地壳的物质组成及元素丰度
第一章
地壳的物质组成及元素丰度
第1节基本概念
第2节地球的内部结构及地壳的物质组成第3节地壳的元素丰度
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第1节基本概念
（一）地球化学旋回
（二）地球化学体系
（三）分布和丰度
（四）分布与分配
（五）绝对含量和相对含量
（六）地球化学省
（一）地球化学旋回
?元素演化是以元素的赋存介质的变
迁实现的。
?地幔物质分异出的岩浆及地壳物质
重熔形成的岩浆上升，结晶形成岩
浆岩，经构造运动隆升至地表或近
地表，进入表生环境，遭受风化、
剥蚀，搬运到湖、海盆地沉积成岩。
?沉积岩经沉降或俯冲到地壳深处，
发生变质或部分重熔而形成新的岩
浆，完成一个大旋回。
（一）地球化学旋回
?地球化学旋回不是简单的机械重复，它始终伴随着物质形态的转变，化学成分的变化；
?地球化学旋回所导致的化学元素的分异和演化是有规律的。
（二）地球化学体系
?按照地球化学的观点，我们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（V、T、P等），并且有一定的时间（t）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。
（三）分布和丰度
?体系中元素的分布：一般指的是元素在这个体系中的相
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，
其实“分布”应当比“丰度”具有更广泛的涵义。
?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，它只反映了元素分布特征的一个方面，
即元素在一个体系中分布的一种平均倾向;
（三）分布和丰度
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。
因此，元素的分布还包含着元素在离散程度（不均一）的特征。 因此元素的分布包含两方面特征:
①元素的相对含量（平均含量）= “丰度”；
②元素含量的不均一性（分布离散特征数、分布所服从统计模型）。 需要指出的是，从目前的情况来看，地球化学对元素分布特征所积累的资料（包括太阳系、地球、地壳）都仅限于丰度的资料，关于元素分布的离散程度及元素分布统计特征研究，仅限于少量范围不大的地球化学体系内做一些工作。
（四）分布与分配
?元素的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）整体平均含量；
?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；
?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。
（五）绝对含量和相对含量
绝对含量单位相对含量单位
T吨％百分之×10-2
kg千克‰千分之×10-3
g克
mg毫克ppm、μg/g、g/T百万分之×10-6
μg微克ppb、μg/kg十亿分之×10-9
ng纳克ppt、pg/g万亿分之×10-12
pg皮克
（六）地球化学省
?在地壳的某一个大范围（几千、几万甚至十几万平方千米）某些元素富集特征特别明显。该区域不仅是一两类岩石中
该元素丰度特别高，该种元素的矿床常成群出现，而且在
历史演化中，该元素的矿产出现率也特别高。通常将地壳
的这一区段称为地球化学省。
?地球化学省实质上是一种地球化学异常，它是以全球地壳
为背景的规模巨大的一级地球化学异常。
?地球化学省的存在对找矿具有重要意义；与环境和生物学
有密切关系，例如，一些地方病的分布具有明显的地域性，与该段地壳中某些元素的分布具有密切联系。
第2节地球的内部结构及地壳的物质组成
?地球的内部结构
z认为由地壳、地幔、地核等不同层圈组成；
z主要依据：地震波传播速度的变化及地球内物质密度的不均匀分布等地球物理资料（间接资料）
?地壳的结构
?广义地壳：包括岩石圈（约100km厚的结晶质固态物质，包括地壳和部分上地幔）、大气圈、水圈和生物圈；
?狭义地壳：专指岩石圈中莫霍面以上的部分。
?莫霍面：是地表到上地幔间的一个不连续面，地震波通过这个面时，由上部的平均速度6.0km/s突增至8.0km/s。这一突然变化标志着物质的化学成分和晶体结构的变化。
?莫霍面之上的地壳在大陆上的平均厚度约35km，在板块碰撞边界，如青藏高原，增高至60-70km；在大洋中地壳厚度仅有5-10km，最薄处仅为零。
?地壳的物质组成
?陆壳以康氏面分为上地壳和下地壳；
z上地壳厚5-12km，由偏酸性的岩浆岩（花岗岩）和沉积岩组
成，又称为硅铝层（Si, Al）；
z下地壳由麻粒岩、玄武岩等中酸性、中基性岩石组成，又称
为硅镁层，富铁镁质(Fe, Mg)。
?洋壳由玄武质的下地壳物质及其上面厚约0.5km的海洋沉积物组成。
第3节地壳的元素丰度
（一）研究元素丰度的意义
（二）地壳元素丰度的定义
（三）地壳元素丰度确定的方法
（四）地壳元素的丰度特征
（五）研究元素地壳丰度的地球化学意义
（六）地壳元素分布的不均一性
（七）具体区域元素丰度的研究
（八）小结
（一）研究元素丰度的意义
①元素丰度是每一个地球化学体系的基本数据。可在同一或不同体系中进行用元素的含量值来进行比较，通过纵向（时间）、横向（空间）上的比较，了解元素动态情况，从而建立起元素集中、分散、迁移活动等一些地球化学概念。从某种意义上来说，也就是在探索和了解丰度这一课题的过程中，逐渐建立起近代地球化学。
②研究元素丰度是研究地球化学基础理论问题的重要素材之一。宇宙天体是怎样起源的？地球又是如何形成的？地壳中主要元素为什么与地幔中的不一样？生命是怎么产生和演化的？这些研究都离不开地球化学体系中的元素丰度、分布特征和基本规律。
（二）地壳元素丰度的定义
地壳元素丰度：
地壳中化学元素的平均含量，又称为克拉克值。
（三）地壳元素丰度确定的方法
?地壳（大陆）的化学组成是认识地球总体成分、分异演化和地球的动力学过程的基本前提，再加之大陆地壳是人类生活和获取资源的场所，为此大陆地壳化学组成的研究自地球化学学科诞生以来一直是研究的中心问题之一。
（三）地壳元素丰度确定的方法
几种研究地壳丰度的方法：
1.早期克拉克计算法
?是由美国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。
?他们的思路是在地壳上部16公里范围内（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，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：
①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；
②对53种元素进行了定量的化学分析；
③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;
④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：
z开创性的工作，为地球化学发展打下了良好的基础；
z代表陆地地壳成分，其数据至今仍有参考价值。
2. 简化研究法（取巧研究法）
1）戈尔德施密特（Goldschmidt）采集了挪威南部冰川成因粘土（77个样）用其成分代表地壳平均化学成分，其结果与克拉克的结果
相似，但对微量元素的丰度做了大量补充和修订，Na2O和CaO含量偏
低（这与表生条件下，Na和Ca容易淋滤沉淀有关）。
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，
用太古宙后页岩平均值扣除20%计算上部陆壳元素丰度。
综合上述各种研究方法，根据目前对地壳的认识，显然具有以下的
不足之处:首先采用的地壳的概念不统一，均未按照现代地壳结构模型
来考虑；其次没有考虑岩石组成随深度和构造单元的变化。
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是研究大陆地壳元素丰度的良好样品。但这样的剖面仅分布在少量地区。
?尽管各家所采用的研究方法不同，但所得的地壳主要元素丰度的估计值还是相互接近的，这充分说明其估计值是比较精确的。
（四）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%，与丰度最小的元素氡Rn的6x10-16相差达1017倍。相差十分悬殊。
z前九种元素：O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg、Ti
z前十五种元素占99.61%，
z其余元素仅占0.39%
z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。
（四）地壳元素的丰度特征
（四）地壳元素的丰度特征
(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.
z太阳系: H>He>O>Ne>N>C>Si>Mg>Fe>S
z地球: Fe>O>Mg>Si>Ni>S>Ca>Al>Co>Na
z地壳: O>Si>Al>Fe>Ca>Na>K>Mg>Ti>H
z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, Na和K。这种差异说明什么呢？
（四）地壳元素的丰度特征
分析结论：
?由宇宙化学体系形成地球的演化（核化学）过程中必然伴
随着气态元素的逃逸。而地球原始的化学演化（电子化学）具体表现为较轻易熔的碱金属铝硅酸盐在地球表层富集，
而较重的难熔镁、铁硅酸盐和金属铁则向深部集中。
?由此可见地壳元素的丰度取决于两个方面的原因: 元素原
子核的结构和稳定性；宇宙物质形成地球的整个演化过程
中物质的分异。
?总之，现今地壳中元素丰度特征是由元素起源直到太阳系、地球（地壳）的形成和存在至今这一段漫长时期内元素演
化历史的最终结果。
（四）地壳元素的丰度特征
(3)地壳中元素丰度不是固定不变的，它是不断变化的开放体系
①地球表层H、He等气体元素逐渐脱离地球重力场；
②每天降落到地球表层的地外物质102~105吨；
③地壳与地幔的物质交换；
④放射性元素衰变；
⑤人为活动的干扰。
（五）研究元素地壳丰度的地球化学意义
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。
（五）元素地壳丰度研究的地球化学意义
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铷（Rb）、铯
（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。
1、控制元素的地球化学行为
②限定自然界的矿物种类及种属
z实验室条件下，化合成数十万种化合物;
z自然界中却只有3000多种矿物。矿物种属有限。
?硅酸盐25.8%；
?氧化物、氢氧化物12.7%;
?其他含氧盐23.4%；
?硫化物、硫酸盐24.7%；
?卤化物5.8%；
?自然元素4.3%；
?其它3.3%
1、控制元素的地球化学行为
③限制了自然体系的状态
z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，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。
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；
?在自然条件下，情况就不同了：在地壳O丰度高，S丰度
低环境下，Ca元素显然是亲氧的。
2、可作为微量元素集中、分散的标尺
①衡量研究区化学元素富集或贫化的程度
例如，在东秦岭地区进行区域地球化学研究表明：东秦岭是一个富钼（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。
z资源：Mo地壳丰度1×10-6，东秦岭Mo区域丰度
2.3×10-6Mo的地球化学省。
z环境：克山病病区中土壤有效Se、饮水Se含量、主食
中Se含量（0.01~0.02ppm）普遍低于地壳背景
（0.05~0.09ppm），导致人体Se低水平。
②判断特殊的地球化学过程
z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。
z例如，稀土元素比值、钍（Th）/铀（U）（3.3-3.5）、
钾（K）/铷（Rb）、锆（Zr）/铪（Hf）、铌（Nb）/钽
（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；
z 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。
浓度克拉克值
?浓度克拉克值= 某元素在某一局部地段或某一地质体中的
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
3、对地壳能源的限制
z地壳的能源有两个主要来源，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
的类型和数量所决定的。
z例如，地球经过45亿年的演化，235U已衰变95％，238U
已衰变掉50%左右，而232Th仅消耗了其总量的20％，周
而复始，为地球提供能量。
（六）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。
（1）空间上分布的不均一性
（2）时间上地壳元素分布的不均一性
1、空间上分布的不均一性
?垂向深度（陆壳）：上、下地壳元素丰度的不均匀性：
上地壳：0-5~12 km：偏酸性岩浆岩、沉积岩（Si, Al）；
下地壳：5~12km-莫霍面：麻粒岩、玄武岩(Fe, Mg) 。
Ri=上地壳元素丰度/ 下地壳元素丰度：
Ri约等于1: Ca, Si, Pb, 锆（Zr）等；
Ri> 1: Cl, C, Cs, K, Rb, U, Th等。
Ri< 1: Mg, Cu, Fe, Ni, Cr, Ag, Co,钒（V）, 锶（Sr）等；
反映了地壳物质在分异调整过程中的宏观趋势。
1、空间上分布的不均一性
?横向分布：大陆地壳和海洋地壳的不均一性
z陆壳：占地球表面30%，厚30-50km，它们的化学成
分由Al、K硅酸盐组成，主要分布着亲氧及亲硫元素，
锡（Sn），Mo, Cu, Pb, Zn, Ag等；
z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Mg、Fe硅酸盐为主，主要分
布着Cr, Fe, Ni, Pt等亲铁元素；
z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。
2、时间上地壳元素分布的不均一性
?随着地质历史的发展，元素的活动与分布有着明显的规律性。地史早期：一些稳定元素在地史早期富集。
Au元素：主要产在前寒武纪；
Fe元素:主要产在前寒武纪元古代
地史晚期：一些活泼的不稳定元素向着地史晚期富集。
?从地质历史大的时间跨度上来说是这样，就是从某一时期
内元素在时间上的分布也是不均匀的。
?通过以上分析，不仅应了解元素的集中趋势，而且研究元素的
时空不均一性显得更为重要。研究元素在区域上空间分布及时
间演化趋势对于为国民经济服务（资源、环境）有着十分重要
的意义。
1太阳系和地球系统元素的丰度详解
第一章 太阳系和地球系统的元素丰度 元素丰度是每一个地球化学体系的基本数据，可在同一或不同体系中用元素的含量值来进行比较，通过纵向（时间）、横向（空间）上的比较，了解元素动态情况，从而建立起元素集中、分散、迁移活动等一系列地球化学概念。从某种意义上来说，也就是在探索和了解丰度这一课题的过程中，逐渐建立起近代地球化学。 研究元素丰度是研究地球化学基础理论问题的重要素材之一。宇宙天 体是怎样起源的？地球又是如何形成的？地壳中主要元素为什么与地幔中的不一样？生命是怎么产生和演化的？这些研究都离不开地球化学体系中元素丰度分布特征和规律。 1.1 基本概念 1.地球化学体系 按照地球化学的观点，我们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（C 、T 、P 等），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
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元素“量”的研究。 2.分布与丰度 所谓元素在体系中的分布，一般认为是元素在这个体系中的相对含量（以元素的平均含量表示），即元素的“丰度”。其实“分布”比“丰度”具有更广泛的涵义： 体系中元素的丰度值实际上只是对这个体系里元素真实含量的一种估计，它只反映了元素分布特征的一个方面，即元素在一个体系中分布的一种集中（平均）倾向。但是，元素在一个体系中，特别是在较大体系中的分布决不是均一的，还包含着元素在体系中的离散（不均一）特征，因此，元素的分布包括: ①元素的相对含量（平均含量=元素的“丰度”）；②元素含量的不均一性（分布离散特征数、分布所服从的统计模型）。 需要指出的是，从目前的情况来看，地球化学对元素特征所积累的资料（包括太阳系、地球、地壳）都仅限于丰度的资料，关于元素分布的离散程度及元素分布统计特征研究，仅限于在少量范围不大的地球化学体系内做了一些工作。 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。 4.绝对含量和相对含量 各地球体系中常用的含量单位有两类，绝对含量和相对含量。 1.2太阳系的组成和元素丰度
地球的地壳元素丰度列表(知识浅析)
以下是地球地壳中的化学元素丰度的列表，其中包括 5 份不同资料来源得到的结果，此处的丰度以质量百分比的丰度为准。 其中的数字是估计值，会随着资料来源及估计方式不同而改变。因此各元素丰度的大小关系只能作大致上的参考。 元素 化学 符 号 [1] [2] [3] [4] [5] 年 产量 氧 O 46.60% 47.40% 46% 46.71% 46.1% 100,000,000 吨 硅 Si 27.72% 27.71% 27% 27.69% 28.2% 3,880,000 吨 铝 Al 8.13% 8.20% 8.2% 8.07% 8.23% 15,000,000 吨 铁 Fe 5.00% 4.10% 6.3% 5.05% 5.63% 716,000,000 吨 钙 Ca 3.63% 4.10% 5.0% 3.65% 4.15% 112,000,000 吨 (CaO) 钠 Na 2.83% 2.30% 2.30% 2.75% 2.36% 200,000 吨 钾 K 2.59% 2.10% 1.50% 2.58% 2.09% 200 吨 镁 Mg 2.09% 2.30% 2.90% 2.08% 2.33% 350,000 吨 钛 Ti 0.44% 0.56% 0.66% 0.62% 0.56% 99,000 吨 氢 H 0.14% N/A 0.15% 0.14% 0.14% 磷 P 0.12% 1000 ppm 1000 ppm 1300 ppm 1050 ppm 153,000,000 吨 锰 Mn 0.10% 950 ppm 1100 ppm 900 ppm 950 ppm 6,220,000 吨 氟 F 0.08% 950 ppm 540 ppm 290 ppm 585 ppm 钡 Ba 500 ppm 340 ppm 500 ppm 425 ppm 6,000,000 吨 碳 C 0.03% 480 ppm (0.048%) 1800 ppm (0.18%) 940 ppm 200 ppm (0.020%) 8,600,000,000 吨 锶 Sr 370 ppm 360 ppm 370 ppm 137,000 吨 硫 S 0.05% 260 ppm 420 ppm 520 ppm 350 ppm 54,000,000 吨 锆 Zr 190 ppm 130 ppm 250 ppm 165 ppm 7,000 吨 钨 W 160.6 ppm 190 ppm 1.25 ppm (?) 45,100 吨 钒 V 0.01% 160 ppm 190 ppm 120 ppm 7,000 吨 氯 Cl 0.05% 130 ppm 170 ppm 450 ppm 145 ppm 铬 Cr 0.01% 100 ppm 140 ppm 350 ppm 102 ppm 4,000,000 吨
地球,地壳中元素的分布特征分析实习报告
地球，地壳中元素的分布特征分析实习报告一·表一对比 我们小组选取的两组数据分别为华北地台大陆地壳元素丰度和中国东部大陆地壳元素丰度，并对其做了对比（表1-1）。可以看出两者间的差异较小，尤其是丰量元素的比较。可
表1-1 二·表二对比 在对表二的分析中，我们对华东南地块不同部位陆壳化合物做对比，结果发现华东南地块上陆壳SiO2， K2O和其他物质相对于其他部位多。而中下陆壳的Na2O，Al2O3的含量相
对于其他部位多。在下陆壳中Fe2O3，FeO，MnO，MgO相对于其他部位多。（表2-1图2-2） 而对于以上现象的解释，随着深度，温度，压力的增大，不同的岩石对应不同的变质相。上地壳由绿片眼和未变质的岩石构成。中地壳由英云闪长岩-奥长闪长岩-花岗质片麻岩相岩石组成。下地壳由成分不同的麻粒岩相岩石组成。而不同的变质相对应不同的化学组分，这就是不同部位的元素差异的原因。 （图2-2）
对于不同地区中下陆地壳化合物丰度的研究中，我们对华东南地块中下陆壳和做了对比（图2-3）。华东南地块中下陆壳的SiO 2、K 2O 、Na 2O 和Al 2O 3相对于华北地块中下陆壳要多。而华北地块中下陆壳的Fe2O3，FeO ，MgO ， Ca O 相对于华东南地块中下陆壳要多。 对于以上解释，我理解为华北地块比华东南地块接受剥蚀的情况要严重（有可能是构造运动将华北地块抬升），使其化学成分相对镁铁质化了。 （图2-3） SiO2 TiO2 Al2O3Fe2O3 FeO MnO MgO CaO Na2O K2O 其他 61.180.77615.3 2.34 3.640.105 3.21 4.64 3.72 2.05 3.03959.07 0.68414.68 3.14 4.870.107 3.94 6.03 3.38 1.86 2.239不同地区中下陆地壳化合物丰度 华东南地块中下陆壳 华北地台中下陆壳
地壳的基本元素分布特征及其在地球演化中的意义
地壳的基本元素分布特征及其在地球演化中的意义 大洋地壳和大陆地壳是地壳的两大组成部分,也是全球大地构造的两个基本单元。按照地球物理学的概念，地壳是介于地球固态表面和莫氏界面(Moho)之间的层壳,由岩石组成,地壳的总面积为510x106平方公里,整个地壳的平均厚度为17公里(1982,Mason),总体积为8×109立方公里,地壳内岩石的平均密度为2.8克/厘米3,因此,整个地壳的质量为24x1018吨,也就是24万地克(1地克=1020克=1014吨)。 无论在洋壳或陆壳内,重量丰度值在千分之一以上(≥0.1%)的元素有12种,这些组成洋壳和陆壳的主要元素,分别占洋壳和陆壳质量的99.63%和99.69%(见表) 表中同时列出以全地壳的元素丰度为背景所求得的丰度系数(f)。从这些丰度系数中可以看出: 1.凡是富集(f>1)在洋壳中的元素,绝大多数都是在陆壳中贫化(f<1)的元素(只有少数f=1),反之亦然。 2.富集在洋壳中的主要元素有Fe、Ca、Mg、Ti、Mn和P,富集系
数介于1.17一1.54之间,其中以Mg和Mn的f值最大。 3.富集在陆壳中的主要元素有Si、Na和K,富集系数介下1.04以~1.12之间,其中以K的f值最大。 4.在洋壳和陆壳中丰度相似,f值都接近于1,无明显的富集或贫化趋势的主要元素有O和Al。 上述的丰度特征,同样也适用于其余的元素,例如: 1.富集在洋壳中的元素还有:Se、V、Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Mo、Pd、Ag、Cd、In、Sb、Re、Pt、Au、Hg、Bi等。富集系数介于1.06~ 2.07之间,其中以Hg的f值最小，Pt的f值最大。富集在洋壳中的元素,几乎全属亲铁(或亲金属相)和亲铜(或亲硫化物相)的元素。 2.富集在陆壳中的元素还有:Li、Be、Rb、Y、Zr、Sn、Ba、TR、Hf、Ta、W、TI、Pb、Th、U等。富集系数介于1.03~1.49之间,其中以Ba的f值最小,TR的f值最大,富集在陆壳中的元素主要是亲石(或硅酸盐相)的元素。 3.在洋壳和陆壳内丰度相似,f值都接近于1,无明显的富集或贫化趋势的元素还有:Ga、Ge、Sr、Nb等元素。 稀土丰度模式是镧系元索的丰度系数曲线,它以原子序数为横座标,按57到71的顺序排列;以样品/标准的镧系元索各个对应比值为纵座标,常用的座标(或背景)是球粒陨石。 为了显示洋壳和陆壳的化学演化特征,分别采用上地慢(黎彤,1976)和洋壳为标准,即以洋壳/上地慢和陆壳/洋壳的铜系元素丰度系数作图。
地壳元素的测定方法丰度
地壳元素丰度的测量方法总结 克拉克最早开始计算地壳的平均化学成分。他采用包括岩石圈、水圈和大气圈的广义地壳。它们的质量比分别是93％、7％、0.03％。因而他得到的地壳平均化学成分含量值，实际上是这三个地圈化学元素组成的综合值。 克拉克的大气圈和水圈的化学组成引用前人发表的工作，自己则从事岩石圈平均化学组成计算。他采用的火成岩和沉积岩的质量比为95％和5％。对于火成岩，他选择了5159个分析质量好的岩石化学资料。按照数据的地理分布，划分出48个区域，求得各地区平均，然后归纳成包括各大洲和洋岛的9个大区域。求得每一个区域的平均后，再计算整个地壳的平均值。每次平均的方式有所不同。对于沉积岩，他选择了676个沉积岩组合样化学全分析资料。同时将沉积岩分为页岩、砂岩和灰岩，它们的质量关系为4％，0.75％和0.25％。按照质量加权平均求得地壳的沉积岩平均成分。最后，按照火成岩和沉积岩的质量比加权求得岩石圈地壳的平均化学成分。以三个地圈的平均化学组成为基础，算得广义地壳的元素丰度。克拉克计算地壳元素丰度的有效深度为16km，因为当时所知的最高山峰和最深海沟的高差和这相当。克拉克计算中的一个主要问题是参与计算的岩石化学资料地理分布极不均一，面积仅占20％的北美、欧洲、样品数占70％以上。面积占29％的亚洲大陆，样品数仅有2％。另一个问题是洋壳很难采集，导致测量结果有一定的误差。 自从克拉克首次发表了地壳元素丰度值后，许多学者相继进行了比较简便的计算，并将结果与克拉克计算的结果进行对比，以论证其方法的可靠性。 戈尔德施密特采用了一种很有趣的简洁办法来检验克拉克的数据。在挪威南部古老片麻岩地区，有一种分布很广的冰川泥。他认为，这种冰川粘土可作为大面积分布的结晶岩石的平均化学成分。他选取了77个样品进行分析，所得结果与克拉克的5159 个样品结果除了CaO 和Na2O偏低外，其余都很接近。Na2O和CaO含量偏低是因水合作用和溶解作用导致Na 和Ca的流失。 维诺格拉多夫于1949年发表了地壳元素丰度数据。他是根据粘土和页岩的平均化学成分求得的。他发现，这种平均化学成分与克拉克的丰度值很相似。1962年，维诺格拉多夫又发表了他用两份酸性岩和一份基性岩的平均化学组成算得的地壳元素丰度值。这些丰度值对他1949年发表的丰度数据，已作了较大的修改。从现代地壳结构模型来看，维诺格拉多夫取酸性岩和基性岩的质量比为2∶1，大体上相当于这两类岩石在大陆地壳内的质量比，而不包括大洋壳。 泰勒（S.R.Taylor）于1964年发表了大陆地壳的元素丰度。他采用花岗岩和玄武岩的质量比为1∶1 进行计算。并简单地用花岗岩和玄武岩的标样来代替。泰勒取花岗岩和玄武岩质量比为1∶1，大体上接近这两类岩石在包括大洋壳在内的整个地壳质量比值。因此，他的大陆地壳丰度实际上应为全球地壳的元素丰度。 综观以上地壳元素丰度计算，可以发现存在以下几个主要问题。如地壳概念不统一，未能按现代地壳结构模型进行计算；地壳深度的确定是人为的，未考虑莫霍面在大洋和大陆的不
地壳的物质组成及元素丰度
第一章 地壳的物质组成及元素丰度 第1节基本概念 第2节地球的内部结构及地壳的物质组成第3节地壳的元素丰度 LOGO 第1节基本概念 （一）地球化学旋回 （二）地球化学体系 （三）分布和丰度 （四）分布与分配 （五）绝对含量和相对含量 （六）地球化学省
（一）地球化学旋回 ?元素演化是以元素的赋存介质的变 迁实现的。 ?地幔物质分异出的岩浆及地壳物质 重熔形成的岩浆上升，结晶形成岩 浆岩，经构造运动隆升至地表或近 地表，进入表生环境，遭受风化、 剥蚀，搬运到湖、海盆地沉积成岩。 ?沉积岩经沉降或俯冲到地壳深处， 发生变质或部分重熔而形成新的岩 浆，完成一个大旋回。 （一）地球化学旋回 ?地球化学旋回不是简单的机械重复，它始终伴随着物质形态的转变，化学成分的变化； ?地球化学旋回所导致的化学元素的分异和演化是有规律的。
（二）地球化学体系 ?按照地球化学的观点，我们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（V、T、P等），并且有一定的时间（t）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。 （三）分布和丰度 ?体系中元素的分布：一般指的是元素在这个体系中的相 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， 其实“分布”应当比“丰度”具有更广泛的涵义。 ?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，它只反映了元素分布特征的一个方面， 即元素在一个体系中分布的一种平均倾向;
对比各种地壳元素丰度变化规律
4.地壳化学元素分布规律和分析 根据地壳的主要氧化物、稀有金属、成分特征及其百分含量可以总结 出如下规律： 1.奇偶规律：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丰度。 2..地壳贫铁镁，富铝钾钠。 3.递减规律：原子序数较低的的范围内，元素丰度随原子序数增大呈 指数递减。 4.较轻易熔的铝硅酸盐在地壳表层富集，较重的镁铁向深部集中。 地壳15种稀有元素丰度表(10-6)
根据上述数据可以总结出规律如下： 1 原子系数为偶数的元素丰度大于相邻原子系数为奇数的元素，具有偶数质子数或中子数的核数丰度总是高于奇数质子数或中子数的核数。 2 在稀有元素中，Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu随着深度的增加丰度几乎不变，Ce的含量最高，Tm，Lu的含量最低，La Ce Pr Nd的丰度随着深度的增加逐渐减少。 3 稀土元素的分布是不均匀的，原子序数为偶数的元素一般比相邻的原子序数为奇数的元素含量高。 4 大陆地壳稀土元素总量高，相对富轻稀土;大洋地壳稀土元素含量较低,相对富重稀土。 下表给出了地壳元素丰度具体值
地壳元素丰度表
分析和总结： 由上表可见，岩石圈中十余种常量元素占总量的绝大部分，如地壳中Ｓi、Ｏ、Ａl、Ｆe、Ｎa、Ｋ、Ca、Ｍg、Ｔi等九种元素占总量的百分之九十九以上，它们是岩石圈成分主体。 元素演化是以元素的赋存介质的变迁实现的。在地幔对流驱动板块动移并发生岩石循环过程中，地幔物质分异出的岩浆及地壳物质重熔形成的岩浆通过上升，结晶形成岩浆岩，经构造运动隆升至地表或近地表，进入表生环境，遭受风化、剥蚀，搬运到湖、海盆地沈积成岩。沉积岩再经沉降或俯冲到地壳深处，发生变质或部分重熔而形成新的岩浆，完成一个大旋回。在大旋回演化过程中，同时还存不同级次的次级旋回。如沉积岩直接进入风化搬运，变质岩也可不遭受重熔而上升至地表遭受风化、剥蚀等。 外生环境与内生环境的分界一般说来相当于潜水面，之下为还原环境，之上为氧化环境。但在基岩中断裂发育区，地下水下渗较深，也会对潜水面之下的岩石产生氧化作用。同时，我们还应当看到，地球化学旋回不是简单的机械重复，它始终伴随着物质形态的转变，化学成分的变化。可见，地球化学旋回的方式可以重复，但其物质成分的演化趋势是不可逆的，从而引起了化学元素的分异和演化，这种分异和演化是有规律的。
地壳元素丰度
部分地壳元素(化合物)丰度表/图 (地球化学作业) 学院：资环学院 班级：资勘091 姓名：喻万松 学号： 0908100349 2011-10-6
地壳主要元素(化合物)丰度表 元素（化合物） Na 2O MgO Al 2O 3 SiO 2 P 2O 5 K 2O CaO TiO 2 MnO FeO 克拉克值 (%) 上地壳 3.9 2.2 15.2 66 0.15 3.4 4.2 0.65 0.08 4.5 中地壳 3.2 3.4 1 5.5 52.3 0.1 2.01 5.1 0.7 0.1 6.4 下地壳 2.6 7.1 16.6 59.1 0.1 0.6 9.4 0.8 0.1 8.14 地壳部分微量元素丰度表(单位：ppm) 元素 Li Be B Cl V Cr Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Rb Zr N b Mo Sn W Pb 上 地壳 20 3 15 142 60 35 10 20 25 71 17 1.6 1.5 50 11 2 190 12 1.5 5.5 2 20 中 地 壳 7 2.29 17 182 118 83 25 33 20 70 17 1.13 3.1 64 62 125 8 0.6 1.3 0.6 15 .3 下 地 壳 6 0.63 8 216 196 215 38 88 26 78 13 1.1 1.3 140 11 68 5 0.45 1.09 0.5 4. 2
地壳14种稀土元素丰度表(10-6) 元 素 Y La Ce Pr Nd Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu 上 地壳 22 30 64 7.1 26 4.5 0.88 3.8 0.64 3.5 0.8 2.3 0.33 2.2 0.32 中 地壳 22 17 15 5.8 24 4.4 1.5 4 0.58 3.8 0.82 2.3 2.3 0.41 下 地壳 16 8 20 2.6 11 2.8 1.1 3.1 0.48 3.1 0.68 1.9 0.32 1.5 0.25
1太阳系和地球系统元素的丰度
第一章太阳系和地 球系统的元素丰度 元素丰度是每一个地球化学体系的基本 数据，可在同一或不同体系中用元素的含量 值来进行比较，通过纵向（时间）、横向 （空间）上的比较，了解元素动态情况，从 而建立起元素集中、分散、迁移活动等一系 列地球化学概念。从某种意义上来说，也就 是在探索和了解丰度这一课题的过程中，逐 渐建立起近代地球化学。 研究元素丰度是研究地球化学 基础理论问题的重要素材之一。宇宙天 体是怎样起源的？地球又是如何形成的？地 壳中主要元素为什么与地幔中的不一样？生 命是怎么产生和演化的？这些研究都离不开 基础概念太阳系的组成及元素丰度地球的结构和化学成分 地球化学体系中元素丰度分布特征和规律。 1.1基本概念 地壳元素的丰度区域中元素分布的研究 1. 地球化学体系 按照地球化学的观点，我们把所要研究 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（C T、P等），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元素“量”的研究。 2. 分布与丰度 所谓元素在体系中的分布，一般认为是元素在这个体系中的相对含量（以元素的平均含量表示），即元素的“丰度”。其实“分布”比“丰度”具有更广泛的涵义：体系中元素的丰度值实际上只是对这个体系里元素真实含量的一种估计，它只反映了元素分布特征的一个方面，即元素在一个体系中分布的一种集中（平均）倾向。但是，元素在一个体系中，特别是在较大体系中的分布决不是均一的，还包含着元素在体系中的离散（不均一）特征，因此，元素的分布包括：①元素的 相对含量（平均含量=元素的“丰度”）；② 元素含量的不均一性（分布离散特征数、分布所服从的统计模型）。 需要指出的是，从目前的情况来看，地球化学对元素特征所积累的资料（包括太阳系、地球、地壳）都仅限于丰度的资料，关于元素分布的离散程度及元素分布统计特征研究，仅限于在少量范围不大的地球化学体系内做了一些工作。 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。 4. 绝对含量和相对含量 各地球体系中常用的含量单位有两类，绝对含量和相对含量 1.2太阳系的组成和元素丰度
地球地壳中的化学元素丰度
元素 化 学 [1][2][3][4][5]年产量 氧 O 46.60% 47.40% 46% 46.71%46.1% 100,000,000 吨 硅 Si 27.72% 27.71% 27% 27.69%28.2% 3,880,000 吨 铝 Al 8.13% 8.20% 8.2% 8.07% 8.23% 15,000,000 吨 铁 Fe 5.00% 4.10% 6.3% 5.05% 5.63% 716,000,000 吨 钙 Ca 3.63% 4.10% 5.0% 3.65% 4.15% 112,000,000 吨 (CaO) 钠 Na 2.83% 2.30% 2.30% 2.75% 2.36% 200,000 吨 钾 K 2.59% 2.10% 1.50% 2.58% 2.09% 200 吨 镁 Mg 2.09% 2.30% 2.90% 2.08% 2.33% 350,000 吨 钛 Ti 0.44% 0.56% 0.66% 0.62% 0.56% 99,000 吨 氢 H 0.14% N/A 0.15% 0.14% 0.14% 磷 P 0.12% 1000 ppm 1000 ppm 1300 ppm 1050 ppm 153,000,000 吨 锰 Mn 0.10% 950 ppm 1100 ppm900 ppm950 ppm 6,220,000 吨 氟 F 0.08% 950 ppm 540 ppm290 ppm585 ppm 钡 Ba 500 ppm 340 ppm500 ppm425 ppm 6,000,000 吨 碳 C 0.03% 480 ppm (0.048%) 1800 ppm (0.18%) 940 ppm 200 ppm (0.020%) 8,600,000,000 吨 锶 Sr 370 ppm 360 ppm370 ppm 137,000 吨 硫 S 0.05% 260 ppm 420 ppm520 ppm350 ppm 54,000,000 吨 锆 Zr 190 ppm 130 ppm250 ppm165 ppm 7,000 吨 钨 W 160.6 ppm 190 ppm 1.25 ppm (?) 45,100 吨 钒 V 0.01% 160 ppm 190 ppm120 ppm 7,000 吨 氯 Cl 0.05% 130 ppm 170 ppm450 ppm145 ppm 铬 Cr 0.01% 100 ppm 140 ppm350 ppm102 ppm 4,000,000 吨 铷 Rb 0.03% 90 ppm 60 ppm 90 ppm 只作研究用途 镍 Ni 80 ppm 90 ppm 190 ppm84 ppm 1,300,000 吨 锌 Zn 痕量 75 ppm 79 ppm 70 ppm 5,020,000 吨 铜 Cu 0.01% 50 ppm 68 ppm 60 ppm 6,450,000 吨 铈 Ce 68 ppm 60 ppm 66.5 ppm 24,000 吨 钕 Nd 38 ppm 33 ppm 41.5 ppm 7,300 吨 镧 La 32 ppm 34 ppm 39 ppm 12,500 吨 钇 Y 30 ppm 29 ppm 33 ppm 400 吨 氮 N 0.005% 25 ppm 20 ppm 19 ppm 44,000,000 吨
地壳中的元素
地壳中各元素的含量从大到小依次为氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁、氢 ．．．．．．．．．．．．．．．．．百分比分别为：氧48.06％、硅26.30％、铝7.73％、铁4.75％、钙3.45％、钠2.74％、钾2.47％、镁2.00％、氢0.76％、其他0.76％ 氧、硅、铝、铁、钙是地壳中含量前五位的元素 其中氧占48.6% 硅占26.3 O,Si,Al,Fe,Ca,Na,K,Mg,H,其它 百分比分别为：氧48.06％、硅26.30％、铝7.73％、铁4.75％、钙3.45％、钠2.74％、钾2.47％、镁2.00％、氢0.76％、其他0.76％ 在地壳中最多的化学元素是氧，它占总重量的48.6%；其次是硅，占26.3%；以下是铝、铁、钙、钠、钾、镁。丰度最低的是砹和钫，约占1023分之一。上述8种元素占地壳总重量的98.04%，其余80多种元素共占1.96%。 地壳中各种化学元素平均含量的原子百分数称为原子克拉克值，地壳中原子数最多的化学元素仍然是氧，其次是硅，氢是第三位。 大约99%以上的生物体是由10种含量较多的化学元素构成的，即氧、碳、氢、氮、钙、磷、氯、硫、钾、钠；镁、铁、锰、铜、锌、硼、钼的含量较少；而硅、铝、镍、镓、氟、钽、锶、硒的含量非常少，被称为微量元素。表明人与地壳在化学元素组成上的某种相关性。 地壳中含量最多的元素是氧，但含量最多的金属元素则要首推铝了。 铝占地壳总量的7．73％，比铁的含量多一倍，大约占地壳中金周元素总量的三分之一。 铝对人类的生产生活有着重大的意义．它的密度很小，导电、导热性能好，延展性也不错，且不易发生氧化作用，它的主要缺点是太软。为了发挥铝的优势，弥补它的不足，故而使用时多将它制成合金。铝合金的强度很高，但重量却比一般钢铁轻得多．它广泛用来制造飞机、火车车厢、轮船、日用品等。由于用的导电性能好，它又被用来输电．由于它有很好的抗腐蚀性和对光的反射性．因而在太阳能的利用上也一展身手。
地球的地壳元素丰度列表
地球的地壳元素丰度列表 素化学 符号 [1][2][3][4][5] 氧O 46.60% 47.40% 46% 46.71% 46.1% 硅Si 27.72% 27.71% 27% 27.69% 28.2% 铝Al 8.13% 8.20% 8.2% 8.07% 8.23% 铁Fe 5.00% 4.10% 6.3% 5.05% 5.63% 钙Ca 3.63% 4.10% 5.0% 3.65% 4.15% 钠Na 2.83% 2.30% 2.30% 2.75% 2.36% 钾K 2.59% 2.10% 1.50% 2.58% 2.09% 镁Mg 2.09% 2.30% 2.90% 2.08% 2.33% 钛Ti 0.44% 0.56% 0.66% 0.62% 0.56% 氢H 0.14% N/A 0.15% 0.14% 0.14% 磷P 0.12% 1000 ppm1000 ppm 1300 ppm 1050 ppm 锰Mn 0.10% 950 ppm 1100 ppm 900 ppm 950 ppm 氟 F 0.08% 950 ppm 540 ppm 290 ppm 585 ppm
钡Ba 500 ppm 340 ppm 500 ppm 425 ppm 碳 C 0.03% 480 ppm (0.048%) 1800 ppm (0.18%) 940 ppm 200 ppm (0.020%) 锶Sr 370 ppm 360 ppm 370 ppm 硫S 0.05% 260 ppm 420 ppm 520 ppm 350 ppm 锆Zr 190 ppm 130 ppm 250 ppm 165 ppm 钨W 160.6 ppm 190 ppm 1.25 ppm (?) 钒V 0.01% 160 ppm 190 ppm 120 ppm 氯Cl 0.05% 130 ppm 170 ppm 450 ppm 145 ppm 铬Cr 0.01% 100 ppm 140 ppm 350 ppm 102 ppm 铷Rb 0.03% 90 ppm 60 ppm 90 ppm 镍Ni 80 ppm 90 ppm 190 ppm 84 ppm 锌Zn 痕量75 ppm 79 ppm 70 ppm 铜Cu 0.01% 50 ppm 68 ppm 60 ppm 铈Ce 68 ppm 60 ppm 66.5 ppm 钕Nd 38 ppm 33 ppm 41.5 ppm 镧La 32 ppm 34 ppm 39 ppm 钇Y 30 ppm 29 ppm 33 ppm 氮N 0.005% 25 ppm 20 ppm 19 ppm 钴Co 痕量20 ppm 30 ppm 25 ppm 锂Li 20 ppm 17 ppm 20 ppm 铌Nb 20 ppm 17 ppm 20 ppm 镓Ga 18 ppm 19 ppm 19 ppm 钪Sc 16 ppm 26 ppm 22 ppm 铅Pb 14 ppm 10 ppm 14 ppm 钐Sm 7.9 ppm 6 ppm 7,05 ppm 钍Th 12 ppm 6 ppm 9.6 ppm 镨Pr 9.5 ppm 8.7 ppm 9.2 ppm 硼 B 痕量950 ppm (?) 8.7 ppm 10 ppm 钆Gd 7.7 ppm 5.2 ppm 6.2 ppm
中国东部大陆地壳化学元素丰度分析
中国东部大陆地壳化学元素丰度分析 Jesse·Du 2013-10-28
中国东部大陆地壳化学元素丰度分析 摘要：本文通过对中国东部、内蒙兴安—吉黑造山带、华北地台以及华东南地块的总陆壳、上陆壳、中下陆壳元素丰度的文献数据值进行整理分析，主要着眼于特征元素之间的差别对不同地区的不同层次地壳元素丰度进行对比分析，得出一系列结论。文章从亲石元素、亲铁元素、亲铜元素、亲生物元素以及稀土元素入手，总结了元素变化的一般规律，研究了其地质意义并总结了地球丰度的意义。 关键词：大陆地壳元素丰度变化规律地质意义 0、引言 大陆地壳是在地质历史过程中通过地幔部分熔融的岩浆向上侵入或喷出逐步形成的，部分熔融形成地壳后残余的地幔部分就成了现今的贫化或亏损地幔。大陆地壳覆盖地球表面的45％，主要表现为大陆、大陆边缘海以及较小的浅海。地壳的化学组成以硅铝质为特点，可分为两大类岩石：一类是地壳上部的相对未变形的沉积岩或火山岩堆积，另一类是已经变形变质的沉积岩、火成岩和变质岩带。后者构成地球表面的山脉或在地壳深部，前者多在地壳表层的盆地及其边缘。地壳可以承受强烈的板块构造运动，所以目前能寻找到38亿年前的地壳。 元素克拉克值反映了地壳的平均化学成分，确定着地壳作为一个物理化学体系的总特征以及地壳中各种地球化学过程的总背景。它既是一种影响元素地球化学行为的重要因素，又为地球化学提供了衡量地壳体系中元素集中分散程度的标尺。 本文立足于中国东部各构造单元前人的大量实测资料，有条理的选择并分析了部分化学元素丰度值差异。对于前人的数据进行了综合性的整理分析，对于更好认识地壳组成以及地球化学元素丰度的重要性有着重要意义。 1、数据处理方法 对所有地壳微量元素进行原始地幔标准化（除REE），对稀土元素进行球粒陨石标准化；在整个数据处理中，对数据含量单位进行了处理，使所有元素含量单位均为ppm；对所成表格纵坐标取对数刻度。 在本次实验中，我们主要对亲石元素、亲铁元素、亲铜元素、亲生物元素、稀土元素等五项进行了处理分析。 2、不同地区各地壳元素丰度对比及规律 2.1主量元素丰度 主量元素是指在任何岩石中占绝对多量的元素包括：Si（硅）、Ti（钛）、Al（铝）、Fe （铁）、Mn（锰）、Mg（镁）、Ca（钙）、Na（钠）、K（钾）和P（磷），它们的含量是用氧化物重量百分数表示（wt%）。中国东部各地区地壳主量元素的数据见表1，其变化规律可见图1、2。
第二章 化学元素的丰度与分布
第二章化学元素的丰度与分布 2.1 元素丰度的概念和表示方法 2.1.1丰度和丰度体系 自然界一切物体，如宇宙天体、地质体、生物体等都是由化学元素组成的，一种化学元素在某个自然体中的重量占这个自然体的全部化学元素总重量(即自然体的总重量）的相对份额（如百分数），称为该元素在自然体中的丰度。因此，元素丰度就是化学元素在一定自然体中的相对平均含量。 丰度通常是指元素在较大自然体中的平均含量，如元素的地壳丰度，元素的地球丰度，元素的太阳系丰度等。如果这个自然体占据一个较小的空间位置时，习惯上称为元素的平均含量。如花岗岩中元素的平均含量，某矿区中元素的平均含量等。 无论地球化学的研究领域和对象如何发生变化，研究自然体的化学组成，化学反应和化学演化始终是地球化学的基本任务。其中化学组成又是首当其冲的。因而自然体的元素丰度研究是地球化学领域极为重要的一个组成部分。特别是地球化学发展的早期阶段，世界著名的地球化学家，如克拉克，华盛顿，
维尔那茨基，费尔斯曼（A.E.Ферсман），以及戈尔德斯密特都曾致力于化学元素丰度的研究。克拉克一生从事丰度研究达40余年，前后共发表了五版元素丰度的资料。克拉克被公认为地球化学的最早奠基人之一。 由于条件所限，早期的元素丰度工作主要是指地壳元素丰度，确切地讲是大陆地壳丰度，而且局限在主要元素。由于当时对地壳结构模型的认识还很模糊，地壳元素丰度的计算比较粗糙。随着科学技术的发展，一方面从光谱技术探测太阳系和宇宙体的元素丰度，另一方面矿产资源勘测和地质科研实践，提高了对地球、地壳内部构造的认识，积累了大量有用的资料，使得元素丰度的工作向更大尺度和更小尺度两方面的延伸，通过众多地球化学家的共同努力，目前已建立起比较系统的丰度体系，如表2.1所示。 表2.1元素丰度体系*
地壳中主量元素和微量元素的分布
地壳中主要氧化物的含量(%) 元素Na2O MgO Al2O3SiO2P2O5K2O CaO Ti2O MnO FeO 大陆上地壳 3.90% 2.20% 15.20 % 66.00 % 0.15% 3.40% 4.20% 0.65% 0.08% 4.50% 大陆中地壳 3.20% 3.40% 15.50 % 52.30 % 0.10% 2.01% 5.10% 0.70% 0.10% 6.40% 大陆下地壳 2.60% 7.10% 16.60 % 59.10 % 0.10% 0.60% 9.40% 0.80% 0.10% 8.14% 大陆地壳整 体 3.20% 4.40% 15.80 % 49.50 % 0.20% 1.88% 6.40% 0.70% 0.14% 6.60% 大洋地壳 2.80% 7.70% 16.00 % 0.14% 11.30 % 1.50% 0.13% 10.50 % 规律总结： 1.奇偶规律：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丰度。 2..地壳贫铁镁，富铝钾钠。 3.递减规律：原子序数较低的的范围内，元素丰度随原子序数增大呈指数递减。 4.较轻易熔的铝硅酸盐在地壳表层富集，较重的镁铁向深部集中。 地壳15种稀有元素丰度表(10-6)
规律总结： 1 原子系数为偶数的元素丰度大于相邻原子系数为奇数的元素，具有偶数质子数或中子 数的核数丰度总是高于奇数质子数或中子数的核数。 2 在稀有元素中，Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu随着深度的增加丰度几乎不变， Ce的含量最高，Tm，Lu的含量最低，La Ce Pr Nd的丰度随着深度的增加逐渐减少。 3 稀土元素的分布是不均匀的，原子序数为偶数的元素一般比相邻的原子序数为奇数的元素含量高。 4 大陆地壳稀土元素总量高，相对富轻稀土;大洋地壳稀土元素含量较低,相对富重稀土。
地壳元素丰度研究进展
地壳元素丰度研究进展 1 地壳元素丰度的概念 地壳元素丰度又称克拉克值(CLARKE value)，一种表示地壳中化学元素平均含量的数值。根据美国化学家和矿物学家克拉克（F.W.CLARKE）的姓氏命名。根据表示方法的不同，又分重量克拉克值、原子克拉克值等。1889～1924年间克拉克及其同事完成了地球各洲大量岩石和矿物样品的化学分析，并计算了50个元素的平均含量，获得主要元素的丰度值。随着地球化学的发展，实验技术和分析方法的改善，现在地质学家们已经提出了几乎所有天然元素的克拉克值。地壳元素丰度是重要的地球化学基础数据，它标志地壳做为一个地球化学系统化学成分的总特征，决定了地壳中发生的各种地球化学作用的背景，也提供了一个衡量元素集中分散变化程度的标尺。与宇宙丰度规律相比，地壳中元素丰度随原子序数增大丰度值减小和偶序数元素丰度大于奇序数元素的规律基本一致。差异主要是氢、氦、氖、氮等气体元素明显较贫，而铝、钾、钠相对较富，这与地球形成、演化过程中气态元素的散失和较轻、易熔的碱金属铝硅酸盐在地球表层富集有关。 2 地壳元素丰度的研究意义 （1）元素克拉克值是元素一项重要的地球化学参数，作为背境，它能提供元素在地壳某区段富集和分散及其程度的信息。元素的克拉克值也是影响元素地球化学行为的重要因素。元素的丰度在某种程度上制约了元素参与地球化学过程的浓度，从而支配着元素的地球化学行为。例如，化学性质相当近似的碱金属元素Na，K，Rb，Cs，由于它们的丰度不同，在地壳地球化学过程中有很不相同的行为。对于丰度高的K和Na，它们在各种体系中都可有较大的浓度，可以形成独立矿物。 （2）根据地壳丰度值可以计算出地球化学性质相似或地球化学有关的元素对之间的平均比值。如V/Fe，Ni/Cr，Ni/Co，Se/S，Te/Ce，Zr/Hf，Nb/Ta，K/Rb，U/Pb，Th/U，Rb/Sr，Sm/Nd 等等。岩石、矿床中这些元素的比值比它们的绝对量要重要得多。因为它们是相关元素或化学上难以分离的共生元素。如果它们的比值偏离了按照元素克拉克值计算出来的平均比值，就常常成为一种地球化学标志，说明已经发生过某些特点的地球化学过程。在同位素和微量元素地球化学领域中就经常采用这种元素对比值的变化来追踪发生过的过程。 （3）某元素的浓度克拉克值为其在某一地质体（矿床、岩体等）的平均含量与克拉克值之比。浓度克拉克实际上就是以地壳丰度作为背境值的丰度系数。它也是地球化学过程中元素富集和贫化的标志。在找矿实践和地球化学基础理论研究中具有一定意义。 3 地壳元素丰度研究方法与实例 （1）根据岩石的平均化学组成 这种方法主要采用的是火成岩的平均化学成分。其出发点是火成岩占大陆地壳的大部分，其次是变质岩和沉积岩，而变质岩和沉积岩的最原始可以说都是火成岩。Clark和Washingtou 选用了来自世界各地的5159件火成岩化学分析资料和676件沉积岩组合样品化学分析资料，将这些火成岩和沉积岩按其所代表的地区加权求出全球火成岩加变质岩占95%，沉积岩占5%（页岩4%、砂岩0.75%、灰岩0.25%）计算了地壳上部16km的地壳成分（当时认为地壳厚度只有16km）。类似地，Taylor则用1份花岗岩加一份基性岩计算了大陆地壳成分，其中花岗岩和基性岩资料分别取自G-1花岗岩和W-1辉绿岩国际标准参考物质的成分。根据岩石的平均化学组成来计算大陆地壳成分，由于没有考虑到岩石组成随深度和构造单元的变化，这种方法基本限于70年代以前的研究。 （2）根据细粒碎屑岩沉积岩 这种方法最早由Goldschmidt采用。在挪威南部广泛分布着由冰川融化后沉淀出的细粒冰川