地球化学课件专题3 - 宇宙地球化学-2

北京大学地球与空间科学学院地球化学研究所《地球化学》授课老师：李秋根E-mail:qgli@PhoneMP)Room:新地学楼3508元素的起源

本章内容一、元素的起源二、元素的丰度特征三、太阳星云的化学演化四、行星的化学演化五、彗星的化学演化六、陨石化学一宇宙地球化学（Cosmochemistry）二、元素的宇宙丰度特征1.元素的宇宙丰度特征1）元素的宇宙丰度特征（Palme,2013:SolarSystemAbundancesoftheelements）(1)元素的宇宙丰度的确定主要依据两类数据：太阳大气光谱资料；球粒陨石的化学组成。4二、元素的宇宙丰度特征1.元素的宇宙丰度特征1）元素的宇宙丰度特征稀有气体亏损图6中：（1）36个（45）元素Sun／Cl处于0.9～1.1间，为亲石、亲铁和亲铜元素；（2）9个问题元素是测量误差所致，需要重新确定；（3）太阳光球吸收光谱测定的元素丰度与Cl球粒陨石的元素丰度非常一致。图5中：太阳球粒陨石化学元素的组成和太阳大气相比，亏损稀有气体。5二、元素的宇宙丰度特征1.元素的宇宙丰度特征1）元素的宇宙丰度特征

基于太阳球粒陨石化学元素的组成和太阳大气资料，通常以太阳大气光谱数据确定宇宙中H、He和其他挥发组份的丰度；并根据球粒陨石的分析结果确定宇宙中其他非挥发性元素的含量。

元素丰度值采用的是相对于106个Si原子的各个元素的原子：1）Si元素分布广2）挥发性小；3）稳定性好。宇宙元素分布极不均一，但有规律6二、元素的宇宙丰度特征1.元素的宇宙丰度特征1）元素的宇宙丰度特征Z<45的元素随原子序数增大呈指数降低，Z>45的元素丰度曲线呈缓慢降低。H、He为丰度最高的元素。Li、Be、B丰度过低，为亏损元素。Fe为过剩元素，呈明显的峰。高的Pb宇宙丰度。(2)元素的宇宙丰度特征7二、元素的宇宙丰度特征1.元素的宇宙丰度特征1）元素的宇宙丰度特征Tc和Pm没有稳定性同位素，在宇宙中不存在；原子序数大于83（Bi）的元素也没有稳定同位素，是Th和U的放射性成因同位素。(2)元素的宇宙丰度特征8二、元素的宇宙丰度特征1.元素的宇宙丰度特征1）元素的宇宙丰度特征偶数>相邻奇数。(2)元素的宇宙丰度特征9二、元素的宇宙丰度特征1.元素的宇宙丰度特征1）元素的宇宙丰度特征质量数为4倍的元素具有较高丰度，如：A=4,16,20,28,32,36,40,48,56,80,84。如：He4,O16,Si28,Ca40。表：宇宙丰度（以氢丰度的对数为12的相对丰度）He4,11.21；He3,？

O16,8.95；O17,5.52；O18,6.06Si28,7.46；Si29,6.17；Si30,5.99Ca40,6.18；Ca42,4；Ca43,3.3；Ca44,4.53；Ca46,1.7；Ca48,3.44；(2)元素的宇宙丰度特征10二、元素的宇宙丰度特征1.元素的宇宙丰度特征1）元素宇宙丰度特征元素宇宙特征的原因解释：原子核结构控制（原子核中的核力和斥力）a.质子/中子增大：斥力增大质子和中子比例适当，原子核稳定；如：原子序数<

20，N／Z＝1，核最稳定。O、Si、Ca；原子序数大，不稳定，丰度降低。b.偶数：核子自旋力矩相等方向相反，稳定性最大，丰度相对最高、分布广泛。c.各原子核的形成过程：如：Li、Be和B；O和Fe丰度异常高。11二、元素的宇宙丰度特征1.元素的宇宙丰度特征2）原子核类型按质子数（Z）和中子数（N）可分为四种类型：12一宇宙地球化学（Cosmochemistry）太阳系：

太阳和以太阳为中心、受其引力支配而环绕它运动的天体构成的系统；具体而言，太阳系包括恒星太阳、八大行星（水、金、地球、火；木、土、海王和天王）及其卫星（月球）、矮行星（冥王星、古神星、阋神星、鸟神星、岩神星）、小行星、彗星和星际（宇宙）尘埃（行星际尘埃）等天体按一定的轨道绕太阳公转构成了太阳系。一宇宙地球化学（Cosmochemistry）依据行星的大小、密度和成分类地行星巨行星远日行星中心星White(2014)一宇宙地球化学（Cosmochemistry）太阳

三、太阳星云的化学演化1.太阳星云的凝聚过程及物质分异

（1）从原始星云中诞生的恒星首先进入主星序阶段；对角线上，几百万年或几百亿年，其核心氢燃烧成氦；（2）红巨星或红超巨星阶段：当氢燃烧殆尽，氦燃烧形成碳和氧；（3）水平支阶段：氦聚变结束，发生更强烈的碳、硅聚变反应；Si（4）之后，恒星或者经过“行星状”星云区成为白矮星和黑矮星走向死亡；或变成超新星（Supernovae）爆发，恒星物质被抛入宇宙成为星云，重新演化。三、太阳星云的化学演化1.太阳星云的凝聚过程及物质分异

（1）在太阳形成过程中，附近若干次超新星爆发抛出大量物质，形成气态（分子）前太阳星云（Nebula），其中一颗超新星的冲击波可能在分子云中造成了超密度区域；星云是由气体和尘埃物质组成的巨大云雾状天体：主要成分是氢、其次是氦（98%）；含有一定比例的金属元素和非金属元素（2%）。太阳星云White(2014)三、太阳星云的化学演化1.太阳星云的凝聚过程及物质分异

（2）温度降低：星云物质凝聚收缩，凝聚的星云绕中轴自转加速，形成星云盘；

中心部分增厚、质量较大，并且中心越来越比周边环绕的盘热，形成一个热致密的恒星：原太阳；中央星云在引力作用下，收缩、凝聚、演化成太阳。三、太阳星云的化学演化1.太阳星云的凝聚过程及物质分异

星云中诞生的恒星首先进入主星序阶段；氢燃烧成氦；太阳至今仍是一颗主序星。三、太阳星云的化学演化1.太阳星云的凝聚过程及物质分异

（3）因收缩，引力势能释放，温度增高，引起星云盘内的物质分馏；由于受太阳光、太阳风和热辐射的驱动，使元素的丰度沿经向呈规律变化。冰冻线内和外成分差异。ShakuraandSunyaev，1973三、太阳星云的化学演化1.太阳星云的凝聚过程及物质分异

（4）星云盘温度降低，引起星云盘内的元素凝聚成矿物。三、太阳星云的化学演化1.太阳星云的凝聚过程及物质分异

（4）星云盘温度降低，引起星云盘内的元素凝聚成矿物。三、太阳星云的化学演化1.太阳星云的凝聚过程及物质分异

（4）星云盘温度降低，引起星云盘内的元素凝聚成矿物，中央星云外的大量小块星云相互碰撞，聚集为尘层、粒子团、小星子。黄长石SiO2气体速度不同，碰撞存在差异：高速：弹回、碎裂，不凝聚；低速：星子彼此吸引，增长。三、太阳星云的化学演化1.太阳星云的凝聚过程及物质分异

（5）小星子相互碰撞和吸引，形成行星胎和太阳系各行星。

内太阳系过于温暖，易挥发的分子难于聚集，由高熔点的物质形成；

高熔点物质在宇宙中很稀少，<1%；

类地行星不会长得太大。

巨行星：冰冻线以外，使易挥发的冰状化合物保持固态（火星和木星间）。三、太阳星云的化学演化1.太阳星云的凝聚过程及物质分异

（6）年轻的太阳诞生后，燃烧氢产生能量，向太阳系连续地以极高地速度（200～800km／s）和不稳定地强度，释放等离子气体流（质子、电子等），即太阳风（solarwind），将原行星盘中地星际物质吹入星际空间，从而结束行星地成长。DeadZone三、太阳星云的化学演化1.太阳星云的凝聚过程及物质分异

三、太阳星云的化学演化1.太阳星云的凝聚过程及物质分异

三、太阳星云的化学演化2.太阳系的物质来源

（1）太阳系物质的同源性A.恒星元素的合成和恒星演化历史的复杂性;B.不同恒星区域内的物质组成存在差异.三、太阳星云的化学演化2.太阳系的物质来源

（1）太阳系物质的同源性地球、月球、陨石的135Ba/136Ba只在0.01%范围内变化。135Ba：r过程为主形成；136Ba：s过程。三、太阳星云的化学演化2.太阳系的物质来源

（1）太阳系外物质的污染16O过剩：

（

12C+4He=>16O）三、太阳星云的化学演化2.太阳系的物质来源

（1）太阳系外物质的污染B.

26Al,107Pd,129I过剩（短寿命放射性）26Al,半衰期16百万年；107Pd,83；129I，7.3C.

陨石中26Mg/24Mg异常高（26Al=>26Mg++）污染量<1/105三、太阳星云的化学演化3.太阳星云的凝聚模型

1.均一的太阳星云凝聚模型Cameron(1963)太阳星云的初期成分是均一，后来的凝聚和碰撞吸积分异成分；2.非均一的太阳星云凝聚模型初期成分不均一，冷凝聚形成太阳系各天体。证据：原始同位素异常理论有待证明完善三、太阳星云的化学演化黄长石SiO2气体4.元素的宇宙化学分类分类依据：挥发性（涉及元素的起源、天体物质的凝聚和温度）4.元素的宇宙化学分类分类依据：挥发性（涉及元素的起源、天体物质的凝聚和温度）三、太阳星云的化学演化不完全凝集，亏损4.元素的宇宙化学分类分类依据：挥发性（涉及元素的起源、天体物质的凝聚和温度）（1）最初，从太阳系成分中凝集的相为Ca、铝的氧化物和硅酸盐，同时获取REE、Zr／Hf、Sc等；亲石（2）相似温度下，W、Os、Re、Ir、Pt等形成多组份合金；亲铁（3）铁镍合金（亲铁）和镁硅酸岩（亲石）：SiO2气体的作用；（4）挥发性元素：S－FeS；其他为固溶体于金属、硫化物及硅酸盐中；（5）高挥发性元素：未完全凝集；凝集温度低于水星。（Anderson,2007:

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Earth）三、太阳星云的化学演化4.元素的宇宙化学分类三、太阳星云的化学演化CAI包体：富集难熔的亲石元素和亲铁元素；4.元素的宇宙化学分类（Anderson,2007:

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Earth）三、太阳星云的化学演化1.行星的起源及形成方式（1）行星形成过程：四、行星地球化学星际介质：1）尘埃：无定型脂肪类和芳香碳氢化合物、硅酸盐；2）气体：原子、分子、离子和多原子离子等。10

um1.行星的起源及形成方式（1）行星形成过程：四、行星地球化学土物质凝聚区土、冰、气物质凝聚区1.行星的起源及形成方式（1）行星形成过程：四、行星地球化学一种行星吸积模式类M星子:类似铁陨石的星子类E星子:类似顽火辉石的星子类AE星子:类似顽火辉石无球粒陨石的星子类CR星子:类似CR碳质球粒陨石的星子类CI:类似CI碳质球粒陨石的星子1.行星的起源及形成方式（1）行星形成过程：四、行星地球化学碰撞吸积的证据：（1）陨石中矿物的波状消光，陨石中矿物的破裂及冲击页理。（2）水星、火星、月球表面的陨石坑。（3）行星自转轴与公转轴存在交角，如地球，23o27’；天王星，97o55’；金星，177o(见表)1.行星的起源及形成方式（1）行星形成过程：四、行星地球化学1.行星的起源及形成方式（2）行星形成方式：四、行星地球化学（1）不均一的吸积说行星胎首先吸积金属铁和镍（原始核），然后吸积硅酸盐。（2）均一的吸积说吸积过程的物质成分是均匀的，核、幔在后来的演化过程中形成。2.行星大气成分（1）行星大气成分确定方法：四、行星地球化学紫外、红外波谱分析:紫外：H、He、O、C、Ne、Ar等原子和CO等分子；红外：水蒸气和CO2；B.偏光性大气圈中的云雾颗粒的形状、大小和折射率，大气组成；C.质谱分析2.行星大气成分（1）行星大气成分特征：四、行星地球化学2.行星大气成分（1）行星大气成分特征：四、行星地球化学行星大气成分（v%）2.行星大气成分（3）行星大气成分起源：四、行星地球化学A.行星大气的保存及影响因素物体或粒子的逃逸速度：Vp=(2gR)1/2(式中g：重力加速度，R:行星半径）大气粒子的平均速度：Vo=(2kT/m)1/2

(式中k:玻尔兹曼常数，1.36×10-23/oC；T:K;m:粒子的质量（原子质量单位）。2.行星大气成分（3）行星大气成分起源：四、行星地球化学A.行星大气的保存及影响因素2.行星大气成分（3）行星大气成分起源：四、行星地球化学B.行星大气的来源2.行星大气成分（3）行星大气成分起源：四、行星地球化学B.行星大气的来源类地行星：次生大气（温度较高）类木行星：俘获原始星云气体（温度较低和质量较大）依据：a.NeArKrXe(不参与化学反应)丰度特征b.木土星富H,He的原因：质量，温度。3.行星的化学成分特征（1）行星的化学成分特征：四、行星地球化学随与太阳距离增加（Morgan,1980）1.Fe、Co、Ni、Cr等行星核的元素减少。2.REE、Ti、V、Th、U、Zr、Hf、Nb、Ta、W、Mo、Re、Pt增多（相对于核）。3.形成壳-幔的元素Si、