Question

元素丰度与大陆地壳元素丰度研究的意义

Answer 1

1.元素丰度和元素分布量

任何一种自然体的物质都是由化学元素组成的,那么这个自然体的总质量应当等于组成它的全部化学元素的总质量。每一种化学元素在这个自然体中的质量,占该自然体总质量 (或该自然体中全部化学元素的总质量)的相对份额 (如百分数),就叫做该元素在该自然体中的丰度值。

设任一元素 (i)在某一自然体 (j )中的质量为Q_ij ,该自然体的总质量为M_j ,则元素i在该自然体中的丰度值A_ij定义为

地球化学

A_ij就是i元素在j 自然体中的平均相对含量。例如,铝在地壳中的丰度,就是铝在地壳中的平均相对含量。而铝在地壳中的质量,则是铝在地壳中的绝对含量。这种绝对含量Q_ij也被称为分布量。

按式 (1-1),任一元素 (i)在某一自然体 (j)中的分布量 (D_ij )定义为

地球化学

例如,铝在地壳中的分布量,等于地壳总质量和铝的地壳丰度值的乘积。

在任一自然体中,全部化学元素的分布量总和,应当等于该自然体的总质量。而全部化学元素的丰度值总和,理论上应当等于 100%,实际上是在 100±e%的范围之内,这里e为允许的相对误差范围。元素丰度和元素分布量是两个不同的概念。

当已知任一元素在某一自然体中的分布量和丰度时,据式 (1-2)可以求出该自然体的质量。例如,已知锡 (Sn)元素在地壳内的分布量为 41×10¹² t,其丰度为 0.00017%,由式 (1-2)得

地球化学

由此可知,表示元素分布量的单位为吨或克。为了便于表示元素在较大尺度自然体中的分布量,亦可采用较大的质量单位——地克(Geogramme, Gg)。1地克等于1×10²⁰g,或1×10¹⁴t (或1 百万亿吨)。例如,锡在地壳内的分布量为0.41地克,而地壳的质量为24万地克;锡在地球中的分布量为1339地克,而地球的质量为59.76×10⁶地克,等等。

在地球化学教科书中,每当用箱状模型讨论元素的地球化学旋回 (或循环)时,就常用元素在各种自然体中的分布量来表示。

2.元素丰度的单位

元素丰度常用三种单位表示,即质量单位、原子单位和相对原子单位。由于采用单位的不同,元素丰度有下列三种名称:

质量丰度 是以质量单位表示的元素丰度。常用的质量级序有三种:①质量百分数(质量%,或w_t%),常用于表示常量元素的丰度;②克/吨(g/t),或ppm(parts per million),以百万分之一 (10^-6 )的质量为单位,常用于表示微量元素的丰度;③毫克/吨(mg/t)或ppb (parts per billion),以十亿分之一 (10^-9 )的质量为单位,常用于表示超微量元素的丰度。

原子丰度 (atomic abundance) 是以原子百分数 (原子%)来表示的丰度。某元素的原子百分数是该元素的原子数,在全部元素的原子数总和中所占的百分数。

相对丰度 常以原子数/10 ⁶ Si 原子为单位。也有采用原子数/10 ⁴ Si 原子或原子数/10² Si原子为单位的。原子数/10⁶ Si 原子单位常用于宇宙元素丰度,宇宙丰度单位 (cosmic abundance unit,简称 c.a.u.),是取硅的原子数等于一百万个 (10⁶ )原子,并以此为基数,求出其他元素的相对原子数。所以,这种单位实际上就是各种元素的原子数与一百万个硅原子的比值。选择硅元素作为对比标准的原因:①硅元素在自然界中分布相当广泛,便于对比各种自然体系中的丰度值;②硅是形成不挥发的稳定化合物的元素;③硅在化学分析和光谱分析中,都是较易准确测定的元素。取 Si 原子为10 ⁶ 时,绝大部分元素的相对原子数介于10⁶～10^-4之间,因此最常用。

上述三种不同单位的元素丰度中,质量丰度是最基本的数据,原子丰度和相对丰度都可以根据质量丰度换算取得。

3.元素丰度研究的地球化学意义

元素在地壳中的丰度值称为元素的克拉克值。用质量表示,称为“质量克拉克值”,采用 10^-6、10^-9、10^-12或g/t等表示。

地壳可以分为大陆地壳和大洋地壳,大陆占地球表面的 41%,大陆地壳的质量占整个地壳质量的 79%。虽然大陆地壳在质量上仅占整个地球总质量的0.4%。但是由于以下原因使得大陆地壳的化学组成成为地球化学研究的中心问题之一。首先,大陆地壳提供了生命演化的一个重要平台,导致在三个大陆块体中的一个大陆上出现了智人 (Homo sapines)。大陆的产生过程本身对人类的诞生就具有了直接的意义,因为如果没有大陆地壳,局限于大洋和火山岛弧上的生命演化将会是另一种情景。其次现今大洋地壳的年龄不超过200Ma,即都是中生代以来的产物,因此大陆地壳就成为保存地球更为遥远地质记录的档案库,只有在大陆地壳才能发现地球早期地质事件的记录。第三,虽然大陆地壳在质量上仅占整个地球总质量的0.4%,但最重要的一些不相容元素 (如Cs、Rb、K、U、Th、La)在大陆地壳中的总量占地球中这些元素总量20%以上,因此大陆地壳是一个重要的地球化学储库。最后,大陆地壳由演化的、低密度的岩石组成,导致大陆高于海平面,使得地球有别于其他类地行星,成为太阳系独一无二的星球。大陆地壳的平均厚度为37～40km,最厚的喜马拉雅山脉可达80km。大陆地壳不易返回地幔,已知最老的大陆地壳年龄为44 亿年。大陆地壳的化学组成和演化机制是认识地球总体成分、分异演化和地球动力学过程的基本地球化学前提。由于上述原因,自地球化学学科诞生以来,大陆地壳化学组成一直是地球化学研究的中心问题之一,受到各国地球化学家的重视。如F.W.克拉克和H.S. 华盛顿 (1924)、V.M. 戈尔德施密特 (1933)、А.П. 维诺格拉多夫(Виноградов,1962)、S.R.泰勒 (Taylor,1964;Taylor and McLennan,1985,1995)和K.H.韦德波尔 (1995)等地球化学大师们都曾经对大陆地壳化学组成做过深入研究,我国地球化学家黎彤亦在此领域作出了重要贡献。然而,这一问题迄今仍未得到完善的解决。目前世界上最深的科拉半岛大陆超深钻深度也仅有12km,人们可以直接观察和研究的部分通常仅限于大陆上地壳,大陆中—下地壳难以直接观察,其代表性样品也不易获得,这使得确定深部地壳特别是下地壳的组成成为大陆地壳组成研究的难点所在。