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第四章 地球及各圈層的物質(zhì)組成
§1 地球的物質(zhì)組成
　　地球是一個特殊的物理化學系統(tǒng)，她有別于太陽系其他行星，不但有生物圈和生命的長期作用，有液態(tài)水圈和氮-氧形成的大氣圈，還有固體地圈的板塊運動。從而決定了地球系統(tǒng)特有的物質(zhì)運動與元素行為特征。
　 地球主要元素豐度：Fe>O>Mg>Si>Ni>S>Ca>Al>Co>Na。地球的化學組成特點是：氧和硫（主要陰離子）原子豐度遠小于全部金屬陽離子的原子豐度之和，因而地球能有多余的Fe、Ni進入地核；并且地球有一些元素表現(xiàn)為親氧性，成為造巖元素，另一些元素表現(xiàn)為親硫性，成為金屬成礦元素。
目前，許多學者都是借助于宇宙的豐度和已知的觀測事實以及地球物理資料來構筑地球模型，主要考慮如下四個方面：
1 地球作為宇宙天體的一個成員并由宇宙物質(zhì)演化而來，地球的元素豐度應與宇宙的元素豐度大致相同，因此可以根據(jù)宇宙豐度構成地球基本成分的簡單模型；
2 地球基本成分及其分布必須符合深部地震資料所反映的物質(zhì)密度、比重等物理參數(shù)；
3 地球成分分布必須與地球總的質(zhì)量和慣性矩相協(xié)調(diào)；
4 地球元素分布必須符合地球內(nèi)部溫度、壓力分布的狀況。
§2 地殼的結構與物質(zhì)組成
2.1 地殼元素組合與礦物形成
（1）地殼元素組成和分類
　　地殼元素豐度的總特征可大致歸納如下：地殼中已發(fā)現(xiàn)的化學元素有92種，即元素周期表中1至92號元素；地殼中不同元素的含量差別很大，含量最高的元素氧(47%)與含量最低的氡(10-16)差1017倍；含量最高的三個元素氧、硅、鋁的總量占地殼元素總量的84.6%；若加上含量大于1%的元素鐵、鈣、鈉、鉀、鎂，總和達98%，剩余的84個元素重量的百分含量之和僅為2%；總體上，元素的原子豐度隨元素的原子序數(shù)增大而降低，偶數(shù)原子序數(shù)的元素比相鄰的奇數(shù)原子序數(shù)的元素豐度值高；惰性元素豐度偏低。
　　按化學計量比計算，地殼中陰離子的總數(shù)大大低于陽離子總數(shù)，陽離子與陰離子結合能力的大小和傾向性決定了元素的地球化學行為。
　　元素的地球化學分類方案較多，以下從地殼化學組成的角度出發(fā)，結合元素的地球化學行為將地地殼中元素的地球化學行為與元素的化學和晶體化學性質(zhì)有關，也與地殼中元素的豐度殼元素分為主量元素、微量元素、硫(硒、碲)和鹵族元素、金屬成礦元素、親生物元素和親氣元素、放射性元素。
主量元素：
　　主量元素有時也稱為常量元素，是指那些在巖石中(≠地殼中)含量大于1%(或0.1%)的元素，在地殼中大于1%的8種元素都是主量元素，除氧以外的7種元素在地殼中都以陽離子形式存在，它們與氧結合形成的氧化物(或氧的化合物)，是構成三大類巖石的主體，因此又常被稱為造巖元素。
　　地殼中重量百分比最大的10個元素的順序是：O＞Si＞Al＞Fe＞Ca＞Na＞K＞Mg＞Ti＞H，若按元素的原子克拉克 ( http: / / www.21cnjy.com / " \t "_blank )值(原子個數(shù))，則原子個數(shù)最多的元素是：O＞Si＞H＞Al＞Na＞Mg＞Ca＞Fe＞K＞Ti。Ti、H(P)在地殼中的重量百分比雖不足1%，但在各大類巖石中頻繁出現(xiàn)，也常被稱為造巖元素。
　　上述地殼中含量最高的十種元素，在各類巖石化學組成中都占重要地位。雖然不同類型巖石的礦物成分有差異，但主要礦物都是氧化物和含氧鹽，尤其是各種類型的硅酸鹽，因此可將整個地殼看成一個硅酸鹽礦物集合體。
　　巖漿巖是地殼中分布最廣的巖石大類，從酸性巖直到超基性巖，主要礦物都是硅酸鹽，不同的是：超基性巖和基性巖主要由鎂、鐵(鈣)的硅酸鹽組成，中、酸性巖主要由鉀、鈉的鋁硅酸鹽和氧化物組成。大陸地殼中上部中酸性巖石占主導的地位，下部中基性巖為主體；大洋地殼以基性巖石為主，因此地球科學家常稱地殼為硅酸鹽巖殼。也有的學者將以中酸性巖為主的部分稱為硅鋁質(zhì)地殼，將以基性巖為主的部分稱為硅鎂質(zhì)地殼。
　　由此可知：地殼中主量元素的種類(化學成分)決定了地殼中天然化合物(礦物)的類型；主要礦物種類及組合關系決定了其集合體(巖石)的分類；而地殼中主要巖石類型決定了地殼的基本面貌。
微量元素：
在地殼(巖石)中含量低于0.1%的元素，一般來說不易形成自己的獨立礦物，多以類質(zhì)同象的形式存在于其它元素組成的礦物中，這樣的元素被稱為微量元素。
（2）礦物的分類、晶形及其物理性質(zhì)
迄今發(fā)現(xiàn)的礦物種數(shù)已達3000余種。常見的造巖礦物只有十余種，其余屬非造巖礦物。
礦物的形態(tài)由礦物的晶形和結晶程度決定。礦物的結晶程度主要受礦物生長時的物理化學環(huán)境控制，而礦物的晶形則與礦物的晶體結構有關。
2.2 地殼的結構與巖石組成
(1)地殼的巖石類型
　　巖石是由一種或一種以上的礦物或巖屑組成的有規(guī)律的集合體，是地質(zhì)作用的產(chǎn)物。巖石是組成地殼和巖石圈的基本單位。巖石類型復雜多樣，按巖石形成的自然作用類型，可將它們分為巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)巖三大巖類。
　　巖漿巖:是由巖漿冷凝結晶而成的巖石，它可以分成兩個成因系列：一是由巖漿侵入地殼并在地殼中結晶形成的巖石，稱為侵入巖；另一是巖漿噴出地表(突破地殼)、在海水或大氣中冷卻形成的巖石，稱為火山巖。
火成巖：a花崗巖b閃長巖c輝長巖
　　侵入巖和火山巖的本質(zhì)區(qū)別在于它們產(chǎn)出的地質(zhì)構造位置和結晶環(huán)境，兩者間除可以通過結晶程度進行鑒別外，侵入巖侵入于早先形成的巖石中時，"最省力"的方式是沿裂隙侵入并使其橫截面有較小的周長，主體沿侵入方向延伸，雖形態(tài)多樣，但多為近園柱狀。大侵入體常呈園椎狀，其邊緣或上部可有枝狀或脈狀延伸部分，與周圍巖石的產(chǎn)狀不協(xié)調(diào)?；鹕綆r是巖漿噴出地表，在大氣圈和水圈中冷卻結晶形成的，當巖漿沿裂隙噴發(fā)時，火山巖形態(tài)一般與地表形態(tài)比較協(xié)調(diào)，呈被狀或層狀。
　　沉積巖:沉積巖僅占地殼巖石總體積的5%，但由于它形成于廣泛分布的陸地表面及海洋盆地中由沉積作用形成，因而，它占據(jù)地表75%面積。沉積巖最顯著的特征是成層性，在山區(qū)常常可以看到一層層的巖石，這就是沉積巖。組成沉積巖的物質(zhì)來自陸地上已生成的各類巖石，它們稱為沉積巖的母巖(或源巖)。除以上母巖外，火山噴出物，生物物質(zhì)，水體中的化學沉淀物也是沉積巖的組成部分，在一定條件下，沉積巖中還有宇宙物質(zhì)加入。
層狀沉積巖巖床層狀沉積巖巖床
　　沉積巖根據(jù)物質(zhì)來源、沉積物搬運和沉積作用方式可以分為陸源碎屑巖和化學、生物化學沉積巖両大類。
　　陸源碎屑巖 指沉積物來自大陸物理侵蝕作用，經(jīng)流水、風、冰川、泥石流、重力流等搬運到沉積盆地沉積成巖。沉積過程受物理的或機械的因素控制，如流體性質(zhì)(氣體、液體、固體)，運動狀態(tài)(流動、波浪)及其強度控制。碎屑巖占沉積巖總量的3／4以上。
　　對于碎屑巖而言，有兩個方面的特征最為重要：一是結構，二是構造。碎屑巖的結構是指組成它的碎屑顆粒的特征。包括粒度、分選性、磨圓度、膠結方式和顆粒表面特征。
　　沉積巖的構造是指組成沉積巖的顆粒的排列特征，有層理構造、層面構造等等。
　　變質(zhì)巖:在地球演化歷史中，地殼內(nèi)早先形成的巖石（巖漿巖、沉積巖、變質(zhì)巖）為適應新的地質(zhì)環(huán)境和物理化學條件，在固態(tài)下發(fā)生礦物組成、化學成分和結構構造的變化，統(tǒng)稱為變質(zhì)作用。經(jīng)歷變質(zhì)作用后形成的巖石稱變質(zhì)巖。變質(zhì)巖形成后還可經(jīng)歷新的變質(zhì)作用過程，有的變質(zhì)巖是多次變質(zhì)作用的產(chǎn)物。
　　雖然巖漿巖和變質(zhì)巖都是內(nèi)生地質(zhì)作用的產(chǎn)物，但兩者的形成機制和特征有很大的不同。它們之間的主要區(qū)別是：前者主要是從流體相(巖漿)結晶轉變成固相（巖石）的降溫過程產(chǎn)物；后者主要經(jīng)歷了溫度和壓力的變化；是從一種固相轉變?yōu)榱硪环N固相的結晶過程。
　　沉積巖和巖漿巖可以通過變質(zhì)作用成為變質(zhì)巖；在地球表面，巖漿巖、變質(zhì)巖又可以通過風化、搬運、沉積轉變成沉積巖；當變質(zhì)巖、沉積巖進入地下深處，在一定的溫度壓力條件下被熔融成巖漿，再經(jīng)歷冷卻結晶作用又可生成巖漿巖。因此，在地殼、地幔范圍內(nèi)，三類巖石處于不斷循環(huán)演化過程中(重點看書中圖4-6)。
（2）地殼的結構
　　大陸地殼和大洋地殼在組成和結構上都存在明顯差異。大陸地殼的厚度較大，但在各處是不均一的。
　　大陸地殼的總質(zhì)量幾乎是大洋地殼總質(zhì)量的四倍，因此地殼總的化學成分與大陸地殼成分很接近。大洋地殼中出現(xiàn)的礦物幾乎在大陸地殼中都可見到，了解了大陸地殼礦物及分類就不難認識大洋地殼中的礦物。大洋地殼中的巖石類型在大陸地殼中幾乎都有分布，因為地質(zhì)歷史中在大洋內(nèi)形成的巖石，一部分通過構造運動保存于大陸地殼中。
　　巖漿巖在大陸上以花崗巖為主，在大洋上以玄武巖為主。
（3）地球化學分區(qū)
地球的化學組成不僅在垂向上是不均一的，在地球的上部圈層水平方向上也存在差異。即使同是大陸（如北美大陸和歐亞大陸）在化學組成上也有差別，這是因為除其在原始的化學組成上就有所不同，如其中的放射性元素和熱能的分布量和狀態(tài)不同，而且地球重力和地球的化學分異是不均衡的。再則，同一大陸的不同陸塊在化學組成上也是有差異的，從而它們各有不同的礦床，這是因為不同陸塊的形成歷史和原始地幔物質(zhì)本身就存在差異；在同一陸塊的不同構造區(qū)，化學組成也會有所不同。因此，提出了地球化學分區(qū)的概念，并根據(jù)不同層次的差異劃分不同級別的地球化學區(qū)。還應該說明的是：地球物質(zhì)是不斷遷移和運動的，因此許多學者進一步提出時-空地球化學場的概念，揭示元素含量在空間上的分布和演化。這種理論在成礦作用、成礦預測以及地方病調(diào)查和防治等方面具有重要意義。
§3 地球深部的物質(zhì)成分分層
3.1 地幔的分層的分層結構和物質(zhì)成分
　 地幔的底面大約位于地表以下2900km深處，地幔的總厚度接近2900km。
　 地幔的最上部也由堅硬的硅酸鹽巖石組成，它們和地殼一起構成了地球的巖石圈。人類雖生活在地球表層――地殼上部，但人類的生存環(huán)境不僅與水圈、大氣圈和生物圈相關，也與地幔的組成、結構和狀態(tài)有關。人類從地殼中獲得的資源從根本上說直接或間接源自地幔，地幔中的地質(zhì)作用――巖漿、構造活動可以造福人類，也可能給人類帶來災難。目前人類還不能取回深度超過13km的任何物質(zhì)樣品。
（1）地幔的物質(zhì)組成
略。
3.2 地核的結構與物質(zhì)組成
　　2891km深部以古登堡面為代表的幔核邊界非常清晰，地震P波速度的物質(zhì)密度的明顯突變指示必然存在重要的物質(zhì)成分變化。
　　地核中最主要的元素是Fe和Ni，所以地核常被稱為鐵鎳核，但純鐵鎳核與地核已知的地球物理資料不一致，它有太高的密度和太低的地震波速，因此地核中可能滲雜了較輕的元素。
§4 地球不同圈層的物質(zhì)－能量交換
4.1 不同圈層的能量交換
（1）地球的熱傳導
熱量總是從高溫區(qū)向低溫區(qū)傳遞的。地球內(nèi)部的熱可以通過熱傳導、熱輻射、激子（輻射激發(fā)的原子）、物質(zhì)運動（如地下熱泉、火山活動、巖漿活動、以及地幔對流等）幾種方式傳導到地球表面。物質(zhì)運動傳導輸送的熱能就會和前三種熱傳導方式總和的量級相當。
(2)熱流觀測
地表有兩個熱源，一是從太陽吸收輻射熱，另一個是從地球內(nèi)部傳遞出來的熱流。地球的熱流值是通過大陸和海洋直接觀測和計算的。
大陸熱流：大陸殼最上部是花崗巖，花崗巖由于富含放射性元素，因而是最熱的巖石。對于大陸而言，各種不同年齡的構造區(qū)，熱流值有所差別，通常古老的穩(wěn)定區(qū)熱流值較低，年輕的活動區(qū)熱流值較高。
　　海底熱流：和大陸相比，海底要年輕得多。海低熱流值的觀測發(fā)現(xiàn)，和大陸一樣，熱流值與地質(zhì)特征關系密切?！　　　　　　　?br/>A地幔中物質(zhì)的對流 B巖漿在洋中脊噴發(fā)，向海溝推進，冷卻后俯沖在消減帶，回到地幔內(nèi)重新循環(huán)
4.2 不同圈層的物質(zhì)交換
　　地球不同圈層之間的物質(zhì)交換有多種方式，最主要的是地球的物質(zhì)循環(huán)過程和元素的遷移過程。
　　(1) 地殼-地幔物質(zhì)循環(huán)
地球最大規(guī)模的物質(zhì)循環(huán)是與板塊運動分不開的，地幔熱物質(zhì)通過對流從大洋中脊涌出形成新的洋殼，并在海溝處老洋殼因俯沖作用被插入大陸巖石圈之下的軟流圈，在地幔軟流圈被加熱并熔融，與地幔物質(zhì)混合后重新加入地幔的對流循環(huán)。
巖漿-射氣作用引起的地幔-地殼-水-大氣的物質(zhì)交換，幔源巖漿上升到地殼淺部或溢出地表并伴隨氣水的噴射，使地幔物質(zhì)向地殼、水圈、大氣圈遷移，巖漿冷卻凝固形成巖石。另一方面，巖石在地殼內(nèi)部也可以因地殼運動或放射性聚熱而熔融，轉變?yōu)閹r漿，導致地殼內(nèi)部的物質(zhì)分異。
　　巖石上升到地表，受風化作用而溶解、破碎呈溶液、碎屑，被水流、風搬運到湖泊、海洋沉積下來，隨著地殼的下沉，在地殼深部固結形成巖石，或者隨著洋殼俯沖到地幔軟流圈加熱熔融，重新加入地幔的對流循環(huán)。
（2）海底熱泉
　　海底存在許多因大洋中脊擴張而形成的裂隙，冰冷的海水沿裂隙下滲到幾公里深，當下滲海水遇到熱的玄武巖時就會受熱膨脹上升，形成富含從玄武巖中溶解的礦物質(zhì)和氣體的熱泉從海底涌出。
4.3 地殼-地幔的元素遷移和富集
　　地球上部圈層除元素通過流體（巖漿）遷移外，最常見和研究得最多的地球化學作用是含水流體與礦物巖石間的化學反應，被稱為水—巖相互作用。從反應性質(zhì)來看，水—巖相互作用包括溶解、沉淀、吸附和離子交換，以及氧化、還原等化學過程。
4.4 地殼表層元素的遷移和富集
　　地幔-地殼元素遷移與礦產(chǎn)形成關系密切，而地殼表層元素遷移與人類生存發(fā)展關系密切，尤其有害元素遷移富集對環(huán)境污染關系密切。地表環(huán)境的特征是常溫、常壓，與大氣圈直接接觸和大量水介質(zhì)的存在，并且有生物和有機質(zhì)的參與。這就決定了那些在高溫高壓條件下穩(wěn)定的元素在地表環(huán)境中特別活躍。
（1）元素的活化和遷移
　　元素在表殼的遷移和富集取決于化合物在水中的存在形式；水溶液的酸堿度（pH值）、氧化還原電位（Eh值）；締合離子和絡離子的類型。
水溶液的酸堿度：
　　水溶液的酸堿度（pH值）對元素在水中的存在狀態(tài)及遷移有重大影響，天然水的pH值在4～9之間，只有極特殊的情況下pH值才會超出此范圍，如火山湖pH值< 4，沙漠土壤中硫酸水pH值可達1，而干旱的堿性土壤水pH值可達10。金屬元素的氫氧化物在水中的活化遷移和沉淀受溶液酸堿度的控制。通常隨元素陽離子電價增高，半徑縮小及電負性增大其氫氧化物的溶度積迅速降低。
氧化還原電位：
在自然界中能自動發(fā)生的化學反應都以體系內(nèi)向著自由能降低的方向進行的，即電位高的發(fā)生還原；電位低的發(fā)生氧化。
　　地球化學屏障是元素遷移過程中的一種特殊的現(xiàn)象，當元素遷移到某處，環(huán)境的物理化學條件發(fā)生改變，可使元素從活化遷移狀態(tài)轉化為靜止狀態(tài)，并使元素富集。許多大型、超大型礦床都與地球化學急劇轉變帶有關，地球化學障有氧化還原障、酸堿性屏障、生物屏障、吸附屏障和蒸發(fā)屏障等。
4.5 礦床與潘多拉魔盒
（1）地殼中的元素豐度
　　迄今為止人類所利用的天然元素幾乎都來自地殼的表層。人類活動(如超深鉆)目前最大深度也只有13公里。而礦床開采還要淺，最深的石油開采也只有4000多米。其它固體礦床就更淺。我們常用的大部分元素的含量在地殼的大部分地方大都接近于該元素的地殼平均豐度，說明它們有均一化的趨勢。
　　地殼中元素平均豐度是指某一元素在地殼中的平均重量百分含量，稱為克拉克值。它是根據(jù)對所有巖石類型進行大量化學分析，所測得的結果，經(jīng)過加權平均計算出來的。 元素克拉克 ( http: / / www.21cnjy.com / " \t "_blank )值反映了地殼的平均化學成分，也是微量元素在地殼某些地方中集中或分散程度的標準。
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