地球及各圈层的物质组成

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1、一. 地球的物质组成 二. 地壳的结构与物质组成 三. 深部圈层的物质成分 四. 圈层内和圈层间的物质(能量) 交换,地球的物质组成及化学演化,地球,太阳,天王星,海王星,冥王星,金星,水星,火星,土星,木星,太阳系的 主要天体,地球是一个特殊的物理化学系统，它不仅表层有水圈和氮-氧型的大气圈、由于生命的长期作用发育有生物圈，还有分异良好的内部圈层岩石圈、地幔和地核。从而决定了地球及各圈层特有的物质运动与元素行为特征。 本讲涉及的地球组成以地球的内部圈层物质为主，因为内部圈层的物质主要以固相存在，又称其又被称为固体地球部分。 固体地球的组成通常分三种物质层次来进行研究，它们是矿物、岩石和化学成

2、分。,一. 地球的物质组成,人们最先面对和利用的固体 物质 是岩石，但要了解和更有效的利用岩石必须先认识矿物。矿物是自然界形成的稳定单质和化合物，大部分矿物为晶质化合物，部分为非晶质的。但有人认为“矿物是在地壳(地球)物理化学条件下形成的无机晶质固体”。,（一）矿物组成,至今发现的矿物数已达到了三千余种。,矿物的晶型和基本特性 矿物的基本物理特性包括：矿物的形态、比重、硬度、透明度、颜色、光泽和矿物的导电性等。 每一种矿物都有它基本的化学组成。矿物的物理性质受其化学组成和形成条件的制约。 下面来看一下矿物的物理性质与矿物化学成分及其形成条件之间的关系。,矿物成分、形成条件和物理性质的关系 （以

3、碳为例）,(1100、40Kb),矿物的形态 矿物的形态由矿物晶形和结晶程度决定。 矿物的结晶程度主要受矿物生长时的物理化学条件控制（生长速度慢的结晶程度高）；而矿物的晶形则与矿物的晶体结构有关。 晶格结构的对称性高，晶体的对称性也高：三维对称的晶体呈粒状或等轴状(如金刚石、方铅矿等)。二维对称的晶体沿C轴发育成长柱状(如针镍矿、辉锑矿) 或毛发状；C轴不发育的呈片状(如辉钼矿、云母等)。,矿物的 形态,矿物按化学组分的复杂程度可分成单质矿物和化合物。 化合物按阴离子的类型及结合方式 (化学键)划分大类，主要大类有：硫化物(包括砷、锑、铋、碲、硒的化合物)；氧化合物；以及卤化物。 在各大类中又

4、按阴离子或络阴离子的种类进一步划分类，各类矿物按结构还可以划分亚类，在亚类中还可以再划分出部、族和矿物种。,2、矿物分类,单质及其类似物在矿物分类中属同一个大类，包括由单一原子结晶的矿物和多种原子相互结合的金属互化物。 单质类矿物约占地壳重量的1%，但成矿能力很强，如自然铜（Cu）、银金矿（AgAu）、自然铂（Pt）、金刚石（C）、石墨（C）和自然硫（S）都可富集成矿。单质矿物中原子以金属键或共价键和分子键相结合，原子间紧密堆积，矿物晶体的对称性高。,单质及其类似物,硫化物矿物及其类似化合物,硫化物大类分成三个矿物类。它们的共同特征是：1.由金属阳离子与硫等阴离子以共价键方式结合。硫化物在地壳

5、中的总量很低(1%)，但矿物种较多(占16.5%)，矿床中的金属矿物大多是硫化物；2. 矿物透明度和硬度较低，但色泽鲜艳、有金属(半金属)光泽、比重也较大；3.结晶程度较好，由于配位方式多，因此晶体形态多样，容易识别。,方铅矿（PbS）、闪锌矿（ZnS）、黄铜矿（CuFeS2）、黝锡矿（Cu2SnFeS4)、黄铁矿（FeS2）、斑铜矿（Cu5FeS4）、雄黄（As4S4）、雌黄（As2S3）和辰砂（HgS）等是最常见的硫化物矿物。,辰砂,几乎所有造岩矿物都是硅酸盐和氧化物，常见的造岩矿物只有十余种，如石英、正长石、斜长石、黑云母、白云母、角闪石、辉石、橄榄石等。 有一些氧化物和含氧盐主要成矿作

6、用有关，如锡-钨矿床中的锡石（SnO2）、黑钨矿（(FeMn)WO4）是资源矿物。,氧的化合物和含氧盐,石英,黑云母,正长石,辉石,橄榄石,角闪石,宝石矿物,经过加工，能用于装饰的矿物，称为宝石矿物。 宝石矿物的主要特点：一是晶莹艳丽，光彩夺目，即矿物的颜色和光泽优良；二是质地坚硬，经久耐用；三是稀少，即矿物产出量低。 现有宝石矿物主要有20种。最贵重的宝石有四种：钻石、红宝石、蓝宝石和祖母绿。,(二) 岩石组成 岩石是地质作用的产物，由一种或一种以上的矿物或岩屑组成的有规律的集合体。岩石是组成地壳和岩石圈的基本物质。 岩石的类型复杂多样，按岩石形成的自然作用类型，可将它们分为岩浆岩、沉积岩和

7、变质岩三大岩类。,岩浆岩 岩浆岩是由熔浆冷凝结晶而成的岩石，它有两个成因系列：一类是由熔浆侵入地壳并在地壳中结晶形成的岩石，称为侵入岩；另一类是岩浆喷出地表、在海水或大气中冷却形成的岩石，称为火山岩。 按岩浆岩的产出状态侵入岩又可以分为岩基、岩株、岩墙、岩枝、岩盆、岩被、岩脉等；火山岩常形成不同的地貌，如火山链、火山湖等。,岩浆岩的产出状态,火山颈,岩基,岩株,岩脉,岩床,玄武岩高地,岩床,岩盖,岩浆岩分类,花岗岩,花岗闪长岩,闪长岩,辉长岩,橄榄岩,流纹岩,安山岩,玄武岩,正长石,橄榄石,霞石,斜长石,角闪石,辉石,石英,黑云母,侵入喷出,花岗岩由三种主要矿物组成，它们是浅色柱状长石、无色透

8、明的粒状石英、及片状云母。 三种主要矿物都有较好的晶体，只是由于结晶过程的温度、压力条件和降温速率不同，矿物晶体的大小不同。 花岗岩中三矿物都有良好的结晶形态，使花岗岩整体很美观，常被用来作装饰石材。在花岗岩的三种主要矿物中，长石和石英的颜色都较浅，而且硬度较大，它们在岩石中的总量达到8085%以上。,沉积岩 沉积岩由沉积作用形成，形成于富水环境，分布于陆表盆地及海洋盆地中。,沉积作用过程示意图（陆源）,原始表面,沉积,运移,洋盆,新表面,剥蚀,沉积岩最显著的特征是成层性，在岩石剥露区常可以看到成层的岩石，这就是沉积岩。 组成沉积岩的物质来自陆地上已生成的各类岩石，它们称为沉积岩的母岩(或源岩

9、)。火山喷出物，生物物质和水体中的化学沉淀物也是沉积岩的组成部分，在一定条件下，沉积岩中还有宇宙物质加入。 沉积岩根据沉积物搬运和沉积的方式分为陆源碎屑岩、火山碎屑岩和化学、生物化学沉积岩三大类。 下面介绍陆源碎屑岩的基本组成和结构。,陆源碎屑岩 陆源碎屑岩按颗粒大小可分为：砾岩(2mm)、砂岩(20.05mm)、粉砂岩(0.05 005mm)和泥岩(0.005mm)。,页岩 (0.005mm),砂岩 (20.05mm),砾岩 (2mm),变质岩 地壳内早先形成的岩石（岩浆岩、沉积岩、变质岩）为适应新的地质环境和物理化学条件，总体在固态下发生矿物组成、化学成分和结构构造改变的，统称为变质作用。

10、温度压力升高条件下的变质作用为进变质作用，温度压力降低时的变质作用为退变质作用。 经变质作用形成的岩石称为变质岩。变质岩形成后还可经历新的变质作用过程，有些的变质岩是多次变质作用的产物。,变质作用使岩石中发生了矿物相转变，因此变质岩划分不同的相系。区域变质作用的温度、压力范围较宽，一般先按变质作用的压力将变质岩划分出低压、中压和高压三个变质相系，再按变质矿物组合划分变质相。每一个变质相系和变质相都对应特征的矿物或矿物组合。 变质作用属内生地质作用，变质矿物往往有较高的结晶程度，这与岩浆矿物很相似；变质作用往往是在定向压力下发生的，因此即使是非等粒矿物在变质过程也往往发生定向排列(呈现定向构造)

11、，形成与沉积岩相似的层状构造；这些是变质岩的重要鉴别特征。,在地壳地幔范围内，三类岩石处于不断地循环演化过程中，即： 沉积岩和岩浆岩可以通过变质作用成为变质岩； 在地球表面，岩浆岩、变质岩可以通过风化搬运沉积转变成沉积岩； 当变质岩、沉积岩进入地下深处，在一定的温度压力条件下被熔融形成岩浆，再经历冷却结晶作用又可生成岩浆岩。,三类岩石的形成条件和相互转化,沉积岩,变质岩,火成岩,沉积岩,变质岩,1、地球的化学不均一性 地球整体在物理性质和化学组成上都是不均一的，这种不均一性在垂向上的最突出表现是物质的物理性质和化学组成随深度变化，即在一定的深度上物质的物理性质出现了一些明显的不连续界面，因此得

12、出了地球具圈层结构的认识。此外，在各圈层的内部物质的物理性质和化学组成也是不均一的。,（三）地球的化学组成,地震波与 地球的圈层结构,地球化学不均一性的表现是多方面的。不同圈层间、同一圈层的不同构造层间、以及同一构造层内，地球物质的化学不均一性都有所表现。,地壳,陆壳,上地幔,下地幔,地核,内核,地幔,洋壳,外核,2、地球组成的研究方法 如果地球各部分的组成都是一样的，地球任何一点的样品都可以代表地球整体的化学组成，但事实并非如此。地壳平均密度仅2.7-3.0（克/厘米3），地球整体平均密度却大于5.5（克/厘米3），显然地球内部物质的密度要比地壳大得多。 同时，来自地幔的玄武岩浆所携带的地幔

13、岩石，在地壳上找不到与其相同的岩石类型。因此，就不难得出“在不同深度上，地球的组成是不同的”这个结论了。 如何得出地球的平均成分呢？较常用的有以下方法。,分层研究法 （由各个部分求整体成分的方法） 本研究方法的原理是整体是由部分组成的，知道了各部分的化学组成和各自在整体中的份额，就可以由部分的组成求整体的成分。 分层研究法通常用地壳、地幔和地壳三部分的成分来计算地球的平均成分，知道了地壳、地幔和地壳的化学组成，又知道了三圈层的体积和密度（即它们的质量比例），就可以计算地球的平均组成了。 分层研究法计算公式如下： CDQ=CA*MA+C（B+C+D）*M（B+C+D）+C（E+F+G） * M（

14、E+F+G） 式中CDQ：地球成分； CA：地壳成分； MA：地壳质量百分比； C（B+C+D）：地幔成分； M（B+C+D）：地幔质量百分比； C（E+F+G）：地核成分； M （E+F+G）：地核质量百分比,总体研究法（行星陨石对比研究法） 总体研究法的基本原理是：地球和陨石的母体都是太阳系的行星，它们都与太阳系成分有亲缘关系；陨石基本上都是由硅酸盐相、金属相和硫化物相三种相成分组成的，地球物质也主要由这三种相成分组成的地壳和地幔中为硅酸盐相，地核是金属相，三者都含有硫化物相。因此，陨石的成分可作为研究地球的重要资料。 本方法的计算公式如下： CDQ = FAMA + FBMB + FCM

15、C 其中 CDQ 地球成分； FA：金属相成分； MA：金属相质量百分比； FB：硅酸盐相成分；MB：硅酸盐相质量百分比； FC：硫化物相成分；MC：硫化物相质量百分比,陨石（meteorite）的研究成果 地球与陨石的亲缘性使陨石的研究成果对研究地球有重要意义，以取得的有关研究成果有： 陨石的年龄 已收集到的不同陨石群的年龄不同，但用不同方法测定的陨石的最老年龄集中于45-47亿年；推测地球的形成年龄即为46-47亿年。 陨石的成因 倾向性的认识认为陨石是小行星的碎片，但“一个母体形成陨石”的观点已被“众多小行星母体形成”的观点所取代。由于认为小行星的形成时间和形成方式与地球相似，对比陨石的

16、成因可以了解地球的成因和组成。,炭质球粒陨石 含有炭的有机化合物分子，主要由含水的硅酸盐组成。对炭质球粒陨石的研究的重要意义主要表现在： a. 可以用来探讨生命起源； b. 代表太阳星云平均化学成分，对探讨太阳系元素丰度方面具有重要意义。例如炭质球粒陨石的化学成分已被用于估计太阳系中非挥发性元素的丰度。 至今在陨石中共发现140种矿物，其中有39种在地球（地壳）中尚未发现过，如褐硫钙石CaS，陨硫铁FeS等。以上矿物的出现反映陨石是在缺水、缺氧的环境中形成的。,3. 地球总体化学组成的基本特征 不同研究者进行地球化学组成研究的方法和计算所采用的参数虽不相同，但研究结果大致相同。 地球的化学组成特征是： 地球中含量大于10%的元素有Fe、O、Si、Mg；含量大于1%的元素有Ni、S、Ca、Al； Na、Cr、Co、P和Mn的含量也较高，都高于0.1%，以上13个元素的总量已超过99%，它们可以代表地球整体的化学组成。 化学组成的不均一性和组成的发展演化是地球化学组成的两个基本特征。,