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。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和物理化学条件有关。

    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壳中元素的丰度分为主量元素、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他元素组成的矿物中，这样的元素被称为微量元素。比如钾、钠的克拉克值都是2.5％，属主要元素，在自然界可形成多种独立矿物。与钾、钠同属第一主族的铷、铯，由于在地壳中的含量低，在各种地质体中的浓度亦低，难以形成自己的独立矿物，主要呈分散状态存在于钾、钠的矿物中。

    硫（硒、碲）和卤族元素：

    在地壳中，除氧总是以阴离子的形式存在外，硫（硒、碲）和卤族元素在绝大多数情况下都以阴离子形式存在。虽然硫在特定情况下可形成单质矿物（自然硫S2），硫仍是地壳中除氧以外最重要的呈阴离子的元素。硫在热液成矿阶段能与多种金属元素（如贵金属Ag、Au，贱金属Pb、Zn、Mo、Cu、Hg等）结合生成硫盐和硫化物矿物，这些矿物是金属矿床的物质基础。若矿物结晶时硫含量不充分，硒可以进入矿物中占据硫在晶格中的位置，硫、硒以类质同象的方式在同种矿物中存在。碲与硫的晶体化学性质差别比硒大，故碲通常不进入硫化物矿物，当硫不足时，它可以结晶成碲化物。

    氯、氟等卤族元素，通过获得一个电子就形成稳定的惰性气体型（8电子外层）的电层结构，它们形成阴离子的能力甚至比氧、硫更强，只是因为卤族元素的地壳丰度较氧、硫低得多，限制了它们形成独立矿物的能力。卤族元素与阳离子结合形成典型的离子键化合物。离子键化合物易溶于水，但气化温度较高，在干旱条件下，卤化物还是比较稳定的。当卤族元素的浓度较低，不能形成独立矿物时，它们进入氧化物，在含氧盐矿物中，常见它们以类质同象方式置换矿物中的氧或羟基。

    金属成矿元素：

    在地质体中金属元素多形成金属矿物（硫化物、单质矿物或金属互化物，部分氧化物），在矿产资源中作为冶炼金属物质的对象。

    金属成矿元素按其晶体化学和地球化学习性以及珍稀程度可以分为：贵金属元素、金属元素、过渡元素、稀有元素、稀土元素。

     贵金属元素 Ag、Au、Hg、Pt等，贵金属元素在地壳中主要以单质矿物、硫化物形式存在，在地质体中含量低，成矿方式多样，但矿物易分选，元素化学稳定性高，成矿物质的经济价值高。

     金属元素 Pb、Zn、Cu（又称贱金属元素）、Sb、Bi等，在地壳中主要以硫化物形式存在。成矿物质主要通过热液作用成矿，硫（硒、碲）的富集对成矿过程有重要意义。矿床中成矿元素含量较高，是国民经济生活中广泛应用的矿产资源。

     过渡元素 Co、Ni、Ti、V、Cr、Mn和W、Sn、Mo、Zr、Hf等，这些元素在自然界多以氧化物矿物形式存在，部分也可形成硫化物（如钼）或硫盐（如锡）。

     稀有元素 Li、Be、Nb、Ta、Ti、Zr在地壳中含量很低，主要形成硅酸盐或氧化物。

     稀土元素 钇和镧系元素统称为稀土元素，地壳中稀土元素含量低，但它们常成组分布。稀土元素较难形成自己的独立矿物，主要进入钙的矿物，在矿物中类质同象置换钙。较常见的稀土元素矿物和含稀土元素的矿物都是氧化物或含氧盐类矿物。

    亲生物元素和亲气元素：

    主要有C、H、O、N和P、B，它们是组成水圈、大气圈和生物圈的主要化学成分，在地壳表层的各种自然过程中起着相当重要的作用。除上述元素外，生物还需要K、S、Mg、Fe、Si、Al、Ar等。部分微量元素（如Zn、Pb、Se等）以及在地壳表层和水圈中富集的元素Ca、Na、F、Cl等对生命的活动有重要意义，具亲生物的属性。某些亲生物元素的过量或馈乏不仅会影响生命物体的正常发育，严重时还会引起一些物种的绝灭。

    放射性元素：

    现代地壳中存在的放射性元素（同位素）有67种。原子量小于209的放射性同位素仅有十余种，它们是：10Be，14C，40K，50V，87Rb，123Te，187Re，190Pt，138La，144Nd，147Pm，147Sm，148Sm和149Sm。自84号元素钋（Po）起，元素（同位素）的原子质量都等于或大于209，这些原子核都有放射性，它们都是放射性同位素。

    现代核物理技术的高度发展，已经能够通过中子活化及核合成技术生成许多新的放射性元素（同位素），若将这些人造元素计算在内，元素周期表内的元素总数应增加到109个。
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