题目

怎样测元素在自然中的含量（即丰度）?

提问时间：2020-11-27

答案

地壳元素丰度的确定
克拉克最早开始计算地壳的平均化学成分.他采用包括岩石圈、水圈和大气圈的广义地壳.它们的质量比分别是93％、7％、0.03％.因而他得到的地壳平均化学成分,实际上是这三个地圈化学组成的综合.
克拉克的大气圈和水圈的化学组成引用前人发表的工作,自己则从事岩石圈平均化学组成计算.他采用的火成岩和沉积岩的质量比为95％和5％.对于火成岩,他选择了5159个分析质量好的岩石化学资料.按照数据的地理分布,划分出48个区域,求得各地区平均,然后归纳成包括各大洲和洋岛的9个大区域.求得每一个区域的平均后,再计算整个地壳的平均值.每次平均的方式有所不同.对于沉积岩,他选择了676个沉积岩组合样化学全分析资料.同时将沉积岩分为页岩、砂岩和灰岩,它们的质量关系为4％,0.75％和0.25％.按照质量加权平均求得地壳的沉积岩平均成分.最后,按照火成岩和沉积岩的质量比加权求得岩石圈地壳的平均化学成分.以三个地圈的平均化学组成为基础,算得广义地壳的元素丰度.克拉克计算地壳元素丰度的有效深度为16km,因为当时所知的最高山峰和最深海沟的高差和这相当.克拉克计算中的一个主要问题是参与计算的岩石化学资料地理分布极不均一,面积仅占20％的北美、欧洲、样品数占70％以上.面积占29％的亚洲大陆,样品数仅有2％.
自从克拉克首次发表了地壳元素丰度值后,许多学者相继进行了比较简便的计算,并将结果与克拉克计算的结果进行对比,以论证其方法的可靠性.
戈尔德施密特采用了一种很有趣的简洁办法来检验克拉克的数据.在挪威南部古老片麻岩地区,有一种分布很广的冰川泥.他认为,这种冰川粘土可作为大面积分布的结晶岩石的平均化学成分.他选取了77个样品进行分析,所得结果与克拉克的5159个样品结果除了CaO和Na2O偏低外,其余都很接近.Na2O和CaO含量偏低是因水合作用和溶解作用导致Na和Ca的淋失.
维诺格拉多夫于1949年发表了地壳元素丰度数据.他是根据粘土和页岩的平均化学成分求得的.他发现,这种平均化学成分与克拉克的丰度值很相似.1962年,维诺格拉多夫又发表了他用两份酸性岩和一份基性岩的平均化学组成算得的地壳元素丰度值.这些丰度值对他1949年发表的丰度数据,已作了较大的修改.从现代地壳结构模型来看,维诺格拉多夫取酸性岩和基性岩的质量比为2∶1,大体上相当于这两类岩石在大陆地壳内的质量比,而不包括大洋壳.
泰勒（S.R.Taylor）于1964年发表了大陆地壳的元素丰度.他采用花岗岩和玄武岩的质量比为1∶1进行计算.并简单地用花岗岩和玄武岩的标样来代替.泰勒取花岗岩和玄武岩质量比为1∶1,大体上接近这两类岩石在包括大洋壳在内的整个地壳质量比值.因此,他的大陆地壳丰度实际上应为全球地壳的元素丰度.
综观以上地壳元素丰度计算,可以发现存在以下几个主要问题.如地壳概念不统一,未能按现代地壳结构模型进行计算；地壳深度的确定是人为的,未考虑莫霍面在大洋和大陆的不同；大多数计算忽略了海洋地壳,而它占整个地壳质量的1/3以上；未考虑地壳物质成分随深度变化的因素等等.
针对上面提出的问题,波德瓦尔特（A.Poldervaart,1955）和罗诺夫（A.b.PoHob,1957）等在计算地壳元素丰度时,均采用了符合现代地壳结构的全球地壳模型.计算过程中,波德瓦尔特把整个地壳分成四个区域：①深洋区——大洋盆地地壳；②浅洋区（近海区）——大陆坡和大陆架,以及边缘海槽地壳；③台盾区——前寒武纪地盾和地台的地壳；④褶皱区——显生宙褶皱带的地壳.以各自的莫霍面作为计算深度的下限.用各区质量比例加权平均,求出整个地球的平均化学成分.罗诺夫等则把地壳分成大陆型、次大陆型和大洋型三种类型,于1957年和1976年二次提出地壳元素丰度值.
黎彤在计算中国岩浆岩平均化学成分的基础上,采用波德瓦尔特的全球地壳模型,将全球划分成地盾区、褶皱区、浅洋区和深洋区四个构造单元.在计算各类岩石元素平均含量时,综合考虑了Turekian,Wedepohl及维诺格拉多夫的最新资料,并结合中国各类岩浆岩主要元素数据,首先计算出各构造单元的元素丰度,然后由质量加权求算全球地壳元素丰度值.为了检验丰度结果的可靠性,黎彤等还分别求出整个地壳中结晶岩和沉积岩的元素平均含量,再按结晶岩和沉积岩的质量比例（92.1％和7.1％）,加权平均算出整个地壳的元素丰度.以资对照.
各主要学者所得地壳元素丰度值列入表2.13和表2.14.比较表中数据可以看出,尽管采用的计算方法不同,但所得到的元素丰度互相还是比较接近的.因此,我们可以有一定根据地说,现在已经有了较可靠的有关地壳化学元素组成的估计值.特别是对主要元素.