地球化学重点知识总结

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1、第一章太阳系和地球系统的元素丰度第 1 节基本概念1、地球化学体系按照地球化学的观点，把所要研究的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的空间，都处于特定的物理化学状态，并且有一定的时间连续。这个体系可大可小。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、某个城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、地球直至太阳系、整个宇宙都可看作为一个地球化学体系。地球化学的基本问题之一就是研究元素在地球化学体系中的分布（丰度）、分配问题，也就是地球化学体系中 “ 量” 的研究。2、分布和丰度体系中 元素的分布 ，一般认为是指的是元素在

2、这个体系中的相对含量（平均含量），即元素的 “ 丰度 ” ，体系中元素的相对含量是以元素的平均含量来表示的。体系中 元素的丰度值实际上只能对这个体系里元素真实含量的一种估计；元素在一个体系中的分布，特别是在较大体系中决不是均一的。3、分布与分配 分布 指的是元素在一个地球化学体系中（太阳、陨石、地球、地壳某地区）整体总含量。元素的 分配 指的是元素在各地球化学体系内各个区域、区段中的含量。分布是整体，分配是局部，两者是一个相对的概念，既有联系也有区别. 把某岩石作为一个整体，元素在某组成矿物中的分布，也就是元素在岩石中分配的表现. 4、绝对含量和相对含量绝对含量单位Tkggmgugngpg吨千

3、克克毫克微克毫微克微微克相对含量单位% ppm、ug./g、g/tppb、ug/kgppt、pg/g百分之千分之百万分之十亿分之万亿分之第 2 节元素在太阳系中的分布规律（一）获得太阳系丰度资料的主要途径。主要有以下几种：1、光谱分析 ：对太阳和其它星体的辐射光谱进行定性和定量分析，但这些资料有两个局限性：一是有些元素产生的波长小于2900?，这部分谱线在通过地球化学大气圈时被吸收而观察不到；二是这些光谱产生于表面，它只能说明表面成分，如太阳光谱是太阳表面产生的，只能说明太阳气的组成。2 、直接分析 ：如测定地壳岩石、各类陨石和月岩、火星的样品.上个世纪七十年代美国“ 阿波罗 ” 飞船登月，

4、采集了月岩、月壤样品，1997年美国 “ 探路者 ” 号， 2004年美国的 “ 勇敢者 ” 、“ 机遇 ” 号火星探测器测定了火星岩石的成分。3、利用宇宙飞行器分析测定星云和星际间物质及研究宇宙射线。 （二）陨石的化学成分陨石是从星际空间降落到地球表面上来的行星物体的碎片。陨石是空间化学研究的重要对象，具有重要的研究意义 ： 它是认识宇宙天体、行星的成分、性质及其演化的最易获取、数量最大的地外物质； 也是认识地球的组成、内部构造和起源的主要资料来源； 陨石中的60 多种有机化合物是非生物合成的“ 前生物物质 ” ， 对探索生命前期的化学演化开拓了新的途径； 可作为某些元素和同位素的标准样品（

5、稀土元素，铅、硫同位素）。1、陨石类型 陨石主要是由镍-铁合金、结晶硅酸盐或两者的混合物所组成，按金属含量分为三类 ：1）铁陨石 （siderite）主要由金属Ni, Fe（占 98%）和少量其他元素组成（Co, S, P , Cu, Cr, C 等） 。2）石陨石 （aerolite）主要由硅酸盐矿物组成（橄榄石、辉石）。这类陨石可以分为两类，即决定它们是否含 有球粒硅酸盐结构，分为球粒陨石和无球粒陨石。3）铁石陨石 （sidrolite）由数量上大体相等的Fe Ni 和硅酸盐矿物组成，是上述两类陨石的过渡类型。陨石的主要矿物组成：Fe、Ni 合金、橄榄石、辉石等。陨石中共发现140种矿物，

6、其中39 种在地球（地壳浅部）尚未发现。如褐硫钙石CaS ，陨硫铁FeS 。这说明陨石是在缺水、氧的特殊物理化学环境中形成的。2、陨石的平均化学成分 要计算陨石的平均化学成分必须要解决两个问题 ：首先 要了解各种陨石的平均化学成分；其次 要统计各类陨石的比例。各学者采用的方法不一致。（V.M.Goldschmidt 采用硅酸盐：镍 -铁：陨硫铁 =10：2：1） 。陨石的平决化学成分计算结果如下：元素O Fe Si Mg S Ni Al Ca Na Cr Mn K Ti Co P 32.30 28.80 16.30 12.30 2.12 1.57 1.38 1.33 0.66 0.34 0.2

7、1 0.15 0.13 0.12 0.11 基本认识：从表中我们可以看到O、Fe、Si、Mg 、S、Ni 、Al、Ca 是陨石的主要化学成分。根据对世界上众多各类陨石的研究，对陨石成分的看法还不甚一致，但以下一些基本认识是趋于公认的：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的行星体，这种天体的破裂就导致各类陨石的形成；石陨石与地球上的基性、超基性火山岩矿物组成和化学成分相似，铁陨石与地核的化学成分相似，陨石的 母体在组成上、核结构上与地球极为相似；各种陨石分别形成于不同的行星母体，因为各类陨石具有不同的年龄及成分差异、氧同位素比值的不同；陨石的年龄与地球的年龄相近（陨石利用铅同位素

8、求得的年龄是45.5 0.7亿年）；陨石等地外物体撞击地球，将突然改变地表的生态环境诱发大量的生物灭绝，构成了地球演化史中频繁而 影响深远的突变事件，为此对探讨生态环境变化、古生物演化和地层划分均具有重要意义。3、太阳系的元素丰度：有关太阳系元素的丰度估算各类学者选取太阳系的物体是不同的。有的主要是根据太阳和其它行星光谱资料及陨石物质测定；有的根据I 型球粒陨石， 再加上估算方法不同，得出的结果也不尽相同，下表列出了GERM （1998）的太阳系元素丰度（单位：原子数/106Si 原子）（部分）。序号元素推荐值相对误差 ( 1sigma) 序号元素推荐值相对误差( 1sigma) 1 H 2.

9、79E+10 47 Ag 0.486 2.9% 2 He 2.72E+09 48 Cd 1.61 6.5% 3 Li 57.1 9.2% 49 In 0.184 6.4% 4 Be 0.73 9.5% 50 Sn 3.82 9.4% 5 B 21.2 10.0% 51 Sb 0.309 18.0% 6 C 1.01E+07 52 Te 4.81 10.0% 7 N 3.13E+06 53 I 0.9 21.0% 由表可知：对于这样的数据我们应给有一个正确的的评价：首先这是一种估计值，是反映目前人类对太阳系的认识水平，随着人们对太阳系以至于宇宙体系的探索的不断深入，这个估计值会不断的修正；它反映

10、了元素在太阳系分布的总体规律，虽然还是很粗略的，但从总的方面来看，它反映了元素在太阳系分布的总体规律。如果我们把太阳系元素丰度的各种数值先取对数，随后对应其原子序数作出曲线图即太阳系元素丰度规律图（如右图把太阳系元素丰度的数值取对数lgC 作纵坐标，原子序数（ Z）作坐标。）时，我们会发现太阳系元素丰度具有以下基本规律：1) H 和 He 是丰度最高的两种元素。这两种元素的原子几乎占了太阳中全部原子数目的98。2)原子序数较低的范围内，元素丰度随原子序数增大呈指数递减，而在原子序数较大的范围内（Z45）各元素丰度值很相近。3)原子序数为偶数的元素其丰度大大高于相邻原子序数为奇 数的元素。具有偶

11、数质子数（A）或偶数中子数（N ）的核素丰度总是高于具有奇数A 或 N 的核素。这一规律称为奥多-哈根斯法则，亦即奇偶规律。4)质量数为4 的倍数（即 粒子质量的倍数）的核素或同位素具有较高丰度。此外，还有人指出原子序数（Z）或中子数（ N ）为 “ 幻数 ” （2、8、20、50、 82 和 126 等）的核素或同位素丰度最大。例如，4He（Z=2 ，N2） 、16O（Z=8 ，N=8 ） 、 40Ca（Z=20 ，N=20 ）和 140Ce(Z=58,N=82) 等都具有较高的丰度。5)、Li、Be 和 B 具有很低的丰度，属于强亏损的元素，而O 和 Fe呈现明显的峰，它们是过剩元素。第

12、3 节地球的结构和化学成分(自学）自学思考题；1. 地球的结构和各圈层的组成；2. 地球元素丰度研究方法；3. 地球元素丰度及其规律；第 4 节地壳元素的丰度研究地壳元素丰度是地球化学的一项重要的基础任务。地壳（大陆）的化学组成是认识地球总体成分分异演化过程的基本地球化学前提，再加之大陆地壳是人类生活和获取资源的场所。大陆地壳的化学组成是地球化学研究的中心问题之一，地壳丰度是地球各层圈中研究最详细和较正确的。一、大陆地壳元素丰度的研究方法1、早期克拉克计算法由美国 F.W.Clarke和 H.S.Washington于 1924年发表的地球化学资料中计算出来的。其思路 是在地壳上部16 公里范

13、围内（最高的山脉和最深海洋深度接近16公里）分布着95%的岩浆岩、变质岩， 4%的页岩， 0.75%的砂岩， 0.25%的灰岩，而这5%沉积岩也是岩浆岩派生的，因此认为岩浆岩的平均化学成分实际上可以代表地壳的平均化学成分。其作法如下：在世界各大洲和大洋岛屿采集了5159个不同岩浆岩样品和676件沉积岩样品；对 53 种元素进行了定量的化学分析；其样品的数量相当于这些样品在地球表面分布面积的比例 ; 计算时用算术平均求出整个地壳的平均值。 他们的工作具有重大的意义：开创性的工作，为地球化学发展打下了良好的基础；代表陆地区域岩石圈成分，其数据至今仍有参考价值2、简化研究法（取巧研究法）1）哥尔德斯

14、密斯（Goldschmidt）采集了挪威南部冰川成因粘土（77 个样）用其成分代表岩石圈平均化学成分，其结果与克拉克的结果相似，但Na2O 和 CaO 含量偏低。2) 维诺格拉多夫（1962）岩石比例法是以两份酸性岩加一份基性岩来计算地壳平均化学成分。3）泰勒和麦克伦南（Taylor 和 McLennan,1985）提出细粒碎屑沉积岩，特别是泥质岩可作为源岩出露区上地壳岩石的天然混合样品。3、大陆地壳剖面法 造山作用可使下地壳甚至上地幔的岩石大规模暴露到地表，出露地表的 大陆地壳剖面(exposed crustal crosses-ction)是研究大陆地壳元素丰度的良好样品。这样的剖面仅分布

15、在少量地区，为了研究地壳深部 (下地壳 )的成分还可以采用火山岩中深部地壳包体（探针岩）和地球物理法（地震波）。二、地壳元素的丰度特征1、地壳中元素的相对平均含量是极不均一的，丰度最大的元素是O：47%，与丰度最小的元素Rn 相差达 1017倍。相差十分悬殊。前九种元素： O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg、 Ti 前五种： 82.58% ；前九种 : 98.13%； 前十五种元素占99.61%， 其余元素仅占 0.39%。这表明：地壳中只有少数元素在数量上起决定作用，而大部分元素居从属地位。2、对比地壳、整个地球和太阳系元素丰度数据发现，它们在元素丰度的排序上有很大的不同：太阳系：H

16、HeONeNCSiMgFeS 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；而地壳与整个地球相比，则明显贫 Fe和 Mg，同时富集Al, K 和 Na。出露地表的大陆地壳剖面的一般模式（据Percival 等， 1992 ）三、元素地壳丰度研究的地球化学意义元素地壳丰度(克拉克值 )是地球化学中一个很重要的基础数据。它确定了地壳中各种地球化学作用过程的总背景，它是衡量元素集中、分散及其程度的标尺，本身也是影响元素地球化学行为的重要因素。1、控制元素的地球化学行为1）元素的克拉克值在某种程度上影响元素参加许多化学过程的浓度，从而支配元素的地球化学行为。例如，地壳元素丰度高的K、Na，在天然水中高浓度，在某些特殊环境中，发生过饱和作用而形成各种独立矿物（盐类矿床） ；而地壳元素丰度低的Rb、 Cs，在天然水中极低浓度，达不到饱和浓度，为此不能形成各种独