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1、元素的丰度及地球化学性质元素的丰度及地球化学性质 （元素的分布与分配原理）（元素的分布与分配原理） 主要内容主要内容 元素的丰度 元素地球化学性质（行为） 元素的地球化学分类 元素丰度的概念 1元素丰度（abundance of elements） 化学元素在一定自然体系中的相对平均含量。 2元素丰度的广义概念: 元素丰度是该自然体系中i个元素含量的幂函数的连 乘，用符号A表示 由上式，元素的含量常用符号C表示。除元素的含量外，常见的广义的 元素丰度（用符号A表示）还包括： 该自然体系中某两种元素含量的比值（如：Th/u），称元素含量比。 该自然体系中某种元素含量的倒数（如：1/La），称元素
2、含量倒数。 该自然体系中某两种或两种以上元素含量的乘积（如：SmTb）；称元素含 量积。 该自然体系中某种元素含量的平方值（如：Ce2），称元素含量平方。 该自然体系中某种元素含量的开方值，称元素含量方根。 该自然体系中两种以上积、商、平方和开方值的多种组合。 一、元素的丰度一、元素的丰度 微量元素 .相对概念：含量小于.的元素 .地球化学中的概念：在矿物、岩石、岩浆等地质体中 含量很低并遵守亨利定律（稀溶液定律）的元素。（元素 的分配系数与体系中该元素的浓度无关，只与其地球化学 性质有关。即在地质作用过程中，当某元素的地球化学行 为不受该元素含量影响时，这个元素称为微量元素） 一、元素的丰度
3、一、元素的丰度 分配系数当体系处于平衡状态时，元素 （i）在两个相A和B之间的分配 。 两个相可以是固相/液相、固相/固相、液相/液相 或熔体相/液相、熔体相/固相等。 分配系数（D）在遵守享利定律的浓度范围内与 元素的浓度无关。 二、元素的分配系数二、元素的分配系数 在地质体或地质作用过程中，元素的地球化 学行为用分配系数表示。 在生物体或生物作用过程中，元素的化学行 为用富集系数或吸收系数表示。 在水体中元素的地球化学行为用分配系数或 滞留系数表示。 二、元素的分配系数二、元素的分配系数 元素的分配系数元素的分配系数 地质体中元素的分配系数： 两个相可以是矿物/流体、矿物/岩浆、流体/岩浆
4、、气体/流体等 或流体（1）/流体（2）、矿物（1）/矿物（2）、熔浆（1）/熔浆（2）等 生物中元素的分配系数 植物/土壤，鱼/水等 植物中元素的（富集）吸收系数： 元素的分配系数元素的分配系数 水体中元素的滞留系数（Rd ） 滞留系数（Rd ）和分配系数（Kd ）的关系 元素的分配系数元素的分配系数 元素的地球化学分类涉及 到无机环境中的地球化学分类 和生物地球化学分类。 三、元素的地球化学分类三、元素的地球化学分类 元素的地球化学分类主要体现了元素的地 球化学性质或地球化学行为，原子的外电 子层结构和离子大小对元素的地球化学性 质起决定性作用。 离子电位是离子大小和离子电荷的综合作 用效
5、果，决定了离子吸引价电子的能力。 I形成自由离子； II形成复杂络离子； III形成多元酸阴离子； IV形成CO32-、SO42-型阴离子 按元素是否遵守亨利定律，将元素分为两大类： （1）非亨利元素，如Si、O、Al等造岩元素。 （2）亨利元素，遵守亨利定律的元素。这类元素按分配系数大小可以进一 步分为： （a）相容元素（D1），在固、液相分配中，该类元素趋向于在固相富 集（相容），在液相亏损。如Cr、Ni、Co等。在岩浆体系中，相容元素又称 憎岩浆元素。 （b）不相容元素（D1），在固、液相分配中，该类元素趋向于在固相 亏损（不相容），在液相富集。在岩浆体系中不相容元素又称亲岩浆元素。 不
6、相容元素中D1的（一般D0.1）称强不相容元素或强亲岩浆元素。 如Th、U、K、Rb、Cs、Nb、Ta和La、Ce等。 （c）中性元素(D=1)。自然界不存在真正的中性元素，一般将D1的相 容元素和不相容元素称为中性元素，如Ga、Zn等。 三、元素的地球化学分类三、元素的地球化学分类 高场强元素 Nb、Ta、Zr 、 Hf 、 P 三、元素的地球化学分类三、元素的地球化学分类 碱金属 碱土金属 贵金属 黑色金属 有色金属 稀有元素 稀土元素 分散元素 三、元素的地球化学分类三、元素的地球化学分类 粗实线为亲铁元素；细实线为亲石元素；虚线为亲铜元素； 点线为亲气元素 三、元素的地球化学分类三、元
7、素的地球化学分类 戈尔德施密特的元素地球化学分类 亲石元素：亲氧性，形成氧化物、氢氧化物和含氧酸盐。 典 型的有U 、 Th 、 K、Na、Ca、Mg、Si等. 亲铜元素：亲硫性，形成硫化物、对硫化物。典型的有Cu、 Pb、Zn等. 亲铁元素：两性元素，过度族元素。既可以形成氧化物，也 可以形成硫化物。典型的有Fe. 亲气元素：包括惰性气体元素，以及易于形成气体分子N2、 O2、CO2、H2O等的高电负性元素。 三、元素的地球化学分类三、元素的地球化学分类 根据微量元素的营养作用特征及生理功能可分为四类： 1、生命元素 2、 毒性元素 3、 潜在毒性和放射性元素 4、无毒性稳定性元素（非必需元
8、素） 任何有益或有害元素都是相对的。 四、元素的生物地球化学分类四、元素的生物地球化学分类 元素的生物学分类周期表示意图 四、元素的生物地球化学分类四、元素的生物地球化学分类 生命元素 1生命组成元素（生物必须大量元素） 它们在人体及生物体中含量最高，可占人 体99%以上，主要是元素周期表中原子序 数小的元素，包括：H、C、N、O、Ca、P 、K、S、Cl、Na、Mg。 四、元素的生物地球化学分类四、元素的生物地球化学分类 2生命必需元素（生物必需微量元素） 它们是人体维持正常机能所必需的元素Li、B、F、Si、V、Cr、Mn、Fe 、Co、Ni、Cu、Zn、Se、Mo、Br、Sn，I等。约占
9、人体重量的0.025% ，它们在人体中的不足或过剩都会影响健康，甚至危及生命。对于必需 元素，法国Bertrand 提出了最适营养浓度定律。动植物缺少某种必需元 素时就不能成活；当元素适量时，它就能茁壮成长；过量时就有毒害。 此外，在某些生物非必需元素中，有些微量元素对生物似乎起着某些有 益的作用，但对其生物学性质又不是很清楚，所以还不能肯定是生物必 需微量元素。因此，有人将这类元素划分为可能的生物必需元素。它们 包括：Ti、Ge、As、Rb、Sr等。 四、元素的生物地球化学分类四、元素的生物地球化学分类 毒性元素 Cd、Sb、Te、Hg、Pb、Ga，In等。 这些元素对生物无明显的有益作用，
10、而只 有毒性。 四、元素的生物地球化学分类四、元素的生物地球化学分类 潜在毒性和放射性元素 Be、Bi、Tl、Th、U、Po、Ra、Ba。 四、元素的生物地球化学分类四、元素的生物地球化学分类 无毒性稳定性元素（非必需元素） 该类元素的地球化学性质稳定，多呈氧化矿物 或自然元素状态产出，并多数呈副矿物。由于 它们在地壳中含量极低，故在生物体内的含量 极微，至今未见到它们对生物体有毒性的报道 。它们包括：Al、Zr、Hf、Sc、Y、Nb、Ta、 Ru、Os、Ir、Pd、Pt、Ag、Au等。 四、元素的生物地球化学分类四、元素的生物地球化学分类 生物最适营养浓度定律 德国科学家伯特兰德（G.Ber
11、trand，1813- 1878）在对Mn与植物生态关系的研究中，发现植物 缺少某种必需元素时就不能成活。元素适量时，植物 就能茁壮生长。当元素过量就显示出它对植物的毒性 ，甚至导致死亡。这一现象被称为伯特兰德定律,即 生物最适营养定律。 四、元素的生物地球化学分类四、元素的生物地球化学分类 生物最适营养定律 生物最适营养定律 生物最适营养浓度定律 生物必需元素生理效应图应图 解 有毒元素效应有毒元素效应是由施罗德（是由施罗德（H.A.SchroederH.A.Schroeder）提出，）提出， 他研究发现，对于有毒元素的他研究发现，对于有毒元素的“ “容忍性容忍性” ”因元素性质不同存因元素性质不同存 在很大差异：在很大差异： l Cd、Hg的容忍量极小 l Pb等元素生物对其有一定的容忍量 l 而Sb、Sn等元素，生物对它们有较大的容忍量（见图）。 这两个理论对生态环境地球化学有重要的指导意义。 耐 量 极 毒 元 素 Cd Hg 中 等 有 毒 元 素 Pb 微 毒 元 素 Sb Sn 浓度 放射性元素的毒性具有双重性 1、放射毒性 2、化学毒性 后者未引起足够的重视
