地壳元素丰度研究进展

地壳元素丰度研究进展

1 地壳元素丰度的概念

地壳元素丰度又称克拉克值(CLARKE value)，一种表示地壳中化学元素平均含量的数值。根据美国化学家和矿物学家克拉克（F.W.CLARKE）的姓氏命名。根据表示方法的不同，又分重量克拉克值、原子克拉克值等。1889～1924年间克拉克及其同事完成了地球各洲大量岩石和矿物样品的化学分析，并计算了50个元素的平均含量，获得主要元素的丰度值。随着地球化学的发展，实验技术和分析方法的改善，现在地质学家们已经提出了几乎所有天然元素的克拉克值。地壳元素丰度是重要的地球化学基础数据，它标志地壳做为一个地球化学系统化学成分的总特征，决定了地壳中发生的各种地球化学作用的背景，也提供了一个衡量元素集中分散变化程度的标尺。与宇宙丰度规律相比，地壳中元素丰度随原子序数增大丰度值减小和偶序数元素丰度大于奇序数元素的规律基本一致。差异主要是氢、氦、氖、氮等气体元素明显较贫，而铝、钾、钠相对较富，这与地球形成、演化过程中气态元素的散失和较轻、易熔的碱金属铝硅酸盐在地球表层富集有关。

2 地壳元素丰度的研究意义

（1）元素克拉克值是元素一项重要的地球化学参数，作为背境，它能提供元素在地壳某区段富集和分散及其程度的信息。元素的克拉克值也是影响元素地球化学行为的重要因素。元素的丰度在某种程度上制约了元素参与地球化学过程的浓度，从而支配着元素的地球化学行为。例如，化学性质相当近似的碱金属元素 Na，K，Rb，Cs，由于它们的丰度不同，在地壳地球化学过程中有很不相同的行为。对于丰度高的K和Na，它们在各种体系中都可有较大的浓度，可以形成独立矿物。

（2）根据地壳丰度值可以计算出地球化学性质相似或地球化学有关的元素对之间的平均比值。如 V/Fe，Ni/Cr，Ni/Co，Se/S，Te/Ce，Zr/Hf，Nb/Ta，K/Rb，U/Pb，Th/U，Rb/Sr，Sm/Nd等等。岩石、矿床中这些元素的比值比它们的绝对量要重要得多。因为它们是相关元素或化学上难以分离的共生元素。如果它们的比值偏离了按照元素克拉克值计算出来的平均比值，

就常常成为一种地球化学标志，说明已经发生过某些特点的地球化学过程。在同位素和微量

元素地球化学领域中就经常采用这种元素对比值的变化来追踪发生过的过程。

（3）某元素的浓度克拉克值为其在某一地质体（矿床、岩体等）的平均含量与克拉克值之

比。浓度克拉克实际上就是以地壳丰度作为背境值的丰度系数。它也是地球化学过程中元素

富集和贫化的标志。在找矿实践和地球化学基础理论研究中具有一定意义。

3 地壳元素丰度研究方法与实例

（1）根据岩石的平均化学组成

这种方法主要采用的是火成岩的平均化学成分。其出发点是火成岩占大陆地壳的大部

分，其次是变质岩和沉积岩，而变质岩和沉积岩的最原始可以说都是火成岩。Clark和

Washingtou 选用了来自世界各地的5159件火成岩化学分析资料和676件沉积岩组合样品化

学分析资料，将这些火成岩和沉积岩按其所代表的地区加权求出全球火成岩加变质岩占

95%，沉积岩占5%（页岩4%、砂岩0.75%、灰岩0.25%）计算了地壳上部16km的地壳成

分（当时认为地壳厚度只有16km）。类似地，Taylor则用1份花岗岩加一份基性岩计算了大

陆地壳成分，其中花岗岩和基性岩资料分别取自G-1花岗岩和W-1辉绿岩国际标准参考物

质的成分。根据岩石的平均化学组成来计算大陆地壳成分，由于没有考虑到岩石组成随深度

和构造单元的变化，这种方法基本限于70年代以前的研究。

（2）根据细粒碎屑岩沉积岩

这种方法最早由Goldschmidt采用。在挪威南部广泛分布着由冰川融化后沉淀出的细

粒冰川粘土。Goldschmidt认为，这些冰川粘土代表了冰川经过地区出露岩石的天然平均样

品。他分析了77件冰川粘土，计算了平均值，结果除了Na2O和Cao以外，其他元素的含

量与Clark和Washington的结果相当一致。由此风化作用中Na和Ca最易被淋滤掉，因此

冰川粘土中这两种元素含量偏低是自然的。Taylor和Mclennan又大大发展了Goldschmidt

的方法，提出细粒碎屑沉积岩/沉积物（如页岩、泥岩、粉砂岩、杂砂岩、黄土）。特别是泥

质岩，代表了物质区出露上地壳的天然混合样品。对这一观点的最有力证明是，后太古宇宙

泥质岩、深海沉积物和黄土的稀土元素（REE）组成模式与现今大陆地壳一致，将泥质岩稀

土元素量简单地降低20-25%既是现今大陆上地壳的稀土元素含量。之所以大陆上地壳稀土

元素含量比泥质岩低是因为大陆上地壳还含有一定数量的稀土元素含量十分低的沉积岩，碳

酸岩和蒸发岩。Taylor和Mclennan进一步提出，细粒碎屑沉积岩中的REE、TH、SC和Co

这些元素由于其海水一岩石之间的分配系数很小，表明它们几乎不溶于水中，且在海水中的

滞留时间T，T=M/F，其中M为海水中的元素的质量，F为元素在海水中的平均年通量，可

由河流进入海洋中的年输入量或深海沉积物沉积造成的元素从海水中的移动量来估计，滞留

时间度量了海水中的元素完全跟新一次所需要的时间很短，它们基本由大陆带至盆地中以碎

屑沉积物得形式沉积下来，因此这些元素可以定量反映大陆地壳的组成。另一方面，这些元

素中即包括了不相容元素REE和Th，又包括相容元素Sc和Th，故这两类元素的比值可用

来指示源区镁铁质和长英质岩石的相对比例。虽然细粒碎屑沉积岩只能够用来研究大陆上地

壳的成分，但该方法的重要性在于，通过使用不同时代的样品，可研究大陆地壳组成的变化，

且使用样品数较少。

（3）根据区域大规模取样和分析

这种方法是在某一区域内采集不同时代和岩石的代表性样品，对所获得的样品进行分

析测试，然后按照各类岩石在区域内所占的比例，求出该区域的元素丰度。由于是在地表采

样，因此这种方法获得的结果，严格来讲，只代表地表或上地壳的元素丰度。本法仅适用于

基底岩石大规模出露地区。在沉积盖层发育地区，只能给出地壳沉积盖层得元素丰度。

(4)根据出露地表的大陆地壳剥面

自60年代末期人们对阿尔卑斯造山带等地的研究表明，造山作用使下地壳甚至上地幔

的岩石大规模暴露于地表，形成所谓的初露地表的大陆地壳剥面。意大利北部的伊夫利亚带

是提出这一概念的发源地，同时也是大陆地壳剖面。此外，人们还对意大利南部的Calabria

带、加拿大Kapuskasing隆起和南非Vredefort构造带等大陆地壳剖面进行了较深入的研究。

我国已提出登封-鲁山、五台-兴和以及怀安-尚义三断面为初露地表的大陆地壳剖面，并对他

们进行了一定程度的地质、地球物理和地球化学研究。但深部大陆地壳刨面抬升至地表的机

制目前仍不十分清楚，早期主要认为与碰撞造山过程有关，现在认为机制是多种多样的，如

挤压抬升、亚扭抬升和陨石撞击抬升。

（5）根据火山岩石中的深部地壳包体

鉴别包体来自下地壳的标志为：一 包体应形成于下地壳条件。二 寄主火山岩成分原

始，并含有二辉橄榄岩包体，说明寄主火山岩是从深部快速（数小时）上升喷发的。反之，

如果不存在二辉橄榄岩包体，寄主岩浆是演化的，说明岩浆可能曾停留在中——上地壳，发

生分异。三 各种减压结构，如镁铁相的优先熔融以及石榴石边缘和裂隙中形成次变边指示

包体是从地壳深部快速上升的。包体来自下地壳最有说服力的证据是矿物同位素组成的均一

化，使包体的年龄与寄主火山岩相同。然而，如果地温较低，矿物在下地壳可能无法达到同

位素均一化。因此，当矿物变质年龄与喷发年龄相同时，可以较稳妥地说，包体是当火山喷

发时来自下地壳的。当包体年龄大于喷发年龄时需要其它的证据进一步证实包体确实来自下

地壳。

（6）利用地球物理方法

大陆地壳剖面和麻粒岩包体为下地壳研究提供了直接样品和窗口。然而，这两类样品

的分布十分局限。地球物理测探是目前探测大区域范围内地壳深部性质的最主要的方法。其

中，折射地震法给出的不同深度地震纵波和横波速度与岩石组成和化学成分之间的对应关系

比其它地球物理性质更直接，因此它们是地球物理研究深部地壳物质组成的主要手段。未变

质的岩浆由超基性至酸性随SiO2含量增加，纵波速度逐渐降低，反映出镁铁质矿物比长英

质矿物具有较高的波速。地震波速与矿物组成的这种对应关系是人们利用所探测的地球深部

地震波速度推测其物质组成的基础。然而，岩石的地震波速不仅受矿物和化学组成影响，同

时还受温度、压力、矿物的各向异性、岩石组构和流体存在于否等多方面因素制约，从而使

得地震测深资料的解释是多解的。深部岩石高温高压下物理性质的实验研究及地球化学示踪

研究是约束深部地球测深性质解释的主要途径。

四 地壳元素丰度研究趋势

（1），研究元素丰度的计算方法，修订元素丰度的计算值。50年代以来，为了从根本上改

进地壳元素丰度的计算方法，A.A.波尔德瓦尔特和..罗诺夫等先后提出了全球地壳模型；

并计算了地壳的主要化学成分的平均值。从60年代起，黎彤等在计算中国岩浆岩平均化学

成分的基础上，重新计算了地壳及其基本构造单元中的元素丰度，以后又求出地球及其地圈

的元素丰度，从而初步建立起多层次的地球、地壳和区域地壳的元素丰度体系。

（2），揭露化学元素在自然界的分布规律，阐明形成这些规律的原因。例如，A.G.W.卡梅伦

主要根据化学分析以及恒星和星云光谱分析资料求得的宇宙元素丰度具有如下分布特征和

规律：①氢和氦具有最大的丰度值，占全部元素重量的99％以上；②各元素的宇宙丰度，

具有随原子序数的增加而减少的总趋势；③有些元素的丰度偏低，如锂、铍、硼和钪。有些

元素的丰度则偏高，如铁、镍和铅；④原子序数为偶数的元素，比其相邻两侧的原子序数为

奇数的元素具有较高的丰度。恒星演化核合成理论认为，化学元素的各种核类，是在宇宙合

成及恒星演化各个阶段中逐步合成的，从而形成了上述分布特征和规律。

（3），研究元素丰度及其规律性的应用。如在研究太阳系起源和地球物质的化学演化等理论

问题上的应用，以及在寻找、综合利用矿产资源和环境保护等实际问题上的应用。

五 参考文献

黎彤、倪守斌著：《地球和地壳的化学元素丰度》

胡兆初 《有机基体改进溶液和激光剥蚀进样电感耦合等离

子体质谱在大陆地壳疑难元素丰度研究中的应用》