地球的物质组成.

第三章地球的物质组成内容提要3.岩石王国2.矿物世界1.地球中的元素元素矿物岩石地壳金属地核、地幔•地球是一个物质世界，近60万亿亿吨的物质几乎都集中在固体地球里面，并主要以岩石和金属的形式出现。其中地核和地幔主要由金属组成，地壳主要由俗称石头的岩石（如石灰岩、花岗岩、砂岩等）组成。•岩石又是由各式各样的矿物集合而成（如石灰岩是方解石、白云石等矿物的集合体；花岗岩是石英、长石、黑云母等矿物的集合体）。•矿物和金属则是由化学元素结合而成的，有的矿物为元素单质（如金刚石是碳的单质）；有的为元素的化合物（石英是氧和硅的化合物）。在地球演变的进程中，各种岩石、矿物和元素始终进行着成分、能量的交换和状态的变化，原有的岩石和矿物不断遭到破坏，新的岩石和矿物不断形成，尽管其过程是极其缓慢的，但却时刻都在不停地进行着，从而可造成某些元素或矿物的分散和富集作用，形成有价值的矿产资源。人们把在当前技术条件下可以利用的岩石统称为矿石，而把不能利用的称为岩石。从发展的眼光看，自然界所有的岩石都将可能成为矿石。第一节地球中的元素－元素概念元素：具有相同核电荷数（即质子数）的同一类原子称为元素。原子：元素由带正电荷的质子、呈电中性的中子和带负电荷的电子等基本粒子构成。质子居于中心并可能与中子一起构成原子核，电子围绕原子核作高速运动而形成不显电性的原子。原子的结构和质量分配与太阳系十分相象，电子绕原子核运动占据了比原子核大上亿倍的空间，但原子核却集中了原子几乎全部的质量。同位素：同一元素具有相同的质子数，但其中子数是可变的，当中子数增加时，原子质量会相应增加，而原子核的电荷数和电子数不会改变。这样，质子数相同但中子数不同的原子在元素周期表中会处于同一位置，人们把这类原子互称为同位素（如11H、21H、31H和23492U、23592U、23892U）。主量元素：主量元素有时也称为常量元素。是指那些在岩石中含量大于1％（或0.1％）的元素，在地壳中大于1％的八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。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。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、钠同属一主族的铷（Rb)、铯（Cs）由于在地壳中的含量低，在各种地质体中的浓度亦低，难以形成自已的独立矿物，主要呈分散状态存在于钾、钠的矿物中。硫（硒和碲）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）和囱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，硒可以进人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。蹄与硫的晶体化学性质差别比硒大，故蹄通常不进人硫化物矿物，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，只是因为卤族元紊的地壳丰度比氧、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健化合物。离子健化合物易溶于水，但气化湿度较高，在干旱条件下，卤化物是比较稳定的。当卤族元素的浓度较低，不能形成独立矿物时，它们进人氧化物，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。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（铅）、Zn、Cu等（又称贱金属元素），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。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额。•过渡元素：Co、Ni、Ti（钛）、V（钒）、Cr、Mn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。•稀有元素：Li、Be、Nb（铌）、Ta（钽）、Zr（锆）在地壳中含量很低，主要形成硅酸盐或氧化物。•稀土元素：钇和锶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，主要进人钙的矿物，在矿物中类质同象置换钙。较常见的稀土元素矿物或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C、H、O、N和P、B（硼）。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相当重要作用。放射性元素：现代地壳中存在的放射性元素（同位素）有67种。一、元素的形成根据宇宙大爆炸学说，地球上千姿百态、复杂多样的物质都是从基本粒子通过聚变形成氢开始的，然后再由四个氢合成一个氦，氦再进一步合成其它元素。这样从轻元素到重元素依次核聚变而成。大约在150亿前的大爆炸后50－100万年时，现今所有的元素就已通过核聚变而逐渐形成。因此，元素的形成时间远比太阳系形成要早。根据现代物理、化学理论和实验观察结果，太阳上目前仍在进行着氢合成氦的热核聚变和其它天体化学现象。宇宙中的元素通过热核聚变反应，经历了从简单到复杂的形成演化过程。世界万物无不从“一（一个氢）”开始。难怪当代不少科学家对两千多年前期）我国著名的思想家、道家的创始人老子“道生一，一生二，二生三，三生万物”的哲学思想，大为叹服。元素在地球中的分布宇宙太阳系地球地壳水圈生物圈大气圈其它氩氮碳氯钾钠钙铝硫钙铝镍镁硅氧铁氦氢其它1.9％其它3％其它1.5％其它＜2％其它＜2％其它＜0.8％其它0.04％氦20.9％氦27％硫1.9％钾1.68％钠1.1％钙0.3％氩0.94％氢77.2％氢70％该、铝2.2％钠2.30％氯1.9％氮0.5％氧20.94％镍2.4％镁2.77％氢10.8％氢6.6％氮78.08％镁12.7％钙5.06％氧84.6％碳39.4％硅15.2％铁5.8％氧52.4％氧29.5％铝8%铁34.6％硅27.2％氧45.2％二、元素在地壳中的分布目前已知的化学元素有108种，在地壳中发现的有92种。化学元素在各个宇宙体和地球的化学系统（如地球、大气圈、水圈、岩石圈）中的平均含量称为丰度。19世纪末，美国化学家克拉克（F.W.Clarke，1847-1931）根据采自欧美地壳16km范围内的5159个岩石、矿物、土壤、天然水样品的分析数据，于1889年首次发表了地壳50种元素的平均含量，开创了地球化学研究的先河。后人为了纪念克拉克的这一创举，便把元素的地壳丰度称为克拉克值，其中把用重量百分数表示的称为重量克拉克值，用原子百分数表示的称为原子克拉克值。继克拉克之后，许多学者对克拉克值作了进一步研究、补充和修改。克拉克值研究表明，地壳中元素分布有如下规律：不同元素的克拉克值相差悬殊。O、Si、Al、Fe、Ca、Mg、Na、K等8种元素（称为八大元素）占地壳总重量的98%以上，其余的80多种元素不足2%。地壳元素的克拉克值大致随其原子序数的增加而递减地壳中偶数元素的分布量高于奇数元素，且序数相邻的元素之间偶数元素的分布量一般高于奇数元素地壳元素在时间和空间上的分配存在不均匀性。某些元素在某个地质历史时期的某些地带相对富集。第二节、矿物世界当你漫步于高山峻岭、田野荒原或是都市皇城、乡村小院时，仔细观察，你会发现那些山石、土石、基石、观赏石等无一不是由千姿百态、五颜六色的颗粒所组成的，这些颗粒就是矿物。它是由一种或多种元素在自然条件下形成的。除少数呈气态（硫化氢）和液态（水银）外，绝大多数呈固态。固态矿物往往各异的形态、颜色、光泽、透明度、比重、硬度和其它物理、化学性质，因而构成了姿态万千、色彩斑斓、绚丽璀璨、奥妙无限的矿物世界。目前，已知的矿物多达3300余种，并且不断有新的矿物发现。这些矿物是人类乃至整个生物界赖以生存的物质基础，没有矿物，就没有人类，更没有人类的现代文明。一、矿物定义•所谓矿物是指地壳中由一种或多种元素在各种地质作用下所形成的天然无机化合物或元素单质，它们大多具有比较固定的化学成分、内部构造、形态特征和物理性质。•由一种元素组成的矿物称为单质矿物或自然元素矿物，如自然金（Au）、金刚石（C）等；由两种或两种以上元素组成的矿物称为化合物矿物，如岩盐（NaCl）、方解石（CaCO3）、石英（SiO2）等。某些人工合成的矿物称为人造矿物，虽然它们与自然矿物类似，并不是真正意义上的矿物，故常在其名称前冠以“人造”或“合成”二字，如人造金刚石等，以示与真正矿物的区别。固态矿物按其内部构造可分为晶质矿物和非晶质矿物，当组成矿物的原子、离子或分子等内部质点呈有序规则排列时，称为晶质矿物（如方解石）。当内部质点呈无序排列时称为非晶质矿物（蛋白石）。非晶质矿物可以由胶体化学沉积作用形成（如蛋白石），也可以由岩浆喷发快速冷凝作用形成（如燧石）。这些非晶质矿物在自然界中经过漫长的地质历史时间可逐渐转化为晶质矿物，这种作用称为“脱玻化”作用。只有具备以下5个条件的物质才能称为矿物：1）矿物是各种地质作用形成的天然化合物或单质，比如火山作用。它们可以是固态(如石英、金刚石)、液态(如自然汞)、气态（如火山喷气中的水蒸气）或胶态(如蛋白石)。2）矿物具有一定的化学成分。如金刚石成分为单质碳(C)，石英为二氧化硅(SiO2)，但天然矿物成分并不是完全纯的，常含有少量杂质。3）矿物还具有一定的晶体结构，它们的原子呈规律的排列。如石英的晶体排列是硅离子的四个角顶各连着一个氧离子形成四面体，这些四面体彼此以角顶相连在三维空间形成架状结构。如果有充分的生长空间，固态矿物都有一定的形态。如金刚石形成八面体状，石英常形成柱状，柱面上常有横纹。当没有生长空间时，它们的固有形态就不能表现出来。4）矿物具有较为稳定的物理性质。如方铅矿呈钢灰色，很亮的金属光泽，不透明，它的粉末（条痕）为黑色，较软（可被小刀划动），可裂成互为直角的三组平滑的解理面(完全解理)，很重(比重为7.4-7.6)。5）矿物是组成矿石和岩石的基本单位。二、矿物的化学性质•化学结构：矿物中的元素以离子键、共价键、金属键、分子键相连结，按尽量紧密原则作规律性重复排列。由于阴离子较大，所以实际上是阴离子按尽量紧密原则排列，阳离子按电价相等原则有规律地分布于阴离子的空隙之中。晶体中离子排列的格式称为晶体格架或晶体构造。如石盐的晶体格价为立方体。类质同象：矿物的化学成分具有相对稳定性，但由于形成作用的复杂多变和杂质的介入，可使矿物成分在一定范围内发生改变。矿物在结晶过程中，电价和半径相近的离子可以同时进入晶体格架相互替代，但矿物的形态和理化性质未发生根本改变。如闪锌矿（ZnS）中的Zn2+可以部分地被Fe2+（不超过26%）替代，这种化学成分稍有改变但晶体格架保持不变的现象称为类质同象，类质同象矿物仍属同一种矿物。同质多象：同种化学成分的物质，在不同的自然物理化学条件下可以形成形态和物理化学性质完全不同的矿物。如碳（C）在地壳深部高温高压条件下形成金刚石，在温压较低的变质作用中形成石墨。这种化学成分相同但内部结构迥然不同的现象称为同质多象。三、矿物的物理性质---形态矿物的形态是指矿物单体、矿物规则连生体及同种矿物集合体的外貌特征。影响因素：•内因：矿物的化学成分和内部结构•外因：矿物形成时的环境条件研究意义：•1）鉴定矿物•2）推测矿物形成时的物理化学条件，指导找矿。矿物单体的形态，包括整