地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学1 of 61
地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学2 of 61
地球的圈层结构与地球化学分带地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学3 of 61
主要内容
地球的圈层结构与成因
地球的物质组成与分带一、元素周期表与元素地球化学分类二、构筑地球大厦的栋梁 — 主量元素三、神通广大的微量元素四、地球化学分带 — 各圈层中的元素组成
元素存在的形式－矿物（图片欣赏）
地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学4 of 61
第一节 地球的圈层结构与成因
—— 鸡蛋状的地球地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学5 of 61
一,地球的内部结构?目前，科学家们 对现在地球内部结构的认识是一致的。地球的结构就像一个鸡蛋一样，分成蛋黄（地核）蛋清（地幔）与蛋壳
（地壳） 3部分。说得更具体一点，我们如从地表到地球中心把地球一劈为二，地球的蛋状结构就显得清晰可见。
地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学6 of 61
地球的内部结构 在陆地上，蛋壳（地壳）
的厚度为 50km，在海洋中，厚度为 10km。
地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学7 of 61
地球的内部结构 蛋清（地幔）可进一步进行三分：
距地表 10（或 50)~400km的范围内是上地幔；在上地幔的
100~200km厚度内存在一个地震波的低速带，多数研究者认为在该带地幔物质呈部分熔融状态，
所以又称为软流圈，是地幔中产生岩浆的主要部位；软流圈以上的地球外层，包括地壳及一部分上地幔（又称岩石圈地幔），称为岩石圈，有时也称作板块；
400~650km是上下地幔过渡带；
650~2890km之间是下地幔。
岩石圈 (lithosphere)
软流圈 ( asthenosphere)
地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学8 of 61
地球的内部结构 蛋黄（地核）可进行二分,
2890~5150km之间是外核 ;
5150~ 6370 km 之间是内核。
地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学9 of 61
二、地球圈层结构的成因
地球形成后，就开始了它相对独立的演化过程。一个明显的结果就是产生了地球的内部结构。对于地球的内部结构，目前已积累了大量的资料和数据，基本轮廓已清楚。但对于产生这些结构的一些具体过程，
直到今天仍局限在揣测和假说之中。概括来讲，目前主要有如下两种理论认识：
地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学10 of 61
(一 ) 非均匀吸积说
非均匀吸积说认为，那些构成地球的固体物质 — 尘埃或岩类，是按其密度的大小聚集或称吸积成为地球的。那些最重的物质，比如铁最先聚积，从而形成地核。接着是那些较轻的物质 (当然也是固体 )，比如硅酸盐粘附在铁核周围形成地幔和地壳。最后．那些气体物质，如空气和水，由于受到这个大岩石球的吸引而形成了海洋和大气圈。
地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学11 of 61
根据非均匀吸积说，地球的圈层结构与地球本身是同时诞生的，它与地球的形成模式是密切相关的，它是地球形成的直接结果，因此它所涉及的是宇宙起源的问题而不是地质学的问题。地质学可以把地球的整体结构看成是一种基础资料，并借用这些资料去推断，但不一定去理解这些资料，
因为理解这些资料不属于地质学的研究范围。因此这一种假说把地质学排除在解释地球的结构，
即地球的形成方式之外。
地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学12 of 61
(二 ) 均匀吸积说
地球的均匀吸积说认为，地球物质的吸积是在均勺的尘埃云小进行的。原始状态的地球是一个均质球体，它从里到外含有相同比例的铁、硅酸盐和水。
在这一吸积作用后，地球内部又发生了分异作用 (分异作用是地质学的一个基本概念 )，从而形成了目前我们所知的圈层结构。在分异中，无疑经历了一个热熔的阶段，最重的铁熔化下沉，最后集结到地心，
硅酸盐则留在地心周围，而那些挥发物质则逸出，
在地球表面或外面形成海洋和大气因，最终形成了我们今天所认识的地球圈层结构。
地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学13 of 61
均匀吸积地核的第二次分异和大气圈的脱气地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学14 of 61
观察冶金过程可为这种模式提供令人信服的实验依据。
在冶炼过程中，利用煤使炉内保持一个还原的环境。当矿石熔化时，人们可以看到较重的铁金属沉到炉底，较轻的硅酸盐则浮在上边，而在整个冶炼过程中同时又释放出大量气体。正如挪威地球化学家 V．戈尔德施密特 (Victor
Goldschmidt)在 1940年历提出的那样，地球形成时曾经历了一个还原的过程。
地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学15 of 61
三、影视欣赏地球的形成地球的早期地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学16 of 61
第二节 地球的物质组成与分带地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学17 of 61
一、元素的地球化学周期表与元素地球化学分类
以元素周期表为基础，根据元素的地球化学行为，
我们是否也可以像门捷列夫那样把元素进行一次专用归类？地球化学家戈尔德施密特为我们作出了肯定的回答。他根据元素的原子构造及其对氧和硫的化学亲合力，将元素分为 4类：亲石元素、
亲铁元素、亲铜元素、亲气元素。
地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学18 of 61
V,M,戈尔德施密特元素分类图
1
H Fe Cu
2 3 4 5 6 7 8 9
He Li Be B C N O F Si H
10 11 12 13 14 15 16 17
Ne Na Mg Al Si P S Cl
18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35
Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br
36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53
Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I
54 55 56 57 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85
Xe Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At
86 87 88 89
Rn Fr Ra Ac
57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71
La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103
Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
亲石元素亲硫元素亲气元素亲铁元素元 素 周 期 表
La 系
A c 系万物之源：元素与同位素地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学19 of 61
V,M,戈尔德施密特元素分类图
1
H Fe Cu
2 3 4 5 6 7 8 9
He Li Be B C N O F Si H
10 11 12 13 14 15 16 17
Ne Na Mg Al Si P S Cl
18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35
Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br
36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53
Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I
54 55 56 57 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85
Xe Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At
86 87 88 89
Rn Fr Ra Ac
57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71
La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103
Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
亲石元素亲硫元素亲气元素亲铁元素元 素 周 期 表
La 系
A c 系亲石元素,本组元素的离子最外层电子层有 8个电子，属惰性气体型的稳定结构，是电负性较小的元素，易于形成高价状态，
离子半径不大，它们与氧具有较强的亲合性，是构成地球成分的主要元素。 主要分布于岩石圈。
万物之源：元素与同位素地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学20 of 61
V,M,戈尔德施密特元素分类图
1
H Fe Cu
2 3 4 5 6 7 8 9
He Li Be B C N O F Si H
10 11 12 13 14 15 16 17
Ne Na Mg Al Si P S Cl
18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35
Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br
36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53
Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I
54 55 56 57 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85
Xe Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At
86 87 88 89
Rn Fr Ra Ac
57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71
La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103
Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
亲石元素亲硫元素亲气元素亲铁元素元 素 周 期 表
La 系
A c 系亲铁元素,本组元素的离子最外层电子层具有
8~18个电子的过渡型结构,主要集中在地球内部的铁镍核心之中,这是金属元素中电负性最大的一组元素。它们的电离势均很高，容易形成自然金属状态。
万物之源：元素与同位素地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学21 of 61
V,M,戈尔德施密特元素分类图
1
H Fe Cu
2 3 4 5 6 7 8 9
He Li Be B C N O F Si H
10 11 12 13 14 15 16 17
Ne Na Mg Al Si P S Cl
18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35
Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br
36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53
Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I
54 55 56 57 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85
Xe Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At
86 87 88 89
Rn Fr Ra Ac
57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71
La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103
Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
亲石元素亲硫元素亲气元素亲铁元素元 素 周 期 表
La 系
A c 系亲铜元素,本组元素的离子最外层电子层具有 18个电子的铜型结构，是一组电负性高、化合价较低、半径较大的元素；它们与硫的亲合力较强，常形成 S、
Se,Te的化合物。主要分布于地幔中。
万物之源：元素与同位素地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学22 of 61
V,M,戈尔德施密特元素分类图
1
H Fe Cu
2 3 4 5 6 7 8 9
He Li Be B C N O F Si H
10 11 12 13 14 15 16 17
Ne Na Mg Al Si P S Cl
18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35
Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br
36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53
Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I
54 55 56 57 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85
Xe Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At
86 87 88 89
Rn Fr Ra Ac
57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71
La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103
Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
亲石元素亲硫元素亲气元素亲铁元素元 素 周 期 表
La 系
A c 系亲气元素,它们的电离势较高、电负性较大，在自然界主要呈自然元素状态存在万物之源：元素与同位素地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学23 of 61
V,M,戈尔德施密特元素分类图
1
H Fe Cu
2 3 4 5 6 7 8 9
He Li Be B C N O F Si H
10 11 12 13 14 15 16 17
Ne Na Mg Al Si P S Cl
18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35
Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br
36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53
Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I
54 55 56 57 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85
Xe Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At
86 87 88 89
Rn Fr Ra Ac
57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71
La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103
Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
亲石元素亲硫元素亲气元素亲铁元素元 素 周 期 表
La 系
A c 系亲生物元素,趋向于在生物体中富集的元素，如,C,N
万物之源：元素与同位素地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学24 of 61
V,M,戈尔德施密特元素分类图
1
H Fe Cu
2 3 4 5 6 7 8 9
He Li Be B C N O F Si H
10 11 12 13 14 15 16 17
Ne Na Mg Al Si P S Cl
18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35
Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br
36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53
Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I
54 55 56 57 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85
Xe Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At
86 87 88 89
Rn Fr Ra Ac
57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71
La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103
Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
亲石元素亲硫元素亲气元素亲铁元素元 素 周 期 表
La 系
A c 系铂族元素稀土元素万物之源：元素与同位素地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学25 of 61
二、构筑地球大厦的栋梁 — 主量元素
地球重量的 90%是由 Fe,Mg,O和 Si 4种元素贡献的。含量大于 1%的元素还有 Ni,Ca,Al
和 S，而 Na,K,Cr,Co,P,Mn和 Ti 7种元素的含量均为 0.01%~1%。也就是说，地球几乎全部由上述 15种元素所构成。这些元素在周期表中位于 8号到 28号之间，相对来说，重元素和太轻的元素在地球中的含量较少。
地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学26 of 61
二、构筑地球大厦的栋梁 — 主量元素
如果说,Fe,Mg,O,Si四种元素是地球大厦的“砖瓦”。那么其余 11种元素就是砖瓦之间的“粘合剂”。从物质组成的角度来看，地球是由岩浆岩、变质岩和沉积岩组成，这 3种岩类也主要由 O,Si,Al,Fe,Ca,Mg,Na、
K等元素组成，因此它们也被称为造岩元素，
就是说在各种类型的岩石中它们都普遍存在。
主量元素地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学27 of 61
同其他主要元素相比较，氧是唯一以阴离子形式存在于形成岩浆岩的岩浆中。氧可以与那些半径小、电价高、离子电位高的元素，如 Si4+,Al3+等，
呈配位键结合，形成络阴离子；而与 Na+,K+、
Mg2+,Fe2+,Ca2+等元素相互作用时，只能呈离子键结合，这些元素在争夺氧方面的本事根本不能与硅和铝相比，除非在硅和铝极少时,Fe3+,Mg2+、
Fe2+才能代替它们与氧形成络阴离子，否则只能在硅（铝）氧络阴离子之外，形成自由离子。
主量元素地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学28 of 61
元素的晶体化学性质决定了 Mg,Fe,Ca,Na,K
的极化能力依次降低，因此,Mg2+,Fe2+倾向与那些有效电价高的硅氧络阴离子（如 [SiO4]4-等）
结合，而 Ca2+,Na+,K+则倾向与有效电价低的络阴离子（如 [AlSi3O10]5-,[Si2O5]2-等）结合，所以，
在岩浆的演化过程中按超基性岩 → 中性岩 → 酸性岩顺序进行，即按硅氧络阴离子的有效电价由高向低方向演化的序列，这些元素的析山顺序与其极化能力大小相一致,Mg→Fe→Ca→Na→K 。
Mg,Fe含量递减,Na,K含量递增,Ca在基性岩中含量最高。
主量元素地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学29 of 61
根据主量元素的以上性质，可以辨别各类岩浆岩。
如上面提到的超基性岩、基性岩、中性岩和碱性岩、酸性岩等岩浆岩大类就是按其 Si02含量来划分的，它们的 SiO2的含量分别为小于 45％,45％
~52％,52％～ 65％、大于 65％同时，依据其他主量元素氧化物含量的不同，还可以对上述几个大类的岩石进行细分：按照由超基性岩向基性岩变化时 MgO／ FeO下降的趋势，可将超基性岩和基性岩划分为 5种类型：由岩石中 K2O,Na2O的含量来区分 SiO2含量相近的中性岩和碱性岩，顾名思义，碱性岩中 K,Na含量高。
主量元素地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学30 of 61
前面我们已经提到，由于 K,Na,Ca在岩石中争夺氧的能力不强，倾向于呈自由离子，所以当矿物遭受风化时，它们最容易发生迁移。而 Al刚好相反，在矿物中主要是作为硅的替代物与氧结合形成铝氧四面体结构，在化学风化作用过程中稳如泰山。根据以上 4个元素的特点，地球化学家把
（ K2O+Na2O+CaO)/Al2O3作为指示化学风化作用强度的一个地球化学指标，比值越小，风化作用越强烈。
主量元素地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学31 of 61
三 神通广大的微量元素
在地球化学中，常把主量元素以外的其它元素称为微量元素，它们在地球中的含量总共还不到 0.1%，
甚至达到以 10-6或 10-9数量级来表示。在大多数情况下，它们往往以次要组分的方式分布在主量元素形成的矿物、熔体或溶液中。当微量元素的离子半径、
电价、电负性、配位数等与主量元素相似时，可以替代一些主量元素进入造岩矿物的晶格中，否则只好呆在残余岩浆或其它液相中。
地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学32 of 61
一些重要微量元素的丰度
地壳中其它重要元素
10-5,Cu 6.3,Pb 1.2,Zn 9.4,Co 2.5,Ni 8.9
10-6 (g/t),W 1.1,Sn 1.7,U 1.7,Mo 1.3,As 2.2
10-7,Sb 2 ; Cd 2 ; In 1,I 6
10-8,Ag 6,Pt 5
10-9 (ng/g),Au 3.5; Bi 4; Re 1; Os 1; Ir 1
一、地球中的元素地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学33 of 61
1、岩石成因判据
在岩石学研究中微量元素被用于划分岩石类型、
判断岩石的成凶及其物质来源。
岩浆岩，根据其微量元素的组成划分不同类型的花岗岩类。
对于沉积岩来说，微量元素含量及其比值可以帮助判别陆相和海相地层。
在变质岩中，微量元素可用来判别变质岩的原岩类型。
微量元素地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学34 of 61
2、判别矿物形成条件
微量元素可以作为某种矿物形成条件的判据。
如独居石［ (Ce,La...)(PO4)]中的钍 (Th)
依据微量元素在不同矿物相中的分配和温度与压力之间的关系，可定量求出矿物形成时的温度和压力。
微量元素地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学35 of 61
3、判别岩浆演化
同样，用微量元素之间比值或微量元素与主量元素的比值也可以进行岩浆演化阶段的判别。
如 Rb/K,Rb/Sr,Ga/Al,Li/Mg,Co/Ni,Sr/Ba等随岩浆的分异程度加强，比值增大； Ta在岩浆结晶晚期趋向富集，
在花岗岩中尤为明显； Hf也是富集于岩浆分异作用的晚期。
随岩浆演化，稀土元素中的 ΣY/ΣREE,ΣY/ΣCe 的比值呈规律性增加。
微量元素地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学36 of 61
4、判别矿床成因
微量元素在某些矿物中的分布也被广泛应用于矿床成因方面的讨论。
如黄铁矿 (FeS2)中的 Co,Ni,Se,Te,Au等微量元素的分布,与岩浆作用有关的矿床，如黄铁矿中的 Co,Ni,Se含量高，且 Co/Ni-1；而与沉积作用有关的矿床与此相反。
地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学37 of 61
5、事件起因判别
如 Ir可作为天体撞击事件的依据
又如，自然界的 238U/235U是一个常数，为
137.88，如果某地质体中 238U/235U明显大于这个数值，则表明曾发生过自发的核裂变，如中非加蓬共和国 Oklo铀矿 (达
227)。
地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学38 of 61
1、铁的心
人类至今仍无法直接观察到地核 — 地球的心脏，
或许可能永远无法穿透那厚厚的地幔到达地核。
然而，科学家可以研究各种资料，借以推测出地球内部深处的特征。目前，主要通过天体化学和地球物理资料与模拟实验来推测地核的物质组成及性质。
四、地球化学分带 —— 各圈层中的元素组成地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学39 of 61
1、铁的心
根据天体化学资料，地球整体的非挥发性元素比值与太阳系丰度值较为相似，而地幔与其相比铁的含量明显较低，从质量平衡的角度，地核应比地幔富集较多的铁。对穿过地核的地震波的分析，
也说明地核的物理性质与铁非常相似。铁应是组成地核的主要元素。
四、地球化学分带 —— 各圈层中的元素组成地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学40 of 61
1、铁的心
通过实验发现，在外核的压力下，纯铁的熔点高于外核的温度；纯铁的纵波速度也稍低于地核，由此人们推测地球的外核应是液体状态。另外，地核中也存在一些能使铁的熔点降低和使波速增加的杂质元素，如氢、氦、碳、氮、硅、镁、氧和硫。美国学者安德逊在年根据冲击波实验结果认为，含的硫可以解释地核的密度，同时硫也使铁的熔点降低。
但这一模型存在的问题是硫为挥发性元素，一般在地球吸积时就损耗了，很难说明地核中存在足够数量的硫。
地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学41 of 61
总的来说，铁是地核的主要成分，其次为镍、
氧等。至于其它一些主量元素和微量元素在地核中的分布情况，应是比重大的元素的含量高于比重轻的元素。详细的地核元素丰度值的资料还需科学家们的进一步努力。
地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学42 of 61
2、地幔的地球化学组成 — 林格伍德如是说
尽管我们人类能够登上月球，探测星际空间，
但现有的深钻技术仍无法穿透地球薄薄的一层地壳，更不用说直接获取地壳之下的地幔物质。
幸运的是，在地壳或地表出露的一些火山岩包体中我们可找到一些地幔物质组成的信息，再加上一些高温、高压下矿物、岩石性质变化的实验研究，大致可以估算地幔的物质成分。然而，不同的学者估算出来的地幔或上地幔成分各异，真所谓,仁者见仁，智者见智,。
地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学43 of 61
澳大利亚实验岩石学家林格伍德对地幔化学成分的估算进行了有意义的尝试。他提出的地幔岩模型是当前最为流行的一种地幔成分模型，已被许多研究者所引用。他主要依据地表出露的玄武岩类和超镁铁岩在化学成分和微量元素上的互补关系，确定玄武岩是上地幔分异的产物，而超镁铁岩是上地幔分异形成玄武岩后的残余物。将两者化学成分按一定比例混合，就可进行上地幔成分估算。
地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学44 of 61
在估算过程中，首先要确证地表出露的超镁铁岩是来自上地幔的，这可以通过岩石及其包体的地质产出特征、矿物成分来确认。 有一种超镁铁岩，叫阿尔卑斯橄榄岩，延伸数百千米，
受穿透地壳的深大断裂控制，据推测其深部已延伸到地幔中；来源于地幔的碱性玄武岩和金伯利岩往往含有超镁铁岩包体，说明三者是同源的。超镁铁岩中的一些矿物，如高铝辉石、高铝尖晶石等，
指示高温高压的深部形成环境。其次要确定橄榄岩和榴辉岩两大类超镁铁岩，到底哪一类更能代表上地幔的成分，或两者的混合体更能代表上地幔的成分？通过将上地幔的地球物理观测资料与这两类岩石的物性特征进行比较，他确定橄榄岩更能反映上地幔的化学组成。从玄武岩的熔融冷却结晶实验，及玄武岩和橄榄岩在主量元素与微量元素特征上存在的互补性，又确认橄榄岩是玄武岩部分熔融后的残留物。
地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学45 of 61
因此，林格伍德认为上地幔是由一种称为,地幔岩,的岩石构成，这种岩石由 3份橄榄岩和 1
份玄武岩组成。根据这两种岩石的化学组成，
就可计算出上地幔的成分。
地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学46 of 61
占地球总质量 50%的下地幔的成分难以直接进行研究。最常用的方法是把各种硅酸盐和氧化物在冲击高压下的密度与地震波所确定的下地幔密度进行对比，推断下地幔的成分资料，整个化学成分的分布状况似乎是均一的。目前流行的看法是下地幔由具有纯钙钛矿结构 (Mg,Fe)SiO3和方镁石
（ Mg,Fe)O的混合物所组成。 FeO/(FeO+MgO)值为 0.1~0.2，比富含橄榄石的上地幔更富 SiO2
地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学47 of 61
3、地壳元素丰度 — 克拉克值
美国化学家克拉克 (F,W,Clarke,1847-1931)
根据大陆地壳中 (地下 16Km以内 )的 5159个岩石、
矿物、土壤和天然水的样品分析数据，于 1889年第一次算出元素在地壳中的平均含量数值 (平均质量百分比 )，即元素的丰度。
为了纪念这个创举，命名为克拉克值。
克拉克值,元素在地壳中的丰度。
丰度：是指化学元素在地球化学系统中的平均分布量克拉克值地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学48 of 61
常量元素的克拉克值地壳中各元素的丰度氧 (46.00%）
硅 (27.00%)
铝 (8.30%)
铁 (5.80%)
钙 (5.20%)
镁 (2.80%)
钠 (2.30%)
钾 (1.70%)
钛 (0.64%)
氢 (0.14%)
其它所有元素 (0.12%)
克拉克值地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学49 of 61
不同地质体系的主要元素组成地球：
Fe-O-Mg-Si-Ni-S-Ca-Al-Co-Na
地幔,
O-Mg-Si-Fe-Ca-Al-Na-Ti-Cr-Mn
地壳,
O-Si-Al-Fe-Ca-Na-K-Mg-Ti-H
在太阳系
H-He-O-Ne-N-C-Si-Mg-Fe-S
地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学50 of 61
自然界中元素的存在形式
—— 矿物图片欣赏地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学51 of 61
Caledonia
mine,Ontonagan
Co.,Michigan,US
A
Cu Size:9cm
Prospect Point,Keeweenaw
County,Michigan,USA
Cu
Bisbee,Cochise
Co.,Arizona,USA
自然铜一、自然元素矿物地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学52 of 61
Minnios mine,Pima County,Arizona,USA
Cu Size:1cm,5mm(Photo)
Copper in Selenite(透明石膏 CaSO4)
透明石膏 CaSO4 中的自然铜地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学53 of 61
自然金地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学54 of 61
自然银地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学55 of 61
自然铂地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学56 of 61
钻石恒久远
，
一颗永流传地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学57 of 61
产于金伯利岩中的金刚石地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学58 of 61
二、硅酸盐矿物
橄榄石二、硅酸盐矿物地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学59 of 61
角闪石
(透闪石？ )
硅酸盐矿物二、硅酸盐矿物地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学60 of 61
硅酸盐矿物
角闪石二、硅酸盐矿物地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学61 of 61
白云母硅酸盐矿物二、硅酸盐矿物地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学62 of 61
硅酸盐矿物长石地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学63 of 61
翡翠（ Jadeite）
改善翡翠：经过漂白填充处理后可使翡翠保持短暂的美丽外观，这样的翡翠俗称 B货；经过染色、浸色、锔色、镀膜和辐射加色等手段，使翡翠保持短暂亮丽颜色，这样的翡翠俗称 C货。
合成翡翠：指在实验室通过配料在一定的温压环境下形成的与天然翡翠的化学成分、矿物成分十分接近的品种。
仿制翡翠：一般指一些绿色或部分绿色的其它宝石、单晶矿物、人造品及在外观上相似翡翠的物品。
翡翠的主要矿物为硬玉，
摩氏硬度 6.5~7，致密、坚韧，是名贵的玉石原料。
成品翡翠在商贸上按加工工艺分为四类：天然、改善、合成、仿制。
天然翡翠：未经任何人工处理的天然品，俗称 A货。
硬玉是辉石家族中的一种少见品种
NaAlSi2O6
二、自然界中的矿物地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学64 of 61
二、自然界中的矿物地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学65 of 61
祖母绿 — 绿柱石
Be3A12[Si6O18]
二、自然界中的矿物地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学66 of 61
孔雀石
Cu2[CO3](OH)2
三、碳酸盐矿物地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学67 of 61
二、自然界中的矿物三、碳酸盐矿物地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学68 of 61
方解石
CaCO3
二、自然界中的矿物三、碳酸盐矿物地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学69 of 61
蓝铜矿
Cu3[CO3]2(OH)2
二、自然界中的矿物三、碳酸盐矿物地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学70 of 61
白铅矿
PbCO3
三、碳酸盐矿物地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学71 of 61
石英 — 水晶四、氧化物矿物地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学72 of 61
四、氧化物矿物地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学73 of 61
水晶 -- 盆景四、氧化物矿物地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学74 of 61
赤铁矿
Fe2O3
四、氧化物矿物地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学75 of 61
磁铁矿 Fe3O4
四、氧化物矿物地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学76 of 61
五、硫化物 雄黄
As4S4
五、硫化物地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学77 of 61
黄铜矿,CuFeS2
五、硫化物地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学78 of 61
黄铁矿
FeS2
五、硫化物地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学79 of 61
辉锑矿
SbS
五、硫化物地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学80 of 61
辉锑矿辉锑矿五、硫化物地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学81 of 61
辉锑矿地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学82 of 61
石盐 NaCl?
钾石盐
CaF2
KCl
萤石六、卤化物
地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学2 of 61
地球的圈层结构与地球化学分带地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学3 of 61
主要内容
地球的圈层结构与成因
地球的物质组成与分带一、元素周期表与元素地球化学分类二、构筑地球大厦的栋梁 — 主量元素三、神通广大的微量元素四、地球化学分带 — 各圈层中的元素组成
元素存在的形式－矿物（图片欣赏）
地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学4 of 61
第一节 地球的圈层结构与成因
—— 鸡蛋状的地球地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学5 of 61
一,地球的内部结构?目前，科学家们 对现在地球内部结构的认识是一致的。地球的结构就像一个鸡蛋一样，分成蛋黄（地核）蛋清（地幔）与蛋壳
（地壳） 3部分。说得更具体一点，我们如从地表到地球中心把地球一劈为二，地球的蛋状结构就显得清晰可见。
地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学6 of 61
地球的内部结构 在陆地上，蛋壳（地壳）
的厚度为 50km，在海洋中，厚度为 10km。
地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学7 of 61
地球的内部结构 蛋清（地幔）可进一步进行三分：
距地表 10（或 50)~400km的范围内是上地幔；在上地幔的
100~200km厚度内存在一个地震波的低速带，多数研究者认为在该带地幔物质呈部分熔融状态，
所以又称为软流圈，是地幔中产生岩浆的主要部位；软流圈以上的地球外层，包括地壳及一部分上地幔（又称岩石圈地幔），称为岩石圈，有时也称作板块；
400~650km是上下地幔过渡带；
650~2890km之间是下地幔。
岩石圈 (lithosphere)
软流圈 ( asthenosphere)
地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学8 of 61
地球的内部结构 蛋黄（地核）可进行二分,
2890~5150km之间是外核 ;
5150~ 6370 km 之间是内核。
地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学9 of 61
二、地球圈层结构的成因
地球形成后，就开始了它相对独立的演化过程。一个明显的结果就是产生了地球的内部结构。对于地球的内部结构，目前已积累了大量的资料和数据，基本轮廓已清楚。但对于产生这些结构的一些具体过程，
直到今天仍局限在揣测和假说之中。概括来讲，目前主要有如下两种理论认识：
地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学10 of 61
(一 ) 非均匀吸积说
非均匀吸积说认为，那些构成地球的固体物质 — 尘埃或岩类，是按其密度的大小聚集或称吸积成为地球的。那些最重的物质，比如铁最先聚积，从而形成地核。接着是那些较轻的物质 (当然也是固体 )，比如硅酸盐粘附在铁核周围形成地幔和地壳。最后．那些气体物质，如空气和水，由于受到这个大岩石球的吸引而形成了海洋和大气圈。
地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学11 of 61
根据非均匀吸积说，地球的圈层结构与地球本身是同时诞生的，它与地球的形成模式是密切相关的，它是地球形成的直接结果，因此它所涉及的是宇宙起源的问题而不是地质学的问题。地质学可以把地球的整体结构看成是一种基础资料，并借用这些资料去推断，但不一定去理解这些资料，
因为理解这些资料不属于地质学的研究范围。因此这一种假说把地质学排除在解释地球的结构，
即地球的形成方式之外。
地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学12 of 61
(二 ) 均匀吸积说
地球的均匀吸积说认为，地球物质的吸积是在均勺的尘埃云小进行的。原始状态的地球是一个均质球体，它从里到外含有相同比例的铁、硅酸盐和水。
在这一吸积作用后，地球内部又发生了分异作用 (分异作用是地质学的一个基本概念 )，从而形成了目前我们所知的圈层结构。在分异中，无疑经历了一个热熔的阶段，最重的铁熔化下沉，最后集结到地心，
硅酸盐则留在地心周围，而那些挥发物质则逸出，
在地球表面或外面形成海洋和大气因，最终形成了我们今天所认识的地球圈层结构。
地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学13 of 61
均匀吸积地核的第二次分异和大气圈的脱气地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学14 of 61
观察冶金过程可为这种模式提供令人信服的实验依据。
在冶炼过程中，利用煤使炉内保持一个还原的环境。当矿石熔化时，人们可以看到较重的铁金属沉到炉底，较轻的硅酸盐则浮在上边，而在整个冶炼过程中同时又释放出大量气体。正如挪威地球化学家 V．戈尔德施密特 (Victor
Goldschmidt)在 1940年历提出的那样，地球形成时曾经历了一个还原的过程。
地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学15 of 61
三、影视欣赏地球的形成地球的早期地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学16 of 61
第二节 地球的物质组成与分带地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学17 of 61
一、元素的地球化学周期表与元素地球化学分类
以元素周期表为基础，根据元素的地球化学行为，
我们是否也可以像门捷列夫那样把元素进行一次专用归类？地球化学家戈尔德施密特为我们作出了肯定的回答。他根据元素的原子构造及其对氧和硫的化学亲合力，将元素分为 4类：亲石元素、
亲铁元素、亲铜元素、亲气元素。
地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学18 of 61
V,M,戈尔德施密特元素分类图
1
H Fe Cu
2 3 4 5 6 7 8 9
He Li Be B C N O F Si H
10 11 12 13 14 15 16 17
Ne Na Mg Al Si P S Cl
18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35
Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br
36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53
Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I
54 55 56 57 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85
Xe Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At
86 87 88 89
Rn Fr Ra Ac
57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71
La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103
Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
亲石元素亲硫元素亲气元素亲铁元素元 素 周 期 表
La 系
A c 系万物之源：元素与同位素地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学19 of 61
V,M,戈尔德施密特元素分类图
1
H Fe Cu
2 3 4 5 6 7 8 9
He Li Be B C N O F Si H
10 11 12 13 14 15 16 17
Ne Na Mg Al Si P S Cl
18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35
Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br
36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53
Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I
54 55 56 57 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85
Xe Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At
86 87 88 89
Rn Fr Ra Ac
57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71
La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103
Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
亲石元素亲硫元素亲气元素亲铁元素元 素 周 期 表
La 系
A c 系亲石元素,本组元素的离子最外层电子层有 8个电子，属惰性气体型的稳定结构，是电负性较小的元素，易于形成高价状态，
离子半径不大，它们与氧具有较强的亲合性，是构成地球成分的主要元素。 主要分布于岩石圈。
万物之源：元素与同位素地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学20 of 61
V,M,戈尔德施密特元素分类图
1
H Fe Cu
2 3 4 5 6 7 8 9
He Li Be B C N O F Si H
10 11 12 13 14 15 16 17
Ne Na Mg Al Si P S Cl
18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35
Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br
36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53
Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I
54 55 56 57 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85
Xe Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At
86 87 88 89
Rn Fr Ra Ac
57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71
La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103
Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
亲石元素亲硫元素亲气元素亲铁元素元 素 周 期 表
La 系
A c 系亲铁元素,本组元素的离子最外层电子层具有
8~18个电子的过渡型结构,主要集中在地球内部的铁镍核心之中,这是金属元素中电负性最大的一组元素。它们的电离势均很高，容易形成自然金属状态。
万物之源：元素与同位素地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学21 of 61
V,M,戈尔德施密特元素分类图
1
H Fe Cu
2 3 4 5 6 7 8 9
He Li Be B C N O F Si H
10 11 12 13 14 15 16 17
Ne Na Mg Al Si P S Cl
18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35
Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br
36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53
Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I
54 55 56 57 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85
Xe Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At
86 87 88 89
Rn Fr Ra Ac
57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71
La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103
Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
亲石元素亲硫元素亲气元素亲铁元素元 素 周 期 表
La 系
A c 系亲铜元素,本组元素的离子最外层电子层具有 18个电子的铜型结构，是一组电负性高、化合价较低、半径较大的元素；它们与硫的亲合力较强，常形成 S、
Se,Te的化合物。主要分布于地幔中。
万物之源：元素与同位素地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学22 of 61
V,M,戈尔德施密特元素分类图
1
H Fe Cu
2 3 4 5 6 7 8 9
He Li Be B C N O F Si H
10 11 12 13 14 15 16 17
Ne Na Mg Al Si P S Cl
18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35
Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br
36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53
Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I
54 55 56 57 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85
Xe Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At
86 87 88 89
Rn Fr Ra Ac
57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71
La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103
Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
亲石元素亲硫元素亲气元素亲铁元素元 素 周 期 表
La 系
A c 系亲气元素,它们的电离势较高、电负性较大，在自然界主要呈自然元素状态存在万物之源：元素与同位素地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学23 of 61
V,M,戈尔德施密特元素分类图
1
H Fe Cu
2 3 4 5 6 7 8 9
He Li Be B C N O F Si H
10 11 12 13 14 15 16 17
Ne Na Mg Al Si P S Cl
18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35
Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br
36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53
Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I
54 55 56 57 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85
Xe Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At
86 87 88 89
Rn Fr Ra Ac
57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71
La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103
Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
亲石元素亲硫元素亲气元素亲铁元素元 素 周 期 表
La 系
A c 系亲生物元素,趋向于在生物体中富集的元素，如,C,N
万物之源：元素与同位素地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学24 of 61
V,M,戈尔德施密特元素分类图
1
H Fe Cu
2 3 4 5 6 7 8 9
He Li Be B C N O F Si H
10 11 12 13 14 15 16 17
Ne Na Mg Al Si P S Cl
18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35
Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br
36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53
Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I
54 55 56 57 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85
Xe Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At
86 87 88 89
Rn Fr Ra Ac
57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71
La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103
Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
亲石元素亲硫元素亲气元素亲铁元素元 素 周 期 表
La 系
A c 系铂族元素稀土元素万物之源：元素与同位素地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学25 of 61
二、构筑地球大厦的栋梁 — 主量元素
地球重量的 90%是由 Fe,Mg,O和 Si 4种元素贡献的。含量大于 1%的元素还有 Ni,Ca,Al
和 S，而 Na,K,Cr,Co,P,Mn和 Ti 7种元素的含量均为 0.01%~1%。也就是说，地球几乎全部由上述 15种元素所构成。这些元素在周期表中位于 8号到 28号之间，相对来说，重元素和太轻的元素在地球中的含量较少。
地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学26 of 61
二、构筑地球大厦的栋梁 — 主量元素
如果说,Fe,Mg,O,Si四种元素是地球大厦的“砖瓦”。那么其余 11种元素就是砖瓦之间的“粘合剂”。从物质组成的角度来看，地球是由岩浆岩、变质岩和沉积岩组成，这 3种岩类也主要由 O,Si,Al,Fe,Ca,Mg,Na、
K等元素组成，因此它们也被称为造岩元素，
就是说在各种类型的岩石中它们都普遍存在。
主量元素地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学27 of 61
同其他主要元素相比较，氧是唯一以阴离子形式存在于形成岩浆岩的岩浆中。氧可以与那些半径小、电价高、离子电位高的元素，如 Si4+,Al3+等，
呈配位键结合，形成络阴离子；而与 Na+,K+、
Mg2+,Fe2+,Ca2+等元素相互作用时，只能呈离子键结合，这些元素在争夺氧方面的本事根本不能与硅和铝相比，除非在硅和铝极少时,Fe3+,Mg2+、
Fe2+才能代替它们与氧形成络阴离子，否则只能在硅（铝）氧络阴离子之外，形成自由离子。
主量元素地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学28 of 61
元素的晶体化学性质决定了 Mg,Fe,Ca,Na,K
的极化能力依次降低，因此,Mg2+,Fe2+倾向与那些有效电价高的硅氧络阴离子（如 [SiO4]4-等）
结合，而 Ca2+,Na+,K+则倾向与有效电价低的络阴离子（如 [AlSi3O10]5-,[Si2O5]2-等）结合，所以，
在岩浆的演化过程中按超基性岩 → 中性岩 → 酸性岩顺序进行，即按硅氧络阴离子的有效电价由高向低方向演化的序列，这些元素的析山顺序与其极化能力大小相一致,Mg→Fe→Ca→Na→K 。
Mg,Fe含量递减,Na,K含量递增,Ca在基性岩中含量最高。
主量元素地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学29 of 61
根据主量元素的以上性质，可以辨别各类岩浆岩。
如上面提到的超基性岩、基性岩、中性岩和碱性岩、酸性岩等岩浆岩大类就是按其 Si02含量来划分的，它们的 SiO2的含量分别为小于 45％,45％
~52％,52％～ 65％、大于 65％同时，依据其他主量元素氧化物含量的不同，还可以对上述几个大类的岩石进行细分：按照由超基性岩向基性岩变化时 MgO／ FeO下降的趋势，可将超基性岩和基性岩划分为 5种类型：由岩石中 K2O,Na2O的含量来区分 SiO2含量相近的中性岩和碱性岩，顾名思义，碱性岩中 K,Na含量高。
主量元素地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学30 of 61
前面我们已经提到，由于 K,Na,Ca在岩石中争夺氧的能力不强，倾向于呈自由离子，所以当矿物遭受风化时，它们最容易发生迁移。而 Al刚好相反，在矿物中主要是作为硅的替代物与氧结合形成铝氧四面体结构，在化学风化作用过程中稳如泰山。根据以上 4个元素的特点，地球化学家把
（ K2O+Na2O+CaO)/Al2O3作为指示化学风化作用强度的一个地球化学指标，比值越小，风化作用越强烈。
主量元素地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学31 of 61
三 神通广大的微量元素
在地球化学中，常把主量元素以外的其它元素称为微量元素，它们在地球中的含量总共还不到 0.1%，
甚至达到以 10-6或 10-9数量级来表示。在大多数情况下，它们往往以次要组分的方式分布在主量元素形成的矿物、熔体或溶液中。当微量元素的离子半径、
电价、电负性、配位数等与主量元素相似时，可以替代一些主量元素进入造岩矿物的晶格中，否则只好呆在残余岩浆或其它液相中。
地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学32 of 61
一些重要微量元素的丰度
地壳中其它重要元素
10-5,Cu 6.3,Pb 1.2,Zn 9.4,Co 2.5,Ni 8.9
10-6 (g/t),W 1.1,Sn 1.7,U 1.7,Mo 1.3,As 2.2
10-7,Sb 2 ; Cd 2 ; In 1,I 6
10-8,Ag 6,Pt 5
10-9 (ng/g),Au 3.5; Bi 4; Re 1; Os 1; Ir 1
一、地球中的元素地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学33 of 61
1、岩石成因判据
在岩石学研究中微量元素被用于划分岩石类型、
判断岩石的成凶及其物质来源。
岩浆岩，根据其微量元素的组成划分不同类型的花岗岩类。
对于沉积岩来说，微量元素含量及其比值可以帮助判别陆相和海相地层。
在变质岩中，微量元素可用来判别变质岩的原岩类型。
微量元素地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学34 of 61
2、判别矿物形成条件
微量元素可以作为某种矿物形成条件的判据。
如独居石［ (Ce,La...)(PO4)]中的钍 (Th)
依据微量元素在不同矿物相中的分配和温度与压力之间的关系，可定量求出矿物形成时的温度和压力。
微量元素地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学35 of 61
3、判别岩浆演化
同样，用微量元素之间比值或微量元素与主量元素的比值也可以进行岩浆演化阶段的判别。
如 Rb/K,Rb/Sr,Ga/Al,Li/Mg,Co/Ni,Sr/Ba等随岩浆的分异程度加强，比值增大； Ta在岩浆结晶晚期趋向富集，
在花岗岩中尤为明显； Hf也是富集于岩浆分异作用的晚期。
随岩浆演化，稀土元素中的 ΣY/ΣREE,ΣY/ΣCe 的比值呈规律性增加。
微量元素地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学36 of 61
4、判别矿床成因
微量元素在某些矿物中的分布也被广泛应用于矿床成因方面的讨论。
如黄铁矿 (FeS2)中的 Co,Ni,Se,Te,Au等微量元素的分布,与岩浆作用有关的矿床，如黄铁矿中的 Co,Ni,Se含量高，且 Co/Ni-1；而与沉积作用有关的矿床与此相反。
地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学37 of 61
5、事件起因判别
如 Ir可作为天体撞击事件的依据
又如，自然界的 238U/235U是一个常数，为
137.88，如果某地质体中 238U/235U明显大于这个数值，则表明曾发生过自发的核裂变，如中非加蓬共和国 Oklo铀矿 (达
227)。
地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学38 of 61
1、铁的心
人类至今仍无法直接观察到地核 — 地球的心脏，
或许可能永远无法穿透那厚厚的地幔到达地核。
然而，科学家可以研究各种资料，借以推测出地球内部深处的特征。目前，主要通过天体化学和地球物理资料与模拟实验来推测地核的物质组成及性质。
四、地球化学分带 —— 各圈层中的元素组成地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学39 of 61
1、铁的心
根据天体化学资料，地球整体的非挥发性元素比值与太阳系丰度值较为相似，而地幔与其相比铁的含量明显较低，从质量平衡的角度，地核应比地幔富集较多的铁。对穿过地核的地震波的分析，
也说明地核的物理性质与铁非常相似。铁应是组成地核的主要元素。
四、地球化学分带 —— 各圈层中的元素组成地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学40 of 61
1、铁的心
通过实验发现，在外核的压力下，纯铁的熔点高于外核的温度；纯铁的纵波速度也稍低于地核，由此人们推测地球的外核应是液体状态。另外，地核中也存在一些能使铁的熔点降低和使波速增加的杂质元素，如氢、氦、碳、氮、硅、镁、氧和硫。美国学者安德逊在年根据冲击波实验结果认为，含的硫可以解释地核的密度，同时硫也使铁的熔点降低。
但这一模型存在的问题是硫为挥发性元素，一般在地球吸积时就损耗了，很难说明地核中存在足够数量的硫。
地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学41 of 61
总的来说，铁是地核的主要成分，其次为镍、
氧等。至于其它一些主量元素和微量元素在地核中的分布情况，应是比重大的元素的含量高于比重轻的元素。详细的地核元素丰度值的资料还需科学家们的进一步努力。
地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学42 of 61
2、地幔的地球化学组成 — 林格伍德如是说
尽管我们人类能够登上月球，探测星际空间，
但现有的深钻技术仍无法穿透地球薄薄的一层地壳，更不用说直接获取地壳之下的地幔物质。
幸运的是，在地壳或地表出露的一些火山岩包体中我们可找到一些地幔物质组成的信息，再加上一些高温、高压下矿物、岩石性质变化的实验研究，大致可以估算地幔的物质成分。然而，不同的学者估算出来的地幔或上地幔成分各异，真所谓,仁者见仁，智者见智,。
地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学43 of 61
澳大利亚实验岩石学家林格伍德对地幔化学成分的估算进行了有意义的尝试。他提出的地幔岩模型是当前最为流行的一种地幔成分模型，已被许多研究者所引用。他主要依据地表出露的玄武岩类和超镁铁岩在化学成分和微量元素上的互补关系，确定玄武岩是上地幔分异的产物，而超镁铁岩是上地幔分异形成玄武岩后的残余物。将两者化学成分按一定比例混合，就可进行上地幔成分估算。
地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学44 of 61
在估算过程中，首先要确证地表出露的超镁铁岩是来自上地幔的，这可以通过岩石及其包体的地质产出特征、矿物成分来确认。 有一种超镁铁岩，叫阿尔卑斯橄榄岩，延伸数百千米，
受穿透地壳的深大断裂控制，据推测其深部已延伸到地幔中；来源于地幔的碱性玄武岩和金伯利岩往往含有超镁铁岩包体，说明三者是同源的。超镁铁岩中的一些矿物，如高铝辉石、高铝尖晶石等，
指示高温高压的深部形成环境。其次要确定橄榄岩和榴辉岩两大类超镁铁岩，到底哪一类更能代表上地幔的成分，或两者的混合体更能代表上地幔的成分？通过将上地幔的地球物理观测资料与这两类岩石的物性特征进行比较，他确定橄榄岩更能反映上地幔的化学组成。从玄武岩的熔融冷却结晶实验，及玄武岩和橄榄岩在主量元素与微量元素特征上存在的互补性，又确认橄榄岩是玄武岩部分熔融后的残留物。
地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学45 of 61
因此，林格伍德认为上地幔是由一种称为,地幔岩,的岩石构成，这种岩石由 3份橄榄岩和 1
份玄武岩组成。根据这两种岩石的化学组成，
就可计算出上地幔的成分。
地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学46 of 61
占地球总质量 50%的下地幔的成分难以直接进行研究。最常用的方法是把各种硅酸盐和氧化物在冲击高压下的密度与地震波所确定的下地幔密度进行对比，推断下地幔的成分资料，整个化学成分的分布状况似乎是均一的。目前流行的看法是下地幔由具有纯钙钛矿结构 (Mg,Fe)SiO3和方镁石
（ Mg,Fe)O的混合物所组成。 FeO/(FeO+MgO)值为 0.1~0.2，比富含橄榄石的上地幔更富 SiO2
地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学47 of 61
3、地壳元素丰度 — 克拉克值
美国化学家克拉克 (F,W,Clarke,1847-1931)
根据大陆地壳中 (地下 16Km以内 )的 5159个岩石、
矿物、土壤和天然水的样品分析数据，于 1889年第一次算出元素在地壳中的平均含量数值 (平均质量百分比 )，即元素的丰度。
为了纪念这个创举，命名为克拉克值。
克拉克值,元素在地壳中的丰度。
丰度：是指化学元素在地球化学系统中的平均分布量克拉克值地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学48 of 61
常量元素的克拉克值地壳中各元素的丰度氧 (46.00%）
硅 (27.00%)
铝 (8.30%)
铁 (5.80%)
钙 (5.20%)
镁 (2.80%)
钠 (2.30%)
钾 (1.70%)
钛 (0.64%)
氢 (0.14%)
其它所有元素 (0.12%)
克拉克值地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学49 of 61
不同地质体系的主要元素组成地球：
Fe-O-Mg-Si-Ni-S-Ca-Al-Co-Na
地幔,
O-Mg-Si-Fe-Ca-Al-Na-Ti-Cr-Mn
地壳,
O-Si-Al-Fe-Ca-Na-K-Mg-Ti-H
在太阳系
H-He-O-Ne-N-C-Si-Mg-Fe-S
地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学50 of 61
自然界中元素的存在形式
—— 矿物图片欣赏地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学51 of 61
Caledonia
mine,Ontonagan
Co.,Michigan,US
A
Cu Size:9cm
Prospect Point,Keeweenaw
County,Michigan,USA
Cu
Bisbee,Cochise
Co.,Arizona,USA
自然铜一、自然元素矿物地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学52 of 61
Minnios mine,Pima County,Arizona,USA
Cu Size:1cm,5mm(Photo)
Copper in Selenite(透明石膏 CaSO4)
透明石膏 CaSO4 中的自然铜地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学53 of 61
自然金地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学54 of 61
自然银地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学55 of 61
自然铂地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学56 of 61
钻石恒久远
，
一颗永流传地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学57 of 61
产于金伯利岩中的金刚石地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学58 of 61
二、硅酸盐矿物
橄榄石二、硅酸盐矿物地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学59 of 61
角闪石
(透闪石？ )
硅酸盐矿物二、硅酸盐矿物地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学60 of 61
硅酸盐矿物
角闪石二、硅酸盐矿物地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学61 of 61
白云母硅酸盐矿物二、硅酸盐矿物地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学62 of 61
硅酸盐矿物长石地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学63 of 61
翡翠（ Jadeite）
改善翡翠：经过漂白填充处理后可使翡翠保持短暂的美丽外观，这样的翡翠俗称 B货；经过染色、浸色、锔色、镀膜和辐射加色等手段，使翡翠保持短暂亮丽颜色，这样的翡翠俗称 C货。
合成翡翠：指在实验室通过配料在一定的温压环境下形成的与天然翡翠的化学成分、矿物成分十分接近的品种。
仿制翡翠：一般指一些绿色或部分绿色的其它宝石、单晶矿物、人造品及在外观上相似翡翠的物品。
翡翠的主要矿物为硬玉，
摩氏硬度 6.5~7，致密、坚韧，是名贵的玉石原料。
成品翡翠在商贸上按加工工艺分为四类：天然、改善、合成、仿制。
天然翡翠：未经任何人工处理的天然品，俗称 A货。
硬玉是辉石家族中的一种少见品种
NaAlSi2O6
二、自然界中的矿物地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学64 of 61
二、自然界中的矿物地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学65 of 61
祖母绿 — 绿柱石
Be3A12[Si6O18]
二、自然界中的矿物地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学66 of 61
孔雀石
Cu2[CO3](OH)2
三、碳酸盐矿物地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学67 of 61
二、自然界中的矿物三、碳酸盐矿物地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学68 of 61
方解石
CaCO3
二、自然界中的矿物三、碳酸盐矿物地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学69 of 61
蓝铜矿
Cu3[CO3]2(OH)2
二、自然界中的矿物三、碳酸盐矿物地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学70 of 61
白铅矿
PbCO3
三、碳酸盐矿物地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学71 of 61
石英 — 水晶四、氧化物矿物地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学72 of 61
四、氧化物矿物地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学73 of 61
水晶 -- 盆景四、氧化物矿物地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学74 of 61
赤铁矿
Fe2O3
四、氧化物矿物地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学75 of 61
磁铁矿 Fe3O4
四、氧化物矿物地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学76 of 61
五、硫化物 雄黄
As4S4
五、硫化物地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学77 of 61
黄铜矿,CuFeS2
五、硫化物地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学78 of 61
黄铁矿
FeS2
五、硫化物地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学79 of 61
辉锑矿
SbS
五、硫化物地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学80 of 61
辉锑矿辉锑矿五、硫化物地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学81 of 61
辉锑矿地球的结构与化学分带 @ 趣味地球化学82 of 61
石盐 NaCl?
钾石盐
CaF2
KCl
萤石六、卤化物
