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丰度

丰度 [1] (即为该元素在自然体中的丰度abundance of elements)是指一种化学元素在某个自然体中的重量占这个自然体总重量的相对份额(如百分数)。丰度表示方法主要分为重量丰度、原子丰度和相对丰度。词条详细介绍了研究元素丰度的意义、发现历史、以及地壳元素丰度等内容。

同位素在自然界中的丰度,又称天然存在比,指的是该同位素在这种元素的所有天然同位素中所占的比例。丰度的大小一般以百分数表示;人造同位素的丰度为零。

周期表上所列的原子量实际上是各种同位素按丰度加权的平均值,这是因为各种同位素在自然界中往往分布的比较均匀,取平均值计算比较准确。

一种化学元素在某个自然体中的重量占这个自然体总重量的相对份额(如百分数),称为该元素在自然体中的丰度 [2]

研究元素和同位素丰度与分布的意义

研究元素丰度是研究地球化学基础理论问题的重要素材之一

宇宙天体是怎样起源的?地球又是如何形成的?地壳与地幔中的主要元素有什么不一样?生命体是怎么产生和演化的?这些研究都离不开地球化学体系中元素丰度分布特征和规律 [3]

元素丰度是每一个地球化学体系的基本数据

可在同一或不同体系中用元素的含量值来进行比较,通过纵向(时间)、横向(空间)上的比较,了解元素动态情况,从而建立起元素集中、分散、迁移活动等一些地球化学概念。从某种意义上来说,也就是在探索和了解丰度这一课题的过程中,逐渐建立起近代地球化学。

自从1889年F.W.克拉克发表元素在地壳中的平均含量的资料以来,人们已经积累了大量有关陨石、太阳、恒星、星云等各种天体中元素及其同位素分布的资料。1937年,戈尔德施米特首次绘制出太阳系的元素丰度曲线。1956年,修斯和尤里根据地球、陨石和太阳的资料绘制出更详细、更准确的元素丰度曲线。1957年,伯比奇夫妇、福勒和霍伊尔就是以该丰度曲线为基础,提出他们的核合成假说的。四十年代,人们只知道大多数恒星的化学组成与太阳相似,因而就认为分布在整个宇宙的元素丰度可能是一样的。但是,后来的研究发现,在不同类型的恒星上,元素的分布有很大的差异。目前,有关元素丰度的资料,主要是太阳系内的天体的,但也有一些其他天体的。1973年,卡梅伦综合了许多人的工作,绘制了一个更广泛的太阳系的元素丰度分布图。

丰度的大小一般以百分数表示。人造同位素的丰度为零。 周期表上所列的原子量实际上是各种同位素按丰度加权的平均值,这是因为各种同位素在自然界中往往分布的比较均匀,取平均值计算比较准确。

(1)克拉克值:是地壳中元素的重量百分数的丰度单位。

(2)区域克拉克值:是指地壳不同构造单元中元素的丰度值。如克拉通地壳元素丰度值。

(3)丰度系数 [1]

是指某一自然体的元素丰度与另一个可作为背景的自然体的元素丰度的比值。

例:以地球丰度为背境,则地壳中该元素的丰度系数定义为:

K=地壳丰度/地球丰度

当K>1时,称为富集,当K<1时,称为亏损。

即元素的相对含量,是在证认的基础上根据谱线相对强度或轮廓推算出来的。结果表明,绝大多数恒星的元素丰度基本相同:氢最丰富,按质量计约占71%;氦次之,约占27%;其余元素约合占2%。这称为正常丰度。有少数恒星的元素丰度与正常丰度不同,一般说来,这与恒星的年龄有关。

各种元素(或核素)的数密度的相对值,元素的丰度可以用列表法或作图法给出。在列表或作图时,通常都把硅(Si)的丰度值取为10,其他核素的丰度值按比例确定。作图时,通常取核素的质量数为横坐标,丰度值为纵坐标,用折线或曲线把图中的点连起来,所得的曲线称为元素的丰度曲线。它反映元素按质量数的分布规律。

因此,元素丰度就是化学元素在一定自然体中的相对平均含量。如元素的地壳丰度,元素的地球丰度,元素的太阳系丰度等。如果这个自然体占据一个较小的空间位置时,习惯上称为元素的平均含量。如玄武岩中元素的平均含量,某矿区中元素的平均含量等。

地球化学的体系:泛指一定范围内或同类的事物按照一定的秩序和内部联系组合而成的整体,体系可大可小。

重量丰度 [4] :以重量单位表示的元素丰度。

重量百分数

(wt%)

用于常量元素

克/吨

(g/t)或ppm

用于微量元素

毫克/吨

(mg/t)或ppb

常用于超微量

元素

微克/吨

(μg/t)或ppt

PPm:(partsper million,10-6);

PPb:(partsper billion,10-9);

PPt:(partsper trillion,10-12);

原子丰度,以原子百分数(原子%)表示的某元素在全部元素的原子总数中的分数。

相对丰度,常以原子数/106硅原子为单位。常用于宇宙元素丰度,所以又称为宇宙丰度单位。

元素

化学

符号

大陆上地壳

大陆中地壳

大陆下地壳

大陆地壳整体

大洋地壳

产量

O

46.60%

47.40%

46%

46.71%

46.1%

100,000,000 吨

Si

27.72%

27.71%

27%

27.69%

28.2%

3,880,000 吨

Al

8.13%

8.20%

8.2%

8.07%

8.23%

15,000,000 吨

Fe

5.00%

4.10%

6.3%

5.05%

5.63%

716,000,000 吨

Ca

3.63%

4.10%

5.0%

3.65%

4.15%

112,000,000 吨 (CaO)

Na

2.83%

2.30%

2.30%

2.75%

2.36%

200,000 吨

K

2.59%

2.10%

1.50%

2.58%

2.09%

200 吨

Mg

2.09%

2.30%

2.90%

2.08%

2.33%

350,000 吨

Ti

0.44%

0.56%

0.66%

0.62%

0.56%

99,000 吨

H

0.14%

N/A

0.15%

0.14%

0.14%

P

0.12%

1000 ppm

1000 ppm

1300 ppm

1050 ppm

153,000,000 吨

Mn

0.10%

950 ppm

1100 ppm

900 ppm

950 ppm

6,220,000 吨

F

0.08%

950 ppm

540 ppm

290 ppm

585 ppm

Ba

500 ppm

340 ppm

500 ppm

425 ppm

6,000,000 吨

C

0.03%

480 ppm (0.048%)

1800 ppm (0.18%)

940 ppm

200 ppm (0.020%)

8,600,000,000 吨

Sr

370 ppm

360 ppm

370 ppm

137,000 吨

S

0.05%

260 ppm

420 ppm

520 ppm

350 ppm

54,000,000 吨

Zr

190 ppm

130 ppm

250 ppm

165 ppm

7,000 吨

W

160.6 ppm

190 ppm

1.25 ppm (?)

45,100 吨

V

0.01%

160 ppm

190 ppm

120 ppm

7,000 吨

Cl

0.05%

130 ppm

170 ppm

450 ppm

145 ppm

Cr

0.01%

100 ppm

140 ppm

350 ppm

102 ppm

4,000,000 吨

Rb

0.03%

90 ppm

60 ppm

90 ppm

只作研究用途

Ni

80 ppm

90 ppm

190 ppm

84 ppm

1,300,000 吨

Zn

痕量

75 ppm

79 ppm

70 ppm

5,020,000 吨

Cu

0.01%

50 ppm

68 ppm

60 ppm

6,450,000 吨

Ce

68 ppm

60 ppm

66.5 ppm

24,000 吨

Nd

38 ppm

33 ppm

41.5 ppm

7,300 吨

La

32 ppm

34 ppm

39 ppm

12,500 吨

Y

30 ppm

29 ppm

33 ppm

400 吨

N

0.005%

25 ppm

20 ppm

19 ppm

44,000,000 吨

Co

痕量

20 ppm

30 ppm

25 ppm

17,000 吨

Li

20 ppm

17 ppm

20 ppm

39,000 吨

Nb

20 ppm

17 ppm

20 ppm

15,000 吨

Ga

18 ppm

19 ppm

19 ppm

30 吨

Sc

16 ppm

26 ppm

22 ppm

0.50 吨

Pb

14 ppm

10 ppm

14 ppm

2,800,000 吨

Sm

7.9 ppm

6 ppm

7,05 ppm

700 吨

Th

12 ppm

6 ppm

9.6 ppm

31,000 吨

Pr

9.5 ppm

8.7 ppm

9.2 ppm

2400 吨

B

痕量

950 ppm (?)

8.7 ppm

10 ppm

1,000,000 吨

Gd

7.7 ppm

5.2 ppm

6.2 ppm

400 吨

Dy

6 ppm

6.2 ppm

5.2 ppm

100 吨

Hf

5.3 ppm

3.3 ppm

3.0 ppm

50 吨

Er

3.8 ppm

3.0 ppm

3.5 ppm

500 吨

Yb

3.3 ppm

2.8 ppm

3.2 ppm

50 吨

Cs

3 ppm

1.9 ppm

3 ppm

20 吨

Be

2.6 ppm

1.9 ppm

2.8 ppm

364 吨

Sn

痕量

2.2 ppm

2.2 ppm

2.3 ppm

165,000 吨

Eu

2.1 ppm

1.8 ppm

2.0 ppm

400 吨

U

1.8 ppm

2.7 ppm

Ta

2 ppm

1.7 ppm

2.0 ppm

840 吨

Ge

1.8 ppm

1.4 ppm

1.5 ppm

80 吨

Mo

痕量

1.5 ppm

1.1 ppm

1.2 ppm

80,000 吨

As

1.5 ppm

2.1 ppm

1.8 ppm

47,000 吨

Ho

1.4 ppm

1.2 ppm

1.3 ppm

10 吨

Tb

1.1 ppm

0.94 ppm

1.2 ppm

10 吨

Tm

0.48 ppm

0.45 ppm

0.52 ppm

50 吨

Br

0.37 ppm

3 ppm

2.4 ppm

330,000 吨

Tl

0.6 ppm

0.530 ppm

0.850 ppm

30 吨

Sb

0.2 ppm

0.2 ppm

0.2 ppm

53,000 吨

I

痕量

0.14 ppm

0.490 ppm

0.450 ppm

12,000 吨

Cd

0.11 ppm

0.15 ppm

0.15 ppm

13,900 吨

Ag

0.070 ppm

0.080 ppm

0.075 ppm

9950 吨

Hg

0.05 ppm

0.067 ppm

0.085 ppm

8400 吨

Se

痕量

0.05 ppm

0.05 ppm

0.05 ppm

600 吨

In

0.049 ppm

0.160 ppm

0.250 ppm

75 吨

Bi

0.048 ppm

0.025 ppm

0.0085 ppm

6000 吨

Te

0.005 ppm

0.001 ppm

0.001 ppm

215 吨

Pt

0.003 ppm

0.037 ppm

0.005 ppm

30 吨

Au

0.0011 ppm

0.0031 ppm

0.004 ppm

1,400 吨

Ru

0.001 ppm

0.001 ppm

0.001 ppm

0.12 吨

Pd

0.0006 ppm

0.0063 ppm

0.015 ppm

24 吨

Re

0.0004 ppm

0.0026 ppm

0.0007 ppm

4.5 吨

Rh

0.0002 ppm

0.0007 ppm

0.001 ppm

3 吨

Os

0.0001 ppm

0.0018 ppm

0.0015 ppm

0.06 吨

Ir

0.0000003 ppm (?)

0.0004 ppm

0.001 ppm

3 吨


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