第02章天體化學

第二章天體化學元素的起源太陽系的起源與演化隕石、星際氣體與塵埃宇宙演化的時間序列地外物體撞擊事件第二章天體化學概論一、元素的起源宇宙起源HertzsprungRussellDiagramB2FH理論Burbidge夫婦、Fowler和Hoyle于1957年提出的大爆炸宇宙理論核聚變、核反應8CosmologyandBigBang9ExpansionoftheuniverseHubblelawtellthatgalaxiesmoveawayfromusataspeedproportionaltotheirdistancesV=Hod(Ho=70km/s/mpc)Areweatthecenteroftheexpansion?No!-EverygalaxyismovingawayfromeveryothergalaxyTheentireuniverseisexpanding10RedshiftGalaxiesarelikedotsonanexpandingbaloonWhileaphotonemittedfromadistantgalaxytraveltowardus,theuniverseexpandandthephotongetstretched.WhenweobservethephotonitappearredderthatitwasoriginallyCosmologicalredshiftTheBigBang（宇宙大爆炸）P（質(zhì)子）+α（中子）＝D（2H）＋γT=1012K密度無窮大T>1032K基本粒子反粒子Thermonuclearreaction常說“在星星中H燃燒形成He”。這句話不準確，在日常生活中燃燒是耗氧的化學反應，不存在如何反應物的原子核發(fā)生改變。實際上，在星體中心發(fā)生的是熱核反應（thermonuclearreaction）.而且多為P-P鏈反應（so-calledP-P(proton-proton)chain）:P-PChain1H+1H

2D++

+2D+1H

3He+h3He+3He

4He+1H+1H

Summaryequation:61H4He+21H+2

h+2++2Carbon-catalysed

P-PChainAthighertemperaturethere′sanotherpossiblewayofthischain–withcarbonasthecatalystandnitrogenandoxygenasinterproducts.Carbon-catalysed

P-PChain

12C+1H

13N+h13N

13C++

+13C+1H

14N+h14N+1H

15O+h15O

15N++

+15N+1H

12C+4He

Summaryequation:12C+41H

4He+

12C+2++2+3hHelium-carbonchain4He

+

4He

8Be+hThemostpartofherecreated8Besoondecomposebackto4He,sothisreactionisnotsoeffectiveaspurep-pchain.8Be+4He

12C+hSummaryequation:

34He

12C+2hB2FH理論：氫燃燒：質(zhì)子－質(zhì)子反應鏈和C-N反應鏈，C、N、O、F、Ne、Na等氦燃燒：12C、16O、20Ne和24Mgα過程：形成4n核素e過程：V、Cr、Mn、Fe、Co、Nis過程：慢中子俘獲過程，形成A為23-46、63-209等核素r過程：快中子俘獲，形成A：70-209；鐵峰p過程：俘獲質(zhì)子過程X過程：形成D、Li、Be和B太陽內(nèi)部

太陽的質(zhì)量73％為H，25%He，其它元素僅占2%。用光譜方法測定太陽光譜成分太空中星體的成分HydrogenHeliumeverythingelse90%H10%He<1%其它(正是這些構(gòu)成星體）生命演化歷史元素的起源太陽系的起源與演化隕石、星際氣體與塵埃宇宙演化的時間序列地外物體撞擊事件第二章天體化學概論二、太陽系的起源與演化太陽系同源性太陽系的基本特征太陽系的成分太陽系的形成1.太陽系同源性上述天體物理證據(jù)：共面性同向性提丟斯－波德定律：r=0.4+0.3×２n-2．當n=1時，取r=0.4，對應水星軌道；n=2時，代入得r=0.7，對應金星軌道；n=3時，得r=1.0（地球）；n=4時，得r=1.6（火星）；n=6時，得r=5.2（木星）；n=7時，得r=10.0（土星）．1722年柏林天文臺臺長波德公布了這一公式，后來稱為提丟斯-波德定則．1781年發(fā)現(xiàn)的天王星，r=19.18天文單位．取n=8時，得r=19.6天文單位，兩者很接近，證實了這個公式．地球化學證據(jù)：REE模式一致（地球、月球、各類隕石）同位素一致（地球、月球、各類隕石）2、太陽系的基本特征四種基本事實（各種理論的挑戰(zhàn)）：太陽系內(nèi)物質(zhì)有序運轉(zhuǎn)兩類大行星小行星和彗星例外SunMercuryVenusEarthMarsJupiterSaturnUranusNeptunePluto四種挑戰(zhàn)所有物質(zhì)的有序運動軌道（Orbits）:大多數(shù)星體（物質(zhì)）按同一方向軌道運行。自轉(zhuǎn)（Rotations）:大多數(shù)星體自轉(zhuǎn)方向與它們運行方向相同。四種挑戰(zhàn)2)兩種基本類型的大行星類地行星(‘Earthlike’)由巖石和金屬組成不太大靠近太陽類木行星(‘Jupiterlike’)由氣體組成非常大遠離太陽四種挑戰(zhàn)3)小行星和彗星小行星由巖石和金屬組成非常小主要分布在火星和木星之間彗星主要由冰組成非常小大部分在海王星之外四種挑戰(zhàn)4)例外一個行星反向自轉(zhuǎn)：金星一個行星側(cè)向自轉(zhuǎn)：天王星好幾個衛(wèi)星反向運行地球的衛(wèi)星：月球(太大)冥王星!古怪的軌道非類地行星非類木行星3、太陽系的成分太陽星云成分:70%H28%He2%“otherstuffHcompounds-methane,ammonia,water,etc.(1.4%)rockystuff(0.4%)metallicstuff(0.2%)4.太陽系的形成當一個行星形成后，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)，同時把星云物質(zhì)，向外摔，形成星云盤PlanetarysystemformationItisthoughtthatplanetarysystemsforminlargedustandgascloudssuchasthisone(Orionnebula,asseenbytheHubbleSpaceTelescope).clickTheterrestrialplanetsTheouterplantes元素的起源太陽系的起源與演化隕石概述宇宙演化的時間序列地外物體撞擊事件第二章天體化學概論三、隕石概述隕石的形成隕石的定義隕石的分類隕石的研究意義南極隕石太陽系外物質(zhì)AsteroidsBeltCometsMeteors三、隕石概述隕石的形成隕石的定義隕石的分類隕石的研究意義南極隕石太陽系外物質(zhì)2、隕石的定義隕石是從行星際空間穿越地球大氣層經(jīng)燒失后達到地球表面保存下來的地外固體物質(zhì)。降落隕石（Falls）：人們目睹隕石降落過程并收集到的隕石發(fā)現(xiàn)隕石（Finds）：收集到的但無隕石降落記載的隕石，如南極隕石GRV020003-典型的具有熔殼的隕石三、隕石概述隕石的形成隕石的定義隕石的分類隕石的研究意義南極隕石太陽系外物質(zhì)

隕石分類隕石石隕石石－鐵隕石鐵隕石球粒隕石無球粒隕石多種類型未分異隕石分異隕石多種類型分異隕石分異隕石石-鐵隕石鐵隕石隕石的類型劃分石隕石石鐵隕石鐵隕石ClassificationChondritesStonyprimitivemeteoritesOrigininnon-differentiatedasteroidsthathavenotmeltedComposedofmaterialcondenseddirectlyfromthesolarnebulaContainsurvivinginterstellargrainsInsomecasesmodifiedbyacqueousprocessing,i.e.,liquidwaterwasoncepresentSilicates,metalsandothermineralsarefoundincloseproximityofoneanotherintherockymatrixTypicallycontainchondrules:small,nearlyspheroidal,igneousinclusionswhichsolidifiedfrommeltdropletsSomechondrulesareglassy,implyingextremelyrapidcoolingfrommeltCompositionnearlysolar--mosteasilyaccessiblesampleoftheaveragesolarsystemcompositionofmostelementsClassesofchondritesCarbonaceouschondritesMostvolatilerichofthechondritesFourmajorsubgroupsdifferingslightlyincomposition:CI,CM,CO,CVOrdinarychondritesThemostcommonprimitivemeteoriteClassificationinorderofdecreasingFe/Si(i.e.,increasingoxidizedFe)ratio:H,L,LLOrdinaryH3chondriteCarbonaceousCM2chondriteEnstatitechondritesNamedafterthemostdominantmineral,enstatiteolivine(MgSiO3)SubgroupedinorderofdecreasingFeabundance:EH,ELFormedunderveryreducingconditions(Mercury?)PetrographicclassesaccordingtoprocessinginplanetaryenvironmentsType1through6accordingtodecreasingvolatility/acqueousalterationType3apparentlytheleastalteredandmostrepresentativeofprotoplanetaryconditions,withtype4,5and6indicatingincreasingmetamorphicprocessingType1isdevoidofchondrules,whichwereeitherneverpresentordestroyedbyacqueousprocessesAchondritesStonymeteorites14typesDevoidofchondrulesDifferentiated:originatefrombodieswithmolteninteriorshavingexperienceddensitydependentphaseseparationSignificantlydepletedinironandsiderophileelementswhichconcentratedinthecenteroftheparentbodyBulkcompositionisenhancedinlithophileand/orchalcophileelementsAchondriteclassificationImportanttypesincludeHEDgroup:howardites,eucritesanddiogenites,possiblyoriginatingfromVestaSNCgroup:shergottites,nakhlitesandchassignys,certainlyoriginatingfromMarsLunarachondrites,originatingfromtheregolithandbasaltsEucriteShergottiteLunarIronmeteoritesOriginatedfromironcoreofadifferentiatedbodyClassifiedprimarilyonthebasisoftheirabundanceofNiandthemoderatelyvolatiletraceelementsGeandGaCompositionalvariationsarecorrelatedtoobserveddifferencesinstructure,moresothaninthecaseofchondritesTheWidmanst?ttencrystallizationpatterndependontherateofcoolingfrommeltStony-ironmeteoritesOriginatedindifferentiatedbodyPallasitesMatrixofFe-Nialloywithnodulesofolivinetypically5mmindiameterIgneousoriginProbablyformedatacore-mantleinterfacewhereolivinecouldformandsinktothebottominamoltenmetalenvironmentMesosideritesMixtureofmetalandmagmaticrocksPallasiteMesosiderite隕石類型石隕石球粒隕石無球粒隕石球粒隕石普通球粒隕石碳質(zhì)球粒隕石頑輝石球粒隕石特殊球粒隕石K型R型普通球粒隕石化學群H群：FeO含量，高L群：FeO含量，低LL群：FeO含量，最低隕石類型1型－3型：原始4-6型：重結(jié)晶7型：無球粒出現(xiàn)碳質(zhì)球粒隕石CICVCOCMCRCK頑輝石球粒隕石EHEL最還原三、隕石概述隕石的形成隕石的定義隕石的分類隕石的研究意義南極隕石太陽系外物質(zhì)隕石學研究的主要內(nèi)容恒星的演化:太陽系外物質(zhì)、滅絕核素太陽的星云演化:CAI、球粒、基質(zhì)、同位素異常地球的初始物質(zhì)組成:球粒隕石太陽系的早期巖漿分異：無球粒隕石、鐵隕石地球的深部物質(zhì)組成：隕石中的高壓礦物地質(zhì)界線與隕石撞擊月質(zhì)學：月球隕石火星學：火星隕石有機質(zhì)演化與生命起源：碳質(zhì)球粒隕石、火星隕石

隕石的價值及科學意義

隕石的價值：稀有性，隕石的形成及獲得是非常難得的科學價值科學意義除月巖樣品外，隕石是唯一的地外物質(zhì)。即使能用航天器采樣，代價也是十分昂貴。確定太陽系內(nèi)固體物質(zhì)的年齡或演化時標太陽系演化歷史及其初始成分以及行星演化成分不同類型隕石可提供太陽星云物理化學條件的信息生命起源天然的高壓沖擊實驗隕石的源區(qū)隕石是現(xiàn)代測試技術的理想標樣ThePeekskillmeteoriteOctober,199214km/svelocity46kmheightClickhere火星隕石：100多萬美元火星隕石火星隕石的主要證據(jù)：火星隕石中的稀有氣體成分與美國火星探測器（海盜號）所獲得的火星大氣成分特征一致；火星隕石的結(jié)晶年齡很輕（<1.3Ga)說明該隕石來自于大的行星體火星隕石的微量元素成分特征，如同位素。研究隕石的意義鐵隕石（球粒隕石化學群）碳質(zhì)球粒隕石（C群）中的包體星云凝聚的連續(xù)系列C型包體的初始物質(zhì)B型包體的初始物質(zhì)隕石中的太陽系外物質(zhì)太陽星云的不均一性超新星成因SiCEHLLL C無球粒隕石石-鐵隕石頑輝石球粒隕石（E群）發(fā)現(xiàn)新的過渡群還原條件下星云的凝聚還原條件下隕石的熱變質(zhì)還原氧化(形成條件)熔融分異型隕石三、隕石概述隕石的形成隕石的定義隕石的分類隕石的研究意義南極隕石太陽系外物質(zhì)南極隕石三次南極考察經(jīng)歷野外隕石識別特征黑色熔殼隕石外形，氣印含鐵高，磁性陣風懸崖南段藍冰型隕石無熔殼隕石的確定（本次隕石回收突破之一）已分離出的前太陽物質(zhì)金剛石:Lewisetal.(1987)SiC:Bernatowiczetal.(1987)石墨:Amarietal.(1990)Al2O3:Hussetal.(1994)

Si3N4:Nittleretal.(1995)MgAl2O4:Choietal.(1998)硅酸鹽:Messengeretal.(2003)Interplanetarydust(Brownlee)particleHighlyporous10μmsizeIPDcollectedinthestratosphere,ofchondriticcomposition地外有機質(zhì)與生命起源:Astrobiology元素的起源太陽系的起源與演化行星、衛(wèi)星及彗星化學隕石、星際氣體與塵埃宇宙演化的時間序列地外物體撞擊事件天體化學概論五、宇宙演化的時間序列宇宙年齡：1.1~1.6×104Ma（上限2×104Ma）銀河系年齡：1.1~1.2×104Ma太陽系年齡：6.2~7.7×103Ma太陽星云至太陽系形成的時間間隔100Ma隕石的年齡氣體保留年齡裂變徑跡年齡宇宙暴露年齡居地年齡元素的起源太陽系的起源與演化行星、衛(wèi)星及彗星化學隕石、星際氣體與塵埃宇宙演化的時間序列地外物體撞擊事件天體化學概論地外物體撞擊事件撞擊坑的分布圖1,200feetindiameter.Isthisameteoritecrater?Meteorcrater,ArizonaDoweknowabsolutelythatitisameteorcraterandnot,sayavolcaniccrater?No,buttheevidenceisprettystrongforameteor.meteoritefragmentsexplosionshatteredrock(shattercones)high-pressuremineralsA30mdiametermassofnickel-ironat20km/s.Roughlyequivalentto20-30megatonnuclearexplosion.MostlyvaporizedAbout50,000yearsago.Circularcraternomatterwhatdirectionofimpact.ChicxulubCrater–GAILCHRISTESONProposedmeteoriteimpactcraterCenteredonChicxulubontheYucatánPeninsulaofMexicoDiscoveredin1950’s,interpretedtobevolcanicMeteoriteImpactCraterChicxulubCraterPalaeo.gly.bris.ac.uk/Communication/Hanks/Fig6.htmlChicxulubCraterhttp://wwwdsa.uqac.ca/~mhiggins/MIAC/chicxulub.htmChicxulubCrater/SIC/impact_cratering/Chicxulubprpage/Chicxulub_drilling_hires.jpgShockedquartzTsunamidepositsandtektites,smallpiecesofrockthatweremeltedduringtheproposedimpactandhurledintotheatmosphereEvidenceatChicxulubhttp://wwwdsa.uqac.ca/~mhiggins/MIAC/chicxulub.htmThemomentofimpact65millionyearsagonearwhatisnowtheYucatanPeninsula......andtheChicxulubcrater,afewdayslater.Notetheinnerring./scienceastronomy/planetearth/asteroid_jello_001122.htmlWhathappened?Accordingtotheimpacthypothesis60timesthemassofthemeteoritewasblastedfromthecrusthighintotheatmosphereheatgeneratedatimpactstartedragingforestfiresthataddedmoreparticulatemattertotheatmosphereSunlightwasblockedforseveralmonthscausedatemporarycessationofphotosynthesisfoodchainscollapsedandextinctionsfollowedImpactConsequencesPossibleeffectsFrom/effects/AveryroughapproximationcenteredonSDSUfireballsevereshockwaveTunguskaeventIn1908,somethingexplodedaboveSiberia.Peopleknockeddown60kmaway;onemankilled30kmaway.Treesknockeddownoveralargearea.ExplosionregisteredonseismographsandbarographsinEurope.Thoughttobealargemeteoriteabout40-50mindiameterthatexplodedinmid-air.Notinvestigateduntil1921.Butnocrater…..why?第一次

時間：距今4.4億年前的奧陶紀末期。事件：導致大約85%的物種滅絕。

第二次

時間：距今3.65億年前的泥盆紀后期。

事件：海洋生物遭受了滅頂之災。

第三次

時間：距今2.5228億年前的二疊紀末期。事件：導致海洋95%以上和陸地75%以上的生物物種大滅絕。

第四次

時間：距今2億年前的三疊紀晚期。

事件：爬行類動物遭遇重創(chuàng)。

第五次

時間：6500萬年前后，白堊紀晚期。

事件：侏羅紀以來長期統(tǒng)治地球的恐龍滅絕了。

K/TBoundaryCretaceous-Tertiary(K/T)boundary(~65Ma)SecondlargestmassextinctioninEarth’shistoryHalfoflifeonEarthdiedout(3/4species)WhatdidEarthlooklike65Ma?GreatestmassextinctiontookplaceattheendofthePaleozoicEraK/TextinctionhasattractedmoreattentionbecauseitaffecteddinosaursMassExtinctions—CrisesintheHistoryofLife/SIC/impact_cratering/Chicxulub/totaldiversity.jpgK/TBoundaryExtinctionTropicalgroupssufferedmostSeawatercooling,globalregressionMammals,birds,turtles,crocodiles,lizards,snakesandamphibiansunaffectedWhatcausedtheK/Textinction?Volcaniceruptions?Regression?Climatechange?Impact?Alloftheabove?/projects/ktimpact/ktimpact.htmlNumeroushypothesesproposedtoexplainMesozoicextinctionsOneproposalhasbecomepopularsince1980basedonadiscoveryinItaly2.5-cm