地球化學課件專題3 - 宇宙地球化學-1

北京大學地球與空間科學學院地球化學研究所《地球化學》授課老師：李秋根E-mail:qgli@PhoneMP)Room:新地學樓35081五、巖漿熔體中元素遷移4.主要造巖元素在巖漿分異中的演化原因：主要造巖元素在巖漿中的存在狀態(tài)及其能量性質礦物結晶的一般順序：暗色系列：Ol=>Py=>Am=>Bi淺色系列：Or=>Ms=>Q[SiO4]4-=>[SiO3]2-

=>[Si4O11]6-

=>[Si2O5]2-=>[AlSi3O8]-

Mg=>Fe=>Ca=>Na=>K21）離子電位解釋（半徑小電價高先結合）

巖漿主要離子的離子電位五、巖漿熔體中元素遷移4.主要造巖元素在巖漿分異中的演化陰陽離子結合服從能力對等要求：高-高-早晶出；低-低-后晶出3五、巖漿熔體中元素遷移4.主要造巖元素在巖漿分異中的演化2）晶格能解釋

一些主要造巖礦物的晶格能（kcal/mol）

1kcal/mol=4.1868kJ/mol4五、巖漿熔體中元素遷移5.巖漿不混溶與液態(tài)熔離作用1）巖漿不混溶類型（1）巖漿-硫化物熔體（2）巖漿-巖漿（巖漿-氧化物）（3）巖漿-流體5五、巖漿熔體中元素遷移5.巖漿不混溶與液態(tài)熔離作用1）巖漿不混溶類型（1）巖漿-硫化物熔體（2）巖漿-巖漿（巖漿-氧化物）（3）巖漿-流體Robb（2005）6五、巖漿熔體中元素遷移5.巖漿不混溶與液態(tài)熔離作用1）巖漿不混溶類型（1）巖漿-硫化物熔體（2）巖漿-巖漿（巖漿-氧化物）（3）巖漿-流體7五、巖漿熔體中元素遷移5.巖漿不混溶與液態(tài)熔離作用1）巖漿不混溶類型（1）巖漿-硫化物熔體（2）巖漿-巖漿（巖漿-氧化物）（3）巖漿-流體8五、巖漿熔體中元素遷移5.巖漿不混溶與液態(tài)熔離作用1）巖漿不混溶類型（1）巖漿-硫化物熔體（2）巖漿-巖漿（巖漿-氧化物）（3）巖漿-流體Robb（2005）9五、巖漿熔體中元素遷移5.巖漿不混溶與液態(tài)熔離作用2）巖漿不混溶作用對地球物質分布的影響：（1）地核-地幔分離（地殼-地幔分異）（2）巖漿硫化物礦床（磷灰石-磁鐵礦床）（3）熱液礦床（巖漿期后熱液礦床）10專題三宇宙及層圈地球化學一、宇宙地球化學二、地殼與地幔地球化學三、海洋和大氣圈地球化學四、生物圈地球化學11一宇宙地球化學（Cosmochemistry）HaroldUrey宇宙地球化學之父；1934年獲得Nobel化學獎（氘）；1945年到芝加哥大學后太陽系研究；ThePlanets（Urey,1952）。1947年創(chuàng)建穩(wěn)定同位素地球化學Alastair

G.

W.

Cameron對宇宙地球化學的發(fā)展有重大貢獻；Stellarnucleosynthesis；Formationofthesolarsystem；FormationofthePlanets。12本章節(jié)知識點一、元素的起源二、元素的宇宙豐度特征三、研究途徑：隕石一宇宙地球化學（Cosmochemistry）宇宙中Mg(Z=12)和Ca(Z=20)哪個豐度高?13一宇宙地球化學（Cosmochemistry）本章節(jié)重點：一、元素形成過程；二、元素的宇宙豐度；三、太陽系內部元素的分布特征；四、地球的成因；五、隕石研究的意義。14本章節(jié)教學目的和教學要求：一、掌握元素形成過程；二、熟悉元素的宇宙豐度特征及原因；三、理解地球的成因；四、掌握隕石的類型及其研究的科學意義。一宇宙地球化學（Cosmochemistry）15一宇宙地球化學（Cosmochemistry）

宇宙是由數(shù)不清的超星系團和星系團組成，每個星系團含眾多星系（如銀河系），每個星系擁有成千上萬顆恒星；

宇觀尺度上，三維空間在任何時刻都是均勻各向同性：相似的演化歷程和均勻的物質分布。

從宇宙的演化模型了解太陽的形成歷史；從太陽系的化學成分推知宇宙的物質分布16一宇宙地球化學（Cosmochemistry）

銀河系是一個巨型漩渦星系，含上千億顆恒星（90%）和星云（氣體和塵埃）形成銀盤、銀暈和銀冕；銀盤內有銀心和旋臂：銀心：物質密集部分，射電、X射線、r射線；旋臂：星云和年輕恒星（如太陽）集中區(qū)。17地球是太陽系的成員之一：充分理解地球，包括：地球的起源，地球與其他天體的關系18太陽系：

太陽和以太陽為中心、受其引力支配而環(huán)繞它運動的天體構成的系統(tǒng)；具體而言，太陽系包括恒星太陽、八大行星（水、金、地球、火；木、土、海王和天王）及其衛(wèi)星（月球）、矮行星（冥王星、古神星、鬩神星、鳥神星、巖神星）、小行星、彗星和星際塵埃等天體按一定的軌道繞太陽公轉構成了太陽系。太陽是太陽系中的恒星和中心，其質量為1.983x1033g，為地球的33萬倍；太陽系物質具有共同的起源。19（Anderson,2007:

New

Theory

of

the

Earth）20Alateveneer（White,2014:

Geochemistry）21目前，對太陽系化學組成進行研究的主要途徑：1）太陽光譜測定：太陽表面溫度極高5700K，核14000000K，各種元素的原子均處于激發(fā)狀態(tài)，從而不斷的輻射出各種的特殊光譜，譜線數(shù)及其波長－元素種類，亮度－豐度；2）隕石研究3）宇宙樣品4）星體22

本章內容一、元素的起源二、元素的豐度特征三、太陽星云的化學演化四、行星的化學演化五、彗星的化學演化第三章宇宙地球化學（Cosmochemistry）23一、元素的起源1.宇宙的成因

宇宙中的物質究竟由什么組成？24一、元素的起源1.宇宙的成因

宇宙是如何形成和演化的問題？“宇宙大爆炸”假說是1952年由美國天體物理學家伽莫夫最先提出的（Gamow,1952）。

（1）

大約在150億年以前，所有的天體物質都集中在一起，密度極大，溫度極高，被稱為原始火球。該時期的特點：沒有恒星和星系，只是充滿了輻射。

（2）原始火球發(fā)生了大爆炸，組成火球的物質飛散到四面八方，隨著物質的膨脹和冷卻，宇宙開始了自身的演化歷史（原始大爆炸視為時間零點）。25一、元素的起源1.宇宙的成因

神秘的頭10-43S1）物質存在形式：夸克、電子、中微子、光子和膠子5種基本粒子；2）宇宙爆炸之初，宇宙中的元素的種類極為單一：主要為氫原子和少量的核原子所組成。3）氫原子核和氦原子核形成－氫原子和氦原子形成－氣體形成－星云－恒星－星系（團）（陳駿:

2007）氣態(tài)物質宇宙從量子背景出現(xiàn)氫原子核形成26一、元素的起源1.宇宙的成因

宇宙大爆炸的證據(jù)（1）星系光譜紅移現(xiàn)象：1929年美國天文學家埃德溫

哈勃（EdwinHubble），V（遙遠星系的退行速度）＝HD：哈勃定律，與費里德曼（1922）的宇宙膨脹模型一致；（2）宇宙微波背景輻射：1965年美國科學家彭齊亞斯和威爾遜的工作，于1978年獲得諾貝爾物理學獎，證實宇宙中確實彌漫著稀薄的光子。宇宙微波背景輻射溫度各向異性圖27一、元素的起源2.元素的起源

1）恒星的演化恒星：由氫和氦為主的氣體物質和少量重元素組成的巨大的球星天體；特點1）巨大的質量，大引力可束縛物質；2）高溫度和壓力，相對穩(wěn)定；3）能夠長期持續(xù)穩(wěn)定的發(fā)光；主要表征參數(shù)：光度、有效溫度和化學成分。恒星光度－顏色（赫羅）圖28一、元素的起源2.元素的起源

1）恒星的演化（1）從原始星云中誕生的恒星首先進入主星序階段；對角線上，幾百萬年或幾百億年，其核心氫燃燒成氦；（2）紅巨星或紅超巨星階段：當氫燃燒殆盡，氦燃燒形成碳和氧；（3）水平支階段：氦聚變結束，發(fā)生更強烈的碳、硅聚變反應；C、O、Si（4）之后，恒星或者經(jīng)過“行星狀”星云區(qū)成為白矮星和黑矮星走向死亡；或變成超新星（Supernovae）爆發(fā)，恒星物質被拋入宇宙成為星云，重新演化。Fe以后元素在超新星爆炸形成（陳駿:

2007）漸進巨星支（AGB）29一、元素的起源2.元素的起源

1）恒星的演化30一、元素的起源2.元素的起源

1）恒星的演化溫度和波長成反相關關系；高溫則高光度，具有高能量；熱的恒星大；冷的恒星??；預期壽命：質量大，在主星序中的壽命長。（White,2013:

Geochemistry）31一、元素的起源2.元素的起源

2）元素的起源

核合成理論是解釋宇宙中質量數(shù)大的元素形成的主要理論；宇宙中的元素具有復雜的核合成歷史：包括從大爆炸的最初3分鐘以至于當下；宇宙中元素形成涉及到的天體物理學環(huán)境包括:（1）宇宙大爆炸；（2）星系；（3）超新星。32一、元素的起源2.元素的起源

2）元素的起源（1）宇宙大爆炸(150億年前,T=1032K)，宇宙的核合成過程，形成最輕的元素，即：H、He和少量Li、Be、B構成原初元素A.大爆炸誕生時只存在高密度的基本粒子（質子，中子，電子等）和反粒子（反質子，反中子，反電子等）（對稱）；當溫度降到109K時,發(fā)生反應：p+n=>D+（粒子）33一、元素的起源2.元素的起源

2）元素的起源B.隨后發(fā)生下列反應(恒星的形成)：D+p=>3He+（粒子）3He+3He=>4He+2p+23He

+n=>4He+3He+4He=>7Be+7Be+e-=>7Li+（中微子）

質量數(shù)為5和8沒有穩(wěn)定的核，抑制了比元素Li、Be重的元素的產生。事實為：溫度降低；

中子衰變。（White,2013:

Geochemistry）3x108K34numberofNeutronsnumberofProtonsIsobar(nucleiofequalmassnumber)一、元素的起源2.元素的起源

35一、元素的起源2.元素的起源

2）元素的起源恒星內部元素的合成理論（B2FH假說：Burbridge夫婦、Fowler和Hoyle）(1)氫燃燒過程（質子引力收縮，溫度=>106K，主星序階段）

：1H+1H=>2D++++0.422MeV2D+1H=>3He++5.493MeV3He+3He=>4He+21H++12.859MeV36一、元素的起源2.元素的起源

2）元素的起源Li、Be、B不能得到穩(wěn)定的核素8Be+=>12C+質量數(shù)為5和8沒有穩(wěn)定的核，因此該階段主要形成氦核核循環(huán)反應質子-質子循環(huán)的三個分支反應過程37一、元素的起源2.元素的起源

2）元素的起源(2)氦燃燒過程（108K，紅巨星和紅超巨星階段）：34He=>12C（是合成所有重元素的關鍵）12C+4He=>16O(10%氦消耗)16O

+4He=>20Ne20Ne

+4He=>24Mg24Mg

+4He=>28Si28Si

+4He=>32S(36Ar,40Ca等)

可見：氦燃燒一方面形成了Li、Be、B后面的元素；另一方面造成了質量數(shù)為4的倍數(shù)的元素具有較高的豐度。38一、元素的起源2.元素的起源

2）元素的起源(3)碳和氧的“燃燒過程”（109K，水平支階段）：

20Ne+12C+12C=>23Na+p

23Mg+n28Si+

16O+16O=>31P+p31S+n39一、元素的起源2.元素的起源

2）元素的起源(4)硅燃燒過程（統(tǒng)計平衡過程，3.8109K，水平支階段）形成V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni等元素，如：52Fe+28Si+28Si=>55Co+p55Ni+n（平均結合能最高）（White,2013:

Geochemistry）40一、元素的起源2.元素的起源

2）元素的起源41一、元素的起源2.元素的起源

2）元素的起源56FeFusionexothermicFusionendothermicInprinciple,nuclearburningbyfusioncancontinueonlyupto56Fe,thenucleuswiththegreatestbindingenergypernucleon42一、元素的起源2.元素的起源

2）元素的起源4356Fe是最強的束縛核，當鐵核生長，恒星內部的核聚變無法提供足夠的能量，且質量達到錢德拉塞卡質量限度，恒星將走向塌縮，超新星過程便開始。一、元素的起源2.元素的起源

2）元素的起源44一、元素的起源2.元素的起源

2）元素的起源(5)中子俘獲過程（鐵以后的元素,吸熱過程）a.慢中子俘獲（s過程）（漸進巨星支（AGB）階段）：一個原子（不穩(wěn)定種子核）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。(中子密度低)b.快中子俘獲（r過程）（超新星爆發(fā)）兩次俘獲時間很短（

衰變較少），可合成A=209以后的元素。形成富集中子的不穩(wěn)的原子。88Sr、138Ba、208Pb（Z，A）+

n

（Z+1，A+1）+

-

中子幻數(shù)：中子填滿45一、元素的起源2.元素的起源

2）元素的起源88Sr和90Zr，138Ba、208Pb：50、82、1268013019546一、元素的起源2.元素的起源

2）元素的起源(6)質子捕獲過程－P過程（White,2013:

Geochemistry）r過程：給定元素的較重同位素；P過程：給定元素的較輕同位素。需要富含H的環(huán)境，高溫條件；要克服庫侖排斥，難形成。47一、元素的起源2.元素的起源

2）元素的起源Z＝N線48β穩(wěn)定谷線核素圖中子不穩(wěn)定區(qū)質子不穩(wěn)定區(qū)已知核素區(qū)一、元素的起源2.元素的起源

2）元素的起源由此可見，自然界已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的一切元素和同位素都可以通過：（1）氫燃燒（2）氦燃燒（3）碳和氧的燃燒（4）硅燃燒（5）中子俘獲（6）質子捕獲等核反應在恒星內部合成49一、元素的起源2.元素的起源

2）元素的起源在元素的合成過程中：（1）氦的燃燒使得質量數(shù)為偶數(shù)的元素具有較高的豐度；（2）鐵具有最大結合能使鐵在較重元素中具有較高的豐度；（3）Li、Be、B元素貧乏。50一宇宙地球化學（Cosmochemistry）51二、元素的宇宙豐度特征1.元素的宇宙豐度特征1）元素的宇宙豐度特征（Palme,2013:SolarSystemAbundancesoftheelements）(1)元素的宇宙豐度的確定主要依據(jù)兩類數(shù)據(jù)：太陽大氣光譜資料；球粒隕石的化學組成。52二、元素的宇宙豐度特征1.元素的宇宙豐度特征1）元素的宇宙豐度特征稀有氣體虧損圖6中：（1）36個（45）元素Sun／Cl處于0.9～1.1間，為親石、親鐵和親銅元素；（2）9個問題元素是測量誤差所致，需要重新確定；（3）太陽光球吸收光譜測定的元素豐度與Cl球粒隕石的元素豐度非常一致。圖5中：太陽球粒隕石化學元素的組成和太陽大氣相比，虧損稀有氣體。53二、元素的宇宙豐度特征1.元素的宇宙豐度特征1）元素的宇宙豐度特征

基于太陽球粒隕石化學元素的組成和太陽大氣資料，通常以太陽大氣光譜數(shù)據(jù)確定宇宙中H、He和其他揮發(fā)組份的豐度；并根據(jù)球粒隕石的分析結果確定宇宙中其他非揮發(fā)性元素的含量。

元素豐度值采用的是相對于106個Si原子的各個元素的原子：1）Si元素分布廣2）揮發(fā)性?。?）穩(wěn)定性好。宇宙元素分布極不均一，但有規(guī)律54二、元素的宇宙豐度特征1.元素的宇宙豐度特征1）元素的宇宙豐度特征Z<45的元素隨原子序數(shù)增大呈指數(shù)降低，Z>45的元素豐度曲線呈緩慢降低。H、He為豐度最高的元素。Li、Be、B豐度過低，為虧損元素。Fe為過剩元素，呈明顯的峰。高的Pb宇宙豐度。(2)元素的宇宙豐度特征55二、元素的宇宙豐度特征1.元素的宇宙豐