈开面(完全劈开)，重(比重为7.4-7.6 )。 5 )矿物是构成矿石和岩石的基本单位。 二、矿物的化学性质、化学结构：矿物中的元素通过离子键、共价键、金属键、分子键连接，尽可能以紧密的原则重复规律性。 由于阴离子大，实际上阴离子尽可能以密集的原则排列，阳离子以电费相等的原则有规律地分布在阴离子的空隙中。 晶体中的离子排列的格式称为晶格架或晶体结构。 石盐的结晶价格是立方体。 类质同象：矿物的化学成分虽然具有相对稳定性，但通过形成作用的复杂变化和杂质的介入，矿物成分可以在一定范围内变化。 矿物在结晶过程中，电费和半径接近的离子可以同时进入晶格架，但矿物的形态和理化性质没有根本变化。 例如闪锌矿(ZnS )中的Zn2可以部分取代Fe2(26%以下)，该化学成分稍微变化晶格不变的现象被称为类质同象，类质同象矿物还是相同的矿物。 同质多象：同种化学成分的物质可以在不同的自然物理化学条件下形成形态和物理化学性质完全不同的矿物。 例如碳(c )在地壳深部的高温高压条件下形成金刚石，在温度低的变质作用下形成石墨。 这种化学成分相同，但内部结构完全不同的现象被称为同质多象。 三、矿物的物理性质形态、矿物形态是指矿物单体、矿物规则连生体及同种矿物集合体的外观特征。 影响因素：内因：矿物的化学成分和内部结构外因：矿物形成时的环境条件研究意义：1)矿物2 )推定矿物形成时的物理化学条件，指导开采。 矿物单体的形态包括单晶整体的外观和晶面图案的特征。 1、矿物单质的形态，1、结晶习性概念：结晶习性(crystalhabit，结晶习性或结晶习性):矿物结晶在一定的外界条件下，往往有形成某一特定习性形态的倾向。 晶习的意思是2:1 )主要强调矿物晶体的整体外观特征，即主要考虑晶体在三维空间中相对发育的状况和形态2 )有时也具体指晶体中常见的单形种类。 2、类型根据晶体在三维空间的发育程度，晶体习性大致可分为三种基本类型： (1)一直延长型：晶体向一个方向特别发育，呈柱状、针状和纤维状等。 (2)双向扩张型双向：结晶在双向相对发育，呈板状、板状、鳞片状和叶状等。 (3)三方等长型三方向：结晶与三方向大致相等，呈粒状或等轴状。 此外，还有短柱状、板柱状、板状、厚板状等过渡型。 注意结晶习性是结晶成分和结构、生长环境的物理化学条件(包括温度、压力、成分浓度、介质PH值和Eh值等)和空间条件的综合表现。 具体规律是化学成分简单，结构对称度高的结晶，一般呈等角度状。 晶体常在其内部结构中向化学键强的方向发育，具有链状结构的矿物呈柱状、针状晶习，层状结构的矿物呈片状、鳞片状习性。 在结晶上发育的晶面，与晶格中网格密度大的网格对应。 外部因素通过直接或间接改变不同晶面间的相对生长速度来影响晶体习性。 二、晶面花纹受复杂的外在条件和空间的影响，实际晶体往往生长成变形的晶体，晶面往往有规则的花纹：晶面纹理、蚀刻像、生长丘等。 1、晶面条纹是不同的单形细晶面反复聚集，交替生长而在晶面上出现的一系列直线状平行条纹，也称为聚条纹。 这是结晶的阶梯状生长现象，因为看起来像晶面，所以也称为生长条纹。特征：晶面条纹呈粗细、宽度不均匀、宽度不均匀的阶梯状。 晶体上的分布必然符合晶体本身固有的对称性。 只出现在结晶的表面-结晶面上，看不到随着结晶面消失而消失的结晶内部和解理面。 2 .在形成蚀刻图像结晶后，对结晶面通过溶解而残留的一定形状的坑(即坑)进行蚀刻。 特征：同一结晶上的同一单晶面上的蚀刻像相同，即蚀刻像本身的形状和取向符合结晶固有的对称特性。 3、丘生长丘结晶生长过程中