自然体系中化学元素的丰度章市公开课获奖课件

1、第一章 自然体系中化学元素丰度 本章内容基本概念元素在太阳系中分布规律地球结构和化学成份 地壳中元素丰度区域地壳元素丰度研究小结及思考题第1页第1页1 基本概念地球化学体系 分布和丰度 分布与分派 绝对含量和相对含量 研究元素丰度意义第2页第2页1、地球化学体系 按照地球化学观点，我们把所要研究对象看作是一个地球化学体系，每个地球化学体系都有一定空间，都处于特定物理化学状态（C、T、P等），并且有一定期间连续。 地球化学体系可大可小， 某个矿物包裹体，某矿物、某岩石可看作一个地球化学体系，某个地层、岩体、矿床（某个流域、某个都市）也是一个地球化学体系，从更大范围来讲,某一个区域、地壳、地球直至

2、太阳系、整个宇宙都可看作为一个地球化学体系。第3页第3页2、 分布 分布是指元素在各个宇宙或地质体中（太阳、行星、陨石、地球、地圈、地壳）整体中含量。元素在地壳中原始分布量与下列原因相关： 1） 元素起源 2） 元素质量 3） 原子核结构、性质 4） 地球演化过程中热核反应第4页第4页3、 分派 分派是指元素在各宇宙体或地质体内部各个部分或区段中含量。 地壳中元素分派指是地壳形成后，伴随它演化、造山运动更替，元素在地壳各个不同部位和各种地质体中平均含量。这是元素在地壳各部分不同物理化学条件下，不停迁移表现。 元素分派取决于以下原因： 1） 地质作用中元素迁移 2） 元素化学反应 3） 元素电子

3、壳层结构及其地球化学性质第5页第5页 元素分布与分派是一个相正确概念，它们之间含有一定联系。化学元素在地壳中分布，也就是元素在地球中分派详细表现，而元素在地壳各类岩石中分布，则又是元素在地壳中分派表现。 第6页第6页4、 元素丰度 通常将化学元素在任何宇宙体或地球化学系统中（如地球、地球各圈层或各个地质体等）平均含量称之为丰度。 以上可见，元素分布、分派及元素丰度都是来度量元素含量。 第7页第7页5.绝对含量和相对含量绝对含量单位相对含量单位T吨百分之10-2kg公斤千分之10-3g克mg毫克ppm、g/g、g/T百万分之10-6g微克ppb、g/kg十亿分之10-9ng毫微克ppt、pg/g

4、万亿分之10-12pg微微克第8页第8页 地球化学中对常量元素（或称主要元素）含量普通用重量百分数（%），而对微量元素则普通用百万分之一来表示。 表示办法：g/t(克/吨)、g/g、ppm 1g/t=1g/g=10-4%=10-6第9页第9页5.研究元素丰度意义 元素丰度是每一个地球化学体系基本数据。可在同一或不同体系中进行用元素含量值来进行比较，经过纵向（时间）、横向（空间）上比较，了解元素动态情况，从而建立起元素集中、分散、迁移活动等一些地球化学概念。从某种意义上来说，也就是在探索和了解丰度这一课题过程中，逐步建立起近代地球化学。 研究元素丰度是研究地球化学基础理论问题主要素材之一。宇宙天

5、体是怎样起源？地球又是怎样形成？地壳中主要元素为何与地幔中不同？生命是怎么产生和演化？这些研究都离不开地球化学体系中元素丰度分布特性和规律。第10页第10页2 元素在太阳系或宇宙体中丰度 大量科学事实已证实地球与太阳系是联系，因此能够从太阳系形成过程来研究地球演化过程。从元素在太阳系中丰度特性来研究元素在地球中丰度特性变异。通过太阳系及其它星球及陨石、月球结识，增进了对地球早期演化过程理解。 第11页第11页一、太阳系或宇宙中元素丰度研究办法1、 太阳其它星系幅射谱线研究 由于太阳表面温度极高，各种元素原子都处于激发状态，并不断地辐射出各自特殊光谱。比如： Pb 2170 ，Ag 3281 ，

6、Au 2428 太阳光谱谱线数和它们波长主要取决于太阳表层中所存在元素，而这些谱线亮度则取决于下列原因： 1）元素相对丰度；2）温度平共处；3） 压力 在温度和压力固定条件下，元素丰度愈大，则谱线亮度愈强。 光谱分析仪太阳光谱第12页第12页2、 陨石研究 陨石是落到地球上行星物体碎块，天文学和化学方面证据都阐明，太阳系和地球含有共同成因。因此，陨石化学成份是预计太阳系元素丰度以地球整体和地球内部化学构成最有价值依据。 第13页第13页陨石是空间化学研究主要对象，含有主要研究意义： 它是结识宇宙天体、行星成份、性质及其演化最易获取、数量最大地外物质； 也是结识地球构成、内部结构和起源主要资料起

7、源； 陨石中60各种有机化合物是非生物合成“前生物物质”，对摸索生命前期化学演化开拓了新路径； 可作为一些元素和同位素原则样品（稀土元素，Pb、Nd、Os、S同位素等）。 第14页第14页陨石类型铁陨石石陨石 陨石主要是由镍-铁合金、结晶硅酸盐或两者混合物所构成，按成份，分为三类： 1）铁陨石（siderite）。主要由金属Ni, Fe（占98%）和少许其它元素构成（Co, S, P, Cu, Cr, C等）。 2）石陨石（aerolite）。主要由硅酸盐矿物构成（橄榄石、辉石）。这类陨石按照它们是否含有球粒硅酸盐结构，可进一步分为两类：球粒陨石和无球粒陨石。 3）铁石陨石（sidrolite

8、）。由数量上大体相等FeNi和硅酸盐矿物构成，是上述两类陨石过渡类型。第15页第15页 陨石大都是石质，但也有少部分是碳质。碳质球粒陨石有一个典型特点：碳有机化合分子和主要由含水硅酸盐构成。它对探讨生命起源研究和探讨太阳系元素丰度等各个方面含有特殊意义。由于Allende碳质球粒陨石元素丰度几乎与太阳中观测到非挥发性元素丰度完全一致，碳质球粒陨石化学成份已被用于预计太阳系中挥发性元素丰度。第16页第16页 C型碳质球粒陨石元素丰度与太阳元素丰度对比(据涂光炽，1998)第17页第17页 陨石主要矿物构成：Fe、Ni 合金、橄榄石、辉石等。陨石中共发觉140种矿物，其中39种在地球（地壳浅部）上

9、未发觉。 如褐硫钙石CaS，陨硫铁FeS。这阐明陨石是在缺水、氧特殊物理化学环境中形成。第18页第18页陨石平均化学成份 要计算陨石平均化学成份必须要处理两个问题：首先要理解各种陨石平均化学成份；另一方面要统计各类陨石百分比。各学者采用办法不一致。（V.M.Goldschmidt 采用硅酸盐：镍-铁：陨硫铁=10：2：1）。陨石平决化学成份计算结果下列：第19页第19页基本结识： 从表中我们能够看到O、Fe、Si、Mg、S、Ni、Al、Ca是陨石主要化学成份。 依据对世界上众多各类陨石研究，一些基本认识是趋于公认： 它们来自某种曾经分异成一个富金属核和一个硅酸盐包裹层行星体，这种天体破裂就造成

10、各类陨石形成； 石陨石与地球上基性、超基性火山岩矿物组成和化学成份相同，铁陨石与地核化学成份相同，陨石母体在组成上、核结构上与地球极为相同； 各种陨石分别形成于不同行星母体； 陨石年纪与地球年纪相近（陨石利用铅同位素求得年纪是45.50.7亿年）； 陨石等地外物体撞击地球，将忽然改变地表生态环境诱发大量生物灭绝，组成了地球演化史中频繁而影响深远突变事件，为此对探讨生态环境改变、古生物演化和地层划分均含有主要意义。第20页第20页3、 宇航事业 50年代以来，人们相继发射了人造地球卫星和各种地球探测器，对地球高层大气成份进行了测定。另外，还对水星、金星、火星、木星、土星及其卫星大气层结构和成份进

11、行了探测。1969年阿波罗-11登月，采集月球样品380Kg,使得人们对月球化学成份、内部结构、演化历史增添了许多新知识。 宇航员月球车火星车第21页第21页4、依据星体密度和行星表面天文观测资料间接推断化学成份 测量星体密度，而密度与物质成份相关。比如：地球平均密度为5.52, 铁镍相占31.5% 第22页第22页二、元素在太阳系或宇宙中丰度规律 1、太阳系行星和周围星体化学成份相同， 物质成份是统一。 2、发觉了碳质球粒陨石与太阳系中元素比 例几乎同样，认为碳质球粒陨石原始分异 最小，能代表太阳系原始物质成份。 3、非挥发份元素可参考碳质球粒陨石，而挥发 性元素可参考太阳光谱 第23页第2

12、3页元素在太阳系中元素丰度(p28, 表1.8） ： 当把太阳系中元素丰度值取对数分别与相应其原子序数（Z）、原子核中子数（N）或原子核质量数（A）作图，含有下列规律： 第24页第24页 1）元素丰度伴随原子序数增大而减小。元素丰度开始快速减少，然后，在Z45区间近似变为水平线。元素丰度与原子核质量数和中子数之间，也分别存在类似关系。 第25页第25页2）原子序数为偶数元素丰度大大高于相邻原子序数为奇数元素丰度。同时含有偶数质量数（A）或偶数中子数（N）同位素或核类丰度也总是高于相邻含有奇数A或N同位素或核类。这一规律称为奥多-哈根斯法则。 第26页第26页3）质量数为4倍数核类或同位素含有较

13、高丰度，原子序数或中子数为“约数”（2、8、20、50、83、126等）核类或同位素分布最广、丰度最大。比如：4He(Z=2,N=2),16O(Z=8,N=8),40Ca(Z=20,N=20),140Ce(z=58, N=82) 第27页第27页4） 三种低原子序数元素Li, Be, B， 在丰度曲线上出现亏损。5）与元素丰度正常关系，Fe 显示出过剩特性。6）含量最高元素为H, He第28页第28页 对上述规律解释：1）对Z1% 地球中元素丰度次序与太阳系中元素丰度次序显著不同，说明地球原始物质已发生了化学分异第44页第44页原始地球化学分异： (重力不直接控制元素分派，而是控制各主要相相对

14、位置）重力能+撞击动能+放射性热能使原始地球熔融 （位能） 40K 26Al Fe熔化温度在地球形成后 600Ma于几百公里深度即可达到。原始地球金属铁熔融后逐步汇聚成“巨滴”由于重力原因，向地心淹没，同时产生大量位能转化热能，使地球内部温度高达2000。巨滴熔铁淹没时间约需1。与此同时，较轻硅酸盐上浮、形成地幔； 地幔部分熔融，又分异出玄武质岩浆、岩浆结晶分异，形成中酸性岩以上地壳岩石，故地壳中岩石最大年龄不超出40亿年。在分异中，元素分派受其密度和原子量影响较小，主要是受其硅酸盐、硫化物、金属相影响。第45页第45页三、硅酸盐地球平均化学构成 因为壳 -幔与地核分别富集了地球上硅酸盐相和铁

15、-镍相元素组合，它们在地球演化过程中含有不同地球化学行为(即使它们在地球化学过程中可能发生相互作用，并达到动态化学平衡)。因此，为研究人们最关心地壳形成与演化，我们常将地球硅酸部分初始组成作为了解地壳演化参考物质组成，进而提出了硅酸盐地球(Bulk Silicate EarthBulk Earth)平均组成概念。第46页第46页第47页第47页按照既有地球科学理论，地壳形成和增长来自于地幔岩石部分熔融作用形成岩浆。在地壳形成以前，地球应含有基本“均一”初始地幔物质；当地壳开始形成后，部分地幔岩石由于其形成岩浆进入了地壳而发生了化学构成改变，即相对于初始地幔构成，其不相容元素发生了亏损。故由于地

16、壳形成与生长，地球硅酸盐部分演化形成了三个圈层：地壳、亏损上地幔和原始(下部)地幔。我们将地球初始地幔化学构成称为硅酸盐地球平均丰度，其构成计算为地球平均化学构成减去地核部分。原始地幔化学构成请参考文献： Sun, S.-S., McDonough, W.F., 1989.Chemical and isotopic systematicsof oceanic basalt: implications for mantle composition and processes. In: Saunders, A.D., Norry, M.J. (Eds.), Magmatismin the Ocea

17、n Basins. Geol. Soc. Spec. Publ. 42, pp. 528548. 第48页第48页 4 地壳元素丰度 研究地壳元素丰度是地球化学一项主要基础任务，始终受到各国地球化学家关注，地壳中元素丰度是地球各层圈中研究最详细。一、地壳元素丰度拟定办法 1 、早期克拉克计算法： 是由美国F.W.Clarke和H.S.Washington于1924年发表地球化学资料中计算出来，后人称元素在地壳中丰度为克拉克值。 他们思绪是在地壳上部16公里范围内（最高山脉和最深海洋深度靠近16公里）分布着95%岩浆岩，4%页岩，0.75%砂岩， 0.25%灰岩，而这5%沉积岩也是岩浆岩派生，因

18、此认为岩浆岩平均化学成份事实上能够代表地壳平均化学成份。第49页第49页第50页第50页2简 化 研 究 法 1）Goldschmidt采集了挪威南部冰川成因粘土（77个样）用其成份代表地壳平均化学成份，其结果与克拉克结果相同，但对微量元素丰度做了大量补充和修订。 2) 维诺格拉多夫（1962）岩石百分比法是以两份酸性岩加一份基性岩来计算地壳平均化学成份。 3）SR泰勒（1964、1985）岩石百分比法是以一份酸性岩加一份基性岩来计算地壳平均化学成份。 第51页第51页3按 照 地 壳 模 型 加 权 法 A.波德瓦尔特（A.Polderraat）和A.B罗诺夫(A.B.POHOB) 及我国黎

19、彤专家采用采用此办法。优 点 ：1）按当代地壳结构模型计算； 2）包括2/3以上大洋地壳； 3）考虑了地壳物质随深度改变特性。计算办法： 1）对地壳进行分区，求出各区质量2）求出各区各岩类岩石中元素含量3）求出各区中元素丰度 4）按厚度加权平均 第52页第52页 到当前为主，已经发表了许多作者元素在地壳中丰度，对比这些表中数据可见，尽管各家采取计算方法不同，但所得地壳主要元素预计值还是相互靠近，丰度较大元素在含量上无显著差异，而属于那些丰度小或在地壳中分派不均一稀有分散元素和形成易挥发溶解化合物那些元素差异较大。第53页第53页第54页第54页（粗线表示偶原子序数元素，细线为奇原子序数元素）地

20、壳中元素原子克拉克值（对数值）与原子序数曲线第55页第55页 2. 从图上能够看出伴随原子序数增大，元素丰度曲线下降。与太阳系元素分布规律相同；偶数元素丰度不小于奇数元素丰度。但这些规律不如太阳系元素丰度曲线所反应规律那么明显。 这阐明地壳元素丰度与太阳系元素丰度特性既有统一性又有区别。 第56页第56页3. 对比地壳、整个地球和太阳系元素丰度数据发觉，它们在元素丰度排序上有很大不同：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

21、整个地球相比，则明显贫Fe和Mg，同时富集Al, K和Na，这种差别阐明什么呢？ 由宇宙化学体系形成地球演化（核化学）过程中必定伴伴随气态元素逃逸。 而地球原始化学演化表现为较容易熔碱金属铝硅酸盐在地球表层富集，而较重难熔镁、铁硅酸盐和金属铁则向深部集中。 第57页第57页注意点： 地壳中元素丰度不是固定不变，它是不断改变 开放体系。 地球表层H, He等气体元素逐步脱离地球重力场； 天天降落到地球表层地外物质102105吨； 地壳与地幔物质互换； 放射性元素衰变； 现今地壳中元素丰度特性是由元素起源到太阳系、地球、（地壳）形成和存在至今这一段漫长时期内元素演化历史最后止果。第58页第58页三

22、 地壳元素丰度研究意义 元素地壳丰度“元素克拉克值”是地球化学中一个很主要基础数据。它拟定了地壳中各种地球化学作用过程总背景。它是衡量元素集中、分散及其程度标尺，本身也是影响元素地球化学行为主要原因。第59页第59页碱金属元素第60页第60页第61页第61页 为何？ 由于地壳中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条件。（酸性岩浆岩造岩矿物总是长石、石英、云母、角闪石为主）。 自然界浓度低元素很难形成独立矿物。 硒酸锂：Li2SeO4 硒酸铷：Rb2SeO4 但也有例外：“Be”元素地壳丰度很低，但可形成Be独立矿物：Be3Al2Si6O1

23、8（绿柱石）第62页第62页3) 限制了自然体系状态试验室条件下：对体系赋予不同物理化学状态自然界：体系状态受到限制，其中一个主要原因就是元素丰度影响 O2（游离氧） 氧化还原环境 H+ (pH) 溶液酸碱度4）对元素亲氧性和亲硫性限定 在地壳O丰度高，S丰度低环境下，Ca元素显然是亲氧。 在地幔，陨石缺O富S环境，能形成CaS（褐硫钙石）第63页第63页 2. 地壳克拉克值可作为微量元素集中、分散标尺 1）可认为阐明地球化学省（场）特性提供原则。资源：Mo地壳丰度1 10-6，东秦岭Mo区域丰度 2.3 10-6， Mo地球化学省。环境：克山病病区：土壤有效Mo、饮水Mo含量、 主食中Mo含

24、量普遍低于地壳背景，造成 人体Mo低水平。第64页第64页2）批示特性地球化学过程 一些元素克拉克比值是相对稳定，当发觉这些元素比值发生了改变，示踪着某种地球化学过程发生。 Th/U（3.33.5）, K/Rb, Zr/Hf, Nb/Ta在地壳环境下，性质相同，难以彼此分离，有相对稳定比值。 一旦某地域、某地质体中某元素组比值偏离了地壳正常比值，示踪着某种过程发生。 Th/U 2 铀矿化 Th/U 8-10 钍矿化第65页第65页第66页第66页四、 地壳元素分布不均一性 整个地球元素分布是不均匀，地壳也是同样，地壳元素分布无论在空间上及时间上都是不均一（这与地壳，乃至于地幔物质分异整体过程联

25、系起来）。第67页第67页1. 空间上分布不均一性 垂向深度（陆壳）：上下地壳元素丰度不均匀性： 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 1: Ca, Si, Zr, Nd, Pb等. Ri 1: Cl, C, Cs, K, Rb, U,Th, Bi, Tl, Nb等.反应了地壳物质在分异调整过程中宏观趋势。第68页第68页横向分布：大陆地壳和海洋地壳不均一性 洋壳：占地球表面60% 以上，厚5-16KM，它们化学成份与地幔物质相同，以镁、铁硅酸盐为主，主要分布着Cr, Fe, Ni, Pt

26、等亲铁元素。 陆壳：占地球表面30%，厚30-50KM，它们化学成份由铝、钾硅酸盐构成，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。第69页第69页2. 时 间 上 地 壳 元 素 分 布 不 均 一 性 伴随地质历史发展，元素活动与分布有着明显规律性。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） （

27、Sn, Nb, Ta等）第70页第70页 世界部分大陆（北美、南非、印度）不同地史时期成矿元素改变规律: 前寒武纪： Pt, Fe, Ni, Co, Au, U(占这些元素储 量50%以上); 古生代: 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.第71页第71页 5 区域地壳元素丰度研究一、区域元素丰度研究意义它是决定区域地壳（岩石圈）体系化学特性主要基础数据； 为研究各类地质、地球化学作用、分析区域结构演化历史及区域成矿规律提供主要基础资料；为研究区域生

28、态环境，为工业、农业、畜牧业、医疗保健等事业提供主要信息。第72页第72页二、区域元素丰度研究办法1 、拟定区域范围：依据工作任务和性质来拟定；2、建立地壳结构模型（地球物理）3、地壳岩石结构模型： 1）沉积盖层岩石构成及厚度 2）中、下地壳岩石构成及厚度 3）岩浆岩类型及分布百分比第73页第73页三、区域地壳丰度计算1、样品采集 采用结构-地层分区与原则剖面结合采样方案，对于岩体，采用路线穿越采样。2、样品分析与数据质量 多元素、多办法主量元素：湿化学分析微量元素：仪器分析分析准确度（相对原则偏差）：5-10%分析准确度：由国内、国际标样监控。第74页第74页3、丰度计算1）计算各地层单元中

29、每类岩石元素丰度，并进行厚度加权平均， 计算上、中、下地壳元素丰度2）计算各岩体中元素丰度，并按岩体出露面积进行加权平均，计算岩 浆岩总体中元素丰度3）按岩浆岩和地层质量或出露面积加权平均计算区域地壳总体中元素丰度4）对结构复杂地域，必须先进行结构分区，然后按结构区质量百分比进行加权取得总体地壳中元素丰度第75页第75页四、区域元素地壳丰度资料应用1、提供区域地壳地球化学特性总背景2、地壳不同结构层元素丰度对比（上、下地壳分异）3、区域各结构单元地壳组成对比4、地壳演化（地层、岩浆作用、结构作用）5、区域成矿规律、生态环境、农业等第76页第76页 西班牙Barranco del Gredero K/E剖面Ir含量改变时间尺度：Ir 元素丰度在K/E界线上突变，意味着什么？空间尺度：在世界各地K/E界面上Ir 元素丰度亦有相同变异，这示踪着什么？18O, 13C突变Ir(10-9)第77页第77页6 元素在岩石和矿物中分派一、各类型岩石中元素分派 自学二、 岩石中元素在构成矿物间分派 在岩石中