地球化學(xué)化學(xué)元素豐度與分布

1、2.1 元素豐度的概念和表示方法2.2 太陽系的化學(xué)組成2.3 地球的化學(xué)組成2.4 地殼的化學(xué)組成2.5 水-巖化學(xué)作用第2章 化學(xué)元素的豐度與分布12.1 元素豐度的概念和表示方法2.1.1 豐度和豐度體系 因此，元素豐度就是化學(xué)元素在一定自然體中的相對平均含量。如元素的地殼豐度，元素的地球豐度，元素的太陽系豐度等。如果這個自然體占據(jù)一個較小的空間位置時，習(xí)慣上稱為元素的平均含量。如玄武巖中元素的平均含量，某礦區(qū)中元素的平均含量等。1. 一種化學(xué)元素在某個自然體中的重量占這個自然體總重量的相對份額（如百分?jǐn)?shù)），稱為該元素在自然體中的豐度。2火山角礫巖2. 地球化學(xué)的體系：泛指一定范圍內(nèi)或同

2、類的事物按照一定的秩序和內(nèi)部聯(lián)系組合而成的整體，體系可大可小。3目前已建立的元素豐度體系4（1）克拉克值：是地殼中元素的重量百分?jǐn)?shù)的豐度單位。（2）區(qū)域克拉克值：是指地殼不同構(gòu)造單元中元素的豐度值。如克拉通地殼元素豐度值。3.與豐度相關(guān)的名詞 5（3）豐度系數(shù)： 是指某一自然體的元素豐度與另一個可作為背景的自然體的元素豐度的比值。例：以地球豐度為背境，則地殼中該元素的豐度系數(shù)定義為： K=地殼豐度/地球豐度當(dāng)K1時，稱為富集，當(dāng)K1時，稱為虧損。6MORB-normalized Spider DiagramsFigure2. Winter (2001) An Introduction to I

3、gneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall. Data from Sun and McDonough (1989). 74. 研究元素和同位素豐度與分布的意義研究元素豐度是研究地球化學(xué)基礎(chǔ)理論問題的重要素材之一 宇宙天體是怎樣起源的？地球又是如何形成的？地殼與地幔中的主要元素有什么不一樣？生命體是怎么產(chǎn)生和演化的？這些研究都離不開地球化學(xué)體系中元素豐度分布特征和規(guī)律。8元素豐度是每一個地球化學(xué)體系的基本數(shù)據(jù) 可在同一或不同體系中用元素的含量值來進(jìn)行比較，通過縱向（時間）、橫向（空間）上的比較，了解元素動態(tài)情況，從而建立起元素集中、分散、遷移活

4、動等一些地球化學(xué)概念。從某種意義上來說，也就是在探索和了解豐度這一課題的過程中，逐漸建立起近代地球化學(xué)。92.1.2 豐度表示法重量百分?jǐn)?shù)（wt）用于常量元素克/噸（g/t）或ppm用于微量元素毫克/噸（mg/t）或ppb常用于超微量元素微克/噸（g/t）或ppt1、重量豐度：以重量單位表示的元素豐度。(parts per million，10-6）； (parts per billion，10-9）；(parts per trillion，10-12）；PPm:PPb：PPt：102、原子豐度，以原子百分?jǐn)?shù)（原子）表示的某元素在全部元素的原子總數(shù)中的分?jǐn)?shù)。3、相對豐度，常以原子數(shù)/106硅原

5、子為單位。常用于宇宙元素豐度，所以又稱為宇宙豐度單位。 112.2 太陽系的化學(xué)組成122006年8月24日，在布拉格召開的國際天文學(xué)聯(lián)合會上，天文學(xué)家投票“驅(qū)逐”了冥王星。 13 （1）行星：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星定義：圍繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)，自身引力足以克服其剛體力而使天體呈圓球狀，并且能夠清除其軌道附近其他物體的天體。1. 太陽系天體分為三類：14 （2）矮行星：冥王星，齊娜星、谷神星定義：與行星同樣具有足夠的質(zhì)量，呈圓球狀，但不能清除其軌道附近其他物體的天體。（3）太陽系小天體定義：圍繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)但不符合行星和矮行星條件的物體。1516對太陽及其它星體輻射的光譜進(jìn)行定性

6、、定量測定。但這些資料有兩個局限性：一是有些元素產(chǎn)生的波長小于2900，這部分譜線在通過地球化學(xué)大氣圈時被吸收而觀察不到；二是這些光譜產(chǎn)生于表面，它只能說明表面成分，如太陽光譜是太陽氣產(chǎn)生的，只能說明太陽氣的組成。2. 確定太陽系元素組成的途徑17太陽光譜光譜分析: 由名為麥克梅斯.皮爾斯(McMath-Pierce)的太陽塔所產(chǎn)生的光譜圖。光譜圖中的暗線，是因?yàn)樘柋砻婧蜕戏降臍怏w對來自太陽內(nèi)部的陽光選擇性吸收的結(jié)果。因?yàn)椴煌N類的氣體會吸收不同顏色的光，所以從這些吸收暗線，我們可以定出太陽表面的氣體組成。 例如，氦就是在1,870年首先在太陽光譜中發(fā)現(xiàn)的新元素，后來才在地球找到它的蹤跡。1

7、8宇航員月球車火星車直接測定地球巖石、月球巖石和各類隕石； 上個世紀(jì)七十年代美國“阿波羅”飛船登月，采集了月巖、月壤樣品，1997年美國“探路者”號，2004年美國的“勇敢者”“機(jī)遇”號火星探測器測定了火星巖石的成分。19利用宇宙飛行器對臨近地球的星體進(jìn)行觀察和測定；分析測定氣體星云、星際間物質(zhì)和宇宙線的組成金星20 對于太陽系元素豐度的估算，各類學(xué)者選取太陽系的物體是不同的。有的主要是根據(jù)太陽和其它行星光譜資料及隕石物質(zhì)測定；有的根據(jù)CI型球粒隕石。再加上估算方法不同，得出的結(jié)果也不盡相同。 21序號元素推薦值相對誤差 (1sigma)序號元素推薦值相對誤差 (1sigma)1H2.79E+

8、10-47Ag0.4862.9%2He2.72E+09-48Cd1.616.5%3Li57.19.2%49In0.1846.4%4Be0.739.5%50Sn3.829.4%5B21.210.0%51Sb0.30918.0%6C1.01E+07-52Te4.8110.0%7N3.13E+06-53I0.921.0%下表列出了GERM（1998，）的太陽系元素豐度（單位：原子數(shù)/106Si原子）（ GERM：）。22 首先這是一種估計(jì)值，是反映目前人類對太陽系的認(rèn)識水平，這個估計(jì)值不可能是完全正確的，隨著人們對太陽系以至于宇宙體系的探索的不斷深入，這個估計(jì)值會不斷的修正； 數(shù)據(jù)雖然還是很粗略的，

9、但從總的方面來看，它反映了元素在太陽系分布的總體規(guī)律。 對于這樣的數(shù)據(jù)我們應(yīng)給與一個正確的評價：233. 太陽系的形成及元素的起源241）太陽系物質(zhì)的同源性 地球、月球、隕石的135Ba/136Ba只在0.01%范圍內(nèi)變化。2）太陽星云的凝聚過程及物質(zhì)分異 太陽星云自轉(zhuǎn)加速= 星云盤+原太陽=溫度增高引起星云盤內(nèi)的物質(zhì)分餾。元素的化學(xué)分餾=隨溫度降低的凝聚=凝聚物聚集為塵層、粒子團(tuán)、星子、行星253）行星形成方式不均一的吸積說首先吸積金屬鐵，然后吸積硅酸鹽。均一的吸積說吸積過程的物質(zhì)成分是均勻的，核、幔在后來的演化過程中形成。26 A. 大爆炸宇宙的核合成過程（H、He和少量Li、Be、B）大

10、爆炸誕生時只存在高密度的基本粒子（質(zhì)子，中子，電子等）和反粒子（反質(zhì)子，反中子，反電子等），當(dāng)溫度降到1012K時,發(fā)生氫核聚變反應(yīng)：1H + 1H = 2D+ + + 0.422MeV2D + 1H = 3He + + 5.493MeV3He + 3He = 4He + 21H + 12.859MeV4）元素起源（假說）27B.隨后發(fā)生氦核聚變反應(yīng)：當(dāng)恒星內(nèi)部的氫全部轉(zhuǎn)變?yōu)楹ひ院?，氫核聚變停止。此時恒星內(nèi)部收縮，溫度升高到100106K，氦核聚變開始。4He + 4He = 8Be 8Be + 4He = 12C + 12C+ 4He = 16O16O+ 4He = 20Ne2820Ne +

11、 4He = 24Mg24Mg + 4He = 28Si28Si + 4He = 32S (36Ar, 40Ca等)由于在原子核和粒子之間存在正的靜電斥力，因此通過氦核聚合方式產(chǎn)生的新原子核的質(zhì)量是有限的。研究表明，以這種方式形成的最重的原子核為56Ni，并經(jīng)進(jìn)一步衰變而成穩(wěn)定的56Fe。這正好解釋了宇宙中鐵元素含量異常高的原因。29C.中子俘獲過程（鐵以后的元素）中子捕獲反應(yīng)是恒星演化到最晚階段才開始發(fā)生的重要反應(yīng)，由此產(chǎn)生原子序數(shù)大于26（Fe）的重元素。a.慢中子俘獲（s 過程）：一個原子的兩次中子俘獲之間有足夠時間讓生成核發(fā)生衰變（ 衰變），可合成元素至A=209。b.快中子俘獲（r

12、過程）：兩次俘獲時間很短（ 衰變較少），可合成A=209以后的元素。30質(zhì)子數(shù)Z中子數(shù)N紅巨星中由慢中子捕獲反應(yīng)合成核素示意圖（據(jù)柴之芳，1998）。藍(lán)色部分為穩(wěn)定同位素，其余為放射性同位素314. 太陽系元素豐度規(guī)律把太陽系元素豐度的數(shù)值取對數(shù)lgC作縱坐標(biāo)，原子序數(shù)Z作橫坐標(biāo)。 H和He是豐度最高的兩種元素，其原子數(shù)幾乎占太陽中全部原子數(shù)目的98 原子序數(shù)較低的范圍內(nèi)（Z90%）和少量其他元素組成（Co, S, P, Cu, Cr, C等）。 3）石-鐵隕石（sidrolite）：由數(shù)量上大體相等的FeNi和硅酸鹽礦物組成，是上述兩類隕石的過渡類型。40鐵隕石石隕石411976年3月8日下

13、午，中國吉林市北郊降落了一次世界上罕見的隕石雨： 隕落的巨石穿透凍土層，砸出一個深6.5米、直徑2米多的坑。這塊隕石重1770千克，是至今世界上最大的石隕石，連同收集到的其它隕石，總重量達(dá)2噸以上。422006年01月25日我國第22次南極科考隕石“大豐收”43納米比亞的Hoba鐵隕石（重60噸）在南極發(fā)現(xiàn)的火星隕石（ALH84001）美國科學(xué)家1996年報道在這塊火星隕石中發(fā)現(xiàn)了火星生命的跡象。442. 隕石的平均化學(xué)成分 隕石的平?jīng)Q化學(xué)成分計(jì)算結(jié)果如下（V.M.Goldschmidt 采用硅酸鹽鎳-鐵隕硫鐵=1021）： 要計(jì)算隕石的平均化學(xué)成分必須要解決兩個問題：首先要了解各種隕石的平均

14、化學(xué)成分；其次要統(tǒng)計(jì)各類隕石的比例。各學(xué)者采用的方法不一致。45球粒隕石是星云直接凝聚或星云凝聚物重熔的產(chǎn)物，代表地幔和原始未分異地球的狀態(tài)和化學(xué)成分。碳質(zhì)球粒隕石典型特征：含有碳的有機(jī)化合物分子，并且隕石主要由含水硅酸鹽組成。 3. 球粒隕石：46圖3 CI型碳質(zhì)球粒隕石元素豐度與太陽元素豐度對比(據(jù)涂光熾，1998)47 碳質(zhì)球粒隕石對探討生命起源的研究和探討太陽系元素豐度等各個方面具有特殊的意義。 由于CI型碳質(zhì)球粒隕石的元素豐度幾乎與太陽中觀察到的非揮發(fā)性元素豐度完全一致，碳質(zhì)球粒隕石的化學(xué)成分已被用于估計(jì)太陽系中非揮發(fā)性元素的豐度。484. 如何鑒定一塊樣品是否為隕石？1. 采集背景

15、2. 外表熔殼：隕石在隕落地面以前要穿越稠密的大氣層，隕石在降落過程中與大氣發(fā)生磨擦產(chǎn)生高溫，使其表面發(fā)生熔融而形成一層薄薄的熔殼。因此，新降落的隕石表面都有一層黑色的熔殼，厚度約為1毫米。3表面氣印：另外，由于隕石與大氣流之間的相互作用，隕石表面還會留下許多氣印，就象手指按下的手印。494內(nèi)部金屬：鐵隕石和石鐵隕石內(nèi)部是有金屬鐵組成，這些鐵的鎳含量很高（510）。球粒隕石內(nèi)部也有金屬顆粒，在新鮮斷裂面上能看到細(xì)小的金屬顆粒。5磁性：正因?yàn)榇蠖鄶?shù)隕石含有鐵，所以95的隕石都能被磁鐵吸住。6球粒：大部分石隕石是球粒隕石（占總數(shù)的90），這些隕石中有大量毫米大小的硅酸鹽球體，稱作球粒。在球粒隕石的

16、新鮮斷裂面上能看到圓形的球粒。7比重：鐵隕石的比重為8克/cm3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地球上一般巖石的比重。球粒隕石由于含有少量金屬，其比重也較重。50512.2.3 月球化學(xué)521.概況53 1）月巖有3種類型： 月海玄武巖、高地斜長巖、高地玄武巖 2）月球的主要化學(xué)成分： O，Si，F(xiàn)e，Ca，Mg， Al，Ti 3）無水、少揮發(fā)分 4）月巖年齡：4631 億年活動2.月巖的化學(xué)組成54阿波羅16號從月球上取回的斜長巖標(biāo)本斜長巖是一種基性深成巖，90%以上的成分是斜長石，此外尚有一些成分為角閃石、輝a石和黑云母組成。斜長巖為灰色，粗粒狀結(jié)構(gòu)，有閃光變彩現(xiàn)象。斜長巖為一種古老的巖石，也是月球表面組成月陸的重要成分551. 行星的化學(xué)