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第四章 地球及各圈层的物质组成
§1 地球的物质组成
　　地球是一个特殊的物理化学系统，她有别于太阳系其他行星，不但有生物圈和生命的长期作用，有液态水圈和氮-氧形成的大气圈，还有固体地圈的板块运动。从而决定了地球系统特有的物质运动与元素行为特征。
　 地球主要元素丰度：Fe>O>Mg>Si>Ni>S>Ca>Al>Co>Na。地球的化学组成特点是：氧和硫（主要阴离子）原子丰度远小于全部金属阳离子的原子丰度之和，因而地球能有多余的Fe、Ni进入地核；并且地球有一些元素表现为亲氧性，成为造岩元素，另一些元素表现为亲硫性，成为金属成矿元素。
目前，许多学者都是借助于宇宙的丰度和已知的观测事实以及地球物理资料来构筑地球模型，主要考虑如下四个方面：
1 地球作为宇宙天体的一个成员并由宇宙物质演化而来，地球的元素丰度应与宇宙的元素丰度大致相同，因此可以根据宇宙丰度构成地球基本成分的简单模型；
2 地球基本成分及其分布必须符合深部地震资料所反映的物质密度、比重等物理参数；
3 地球成分分布必须与地球总的质量和惯性矩相协调；
4 地球元素分布必须符合地球内部温度、压力分布的状况。
§2 地壳的结构与物质组成
2.1 地壳元素组合与矿物形成
（1）地壳元素组成和分类
　　地壳元素丰度的总特征可大致归纳如下：地壳中已发现的化学元素有92种，即元素周期表中1至92号元素；地壳中不同元素的含量差别很大，含量最高的元素氧(47%)与含量最低的氡(10-16)差1017倍；含量最高的三个元素氧、硅、铝的总量占地壳元素总量的84.6%；若加上含量大于1%的元素铁、钙、钠、钾、镁，总和达98%，剩余的84个元素重量的百分含量之和仅为2%；总体上，元素的原子丰度随元素的原子序数增大而降低，偶数原子序数的元素比相邻的奇数原子序数的元素丰度值高；惰性元素丰度偏低。
　　按化学计量比计算，地壳中阴离子的总数大大低于阳离子总数，阳离子与阴离子结合能力的大小和倾向性决定了元素的地球化学行为。
　　元素的地球化学分类方案较多，以下从地壳化学组成的角度出发，结合元素的地球化学行为将地地壳中元素的地球化学行为与元素的化学和晶体化学性质有关，也与地壳中元素的丰度壳元素分为主量元素、微量元素、硫(硒、碲)和卤族元素、金属成矿元素、亲生物元素和亲气元素、放射性元素。
主量元素：
　　主量元素有时也称为常量元素，是指那些在岩石中(≠地壳中)含量大于1%(或0.1%)的元素，在地壳中大于1%的8种元素都是主量元素，除氧以外的7种元素在地壳中都以阳离子形式存在，它们与氧结合形成的氧化物(或氧的化合物)，是构成三大类岩石的主体，因此又常被称为造岩元素。
　　地壳中重量百分比最大的10个元素的顺序是：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(原子个数)，则原子个数最多的元素是：O＞Si＞H＞Al＞Na＞Mg＞Ca＞Fe＞K＞Ti。Ti、H(P)在地壳中的重量百分比虽不足1%，但在各大类岩石中频繁出现，也常被称为造岩元素。
　　上述地壳中含量最高的十种元素，在各类岩石化学组成中都占重要地位。虽然不同类型岩石的矿物成分有差异，但主要矿物都是氧化物和含氧盐，尤其是各种类型的硅酸盐，因此可将整个地壳看成一个硅酸盐矿物集合体。
　　岩浆岩是地壳中分布最广的岩石大类，从酸性岩直到超基性岩，主要矿物都是硅酸盐，不同的是：超基性岩和基性岩主要由镁、铁(钙)的硅酸盐组成，中、酸性岩主要由钾、钠的铝硅酸盐和氧化物组成。大陆地壳中上部中酸性岩石占主导的地位，下部中基性岩为主体；大洋地壳以基性岩石为主，因此地球科学家常称地壳为硅酸盐岩壳。也有的学者将以中酸性岩为主的部分称为硅铝质地壳，将以基性岩为主的部分称为硅镁质地壳。
　　由此可知：地壳中主量元素的种类(化学成分)决定了地壳中天然化合物(矿物)的类型；主要矿物种类及组合关系决定了其集合体(岩石)的分类；而地壳中主要岩石类型决定了地壳的基本面貌。
微量元素：
在地壳(岩石)中含量低于0.1%的元素，一般来说不易形成自己的独立矿物，多以类质同象的形式存在于其它元素组成的矿物中，这样的元素被称为微量元素。
（2）矿物的分类、晶形及其物理性质
迄今发现的矿物种数已达3000余种。常见的造岩矿物只有十余种，其余属非造岩矿物。
矿物的形态由矿物的晶形和结晶程度决定。矿物的结晶程度主要受矿物生长时的物理化学环境控制，而矿物的晶形则与矿物的晶体结构有关。
2.2 地壳的结构与岩石组成
(1)地壳的岩石类型
　　岩石是由一种或一种以上的矿物或岩屑组成的有规律的集合体，是地质作用的产物。岩石是组成地壳和岩石圈的基本单位。岩石类型复杂多样，按岩石形成的自然作用类型，可将它们分为岩浆岩、沉积岩和变质岩三大岩类。
　　岩浆岩:是由岩浆冷凝结晶而成的岩石，它可以分成两个成因系列：一是由岩浆侵入地壳并在地壳中结晶形成的岩石，称为侵入岩；另一是岩浆喷出地表(突破地壳)、在海水或大气中冷却形成的岩石，称为火山岩。
火成岩：a花岗岩b闪长岩c辉长岩
　　侵入岩和火山岩的本质区别在于它们产出的地质构造位置和结晶环境，两者间除可以通过结晶程度进行鉴别外，侵入岩侵入于早先形成的岩石中时，"最省力"的方式是沿裂隙侵入并使其横截面有较小的周长，主体沿侵入方向延伸，虽形态多样，但多为近园柱状。大侵入体常呈园椎状，其边缘或上部可有枝状或脉状延伸部分，与周围岩石的产状不协调。火山岩是岩浆喷出地表，在大气圈和水圈中冷却结晶形成的，当岩浆沿裂隙喷发时，火山岩形态一般与地表形态比较协调，呈被状或层状。
　　沉积岩:沉积岩仅占地壳岩石总体积的5%，但由于它形成于广泛分布的陆地表面及海洋盆地中由沉积作用形成，因而，它占据地表75%面积。沉积岩最显著的特征是成层性，在山区常常可以看到一层层的岩石，这就是沉积岩。组成沉积岩的物质来自陆地上已生成的各类岩石，它们称为沉积岩的母岩(或源岩)。除以上母岩外，火山喷出物，生物物质，水体中的化学沉淀物也是沉积岩的组成部分，在一定条件下，沉积岩中还有宇宙物质加入。
层状沉积岩岩床层状沉积岩岩床
　　沉积岩根据物质来源、沉积物搬运和沉积作用方式可以分为陆源碎屑岩和化学、生物化学沉积岩両大类。
　　陆源碎屑岩 指沉积物来自大陆物理侵蚀作用，经流水、风、冰川、泥石流、重力流等搬运到沉积盆地沉积成岩。沉积过程受物理的或机械的因素控制，如流体性质(气体、液体、固体)，运动状态(流动、波浪)及其强度控制。碎屑岩占沉积岩总量的3／4以上。
　　对于碎屑岩而言，有两个方面的特征最为重要：一是结构，二是构造。碎屑岩的结构是指组成它的碎屑颗粒的特征。包括粒度、分选性、磨圆度、胶结方式和颗粒表面特征。
　　沉积岩的构造是指组成沉积岩的颗粒的排列特征，有层理构造、层面构造等等。
　　变质岩:在地球演化历史中，地壳内早先形成的岩石（岩浆岩、沉积岩、变质岩）为适应新的地质环境和物理化学条件，在固态下发生矿物组成、化学成分和结构构造的变化，统称为变质作用。经历变质作用后形成的岩石称变质岩。变质岩形成后还可经历新的变质作用过程，有的变质岩是多次变质作用的产物。
　　虽然岩浆岩和变质岩都是内生地质作用的产物，但两者的形成机制和特征有很大的不同。它们之间的主要区别是：前者主要是从流体相(岩浆)结晶转变成固相（岩石）的降温过程产物；后者主要经历了温度和压力的变化；是从一种固相转变为另一种固相的结晶过程。
　　沉积岩和岩浆岩可以通过变质作用成为变质岩；在地球表面，岩浆岩、变质岩又可以通过风化、搬运、沉积转变成沉积岩；当变质岩、沉积岩进入地下深处，在一定的温度压力条件下被熔融成岩浆，再经历冷却结晶作用又可生成岩浆岩。因此，在地壳、地幔范围内，三类岩石处于不断循环演化过程中(重点看书中图4-6)。
（2）地壳的结构
　　大陆地壳和大洋地壳在组成和结构上都存在明显差异。大陆地壳的厚度较大，但在各处是不均一的。
　　大陆地壳的总质量几乎是大洋地壳总质量的四倍，因此地壳总的化学成分与大陆地壳成分很接近。大洋地壳中出现的矿物几乎在大陆地壳中都可见到，了解了大陆地壳矿物及分类就不难认识大洋地壳中的矿物。大洋地壳中的岩石类型在大陆地壳中几乎都有分布，因为地质历史中在大洋内形成的岩石，一部分通过构造运动保存于大陆地壳中。
　　岩浆岩在大陆上以花岗岩为主，在大洋上以玄武岩为主。
（3）地球化学分区
地球的化学组成不仅在垂向上是不均一的，在地球的上部圈层水平方向上也存在差异。即使同是大陆（如北美大陆和欧亚大陆）在化学组成上也有差别，这是因为除其在原始的化学组成上就有所不同，如其中的放射性元素和热能的分布量和状态不同，而且地球重力和地球的化学分异是不均衡的。再则，同一大陆的不同陆块在化学组成上也是有差异的，从而它们各有不同的矿床，这是因为不同陆块的形成历史和原始地幔物质本身就存在差异；在同一陆块的不同构造区，化学组成也会有所不同。因此，提出了地球化学分区的概念，并根据不同层次的差异划分不同级别的地球化学区。还应该说明的是：地球物质是不断迁移和运动的，因此许多学者进一步提出时-空地球化学场的概念，揭示元素含量在空间上的分布和演化。这种理论在成矿作用、成矿预测以及地方病调查和防治等方面具有重要意义。
§3 地球深部的物质成分分层
3.1 地幔的分层的分层结构和物质成分
　 地幔的底面大约位于地表以下2900km深处，地幔的总厚度接近2900km。
　 地幔的最上部也由坚硬的硅酸盐岩石组成，它们和地壳一起构成了地球的岩石圈。人类虽生活在地球表层――地壳上部，但人类的生存环境不仅与水圈、大气圈和生物圈相关，也与地幔的组成、结构和状态有关。人类从地壳中获得的资源从根本上说直接或间接源自地幔，地幔中的地质作用――岩浆、构造活动可以造福人类，也可能给人类带来灾难。目前人类还不能取回深度超过13km的任何物质样品。
（1）地幔的物质组成
略。
3.2 地核的结构与物质组成
　　2891km深部以古登堡面为代表的幔核边界非常清晰，地震P波速度的物质密度的明显突变指示必然存在重要的物质成分变化。
　　地核中最主要的元素是Fe和Ni，所以地核常被称为铁镍核，但纯铁镍核与地核已知的地球物理资料不一致，它有太高的密度和太低的地震波速，因此地核中可能渗杂了较轻的元素。
§4 地球不同圈层的物质－能量交换
4.1 不同圈层的能量交换
（1）地球的热传导
热量总是从高温区向低温区传递的。地球内部的热可以通过热传导、热辐射、激子（辐射激发的原子）、物质运动（如地下热泉、火山活动、岩浆活动、以及地幔对流等）几种方式传导到地球表面。物质运动传导输送的热能就会和前三种热传导方式总和的量级相当。
(2)热流观测
地表有两个热源，一是从太阳吸收辐射热，另一个是从地球内部传递出来的热流。地球的热流值是通过大陆和海洋直接观测和计算的。
大陆热流：大陆壳最上部是花岗岩，花岗岩由于富含放射性元素，因而是最热的岩石。对于大陆而言，各种不同年龄的构造区，热流值有所差别，通常古老的稳定区热流值较低，年轻的活动区热流值较高。
　　海底热流：和大陆相比，海底要年轻得多。海低热流值的观测发现，和大陆一样，热流值与地质特征关系密切。　　　　　　　　
A地幔中物质的对流 B岩浆在洋中脊喷发，向海沟推进，冷却后俯冲在消减带，回到地幔内重新循环
4.2 不同圈层的物质交换
　　地球不同圈层之间的物质交换有多种方式，最主要的是地球的物质循环过程和元素的迁移过程。
　　(1) 地壳-地幔物质循环
地球最大规模的物质循环是与板块运动分不开的，地幔热物质通过对流从大洋中脊涌出形成新的洋壳，并在海沟处老洋壳因俯冲作用被插入大陆岩石圈之下的软流圈，在地幔软流圈被加热并熔融，与地幔物质混合后重新加入地幔的对流循环。
岩浆-射气作用引起的地幔-地壳-水-大气的物质交换，幔源岩浆上升到地壳浅部或溢出地表并伴随气水的喷射，使地幔物质向地壳、水圈、大气圈迁移，岩浆冷却凝固形成岩石。另一方面，岩石在地壳内部也可以因地壳运动或放射性聚热而熔融，转变为岩浆，导致地壳内部的物质分异。
　　岩石上升到地表，受风化作用而溶解、破碎呈溶液、碎屑，被水流、风搬运到湖泊、海洋沉积下来，随着地壳的下沉，在地壳深部固结形成岩石，或者随着洋壳俯冲到地幔软流圈加热熔融，重新加入地幔的对流循环。
（2）海底热泉
　　海底存在许多因大洋中脊扩张而形成的裂隙，冰冷的海水沿裂隙下渗到几公里深，当下渗海水遇到热的玄武岩时就会受热膨胀上升，形成富含从玄武岩中溶解的矿物质和气体的热泉从海底涌出。
4.3 地壳-地幔的元素迁移和富集
　　地球上部圈层除元素通过流体（岩浆）迁移外，最常见和研究得最多的地球化学作用是含水流体与矿物岩石间的化学反应，被称为水—岩相互作用。从反应性质来看，水—岩相互作用包括溶解、沉淀、吸附和离子交换，以及氧化、还原等化学过程。
4.4 地壳表层元素的迁移和富集
　　地幔-地壳元素迁移与矿产形成关系密切，而地壳表层元素迁移与人类生存发展关系密切，尤其有害元素迁移富集对环境污染关系密切。地表环境的特征是常温、常压，与大气圈直接接触和大量水介质的存在，并且有生物和有机质的参与。这就决定了那些在高温高压条件下稳定的元素在地表环境中特别活跃。
（1）元素的活化和迁移
　　元素在表壳的迁移和富集取决于化合物在水中的存在形式；水溶液的酸碱度（pH值）、氧化还原电位（Eh值）；缔合离子和络离子的类型。
水溶液的酸碱度：
　　水溶液的酸碱度（pH值）对元素在水中的存在状态及迁移有重大影响，天然水的pH值在4～9之间，只有极特殊的情况下pH值才会超出此范围，如火山湖pH值< 4，沙漠土壤中硫酸水pH值可达1，而干旱的碱性土壤水pH值可达10。金属元素的氢氧化物在水中的活化迁移和沉淀受溶液酸碱度的控制。通常随元素阳离子电价增高，半径缩小及电负性增大其氢氧化物的溶度积迅速降低。
氧化还原电位：
在自然界中能自动发生的化学反应都以体系内向着自由能降低的方向进行的，即电位高的发生还原；电位低的发生氧化。
　　地球化学屏障是元素迁移过程中的一种特殊的现象，当元素迁移到某处，环境的物理化学条件发生改变，可使元素从活化迁移状态转化为静止状态，并使元素富集。许多大型、超大型矿床都与地球化学急剧转变带有关，地球化学障有氧化还原障、酸碱性屏障、生物屏障、吸附屏障和蒸发屏障等。
4.5 矿床与潘多拉魔盒
（1）地壳中的元素丰度
　　迄今为止人类所利用的天然元素几乎都来自地壳的表层。人类活动(如超深钻)目前最大深度也只有13公里。而矿床开采还要浅，最深的石油开采也只有4000多米。其它固体矿床就更浅。我们常用的大部分元素的含量在地壳的大部分地方大都接近于该元素的地壳平均丰度，说明它们有均一化的趋势。
　　地壳中元素平均丰度是指某一元素在地壳中的平均重量百分含量，称为克拉克值。它是根据对所有岩石类型进行大量化学分析，所测得的结果，经过加权平均计算出来的。 元素克拉克 ( http: / / www.21cnjy.com / " \t "_blank )值反映了地壳的平均化学成分，也是微量元素在地壳某些地方中集中或分散程度的标准。
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