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《高等地球化学》之主量元素地球化学张展适139********zhszhang@主要内容¾地球化学数据的获得¾岩石主量元素（Major elements）¾CIPW标准矿物计算¾主量元素化学成分的利用Î分类：岩石的分类命名、岩石系列的划分、不同花岗岩类的主量元素Î追踪成岩过程Î岩石形成构造背景的判别地球化学数据的获得¾常量元素：Î湿化学分析法（Wet Chemistry）ÎX射线荧光光谱（XRF）Î电子探针（EMPA）¾微量元素：ÎX射线荧光光谱(XRF): 主量元素和Rb, Sr, Ba, Zr, Nb, Y, Sc, V, Cr, Co, Ni, Ga, Zn, (La, Ce, Nd, Sm)Î中子活化分析(INAA): Sc, Cr, Co, Ni, REE, noble metal, Hf, TaÎ等离子光谱(ICP-AES): 大多数主量元素和微量元素, (Hf, Ta, Pb, Th, U)Î等离子光谱质谱(ICP-MS): 绝大多数微量元素Î离子探针(IMPA): 大部分微量元素送样前的准备¾送样分析的目的要明确，为什么要做这些分析？¾分析方法选择，了解不同方法的适用范围，分析精度；¾样品的选择，新鲜，均匀，有代表性；¾样品的处理，避免污染；¾样品重量，碎样重量和送样重量，与样品的结构，分析的元素和方法相关；¾样品的系统和统一，主量元素、微量元素、矿物探针分析、同位素等应配套岩石主量元素（Major elements）¾主量元素是指在任何岩石中都占绝对多量的元素，实际上是地壳以及岩石圈地幔中丰度最高的那些元素，通常包括Si, Ti, Al, Fe, Mn, Mg, Ca, Na, K, P这9个元素（的氧化物形式），有时还包括H（H2O）和C（CO2）。
![稀土元素地球化学[精]](https://img.taocdn.com/s1/m/7e0748ca910ef12d2af9e7bf.png)
元素地球化学循环地球是一个复杂而精密的生态系统，其中元素的循环是维持地球生命活动的重要环节之一。
元素地球化学循环是指地球上各种元素在不同地球系统（包括大气、水、土壤和生物体）之间的不断迁移和循环过程。
这个过程是通过化学反应、生物作用和地质作用等多种方式进行的。
本文将以碳循环、氮循环和磷循环为例，探讨元素地球化学循环的重要性和机制。
碳循环是地球上最重要的元素循环之一。
碳元素以二氧化碳（CO2）的形式存在于大气中，通过光合作用和呼吸作用与生物体进行交换。
植物通过光合作用将大气中的CO2转化为有机物，同时释放出氧气。
动物通过呼吸作用将有机物转化为CO2，并释放到大气中。
此外，碳还通过死亡和分解过程进入土壤，并通过火化和石化作用进入地质系统。
碳循环对于维持大气中CO2浓度的稳定起着重要作用，对于控制地球气候具有重要意义。
氮循环是地球上另一个重要的元素循环。
氮是生物体中的重要组成部分，它通过一系列化学反应在大气、水体和土壤之间循环。
在大气中，氮以气体的形式存在，主要是氮气（N2）。
通过闪电和固氮细菌的作用，氮气被转化为氨（NH3）和硝酸盐（NO3-），进入水体和土壤中。
在水体和土壤中，氨和硝酸盐被植物吸收，并进入食物链。
在食物链中，氮通过食物的摄取和代谢进入动物体内。
动物通过排泄作用将氮排出体外，进入土壤和水体，再次参与氮循环。
此外，氮还通过细菌的作用将氨和硝酸盐转化为氮气，回归到大气中。
氮循环对于维持生物体的生长和繁殖具有重要作用，对于维持生态平衡至关重要。
磷循环是地球上元素循环的另一个重要方面。
磷是生物体中的重要成分，主要存在于土壤和岩石中。
磷通过风化和侵蚀作用从岩石中释放出来，进入水体和土壤中。
在水体中，磷以磷酸盐（PO4-）的形式存在，被植物吸收，并通过食物链进入动物体内。
动物通过排泄作用将磷排放到土壤和水体中，再次参与磷循环。
此外，磷还通过沉积作用进入海洋沉积物，并在地质过程中转化为磷酸盐矿物。
地球化学中的元素和同位素地球化学地球化学是一个研究地球物质中元素、同位素分布和演化的学科。
元素是构成地球物质的基本物质，同位素则是同一元素中质量数不同的不同原子核。
元素和同位素的地球化学分析可以帮助我们了解地球的演化历史、地球环境变化、地质过程等多个方面。
一、元素的地球化学元素是地球化学研究的基本单位，地球上的元素分布受制于地球的演化历史和物质组成。
总体而言，地球表层分布的元素可以分为地壳元素、海洋元素和大气元素。
地壳元素是地壳中丰富的元素，包括氧、硅、铝、铁、钙等等，它们占到地壳质量的99%以上。
其中最丰富的是氧元素，它占地壳中质量的46.6%，其次是硅元素，占28.2%。
地壳元素的绝大部分都是宇宙尘埃在地球形成过程中沉积下来的，也有部分来自于岩浆的分异作用和地球内部的物质漏失。
海洋元素主要包括钠、氯、镁、钙等，以及微量元素如铬、钴、铜、锌、铅等。
这些元素常常被沉积在海洋底部的海底泥中，它们的含量一般很低且难以采集分析。
大气元素包括氢、氧、氮、碳以及其他的惰性气体。
其中氧和氮占了大气元素的绝大部分，占比分别为21%和78%。
大气元素是通过地球大气层的物理、化学和生物过程不断循环传输的，它们对地球环境的影响也很大。
二、同位素地球化学同位素是同一元素中质量数不同的不同原子核，同位素地球化学就是研究地球物质中同位素分布和演化的学科。
同位素地球化学的核心是同位素分析技术，它包括同位素质谱分析、放射性同位素年代学和同位素示踪技术。
同位素质谱分析是一种高精度的技术手段，它可以对地球物质中同位素的含量进行精确定量分析。
例如，氧同位素的分析可以用来研究古气候变化，硫同位素的分析可以用来追踪地球物质的来源和演化历史，铅同位素的分析可以用来研究地球内部物质演化和大气污染状况等。
放射性同位素年代学是利用放射性同位素的半衰期来测定物质年龄的技术手段。
不同放射性同位素的半衰期不同，因此可以用来测定不同时间尺度的物质年龄，例如，碳-14同位素可以用来测定古代有机物的年代，铀-铅同位素可以用来测定地球地质历史上的时间尺度。
元素地球化学第一章：导论◆地球化学的三个主要分支：①元素地球化学②同位素地球化学③实验地球化学◆元素地球化学：是地球化学最主要的分支学科，它通过逐一阐明个别元素的地球化学和宇宙化学特征及其与其它元素的组合关系来研究自然界化学演化规律的学科,是地球化学的传统研究内容和主干学科。
它力求完整地了解元素的地球化学旋回及其演化历史和原因,揭示元素含量变化对自然过程的指示意义◆元素地球化学主要研究内容和任务：（1）每个或每组化学元素的地球化学性质；（2）元素或元素群在自然界的分布、分配情况；（3）元素相互置换、结合、分离的规律和机制；（4）元素的存在形式、组合特点、迁移条件；（5）每个元素的地球化学旋回及其演化历史和原因（6）应用于地球资源、环境和材料的研究、预测、开发和保护。
◆元素地球化学的研究方法：（1）地质研究方法；（2）高灵敏度、高精度、快速和经济的测定和分析手段：ICP-MAS、ICP-AES、X荧光、电子探针等等；（3）各种地球化学模拟实验研究；（4）一些物理化学、热力学等理论的应用；（5）计算机技术在处理大量数据方面的广泛应用。
◆戈尔德施密特的元素地球化学分类：亲铁元素Siderophile：富集于陨石金属相和铁陨石中的化学元素。
它们与氧和硫的结合能力均弱,并易溶于熔融铁中；在地球中相对于地壳和地幔,明显在地核内聚集。
其离子最外层电子数在8～18之间。
典型的秦铁元素有镍、钴、金、铂族元素。
亲石元素lithophile：在陨石硅酸盐相中富集的化学元素;在地球中它们明显富集在地壳内,有较大的氧化自由能。
在自然界中都以氧化物,含氧盐，特别是硅酸盐的形式出现。
如硅、铝、钾、钠、钙、镁、铷、锶、铀、稀土元素等。
其离子最外层电子数为2或8。
亲铜元素chalcophile：在陨石硫化物相和陨硫铁(FeS)中富集的化学元素；在自然界中,它们往往易与S2-结合成硫化物和复杂硫化物。
如硫、铜、锌、铅、镉、砷、银、硒、碲、锑等。
其离子最外层有18个电子。
亲硫元素sulphophile：指不易与氧、氟和氯结合，而易于形成硫化物、硒化物、碲化物、砷化物等矿物的元素。
该术语现一般理解为与“亲铜元素”同义，并包括一些亲铁元素。
亲气元素atmophile：组成地球大气圈的主要元素,惰性气体元素,以及主要呈易挥发化合物存在的元素。
如氢、氮、碳、氧、及惰性气体元素等。
亲生物元素biophile：集中在有生命的动植物内的元素。
C, H , O, N, P, S, Cl, I, (B), (Ca, Mg, K, Na), (V, Mn, Fe, Cu)◆有关其他元素分类的常用术语：常量元素：组成物质主要结构和成分的元素，它们常占天然物质总组成的99%以上，并决定了物质的定名和大类划分。
微量元素(trace element, microelement)：物质中除了那些构成主要结构格架所必须的元素之外，所有以低浓度存在的化学元素。
其浓度一般低于0.1%，在大多数情况下明显低于0.1%而仅达到ppm乃至ppb数量级。
次要元素(minor element)：在文献中单独出现时时与微量元素同义；当两者同时出现时，一般指含量为1～5的化学元素。
稀有元素(rare element)：在低壳中分布量较低，但易于在自然界高度富集形成较常见的矿物和独立工业矿床的的化学元素。
如REE、Nb、Ta、Be、Li、（W）等。
分散元素(dispersed element)：在地壳中元素丰度低，并且其离子半径和电荷等化学性质与地壳中的高丰度元素(硅、铝、钙、铁、钾、钠等)相似的一类微量元素。
因上述性质，它们在自然界中大多以类质同像置换形式分散存在于高丰度元素的矿物中,从而很少形成自己的独立矿物和单独富集成为矿床。
典型分散元素为锗、镓、钪、锶、镉、铷、铯等。
附属元素(accessory element)：地球化学性质与造岩元素有较大的差别，主要在火成岩中呈副矿物及其类质同像形式存在的化学元素。
如Y、REE、Zr、Hf、Nb、Ta、U、Th等。
高场强元素或离子(High field strength cations，HFS)：场强指离子每单位表面的静电荷强度，常以离子电荷与离子半径的比值，即离子势表示。
指那些形成小的高电荷离子的元素，包括REE、Sc、Y、Th、U、Pb、Zr、Hf、Ti、Nb、Ta等,其离子势>2。
低场强元素或离子(Low field strength cations)：形成大半径小电荷的离子的元素，离子势<2，它们又称为大离子亲石元素—LILE（large ion litho-phile elements），包括 Cs、Rb、K、Ba、Sr、Eu和Pb（二价）。
相容元素(compatible element)：趋于在固相中富集的微量元素。
尽管其浓度低,不能形成独立矿物相，但因离子半径、电荷、晶体场等结晶化学性质与构成结晶矿物的主要元素相近,而易于呈类质同像置换形式进入有关矿物相。
相容元素的固相/液相分配系数显著大于1。
不相容元素(incompatible element)：趋向于在液相中富集的微量元素。
由于其浓度低，不能形成独立矿物相，并且因离子半径、电荷、晶体场等性质与构成结晶矿物的主元素相差很大，而使其不能进入矿物相。
它们的固相/液相分配系数近于零。
大多数LILE属不相容元素。
两个浓度概念：元素丰度：通过对某自然组成单元的大量样品测试统计而求得的化学元素相对于该单元总量的平均含量。
其单位大多以重量百分数(%)、百万分数(ppm)、或十亿分数(ppb)表示。
克拉克值(Clarke-value)：化学元素在地壳中的相对平均含量，即地壳的元素丰度。
因克拉克和华盛顿(Henry Stephens Washington, 1867—1934)于1924年首次计算发表了50种元素的地壳元素丰度,故名。
第2章元素的地球化学分布特征（空间分布）◆陨石的类型及其陨落道地球上的百分率（falls)石陨石: 球粒陨石 (84%) —碳质球粒陨石, 顽火辉石球粒陨石无球粒陨石 (8%)石铁陨石 (1%): 橄揽陨铁, 中铁陨石铁陨石 (7%)非小行星陨石（极少）—月球陨石，火星陨石未分异的陨石：球粒陨石：碳质无球粒陨石、普通无球粒陨石、顽火辉石球粒陨石分异了的陨石：无球粒陨石，铁陨石凝聚温度：元素从太阳系中凝聚出50％时的温度◆根据化学元素的凝聚温度对元素进行分类：难熔元素：（Ca、Al、Ti、Zr、REE、Ir、Os、等），占组成所有凝聚物质质量的大约5％。
镁硅酸盐：镁橄榄石Mg2SiO4，顽火辉石MgSiO3，和金属FeNi。
占凝聚物质的主要质量（1300-1400K）。
中等挥发性元素：（Na、K、Cu、Zn等），在镁硅酸盐和铁镍到硫（FeS）凝聚温度之间凝聚。
FeS(670K)高度挥发性元素：銦、镉、铅等，凝聚温度低于FeS。
元素的宇宙化学分类◆地球的圈层结构：大气圈——围绕固体地球的气体层；生物圈——生物能生存的环境和范围；水圈——地球上的水体主要占据的范围；地壳——以莫霍面（VP由6.8～7.2突变为8.0～8.2 km/s）为界。
大陆：30～50km, 大洋：10～20km；岩石圈——地球硅酸盐刚性外壳，地壳+上地幔顶部（50～150km，VP低速层之上）；软流圈——50～250 km , 厚100～150km, 低速层；地幔——20～2900km，莫霍面～古登堡面；地核——2900～ 6371km。
1、大气圈电离层：80～350km（～1000km:外电离层）；平流层：～30km（30～60同温层）；对流层：8～20km。
从地表到60km高空的大气成分是近于均匀的，主要由N2、O2和Ar组成。
随着离开地面距离增加，大气圈变得稀薄了，但仍然以氮和氧为主。
次要组分中臭氧和二氧化碳很重要。
臭氧主要集中在平流层内，它吸收紫外线辐射；二氧化碳对地球的碳循环很重要，是主要的温室气体之一，对气候有重要影响。
在80km高度以下的大气中微量（痕量）成分：< 1 ppmv，主要有H2、O3、Xe、N2O（氧化亚氮）、NO（一氧化氮）、NO2（二氧化氮）、NH3（氨气）、SO2、CO，以及气溶胶等。
此外还有一些人为污染成分，其浓度多为10－12（ppt）量级，如PFCs（全氟碳化物）、SF6（六氟化硫）等在大气化学研究中，也根据需要把大气成分按其在大气中的寿命分为：1.基本不变的成分（准定常成分）：其寿命大于1000 年，如N2、O2和几种惰性气体成分；2.可变成分：其寿命为即到几十年，如CO2、CH4、 H2、N2O、O3和部分气溶胶等；3.变化很快的成分：其寿命小于1年，如水气、CO、NO、NO2、HN3、SO2、H2S、气溶胶等。
2、水圈水圈的总质量为1.4×1018吨，海洋仅占地球总质量的0.02％。
如果地球是由C1球粒陨石和顽火辉石球粒陨石的混合物组成的，则应含有大约2％的H2O。
水圈可分为地表水圈和地下水圈。
地下水圈中只有上部很小一薄层为冷水，下层为热水根据地热增温率和水的临界温度推算，地下水圈的下界在稳定的古老结晶岩地区约为35公里；在有沉积岩盖层的古老结晶岩地区约20～25公里；而在近代沉降地区和年轻造山带则为15公里左右。
◇在高压下，过渡带中的β-橄榄石和γ-橄榄石可含有2～3％的H2O ，熔融铁能溶解高达4％的H。
水在一些标称的无水矿物，如橄榄石、辉石、石榴子石及其高压相变体中，存在于晶体的点缺陷中。
富MgSiO3钙钛矿和镁方铁矿含H2O约0.2wt％，富CaSiO3钙钛矿约含0.4wt％的H2O。
镁硅酸盐钙钛矿和镁方铁矿的红外显微光谱都显示出OH的吸收带。
下地幔中储存的H2O总量大致相当于的海洋的五倍◆海水的常量元素含量3、生物圈地球上生命的最早出现可追溯到38亿年前。
地球生命物质的总量估计大约为6.25×1018克，脱水后干重约为2.5×1018克，其总量与地壳质量2.3×1024克相比微不足道。
因此，在将地球和地壳作为一个总的地球化学系统进行研究时，生物地球化学作用常被忽略。
但在研究地球表面局部过程和特定元素的表生地球化学行为时，它则是必须被考虑的重要因素。
尤其在有关碳、氮、硫、磷、铁等与生态环境有关的元素地球化学循环中起关键作用。
生物活动造成的物质分异对地球表面过程和元素分布有重要而深刻的影响。
最明显的例子是地球大气中O2和CO2浓度的变化——晚古生代大型维管植物的昌盛导致光合作用急剧增强，从而在约300 百万年前，即石炭纪末，使大气氧含量增高到近40％，达到地质历史中的最高水平，是目前大气氧含量的一倍。
当时的大气二氧化碳含量也相应地明显降低。
