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第1章 太阳系的组成和元素丰度,地球

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太阳系的元素丰度

太阳系的元素丰度
(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)由天体的物理性质与成分的对应关系进行推算； (4)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； (5)分析测定气体星云和星际间的物质； (6)分析研究宇宙射线。
2、太阳系的元素丰度
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，并且有一定的时间连续。
2、太阳系的元素丰度
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。化学元素在一定自 然体系中的相对平均含量。
估算复杂系统总体化学组成的方法有： 1、用主体代表整体（太阳—太阳系） 2、若已知系统各部分的成分后，可用加权平均法求整 体的化学组成； 3、在拟定的模型基础上，求系统的化学组成（用陨石 对比法求地球的化学组成）
2、太阳系的元素丰度
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。
土星
火星
天王星 水星
金星
木星
冥王星
海王星
太阳系8大行星分布及运行轨道
1、太阳系的组成
行星沿椭圆轨道绕太阳运行。分为 两类：接近太阳的较小内行星-水星， 金星，地球，火星－类地行星；远 离太阳大的外行星-木星，土星，天 王星，海王星－类木行星。

地球化学第一章太阳系和地球系统的元素分布和分配3

地球化学第一章太阳系和地球系统的元素分布和分配3

➢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
14
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
2007年4月5日
丰度PartⅢ
8
➢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
2007年4月5日
丰度PartⅢ
2
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1章 太阳系的组成和元素丰度

第1章 太阳系的组成和元素丰度

设任一元素(i)在某一自然体(j)中的质量
为Qij，该自然体的总质量为Mj，则元素i在 该自然体中的丰度值Aij为： Aij = Qij/Mj Aij就是i元素在j自然体中的平均相对含量 例如：铝在地壳中的丰度就是铝在地壳中 的平均相对含量。而铝在地壳中的质量Qij 则是铝在地壳中的绝对含量。这种绝对含 量称为分布量-abundance.
元素丰度常用三种单位表示即重量 单位、原子单位和相对原子单位。由于 采用单位的不同，元素丰度有下列三种 名称： 1）质量丰度 2）原子丰度 3）相对丰度
1）质量丰度是以质量单位表示的元素丰度。 常用的质量级序有三种: (1) 质量百分数(质量％或wt%)，常用于表示常 量元素的丰度； (2) 克/吨(g/t)或ppm(parts per million)，以百万 分之一(10-6)的质量为单位.常用于表示微量元 素的丰度； (3) 毫克/吨(mg/t)或ppb(parts per billion)，以十 亿分之一(10-9)质量为单位.常用于表示超微量 元素的丰度

5.绝对含量和相对含量
绝对含量单位 T kg 吨 千克 ％ ‰ ppm、μg/g、 g/T ppb、μg/kg 相对含量单位 百分之 千分之 百万分之 十亿分之 ×10-2 ×10-3 ×10-6 ×10-9
g
mg μg
克
毫克 微克
ng
pg
毫微克
微微克
ppt、pg/g
万亿分之
×10-12
地球化学中对常量元素（或称主要元素） 的含量一般用重量百分数（%），而对微 量元素则一般用百万分之一来表示。 表示方法：g/t(克/吨)、μg/g、ppm 1g/t = 1μg/g = 10-4% =10-6

第一章：太阳系与地球的元素丰度

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
•
•
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•
•
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

1-太阳系和地球系统的元素丰度-1

1-太阳系和地球系统的元素丰度-1

21 21
太阳系及其化学成分
陨石
南极大 陆陨石 保存的 过程
河南理工大学-机械与动力学院
22 22
太阳系及其化学成分
地球表面主要陨石撞击坑分布图
河南理工大学-机械与动力学院
23 23
太阳系及其化学成分
陨石的分类
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，按成份分为三类： 1）铁陨石（siderite）主要由金属Ni，Fe（占98%）和
9 9
太阳系及其化学成分
分布与丰度
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，是每种化学元素在自然体中的质 量，占自然体总质量（或自然体全部化学元素总质量） 的相对份额（如百分数）。
元素在体系中的分布，包含两层意思： ①元素的相对 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）。因此 元素的“分布”比“丰度”具有更广泛的涵义。 从目前的情况来看，地球化学对元素特征所积累的资 料都仅限于丰度的资料。
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。
河南理工大学-机械与动力学院
• 球粒的成因：
星云凝聚、星云凝聚物重熔 两种假说。 CI碳质球粒陨石为原始太阳 星云凝聚形成的。
河南理工大学-机械与动力学院 30 30
太阳系及其化学成分
陨石的平均化学成分 2. É Ô ¯ Ê Ä µ ½ Æ ù ¾ ¯ » § Ñ É ³ · Ö 要计算陨石的平均化学成分必须要解决两个

3第一章太阳系和地球系统的元素分布和分配1

3第一章太阳系和地球系统的元素分布和分配1
土剖面NQ界线附近铱 的剩余通量作为全球 平均,可以估计该撞击 物体相当于一直径
为2.6km
的C1型碳质 球粒陨石球体。
如此巨大的陨石与地 球相撞足以诱发全球 性的气候灾变效应
1.1.4.4 陨石中的有机质（看书了解）
陨石，特别是碳质球粒陨石中已发现的 有机化合物有60多种。
有关陨石中有机质的来源主要观点：
元素的分布包含的含义: 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（查文献）。
③ 研究意义：碳质球粒陨石虽然十分稀少， 但在探讨太阳系元素丰度方面却具有特殊的 意义。
“阿伦德” CⅢ型（1969年陨落于墨西哥 北部）以及其它碳质球粒陨石（尤其CI 型碳质球粒陨石）中，非挥发性元素的 丰度几乎同太阳中观察到的元素丰度完 全一致（图1.1）。因此，碳质球粒陨石 的化学成分目前已被用于估计太阳系中 非挥发性元素的丰度。
无球粒陨石据成因可划分为3类： 钙长辉长无球粒陨石系列 顽辉石无球粒陨石系列 尚未划分出成因系列的无球粒陨石。
③矿物组成：无球粒陨石平均矿物成分大致： 镍-铁1%，橄榄石9%，紫苏辉石50%，透辉石 12%，斜长石25%
3、碳质球粒陨石★
①特点；碳质球粒陨石是球粒陨石的一个特 殊类型，其特征是含有碳的有机化合物分子， 并且主要由含水硅酸盐组成。 ②类型：按化学成分碳质球粒陨石可划分为I、 Ⅱ和Ⅲ 等3种（CI、CⅡ和CⅢ）类型。
1 太阳系和地球系统元素的丰度

第1章 太阳系的组成和元素丰度,地球剖析

第1章 太阳系的组成和元素丰度,地球剖析
地球成因：46亿年前诞生，由形成太阳和其他行星的同 样物质所构成。形成方式有两种假说：
★炽热的气态星云凝聚（均一增生再熔融分异） ★冷的固态质点逐渐吸积（非均一增生说)。地球轻气
体H、He等及重气体Kr、Xe等都强亏损有利该说。目 前，星子连续吸积说较流行。
太阳星云自转加速=> 星云盘+原太阳 =>温度增高引起星云盘内的物质分 馏。靠近原太阳的星子主要由难熔的 金属Fe、Ni及其氧化物所组成，与原 太阳距离的增加，星子的化学组成逐 渐被Mg和Fe的硅酸盐以及水、甲烷 （CH4)、氨(NH3)以及其他的挥发组 分的冰所组成
又叫SMT法(硅酸盐相S-金属相M-硫化物相T)
（1）地球元素丰度的研究方法
③地球物理类比法(黎彤，1976):在布伦模 型A+B+C+D+E +F+G(层)基础上,提出各 层圈（地壳、上地幔、下地幔、外核、 内核）质量分数和物质成分，再加权平 均计算获得地球元素丰度
（2）地球元素丰度及其规律
先分壳幔核三层
布伦模型:A、B、C、D、E、F、G
地球结构概要
区域
大陆地壳 海洋地壳
上地幔 过渡带 下地幔 外核 内核
深度
0-50 0-10 10-400 400-650 650-2890 2890-5150 5150-6370
占总地球质 量的比率 0.00374 0.00099
0.103 0.075 0.492 0.308 0.017
华盛顿，1925；Mason,1966：地球模型-陨石类比法 黎彤，1976：地球物理类比法 请与 教材73页“整体地球成分估值，McDonough2003”对比
（2）地球元素丰度及其规律

1太阳系和地球系统元素的丰度详解

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。

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壳元素的丰度区域中元素分布的研究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个地球化学体系。

不同尺度的地球化学体系实例：太阳系、地球、自然金矿物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）。

第一章 太阳系和地球系统的元素丰度

第一章 太阳系和地球系统的元素丰度

13
（一） 获得太阳丰度资料的主要途径
太阳的成分是研究太阳系成分的关键。
获得太阳元素丰度资料的主要ห้องสมุดไป่ตู้径：
1. 光谱分析:基本原理：元素光谱的特征性 局限性：有些元素产生的波长小于2900Å，这部 分谱线在通过地球化学大气圈时被吸收而观察不到；太阳 光谱是太阳气产生的， 只能说明太阳气的组成。
光谱分析仪
20
吉林1号陨石
1 林上 市已 9 郊知 7 ，最 重重 6 1 的 年 石 3 7 陨 月 7 星 8 ， 日 0 标 陨公尺 落斤为 于 ， 30 中是厘 国世米 吉界
21
世界上最大的铁陨石是非洲纳米比亚的Hoba铁陨石，重60t
22
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，其中 39种在地球上未 发现。如褐硫钙 石CaS，陨硫铁 FeS。 这说明陨石是 在缺水、氧、硫 的特殊物理化学 环境中形成的。
29
月球表面岩石密度为 3.1-3.2g/cm3，和月球平均密度
相差不大，说明月球物质的分异是相当微弱的。 月海玄武岩：由钙质斜长石、单斜辉石和钛铁矿等组 成，常含有橄榄石。 高地玄武岩：含富钾、稀土和磷的岩石，称为克里普 （KREEP）岩，也称“月球花岗岩”。 月球表层的研究为了解地球早期历史提供有用的线索。
丰度系数：某一自然体的元素丰度与另一个可以作为 背景的自然体的元素丰度的比值，K，可以用来指示元 素的富集和贫化及其程度。
K=自然体元素丰度/背景自然体元素丰度 K>1,称为富集；K<1，称为贫化。
8
分布与分配
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。

1太阳系和地球系统元素的丰度

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。

第1章 太阳系的组成和元素丰度,地球

第1章 太阳系的组成和元素丰度,地球
太阳星云自转加速=> 星云盘+原太阳 =>温度增高引起星云盘内的物质分 馏。靠近原太阳的星子主要由难熔的 金属Fe、Ni及其氧化物所组成，与原 太阳距离的增加，星子的化学组成逐 渐被Mg和Fe的硅酸盐以及水、甲烷 （CH4)、氨(NH3)以及其他的挥发组 分的冰所组成
(一).地球的结构和元素丰度
1.地球的内部结构
先分壳幔核三层
布伦模型:A、B、C、D、E、F、G
地球结构概要
区域 大陆地壳 海洋地壳 上地幔 过渡带 下地幔 外核 内核 深度 0-50 0-10 10-400 400-650 650-2890 2890-5150 5150-6370 占总地球质 量的比率 0.00374 0.00099 0.103 0.075 0.492 0.308 0.017 占地幔和地 壳的比率 0.00554 0.00147 0.153 0.111 0.729 -
单一陨石类比法 艾伦司 0.04 ） （1965 35.0 0.7 14.4 1.30 17.8 0.05 2.3 0.085 1.40 0.05 0.25 0.2 25.1 0.08 1.35
与地球中Fe的现代估算值（百分之三十几）比较
（1）地球元素丰度的研究方法
②地球模型-陨石类比法（华盛顿，1925； Mason,1966): 按地球的各主要圈层的比例计算： 地核 ：32.4%，以球粒陨石的镍铁金属相(总量 27.1%)+陨硫铁（硫化物相）(占 5.3%)代表 地幔+地壳：67.6%，以球粒陨石的平均硅酸盐 成分代表 又叫SMT法(硅酸盐相S-金属相M-硫化物相T)

陨石类比法求得的地球元素丰度（wt%）
元素 C O Na Mg Al Si P S K Ca Ti Cr Mn Fe Co Ni

太阳系的化学组成

太阳系的化学组成

Mn
Mg Ca Na
0.29
15.88 1.82 1.15
0.20
22.63 1.57 1.10
0.40
21.80 1.95 0.99
0.44
24.73 2.24 1.15
0.40
22.44 2.36 1.29
0.31
22.91 2.58 0.82
0.26
23.48 2.54 0.74
0.27
23.78 2.64 0.64
５太阳系元素丰度规律
① 原子序数较低的 元素丰度随原子序数 增大呈指数迅速递减 较重元素范围内( 原 子序数>45 ) 元素 丰度几乎保持不变 丰度曲线近于水平
当N=50、82和126时 曲线出现明显的双峰
核素的宇宙丰度曲线
α 、e、γ、s代表过程
５太阳系元素丰度规律
② 原子序数为偶数的元素 丰度明显高于原子序数为 奇数的相邻元素 具有偶 数质量数(A)或偶数中子数 (N)的同位素的丰度也总 是高于奇数质量数（A） 或中子数（N）的同位素 这一规律称之奥多-哈根斯 法则
第一节 太阳系行星的化学组成和基本特征
金星和地球： 金星: 有稠密的大气层 金星大气层达100大气 压 主要为CO2（95%）和N2（4.5%）、H2O （约1%）O2＜0.1% 地球: N2(78.1%) O2(21%) H2O (0.1－2.8%) Ne(1.8×10-5)、CO2(3.0×10-4) 已有研究成果表明：太阳、陨石、地球、和月球 样品中的同位素组成是一致的 太阳系各天体都 是同位素组成均一的太阳星云凝聚的产物
K
P Ni Co Fe/Si Mg/S i Al/Si
0.14
0.46 2.79 0.12 2.01 0.631 0.047

第1章 太阳系和地球系统的元素丰度

第1章 太阳系和地球系统的元素丰度

3.分布与分配
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）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.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，
光谱分析仪
太阳光谱
（一） 获得太阳丰度资料的主要途径
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，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。
铁陨石
石陨石
1.陨石类型
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，其中39种在
地球（地壳浅部）上未发现。
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
了解各类陨石的平均化学成分；其次要统计各类陨石的比例。 ª Æ ã É ¯ Ä ½ ù ¯ § É · ±ë ª â ö ½ ö Ê â º Ò ¼ Ë Ô Ê µ Æ ¾ » Ñ ³ Ö Ø Ð Ò ½ ¾ Á ¸ Î Ì £
质”，对探索生命前期的化学演化开拓了新的途径；
④ 可作为某些元素和同位素的标准样品（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，按成份分为三类： 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。

1 第一章 太阳系和地球系统的元素丰度

1 第一章 太阳系和地球系统的元素丰度

太阳系
色球层：围绕太阳，约2000公里 厚的太阳大气层称色球层。色球 层的表面，由无数火舌组成高度 可达几万公里甚至100多万公里 形成耀斑，耀斑跟右上角的地球 相比较便可以知道这个耀斑有多 么巨大。 在这里经常发生惊天动地的 爆发活动极短时间内，突然增亮， 耀眼一片，同时释放出巨大能量， 不亚于几万至几十万个氢弹爆炸 的能量 地球
小行星
在木星、火星之间约6亿公里 的空间里，流浪着几千颗小 行星
环绕木星运动的石块构成了 木星的环带
木卫
慧 木 相 撞
彗木碰撞前的木星， 照片左下方是木星 的第二颗卫星
1994年7月17日到7月22日，宇宙中发生了罕见的苏梅克-利维9 号彗星连续撞击事件，其中碎块G直径3.5公里以上，在木星表 面就形成了一个约3万公里长的创面，其碰撞释放的能量相当于 3亿个原子弹同时爆炸。 苏梅克-利维9号“彗星 列车”。21颗分裂彗核
十亿分之×10-9 万亿分之×10-12
第一章
一、基本概念
5、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。可以在同一体系中或
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，了解元素基本特征和动态情况，从而建立起元素集中、分散、
迁移等系列的地球化学概念。是研究地球、研究矿产的重要手段之一，从
着陆器拍摄的火星大地 360°全景照片的一部分 下方可以看到气囊袋和 太阳能电池帆板
火星上的岩石 火星上的沙丘
庞 大 的 木 星
木星直径约14.3公里， 它有1300多个地球大，是 太系中身材最庞大的一 个。根据推测，木星表面 不是固体的，而是由液态 氢组成的海洋。 木星最奇特之处是在 它的南半部有一个巨大的 红斑，长3万公里，宽1.4 万公里。这个大红斑时而 鲜艳，时而暗淡。估计它 是一个含红磷的化合物强 大的上升气流。 木星上还有高达3万公 里的动人激光

2-太阳系的元素丰度

2-太阳系的元素丰度

2、太阳系的元素丰度 丰度的表示方法
元素丰度值表示方法:质量单位，原子单位和相对原子 单位。
质量丰度--以质量单位表示的元素丰度。常用三种：
(1)质量百分数(质量％或wt%)，表示常量元素丰度;
(2)克/吨(g/t)或ppm(parts per million)，以百万分之一
(10-6)的质量为单位。表示微量元素的丰度;
粒陨石，因此它没有遭受过严重（高于200℃）的加热。碳质 球粒陨石被认为最能保存形成太阳系的太阳星云的成分。
2、太阳系的元素丰度
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 2. É Ô ¯ Ê Ä µ ½ Æ ù ¾ ¯ » § Ñ É ³ · Ö
问题：首先要了解各类陨石的平均化学成分； ª Ò Æ ¼ ã Ë É Ô ¯ Ê Ä µ ½ Æ ù ¾ ¯ » § Ñ É ³ · Ö ± Ø ë Ð ª Ò â ½ ö ¾ ½ Á ö ¸ Ê Î â Ì º £ 其次要统计各类陨石的比例。各学者采用的方 Ù ¢ × Ê È Ï ª Ò Ë Á â ½ ÷ ¸ Ö É Ô ¯ Ê Ä µ ½ Æ ù ¾ ¯ » § Ñ É ³ · Ö » £ 法不一致。（ V.M.Goldschmidt 采用硅酸盐： Ú ¢ ä Æ Î ´ ª Ò ³ Í =10 Æ ¼ ÷ ¸ à À É Ô2¯ Ê Ä µ1 ）。陨石的平均化学 ± È ý À £ ¡¨ £ V.M.Goldschmidt É ² Ã Ó 镍 - 铁：陨硫铁 ： ： è ¹ á Ë Î Ñ º £ ø Ä -ú Ì º £ É Ô ò Á ú Ì =10º £ 2º £ 1© £ 成分计算结果如下：
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第一章 太阳系和地球系统的元素丰度

第一章 太阳系和地球系统的元素丰度

第一章太阳系和地球系统的元素丰度第一节基本概念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.分布与丰度所谓元素在体系中的分布，一般认为是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集中（平均）倾向；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: 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。

2.分布与分配分布指的是元素在一个化学体系种中（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.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.4.绝对含量喝相对含量绝对含量单位相对含量单位T 吨％百分之.... x10-2Kg 千克‰千分之.... x10-3g 克mg 毫克μg(γ) 微克 ppm、γ/g、μg /g、g/T 百万分之 x10-6ng 毫微克 ppb、ng/g 十亿分之 x10-9pg 微微克 ppt、pg/g 万亿分之 x10-125.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。

太阳系和地球系统的元素丰度

太阳系和地球系统的元素丰度
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 学体系中元素丰度分布特征和规律。 11
25
2.陨石的平均化学成分 É Ô ¯ Ê Ä µ ½ Æ ù ¾ ¯ » § Ñ É ³ · Ö 2.
ª Ò Æ ¼ ã Ë É Ô ¯ Ê Ä µ ½ Æ ù ¾ ¯ » § Ñ É ³ · Ö ± Ø ë Ð ª Ò â ½ ö ¾ ½ Á ö ¸ Ê Î â Ì º £ 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 Ù ¢ × Ê È Ï ª Ò Ë Á â ½ ÷ ¸ Ö É Ô ¯ Ê Ä µ ½ Æ ù ¾ ¯ » § Ñ É ³ · Ö » £ 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 Ú ¢ ä Æ Î ´ ª Ò ³ Í Æ ¼ ÷ ¸ à À É Ô ¯ Ê Ä µ ± È ù À £ ¡¨ £ V.M.Goldschmidt É ² Ã Ó 者采用的方法不一致。（V.M.Goldschmidt 采用硅酸盐：镍-铁： â ¹ á Ë Î Ñ º £ ÷ Ä -ú Ì º £ É Ô ò Á ú Ì =10º £ 2º £ 1© £ 陨硫铁=10：2：1）。陨石的平决化学成分计算结果如下： ä Æ ½ Æ ù ¾ É ³ · Ö Æ ¼ ã Ë á ½ ø ¹ ç È Â Ï º £ O Fe Si Mg S Ni Al ª Ô Ø Ë % 32.30 28.80 16.30 12.30 2.12 1.57 1.38 Ca 1.33 Na 0.60 Cr 0.34 Mn 0.21 K Ti Co 0.12 P 0.11 0.15 0.13

第一章：太阳系与地球的元素丰度

第一章：太阳系与地球的元素丰度
129Xe 26Al
和 26Mg 高
+e →26Mg+r
②非球粒陨石——（占陨石 ） 非球粒陨石 （占陨石8%） 不含球粒，常比球陨石结晶粗得多 与地球上的火成岩相似 与地球上的火成岩相似, 不含球粒，常比球陨石结晶粗得多,与地球上的火成岩相似 所 以由硅酸盐熔体结晶而成。 以由硅酸盐熔体结晶而成。 贫钙的（ 贫钙的（CaO～0～3%） ～ ～ ） 富钙的（ 以上） 富钙的（CaO3%以上） 以上 斜长无球粒陨石 古铜钙长无球粒陨石
“溅落”的物质。 溅落”的物质。
•
•
陨石矿物组成特征
• 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，其 中39种在地球（地壳浅部）上未发现。 • 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。
①球粒陨石（约占陨石的84%） 球粒陨石 E群——顽火辉石球粒陨石 群 顽火辉石球粒陨石 O群——普通球粒陨石 H群—高铁群，橄榄石古铜辉石球损石 群 普通球粒陨石: 群 高铁群 高铁群， 普通球粒陨石 L群—低铁群，橄榄紫苏辉石球粒陨石 群 低铁群 低铁群， LL群—低铁低金属群，无球粒古铜橄 群 低铁低金属群 低铁低金属群， 榄球粒陨石 (不平衡体系） 不平衡体系） 不平衡体系 C群——碳质球粒陨石，含有机化合物和含水硅酸盐，如烷烃、 群 碳质球粒陨石， 碳质球粒陨石 含有机化合物和含水硅酸盐，如烷烃、 芳烃、烯烃、氨基酸、卤化物、硫代化合物等。 芳烃、烯烃、氨基酸、卤化物、硫代化合物等。 研究生命起源——“种子”——原始星云物质的 2、 种子” 原始星云物质的H 研究生命起源 种子 原始星云物质的 CH4、H2O、NH3结合为氨基酸及其它有机物。 结合为氨基酸及其它有机物。 、
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单一陨石类比法 艾伦司 0.04 ） （1965 35.0 0.7 14.4 1.30 17.8 0.05 2.3 0.085 1.40 0.05 0.25 0.2 25.1 0.08 1.35
与地球中Fe的现代估算值（百分之三十几）比较
（1）地球元素丰度的研究方法
②地球模型-陨石类比法（华盛顿，1925； Mason,1966): 按地球的各主要圈层的比例计算： 地核 ：32.4%，以球粒陨石的镍铁金属相(总量 27.1%)+陨硫铁（硫化物相）(占 5.3%)代表 地幔+地壳：67.6%，以球粒陨石的平均硅酸盐 成分代表 又叫SMT法(硅酸盐相S-金属相M-硫化物相T)
5159样品，50元素） a.岩石圈：水圈：大气圈 93% 7% 0.03% b.岩石圈中（地壳） 岩浆岩： 页岩： 砂岩： 灰岩 95% 4% 0.75% 0.25% 具体计算过程： 1.分48个地区计算平均化学成分 2.合并为9个地区计算平均化学成分 3.计算总平均化学成分
存在问题：
太阳星云自转加速=> 星云盘+原太阳 =>温度增高引起星云盘内的物质分 馏。靠近原太阳的星子主要由难熔的 金属Fe、Ni及其氧化物所组成，与原 太阳距离的增加，星子的化学组成逐 渐被Mg和Fe的硅酸盐以及水、甲烷 （CH4)、氨(NH3)以及其他的挥发组 分的冰所组成
(一).地球的结构和元素丰度
1.地球的内部结构
（二）地壳的组成和元素丰度
2、地壳的平均化学成分与元素克拉克值
1）克拉克值的概念 元素在地壳中的丰度（平均含量）叫克拉克值。两种 表示方法 a. 重量克拉克值： 地壳中元素的重量平均含量 b. 原子克拉克值： 地壳中元素的原子平均含量（原子百分数） 重量克拉克值/元素的原子量 = 元素的原子克拉克值
请与
教材73页“整体地球成分估值，McDonough2003”对比
（2）地球元素丰度及其规律
①
Fe+O+Si+Mg ≧ 90%； ②含量大于1%的元素：Ni,Ca,Al,S； ③含量介于0.01%--1%的元素 Na,K,Cr,Co,P,Mn,Ti。 ④地球元素丰度遵循太阳系元素丰度的 基本规则，如奇偶规律、递减规律等。 但地球中亲气元素含量低（原因？）
比较：太阳系、地球、地壳中前10种元素 太阳系：H>He>O>Ne>N>C>Si>Mg>Fe>S 地球：Fe>O>Mg>Si>Ni>S>Ca>Al>Co>Na 地壳：O>Si>Al>Fe>Ca>Na>K>Mg>Ti>H(含水 圈大气圈）(P，不含水气圈)
3）地壳元素丰度特征（规律）
①各种元素丰度极不均匀 O, Si, Al 占82% O, Si, Al, Fe, Ca, Na, K, Mg占>98%，前13种元 素占地壳总重量的99.7％；其余只占0.3％ O 与Rn相差1017倍 ②随原子序数的增加其丰度降低，例外：Li, Be, B; 232Th、238U、235U；贵金属, Se, Te等。Li， Be， B与太阳系一样仍表现为亏损
认为由地壳、地幔、地核等不同层圈组成 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）
纵波（压缩波）P 横波（剪切波）S
1.地球的内部结构
布伦（1975） B层包括岩石 圈地幔和软 流圈 注意：400~1000Km划分较混乱①<1000Km上地幔，②400~650 （670）Km过渡层，>650（670）Km下地幔；③400~1000Km过渡层 （转变区）
⑧大陆地壳组成模型法（据大陆地壳剖面、深部 地壳包体、实验岩石学、地球物理学等）：大陆 地壳化学组成英云闪长岩模式（Wedepohl,1995)
大陆地壳化学组成英云闪长岩模式 （Wedepohl,1995)
3).地壳元素丰度特征
2、地壳的平均化学成分与元素克拉克值
3）地壳元素丰度特征（规律）
引自Anderson(1993)
2.地球元素丰度： （1）地球元素丰度的研究方法： ①陨石类比法： 依据: a.陨石在太阳系形成； b.陨石与小行星成分相同； c.陨石是破坏了的星体碎片； d.产生陨石的星体，其内部结构和成分与地球 相似。
各类陨石平均（如Clarke,1924)， 问题:陨石比例确定？发现的铁陨石多，而实际 陨落的石陨石多，所以结果Fe高O、Mg、Si低 球粒陨石单类陨石平均（如Ahrens,1965) 问题: Fe低!（凝聚形成地球的星子靠近太阳，发 生过分异，富难熔元素，与球粒陨石有差异）
深部
辉长岩质
上地壳
偏酸性火成 岩和沉积岩
下地壳
长英质麻岩 镁铁质麻粒岩
（1）大陆地壳
据出露地表剖面
大陆地壳地球物理分层的结构模型 （据折射地震测深资料） 上、中、下地壳平均厚度12、11、14(17)Km 地壳：拉张带薄、挤压造山带厚（已去根者也薄）
（1）大陆地壳
据欧洲3000Km地质-地球物理剖面确定
综合陨石类比法 契尔文斯基 0.04 ） （1919 11.28 0.19 4.28 0.44 5.82 0.13 0.66 0.05 0.52 0.10 0.05 69.79 0.42 6.25
克拉克 - ） （1924 12.77 0.58 2.13 1.86 6.98 0.16 0.96 0.39 1.12 0.15 0.07 0.08 67.29 0.41 6.04
3）地壳元素丰度特征（规律）
③除了惰性气体和少数元素外，质量数为偶数的元素丰 度大于奇数（偶数的元素含量占86%）。 但有反偶数规则：如:3Li>4Be<5B, 12Mg<13Al, 15P>16S, 23V>24Cr<25Mn ④四倍规则（质量数为四的倍数） 4A型：12C, 16O , 24Mg, 28Si, 32S, 40Ca, 48Ti, 52Cr, 56Fe, 140Ce, 232Th, 238U 占87% 4A+3型：7Li, 11B, 19F, 23Na, 27Al, 31P, 35Cl, 39K, 51V, 55Mn, 59Co, 63Cu, 75As, 107Ag占13% 4A+2 （如238 U 等）和4A＋1型（如9 Be ）仅占0.n%

陨石类比法求得的地球元素丰度（wt%）
元素 C O Na Mg Al Si P S K Ca Ti Cr Mn Fe Co Ni
法令顿 0.04 ） （1911 10.10 0.17 3.80 0.39 5.20 0.14 0.49 0.04 0.46 0.09 0.03 72.06 0.44 6.50
3）地壳元素丰度特征（规律）
先分壳幔核三层
布伦模型:A、B、C、D、E、F、G
地球结构概要
区域 大陆地壳 海洋地壳 上地幔 过渡带 下地幔 外核 内核 深度 0-50 0-10 10-400 400-650 650-2890 2890-5150 5150-6370 占总地球质 量的比率 0.00374 0.00099 0.103 0.075 0.492 0.308 0.017 占地幔和地 壳的比率 0.00554 0.00147 0.153 0.111 0.729 -
（1）大陆地壳
上部地壳深成岩体的体积比例
花岗岩类和花岗闪长岩类 石英闪长岩类 闪长岩类 辉长岩类 正长岩类、斜长岩类、橄榄岩类

77 % 8% 1% 13 % 1%

总
量
100 %
第一章 太阳系和地球系统的元素丰度
本章内容

基本概念 元素在太阳系中的分布规律 地球的结构和化学成分 地壳中元素的丰度 区域地壳元素丰度研究
（二）地壳的组成和元素丰度
2、地壳的平均化学成分与元素克拉克值 2)、大陆地壳化学组成的研究方法 ①岩石平均化学组成法 如克拉克和华盛顿（1924）、维诺格 拉多夫（1962）（1基性岩+2酸性岩） 、泰勒（1964）（1花岗岩+1基性岩）
（二）地壳的组成和元素丰度
克拉克法（1924） ：（8602个火成岩数据中选
＊上下四方曰宇，古往今来曰宙。宇宙是包容了一切 时空范围的自然体系，是最高级别的体系 ＊在宇观尺度上，三维空间在任何时刻都是均匀各向 同性的，所有星系经历了相似的演化历程，都具有均 匀的物质分布。所以从太阳系的化学组成可推知宇宙 的物质分布。
●2)与其它类地行星一样，地球内部的物质组成不均一, 具有壳、幔、核层圈构造 地球成因：46亿年前诞生，由形成太阳和其他行星的同 样物质所构成。形成方式有两种假说： ★炽热的气态星云凝聚（均一增生再熔融分异） ★冷的固态质点逐渐吸积（非均一增生说 ) 。地球轻气 体H、He等及重气体Kr、Xe等都强亏损有利该说。目 前，星子连续吸积说较流行。
（2）洋壳
主要由洋中脊玄武岩组成（以低 的K2O, TiO2 , LREE , Rb/Sr 和 ISr为特征). 厚0~10Km，占地球质量0.1%，现今洋壳年 龄<200Ma(J以后)
海洋沉积物（1~2
Km）-洋底玄武岩+席状岩墙 群+辉长岩-超镁铁堆积岩 (以上为洋壳) →上地幔变形橄榄岩
洋壳总成分相当于苦橄质玄武岩
★提出大陆地壳(总体）化学组成安山岩模式
另外，其下部陆壳成分的计算：假设下地壳占陆壳 厚度75%，上地壳占25%，据质量平衡，由地壳总 体减上地壳得到下地壳成分
★问题：a. 大陆地壳生长历史认识不同（再循环）
b.不同时期大陆壳原始物质性质的认识不同
（二）地壳的组成和元素丰度
④区域大规模取样和分析（地表或上地壳） Shaw et al(1967、1986、1994）对加拿大地盾 8448样；高山等（1992、1998）中国东部。 ⑤大陆地壳剖面法（选择合适的剖面，如意大利 Ivrea,有5条标志） ⑥地球物理法（主要地震波速与化学组成关系） ⑦火山岩中的深部地壳包体研究法（主要碱性玄 武岩中的麻粒岩包体）