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1、地球化学（一）概述 张德会：同学们，今天给大家讲地球化学，什么是地球化学？他在地球科学中的地位如何？地球化学是地球化学的分支学科，那么地球化学研究的主要内容是什么？地球科学大家庭中的一个新成员在半个多世纪以来，地球化学是迅猛发展，已经成为地球科学的中心学科，他的根本原因是什么？地球化学对于地球科学的作用体现在哪里？那么在本次课程中，我们分五个部分来讲解地球化学。 这里面显示的第一个是概述，第二个是元素的地球化学分类，第二是元素在地球和地壳中的分布和分配。三是微迹元素地球化学及其研究意义。五是同位素地球化学及其研究意义。 我们先谈第一个问题概述。这一张卡通片是目前地质学家在等矿产资源大国的社会地
2、位的一个显现这一位警察说：“Out of the way，you fool！a GEOLOCIST is coming！地质学家来了，滚开你这个傻瓜。那么地质学从英文讲geognosay，他是一门自然科学要讲地质化学首先我们要简单给大家讲一下什么是地质学，我们知道自然科学有六大自然科学门类，数理化天地生，地学就像化学物理学一样，是一门自然科学，但是地质学所面对的挑战是不能像化学和物理学那样可以进行实验研究。首先我们说大自然的科学原理，大自然是受到永恒的规律所控制的，那么地质学的数据来自哪里呢？他主要是来自野外和室内的观察，包括野外的地质图，岩石的类型分布和结构，显微镜下的研究，那么在室内研究还
3、有非常重要的一部分，就是实验研究，包括化学实验地球物理实验和模拟实验，由于地质学家感兴趣的问题呈现出空间规模变化极大，他可以小到纳米甚至原子尺度，大呢，到全球乃至宇宙，演化历史是漫长的，以百万年计，因此对于地质学研究是不能进行控制性实验，只能观察自然界已经发生的自然实验的结果。在地质学上有一个重要的假说叫均变论，那么这是霍顿，历史上非常有名的一个国外地质学家提出的，就是Uniformitarianism The present is the key to the Past，现在是过去的钥匙。那么自然规律是不会改变的，然而过程的速率和强度则可以变化。 在地质学中有一个非常重要的概念就是时间的概念
4、，也就是地质学和其他自然科学最大的差异就是时间，这样的时间可能在人类的生命过程中都没有发生过，所以地质过程的速率每年是微米或者每年是厘米以这样的速率在发展。我们举一个例子，大地震可以使地表在几秒钟之内位移几米，但是这种作用呢，可能每隔几百年才出现一次，这就是地质学的时间概念。在时间概念方面，地质过程的速率几乎总是慢于人类对环境影响的速率，那么我们知道常用的时间S单位是秒，但是在地球科学中使用该单位是非常不方便的，大多数情况下使用年作单位也太小，地球学家以百万年作为时间的标准单位，10个Ma等于10个百万年前，10个my是持续10个百万年的时间间隔。这一张图表反映的就是一个地质体，他的形成可以需
5、要数百万年，那么这是一个陨石坑，也就是我们所说的天上来客，他撞上地表形成了陨石坑，这些地质体的形成可能只需要几秒的时间。 那么我们人类对我们赖以生存的星球究竟了解了多少呢？这一张图是地球的地壳岩石圈和软流圈的一个剖面图，我们看在图上，反映了地壳岩石圈以及他下部的软流圈，这是目前我们对地质学的认识，就是目前世界全球是由板块所组成的，这个图上反映是6大板块，实际上还可以把它细分，实际上有20多个板块，包括欧亚板块、美洲板块、太平洋板块、印度澳洲板块、南极洲板块和非洲板块，这一张图是板块运动的方式，那么目前研究表明地幔对流可能是板块运动的驱动机制，在大洋中脊热的轻物质上升，冷的重物质下沉，就构成了对
6、流环，上升流处形成大洋扩张脊，下降流处形成海沟和俯冲带，软流圈顶部水平向流动的物质拖曳了，刚性的岩石圈表层随之运动。这就是板块构造，大陆漂移板块构造的一些基本的概念。 那么对于板块边界有三类，一类是离散的板块边界，第二得是汇聚的板块边界，第三类呢，就是走滑，我们有时候也叫转换的板块边界，这一张图就是三类板块边界的示意图，在大洋中脊主要是离散的板块边缘，在大洋和大陆发生碰撞有时候俯冲带的地方我们说是汇聚的板块边缘，那么在大洋中还有转换断层的边界，这一张图是大西洋中脊，他是一个典型的离散的板块边缘，这一张图表示的是由于横跨在大西洋中脊上因此冰岛正在被拉开，这一张图是美国的圣安德列斯断层，那么这一条
7、断层就是我们所说的转换断层，这一张图是典型的板块构造俯冲带和大洋中脊的一个示意剖面，我们可以看得出来，在俯冲带的地方是地震的分布带，那么板块构造理论可以解释什么呢，可以解释我们全球地震和火山的分布，可以解释洋壳的形成年龄，可以解释岩石中的磁异常信息以及山脉的年龄和高程的关系。特别是对于全球的地震和火山分布基本上都是分布在我们所说的俯冲带，那么板块构造还有一个什么问题呢，也就是地幔中的对流元胞究竟是怎么回事？为什么大陆地壳与大洋地壳如此不同？这些问题，还有待与今后深入去认识。 板块构造最早是以大漂移的观点提出的，是在1912年德国学者阿尔弗雷德魏格纳，他是一个气象学家，他首先提出了大陆漂移说，但
8、是遭到了当时大多数地质学家的反对，二次大战后新的数据和事实导致在二十世纪六十年代产生了板块构造革命，现在板块构造学说已经基本为，全世界每一位地质学家所接受，也就是今天地质学的教科书的内容与四十年前的已经井然不同，这是阿尔弗雷德魏格纳的照片，他是大陆漂移之父，同时又是板块构造的主父。这是两亿年前的联合古陆叫泛大陆，当时全球的这些六大板块是汇成了一个板块叫联合古陆，那么这些呢，当时提出大陆漂移非常重要的一个就是，非洲和南美它的这个大陆的形态是具有可拼性的，另外呢，从古生物学地质学的其他证据都表明非洲板块和南美板块原来是在一起的，一块板块那么这是今天的，泛大陆的裂解形成了我们今天看到的六大板块的分布
9、格局，板块构造的驱动力是由地幔对流岩石圈底部的摩擦将能量从软流圈传递到岩石圈，那么这样的对流使得软流圈的物质更新了4到6次 我们前面谈到的这些就是人类对我们地球的认识，但是实际上人类对地球内部结构和组成的了解更多的是间接的，主要是通过地球物理模拟实验和与天体物质进行对比，所以说我们现在我们的神七又要上天了，但是我们入地还很难，所以说上天容易，入地难，这是一个假想的地球剖面他示意了大陆地壳，洋壳，莫霍面以及岩石圈和软流圈的位置，在这个图的最上面这个小的插图，C这一张图上，我们看到地球上最深的矿井是南美的一个金矿，他的深度是3.8公里，那么他的旁边是世界上最深的超深钻，就是俄罗斯打的超深钻深度是1
10、2公里，那么这就是我们对于地球的深部的认识，但是实际上地壳本身的厚度，平均厚度在30公里，我们所认识的地壳是非常，在地壳里面也就认识到了1/3的厚度，其他的我们主要是通过地球物理，比如说地震波，这一张图我们就是根据地震波我们来确定地球的内部结构，那么地震波有两种，我们叫做体波，当然还有一种面波，那么体波又分为压缩地震波和剪切地震波，压缩地震波又叫主波或者叫纵波，就是波长与传播方向一致在固体和流体中传播的，那么剪切地震波又叫做S波又叫做次波，又叫横波他的波长与传统方向垂直，S波只能在固体中传播，那么根据地震体波的就是S波和纵波的反射折射我们可以确定地球内部物质的密度和弹性的突变。那么这一张图可以
11、看得出来，这一个P波，就是VP和VS他的变化，在我们地核的外层圈，他是一个液体的，所以这个S波是不能通过的，是P波通过的，我们也可以看到正是由于地震波确定了它是根据地球物质的密度有关系的，所以说密度和地震波变换曲线是一致的。 这一张图也是地震，我们地球内部的物质密度的一个变化曲线，那么在牛顿时代根据万有引力定律我们已经算出地球的质量是5.974乘上10的21次方吨，这个大概相当于60万亿亿吨，那么由此我们就可以得到地球的平均密度，因为我们知道地球的体积，我们就可以得到平均密度是多少呢，是每立方厘米5.517克，然而我们现在确定的地表岩石的平均密度只有2.7到2.8柯，每立方厘米，因此呢，断定地
12、球内部物质的密度一定要大于地球的平均密度，根本地震波速向下增大的规律，可以计算出固体地球不同深度物质的密度，那么这是一个地球内部的一个结构的一个图解，那么分为岩石圈和软流圈，那么岩石圈包括了地壳和地幔的上部，那么中间呢，被莫霍面所分割，这是地壳和地幔的分界。这一张图是地球内部结构的矿物组成的模型，从地壳下部的上地幔，他的矿物是由橄榄石、辉石和石榴石组成的，那么到了上地幔和下地幔的过渡带他主要是由尖晶石，镁铝榴石构成的，到了下地幔他是由后钙钛矿和铁方镁石构成的，那么再往下部就是河幔边界，那么这个河幔边界又叫做地撇撇层，他是在两千六百公里到两千九百公里这个深度，在两千九百公里深度以下就是液体的铁的
13、合金这个地核的外核，那么地核的内核就是固体的，铁内核，以铁为主的内核，是从五千一百公里到六千四百公里，这一张图是地球结构的化学组成模型，那么我们所说的，地球的地幔，他主要是由硅酸盐和氧化物组成的，到了地核的外地核他主要是溶体的，就是铁，硫化亚铁和镍组成，那么内地核就是固体的铁和镍组成的，我们说地球和宇宙都是由永恒运动的物质所构成的，我们从化学的观点看，他就是由90种元素和354种核素所组成的，地球内部不稳定的核素自发出衰变，释放出能量，提供了物质运动主要能源。于是产生了岩石的熔融，岩浆的侵入，火山的喷溢，构造的变化，地表风化的剥蚀和沉积作用等等，这就造成了全球规模的地质作用，持续几十亿年的构造
14、变动不断的改变着地球的外貌和内部结构，也推动着元素及其同位素的化合、分异、迁移和活动。 地质作用经久不息，元素迁移演化不止，地球科学面对的就是一个经历了几十亿年发展演化，目前仍处于强烈变动中的活的一个地球。那么地球作用不停形成了各种宏观地质体，同时造成了地质产物中不同的物质组成以及元素及同位素结合的微观现象。这些微观和宏观现象记录了地球的变迁历史，地球科学任务就是要准确的判读这一宏伟的自然史卷。这是一张地质年代表，这一张年代表从我们最早的太古代一直到第四纪，那费塔经历了46亿年的变化，那么分为太古代，元古代，显生宙的古生代到中生代最后到新生代也就是我们所说的包括第四纪在内的。 那么这是美国科罗
15、拉多下峡谷南部边缘，我们看这个姑娘所坐的位置实际上是一个很老的时代的地层是在十七亿年前的一个岩石，那么在他和上面的这个沉积的岩石，呈现了一个我们叫做不整合的一个界面，也就是说在17亿年到5.5亿年之间是一个沉积间断，是一个不整合沉积间断发生构造变动，那么从5.5亿年一直到2.5亿年这是科罗拉多大峡谷形成的是从寒武纪到二叠纪整个三亿年间隔的整个古层带。那么这一张也是地质历史生物演化的一个图解，我们人类出现在十万年前，这是一个地球地质作用演化的一个图解，主要是一个我们所说的沉积岩的一个演化，从最早的他主要是即性的喷发岩为主，然后随着时代的推移，逐渐的变成陆向喷发岩，变成沉积的杂砂岩，各种砂岩各种黏
16、土岩一直到最后出现蒸发岩，应该呈现的就是从物质成分上来讲，是从简单到复杂，从无序到有序这么一个发展演化的过程。 这一张图解是俄罗斯的两为学者，凯德洛夫和耶里马克夫一张图解，这个表示的是整个自然界物质发展的一个图解，这个图解反映出物质的从自然界，整个自然界从星云阶段到行星系到地球和他的表面到形成地壳生命人类，整个自然体系是越来越复杂，物质的特殊的排列，从量子正电子，中子，质子，核子，原子，分子到无机碳到结晶的和胶体分出两支来，到结晶矿物和有机胶体质点，那么这个结晶矿物这个无机界最后发展出岩石最后形成矿床，那么有机界就出现蛋白质、化合物、细胞到动植物到有机质最后出现人类，这是两个分支，那么我们说有机界最高的复杂性的就是人类，那么在无机界里最高的无机界就是矿床，矿床实际上是一种有用金属的堆积体，我们说这个金银铜铁锡，他来自哪里呢他就来自矿床。 这个就是一个宇宙地质年代，我
