地球化学第一章太阳系和地球系统的元素分布和分配3
地化 第一章_自然体系中元素丰度(1)
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Allende carbonaceous chondrite
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元素含量相对于 Si=106标准化，元素 含量测量精度为510%； 由于元素之间含量 水平差异过大，作 图采用了对数值坐 标。
太阳大气层与CI 球粒陨石元素含 量关系图
碳质球粒陨石的研究意义
探讨太阳系元素丰度 探讨太阳系早期的形成演化历史 探讨生命物质起源
Goldschmidt (1937)采用硅酸盐：镍-铁：陨硫铁=10 : 2 : 1 比例，获得以下陨石平均化学成分：
元素 % Ca 1.33 O 32.3 Na 0.6 Fe 28.8 Cr 0.34 Si 16.3 Mn 0.21 Mg 12.3 K 0.15 S 2.12 Ti 0.13 Ni 1.57 Co 0.12 Al 1.38 P 0.11
宇航员
月球车
火星车
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嫦娥工程
嫦娥一号
嫦娥一号 嫦娥一号 月球车
Ti元素
嫦娥一号全月面 钛、铁元素分布图 (据“中国探月”网站)
Fe元素
嫦娥一号
摘自“中国探月”网站
月球的物质成分、分布规律和演化特征是月球探测的一个 最主要、最基本的任务，化学元素和矿物的含量与分布特征是 月球地质演化研究的基本素材。同地球科学一样，月球科学最 基本的任务就是认识月球的形成和演化，而要了解月球的演化 历史，首先需要知道的就是月球的化学组成和物质状态，通过 研究化学元素的含量和分布特征来反演月球的演化过程，分析 、研究月球的整体化学成分与化学演化历史，进而为研究地月 体系的起源方式与化学演化过程等提供最直接和最有效的科学 依据。
Pb 2170 å，Ag 3281 å，Au 2428 å (1å= 10-10 m)
地质学知识：地球化学中的元素分布与演化
地质学知识：地球化学中的元素分布与演化地球化学是研究地球物质的组成、性质、分布和演化的学科。
其中，元素分布与演化是地球化学研究的基本内容之一。
本文将简要介绍元素分布与演化的相关知识。
一、元素分布地球上的元素主要来源于宇宙物质和地球内部物质。
宇宙物质包括星际物质和陨石，其中包含的元素种类很多，主要是氢、氦和锂等轻元素以及碳、氧、氮、铁等重元素。
地球内部物质主要包括地壳、地幔和核，其元素分布也具有明显的层次性。
较轻的元素主要分布在地壳和地幔，包括硅、铝、钙、钾、钠等。
地壳中的元素主要以氧化物、硅酸盐和硫酸盐的形式存在。
而地幔中的元素主要是以硅酸盐和氧化物的形式存在，且含有较多的铁、镁等元素。
重元素主要存在于地球内部核中。
地球核分为外核和内核，外核主要是由铁和镍等元素组成的液态物质，而内核则主要由铁和一些轻元素如硫、氧组成。
地球内部物质的元素分布不均衡，这种不均衡性是地球化学研究的重要内容之一。
二、元素演化元素的演化是指地球上元素来源、变化和分布的历史过程。
元素演化的主要过程包括元素的起源和演化、元素的循环作用以及元素的分布特征。
地球上的元素起源主要有两种观点，一种是大爆炸后形成的宇宙元素在恒星内部聚合，形成新的元素，然后经由恒星飞出到空间中，经过一定的演化过程后，形成了地球上的基本元素。
另一种观点认为，地球上的元素大部分来源于超新星爆炸。
元素的循环作用是指地球系统内元素的相互作用过程，主要包括地球化学循环和物质循环。
其中，地球化学循环包括一系列物质的化学反应和迁移，如氧化还原反应、水文循环、生物地球化学循环等。
物质循环则是指物质在不同介质之间的循环过程，如水、大气、岩石、土壤和生物等介质之间的物质转化过程。
元素的分布特征是指地球上各种元素的分布规律和区域特征。
例如，地壳中铝的含量较高，主要分布在长芦山、横山等地区。
地幔中铁的含量较高，主要分布在太平洋橙色液体等地区。
地球内部核中铁和镍的含量较高，约占地球质量的1/3。
第一章：太阳系与地球的元素丰度
丰度体系
• 3.分布与分配 元素的分布指的是元素在一个化学体系中（太阳、陨石、 地球、地壳、某地区等）的整体总含量； 元素的分配指的是元素在各地球化学体系内各个区域或 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 有联系又有区别。 例如，地球作为整体，元素在地壳中的分布，也就是元 素在地球中分配的表现，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。
全球陨石构造分布图(涂光炽，1998)
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，按成分分为三类： 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（橄榄石、 辉石）组成。这类陨石可以分为两类，按它们是否含有球 粒硅酸盐结构，分为球粒陨石和无球粒陨石。这些陨石大 都是石质的，但也有少部分是碳质的。碳质球粒陨石是球 粒陨石中的一个特殊类型，由碳的有机化合分子和主体含 水硅酸盐组成。它对探讨生命起源和太阳系元素丰度等各 方面具有特殊的意义。由于阿伦德（Allende）碳质球粒 陨石（1969年陨落于墨西哥）的元素丰度几乎与太阳气中 观察到的非挥发性元素丰度完全一致，因此碳质球粒陨石 的化学成分已被用来估计太阳系中非挥发性元素的丰度。 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。 * 玻陨石 富SiO2,现认为是慧星或大陨石冲击地球引起物质熔化
%
Ca 1.33
32.30
Na 0.60
28.80
Cr 0.34
《地球化学》课程笔记
《地球化学》课程笔记第一章：地球化学概述一、地球化学的定义与范畴1. 定义地球化学是研究地球及其组成部分的化学组成、化学作用、化学演化规律以及这些过程与地球其他物理、生物过程的相互关系的学科。
2. 范畴地球化学的研究范畴包括但不限于以下几个方面：- 地球的物质组成和结构- 元素在地球各圈层中的分布、迁移和循环- 岩石和矿物的形成、演化和分类- 生物与地球化学过程的相互作用- 地球表面环境的化学演化- 自然资源和能源的地球化学特征- 环境污染和生态破坏的地球化学机制二、地球化学的研究内容1. 地球的物质组成- 地壳：研究地壳的化学成分、岩石类型、矿物组成及其变化规律。
- 地幔：探讨地幔的化学结构、岩石类型、矿物组成和地球化学动力学过程。
- 地核：分析地核的物质组成、物理状态和地球化学性质。
- 地球表面流体：研究大气、水圈和生物圈的化学组成和演化。
2. 元素地球化学- 元素的丰度：研究元素在地壳、地幔、地核中的丰度分布。
- 元素的分布：分析元素在地球各圈层中的分布规律和影响因素。
- 元素的迁移与富集：探讨元素在地质过程中的迁移机制和富集条件。
- 元素循环：研究元素在地球系统中的循环路径和循环速率。
3. 岩石地球化学- 岩石成因分类：根据岩石的化学成分、矿物组成和形成环境对岩石进行分类。
- 岩浆岩地球化学：研究岩浆的起源、演化、结晶过程和岩浆岩的地球化学特征。
- 沉积岩地球化学：分析沉积物的来源、沉积环境和沉积岩的地球化学特点。
- 变质岩地球化学：探讨变质作用过程中岩石的化学变化和变质岩的地球化学特征。
4. 矿物地球化学- 矿物的化学成分：研究矿物的化学组成、晶体结构和化学键合。
- 矿物的形成与变化：探讨矿物的形成条件、变化过程和稳定性。
- 矿物物理性质与地球化学：分析矿物的物理性质与地球化学环境的关系。
- 矿物化学分类：根据矿物的化学成分和结构特点进行分类。
5. 生物地球化学- 生物地球化学循环：研究元素在生物体内的循环过程和生物地球化学循环的模式。
地球化学复习资料讲解
地球化学复习资料绪论1.地球化学：地球化学研究地壳（尽可能整个地球）中的化学成分和化学元素及其同位素在地壳中的分布、分配、共生组合、集中分散及迁移循徊规律、运动形式和全部运动历史的科学。
2.研究对象：地球（、、、、、、）太阳系3.研究内容：①元素的分布、分配②元素集中、分散、共生组合、迁移规律核心：元素的化学作用和变化。
4.学科特点（1）对象：地球、地壳等及地质作用用地球化学方法研究以认识自然作用。
（2）以化学等为基础，着重于化学作用。
矿物岩石学：由结构构造了解成因构造地质学：由物理运动了解过程古生物学：由形态获得信息（3）理论性与应用性理论性：从化学角度查明过程、原因应用性：生态环境及治理、农业。
矿产资源勘探、开发5.地球化学的研究方法I.野外工作方法(1).现场宏观观察：①地质现象的时空结构②查明区内各种地质体的岩石-矿物组成及相关作用关系③由此提供有关地球化学作用的空间展布、时间顺序和相互关系(2)地球化学取样:①代表性②系统性(空间、时间、成因)③统计性..室内研究方法（1）精确灵敏的测试方法（2）研究元素的结合形式和赋存状态（3）作用过程物理化学条件的测定(、、ƒo2、、、)(4)自然作用的时间参数(5)实验室模拟自然过程(6)多元统计计算和建立数学模型6.地球化学的发展趋势经验性→理论化定性→定量单学科研究→多学科结合研究理论和方法的发展使其参与和解决重大科学问题的能力不断增强。
第一章太阳系和地球系统元素的丰度1.太阳系元素组成的研究方法直接采样分析（地壳岩石、陨石等）光谱分析(太阳）由物质的物理性质与成分的对应关系推算（行星）利用飞行器观察、直接测定或取样分析测定气体星云或星际间物质分析研究宇宙射线2.陨石：落到地球上的行星物体碎块，即从行星际空间穿越大气层到达地表的星体残骸3. 陨石的分类4.陨石的化学成分(1)铁陨石：主要由金属(98%)和少量其它矿物如磷铁镍古矿[()3P]、陨硫铁（)、镍碳铁矿（3C)和石墨等组成。
应用地球化学-1太阳系和地球系统的元素分布
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三
1.地球的结构和各圈层的成分
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目前对于地球内部 结构和组成的了解 只能是间接的。
研究方法：地球物 理、模拟实验和与 天体物质对比。
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三
3.分布、分配(distribution)的定义
元素的分布是指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。
元素的分配是指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。例如，把地球作为整体，元素 在地壳中的分布，也就是元素在地球中的分配的表 现;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。
Ra：元素a的相对丰度；Na:元素a的原子量 Wa：元素a的重量百分数；Wsi：Si的重量百分数 28.09是Si的原子量
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元素常用含量单位：以重量丰度(WB)为例
10-2（百分含量，%）、 10-6（parts per million， 1/百万，ppm，g/t，μg/g) 10-9 （parts per billion， 1/10亿，ppb，mg/t，ng/g) 10-12 (parts per trillion，1/万亿，ppt，μg/t，pg/g)
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三
太阳系和地球系统化学元素的分布与分配
第一章太阳系和地球系统化学元素的分布与分配研究任何物质的存在和运动规律，都必须观察研究对象的质和量的特征。
地壳和地球的化学组成如何，元素的相对含量怎样，无疑是地球化学必须探讨的基础课题。
地球化学在研究太阳系、地球和地壳及其它不同地质体中元素的含量时，常采用“丰度”（abundance）“分布”（distribution）和“分布量”等不同术语，它们都表示一定空间中物质组成的相对平均含量。
1.1太阳系的化学成分太阳系由太阳、行星、行星物体（宇宙尘、彗星、小行星）和卫星所组成，其中太阳集中了整个太阳系99.8%的质量。
行星沿着椭圆轨道绕太阳而运行(图1.1)。
在它们中间可以划分为两种类型：接近太阳的较小的内行星－水星、金星、地球、火星，也称为类地行星；远离太阳的大的外行星－木星、土星、天王星、海王星和冥王星。
在火星和木星之间存在着数以兆计的小行星（小行星带）。
它们的大小相差极大，其中最大的谷神星直径达770km。
据估计，直径大于10km的小行星有104个，而直径大于1m 的则有1011个。
有些小行星的轨道是横切过行星的轨道。
在殒落到地球上来的陨石中，已经发现有两颗的轨道曾位于小行星带内。
确定太阳系或宇宙丰度的途径计有：（1）直接分析测定地壳岩石、各类陨石和月球岩石的样品；（2）对太阳及其它星体辐射的光谱进行定性和定量研究；（3）利用宇宙飞行器对邻近地球的星体进行就近观察和测定，或取样分析；（4）分析测定气体星云和星际间的物质；（5）分析研究宇宙射线。
图1.1 太阳系及其行星示意图上图－示大小比例，下图－示分布及运行轨道1.1.1陨石的化学成分陨石是落到地球上来的行星物体的碎块。
它们可能起源于彗星。
更加可能来自火星和木星之间的小行星带。
陨石可由显微质点大小到具有几千公斤的巨块。
据估计，每年落到地球表面的大约有500个陨石，其总质量可达3×106至3×107t。
然而，每年见到其殒落，但又能找到的陨石仅5到6个。
《地球化学》章节笔记
《地球化学》章节笔记第一章：导论一、地球化学概述1. 地球化学的定义：地球化学是应用化学原理和方法，研究地球及其组成部分的化学组成、化学性质、化学作用和化学演化规律的学科。
它是地质学的一个分支，同时与物理学、生物学、大气科学等多个学科有着密切的联系。
2. 地球化学的研究对象：- 地球的固体部分，包括岩石、矿物、土壤等；- 地球的流体部分，包括大气、水体、地下水等；- 地球生物体，包括植物、动物、微生物等；- 地球内部，包括地壳、地幔、地核等。
3. 地球化学的研究内容：- 地球物质的化学组成及其时空变化；- 地球内部和外部的化学过程；- 元素的迁移、富集和分散规律；- 地球化学循环及其与生物圈的相互作用；- 地球化学在资源、环境、生态等领域的应用。
二、地球化学的研究方法与意义1. 地球化学的研究方法：- 野外调查与采样：包括地质填图、钻孔、槽探、岩心采样等；- 实验室分析：包括光学显微镜观察、X射线衍射、电子探针、电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）、原子吸收光谱（AAS）等；- 地球化学数据处理：包括统计学分析、多元回归、聚类分析等；- 地球化学模型：建立地球化学过程的理论模型和数值模型；- 同位素示踪：利用稳定同位素和放射性同位素研究地球化学过程。
2. 地球化学研究的意义：- 揭示地球的形成和演化历史；- 了解地球内部结构、成分和动力学过程；- 探索矿产资源的形成机制和分布规律；- 评估和治理环境污染问题；- 理解地球生物圈的化学循环和生态平衡；- 为可持续发展提供科学依据。
三、地球化学的发展历程与现状1. 地球化学的发展历程：- 起源阶段：19世纪初，地质学家开始关注矿物的化学组成；- 形成阶段：19世纪末至20世纪初，维克托·戈尔德施密特等科学家奠定了地球化学的基础；- 发展阶段：20世纪中叶，地球化学在理论、方法、应用等方面取得显著进展；- 现代阶段：20世纪末至今，地球化学与分子生物学、环境科学等学科交叉，形成新的研究领域。
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➢因为地壳中O, Si, Al, Fe, K, Na, Ca等元素
丰度最高，浓度大，容易达到形成独立矿 物的条件。
➢自然界浓度低的元素很难形成独立矿物
，如硒酸锂(Li2SeO4)和硒酸铷(Rb2SeO4)； 但也有例外，“Be”元素地壳丰度很低 (1.7×10－6)，但是它可以形成独立的矿物 Be3Al2Si6O18(绿柱石)
➢浓度克拉克值=某元素在区域内某一地质体
中平均含量/某区域元素的丰度值
第一章 太阳系和地球系统的元素
2007年4月5日
丰度PartⅢ
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浓集系数
定义为：某元素最低可采品位/某元素的 克拉克值,反映了元素在地壳中倾向于集 中的能力。
Sb和Hg浓集系数分别为25000和14000， Fe的浓集系数为6，这说明Fe成矿时只要 克拉克值富集6倍即可
第一章 太阳系和地球系统的元素
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➢③限制了自然体系的状态
➢实验室条件下可以对体系赋予不同物
理化学状态，而自然界体系的状态受到
限制，其中的一个重要的因素就是元素
丰度的影响。
➢例如，酸碱度—pH值在自然界的变化
范围比在实验室要窄很多，氧化还原电 位也是如此。
第一章Байду номын сангаас太阳系和地球系统的元素
第一章 太阳系和地球系统的元素
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1.3.5 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。
第一章 太阳系和地球系统的元素
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课堂作业
1 丰度及克拉克值含义 2 地球化学的研究任务
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第一章 太阳系和地球系统的元素
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第一章 太阳系和地球系统的元素
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④ 地壳丰度对地壳能源的限制
➢地壳的能源主要有两个来源： ➢一个是太阳能， ➢另外一个是放射性元素的衰变能。放射
性衰变能是由放射性元素（K、U、Th） 的类型和数量所决定的。
➢ 例如，地球经过45亿年的演化，已衰变95 ％，已衰变掉50%左右，而仅消耗了其总 量的20％，周而复始，为地球提供能量。
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1.3.6 地壳元素分布的不均一性
整个地球元素分布是不均匀的，地壳也是 一样，地壳元素的分布不论在空间上及时 间上都是不均一的。 这与地壳，乃至于 地幔物质分异的整体过程联系起来。空间 上分布的不均一性时间上地壳元素分布的 不均一性。
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② 指示特征的地球化学过程
➢某些元素克拉克比值是相对稳定的，当发现这些
元素比值发生了变化，示踪着某种地球化学过程
的发生。
➢例如稀土元素比值Th/U=3.3~3.5， Th/U<2则可
认为本区存在铀矿化，Th/U>8~10则可认为本区 发生了钍矿化
➢K/Rb、Zr/Hf、Nb/Ta在地壳环境下，性质相似，
难以彼此分离，有相对稳定的比值。一旦某地区、
某地质体中的某元素组比值偏离了地壳正常比值， 示踪着某种过程的发生。
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③浓度克拉克值和浓集系数
➢浓度克拉克值 ➢定义为：某元素在某一地质体中平均含量/
某元素的克拉克值 ＞1 意味该元素在地质体中集中了 ＜1 意味该元素在地质体中分散了
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地史晚期：一些活泼的不稳定元素向 着地史晚期富集。Sn、 Nb、Ta和W 等元素。
钨成矿作用高峰期在中生代（燕山期）
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➢世界部分大陆（北美、南非、印度）不同地史时
期成矿元素变化规律:
➢前寒武纪： Pt、Fe、Ni、Co、Au、U(占这些元
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2. 可作为微量元素集中、分散的标尺
➢①可以为阐明地球化学省(场)特征
提供标准
➢例如在东秦岭地区进行区域地球化学
研究表明：东秦岭是一个富Mo贫Cu的 地球化学省，Mo元素区域丰度比地壳 克拉克值高2.3倍；而Cu元素则低于地 壳克拉克值，这样的区域地球化学背景， 有利于形成Mo成矿带。
第一章 太阳系和地球系统的元素
第一章 太阳系和地球系统的元素
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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。
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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 成各种独立矿物而呈分散状态。
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➢Ri =上地壳元素丰度/ 下地壳元素丰度 ➢Ri约等于1： ➢ Ca、 Si、 Zr、 Nd、 Pb等； ➢Ri < 1： ➢Mg、 Cu、V、Fe、Ni、Cr、Ag、Co、Sr等； ➢Ri > 1： ➢Cl、C、Cs、K、Rb、U、Th、Bi、Tl、 Nb等 ➢反映了地壳物质在分异调整过程中的宏观趋势。
复杂体系元素丰度的研究已积累了很多有 成效和有启发性的思路和方法，地球化学 参考模型GERM综合了对太阳系、地球、地 壳等化学组成和元素丰度的最新研究成果。
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第1章 思考题
1、太阳系、地球、地壳的元素丰度特征，三者 差异说明了什么？★。 2、太阳、行星、陨石对太阳系元素丰度研究的 意义。 3、陨石研究对地球形成和组成演化的意义。★ 4、地球各圈层化学组成的基本特征。 5、地球和地壳元素丰度研究的难点是什么。 6、地壳中化学元素分布的规律及其产生的原因。 7、元素丰度研究在地球化学研究中的地位★ 8、重要概念。
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小结
陨石是人类最早开始研究的宇宙样品，已
经有几百年历史。现在，人们对陨石的类 型、组成及其演化途径已经有了比较统一 的认识。陨石来自火星和木星之间的小行 星带，陨石的母体在组成和构造上与地球 极为相似。因此，陨石的研究对了解地球 的成因和组成，对于认识太阳系的早期演 化历史具有十分重要意义。
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➢②限定自然界的矿物种类及种属
➢实验室条件下，化合成数十万种化合物。 ➢自然界中却只有3000多种矿物。矿物种属
有限（硅酸盐25.5%； 氧化物、氢氧化物
12.7%；其他氧酸23.4%； 硫化物、硫酸
盐24.7%；卤化物5.8%；自然元素4.3%；
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➢陆壳：占地球表面30%，厚30-50km，
它们的化学成分由铝、钾硅酸盐组 成，主要分布着亲氧及亲硫元素W， Sn，Mo，Cu，Pb，Zn，Ag等。
➢陆壳内：板块间、区域间、地质体
间、岩石间、矿物间元素分布不均 一性。
第一章 太阳系和地球系统的元素
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第一章 太阳系和地球系统的元素
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➢②横向分布：大陆地壳和海洋地壳
的不均一性:
➢洋壳：占地球表面60% 以上，厚
5~16km，它们的化学成分与地幔物质相 似，以镁、铁硅酸盐为主，主要分布着 Cr， Fe， Ni， Pt等亲铁元素。
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第一章
太阳系和地球系统的元素丰度 （PartⅢ）
1 太阳系和地球系统的元素丰度
1.1 太阳系的组成及其元素丰度
1.2 地球的结构和化学成分 1.3 地壳的化学组成 1.3.1 基本概念
1.3.2 地壳化学元素丰度研究方法 1.3.3 地壳的结构和岩石组成 1.3.4 地壳元素的丰度规律☆ 1.3.5 元素地壳丰度研究的地球化学意义 ★
其它3.3% ）下图
第一章 太阳系和地球系统的元素
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硅酸盐
4.3 3.3 5.8
25.8
氧化物、氢氧化 物
其它含氧盐
24.7
12.7
硫化物、硫酸盐 卤化物
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23.4
自然元素
其它
第一章 太阳系和地球系统的元素
丰度PartⅢ
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为什么酸性岩浆岩的造岩矿物总是长石、 石英、云母、角闪石为主？
第一章 太阳系和地球系统的元素
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丰度PartⅢ
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1. 空间上分布的不均一性
①垂向深度（陆壳）：上下地壳元素 丰度的不均匀性 上地壳：0—8~12km 偏酸性火成岩、 沉积岩； 下地壳：8~12km—莫霍面 麻粒岩、玄 武岩。
第一章 太阳系和地球系统的元素
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④对元素亲氧性和亲硫性的限定
在实验室条件下，化合物组成的剂量可 以任意调配。