第一章 太阳系和地球系统的元素丰度
一、 基本概念
地球化学体系
把所研究对象称为一个地球化学体系，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性。（P15）
元素的分布
分布：指元素在各种宇宙体或地质体中（太阳、行星、陨石、地球、地圈、地壳）整体（母体）的含量
元素的分配
分配：则指元素在构成该宇宙体或地质体内各个部分或各区段（子体）中的含量。与分布既有联系又有区别，而且是一个相对的概念。
化学元素在地球中的分布，也就是元素在地球（母体）中的各层圈（子体）分配的总和。而元素在构成地壳的各构造层及各类型岩石中的分布，则又是元素在地壳（母体）中各子体中分配。
（注意元素分配和分布的区别与联系）
元素在地壳中的原始分布受控于：
元素的起源
元素的质量
原子核的结构和性质
地球演化过程中的热核反应
元素在地壳中各圈层的分配受控于：
地质作用中元素的迁移
元素的化学反应
元素电子壳层结构及其地球化学性质
元素的丰度
指化学元素在地球化学系统（太阳、行星、陨石、地球、地圈、地壳）中的平均分布量。 自然体系中不同级别、不同规模的宇宙体或地质体中（如太阳系、行星、陨石、地球、地壳、各地圈）元素的平均含量就相应的称为元素的宇宙丰度、地球丰度、地壳丰度，各种岩石的元素丰度等。
丰度的表示方法：常量元素常用重量%表示，微量元素常用百万分之一（ppm，10-6）和十亿分之一（ppb，10-9）表示。
元素丰度的研究意义
1. 丰度是每一个地球化学体系的基本数据。 近代地球化学正是在探索和了解丰度这一过程中逐渐形成的。
2. 一些重要的地球化学基本理论问题都离不开地球化学体系中元素丰度分布特征和规律研究。
二、 宇宙（太阳系）中元素的组成
现代宇宙成因假说
“宇宙大爆炸”假说：
由美国天体物理学家加莫夫最先提出的（Gamow, 1952）。该假说认为，大约在150
亿年以前，所有的天体物质都集中在一起，密度极大，温度极高，被称为原始火球。这个时期的天空中，没有恒星和星系，只是充满了辐射。后来由于某种未知的原因，原始火球发生了大爆炸，组成火球的物质飞散到四面八方，随着物质的膨胀和冷却，宇宙开始了自身的演化历史。
证据：
光谱红移现象（Edwin Hubble，1929）：远离我们而去的光源发出的光，我们收到时会感到
其频率降低，波长变长，并出现光谱线红移即光谱线向长波方向移动的现象。
遥远星系的退行速度（V）正比于它的距离（D），写成公式为：
V = H D
其中速度的单位是km/秒，距离的单位为106光年（1光年=1×1013km），H 称为哈勃常数（15km/秒/106光年），整个关系式就是著名的哈勃定律。
按照哈勃定律，所有的河外星系（即除银河系而外的其它星系）都在远离我们，而
且离我们越远的河外星系，远离得越快
微波背景辐射（Pengzias and Wilson, 1965） （1978年 诺贝尔物理奖）
大爆炸理论认为，原始火球在大爆炸后所发出的强烈光辉会随着宇宙的膨胀而日益暗淡下来。这相当于随着宇宙空间的增大，单位体积内所含的光子数会越来越少，即背景辐射的温度会越来越低。
化学元素的起源
“恒星合成元素”假说概括了元素合成过程的3种类型:
1.氢核聚变反应: 主星序阶段的所有恒星都是通过氢核聚变反应获得能量的，核反应的产物是元素氦。
2.氦核聚变反应: 当恒星内部的氢全部转变为氦以后，氢核聚变停止。此时恒星内部收缩，温度升高到100×106K，氦核聚变开始。
3.中子捕获反应: 中子捕获反应是恒星演化到最晚阶段才开始发生的重要反应，由此产生原子序数大于26（Fe）的重元素。
元素在宇宙中的丰度
宇宙学原理表明宇宙是均匀的和各向同性的，宇宙各部分的化学组成是统一的。根据这一原理，人们通常用太阳系平均化学成分来表示宇宙中元素的丰度。
太阳系平均化学成分的测定方法：
9 对太阳及其他星体辐射的光谱进行定性、定量测定；
9 直接测定地球岩石、月球岩石和各类陨石；
9 利用宇宙飞行器对临近地球的星体进行观察和测定；
9 分析测定气体星云、星际物质和宇宙线组成。
太阳系由太阳、行星、行星物体（宇宙尘、彗星、小行星）和卫星所组成，其中太阳集
中了整个太阳系99.8%的质量。
9 接近太阳的较小的内行星——水星、金星、地球、火星，也称类地行星；体积小、密度
大，主要元素是Fe, Si, Mg等非挥发性元素；
9 远离太阳的外行星——木星、土星、天王星、海王星，也称类木行星；体积大、密度小，
主要是H，He等挥发性元素。
宇宙中元素分布的如下特征规律：（P29）
（1） 宇宙中最丰富的元素为H 和He 。H/He比值为12.5。
（2） 原子序数较低（Z
重元素范围内（Z>50），不仅元素的丰度低，而且丰度值几乎不变，即丰度曲线近乎水平。
（3） 与He 相邻的元素Li 、Be 和B 具有很低的丰度，按较轻元素的丰度水平它们
是非常亏损的元素；O 和Fe 呈明显的峰出现在元素丰度曲线上，说明它们是过剩的元素。
（4） 原子序数为偶数的元素其丰度值大大高于原子序数为奇数的相邻元素。（奥多-
哈根斯法则）
（5） Tc和Pm 没有稳定性同位素，在宇宙中不存在；原子序数大于83（Bi ）的元
素也没有稳定同位素，它们都是Th 和U 的长寿命放射成因同位素。在丰度曲线上这些元素的位置空缺。
（6） 质量数为4的倍数的核素或同位素具有较高的丰度，如4He 、16O 、 40Ca 、
56Fe 和140Ce 等。
解释：
元素丰度的分布与元素的化学性质无关，而主要受原子核的结构控制。原子核由质子
和中子组成，其间既有核力（结合力）又有库仑斥力，当中子数和质子数比例适当时，核较稳定，而具有稳定核结构的元素一般分布较广。原子序数低的轻核容易达到质子和中子数的平衡，例如16O 、24Mg 、28Si 、40Ca 的原子核中具有中子/质子=1，核最稳定，因此这些元素具有较大的宇宙丰度。
随着原子序数的增加，核内中子数的增加速度往往大于质子数，原子核趋于不稳定，
故而元素和同位素的丰度降低（解释课本第1条，本提纲第2条）。偶数元素的原子核内，核子倾向成对，根据量子力学计算，此时原子核能降低，核稳定性增大，因而这种元素在自然界中的分布较广。
此外元素的恒星合成过程也决定了元素的丰度大小。例如Li 、Be 、B 作为氢燃烧的一
部分而转换成He ，造成了宇宙中这部分元素的亏损。又如O 和Fe 的丰度异常地高是因为这两种元素是氦燃烧的稳定产物。
三、 月球的元素组成
月球的主要岩石类型
A. 与地球上大洋型拉斑玄武岩相近的月海玄武岩；但与地球上的拉斑玄武岩不同的是，月
岩的拉斑玄武岩中富含TiO 2和FeO ，它主要分布在月球表面相对低洼的广阔的“月海”地区
B. 是富含放射性元素及难熔微量元素的非月海玄武岩。它是一种富斜长石的玄武岩，内中
斜长石的含量较月海玄武岩为高，但铁镁矿物和不透明矿物的含量则比月海玄武岩为低。
（其中有一种特殊的岩石类型，由于它含有较高的钾（K）、稀土元素（REE）及磷酸盐（P），故命名为克里普岩（KREEP）。克里普岩的化学成分本质上是玄武岩，但U、Th、Rb、Sr、Ba及稀土的含量比月海玄武岩高。非月海玄武岩一般认为是由富斜长石的岩石部分熔融而产生的。）
C. 是富铝的高地斜长岩，其中含有70%的斜长辉长岩，它是组成月球台地或高地的岩石，
也是月球上保存下来最老的台地单元。富铝的斜长岩现认为是岩浆分离作用的产物。其化学特征最显著的是Al2O3含量较高（19.1~36.49%）而TiO2和FeO 均较低。
月岩的化学成分，参看书P24 表1.6
月球和地球若干特征对比（了解）
A. 现今月球表面的特征似乎可以比拟作地球发展的早期阶段，因此，月球的研究资料成为
了解地球早期（距今31~46亿年）阶段演化特征的一个重要方面。
B. 鉴于目前地球上所发现的最古老的岩石同位素年龄（37~37.5亿年）和月岩的最老的同
位素年龄（A-14的样品为39.5亿年是最老的，A-11及A-16的样品为中等年龄34~37
亿年）很为接近，同时，月球演化在距今31亿年以来几乎处于“停滞”状态，如果把
C.
D.
E.
F.
G.
H. 月球原始结晶岩石看作地壳早期形成的岩石的话，这就说明今天地球上存在的花岗岩质的大陆型地壳、水圈和大气圈等，是在地球后来的演化和发展过程中产生的。 从月球表面采回的月岩标本无论在地球化学特征（岩石的化学成分和矿物成分、同位素测定）上，或者是地球物理性质（密度、弹性波传播速度）方面，大体和地球上大洋型玄武岩地壳，或者是地壳的硅镁层相似，反映了月壳和大洋型地壳相似。月球表面缺失象地球表面广泛分布的大陆型花岗岩地壳（硅铝层） 月球和地球由同样的化学元素组成，地球中的全部化学元素在月岩和月壤中都有发现，但二者的比例不同。地球与月球化学组成上的差异，无疑是在后期的化学分馏和热变质阶段产生的。 在月球和地球早期，强烈的火山活动都比较普遍。月球高地的形成，广泛分布的月海玄武岩和地球早期产生的中、基性喷出岩后经变质形成的全球广泛分布的绿岩系，是地球可以与月球演化进行对比的显著特征之一。 月岩及月壤内缺乏水，并几乎没有三价铁的存在，证实了月球表面没有水圈和大气圈，月表接近于真空状态。因此，月球不会象地球上那样，有分布广泛的生命活动（生物圈）的存在。由于缺乏流水、氧化、生物等作用，月球表面自然地也缺失了这些外营力引起的地质作用和产物。月岩是基本上保持了原状而变化不大的“原始岩石”。 由于月岩没有明显的磁场，月球可能没有金属月核。但月球内部具有类似于地球的壳层构造。地球物质的熔融、分异远比月球要充分得多。月球火成岩的熔融温度因缺水而比地球上的火成岩要高得多，地球内部没有月球内部那样坚固。月球强的还原条件是月球上熔体结晶作用过程的特征。地球物质的核转变能较月球大得多，因而地球的构造-岩浆活动比月球规模大，延续时间也较长。 月表所具有的不同于地球的特殊物理—化学环境，使试图通过对月球物质的研究而在月
球上找寻矿床的可能性显得很小。地球的极其复杂的内、外营力地质作用，是其形成丰富矿产资源的优越条件。这是二者明显不同之处。
四、 陨石的化学成分及其分类
【概念】陨石(Meteorite)：是从星际空间降落到地球表面上来的太阳系碎片，主要来源于位
于火星和木星之间的小行星带。
陨石的研究意义
陨石的化学成分是估计太阳系元素丰度以及地球整体和地球内部化学组成最有价值的依据：
（1）陨石是认识宇宙天体、行星的成分、性质及其演化的最易获取、数量最大的地外物质；
（2）陨石是认识地球的组成、内部构造和起源的主要资料来源。
（3）陨石中的60多种有机化合物是非生物合成的“前生物物质”，对探索生命前期的化学演化开拓了新的途径；
（4）陨石可作为某些元素和同位素的标准样品。
陨石的类型
（1）铁陨石 主要由金属镍-铁（占98%）和少量的其它矿物组成。
（2）石陨石 主要由硅酸盐矿物所组成。这类陨石又可分为两个亚类，即决定于它们是否
含有细小而大致等粒的球状硅酸盐结构而进一步分之为：
①球粒陨石；陨石球粒是由橄榄石或辉石所组成的小球体，有时也有玻璃。
②无球粒陨石。这类陨石大多数是石质陨石，很少量而特殊的是碳质陨石。
（3）铁石陨石 由数量大体相等的镍-铁和硅酸盐矿物组成，是上述两类陨石之间的过渡类
型。
陨石的平均化学成分
1. 陨石中分布最广的化学元素是O、Fe、Si、Mg、Ni、S、Al、Ca等
2. 地球上已知的化学元素在陨石中均有发现（充分说明陨石与地球物质来源的同源
性）。
陨石的演化历史
世界各地已测定了数百个陨石的年龄。一个重要的结果是，由石陨石、铁陨石以及地
球物质中所得到的铅，全都位于一条共同的等时线上。这说明它们几乎是在同一时间形成的。利用铅同位素求得陨石的年龄为（45.5±0.7）亿年，此外，利用Rb-Sr 法也测出了陨石的固化年龄，其测定结果几乎全部为44～47亿a，平均为（45±2.6）亿年。利用K-Ar 法测得的年龄数据略低些，多数集中在45亿a ，这是由于陨石固化后氩逸失所引起的。可见陨石和月球、地球的年龄都是十分近似的，表明它们都是太阳系的成员，形成独立的宇宙体的时期是大致相同的。这个结果对探讨宇宙体的形成、发展是很有意义的。
五、 地球的元素组成
地球的结构 深度范围（km ） 密度（g/cm3）占地球总质量（%）
0~35 2.7~3.0 0.8 地壳A
M 界面（莫霍界面）
B 3.32~3.65 10.4 35~400上地幔
C 3.65~4.68 16.4 400~1,000转变区 地幔
D 4.68~5.69 41 1,000~2,900下地幔
G 界面（核-幔边界）
E 9.40~11.50 2,900~4,980外核
F 11.50~12.0 地核 4,980~5,120过渡层31.5（地核）
G 12.0~12.3 5,120~6,371内核
地球元素的丰度
¾ 地球元素丰度计算法
(1) 陨石类比法
(2) 地球模型和陨石类比法
(3) 地球物理类比法
*综合陨石法：取各类陨石的平均化学成分来代表地球的元素丰度.
陨石是太阳系中某颗消失的行星碎块，因此综合的陨石组成应该相似于地球的平均组成（Krauskopf and Bird, 1995）。然而求取陨石平均组成几乎是不可能的，因此采用这种方法难以得到令人满意的结果。*单一陨石法: 提出只用分布最多的球粒陨石平均元素含量来代表地球的元素丰度（Ahrens, 1965）
（2）地球模型和陨石类比法：
Mason 根据现代地球结构模型，认为地球的总体成分基本上取决于地幔和地核的成分和相对质量，关于地幔和地核的成分，他做如下假设：
z 球粒陨石的硅酸盐相成分代表地幔和地壳的成分；
z 球粒陨石的镍-铁相平均成分加上5.3%的陨硫铁相成分代表地核成分；
z 地核和地幔的重量比例分别为32.4%和67.6%。
由此计算全球的元素丰度。由于这种计算方法是采用陨石相分析法，即硅酸盐（Silicate）相、金属（Metal）相和陨硫铁（Trolite）相的分析资料为基础，故又称SMT 法。
（3）地球物理类比法
这是黎彤采用的方法。这种方法在很大程度上基于地球自身的物质成分和地球物理壳层
¾ 地球元素及其规律
组成地球90%的是Fe, O, Si, Mg四种元素。重量占1%以上的主要有是Ni, Ca, Al, S四种元素。其他所有元素之和，重量仅1%左右。
六、 地壳的化学组成
地壳的结构
莫霍面以上，其厚度变化大，5km-80km，最厚的喜马拉雅山地区可达80km，而洋壳的厚度通常不足10km。最老的大陆地壳年龄为3.8～4.2Ga。现有的大洋地壳都是小于200Ma 的中生代以来的产物。
z 大陆地壳的岩石组成模型
，上部由未变质的岩石和绿片岩相岩石组成，如沉积岩和花岗质
侵入体；上地壳的下部（由英云闪长岩－奥长花岗岩－花岗片麻岩为主的角闪岩相岩石组成，富Si、K、Rb、U、Th等）
z 大洋地壳的结构：洋壳总成分相当于玄武岩，它由玄武岩、辉长岩加不厚的（1～2km）
的海洋沉积物构成
大陆地壳化学组成的研究方法
¾ 岩石平均化学组成法，又称克拉克（clark ）法（课本P40）
克拉克方法意义：1、开创性的工作，而地球化学发展打下了良好的基础。2、代表大陆地壳岩石圈成分。
¾ 利用细粒沉积物－冰川的冰水沉积或页岩的平均化学成分的测试，得出地壳中
化学元素的丰度。
¾ 采用组合样品的方法
① 根据地壳中出露岩石的比例进行样品组合，用两份酸性岩加一份基性岩
的人工混合样品，获得的化学成分的平均值代表地壳的元素丰度值
（Vinogradov ，1962）。
② 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（Taylor ，1984）
上述，研究初期确定地壳元素丰度的各种方法，明显存在着以下主要问题：
① 采用的地壳概念不一致，均未按照现代地壳结构模型进行元素丰度的计算； ② 地壳的计算厚度采用16km 是人为确定的，未考虑莫霍界面；
③ 忽略了海洋地壳的物质成分，实际上多数数据只能是大陆地壳的元素丰度。
¾ 按照地壳模型加权法
a) 大陆地壳生长历史法
b) 区域大规模取样与分析
¾ 深部地壳研究法
a ） 火成岩中的深部地壳包体研究法
b ） 地球物理法
地壳中的化学元素的分布特点*
1. 地壳中化学元素分布具有明显的不均匀性。
a 、分布最大的和分布最小的元素之间克拉克值差别很大，如氧的克拉克值为47％，是分布
量最小的元素之一镤（Pa ）的1.5×1015倍。
元素丰度若按克拉克值递减的顺序来排列，其次序为O 、Si 、Al 、Fe 、Ca 、Na 、K 、Mg 、（H ）、Ti 、C 、Cl ……等。
b 、空间上，上下地壳分布不均匀，陆壳和洋壳分布不均匀，陆壳内，各板块、地质体内分布不均一。
以Ri=上地壳元素丰度/下地壳元素丰度
Ri 约等于1的有: Ca, Si, Zr, Nd, Pb等。
小于1的有：Mg ，Cu ，V ，Fe ，Ni ，Cr ，Ag ，Co ，Sr 等。
大于1的有：Cl ，C ，Cs ，K ，Rb ，U ，Th ，Bi ，Tl ，Nb 等。
c 、时间上，地史早期，一些稳定元素富集（如Au ，Fe ），晚期，活泼元素富集（如W ）
2. 地壳中化学元素的分布量一般随原子序数的增大而降低。如将元素的原子克拉克值取对数后，对应于原子序数作图，由图可见分布量大的元素一般位于周期表的开始部分，随着原子序数的增大，元素的克拉克值也越来越小。
图 地壳中元素原子克拉克值相对于原子序数的曲线（据费尔斯曼A E）
粗线表示偶数原子序数的元素；细线表示奇数原子序数的元素
元素分布的这些规律与元素的原子结构密切相关，分布量的大小与原子核的稳定性有关。如元素分布的偶数规则及四倍规则即是其反映。
（1）偶数规则：地壳中偶数元素的分布量占86％，高于奇数元素，后者占14％。而且某个具体的偶数元素分布量一般高于与它相邻的奇数元素。稀土元素族特别明显地证实了这一规则。
（2）四倍规则：元素的原子量（化为整数）或质量数A 除以4，可把元素分成四种类型。
3．地壳中化学元素的分布是与宇宙中化学元素的形成，以及太阳系、地球、地壳形成和演化所制约。
对比地壳与太阳系元素丰度数据可以发现，它们在元素丰度的排序上有很大的不同： 太阳系：H ﹥He ﹥O ﹥Ne ﹥N ﹥C ﹥Si ﹥Mg ﹥Fe ﹥S
地球：Fe ﹥O ﹥Mg ﹥Si ﹥Ni ﹥S ﹥Ca ﹥Al ﹥Co ﹥Ti ﹥Na
地壳：O ﹥Si ﹥Al ﹥Fe ﹥Ca ﹥Na ﹥K ﹥Mg ﹥（H ）、Ti
与太阳系相比，地壳和地球都明显地贫H 、He 、Ne 、N 等气体。与地球相比，地壳明显贫Fe 和Mg ，同时富集Al ，K 和Na 。
地壳化学组成和元素clark 值的地球化学意义
1 大陆地壳的化学组成对壳幔分异的指示
几个概念：
亏损地幔（depleted mantle）：如MORB （mid-ocean ridge basalt）
相容性元素
不相容性元素
大陆地壳和MORB 在组成上表现出很好的互补性；相容性接近的元素具有相似的地球化学性质
注意一些元素对：
P49
2 地壳元素丰度在元素地球化学行为研究中的意义
A ．元素的clark 值影响着元素参加地壳地球化学过程的浓度，支配元素的地球化学行为。如Rb 、Cs 等clark 值低，不能形成自己独立的矿物。
B ．为阐明地球化学省的特征提供一种标准
“浓度clark 值” 元素在某一地质体（矿床、岩体和矿物等）中的平均含量与其clark 值之比，
“浓集系数“ 元素在矿床中的最低可采品位与克拉克值的比值
第一章 太阳系和地球系统的元素丰度
一、 基本概念
地球化学体系
把所研究对象称为一个地球化学体系，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性。（P15）
元素的分布
分布：指元素在各种宇宙体或地质体中（太阳、行星、陨石、地球、地圈、地壳）整体（母体）的含量
元素的分配
分配：则指元素在构成该宇宙体或地质体内各个部分或各区段（子体）中的含量。与分布既有联系又有区别，而且是一个相对的概念。
化学元素在地球中的分布，也就是元素在地球（母体）中的各层圈（子体）分配的总和。而元素在构成地壳的各构造层及各类型岩石中的分布，则又是元素在地壳（母体）中各子体中分配。
（注意元素分配和分布的区别与联系）
元素在地壳中的原始分布受控于：
元素的起源
元素的质量
原子核的结构和性质
地球演化过程中的热核反应
元素在地壳中各圈层的分配受控于：
地质作用中元素的迁移
元素的化学反应
元素电子壳层结构及其地球化学性质
元素的丰度
指化学元素在地球化学系统（太阳、行星、陨石、地球、地圈、地壳）中的平均分布量。 自然体系中不同级别、不同规模的宇宙体或地质体中（如太阳系、行星、陨石、地球、地壳、各地圈）元素的平均含量就相应的称为元素的宇宙丰度、地球丰度、地壳丰度，各种岩石的元素丰度等。
丰度的表示方法：常量元素常用重量%表示，微量元素常用百万分之一（ppm，10-6）和十亿分之一（ppb，10-9）表示。
元素丰度的研究意义
1. 丰度是每一个地球化学体系的基本数据。 近代地球化学正是在探索和了解丰度这一过程中逐渐形成的。
2. 一些重要的地球化学基本理论问题都离不开地球化学体系中元素丰度分布特征和规律研究。
二、 宇宙（太阳系）中元素的组成
现代宇宙成因假说
“宇宙大爆炸”假说：
由美国天体物理学家加莫夫最先提出的（Gamow, 1952）。该假说认为，大约在150
亿年以前，所有的天体物质都集中在一起，密度极大，温度极高，被称为原始火球。这个时期的天空中，没有恒星和星系，只是充满了辐射。后来由于某种未知的原因，原始火球发生了大爆炸，组成火球的物质飞散到四面八方，随着物质的膨胀和冷却，宇宙开始了自身的演化历史。
证据：
光谱红移现象（Edwin Hubble，1929）：远离我们而去的光源发出的光，我们收到时会感到
其频率降低，波长变长，并出现光谱线红移即光谱线向长波方向移动的现象。
遥远星系的退行速度（V）正比于它的距离（D），写成公式为：
V = H D
其中速度的单位是km/秒，距离的单位为106光年（1光年=1×1013km），H 称为哈勃常数（15km/秒/106光年），整个关系式就是著名的哈勃定律。
按照哈勃定律，所有的河外星系（即除银河系而外的其它星系）都在远离我们，而
且离我们越远的河外星系，远离得越快
微波背景辐射（Pengzias and Wilson, 1965） （1978年 诺贝尔物理奖）
大爆炸理论认为，原始火球在大爆炸后所发出的强烈光辉会随着宇宙的膨胀而日益暗淡下来。这相当于随着宇宙空间的增大，单位体积内所含的光子数会越来越少，即背景辐射的温度会越来越低。
化学元素的起源
“恒星合成元素”假说概括了元素合成过程的3种类型:
1.氢核聚变反应: 主星序阶段的所有恒星都是通过氢核聚变反应获得能量的，核反应的产物是元素氦。
2.氦核聚变反应: 当恒星内部的氢全部转变为氦以后，氢核聚变停止。此时恒星内部收缩，温度升高到100×106K，氦核聚变开始。
3.中子捕获反应: 中子捕获反应是恒星演化到最晚阶段才开始发生的重要反应，由此产生原子序数大于26（Fe）的重元素。
元素在宇宙中的丰度
宇宙学原理表明宇宙是均匀的和各向同性的，宇宙各部分的化学组成是统一的。根据这一原理，人们通常用太阳系平均化学成分来表示宇宙中元素的丰度。
太阳系平均化学成分的测定方法：
9 对太阳及其他星体辐射的光谱进行定性、定量测定；
9 直接测定地球岩石、月球岩石和各类陨石；
9 利用宇宙飞行器对临近地球的星体进行观察和测定；
9 分析测定气体星云、星际物质和宇宙线组成。
太阳系由太阳、行星、行星物体（宇宙尘、彗星、小行星）和卫星所组成，其中太阳集
中了整个太阳系99.8%的质量。
9 接近太阳的较小的内行星——水星、金星、地球、火星，也称类地行星；体积小、密度
大，主要元素是Fe, Si, Mg等非挥发性元素；
9 远离太阳的外行星——木星、土星、天王星、海王星，也称类木行星；体积大、密度小，
主要是H，He等挥发性元素。
宇宙中元素分布的如下特征规律：（P29）
（1） 宇宙中最丰富的元素为H 和He 。H/He比值为12.5。
（2） 原子序数较低（Z
重元素范围内（Z>50），不仅元素的丰度低，而且丰度值几乎不变，即丰度曲线近乎水平。
（3） 与He 相邻的元素Li 、Be 和B 具有很低的丰度，按较轻元素的丰度水平它们
是非常亏损的元素；O 和Fe 呈明显的峰出现在元素丰度曲线上，说明它们是过剩的元素。
（4） 原子序数为偶数的元素其丰度值大大高于原子序数为奇数的相邻元素。（奥多-
哈根斯法则）
（5） Tc和Pm 没有稳定性同位素，在宇宙中不存在；原子序数大于83（Bi ）的元
素也没有稳定同位素，它们都是Th 和U 的长寿命放射成因同位素。在丰度曲线上这些元素的位置空缺。
（6） 质量数为4的倍数的核素或同位素具有较高的丰度，如4He 、16O 、 40Ca 、
56Fe 和140Ce 等。
解释：
元素丰度的分布与元素的化学性质无关，而主要受原子核的结构控制。原子核由质子
和中子组成，其间既有核力（结合力）又有库仑斥力，当中子数和质子数比例适当时，核较稳定，而具有稳定核结构的元素一般分布较广。原子序数低的轻核容易达到质子和中子数的平衡，例如16O 、24Mg 、28Si 、40Ca 的原子核中具有中子/质子=1，核最稳定，因此这些元素具有较大的宇宙丰度。
随着原子序数的增加，核内中子数的增加速度往往大于质子数，原子核趋于不稳定，
故而元素和同位素的丰度降低（解释课本第1条，本提纲第2条）。偶数元素的原子核内，核子倾向成对，根据量子力学计算，此时原子核能降低，核稳定性增大，因而这种元素在自然界中的分布较广。
此外元素的恒星合成过程也决定了元素的丰度大小。例如Li 、Be 、B 作为氢燃烧的一
部分而转换成He ，造成了宇宙中这部分元素的亏损。又如O 和Fe 的丰度异常地高是因为这两种元素是氦燃烧的稳定产物。
三、 月球的元素组成
月球的主要岩石类型
A. 与地球上大洋型拉斑玄武岩相近的月海玄武岩；但与地球上的拉斑玄武岩不同的是，月
岩的拉斑玄武岩中富含TiO 2和FeO ，它主要分布在月球表面相对低洼的广阔的“月海”地区
B. 是富含放射性元素及难熔微量元素的非月海玄武岩。它是一种富斜长石的玄武岩，内中
斜长石的含量较月海玄武岩为高，但铁镁矿物和不透明矿物的含量则比月海玄武岩为低。
（其中有一种特殊的岩石类型，由于它含有较高的钾（K）、稀土元素（REE）及磷酸盐（P），故命名为克里普岩（KREEP）。克里普岩的化学成分本质上是玄武岩，但U、Th、Rb、Sr、Ba及稀土的含量比月海玄武岩高。非月海玄武岩一般认为是由富斜长石的岩石部分熔融而产生的。）
C. 是富铝的高地斜长岩，其中含有70%的斜长辉长岩，它是组成月球台地或高地的岩石，
也是月球上保存下来最老的台地单元。富铝的斜长岩现认为是岩浆分离作用的产物。其化学特征最显著的是Al2O3含量较高（19.1~36.49%）而TiO2和FeO 均较低。
月岩的化学成分，参看书P24 表1.6
月球和地球若干特征对比（了解）
A. 现今月球表面的特征似乎可以比拟作地球发展的早期阶段，因此，月球的研究资料成为
了解地球早期（距今31~46亿年）阶段演化特征的一个重要方面。
B. 鉴于目前地球上所发现的最古老的岩石同位素年龄（37~37.5亿年）和月岩的最老的同
位素年龄（A-14的样品为39.5亿年是最老的，A-11及A-16的样品为中等年龄34~37
亿年）很为接近，同时，月球演化在距今31亿年以来几乎处于“停滞”状态，如果把
C.
D.
E.
F.
G.
H. 月球原始结晶岩石看作地壳早期形成的岩石的话，这就说明今天地球上存在的花岗岩质的大陆型地壳、水圈和大气圈等，是在地球后来的演化和发展过程中产生的。 从月球表面采回的月岩标本无论在地球化学特征（岩石的化学成分和矿物成分、同位素测定）上，或者是地球物理性质（密度、弹性波传播速度）方面，大体和地球上大洋型玄武岩地壳，或者是地壳的硅镁层相似，反映了月壳和大洋型地壳相似。月球表面缺失象地球表面广泛分布的大陆型花岗岩地壳（硅铝层） 月球和地球由同样的化学元素组成，地球中的全部化学元素在月岩和月壤中都有发现，但二者的比例不同。地球与月球化学组成上的差异，无疑是在后期的化学分馏和热变质阶段产生的。 在月球和地球早期，强烈的火山活动都比较普遍。月球高地的形成，广泛分布的月海玄武岩和地球早期产生的中、基性喷出岩后经变质形成的全球广泛分布的绿岩系，是地球可以与月球演化进行对比的显著特征之一。 月岩及月壤内缺乏水，并几乎没有三价铁的存在，证实了月球表面没有水圈和大气圈，月表接近于真空状态。因此，月球不会象地球上那样，有分布广泛的生命活动（生物圈）的存在。由于缺乏流水、氧化、生物等作用，月球表面自然地也缺失了这些外营力引起的地质作用和产物。月岩是基本上保持了原状而变化不大的“原始岩石”。 由于月岩没有明显的磁场，月球可能没有金属月核。但月球内部具有类似于地球的壳层构造。地球物质的熔融、分异远比月球要充分得多。月球火成岩的熔融温度因缺水而比地球上的火成岩要高得多，地球内部没有月球内部那样坚固。月球强的还原条件是月球上熔体结晶作用过程的特征。地球物质的核转变能较月球大得多，因而地球的构造-岩浆活动比月球规模大，延续时间也较长。 月表所具有的不同于地球的特殊物理—化学环境，使试图通过对月球物质的研究而在月
球上找寻矿床的可能性显得很小。地球的极其复杂的内、外营力地质作用，是其形成丰富矿产资源的优越条件。这是二者明显不同之处。
四、 陨石的化学成分及其分类
【概念】陨石(Meteorite)：是从星际空间降落到地球表面上来的太阳系碎片，主要来源于位
于火星和木星之间的小行星带。
陨石的研究意义
陨石的化学成分是估计太阳系元素丰度以及地球整体和地球内部化学组成最有价值的依据：
（1）陨石是认识宇宙天体、行星的成分、性质及其演化的最易获取、数量最大的地外物质；
（2）陨石是认识地球的组成、内部构造和起源的主要资料来源。
（3）陨石中的60多种有机化合物是非生物合成的“前生物物质”，对探索生命前期的化学演化开拓了新的途径；
（4）陨石可作为某些元素和同位素的标准样品。
陨石的类型
（1）铁陨石 主要由金属镍-铁（占98%）和少量的其它矿物组成。
（2）石陨石 主要由硅酸盐矿物所组成。这类陨石又可分为两个亚类，即决定于它们是否
含有细小而大致等粒的球状硅酸盐结构而进一步分之为：
①球粒陨石；陨石球粒是由橄榄石或辉石所组成的小球体，有时也有玻璃。
②无球粒陨石。这类陨石大多数是石质陨石，很少量而特殊的是碳质陨石。
（3）铁石陨石 由数量大体相等的镍-铁和硅酸盐矿物组成，是上述两类陨石之间的过渡类
型。
陨石的平均化学成分
1. 陨石中分布最广的化学元素是O、Fe、Si、Mg、Ni、S、Al、Ca等
2. 地球上已知的化学元素在陨石中均有发现（充分说明陨石与地球物质来源的同源
性）。
陨石的演化历史
世界各地已测定了数百个陨石的年龄。一个重要的结果是，由石陨石、铁陨石以及地
球物质中所得到的铅，全都位于一条共同的等时线上。这说明它们几乎是在同一时间形成的。利用铅同位素求得陨石的年龄为（45.5±0.7）亿年，此外，利用Rb-Sr 法也测出了陨石的固化年龄，其测定结果几乎全部为44～47亿a，平均为（45±2.6）亿年。利用K-Ar 法测得的年龄数据略低些，多数集中在45亿a ，这是由于陨石固化后氩逸失所引起的。可见陨石和月球、地球的年龄都是十分近似的，表明它们都是太阳系的成员，形成独立的宇宙体的时期是大致相同的。这个结果对探讨宇宙体的形成、发展是很有意义的。
五、 地球的元素组成
地球的结构 深度范围（km ） 密度（g/cm3）占地球总质量（%）
0~35 2.7~3.0 0.8 地壳A
M 界面（莫霍界面）
B 3.32~3.65 10.4 35~400上地幔
C 3.65~4.68 16.4 400~1,000转变区 地幔
D 4.68~5.69 41 1,000~2,900下地幔
G 界面（核-幔边界）
E 9.40~11.50 2,900~4,980外核
F 11.50~12.0 地核 4,980~5,120过渡层31.5（地核）
G 12.0~12.3 5,120~6,371内核
地球元素的丰度
¾ 地球元素丰度计算法
(1) 陨石类比法
(2) 地球模型和陨石类比法
(3) 地球物理类比法
*综合陨石法：取各类陨石的平均化学成分来代表地球的元素丰度.
陨石是太阳系中某颗消失的行星碎块，因此综合的陨石组成应该相似于地球的平均组成（Krauskopf and Bird, 1995）。然而求取陨石平均组成几乎是不可能的，因此采用这种方法难以得到令人满意的结果。*单一陨石法: 提出只用分布最多的球粒陨石平均元素含量来代表地球的元素丰度（Ahrens, 1965）
（2）地球模型和陨石类比法：
Mason 根据现代地球结构模型，认为地球的总体成分基本上取决于地幔和地核的成分和相对质量，关于地幔和地核的成分，他做如下假设：
z 球粒陨石的硅酸盐相成分代表地幔和地壳的成分；
z 球粒陨石的镍-铁相平均成分加上5.3%的陨硫铁相成分代表地核成分；
z 地核和地幔的重量比例分别为32.4%和67.6%。
由此计算全球的元素丰度。由于这种计算方法是采用陨石相分析法，即硅酸盐（Silicate）相、金属（Metal）相和陨硫铁（Trolite）相的分析资料为基础，故又称SMT 法。
（3）地球物理类比法
这是黎彤采用的方法。这种方法在很大程度上基于地球自身的物质成分和地球物理壳层
¾ 地球元素及其规律
组成地球90%的是Fe, O, Si, Mg四种元素。重量占1%以上的主要有是Ni, Ca, Al, S四种元素。其他所有元素之和，重量仅1%左右。
六、 地壳的化学组成
地壳的结构
莫霍面以上，其厚度变化大，5km-80km，最厚的喜马拉雅山地区可达80km，而洋壳的厚度通常不足10km。最老的大陆地壳年龄为3.8～4.2Ga。现有的大洋地壳都是小于200Ma 的中生代以来的产物。
z 大陆地壳的岩石组成模型
，上部由未变质的岩石和绿片岩相岩石组成，如沉积岩和花岗质
侵入体；上地壳的下部（由英云闪长岩－奥长花岗岩－花岗片麻岩为主的角闪岩相岩石组成，富Si、K、Rb、U、Th等）
z 大洋地壳的结构：洋壳总成分相当于玄武岩，它由玄武岩、辉长岩加不厚的（1～2km）
的海洋沉积物构成
大陆地壳化学组成的研究方法
¾ 岩石平均化学组成法，又称克拉克（clark ）法（课本P40）
克拉克方法意义：1、开创性的工作，而地球化学发展打下了良好的基础。2、代表大陆地壳岩石圈成分。
¾ 利用细粒沉积物－冰川的冰水沉积或页岩的平均化学成分的测试，得出地壳中
化学元素的丰度。
¾ 采用组合样品的方法
① 根据地壳中出露岩石的比例进行样品组合，用两份酸性岩加一份基性岩
的人工混合样品，获得的化学成分的平均值代表地壳的元素丰度值
（Vinogradov ，1962）。
② 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（Taylor ，1984）
上述，研究初期确定地壳元素丰度的各种方法，明显存在着以下主要问题：
① 采用的地壳概念不一致，均未按照现代地壳结构模型进行元素丰度的计算； ② 地壳的计算厚度采用16km 是人为确定的，未考虑莫霍界面；
③ 忽略了海洋地壳的物质成分，实际上多数数据只能是大陆地壳的元素丰度。
¾ 按照地壳模型加权法
a) 大陆地壳生长历史法
b) 区域大规模取样与分析
¾ 深部地壳研究法
a ） 火成岩中的深部地壳包体研究法
b ） 地球物理法
地壳中的化学元素的分布特点*
1. 地壳中化学元素分布具有明显的不均匀性。
a 、分布最大的和分布最小的元素之间克拉克值差别很大，如氧的克拉克值为47％，是分布
量最小的元素之一镤（Pa ）的1.5×1015倍。
元素丰度若按克拉克值递减的顺序来排列，其次序为O 、Si 、Al 、Fe 、Ca 、Na 、K 、Mg 、（H ）、Ti 、C 、Cl ……等。
b 、空间上，上下地壳分布不均匀，陆壳和洋壳分布不均匀，陆壳内，各板块、地质体内分布不均一。
以Ri=上地壳元素丰度/下地壳元素丰度
Ri 约等于1的有: Ca, Si, Zr, Nd, Pb等。
小于1的有：Mg ，Cu ，V ，Fe ，Ni ，Cr ，Ag ，Co ，Sr 等。
大于1的有：Cl ，C ，Cs ，K ，Rb ，U ，Th ，Bi ，Tl ，Nb 等。
c 、时间上，地史早期，一些稳定元素富集（如Au ，Fe ），晚期，活泼元素富集（如W ）
2. 地壳中化学元素的分布量一般随原子序数的增大而降低。如将元素的原子克拉克值取对数后，对应于原子序数作图，由图可见分布量大的元素一般位于周期表的开始部分，随着原子序数的增大，元素的克拉克值也越来越小。
图 地壳中元素原子克拉克值相对于原子序数的曲线（据费尔斯曼A E）
粗线表示偶数原子序数的元素；细线表示奇数原子序数的元素
元素分布的这些规律与元素的原子结构密切相关，分布量的大小与原子核的稳定性有关。如元素分布的偶数规则及四倍规则即是其反映。
（1）偶数规则：地壳中偶数元素的分布量占86％，高于奇数元素，后者占14％。而且某个具体的偶数元素分布量一般高于与它相邻的奇数元素。稀土元素族特别明显地证实了这一规则。
（2）四倍规则：元素的原子量（化为整数）或质量数A 除以4，可把元素分成四种类型。
3．地壳中化学元素的分布是与宇宙中化学元素的形成，以及太阳系、地球、地壳形成和演化所制约。
对比地壳与太阳系元素丰度数据可以发现，它们在元素丰度的排序上有很大的不同： 太阳系：H ﹥He ﹥O ﹥Ne ﹥N ﹥C ﹥Si ﹥Mg ﹥Fe ﹥S
地球：Fe ﹥O ﹥Mg ﹥Si ﹥Ni ﹥S ﹥Ca ﹥Al ﹥Co ﹥Ti ﹥Na
地壳：O ﹥Si ﹥Al ﹥Fe ﹥Ca ﹥Na ﹥K ﹥Mg ﹥（H ）、Ti
与太阳系相比，地壳和地球都明显地贫H 、He 、Ne 、N 等气体。与地球相比，地壳明显贫Fe 和Mg ，同时富集Al ，K 和Na 。
地壳化学组成和元素clark 值的地球化学意义
1 大陆地壳的化学组成对壳幔分异的指示
几个概念：
亏损地幔（depleted mantle）：如MORB （mid-ocean ridge basalt）
相容性元素
不相容性元素
大陆地壳和MORB 在组成上表现出很好的互补性；相容性接近的元素具有相似的地球化学性质
注意一些元素对：
P49
2 地壳元素丰度在元素地球化学行为研究中的意义
A ．元素的clark 值影响着元素参加地壳地球化学过程的浓度，支配元素的地球化学行为。如Rb 、Cs 等clark 值低，不能形成自己独立的矿物。
B ．为阐明地球化学省的特征提供一种标准
“浓度clark 值” 元素在某一地质体（矿床、岩体和矿物等）中的平均含量与其clark 值之比，
“浓集系数“ 元素在矿床中的最低可采品位与克拉克值的比值