地球化學(xué)第二章-地球化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)

地球化學(xué)陳遠(yuǎn)榮桂林理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院

2011年11月第二章地球化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)

第一節(jié)地球化學(xué)研究的基本問題

地球化學(xué)研究的基本問題概括起來有五個(gè)方面:

第一,

元素(同位素)在地球及各子系統(tǒng)的分布、分配問題：也就是元素和同位素的含量及含量在空間、時(shí)間及不同地質(zhì)產(chǎn)狀地質(zhì)體中的變化。這個(gè)問題是地球化學(xué)研究的出發(fā)點(diǎn)和基礎(chǔ)資料,簡(jiǎn)而言之為“量”的問題。

第二,

元素的共生組合和存在形式：在化學(xué)課本中了解到原子是構(gòu)成物質(zhì)的具有獨(dú)立性質(zhì)的最小單位,各種原子也構(gòu)成了宏觀的地質(zhì)體。地質(zhì)體內(nèi)各種原子的結(jié)合和存在形式不是任意的,不是靜態(tài)的,而是有條件的、變化的。它們是受著地質(zhì)作用的物理化學(xué)條件控制的,它們是隨著地質(zhì)歷史的變動(dòng)而變化的。因此,元素的共生組合和存在形式是地質(zhì)作用物理化學(xué)條件及變動(dòng)歷史的指示劑?？傊褪顷P(guān)于"質(zhì)"的問題.第三,就是元素的遷移,簡(jiǎn)而言之是“動(dòng)‘的研究,也就是元素在自然作用中含量和存在形式在時(shí)間和空間上的變化?？蓺w納出元素地球化學(xué)遷移的三個(gè)要素:

①環(huán)境物理化學(xué)條件的變化；②元素結(jié)合方式的改變；③導(dǎo)致元素在空間上的位移及元素集中、分散的轉(zhuǎn)化。

因此,元素的遷移過程能指示元素發(fā)生變化的動(dòng)態(tài)過程，以及各種物理化學(xué)條件的制約關(guān)系，從而揭示地質(zhì)、地球化學(xué)作用機(jī)制

第四,研究元素(同位素）的行為：指的是元素（同位素）在自然界所發(fā)生的各種地質(zhì)作用中的行為。通過行為的研究可能揭示地質(zhì)體成因機(jī)制。第五,元素的地球化學(xué)演化

人類對(duì)于自然界的認(rèn)識(shí)總是在探索與提問中進(jìn)行的,宇宙、天體是怎樣形成、演化的？地球是如何形成、發(fā)展的？生命是如何起源的？由C、H、O、N等主要元素構(gòu)成的人類又是如何產(chǎn)生的？元素又是如何合成的？等等。

1.1地球化學(xué)研究方法的特點(diǎn)

地球化學(xué)研究方法的特點(diǎn)：

第一，由于地球化學(xué)本質(zhì)上是屬于地球科學(xué)，所以其工作方法應(yīng)遵循地球科學(xué)的思維途徑，歸納一下有以下幾個(gè)方面：

(1)第一手實(shí)際資料來自于對(duì)自然地質(zhì)現(xiàn)象的觀察和研究；

(2)在地球的時(shí)空結(jié)構(gòu)中整理和綜合資料；

(3)事實(shí)規(guī)律的統(tǒng)計(jì)性特征；

(4)反序地追蹤歷史；

(5)結(jié)論的推斷性和多解性以及認(rèn)識(shí)的反復(fù)深化。

這一切都基于一個(gè)根本的出發(fā)點(diǎn)，即一切地球化學(xué)過程都是寄予宏觀的地質(zhì)作用之中的，基于這個(gè)特點(diǎn)，為此要求我們各類地球化學(xué)樣品必須有明確的地質(zhì)產(chǎn)狀的代表性；地球化學(xué)的研究結(jié)果應(yīng)落實(shí)到解決地質(zhì)學(xué)認(rèn)識(shí)和應(yīng)用的實(shí)際中去。

第二個(gè)特點(diǎn)，要求每個(gè)地球化學(xué)工作者有一個(gè)敏銳的地球化學(xué)思維，也就是要善于識(shí)別隱藏在各種現(xiàn)象中的地球化學(xué)信息，從而揭示地質(zhì)現(xiàn)象的奧秘。掌握這個(gè)特點(diǎn)是一個(gè)有過程的，但要認(rèn)真學(xué)習(xí)，努力實(shí)踐。

第三，要具備有定性和定量及鑒別物相的技術(shù)和裝置。

1.2地球化學(xué)的工作方法

(一)地球化學(xué)的野外工作方法

1.宏觀地質(zhì)調(diào)研是地球化學(xué)工作的基礎(chǔ)，是地球化學(xué)研究工作必不可少的重要環(huán)節(jié)，可以這樣形容兩者的關(guān)系：“皮之不存，毛將焉附”，皮都沒有了，毛在哪里長(zhǎng)呢？例如查明地質(zhì)體的時(shí)空結(jié)構(gòu)，將為地球化學(xué)作用的空間展布和時(shí)間順序提供依據(jù)。

2.運(yùn)用地球化學(xué)思維觀察、認(rèn)識(shí)地質(zhì)現(xiàn)象。

3.在地質(zhì)地球化學(xué)觀察的基礎(chǔ)上，根據(jù)目標(biāo)任務(wù)采集各種地球化學(xué)樣品。這一環(huán)節(jié)關(guān)系到地球化學(xué)研究工作的成敗，為此在樣品的布局和采樣中必須要注意以下三個(gè)問題：

①明確的代表性：代表某一地質(zhì)作用的產(chǎn)物；代表某一成因的、某種產(chǎn)狀的地質(zhì)體；樣品盡量避免后期作用的疊加等。

②樣品的系統(tǒng)性：為了從比較中說明問題，對(duì)研究對(duì)象在空間上、時(shí)間上、不同成因上的樣品應(yīng)構(gòu)成一個(gè)系列。例如研究礦化特征，應(yīng)控制采集礦體、礦化、背景段的樣品；有如環(huán)境污染研究，對(duì)污染源、污染區(qū)、背景區(qū)的樣品進(jìn)行系統(tǒng)采集

③樣品的統(tǒng)計(jì)性：地球化學(xué)現(xiàn)象同其它地質(zhì)現(xiàn)象一樣具有統(tǒng)計(jì)性規(guī)律，要定量地描述地球化學(xué)規(guī)律必須用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法，因?yàn)橐粌蓚€(gè)樣品難以有代表意義，必須由一組樣品構(gòu)成，一組樣品的數(shù)量根據(jù)研究對(duì)象復(fù)雜程度規(guī)模大小及測(cè)試方法的難易程度而定。

(二)地球化學(xué)的室內(nèi)研究方法

1.“量”的測(cè)定，應(yīng)用精密靈敏的分析測(cè)試方法，以取得元素在各種地質(zhì)體中的含量值。它是地球化學(xué)研究工作方法的基礎(chǔ)和起點(diǎn)。因此對(duì)分析方法的要求首先是準(zhǔn)確；其次，由于元素在各地質(zhì)體中的含量是不均勻的，有的高，有的是微量、超微量的，這樣對(duì)分析方法的第二個(gè)要求是高靈敏度，靈敏度一般要達(dá)到10-4%～10-7％，現(xiàn)代分析儀器已可以達(dá)到地球化學(xué)研究所需要的精度和靈敏度，如用化學(xué)光譜法測(cè)金，靈敏度已可達(dá)0.1×10-9，中子活化法的測(cè)金靈敏度可達(dá)0.04×10-9；又由于地球化學(xué)樣品數(shù)量較大，故對(duì)分析方法的的三個(gè)要求是快速、成本低。

2.“質(zhì)”的研究，也就是元素結(jié)合形態(tài)和賦存狀態(tài)的研究。

3.地球化學(xué)作用過程物理化學(xué)條件的測(cè)定和計(jì)算。包括測(cè)定和計(jì)算兩大類。如包裹體測(cè)溫、測(cè)壓、測(cè)成分，又有微量元素溫度計(jì)、礦物溫度計(jì)、同位素溫度計(jì)等測(cè)定和計(jì)算相結(jié)合的方法；對(duì)體系的pH、Eh、fO2、鹽度、離子強(qiáng)度、礦質(zhì)濃度等參數(shù)進(jìn)行估算；另外還可進(jìn)行自然作用時(shí)間參數(shù)的測(cè)定，如同位素年代學(xué)。

4.模擬地球化學(xué)作用過程。進(jìn)行模擬試驗(yàn)，這種方法在實(shí)驗(yàn)室條件下，使某些地球化學(xué)過程再現(xiàn)，以深入了解成巖成礦作用機(jī)制或檢驗(yàn)?zāi)承├碚撏茢?，這里包括高溫高壓體系的專門設(shè)備的實(shí)驗(yàn)技術(shù)以及大量常溫常壓下的實(shí)驗(yàn)研究（溫度可以達(dá)到3000℃，超高壓可達(dá)1.3兆巴，相當(dāng)于200km深處地殼壓力）。

5.測(cè)試數(shù)據(jù)的多元統(tǒng)計(jì)處理和計(jì)算——計(jì)算地球化學(xué)。多元統(tǒng)計(jì)理論和電子計(jì)算機(jī)技術(shù)在地球化學(xué)研究的應(yīng)用，大大提高了資料整理的科學(xué)性、數(shù)據(jù)的利用率和計(jì)算工作效率；同時(shí)數(shù)學(xué)理論和方法的應(yīng)用對(duì)深入揭示地球化學(xué)規(guī)律、科學(xué)地描述地球化學(xué)現(xiàn)象起到了推動(dòng)作用，使之地球化學(xué)過程數(shù)字模擬化。

復(fù)習(xí)思考(1)地球化學(xué)的定義。(2)地球化學(xué)學(xué)科的特點(diǎn)和基本問題。

(3)地球化學(xué)學(xué)科的研究思路和研究方法。

(4)地球化學(xué)與化學(xué)、地球科學(xué)其他學(xué)科在研究目標(biāo)和研究方法方面的異同。

常量元素：組成物質(zhì)主要結(jié)構(gòu)和成分的元素，它們常占天然物質(zhì)總組成的99%以上，并決定了物質(zhì)的定名和大類劃分。微量元素(traceelement,microelement)：物質(zhì)中除了那些構(gòu)成主要結(jié)構(gòu)格架所必須的元素之外，所有以低濃度存在的化學(xué)元素。其濃度一般低于0.1%，在大多數(shù)情況下明顯低于0.1%而僅達(dá)到ppm乃至ppb數(shù)量級(jí)。次要元素(minorelement)：在文獻(xiàn)中單獨(dú)出現(xiàn)時(shí)時(shí)與微量元素同義；當(dāng)兩者同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，一般指含量為1～5的化學(xué)元素。有關(guān)元素分類的常用術(shù)語稀有元素(rareelement)：在低殼中分布量較低，但易于在自然界高度富集形成較常見的礦物和獨(dú)立工業(yè)礦床的的化學(xué)元素。如REE、Nb、Ta、Be、Li、（W）等。分散元素(dispersedelement)：在地殼中元素豐度低，并且其離子半徑和電荷等化學(xué)性質(zhì)與地殼中的高豐度元素(硅、鋁、鈣、鐵、鉀、鈉等)相似的一類微量元素。因上述性質(zhì)，它們?cè)谧匀唤缰写蠖嘁?類質(zhì)同像置換形式分散存在于高豐度元素的礦物中,從而很少形成自己的獨(dú)立礦物和單獨(dú)富集成為礦床。典型分散元素為鍺、鎵、鈧、鍶、鎘、銣、銫等。附屬元素(accessoryelement)：地球化學(xué)性質(zhì)與造巖元素有較大的差別，主要在火成巖中呈副礦物及其類質(zhì)同像形式存在的化學(xué)元素。如Y、REE、Zr、Hf、Nb、Ta、U、Th等。高場(chǎng)強(qiáng)元素或離子（Highfieldstrengthcations，HFS）：場(chǎng)強(qiáng)指離子每單位表面的靜電荷強(qiáng)度，常以離子電荷與離子半徑的比值，即離子勢(shì)表示。指那些形成小的高電荷離子的元素，包括REE、Sc、Y、Th、U、Pb、Zr、Hf、Ti、Nb、Ta等。其離子勢(shì)>2。低場(chǎng)強(qiáng)元素或離子（Lowfieldstrengthcations）：形成大半徑小電荷的離子的元素

，離子勢(shì)<2，它們又稱為大離子親石元素—LILE（largeionlitho-phileelements），包括Cs、Rb、K、Ba、Sr、Eu和Pb（二價(jià)）。相容元素(compatibleelement)：趨于在固相中富集的微量元素。盡管其濃度低,不能形成獨(dú)立礦物相，但因離子半徑、電荷、晶體場(chǎng)等結(jié)晶化學(xué)性質(zhì)與構(gòu)成結(jié)晶礦物的主要元素相近,而易于呈類質(zhì)同像置換形式進(jìn)入有關(guān)礦物相。相容元素的固相/液相分配系數(shù)顯著大于1。不相容元素(incompatibleelement,hygromagmatophileelement)：趨向于在液相中富集的微量元素。由于其濃度低，不能形成獨(dú)立礦物相，并且因離子半徑、電荷、晶體場(chǎng)等性質(zhì)與構(gòu)成結(jié)晶礦物的主元素相差很大，而使其不能進(jìn)入礦物相。它們的固相/液相分配系數(shù)近于零。大多數(shù)LILE屬不相容元素。1.3基本概念

1.地球化學(xué)體系

按照地球化學(xué)的觀點(diǎn)，我們把所要研究的對(duì)象看作是一個(gè)地球化學(xué)體系，每個(gè)地球化學(xué)體系都有一定的空間，都處于特定的物理化學(xué)狀態(tài)（C、T、P等），并且有一定的時(shí)間連續(xù)。

這個(gè)體系可大可小。某個(gè)礦物包裹體，某礦物、某巖石可看作一個(gè)地球化學(xué)體系，某個(gè)地層、巖體、礦床（某個(gè)流域、某個(gè)城市）也是一個(gè)地球化學(xué)體系，從更大范圍來講,某一個(gè)區(qū)域、地殼、地球直至太陽系、整個(gè)宇宙都可看作為一個(gè)地球化學(xué)體系。

地球化學(xué)的基本問題之一就是研究元素在地球化學(xué)體系中的分布（豐度）、分配問題，也就是地球化學(xué)體系中“量”的研究。

2.分布與豐度

所謂元素在體系中的分布，一般認(rèn)為是指的是元素在這個(gè)體系中的相對(duì)含量（平均含量），即元素的“豐度”，體系中元素的相對(duì)含量是以元素的平均含量來表示的，其實(shí)“分布”應(yīng)當(dāng)比“豐度”具有更廣泛的涵義。

體系中元素的豐度值實(shí)際上只能對(duì)這個(gè)體系里元素真實(shí)含量的一種估計(jì)，它只反映了元素分布特征的一個(gè)方面，即元素在一個(gè)體系中分布的一種集中（平均）傾向；元素在一個(gè)體系中的分布，特別是在較大體系中決不是均一的。因此，元素的分布還包含著元素在離散程度（不均一）的特征，因此元素的分布:①元素的相對(duì)含量（平均含量）=“豐度”；②元素含量的不均一性（分布離散特征數(shù)、分布所服從統(tǒng)計(jì)模型）。

3.分布與分配

分布指的是元素在一個(gè)化學(xué)體系種中（太陽隕石地球地殼某地區(qū)）整體總含量。

元素的分配指的是元素在各地球化學(xué)體系內(nèi)各個(gè)區(qū)域區(qū)段中的含量。

分布是整體，分配是局部，兩者是一個(gè)相對(duì)的概念，既有聯(lián)系也有區(qū)別。例如，地球作為整體，元素在地殼中的分布，也就是元素在地球中的分配的表現(xiàn)，把某巖石作為一個(gè)整體，元素在某組成礦物中的分布，也就是元素在巖石中分配的表現(xiàn)。4.絕對(duì)含量和相對(duì)含量

絕對(duì)含量單位

相對(duì)含量單位

T噸

％

百分之...x10-2

Kg千克

‰千分之....x10-3

g克

mg毫克

g微克

ppm、g/T百萬分之

x10-6

ng

毫微克

ppb、ng/g

十億分之

x10-9

pg微微克

ppt、pg/g萬億分之

x10-12

5.研究元素豐度的意義

①元素豐度是每一個(gè)地球化學(xué)體系的基本數(shù)據(jù)。可在同一或不同體系中進(jìn)行用元素的含量值來進(jìn)行比較，通過縱向（時(shí)間）、橫向（空間）上的比較，了解元素動(dòng)態(tài)情況，從而建立起元素集中、分散、遷移活動(dòng)等一些地球化學(xué)概念。從某種意義上來說，也就是在探索和了解豐度這一課題的過程中，逐漸建立起近代地球化學(xué)。

②研究元素豐度是研究地球化學(xué)基礎(chǔ)理論問題的重要素材之一。宇宙天體是怎樣起源的？地球又是如何形成的？地殼中主要元素為什么與地幔中的不一樣？生命是怎么產(chǎn)生和演化的？這些研究都離不開地球化學(xué)體系中元素豐度分布特征和規(guī)律。

1.4獲得太陽豐度資料的主要途徑

大家都知道我們地球所在的太陽系是由太陽、行星、行星物體(宇宙塵、彗星、小行星）組成的，其中太陽的質(zhì)量占太陽系總質(zhì)量的99.8%，其他成員的總和僅為0.2%。所以太陽的成分是研究太陽系成分的關(guān)鍵。獲得太陽元素豐度資料的主要途徑主要有以下幾種：

1.光譜分析。對(duì)太陽和其它星體的輻射光譜進(jìn)行定性和定量分析，但這些資料有兩個(gè)局限性：一是有些元素產(chǎn)生的波長(zhǎng)小于2900?，這部分譜線在通過地球化學(xué)大氣圈時(shí)被吸收而觀察不到；二是這些光譜產(chǎn)生于表面，它只能說明表面成分，如太陽光譜是太陽氣產(chǎn)生的，只能說明太陽氣的組成。

2.直接分析

。如測(cè)定地殼巖石、各類隕石和月巖、火星的樣品.上個(gè)世紀(jì)七十年代美國(guó)“阿波羅”飛船登月，采集了月巖、月壤樣品，1997年美國(guó)“探路者”號(hào)，2004年美國(guó)的“勇敢者”“機(jī)遇”號(hào)火星探測(cè)器測(cè)定了火星巖石的成分。

3.利用宇宙飛行器分析測(cè)定星云和星際間物質(zhì)及研究宇宙射線。

1.5隕石的化學(xué)成分

隕石是從星際空間降落到地球表面上來的行星物體的碎片。隕石是空間化學(xué)研究的重要對(duì)象，具有重要的研究意義：①它是認(rèn)識(shí)宇宙天體、行星的成分、性質(zhì)及其演化的最易獲取、數(shù)量最大的地外物質(zhì)；②也是認(rèn)識(shí)地球的組成、內(nèi)部構(gòu)造和起源的主要資料來源；③隕石中的60多種有機(jī)化合物是非生物合成的“前生物物質(zhì)”，對(duì)探索生命前期的化學(xué)演化開拓了新的途徑；④可作為某些元素和同位素的標(biāo)準(zhǔn)樣品（稀土元素，鉛、硫同位素）。

一.隕石類型

隕石主要是由鎳-鐵合金、結(jié)晶硅酸鹽或兩者的混合物所組成，按成份分為三類：

1）鐵隕石（siderite）主要由金屬Ni,Fe（占98%）和少量其他元素組成（Co,S,P,Cu,Cr,C等）。

2）石隕石（aerolite）主要由硅酸鹽礦物組成（橄欖石、輝石）。這類隕石可以分為兩類，即決定它們是否含有球粒硅酸鹽結(jié)構(gòu)，分為球粒隕石和無球粒隕石。

這些隕石大都是石質(zhì)的，但也有少部分是碳質(zhì)。

3)鐵石隕石（sidrolite）由數(shù)量上大體相等的Fe、Ni和硅酸鹽礦物組成（過渡類型）。

隕石的主要礦物組成：Fe、Ni合金、橄欖石、輝石等。隕石中共發(fā)現(xiàn)140種礦物，其中39種在地球（地殼淺部）上未發(fā)現(xiàn)。

如褐硫鈣石CaS，隕硫鐵FeS。這說明隕石是在缺水、氧的特殊物理化學(xué)環(huán)境中形成的。

二.隕石的平均化學(xué)成分

要計(jì)算隕石的平均化學(xué)成分必須要解決兩個(gè)問題：首先要了解各種隕石的平均化學(xué)成分；其次要統(tǒng)計(jì)各類隕石的比例，各學(xué)者采用的方法不一致（V.M.Goldschmidt

采用硅酸鹽：鎳-鐵：隕硫鐵=10：2：1）。隕石的平均化學(xué)成分計(jì)算結(jié)果如下：元素

OFeSiMgSNiAl%

32.3028.8016.3012.302.121.571.38

CaNaCrMnKTiCoP

1.330.600.340.210.150.130.120.11

從表中我們可以看到O、Fe、Si、Mg、S、Ni、Al、Ca是隕石的主要化學(xué)成分。

1.6太陽系元素豐度

1.7地球的層圈結(jié)構(gòu)和組成自學(xué)1.8地殼元素豐度的研究方法

地殼（大陸）的化學(xué)組成是認(rèn)識(shí)地球總體成分分異演化和地球的力學(xué)過程的基本地球化學(xué)前提，再加之大陸地殼是人類生活和獲取資源的場(chǎng)所，為此大陸地殼化學(xué)組成的研究自地球化學(xué)學(xué)科誕生以來一直是研究的中心問題之一。下面是幾種研究地殼豐度的方法。

1.早期克拉克計(jì)算法

是由美國(guó)F.W.Clarke和H.S.Washington于1924年發(fā)表的地球化學(xué)資料中計(jì)算出來的。

他們的思路是在地殼上部16公里范圍內(nèi)（最高的山脈和最深海洋深度接近16公里）分布著95%的巖漿巖，4%的頁巖，0.75%的砂巖，

0.25%的灰?guī)r，而這5%沉積巖也是巖漿巖派生的，因此認(rèn)為巖漿巖的平均化學(xué)成分實(shí)際上可以代表地殼的平均化學(xué)成分。

2.簡(jiǎn)化研究法（取巧研究法）：

1）哥爾德斯密特（Goldschmidt）采集了挪威南部冰川成因粘土（77個(gè)樣）用其成分代表巖石圈平均化學(xué)成分，其結(jié)果與克拉克的結(jié)果相似，但對(duì)微量元素的豐度做了大量補(bǔ)充和修訂，Na2O和CaO含量偏低（這與表生條件下，Na和Ca容易淋濾沉淀有關(guān)）。

2)維諾格拉多夫（1962）巖石比例法是以兩份酸性巖加一份基性巖來計(jì)算地殼平均化學(xué)成分。

3）泰勒和麥克倫南（Taylor和McLennan,1985）提出細(xì)粒碎屑沉積巖，特別是泥質(zhì)巖，可作為源巖出露區(qū)上地殼巖石的天然混合樣品用太古宙后頁巖平均值扣除20%計(jì)算上部陸殼元素豐度。

綜合上述各種研究方法，根據(jù)目前對(duì)地殼的認(rèn)識(shí)，顯然具有以下的不足之處:首先采用的地殼的概念不統(tǒng)一，均未按照現(xiàn)代地殼結(jié)構(gòu)模型來考慮；其次沒有考慮巖石組成隨深度和構(gòu)造單元的變化。

圖1.2出露地表的大陸地殼剖面的一般模式（據(jù)Percival等，1992）

3.大陸地殼剖面法

造山作用可使下地殼甚至上地幔的巖石大規(guī)模暴露到地表，出露地表的大陸地殼剖面（exposedcrustalcross-section）是研究大陸地殼元素豐度的良好樣品。這樣的剖面僅分布再少量地區(qū)，為了研究地殼深部（下地殼）的成分還可以采用火山巖中深部地殼包體（探針巖）和地球物理法（地震波）。

盡管各家所采用的研究方法不同，但所得的地殼主要元素豐度得估計(jì)值相互接近，這充分說明其估計(jì)值是比較精確的。

1.8.1地殼元素豐度特征

1.地殼中元素的相對(duì)平均含量是極不均一的，豐度最大的元素是O：47%，比豐度最小的元素Rn為6x10-16相差達(dá)1017倍。相差十分懸殊。

OSiAlFeCaNaKMgTi

前五種:82.58%

前九種:98.13%

前十五種元素占99.61%,其余元素僅占0.39%

這表明：地殼中只有少數(shù)元素在數(shù)量上起決定作用，而大部分元素居從屬地位。

2.對(duì)比地殼、整個(gè)地球和太陽系元素豐度數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，它們?cè)谠刎S度的排序上有很大的不同：

太陽系：H>He>O>Ne>N>C>Si>Mg>Fe>S

地球：Fe>O>Mg>Si>Ni>S>Ca>Al>Co>Na

地殼：O>Si>Al>Fe>Ca>Na>K>Mg>Ti>H

與太陽系或宇宙相比，地殼和地球都明顯地貧H,He,Ne,N等氣體元素；而地殼與整個(gè)地球相比，則明顯貧Fe和Mg，同時(shí)富集Al,K和Na。

這種差異說明什么呢？

由宇宙化學(xué)體系形成地球的演化（核化學(xué)）過程中必然伴隨著氣態(tài)元素的逃逸。而地球原始的化學(xué)演化（電子化學(xué)）具體表現(xiàn)為較輕易熔的堿金屬鋁硅酸鹽在地球表層富集，而較重的難熔鎂、鐵硅酸鹽和金屬鐵則向深部集中。

由此可見地殼元素的豐度取決于兩個(gè)方面的原因:元素原子核的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性；宇宙物質(zhì)形成地球的整個(gè)演化過程中物質(zhì)的分異。

總之，現(xiàn)今地殼中元素豐度特征是由元素起源直到太陽系、地球、（地殼）的形成和存在至今這一段漫長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)元素演化歷史的最終結(jié)果。

3.地殼中元素豐度不是固定不變的，它是不斷變化的開放體系。

①地球表層H,He等氣體元素逐漸脫離地球重力場(chǎng)；

②每天降落到地球表層的地外物質(zhì)102-105噸；

③地殼與地幔的物質(zhì)交換；

④放射性元素衰變；

⑤人為活動(dòng)的干擾。

1.8.2元素地殼豐度研究的地球化學(xué)意義

元素地殼豐度(克拉克值)是地球化學(xué)中一個(gè)很重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。它確定了地殼中各種地球化學(xué)作用過程的總背景。它是衡量元素集中、分散及其程度的標(biāo)尺，本身也是影響元素地球化學(xué)行為的重要因素。

1.控制元素的地球化學(xué)行為

1）元素的克拉克值在某種程度上影響元素參加許多化學(xué)過程的濃度，從而支配元素的地球化學(xué)行為。

2）限定自然界的礦物種類及種屬。

3)限制了自然體系的狀態(tài)。

4）對(duì)元素親氧性和親硫性的限定。

2.地殼克拉克值可作為微量元素集中、分散的標(biāo)尺。1）可以為闡明地球化學(xué)?。▓?chǎng)）特征提供標(biāo)準(zhǔn)。2）指示特征的地球化學(xué)過程3)濃度克拉克值和濃集系數(shù)

濃度克拉克值=某元素在某一地質(zhì)體中平均含量/某元素的克拉克值

＞1意味該元素在地質(zhì)體中集中了

＜1意味該元素在地質(zhì)體中分散了

區(qū)域濃度克拉克值=某元素在區(qū)域內(nèi)某一地質(zhì)體中平均含量/某區(qū)域元素的豐度值

濃集系數(shù)

=某元素最低可采品位/某元素的克拉克值。

反映了元素在地殼中傾向于集中的能力Sb和Hg濃集系數(shù)分別為25000和14000，F(xiàn)e的濃集系數(shù)為6，這說明Fe成礦時(shí)只要克拉克值富集6倍即可。

1.8.3地殼元素分布的不均一性

整個(gè)地球元素分布是不均勻的，地殼也是一樣，地殼元素的分布不論在空間上及時(shí)間上都是不均一的。

1.空間上分布的不均一性

垂向深度（陸殼）：

上地殼；0-8~12KM偏酸性火成巖、沉積巖

下地殼：

8~12KM-莫霍面

麻粒巖、玄武巖

Ri=上地殼元素豐度/下地殼元素豐度

Ri

約等于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。

反映了地殼物質(zhì)在分異調(diào)整過程中的宏觀趨勢(shì)。

橫向分布：大陸地殼和海洋地殼的不均一性

洋殼：占地球表面60%以上，厚5-16KM，它們的化學(xué)成分與地幔物質(zhì)相似，以鎂、鐵硅酸鹽為主，主要分布