人类健康与地质环境

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第四讲人类健康与地质环境

•预备知识

•丰度与原生环境

•人体与地球化学组成的关系

•原生地球化学异常与人体健康

•地质环境污染与人体健康

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思考题

•解释元素的丰度、常量元素、微量元素、原生地球化化学环境等概念？

•论述人体与地球化学环境的关系？

•论述地球化学环境的地带性成因？

•地质环境中元素迁移与转化规律有哪些？

•从地质环境角度谈一谈人类健康与长寿的机密？

•什么是地方病？我国主要有哪些地方性疾病？这些地方病多发地区的地质环境特征有

哪些？

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一、预备知识

•元素的基本性质

•元素类型划分

•元素的离子半径

•元素的电负性

•岩矿的离子类型

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1.元素的基本性质

•离子半径(原子半径)：是说明离子或原子大小的数值。

•电负性(X=I+E)：即元素的原子在化合物中吸引电子能力的标度，也称电负度或相对

电负性。

•电离能(I)：即基态的气态原子或离子失去一个电子所需要的最小能量。电离能很大

程度上决定元素的金属性和非金属性。

•电子亲和能(E)：即原子或离子获得电子的能量。

•化学键：离子键、分子键、金属键、共价键。

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2.元素类型划分

Ml

兀

周期表

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3.元素的离子半径

阴离子半径一般较大(2.20~1.32),阳离子半径一般较小(1.67~0.13)；一种元素，正

价越高，半径越小；在元素周期表上，同一族元素的离子半径随周期数的增加而加大。

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4.元素的电负性

H

2.1

LiBeBCNOF

11.522.533.54

NaMRAlSiPSCl

0.91.21.51.82.12.53.0

KCaScTiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBi

0.81.01.31.51.61.61.51.81.91.91.91.61.61.82.02.42.8

RbSrYZi-NbMoTcRuRliPdAgCdInSnSbTeI

0.81.01.21.41.61.81.92.22.22.21.91.71.71.81.92.12.5

CsBaLa*HfTa\VReOsIiPtAuHgTlPbBiPoAt

0.70.91.0〜1.21.31.5i.72.22.22.22.41.91.81.91.91.92.02.2

FrRaAc**

0.70.91.4-1.3

同族元素，自上而下变小；同周期元素，自左到右增大。

•非金属元素，电负性越大越活泼；金属元素，电负性越小越活泼。

•过渡元素的电负性无明显规律。

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5.岩矿的阳离子类型

图例惰性气体型离子铜型离子过渡型离子

•----------------------------------

根据电子层构型将阳离子划分为：惰气体型（外层电子数2个或8个）、铜型（外层电

子数18个或18+2个）和过渡型（外层电子数在9~17个之间）三类。

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二、丰度与原生环境

•元素的丰度及其分类

•原生环境及其分类

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6.元素的丰度及其分类

•元素的丰度：是指元素在被研究对象中的相对含量，常用质量百分数表示。地壳元素

的丰度也称克拉克值。

•常量元素：也称多量元素。是指质量含量不小于0.01%的元素。

•微量元素：也称痕量元素。是指质量含量小于0.01%的元素。

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7.原生环境及其分类

•原生环境：指由地壳、空气、水等组成的未被人类改造的地质环境。原生环境对人体

具有良性和恶性两个方面的作用。

•原生地球物理环境：包括地球物质组成及地磁场、地温场、重力场、放射性场等。

•原生地球化学环境：主要是指原生环境的地球化学组成。

•地质环境中某种元素缺乏或者过高的现象，称为原生地球化学异常。

•致病环境因素：即造成人体机病的环境因素。

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二、人体与地球化学组成的关系

•人体与地球化学组成的关系

•人体元素的生理功能

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8.人体与地球化学组成的关系

•相似性与亲缘关系：除了人体原生质中的主要成分碳、氢、氧、氮和地壳中的主要成

分硅以外，其他化学元素在人体血液中的含量和地壳中这些元素的含量分布规律具有

惊人的相似性，由此可以说明人体化学组成与地壳演化具有亲缘关系。

•现代人体的化学成分是人类长期在自然环境中吸收交换元素并不断进化、遗传、变异

的结果。

•人体中某种元素的含量与地壳元素标准丰度曲线发生偏离，就表明环境中该种元素对

人体健康产生了不良影响。

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汉密尔顿试验成果

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地壳中的元素

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地壳中的元素

化学

序号元素上陆壳中陆壳下陆壳陆壳整体洋壳

符号

1氧O46.60°o4N40Qo46。646.71°o46.19

2硅Si27.72°o27.710o27®o2169。。28.29

3铝Al8.130o8.20%8.2%8.07%8.23Q

4铁Fe5.00%4.10%6.3%5.05%5.639

5钙Ca3.639o4.10%5・0。。3.65%4.159

6钠N；i2.83Qo2.309o230°o2.75%2.36Q

7

钾K2.59Qo2.10%1.50°o2.58。。2.09°

8镁Mg2.090o2.30%2.90°o2.08°o2.330

9钛Ti0.449。0.56%0.66%0.62%0.569

10氢H0.14»oN/A0.15°o0.14%0.140

11磷P0.120o1000ppin1000ppin1300ppm1050p

12镒Mn0.10®o950ppm1100ppm900ppm950pi

13氟F0.08®o950ppm540ppin290ppm585Pl

14领Bn500ppm340ppin500ppin425Pl

15碳C0.03%480ppm(0.048%)1800ppm(0.18°o)940ppm200ppm(0

16铁Si370ppm360ppin370pi

r硫S0.05%260ppm420ppin520ppin350pi

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地壳中的元素

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地壳中的元素

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地壳中的元素

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岩石中的元素

化学

序号元素上陆壳中陆壳下陆壳陆壳整体洋壳

符号

69瑞Te0.005PPm0.001ppm0.001p

70伯Pt0.003PPm0.037ppm0.005p

71金Au0.0011ppm0.0031ppm0.004p

72钉Ru0.001ppm0.001ppm0.001])

73毋P(l0.0006ppm0.0063ppm0.015p

74锦Re0.0004ppm0.0026ppm0.0007

75镂Rh0.0002PPm0.0007ppm0.0011)

76钺Os0.0001ppm0.0018ppm0.0015

77侬Ir0.0000003ppm(?)0.0004ppm0.001p

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岩石中的元素

•岩石中的微量元素类型：

•稀土元素(REE)：原子序数57-71的镯系元素以及与镯系相关密切的铳和铝共17种元

素，分别是La,Ce,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu,Sc,

Yo

•粕族元素(PGE)：即原子序数从44至46以及76至78的元素，也称之为贵金属元素,

包括Ru,Rh.Pd,Os,Ir,Pt,(Au)。

•过渡金属元素：即原子序数从21至30的元素，包括Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,

Cu,Zno

•高场强元素(HFSE)：包括锢系元素，Sc和Y,及Th,U,Pb,Zr,Hf,Ti,Nb,Ta。

•低场强元素(LFSE)：又称大离子亲石元素(LILE)。包括Cs,Rb,K,Ba,Sr,Eu2+和

Pb2+o

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土壤中的元素

•土壤中发现60多种元素，其中：

•土壤养分是指由土壤提供的植物生长所必须的营养元素，能被植物直接或者转化后吸

收。包括氮(N)、磷(P)、钾(K)、钙(Ca)、镁(Mg)、硫⑸、铁(Fe)、硼(B)、铝(Mo)、锌(Zn)、

锦(Mn)、铜(Cu)和氯(Cl)等13种元素

•大量元素：氧、硅、铝、铁、钙、镁、钾、钠、钛等

•微量元素：硫、磷、锦、铜、锌、硒等

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地下水中的元素

•地下水是一种复杂的天然水溶液，其中溶解有各种不同的离子、分子及多种气体。

•天然地下水中有60种元素，其中：

•常量元素：氢、氧、氯、硫、碳等5种非金属元素及钾、钠、钙、镁等4种金属元素。

•微量元素：氮、磷、铁、镒、铜、锌、硒等。

•元素在地下水中的含量取决于它在地壳中的含量及溶解度。

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动植物体中的元素

•动植物体发现60多种元素，其中：

•C、H、0、N、P、S、K、Ca、Mg等称为常量元素。其中C、H、0、N、P、S称为主要

素元；C、H、0、N为基本元素；C称为最基本元素。

•微量元素：Fe、Cu、Zn、Mn^Co、Se、Mo、F、Cr、Ni、V、Sn、Si、As、Ba、Cd、Sr>

Br等。

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9.人体元素的生理功能

•人体内的微量元素虽然甚少，但在生物化学过程中却起关键性的作用，它们作为酶、

激素、维生素、核酸的成分，维持生命的代谢过程。

•在酶系统中起特异的活化中心作用。

•在激素和维生素中起特异生理作用。

•输送宏量元素的作用。

•微量元素在体液内与钾、钠、钙、镁等离子协同，可起调节渗透压、离子平衡和体液酸

碱度，以保持人体的正常生理功能。

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微量元素的生理功能

•人体内元素错综复杂的拮抗和协同作用影响体内的生理平衡，对人体健康具有重要意

义。

•人体必须的微量元素有15种：Fe、Cu、Zn、Mn、Co、Se、Mo、F、Cr、Ni、V、Sn、

Si、ASo另外有4种尚未定论，包括Ba、Cd、Sr、Br。

•有些微量元素对人体不起生理功能作用：错、锄、银、铝、硼、金、银、钛等。

•有些对人体有毒害作用：碎、镉、汞、铅、睇、铭及稀土金属等。

岩浆岩与沉积岩的平均化成分（按元素%）

地壳岩石的平均沉积岩（费尔斯

沉积岩（EE.岩浆:

元素成分（YM.哥德斯曼1934和维诺

魏克曼1954）和FJ

密特和B.麦松）格拉多夫1950）

O46.6049.9546.0

Si27.7227.5528.7

Al8.136.939.5

Fe5.003.905.8

Ca3.633.820.4

Mg2.091.531.4

K2.592.332.6

Na2.830.821.0

Ti0.440.340.6

C——2.01——

其他0.260.834.0

总计99.29100.00100.0

化学

序号元素上陆壳中陆壳下陆壳陆壳整体洋壳

符号

52祖TA2ppm1.7ppm2.0pp

53错Ge1.8ppin1.4ppin1.5pp

54铝Mo痕量1.5ppm1.1ppm1.2pp

55碑As1.5ppm2.1ppm1.8pp

56钦Ho1.4ppm1.2ppm1.3pp

5"钺Tb1.1ppin0.94ppin1.2pp

58钱Tm0.48ppin0.45ppin0.52pi

59澳Br0.37ppm3ppm2.4pp

60饪T10.6ppin0.530ppm0.850p

61锚Sb0.2ppin0.2ppin0.2pp

62碘I痕量0.14ppin0.490ppm0.450p

63镉Cd0.11ppin0.15ppm0.15pi

64银Ag0.0"0ppin0.080ppin0.075p

65汞Hg0.05ppin0.067ppm0.085p

66硒Se痕量0.05ppin0.05ppm0.05pi

6一锢In0.049ppin0.160ppm0.250p

68铤Bi0.048ppin0.025ppm0.00851)

化学

序号元素上陆壳中陆壳下陆壳陆壳整体洋壳

符号

35短Ga18ppm19ppm19pp

36铳Sc16ppm26ppm22pp

37铅Pb14ppm10ppin14pp

38镑Sin7.9ppm6ppm7.05PI

39牡Th12ppin6ppm9.6pp

40错Pr9.5ppm8.7ppin9.2pp

41硼B痕量950ppm(?)8.7ppm10pp

42牝G<17.7ppm5.2ppm6.2pp

43铜Dy6ppin6.2ppin5.2pp

44饴Hf5.3ppm3.3ppin3.0pp

45银Er3.8ppm3.0ppin3.5pp

46镜Yb3.3ppm2.8ppm3.2pp

47钿Cs3ppm1.9ppin3ppi

48镀Be2.6ppm1.9ppm2.8pp

49锡Sn痕量2.2ppin2.2ppin2.3pp

50情Eu2.1ppin1.8ppm2.0pp

51铀U无1.8ppin2.7pp

化学

序号元素上陆壳中陆壳下陆壳陆克整体洋壳

符号

18错Z1190ppm130ppm250ppm165

19铝W160.6ppm190ppm1.25ppm

20帆V0.01。6160ppm190ppm120pji

21氯C10.05%130ppm170ppm450ppm145Pl

22铭Ci0.019b100ppm140ppin350ppm102pi

23珈Rb0.03%90ppm60ppin90pp

24锲Ni80ppm90ppm190ppm84pp

25锌Zn痕量75ppin”ppm70PP

26铜Cn0.01%50ppm68ppin60pp

2-钵Ce68ppm60ppm66.5p]

28铉Nd38ppm33ppm41.5p|

29偶La32ppm34ppin39pp

30钮Y30ppm29ppin35pp

31氮N0.005%25ppm20ppm19pp

32钻Co痕量20ppm30ppin25Pp

33锂Li20ppm17ppin20pp

34银Nb20ppm17ppin20pp

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成人的微量元素需求量

注：摘自胡汉升，环境医学.北京：中国环境科学出版社,1986

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三、原生地球化学异常与人体健康

•地球化学环境的地带性特征

•地质环境元素的迁移与富集

•原生地球化学异常对人体健康影响

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10.地球化学环境的地带性特征

•元素的化学活动与水、温度、生物、土壤等因素密切相关。而水、温度、生物、土壤

等具有经度、纬度地带性和垂直分带性，因此元素迁移具有地带性。

•地球化学环境按地理纬度从北向南可分为：酸性、弱酸性还原的地球化学环境；中性氧

化的地球化学环境；碱性、弱碱性氧化地球化学环境；酸性氧化的地球化学环境。

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中国自然地理与地球化学环境

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11.地质环境中元素迁移与富集

•元素迁移：在一定环境条件下元素通常稳定并保持平衡状态；当环境条件发生变化时,

元素随之发生变化而发生转移，并在新的环境条件下发生重新组合与再分布。

•元素分散与集中：是以克拉克值为比较标准的相对概念。当一元素的浓集克拉克值小于

1时，则称该元素分散，其浓集克拉克值大于1时，则称该元素集中。

•元素富集：是指元素及其化合物在迁移过程中因物理吸附（泥沙、胶体）、化学沉淀和生

物吸收等作用而积聚于环境介质中的现象。

位置气候带植被带土壤带

寒带落叶针叶林棕色针叶林1：

酸

温带落叶阔叶林暗棕壤、棕壤褐土

东部地区,I1

亚热带常绿阔叶林火标块、火红堆、红块

了，

热带季雨林砖红壤性土、砖红壤

森林草原黑钙土、黑环1:

,I1

草原栗钙上、灰钙上

nl

温带1则

荒漠、半荒漠灰棕漠土、风沙土

西北地区荒漠、裸露荒漠棕漠土、风沙土.、盐上

森林草甸高草甸上

高寒带草原高山草原土处

'-44/高山寒漠上境

微量元素一H需要

Fe12mg

Zn10~15ir

F1.5mg

Cu0.03mg/kg

I0」4nMc

Mil0.005-0.0

SeO.O2-O.O5

Cr0.002-0.00：

Mo0.002mg/kg

Co0」〜031

V0.1〜0.3ii

106

人体血液与地壳化学元素含量分布的相似性

（摘自扬忠芳，现代环境地球化学.北京：地质出版社，1999）

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地质环境元素迁移的方式

•按介质类型划分为：水、空气、生物

•按物质运动的基本形态划分为：机械、物理化学、生物

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地质环境元素迁移的影响因素

•元素性质：化学键、化合价、离子半径、电负性、离子类型等

•pH值：主要指土壤和地下水的酸碱度。

•Eh值：氧化环境和还原环境下元素的迁移不同。

•络合作用：经络合作用，特别是羟基络合作用、氯离子络合作用的重金属离子易于溶

解和迁移。

•腐殖质：有机体吸附与交换，腐殖酸的敖合作用与络合作用。

•胶体吸附作用：气候湿润、酸性水、有机质丰富。

•气候条件：包括直接和间接影响。

•地质地貌条件：山地为元素的淋失地区，而低平地为元素的堆积富集区。

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元素迁移强度分级

元素迁移序列迁移序列的组成数量级别

1.强烈移失的Cl(Br,I),Sn•10

2.易移失的Ca,Na,Mg,Kn

3.可移失的SiO2(硅酸盐),P,Mnn•10-1

4.略可移失的Fe,Al,Tin•10-2

5.实际上不移失的SiO2（石英）n•10-6

•母岩的主要造岩元素或化合物在风化过程中转移顺序及其数量级别（据波雷诺夫,

1948；转引自彼列尔曼，1953)

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12.原生地球化学异常对人体健康的影响

•原生地球化学异常影响人体正常生理功能，当这种异常超出了人体生理调节能力时，

人体某些组织或生理功能可能发生病变。

•元素的迁移与富集是造地球化学环境的地带性和异常的根本原因。一般的规律是：在

元素受到强烈淋溶的寒温带地区、元素缺乏的沙土地区或元素难以释放的沼泽地区，

容易发生元素缺乏症，相反，在元素浓集的十旱地区和火山喷发区，又容易发生元素

中毒性疾病。

•最常见的地球化学性地方病主要有：甲状腺肿、氟中毒、克山病、大骨节病等。

地方性甲状腺肿

•正常(100〜300ug)

•碘缺泛(少于50ng)

•碘过量

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地方性氟中毒

•氟的主要来源：岩矿风化；火山喷发；工矿企业“三废”。

•高氟分布区带：

•人体中氟正常含量2.6g,每天需要量lmg左右，如果超过4mg则会中毒，轻者“斑釉

病”，重者“氟骨症”。

•火山活动区发病带；

•高氟岩石出露区和氟矿区发病带；

•富氟温泉区发病带；

•干旱、半干旱富氟地区发病带。

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地方性大骨节病

•致病原因尚不明确：生物地球化学说；食物性真菌中毒说；综合生态效应说等。

•大骨节病的地质环境类型：

影响因素利于流行不利于

原地形地貌极地、高山、内陆山区平原、沿海、盆地

生地质作用侵蚀、冲刷严重侵蚀、冲刷程度轻

环花岗岩、石英岩；土层薄、有玄武岩、海相页岩；土

岩上组成

境机质少：砂土、灰化上泽土、黑土、栗色上、

匕工

降水降的集中，降水大量于蒸发量降雨量分散，蒸发占优

候

食物当地产植物性食品为主饮食多样化，海产品、

生

饮水地表软化或石灰化水矿化度高的井水或泉水

活

致甲状腺肿物质有无

卫

生活卫生条件不良良

生

防治措施无仃

•表生天然腐殖环境病区一一低洼地区；

•沼泽相沉积环境病区一一干旱、稀疏草原;

•黄土高原残源沟壑病区；

•沙漠沼泽沉积环境病区。

幻灯片39

地方性克山病

•致病原因：饮水中的腐殖酸过高。此外，环境亚硝酸盐和领含量过高；水中有机物耗

氧量过高；饮水中