《地球化學(xué)》第1章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)化學(xué)元素的分布與分配1

第一章

太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)化學(xué)元素的分布與分配研究任何物質(zhì)的存在和運(yùn)動(dòng)規(guī)律都必須觀察研究對(duì)象的質(zhì)和量特征

。地球和地殼的化學(xué)組成如何，

元素含量怎樣，

無(wú)疑是地

球化學(xué)必須探討的基礎(chǔ)課題

。而這些又與

容納地球的太陽(yáng)系有密切親緣關(guān)系。在研究太陽(yáng)系、地球和地殼及其它不同地質(zhì)體中元素含量時(shí)，

采用豐度-abundance,分布-distribution和分布量等術(shù)語(yǔ)，

表示一定空間中物質(zhì)組成的相對(duì)平均含量?！ぁぁ?/p>

太陽(yáng)系由太陽(yáng)、行星、行星物體(宇宙塵,彗星,小行星)和衛(wèi)

星組成。太陽(yáng)集中了太陽(yáng)系99.8%的質(zhì)量?！?/p>

行星沿橢圓軌道繞太陽(yáng)運(yùn)行。類(lèi)地行星--接近太陽(yáng)的較小

內(nèi)行星-水星,金星,地球,火星；

類(lèi)木行星--遠(yuǎn)離太陽(yáng)的大的

外行星-木星,土星,天王星,海王星?！?/p>

火星和木星間有數(shù)以兆計(jì)小行星(asteroid

belt)，

大小相差

懸殊，

最大谷神星直徑770km。直徑>10km小行星有104個(gè)，

>1m的有1011個(gè)。有些小行星軌道橫切行星軌道。在

殞落到地球的隕石中，

已發(fā)現(xiàn)有兩顆來(lái)自小行星帶內(nèi)。1.1太陽(yáng)系的化學(xué)成分行星沿橢圓軌道繞太陽(yáng)運(yùn)行.兩類(lèi)

:接近太陽(yáng)的較小內(nèi)行星-水星,金星,地球,火星--類(lèi)地行星

;遠(yuǎn)離太陽(yáng)大的外行星-木星,土星,

天王星,海王星.圖1.1太陽(yáng)系8大行星分布及運(yùn)行軌道?

國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)(IAU)的決議?

—開(kāi)除冥王星行星“星籍

”根據(jù)國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)2006年8月24日通過(guò)的決議,

被稱(chēng)為行星(planet)的天體要符合三個(gè)主要條件：1.該天體須位于圍繞太陽(yáng)的軌道之上2.該天體須有足夠大的質(zhì)量來(lái)克服固體應(yīng)力以達(dá)到流體靜力平衡(hydrostatic

equilibrium)的形狀(近于

球形)3.該天體須有足夠的引力清空其軌道附近區(qū)域的天體而冥王星不符合上述第三條行星標(biāo)準(zhǔn)。圖1.2太陽(yáng)系八大行星相對(duì)大小對(duì)比圖1.3太陽(yáng)系八大行星相對(duì)大小對(duì)比圖1.4太陽(yáng)系行星分布及運(yùn)行軌道?

由表可見(jiàn)，

太陽(yáng)占據(jù)了太陽(yáng)系總質(zhì)量的99.87%，

八大行星僅占

0.13%，

最大的木星占全部行星質(zhì)量71%

。4顆類(lèi)地行星質(zhì)量?jī)H占

太陽(yáng)系0.00056%，占行星0.42%

。類(lèi)地行星中地球質(zhì)量最大(50.3%)，

金星次之(40.9%)，

火星僅占類(lèi)地行星5.4%，

水星約2.8%

。故類(lèi)地行星是太陽(yáng)系中特殊的成員，

其性質(zhì)與太陽(yáng)系整體

有差別，

應(yīng)該形成于較特殊的環(huán)境。太陽(yáng)系及其重要參數(shù)(據(jù)格拉斯,1982;Brownlow,1996;Tolstikhin&Kramers,2008等綜合)表1.1太陽(yáng)系的性質(zhì)太陽(yáng)系中化學(xué)元素的組成和豐度是對(duì)宇宙成因理論和元素起源假說(shuō)的檢驗(yàn)。確定元素在太陽(yáng)系中的豐度是地球化學(xué)和宇宙化學(xué)研究的重要任務(wù)之一

。宇宙學(xué)研究表明宇宙是

均勻的和各向同性的，

宇宙各部分的化學(xué)組成是

統(tǒng)一的

。

因此可以用太陽(yáng)系平均化學(xué)成分來(lái)表示

宇宙中元素的豐度?！ぁ?.1.1元素在太陽(yáng)系中的豐度確定太陽(yáng)系或宇宙豐度的途徑：(1)直接分析測(cè)定地殼巖石、隕石和月巖樣品；(2)對(duì)太陽(yáng)及其它星體輻射的光譜進(jìn)行定性、定量研究；(3)利用宇宙飛行器對(duì)鄰近地球的星體進(jìn)行就近觀察和測(cè)定，

或取樣分析；(4)分析測(cè)定氣體星云和星際間的物質(zhì)；(5)分析研究宇宙射線(xiàn)?！ぁぁぁぁぁじ鶕?jù)太陽(yáng)大氣光譜中不同波長(zhǎng)譜線(xiàn)強(qiáng)度確定的太陽(yáng)表層元素的豐度(陳俊和王鶴年,2005)表1.2太陽(yáng)大氣的化學(xué)組成(以106Si原子數(shù)為標(biāo)準(zhǔn))續(xù)表1.2太陽(yáng)大氣的化學(xué)組成(以106Si原子數(shù)為標(biāo)準(zhǔn))□氫和氦是太陽(yáng)大氣中最主要成分，

兩種元素的原

子幾乎占了太陽(yáng)中全部原子數(shù)目98％。與此相比，

難熔難揮發(fā)的重元素豐度卻很低

。表明太陽(yáng)中存

在的主要是太陽(yáng)系中的揮發(fā)性元素。□太陽(yáng)系中非揮發(fā)性元素的組成和含量是根據(jù)球粒

隕石的化學(xué)組成確定的。據(jù)說(shuō)，美國(guó)第三任總統(tǒng)托馬斯·杰斐遜聽(tīng)到耶魯大學(xué)兩位教授關(guān)于隕石在Connecticut的Weaton

降落的報(bào)告，

曾經(jīng)評(píng)論說(shuō)，他“

寧可相信美國(guó)

教授在撒謊，

也不相信石頭會(huì)從天上掉下來(lái)

”

（Hartmann,1973）。真正認(rèn)識(shí)到隕石的星際成因還是在19世紀(jì)初葉，由法國(guó)著名物理學(xué)家Jean

Baptiste

Biot對(duì)1803年法國(guó)諾曼底的隕石雨調(diào)查后作出的報(bào)告，

成為隕石學(xué)上的里程碑?！ぁ?.1.2

隕石的化學(xué)成分隕石是落到地球上來(lái)的行星物體的碎塊

。可能起源于彗星，

更可能來(lái)自火星和木星間的小行

星帶

。

隕石可由顯微質(zhì)點(diǎn)大小到具有幾千公斤

的巨塊

。每年落到地球表面約有500個(gè)隕石，總質(zhì)量達(dá)3×106至3×107t

。但每年見(jiàn)到其殞落，

又能找到的隕石僅有5到6個(gè)。撞擊地層學(xué)(Impactstratigraphy)。··圖1.5

自然界的流星雨圖1.6美國(guó)亞利桑那Barringer(or

Meteor)隕石坑,直徑約1.2km

由一個(gè)直徑約40m的撞擊物撞擊而成.撞擊物殘余稱(chēng)為Canyon

Diablo鐵隕石(國(guó)際S同位素標(biāo)準(zhǔn)).圖1.7

加拿大新魁北克一個(gè)約250m深的湖是約1.4Ma前由一個(gè)直徑約3.4km的隕石坑形成圖1.8地球表面主要隕石撞擊坑分布圖隕石既是代表地球以外太陽(yáng)系中其它天體的樣品,人們又能對(duì)隕石樣品采取最先進(jìn)的分析技術(shù),獲得

最為精確可靠的數(shù)據(jù)

。

因此隕石化學(xué)成分資料仍

然是估定太陽(yáng)系元素豐度及推斷地球和地球內(nèi)部

化學(xué)成分最有價(jià)值的依據(jù)?！ぁ鞍l(fā)現(xiàn)

”隕石指未見(jiàn)其殞落，但根據(jù)其構(gòu)造、化學(xué)和礦物成分鑒別出的隕石?！皻屄?/p>

”隕石指見(jiàn)其殞落而后又收集到的隕石?！皻屄?/p>

”隕石具有更重要的意義，

因?yàn)樗鼈兛梢詾榻y(tǒng)計(jì)評(píng)估各類(lèi)隕石殞落頻率和相對(duì)比例提供更

可靠的基礎(chǔ)

。“發(fā)現(xiàn)

”隕石提供的數(shù)據(jù)則帶有很

大偏向性

。

因?yàn)殍F隕石比其它隕石更易于鑒別和

更耐風(fēng)化，

石隕石由于其特征類(lèi)似于地殼巖石，

除非見(jiàn)其殞落，

一般常被忽略

。根據(jù)“殞落

”隕

石數(shù)據(jù)，

球粒隕石比其它類(lèi)型隕石的分布要廣的

多.···類(lèi)

型

“發(fā)現(xiàn)

”的“殞落

”的數(shù)目頻率(%)

數(shù)目

頻率(%)鐵隕石545

58.1334.6石-鐵隕石

53

5.7

11

1.5無(wú)球粒隕石70.7567.8球粒隕石33335.562186.1總計(jì)938100721100表1.3“殞落

”和“發(fā)現(xiàn)

”隕石的數(shù)目和頻率圖1.9人們看見(jiàn)隕石隕落位置的全球分布圖看見(jiàn)隕落位置分布于人口稠密地區(qū),因有更多人看見(jiàn)隕落圖1.10南極大陸的隕石山(TheMeteoriteHills)

迄今已經(jīng)發(fā)現(xiàn)超過(guò)10000塊的隕石圖1.11南極大陸隕石保存的過(guò)程隕石具有多種多樣的類(lèi)型，

從幾乎全部由金屬組成,

到幾乎全部由硅酸鹽組成

。

隕石分類(lèi)比較困難，

且

存在爭(zhēng)論

。一般根據(jù)其中的金屬含量，

先將隕石劃

分為四種主要類(lèi)型：石隕石球粒隕石未發(fā)生熔融或分異約含10%金屬

無(wú)球粒隕石

發(fā)生過(guò)熔融或分異約含1%金屬石鐵隕石

發(fā)生過(guò)熔融或分異約含50%金屬

鐵隕石發(fā)生過(guò)熔融或分異金屬含量>90%圖1.12主要類(lèi)型隕石的特征?

Classification

based

on

elementalconcentrationsandoxygenisotoperatios?Stones–

primitivechondrites?

relativelyunalteredwithhighandlowtemperatureminerals?

chondrules?

volatiles

and

complex

organiccompounds?

formed

insolarnebula–

differentiatedachondrites

?

alteredandmetamorphosed

?

silicateminerals?

outerpartofdifferentiatedbodyKHOARStone

(L3)Uttar

Pradesh,IndiaWitnessedfall,September19,1910

Source

:MeteoriteTypes·石隕石分為球粒隕石和無(wú)球粒隕石：·球粒隕石

含有球體，

具球粒構(gòu)造

。球粒由橄欖

石和斜方輝石組成

?；|(zhì)為鎳鐵、隕硫鐵、斜長(zhǎng)

石、橄欖石、輝石等。無(wú)球粒隕石

不含球粒，

比球粒隕石結(jié)晶粗

。成分和結(jié)構(gòu)方面與地球上的火成巖相似

。

因此它們

可能由硅酸鹽熔體結(jié)晶而成。無(wú)球粒隕石分為貧鈣(CaO為0-3%)和富鈣兩群(亞類(lèi))

。其中鈣長(zhǎng)輝長(zhǎng)無(wú)球粒隕石和古銅鈣長(zhǎng)無(wú)球粒

隕石分布最廣

。屬于富鈣群?！ぁD1.12球粒隕石的主要特征石鐵隕石

大致由等體積硅酸鹽相和鐵鎳相組成。根據(jù)兩相比例分為橄欖隕鐵和中鐵隕鐵兩類(lèi)。橄

欖隕鐵中，橄欖石、隕硫鐵和隕碳鐵呈鑲嵌狀分

布在鐵鎳金屬之中。鐵鎳相中鎳含量為10-15%

。

中鐵隕石由大致相等的硅酸鹽相和金屬相組成，

金屬中含鎳約7%。·?

Stony-irons–mixtureofsilicatesandiron-nickelmetal–

innerpartofdifferentiatedbodyoranaggregateof

fragments?

Irons–

largelyiron-nickel

metal–

core

of

differentiated

bodyFAIRFIELDIron

(IIICD)Coarse

octahedriteButlerCounty,Ohio,

USASource

:MeteoriteTypes鐵隕石

由兩種主要礦物組成,一為鐵紋石(Kamamcite-立方體心格子的α鐵,又稱(chēng)自然鐵),另一

種為鎳紋石(taenite-立方面心格子的v-鐵).常常含少量石墨,隕磷鐵鎳石,隕硫鉻鐵,隕碳鐵,鉻鐵礦和隕硫鐵等.除Fe和Ni外,鐵隕石中還含有少量

(<2%)Co,S,P,Cu,Cr和C等元素.根據(jù)礦物晶體結(jié)構(gòu)

和Ni/Fe比值,鐵隕石可分為三個(gè)亞類(lèi)：

六面體式隕

鐵，

八面體式隕鐵和富鎳中隕鐵隕石.··圖1.13

ColdBokkeveld碳質(zhì)球粒隕石中球粒顯微鏡照片球粒約0.5mm直徑由橄欖石和斜方輝石組成,基質(zhì)為鎳鐵,隕硫鐵,斜長(zhǎng)石,橄欖石,輝石等圖1.14鐵隕石被切割成光片并用酸溶蝕后的特征：

Widmanstatten(維德曼斯特)交叉格子狀圖案

。鎳鐵合金的薄層與富鎳基質(zhì)相互間生，一個(gè)初始均勻合金在緩慢冷卻過(guò)程中發(fā)生貧Ni與富Ni相分離。根據(jù)帶寬度計(jì)算合金冷卻速度為1℃/My。這樣緩慢的冷卻速率不可能在地表出現(xiàn)，

因此是隕石的典型特征。切片寬15cm.曾被認(rèn)為是隕石類(lèi)物質(zhì),

由富

SiO2玻璃(SiO2平均含量約75%)組成,但化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)

與黑曜巖相差很大.人們迄今

尚未見(jiàn)到一個(gè)殞落的玻隕石,

只是由于其特殊的形態(tài)和成

分才認(rèn)為是隕石.

已經(jīng)積累的

資料促使人們傾向于把它們

視為由于彗星或大型隕石沖

擊地球引起物質(zhì)熔化的產(chǎn)物.圖1.

15

玻隕石-tektites-?

Asteroid

Belt–

swarmofrockybodies–

separatesterrestrialandJovianplanets–

some

differentiated

bodies–collisionsresultin

mutualfragmentation–variableorbits?

Moon

andMars?

CometsOriginofMeteoritesAsteroidGasprafromGalileoon

October29,

1991

(NASA)CrescentMarsfromViking

(NASA)圖1.16

太陽(yáng)系內(nèi)小行星帶的分布火星和木星間有數(shù)以兆計(jì)小行星(asteroid

belt),大小相差懸殊,最大的谷神星直徑770km.直徑大于10km的小行星104個(gè),而大于1m的有1011個(gè).有些小行星軌道橫切過(guò)行星軌道.殞落到地球上的隕石中,發(fā)現(xiàn)有兩顆的軌道曾位于小行星帶內(nèi).□由于存在三類(lèi)迥然不同的隕石-石隕石,石鐵隕石和

鐵隕石,人們?cè)O(shè)想隕石來(lái)自某種曾經(jīng)分異成一個(gè)富金屬核和一個(gè)硅酸鹽包裹層的行星體,這種天體破裂導(dǎo)致各類(lèi)隕石的形成

;石鐵隕石來(lái)自金屬核與硅酸鹽幔界面,石隕石來(lái)自富硅酸鹽幔.成為依據(jù)隕石

資料推測(cè)地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分的重要根據(jù)之一.□有證據(jù)表明,“一個(gè)母體形成隕石

”的假說(shuō)不可取.

因?yàn)楦黝?lèi)隕石年齡有差異,而隕石群之間也有年齡差異.其二,各群球粒隕石和鐵隕石之間均存在成分

間隔和氧同位素(18O/16O和17O/16O)比例差別.每群隕

石應(yīng)分別形成于不同的行星母體.火星與木星間的

小行星帶有眾多小行星,是隕石的來(lái)源.證據(jù)表明，

地外天體大撞擊

是物種大滅絕

的罪魁禍?zhǔn)?。過(guò)去6億年間，

地球曾遭到約

60顆直徑≥5km

隕石的撞擊，其中的最小者也會(huì)在地球

上留下直徑95km的隕石坑。釋放的能

量相當(dāng)于引爆

10萬(wàn)億噸TNT

炸藥。PhanerozoicImpactsFIGURE.

Numberofmarineanimalgenera

through

time,

showingthefivemajortimesof“massdepletion

”inbiologicaldiversity

Onlythreedrops—end-Ordovician,end-Permian,and

Cretaceous-Tertiary—are

driven

primarily

by

increases

in

extinction

rates,rather

thandeclines

inrateoforigin.

ORIGINANDEVOLUTIONOF

EARTH,2008.TheNationalAcademyofSciences.墨西哥ChicxulubImpactStructure

(Claeys,2000)圖1.16

K-T邊界(Zanda&Rotaru,2009)左上：

法國(guó)Henday

eK-T邊界近觀

。下部深綠色細(xì)粒粘土層富含Ir、含Ni的磁鐵礦(左下左-掃描電鏡,八面體-一個(gè)富Ni物質(zhì)在>1300℃下

在富氧大氣圈熔融而成)以及沖擊石英晶體(左下中-隱晶質(zhì)二氧化硅

紋層，

需1萬(wàn)大氣壓)

。右圖：

丹麥Stevens-Klint海岸峭壁

。箭頭處為分隔白堊系與第三系的細(xì)粒粘土。圖1.16

K-T邊界(Zanda&Rotaru,2009)突尼斯d

’ElKofK-T邊界層剖面的Ir異常、含Ni的磁鐵礦以及碳酸鹽

巖的分布

。磁鐵礦分布特別局限，

表明宇宙物質(zhì)的供應(yīng)幾乎在瞬時(shí)發(fā)生，

與浮游生物的突然消失一致

。

Ir異常的分布是因地球化學(xué)效應(yīng)(擴(kuò)散作用)而不代表事件的真實(shí)長(zhǎng)度

。紅色為針鐵礦層。□Ir是地表巖石中罕見(jiàn)但在許多隕石中常見(jiàn)的

微量元素，

某些I含r量異常高的巖石就成了

與大滅絕相聯(lián)系的頭號(hào)撞擊示綜物。球粒隕石和大多數(shù)鐵隕石中PGE(theplatinum

groupelements)豐度

比地殼巖石高幾個(gè)數(shù)量

級(jí).球粒隕石中Ir,Os豐度分

別>300ppb和800ppb,鐵

隕石豐度變化范圍更大.大陸地殼巖石只含0.02ppb級(jí)次的Ir和Os.就成

為鑒定天外來(lái)客的重要

地球化學(xué)標(biāo)志.圖1.17典型地球和地外巖石Ir含量范圍(Montanari

et

al,2000)□1980年加州大學(xué)伯克利分校一研究小組發(fā)現(xiàn)意大

利古比奧附近一個(gè)厚約數(shù)厘米的暴露粘土層中銥

含量高的令人吃驚

。計(jì)算表明宇宙塵埃平均日沉

積量對(duì)此無(wú)法解釋

。推測(cè)這是一顆直徑約10-14千

米的小行星撞擊地球后產(chǎn)生猛烈爆炸的沉降物。□更奇妙的是，

該粘土層形成于距今6500萬(wàn)年前，即白堊紀(jì)末期

。科學(xué)家順理成章得出了一具有劃

時(shí)代意義的猜測(cè)：

一次巨大的撞擊結(jié)束了恐龍?jiān)?/p>

地球上的統(tǒng)治，

類(lèi)似事件極有可能與過(guò)去6億年間

發(fā)生的其它幾次大滅絕有關(guān)?！趿硪昏b別隕石撞擊效應(yīng)的示蹤劑是Re-Os同位素體系

。187Os是187Re經(jīng)β衰變形成(半衰期42.3±1.3Ga)

。早期地殼巖石含有高濃度Re和低濃度Os,

隨時(shí)間推移，

187Os/188Os比值迅速增加

?，F(xiàn)在地幔

巖石187Os/188Os比值約為1.3?！蹼E石具有0.

11到0.

18的187Os/188Os比值，

其中Os比

Re豐度更大

。隨時(shí)間推移187Os/188Os比值變化很小

。

由于Os含量較高，

只要有少量隕石組成加入

地殼靶巖就會(huì)造成撞擊熔體或角礫巖具有幾乎與

原巖完全不同的Os同位素特征

。使Re/Os同位素體

系成為鑒別隕石撞擊效應(yīng)最為可靠的標(biāo)志.Re-Os體系是鑒別隕石撞擊示蹤劑

。187Os是187Re經(jīng)β衰變而成(半衰期42.3±1.3

Ga)

。早期地殼富Re貧Os，隨時(shí)間推移187Os/188Os增

大

。

隕石中Os＞Re，

隨時(shí)間推移187Os/188Os減小，0.

11-0.

18

?，F(xiàn)在地幔187Os/188Os

1.3。少量隕石加入地殼靶巖會(huì)使撞擊熔體或角礫巖具有與原巖完全不同的Os同位

素特征。圖1.18

南非Kalkkop隕石坑靶巖(頁(yè)巖+

砂巖)，

撞擊角礫巖(實(shí)心三角)與球粒

隕石和鐵隕石(實(shí)心圓)187Os/188Os對(duì)187Re/188Os圖解

。小點(diǎn)區(qū)為靶巖與隕石的混合區(qū)，

撞擊角礫巖都落入該區(qū)域□關(guān)于小行星早期特征及形成問(wèn)題，

目前還了解甚少

。許多無(wú)球粒隕石呈現(xiàn)出有自硅酸鹽熔體(巖漿)

派生的特征，

而球粒隕石，

尤其是球粒的存在則難以用此方式加以解釋?！跻恍W(xué)者認(rèn)為，在明顯熱的非平衡條件下，

從熱

的、低密度和部分電離氣體中直接凝聚出固態(tài)物

質(zhì)，

可能就是形成球粒隕石的機(jī)制

。換句話(huà)說(shuō)，

球粒隕石可能代表行星由之聚集形成的微星物質(zhì)

的碎塊，

而其它類(lèi)型隕石似乎可能為球粒隕石物

質(zhì)經(jīng)部分或完全熔融和分異發(fā)展形成。球粒隕石□

含有由橄欖石或輝石組成的球粒的一種石隕石?！?/p>

由于未發(fā)生過(guò)熔融或分異，可能是太陽(yáng)系中各行星的原始母質(zhì)，成為

探索太陽(yáng)系重元素或非揮發(fā)性元素的寶貴樣品?！?/p>

球粒的兩種成因假說(shuō)，一：球粒源于太陽(yáng)星云，二：球粒是在某種行

星體之上或其中形成的。對(duì)于前者提出三種機(jī)制：⑴從星云直接凝聚

(Blanderand

Katz,1976);⑵因閃電作用，使太陽(yáng)星云中的塵埃熔化

(Whipple,1966);⑶

在星云塵埃累積過(guò)程中，小顆粒的高速碰撞(Kieffer,1975).□

無(wú)論球粒如何形成，球粒形成于太陽(yáng)系早期確是明顯的，后來(lái)它們才

結(jié)合到球粒隕石之中，

因此具有原始行星物質(zhì)的基本特征(B.P.格拉斯，

1986)?！で蛄ｋE石組成·

按照礦物和化學(xué)成分分為三群

:·

C群-碳質(zhì)球粒隕石，O群-普通球粒隕石和E群-頑

火輝石球粒隕石?！ぬ假|(zhì)球粒隕石-按成分分為分為四個(gè)亞群：

·CI：

含水蝕變無(wú)球粒碳質(zhì)球粒隕石·

CM：

含水蝕變碳質(zhì)球粒隕石·

CO：

無(wú)水小球粒碳質(zhì)球粒隕石·

CV：

無(wú)水大球粒碳質(zhì)球粒隕石·普通球粒隕石-按成分分為三個(gè)亞群

:·H：

高鐵群普通球粒隕石·

L：

低鐵群普通球粒隕石·

LL：

低鐵低金屬普通球粒隕石·頑火輝石球粒隕石-按成分分為兩個(gè)亞群

:

·

EH：

高鐵頑火輝石球粒隕石·EL：低鐵頑火輝石球粒隕石·碳質(zhì)(C群)球粒隕石含有碳的有機(jī)化合物分子,主要

由含水硅酸鹽組成.按化學(xué)成分分為Ⅰ,

Ⅱ和Ⅲ三類(lèi).

碳質(zhì)球粒隕石十分稀少,但在探討太陽(yáng)系元素豐度方面具有特殊意義。隕石中最廣泛分布的化學(xué)元素為：O,Fe,Si,Mg,Ni,S,Al,Ca等

。其比值取決于隕石礦物成分

。三個(gè)基

本類(lèi)型隕石的化學(xué)成分有很大差異

。在計(jì)算隕石

平均化學(xué)成分時(shí)，

必須解決兩個(gè)問(wèn)題

:1.

要了解各種隕石的平均化學(xué)成分2.

要知道各種隕石數(shù)量的比例···CI:含水蝕變無(wú)球粒碳質(zhì)球粒隕石;CM:含水蝕變碳質(zhì)球粒隕石;CO:無(wú)水小球粒碳

質(zhì)球粒隕石;CV:無(wú)水大球粒碳質(zhì)球粒隕石;H:高鐵群普通球粒隕石;L:低鐵群普通球粒隕石;

LL:

低鐵低金屬普通球粒隕石;

EH：

高鐵頑火輝石球粒隕石;

EL:

低鐵

頑火輝石球粒隕石.表1.49個(gè)球粒隕石群主要元素平均豐度(Wasson,1985引自陳俊等2004)表1.5球粒隕石化學(xué)組成(以106Si原子數(shù)為標(biāo)準(zhǔn))續(xù)表1.5球粒隕石化學(xué)組成(以106Si原子數(shù)為標(biāo)準(zhǔn))Element/Simassratiosofcharacteristi

elements

invariousgroupsof

chondritic

(undifferentiated)meteorites.Meteoritegroupsarearranged

accordingtodecreasingoxygencontent.Thebestmatchbetween

solarabundancesandmeteoriticabundances

iswith

CImeteorites(PalmeandJones,2003)□1969年一個(gè)特別重要的碳質(zhì)球粒隕石于落于墨西哥北部,叫“

阿倫德

”(Allende)

?；|(zhì)(～60%)呈暗

灰色，

由富鐵橄欖石組成

。球粒有兩種：

一種富鐵(～30%)，

另一種富Ca,Al(～5％)

。此外還存在

富Ca,Al的集合體。□在阿倫德及其它碳質(zhì)球粒隕石(尤其是CI型碳質(zhì)球

粒隕石)中，

元素豐度幾乎同太陽(yáng)中非揮發(fā)性元素

豐度完全一致

。

因此碳質(zhì)球粒隕石化學(xué)成分已被

用于估計(jì)太陽(yáng)系中非揮發(fā)性元素的豐度。在阿倫德以及其它碳質(zhì)球粒隕石

(尤其CI型碳質(zhì)

球粒隕石)中,元

素豐度幾乎同太陽(yáng)中觀察到的非揮發(fā)性元素豐度完全一致.碳質(zhì)球粒隕石化

學(xué)成分已被用于

估計(jì)太陽(yáng)系非揮

發(fā)性元素的豐度.圖1.19

CI型碳質(zhì)球粒隕石元素豐度與太陽(yáng)元素豐度對(duì)比Insummary,

thereisonlyone

group

ofmeteorites,theCI

chondrites,that

closelymatchsolarabundances

forelementsrepresentingthevariouscosmochemicalgroupsandexcludingtheextremelyvolatileelements

suchastherare

gases,hydrogen,

carbon,oxygen,andnitrogenandalso

theelementlithium.(Brownlow,1996)CI碳質(zhì)球粒隕石(未分異)與無(wú)球粒隕石(分異)與太陽(yáng)系元素豐度比較圖(ZandaB&RotaruM,2001,Meteorits,Cambridge)CI碳質(zhì)球粒隕石的元素豐度與太陽(yáng)元素豐度之比較。Si的豐度設(shè)定為106Si。除少

量元素外，CI球粒隕石的總組成與太陽(yáng)元素豐度具有驚人的相關(guān)性。這些數(shù)據(jù)提

供了太陽(yáng)系元素豐度最佳的估算值。H和惰性氣體未表示。Lauretta,

Elements,

2011,7(1)Abundanceoftheelements

intheCIchondriteOrgueil.The

sevenmost

abundantelementsareshown

in

red()1.

1.3太陽(yáng)系的元素豐度和元素起源□據(jù)太陽(yáng)大氣光譜確定太陽(yáng)表層元素豐度，據(jù)球粒

隕石化學(xué)組成確定太陽(yáng)系中非揮發(fā)組分元素的組

成和豐度.

。其中分布廣的非揮發(fā)性元素例如Si在

兩類(lèi)數(shù)據(jù)間的部分重疊被用來(lái)將兩種來(lái)源資料結(jié)

合起來(lái)。□按照此模式，

1937年戈?duì)柕滤姑芴鼐幹屏说谝粋€(gè)適用的元素及同位素在太陽(yáng)系中豐度表

。

以后又不斷有新的豐度表問(wèn)世

。

比較太陽(yáng)系豐度表(表1.6)

和豐度分布圖(圖1.18)可見(jiàn)：表1.6太陽(yáng)系中元素的豐度(以106Si原子數(shù)為標(biāo)準(zhǔn))續(xù)表1.6太陽(yáng)系中元素豐度(以106Si原子數(shù)為標(biāo)準(zhǔn))豐度變化規(guī)律：1.絕大部分由H和He組成2.隨原子量增大元素豐度大幅度下降3.重元素(Z>40)豐度比較恒定4.

Li,Be,B豐度低,Fe,O豐度高四倍規(guī)律：質(zhì)量數(shù)為4倍數(shù)的核

素或同位素豐度高。4He,16O,40Ca,

56Fe,

140Ce

等奇偶規(guī)律-Oddo-Harkins效應(yīng)-偶數(shù)原子序數(shù)元素的豐度大大高于相鄰奇數(shù)元素的豐度-對(duì)數(shù)圖上呈鋸齒狀形態(tài)。Lauretta,Elements,

2011,7(1)

中子數(shù)N(偶數(shù))中子數(shù)N(奇數(shù))總和

質(zhì)子數(shù)Z(偶數(shù))15953212偶-偶核素鍵能最大，

因此自然界偶-偶同位素豐度高。鐵的豐度特別重要：

比鐵重的元素鍵能低于鐵，

意味著要形成它們必須輸入能量。Li,Be,B鍵能小于4He，

因此結(jié)合脆弱豐度低(Tolstikhinand

Kramers,2008)圖與

以穩(wěn)定核素的數(shù)量(McSweenetal.,2003)質(zhì)子數(shù)Z(奇數(shù))

50454□太陽(yáng)系中元素豐度分布與元素化學(xué)性質(zhì)無(wú)關(guān)

，主

要受原子核結(jié)構(gòu)控制。□原子核由中子和質(zhì)子組成，其間既有核力(結(jié)合力)

又有庫(kù)侖斥力。當(dāng)中子數(shù)和質(zhì)子數(shù)比例適當(dāng)時(shí)核

穩(wěn)定。具有穩(wěn)定核結(jié)構(gòu)的元素分布廣

，

豐度大?！踉有驍?shù)低的輕核容易達(dá)到質(zhì)子和中子數(shù)平衡，如168O,2412Mg,

2814Si,4020Ca的原子核中子/質(zhì)子=

1，

核最穩(wěn)定，

具有較大豐度?！蹼S原子序數(shù)增加，

核內(nèi)中子數(shù)增加速度大于質(zhì)子

數(shù)，

原子核趨于不穩(wěn)定，

故豐度呈遞減規(guī)律。□偶數(shù)元素核內(nèi)核子傾向成對(duì)，

根據(jù)量子力學(xué)原理，

原子核能降低，

核穩(wěn)定性增大，

這些元素在自然

界中分布較廣，

豐度較大。□元素的恒星合成過(guò)程也決定了其豐度大小

。Li

，

Be

，

B作為氫燃燒的一部分轉(zhuǎn)化為He

，

導(dǎo)致這些

元素虧損

。O

、Fe高豐度是由于這兩種元素是氫

燃燒的穩(wěn)定產(chǎn)物。圖1.20核素圖解.

自然界穩(wěn)定的元素是那些質(zhì)子數(shù)(Z)與中子數(shù)(N)近似相等的元素.該關(guān)系限定了一條穩(wěn)定性谷地,偏離該規(guī)則的元素不穩(wěn)定(放射性核素)(Albarede,2003)元素的宇宙地球化學(xué)分類(lèi)(Albarede,2009)太陽(yáng)系元素的起源·

由于天體物理學(xué)、天文學(xué)、宇宙化學(xué)和核子物理

學(xué)的迅速發(fā)展，

人們已經(jīng)了解到：(1)不同年齡恒星具有不同的表面溫度和光譜；(2)恒星主要能源由恒星中的核反應(yīng)所提供；(3)恒星演化到超新星階段會(huì)產(chǎn)生大規(guī)模爆炸，將

大量物質(zhì)拋入宇宙空間，

成為后一世代星系的物

質(zhì)來(lái)源；(4)人工核反應(yīng)和核爆炸過(guò)程可以產(chǎn)生數(shù)以千計(jì)的

各種放射性和穩(wěn)定同位素等等。□科學(xué)實(shí)踐加上有關(guān)太陽(yáng)系元素豐度知識(shí)(H和He占

宇宙全部原子數(shù)目98%的結(jié)論特別重要)，才使比

較完整的“恒星合成元素

”假說(shuō)得以形成?！醺鶕?jù)這一假說(shuō)，

元素的合成是由于隨著恒星演化

過(guò)程發(fā)生了熱核反應(yīng)的結(jié)果，

而構(gòu)成所有元素的

原始物質(zhì)或原料則是過(guò)去和現(xiàn)在都在宇宙中占據(jù)

統(tǒng)治地位的H。元素合成的

過(guò)程和步驟?

(1)最初某一時(shí)刻H“燃燒

”形成He；2個(gè)H核(質(zhì)子)相互作用形

成含1質(zhì)子和1中子的D核

。D核捕獲1質(zhì)子形成氦

核(2質(zhì)子+1中子)2個(gè)3He核反應(yīng)失去2質(zhì)子

形成4He(2質(zhì)子+2中子)具有漸進(jìn)熱核燃燒的3個(gè)恒星

。左邊核部燃燒H形成He，

被未燃

燒的燃料包圍；

中間在核部He燃燒形成C和O，

被未燃燒的He層包圍

。該層之外H燃燒形成He，

最外圈為未燃燒H；

右邊是

一多層燃燒恒星

。連續(xù)核燃燒層被未燃燒層分隔。(2)He“燃燒”過(guò)程產(chǎn)生C和O；(3)α或C和O“燃燒”產(chǎn)生20Ne、23Na、

23Mg、24Mg、28Si、31P、31S、32S、

Cl、Ar；(4)Si“燃燒”或平衡(e-過(guò)程)合成Fe附近A＝28到57豐度最大核素

過(guò)程燃料產(chǎn)物溫度(106K)

H燃燒

H

He60

He燃燒HeC,O200C燃燒

C

O,Ne,800Na,MgSi燃燒

Mg-S

Fe附近3000的元素

Ne燃燒

Ne

O,Mg

1500

O燃燒

O

Mg-S

2000

?(5)

中子捕獲(S-過(guò)程)可能是合成重于Fe元素的主

要機(jī)制；?(6)快中子捕獲或p過(guò)程是形成重元素稀少富質(zhì)子

同位素的機(jī)制。質(zhì)子-中子圖He,C,O聚變圖解不同核素核子的成鍵能。Fe成鍵能最

大(8.8百萬(wàn)電子伏特)。

比鐵輕核素由

聚變形成，

比鐵重核素由裂變形成

，

與其活化能不同，都是自發(fā)產(chǎn)生的。因此原子質(zhì)量數(shù)大于鐵元素的核合成

將消耗能量—中子捕獲。引自Albarede,2009標(biāo)出了主要的核合成階段□

1.2.1行星化學(xué)成分□太陽(yáng)系有八大行星,基本特征見(jiàn)表1.7.□行星表層溫度較低，缺乏原子光譜激發(fā)條件，排

除了應(yīng)用光譜測(cè)定其成分的可能性。近幾十年來(lái)，

使用宇宙探測(cè)器對(duì)行星大氣進(jìn)行探測(cè)，人們對(duì)行

星大氣化學(xué)成分的了解得到迅速增長(zhǎng)。按照成分

特征，太陽(yáng)系九大行星分為三種類(lèi)型：1.2行星及月球的化學(xué)成分內(nèi)行星-硬巖行星-地球和類(lèi)地行星。水、金、地、火。質(zhì)量小、密度大、衛(wèi)星少。

以巖石為主，

富Mg,Si,

Fe等，貧親氣元素。外行星-冰氣行星

。包括巨行星和遠(yuǎn)日行星。木星和土星。體積大、質(zhì)量大、密度小，衛(wèi)星多。以地球質(zhì)量和體積為1，土星為95.18和745，木星為

317.94和1316

。主要為H、He，貧親石、親鐵元素。遠(yuǎn)日行星。天王星和海王星。

以冰物質(zhì)為主，H質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10％

，He、Ne平均12%。三類(lèi)行星巖石、冰物質(zhì)和氣態(tài)物質(zhì)比值分別為：1

:10-4

:10-7~

10-12；0.02

:0.07

:0.71；0.

195

:0.68

:0.

1······太陽(yáng)系成員氣體H,He等冰物質(zhì)C,N,O巖石物質(zhì)Mg,Si,Fe等太陽(yáng)1.00.0150.0025類(lèi)地行星和隕石痕痕1.0木星0.90.1痕土星0.70.3痕天王,海王,彗星痕0.850.15表1.7太陽(yáng)系中某些主要元素的原子相對(duì)豐度三類(lèi)行星中主要元素的原子相對(duì)豐度見(jiàn)表1.5.表1.8八大行星有關(guān)參數(shù)□據(jù)平衡凝聚模型，距太陽(yáng)愈遠(yuǎn)溫度愈低，

各行星

區(qū)凝聚物成分和含量均不相同

。隨空間探測(cè)技術(shù)

發(fā)展，對(duì)行星及衛(wèi)星已提出多種化學(xué)組成模式：□水星：

由難熔金屬礦物、鐵鎳合金和少量輝石組

成；□金星：

除上述外還含鉀(鈉)鋁硅酸鹽，

不含水；□地球：

除上述外還含透閃石等含水硅酸鹽和三種

形式的鐵(金屬鐵、FeO和FeS)，

金屬鐵和FeO形成

低熔點(diǎn)混合物，在放射性加熱下熔化、分異，

形

成早期地核；□火星

:

含更多含水硅酸鹽，金屬鐵完全氧化為FeO

或與S結(jié)合形成FeS，無(wú)金屬鐵核。最新火星探測(cè)

器“勇氣號(hào)

”“機(jī)遇號(hào)

”發(fā)回的全景圖像表明，火星土壤可能含很高成分赤鐵礦-Fe2O3

，找到它就

能證明火星曾經(jīng)有水?；鹦菐r層圖像中巖層有細(xì)

微層次，且不象筆記本那樣平行，巖層有時(shí)相互

交錯(cuò)，可能是因火山活動(dòng)、風(fēng)和水作用而成。如

果真能在火星上找到水的跡象，將會(huì)有力支持關(guān)

于火星曾經(jīng)有生命存在的設(shè)想?！躅?lèi)地行星與遠(yuǎn)離太陽(yáng)的外部行星大氣層成分存在

明顯差別，

前者缺乏原始星云中的氣體組分(H,He

等)，

外行星則富集這種組分。□類(lèi)地行星因距太陽(yáng)近，

早期太陽(yáng)風(fēng)驅(qū)趕作用強(qiáng)烈，

行星表面捕獲的氣體難以保存，

因而地球和類(lèi)地行星大氣層是次生的，

即主要通過(guò)行星內(nèi)部物質(zhì)的熔融、去氣過(guò)程形成

。計(jì)算表明地球內(nèi)部物質(zhì)熔融去氣大約已排出1.7433×1024g揮發(fā)組分，

其中

CO為1.218×1023g。表1.9行星大氣

層的特點(diǎn)□水星大氣層極稀薄(<0.0003×105Pa)，

含Ar,Kr,Xe,He,H,O,C,Ne等；

火星大氣層也稀薄，

質(zhì)量只有地

球的1

10，

體積為地球1/6，

由CO2，

(95%),

He(3%),

N2

(2%3%)以及Ar,O2等組成?！踅鹦呛偷厍蛴谐砻艽髿鈱樱?/p>

金星大氣層達(dá)100×105

Pa，

主要為CO2和N2。□類(lèi)木行星距太陽(yáng)遠(yuǎn)溫度低，

太陽(yáng)風(fēng)驅(qū)趕不強(qiáng)，

大氣層物質(zhì)為捕獲的氣體，

保持星云氣體的成分和同位

素比值

。木星大氣層(0.1~0.5)

×

105Pa，

為H2,He,

NH3和C2H2

。土星(0.05

0.5)

×

105Pa，

為NH3,CH4和H2等

。天王和海王星大主要為CH4,NH3,H2和He?！躅?lèi)地行星與類(lèi)木行星除在大氣層成分上存在明顯

差別外，

大氣層厚度與密度與行星質(zhì)量有關(guān)

。質(zhì)

量大的行星容易形成較稠密的大氣層?！跛呛突鹦?，表面氣壓低，

液態(tài)水在行星表面沸

騰成氣態(tài)，

因質(zhì)量小對(duì)氣體捕獲能力小

。

因此水

星和火星不可能產(chǎn)生水圈，

只能形成極稀薄大氣

層

。金星比地球表面溫度高(約650~700K)，

因此

也沒(méi)有水圈?！醺鶕?jù)宇宙大爆炸假說(shuō)，太陽(yáng)如一臺(tái)大吹風(fēng)機(jī)，

靠近太

陽(yáng)區(qū)域氫和氦等易消失輕元素已被吹除干凈，

類(lèi)地行星直接受酷熱之苦，

轉(zhuǎn)變?yōu)榇髿庵写罅吭舆\(yùn)動(dòng)

。其次因質(zhì)量小、

引力不強(qiáng)，

不足以包容原子活動(dòng)，

它們就逃脫到空間，

留下那些比氫、氦重的元素

。在太陽(yáng)火熱作用下不會(huì)自行汽化--耐熱元素，

形成金星、地球和火星的硅酸鹽?！?/p>

離太陽(yáng)最近的水星，

硅酸鹽也耐受不住強(qiáng)烈熱，

揮發(fā)為氣體離去，

因此主要由更耐受太陽(yáng)熱的親鐵元素

。原始大氣

在熱烤下全部被吹走

。金、地和火星也都失去全部原始大氣，

現(xiàn)在的大氣是星體形成后釋出的內(nèi)部氣體(有水)

。類(lèi)

地行星失去98%原始物質(zhì)，

類(lèi)木行星則回收了從太陽(yáng)系內(nèi)

部驅(qū)趕出的易消失氣體。□假定隕石為小行星碎塊，

設(shè)想行星是由類(lèi)似鐵隕石

和石隕石的鎳鐵相和硅酸鹽相所組成，

就可依據(jù)行

星體積和平均密度估算行星內(nèi)鎳鐵相與硅酸鹽相比

例。□當(dāng)可以比較行星大小時(shí)，

密度較大行星較密度較小

行星鎳鐵對(duì)硅酸鹽比值更大，

即鎳鐵內(nèi)核愈大。□利諾利茲和薩麥爾斯據(jù)此算出內(nèi)行星和月球金屬內(nèi)

核半徑同各星體半徑比值：

水星-0.8，

金星-0.53，地球-0.55，

火星-0.4。圖1.21內(nèi)行星硅酸鹽相與金屬相的比例□研究表明：

(1)內(nèi)行星成分同其與太陽(yáng)距離之間存

在某種規(guī)律：

愈靠近太陽(yáng)，

金屬鐵含量愈高，

這是有待于從理論上闡明的一條宇宙化學(xué)規(guī)律；(2)

地球和金星成分可能十分相近，

因?yàn)樗鼈兙哂邢嗨浦睆胶推骄芏龋?/p>

(3)對(duì)比火星和月球平均密度，

它們?cè)诨瘜W(xué)成分上屬于同一類(lèi)天體?！跬庑行瞧骄芏?0.7-2.47)要比內(nèi)行星小的多

。據(jù)

此推測(cè)在這些大行星中氣體應(yīng)占較大比例

。氫及其化合物應(yīng)是主要成分。1.2.2月球的化學(xué)成分蘇東坡-水調(diào)歌頭明月幾時(shí)有？把酒問(wèn)青天。

不知天上宮闕，

今夕是何年？我欲乘風(fēng)歸去，

又恐瓊樓玉宇，

高處不勝寒。起舞弄清影，

何似在人間？轉(zhuǎn)朱閣，低綺戶(hù)，

照無(wú)眠。不應(yīng)有恨，

何事長(zhǎng)向別時(shí)圓？人有悲歡離合，

月有陰晴圓缺，

此事古難全。但愿人長(zhǎng)久，

千里共嬋娟。實(shí)際上月球表面是無(wú)風(fēng)、無(wú)水(?)、無(wú)生命、無(wú)聲響、冷

熱巨變、接近真空非常干旱的

寂靜世界。□近幾十年，

由于美國(guó)宇宙登月艙《阿波羅-11,12,14,15,16和17》和前蘇聯(lián)宇宙自動(dòng)站《月球-16,20和

24》

的飛行，

人類(lèi)已自月球采集到380多公斤月球表面物質(zhì)樣品

。包括結(jié)晶巖石(具巖漿巖結(jié)構(gòu))，

未

膠結(jié)微粒物質(zhì)(月壤)以及角礫巖和顯微角礫巖

。通

過(guò)對(duì)月球物質(zhì)分析測(cè)定以及宇宙飛行所取得的其它

資料，

人們對(duì)月球的認(rèn)識(shí)已深入的多?！?994年和1998年美國(guó)國(guó)防部和航空航天局(NASA)

相繼發(fā)射Klementine號(hào)和月球勘探者號(hào)探測(cè)器

。

前者繞月飛行71天，

獲得了可見(jiàn)光區(qū)和近紅外區(qū)

11個(gè)波長(zhǎng)的完整月球表面全景圖，

根據(jù)激光測(cè)距

儀繪制了月球地形圖，在月球南極附近的一些永

久陰暗區(qū)存在水冰

。后者利用伽瑪射線(xiàn)和中子光

譜儀繪制了月球表面成分圖，

證實(shí)了月球南極存

在水冰，

同時(shí)探出月球北極也蘊(yùn)藏著水冰?！跽w來(lái)說(shuō)，

月球是由硅酸鹽組成的固態(tài)球體，

它

不存在大氣圈

。月球平均密度3.33g/cm3

，表面巖

石密度為3.1-3.2g/cm3

。平均密度與表面巖石密度

之間差異不大，

說(shuō)明月球物質(zhì)的分異相當(dāng)弱。月球南極1994年“克萊門(mén)

丁號(hào)

”拍攝的1500余幅照片組合成。南極位于

圖像中央，邊緣

為南緯700

。兩

極附近的永久陰

暗區(qū)儲(chǔ)藏水冰。□月球正面由兩類(lèi)地形構(gòu)成：□明亮而起伏不平的高地--highland

，

密布撞擊坑?！鹾诎档耐莸?/p>

－“月海

”--mare

，撞擊坑較為稀疏?！踉虑蛘嬉院诎档脑潞橹鳎?/p>

背面以明亮的高地為

主

。

兩面地形截然相反的現(xiàn)象很罕見(jiàn)，

科學(xué)家還未能最終解答這個(gè)問(wèn)題

。可能的原因：

正面月殼薄，

上涌巖漿更易到達(dá)月面噴發(fā)而出。圖1.23月球正面-明亮部分--撞擊坑密布的高地-highland

;黑暗部分--撞擊坑稀疏平坦的低地-月海-mare月球背面-高地為主，

難覓月海

。6次阿波羅探月都在正面著陸

。黃圓圈是著陸點(diǎn)及編號(hào)

。NASA打算將機(jī)器人送上月球背面(“克萊門(mén)丁號(hào)

”拍攝).圖1.24“克萊門(mén)丁號(hào)

”拍攝的月球正面和背面地形

。背面南極紫色

斑塊為幅員遼闊的艾肯特盆地

。這片撞擊地形直徑達(dá)2600km根據(jù)對(duì)月巖、月壤和月塵研究，

構(gòu)成月球表面(月殼)的巖石有三類(lèi)：1.月海玄武巖-與大洋拉斑玄武巖相近，但富含TiO2和FeO

。主要分布在月球表面相對(duì)低洼廣闊的“月海

”區(qū)。

比非月海玄武巖年輕，含斜長(zhǎng)石較少。

主要由單斜輝石、鈦鐵礦、斜長(zhǎng)石和少量橄欖石(細(xì)粒巖石中)組成。

同位素年齡31.5~38.5億年。是

由月球內(nèi)部富鈦、鐵和貧斜長(zhǎng)石區(qū)域因放射性加熱

部分熔融產(chǎn)生，

不是月殼原始分異產(chǎn)物?！ぁ?.月球主要巖石類(lèi)型2.非月海玄武巖：

比月海玄武巖斜長(zhǎng)石略高

。

富放射性元素及難熔微量元素

。其中有一種地球上未見(jiàn)到的特殊巖石：

克里普巖(KREEP)：

富含K,REE和P，

化學(xué)成分是玄武巖，U,Th,Rb,Sr,Ba及

REE比月海玄武巖高

。認(rèn)為是富斜長(zhǎng)石巖石部分熔融而成

。月球正面最大的凹地風(fēng)暴洋是克里普

巖豐度最高的地方

。其成因目前還未查明。3.

高地月巖：

主要是斜長(zhǎng)巖

，

富鋁，

是組成月球高地的巖石

。認(rèn)為是巖漿分離作用產(chǎn)物，Al2O3含量較高(19.1~36.49%)，TiO2和FeO較低?！ぁぁ鯇?duì)月壤和月塵的研究表明，

月壤主要由晶質(zhì)的巖

石碎塊，

玻璃及顯微角礫巖組成；

月塵主要由輝

石、斜長(zhǎng)石、橄欖石及鈦鐵礦組成

。含少量鱗石

英、方石英、隕硫鐵、尖晶石及鎳鐵?！跤捎谠虑蛏先鄙俚刭|(zhì)作用，

月壤和月塵實(shí)際上是

月表巖石破裂(隕石撞擊和晝夜溫差等)后就近堆

積而成的沉積層

。

因此月壤和月塵能夠代表月殼

的化學(xué)組成。2.月球化學(xué)組成月球不同地點(diǎn)采取的月壤樣品其化學(xué)組成十分相似,

其元素組合與地球上元素組合特征相當(dāng)吻合,分為4

類(lèi):親鐵,親硫,親氧和親氣元素(表1.10).表1.10月球物質(zhì)中發(fā)現(xiàn)的化學(xué)元素(引自陳俊等2004)□玄武巖和斜長(zhǎng)巖是月球上最豐富的巖石。對(duì)其常

量元素和微量元素的分析結(jié)果列在表1.11,12和13

中.

由于月球缺少大氣圈，缺少氧化作用-還原環(huán)

境

，所有Fe都以FeO形式存在?！跖c地球玄武巖相比，

月球玄武巖富FeO，MgO和TiO2

,貧堿金屬和微量元素，

富Cr,Zr,Th,REE等

難熔元素?！踉虑蛐遍L(zhǎng)巖主要組分為FeO，Al2O3和CaO，CaO

含量明顯高于地球斜長(zhǎng)巖，SiO2

，Na2O和K2O含

量低于地球斜長(zhǎng)巖。高地斜長(zhǎng)巖高地斜長(zhǎng)玄武巖月海石英拉

斑玄武巖月海低K

玄武巖FraMauro

KREEP巖SiO244.344.546.140.548.0TiO20.060.393.3510.52.1Al2O335.126.09.9510.417.6FeO0.675.7720.718.510.9MnO--0.280.28-MgO0.808.058.17.08.7CaO18.714.910.911.610.7Na2O0.80.250.260.410.7K2O--0.070.100.54P2O5--0.080.11-Cr2O30.020.060.460.250.18TOTAL100.599.9100.399.799.4表1.11

月球巖石的代表性組成(%)(White,2001)表1.12

月球不同巖石類(lèi)型的常量元素含量(%)(引自陳俊等2004)表1.13

月球不同巖石類(lèi)型稀有分散元素含量(×10-6)

(引自陳俊等2004)圖1.25上圖：

月壤中鐵含量.

月球正面月海含量最高

,背面中央?yún)^(qū)域(南極艾

肯特盆地上方)最低中圖：

月球正面風(fēng)暴洋

釷最高,

尚不清楚造成

這種異常分布的原因.

下圖：

月球重力圖.最

年輕的撞擊盆地上方的

重力大于預(yù)期值(紅色

部位).可能的解釋是月

球遭撞擊后,來(lái)自月幔

的高密度巖頸在盆地表

面升起。圖1.26

“月球勘探者號(hào)

”攜帶的中子光譜儀發(fā)現(xiàn)月球永久陰暗區(qū)(紫色部位)散射的中子里沒(méi)有中等能量的中子

。水中氫原子會(huì)與中

子發(fā)生碰撞，

因此冰可以使中子速度放慢

。證實(shí)“克萊門(mén)丁號(hào)

”探測(cè)到的這些陰暗區(qū)有冰的結(jié)果。月球高地以斜長(zhǎng)巖為主

。月球早期外層處于熔融狀態(tài)，低密度斜長(zhǎng)巖浮在巖漿洋表面

。熔化的熱

量除來(lái)自微小星體迅速聚集之外別無(wú)它途

。大量

斜長(zhǎng)巖存在于外殼就成了月球由一次行星撞擊的

碎屑快速聚集而成假說(shuō)的有力證據(jù)?！鞍⒉_11號(hào)

”收集到的月海玄武巖Ti異常高，

對(duì)此科學(xué)家費(fèi)盡心思去弄清楚高密度的富鈦巖漿怎么能夠穿過(guò)低密度外殼浮上來(lái)

?！翱巳R門(mén)丁

”和“月球勘探者

”證明，“阿波羅11號(hào)

”發(fā)現(xiàn)的高鈦熔巖在月球上十分罕見(jiàn)

。月海

玄武巖鈦含量參差不齊，“阿波羅

”飛船首次著陸點(diǎn)探測(cè)的高鈦含量只有很少一部分玄武巖能達(dá)到。單從月球一個(gè)地方取回的樣品不一定代表大片區(qū)域情況?！ぁぁ?.月球和地球若干特征的對(duì)比□

1.

月球與地球都是太陽(yáng)系的成員，

都在距離“原

太陽(yáng)

”相似的距離內(nèi)凝聚而成

。二者演化過(guò)程有許

多相似處

。但由于形成二者初始物質(zhì)組成上的差異、體積和密度的不同等，

導(dǎo)致它們演化過(guò)程的

差異

?，F(xiàn)今月球表面特征似乎可以擬作地球早期

階段

。

因此月球研究資料成為了解地球早期(距今

31~46億年)演化特征的重要方面。□2.地球上發(fā)現(xiàn)最古老巖石的同位素年齡(37-37.5億年)和月巖最老同位素年齡(34-39.5億年)很接近。月球形成于45×108a前，

于39×108a前角礫巖化和

強(qiáng)烈變質(zhì)

。在距今31億年以來(lái)幾乎處于“停滯

”狀態(tài)

。如果把月球原始結(jié)晶巖石看作地殼早期的

巖石，

說(shuō)明今天地球上的花崗巖質(zhì)大陸型地殼，水圈和大氣圈是地球后來(lái)演化發(fā)展過(guò)程中產(chǎn)生的?！?.月球表面的月巖標(biāo)本大體與地球的大洋型玄武巖

地殼或者地殼硅鎂層相似，

反映月殼與大洋型地殼

相似

。月球表面缺失廣泛分布的大陸型花崗巖地殼

(硅鋁層)?！?.月球和地球由同樣化學(xué)元素組成，地球中全部化

學(xué)元素在月巖和月壤中都有發(fā)現(xiàn)，但二者比例不同。

地球與月球化學(xué)組成上的差異，

無(wú)疑是在后期化學(xué)

分餾和熱變質(zhì)階段產(chǎn)生的。

總地球

總月球硅酸鹽地球硅酸鹽月球

SiO230.3843.445.044.4

TiO20.14

0.30.2010.31

揮發(fā)性元素-bonedry--完全干燥巖石；

富耐火親氧元素Al和Ca

a

富

富

□

1.月球虧損堿性揮發(fā)性元素Na,K；

2.月球整體貧鐵，月核很小，地球和月球的組成之比較(White,2001)只占2%；鐵虧損也波及其它親鐵和親硫元素；

3.月球高度虧損

Mantle

67.5%

97.7%

K2O0.020.01-貧

0.0290.01

Fe28.43

2.166-貧

87.5

Ni

1.750.1345.4

Na200.24

0.09-貧0.360.09

S

1.62

Core%

32.5%

2.3%

□首先，

與地球相比，

月球虧損中等揮發(fā)性元素Na,K；

其次，

雖然月球硅酸鹽部分(幔+殼)比地球

硅酸鹽部分富鐵，但與地球相比，

月球反映出月核很小，

只占該星球2%；

月球

的虧損也波及到其

親，

月高虧損高揮發(fā)

元

on

dr

完

干燥巖石；而富集耐火

氧如A和幾

球的2倍□盡管組成上存在差

月球與地同的氧同位素組成

強(qiáng)

支持成

太陽(yáng)星云部分的觀點(diǎn)圖引自Zanda&Rotaru,200圖引自Albarede,2009□據(jù)現(xiàn)有資料估計(jì)了月巖中元素豐度級(jí)次(表1.13).將

此同地球和隕石相應(yīng)資料比較，

月巖貧堿金屬和揮發(fā)性元素(Bi,Hg,Zn,Cd,Tl,Pb,Ge,Cl和Br)，

富耐

熔元素Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Sc,Zr,Nb,Mo,Y及稀

土元素?！醴从吃聨r形成于高溫條件下，

月球同地球在化學(xué)

成分上不屬于同一類(lèi)

。這一事實(shí)動(dòng)搖了月球是地

球拋出一部分物質(zhì)所形成的假說(shuō)，

支持月球原是

太陽(yáng)系中一個(gè)小行星或其它物體，

后來(lái)被地球所

捕獲的觀點(diǎn)。豐度級(jí)次%

元

素O

Si

Fe10-3—10-2F

ScV

Co

Ni

Zn

Nb

La

Ce

Pr

Nd

Sm

Gd

Dy

Er

Yb

Hf1.0—10CaMgAlTi10-1—1.0

S

Na

K

Cr

Mn10-2—10-1

C

N

P

Cl

Sr

Y

Zr

Ba10-4—10-3LiBe

B

Cu

Ga

Rb

Ge

Tb

Ho

Tm

In

Ta表1.13

月巖中元素的豐度(張本仁等1988)>10□5.月球與地球早期都有強(qiáng)烈火山活動(dòng)，

月球高地的形成，

廣布的月海玄武巖和地球早期的中基性噴出

巖后經(jīng)變質(zhì)形成廣布的綠巖系，

是地球可以與月球

演化進(jìn)行對(duì)比的顯著特征之一?！?.月巖和月壤缺水，

幾乎沒(méi)有3價(jià)鐵，

證明月球表

面沒(méi)有水圈和大氣圈，接近于真空

。

因此月球不象

地球有分布廣泛的生命活動(dòng)(生物圈)

。

由于缺水、

氧化和生物等作用，

月球表面也缺失這些外營(yíng)力引

起的地質(zhì)產(chǎn)物

。月巖是基本保持原狀變化不大的“原始巖石

”?！?.月球可能沒(méi)有金屬核，

因此沒(méi)有明顯磁場(chǎng)

。但

月球內(nèi)部具有類(lèi)似于地球的殼層構(gòu)造

。地球物質(zhì)

熔融分異遠(yuǎn)比月球充分

。

由于缺水，

月球火成巖

熔融溫度比地球火成巖高的多

。地球內(nèi)部沒(méi)有月

球內(nèi)部那樣堅(jiān)固?！鯊?qiáng)還原條件是月球上熔體結(jié)晶作用過(guò)程的特征。地球物質(zhì)核轉(zhuǎn)變能較月球大的多

。

因此地球構(gòu)造-

巖漿活動(dòng)比月球規(guī)模大，

延續(xù)時(shí)間也較長(zhǎng)?！鯇?duì)月球直接研究還僅僅是個(gè)開(kāi)端

。

目前許多國(guó)家

都制定了本國(guó)的研究月球計(jì)劃，

我國(guó)的繞月飛行

計(jì)劃(嫦蛾工程)已正式實(shí)施。□隨著這些研究的深入和星際航行的發(fā)展，

人類(lèi)不

僅對(duì)月球的組成，

也能對(duì)地球的組成，

甚至其它

星體的組成和發(fā)展演化歷史不斷增添新的認(rèn)識(shí)。□在經(jīng)歷了18年的平靜之后，

1994年美國(guó)成功發(fā)射克萊門(mén)丁號(hào)月球探測(cè)器，

次年提出面向21世紀(jì)的探月計(jì)劃

。其后俄羅斯、歐洲空間局、

日本和印度也制定了各自的月球探測(cè)計(jì)劃并付諸實(shí)施

。這標(biāo)志著月球探測(cè)新高潮已經(jīng)開(kāi)始(歐陽(yáng)自遠(yuǎn)等2003)，

與20世紀(jì)相比，這次的人類(lèi)重返月球計(jì)劃，

不僅參與國(guó)家更多，

而且探測(cè)目標(biāo)更加明確4.月球開(kāi)發(fā)和利用1.月球能源資源的分布和利用月壤厚度達(dá)3～20m，

成分極為復(fù)雜，

富含揮發(fā)性元素

。月壤稀有氣體中，

最讓人感興趣的是3He，

因它是一種清潔、高效、安全的核聚變發(fā)電材料月壤蘊(yùn)藏豐富3He資源，

總量100到500萬(wàn)噸

。是地球資源量的10萬(wàn)～50萬(wàn)倍

。若可控核聚變發(fā)電成為現(xiàn)實(shí)，

建設(shè)一個(gè)50MW3He核聚變發(fā)電站，

每年消耗50kg3He

。

以1992年全球用電量算，

若全部使

用3He發(fā)電，~

需100t3He原料--月壤3He儲(chǔ)量可供地

球發(fā)電1萬(wàn)

5萬(wàn)年。開(kāi)發(fā)月壤豐富的3He對(duì)人類(lèi)能源的可持續(xù)利用具有重要意義?！ぁぁぁ?

2.月球礦產(chǎn)資源的分布與利用?

玄武巖是月球最豐富的巖石之一

。月海玄武巖顯

著的成分特征是富TiO2

，TiO22.54~13.14%

。Ti主

要是以獨(dú)立礦物鈦鐵礦形式存在，

月海玄武巖可

能成為鈦礦體

。若以鈦鐵礦含量超過(guò)8％

，

即TiO2

含量>4.2%的月海玄武巖作為鈦礦估算，

多光譜成

像數(shù)據(jù)表明，

鈦鐵礦總資源量達(dá)1500億噸

。是未

來(lái)開(kāi)發(fā)利用月球的重要礦產(chǎn)資源之一。?

克里普巖富集的REE,Th和U也可能為人類(lèi)所利用.□3.月球特殊空間環(huán)境資源的開(kāi)發(fā)利用□月球超高真空,無(wú)大氣活動(dòng),無(wú)磁場(chǎng),地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定,

弱重力,超潔凈.對(duì)人類(lèi)發(fā)展來(lái)說(shuō)是一種寶貴的資源.

可以在月球上建立“太空實(shí)驗(yàn)室