地球化学第一章课件

第一章太阳系和地球系统的元素丰度——地球化学1前言1姚明2体检3从宇宙说起4神奇的光2本章内容基本概念元素在太阳系中的分布规律地球的结构简介地壳元素的丰度地球其他部分的元素丰度3一、基本概念地球化学体系分布和丰度分布与分配绝对含量和相对含量研究元素丰度的意义4一、基本概念1地球化学体系岩石矿床地球包裹体c（浓度）P（压强）T（温度）pHEhTIME（连续性）区

域状态时间5一、基本概念2丰度关键词：丰度的表示方法已经建立的丰度体系与元素丰度有关的几个名词元素自然体平均含量一种化学元素在某个自然体中的重量占这个自然体的全部化学元素总重量（即自然体的总重量）的相对份额（如百分数），称为该元素在自然体中的丰度。化学元素在任何宇宙体或地球化学系统中（如地球、地球各圈层或各个地质体等）的平均含量6一、基本概念丰度的表示方法重量丰度W原子丰度相对丰度R（宇宙丰度单位，CAU.）常量元素（wt%）微量元素ppm(g/t,μg/g，10-6)痕量元素ppb(μg/t，ng/g，10-9)（原子%）原子数/106硅原子7已经建立的丰度体系宇宙丰度太阳系丰度类木行星地球类地行星上地幔丰度地壳丰度下地幔丰度地核丰度陆地地壳海洋地壳地盾区地壳褶皱区地壳浅洋区地壳深洋区地壳上地壳中地壳下地壳8一、基本概念与元素丰度有关的几个名词克拉克值区域克拉克值浓度系数浓度克拉克值地壳重量百分数费尔斯曼地壳以下构造单元较小自然体丰度/背景丰度区域克拉克值/地壳丰度9一、基本概念3分布与丰度4分布与分配分布丰度平均含量分布不均一性丰度分布是整体分配是局部相对性分布是元素在自然体系中整体的含量元素分布是指元素在某个宇宙体或地质体（太阳、行星、陨石、地球、地圈、地壳）中的整体（平均）含量。分配是指元素在各宇宙体或地质体内部不同部分或区段中的含量。对元素分配进行观察的参考点来自元素的分布。10一、基本概念绝对含量单位相对含量单位T吨％百分之×10-2kg千克‰千分之×10-3g克

mg毫克ppm、μg/g、g/t百万分之×10-6μg微克ppb、μg/kg、ng/g十亿分之×10-9ng纳克ppt、pg/g万亿分之×10-12pg皮克5.绝对含量和相对含量1g/t=1μg/g=10-4%=10-6=1ppm11一、基本概念6研究元素丰度的意义①元素丰度是每一个地球化学体系的基本数据。可在同一或不同体系中进行用元素的含量值来进行比较，通过纵向（时间）、横向（空间）上的比较，了解元素动态情况，从而建立起元素集中、分散、迁移活动等一些地球化学概念。从某种意义上来说，也就是在探索和了解丰度这一课题的过程中，逐渐建立起近代地球化学。②研究元素丰度是研究地球化学基础理论问题的重要素材之一。宇宙天体是怎样起源的？地球又是如何形成的？地壳中主要元素为什么与地幔中的不一样？生命是怎么产生和演化的？这些研究都离不开地球化学体系中元素丰度分布特征和规律。12二、太阳系中元素的分布规律获得太阳丰度资料的主要途径太阳系元素丰度规律陨石的化学成分132.1太阳和太阳系99.8%0.2%142.2获得太阳丰度的主要途径1.光谱分析:光谱分析仪太阳光谱依据高温均匀化丰度与亮度正比大气不等于整体2900Å测不到局限15McMath-Pierce太阳电子望远镜光谱仪太阳光谱162.2获得太阳丰度的主要途径2.直接分析:陨石、月岩、地球岩石球粒陨石宇航员月球车火星车球粒陨石，主要由硅酸盐矿物组成，含有细小的圆形球粒。这些球粒是在非平衡条件下，从热的、低密度和部分电离的气体中直接凝聚出来的。被认为代表着原始星云中的非挥发性成分172.2获得太阳丰度的主要途径3.利用宇宙飞行器分析测定星云和星际间物质及研究宇宙射线。(高强粒子：质子和α粒子、较重元素原子核、电子、中微子、高能光子等）4由物质的物理性质与成分的对应关系推算（如行星）（表面温度低，无法测光谱，据体积、质量、密度等对比）5分析测定气体星云或星际间物质(极稀薄气体、极少量尘埃）18太阳系相对丰度含量绝对值对比192.3太阳系元素丰度规律1指出含量最高的两个元素2原子序数越高含量越？3锯齿状说明奇数还是偶数元素高4找出规律5找出异常1H2He26Fe8O9F82Pb90Th92U21Sc61Pm43Tc20212.3太阳系元素丰度规律1.H和He是丰度最高的两种元素。占总数99.86％,重量97%、H/He比值12.5。2.原子序数较低的范围内，元素丰度随原子序数增大呈指数递减，而在原子序数较大的范围内（Z＞50）各元素丰度值很相近。3.原子序数为偶数的元素其丰度大大高于相邻原子序数为奇数的元素。具有偶数质子数（A）或偶数中子数（N）的核素丰度总是高于具有奇数A或N的核素。这一规律称为奥多-哈根斯法则，亦即奇偶规律。

22232.3太阳系元素丰度规律4.Li、Be和B具有很低的丰度，属于强亏损的元素，而O和Fe呈现明显的峰，它们是过剩元素。5.Tc和Pm没有稳定性同位素，在宇宙中几乎不存在；原子序数大于83（Bi）的元素也没有稳定同位素，他们都是Th和U的长寿命放射成因同位素，在丰度曲线上这些元素的位置空缺。同样都是化学元素，为什么在宇宙（太阳系）中的含量差距如此悬殊？为什么会出现偶数规则？242.4元素起源1.氢燃烧过程（温度106K或107K）合成氦核（期间也能产生Li、Be、B）2.氦燃烧过程（温度108K）合成12C、16O、20Ne、24Mg、28Si、32S等元素3.碳和氧的“燃烧过程”（温度109K）产生中等质量元素，结合α过程合成了大部分中低原子量元素4.硅燃烧过程（统计平衡过程，3.8×109K）形成V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni等元素5.中子俘获过程（S-过程）合成比铁重的元素。快中子过程合成原子量大于209的元素。25每一质量数的丰度值是该质量数的所有核素丰度的总和。对于放射性核素，其丰度数据已回推到太阳系形成时的数值。图中还标出产生各种元素的可能核过程。图片来源，涂光炽1984版教材262.5陨石的化学成分定义：落到地球上的行星物体碎块，即从行星际空间穿越大气层到达地表的星体（流星体）残骸称为陨石.（有一层黑色或深褐色熔壳。主要来自小行星带：小行星碎块和崩解的彗星残核，少量来自其它天体，大小从显微质点到几十吨,非洲戈巴铁陨石60t,是最大的铁陨石,新疆铁陨石28t,世界第3铁陨石;吉林石陨石1.77t,是世界最大的石陨石）南极和沙漠是陨石富集区！在南极已采集15000块陨石为什么？1965，英国，Barwell陨石272.5.1陨石类型铁陨石石陨石石铁陨石主要由金属Ni,Fe（占90%以上）构成主要由硅酸盐矿物组成（90%以上）。无球粒陨石由数量上大体相等的Fe－Ni和硅酸盐矿物组成陨石的主要矿物组成：Fe、Ni合金、橄榄石、辉石等。陨石中共发现140种矿物，其中39种在地球（地壳浅部）上未发现。如褐硫钙石CaS，陨硫铁FeS。球粒状硅酸盐集合体（金属含量10%）球粒陨石28陨石分类陨石分类非球粒陨石质陨石原始无球粒陨石分异的无球粒陨石无球粒陨石石铁陨石铁陨石球粒陨石质陨石顽辉石球粒陨石普通球粒陨石碳质球粒陨石R群K群主要成分：球粒、Fe-Ni金属、难熔包裹体、基质29302.5.1陨石类型注意：球粒陨石和少量无球粒陨石属原始陨石（微星物质碎块）石-铁陨石、铁陨石和多数无球粒陨石属于分异型陨石，经过了岩浆侵入、喷出，岩浆结晶分异（具球粒陨石成分的物质再熔融和分异）降落的陨石中大部分是球粒陨石（占总数91.5%），其中普通球粒陨石最多（80%）。无球粒陨石3.3%，铁陨石4.6%。石铁陨石1%。312.5.3陨石研究意义陨石是空间化学研究的重点对象，已有几百年的研究历史，近几十年发展尤为迅速是目前最易获取和数量最大的地外物质研究太阳系的物质组成、起源与演化，对认识太阳系早期演化历史有重要意义。探索有机质和生命起源作为地球成分研究的对比标准(如稀土和微量元素标准化及硫同位素国际标准)，帮助了解地球的成因和组成防治自然灾害32美国亚利桑那Barringer(orMeteor)陨石坑，直径约1.2km由一个直径约40m的撞击物撞击而成。撞击物残余称为CanyonDiablo铁陨石(国际S同位素标准）332.5.3陨石研究意义碳质球粒陨石：一种特殊的球粒陨石，含有碳的有机化合物分子且主要由含水硅酸盐组成。CI、CM、CO、CV等

CI是最原始的太阳星云凝聚物质（无热变质，距太阳远）CI型碳质球粒陨石是太阳系非挥发性元素丰度的标尺！34CⅠ型碳质球粒陨石元素丰度与太阳元素丰度对比(Anders&Grevasee,1989)35362.5.3陨石研究意义CAI：球粒陨石中所含的富Ca、Al包体。形成于太阳系演化历史的最初始阶段，可能保存了一些同位素异常的信息和灭绝核素衰变的子体。O同位素异常26Al——26MgCAI是太阳星云最早期各种热事件的产物，保存了星云最原始的信息，具有同位素异常和大量灭绝核素子体，是研究早期太阳星云形成和演化的探针。372.6行星和月球的化学成分2.6.1行星的化学成分（1）地球和类地行星Terrestrialplanets（地球、Mercury、Venus、Mars）：量小、密度大、体积小、卫星少。物质成分以岩石为主，富含Mg、Si、Fe等，亲气元素atmophileelement含量低。（2）巨行星Giants（木星Jupitor和土星Saturn)：体积大、质量大、密度小、卫星多。主要成分为H和He。（3）远日行星（天王星Uranus、海王星Neptune、冥王星Pluto）：成分已冰物质为主，H大约10%，He、Ne平均为12%。38392.6行星和月球的化学成分2.6.2月球的化学成分月球是硅酸盐固态球体，无大气圈，分异弱.形成于4.5Ga前。表面由高地和月海(洼地）组成。月球高原:一般为斜长岩，橄长岩，苏长岩或富斜长石辉长岩。主要高地斜长岩、高地玄武岩。富铝，而Ti、Fe较低.4.1~3.9Ga(部分熔融结晶分异）。高地玄武岩中有一种特殊的克里普岩(KREEP):富含钾、REE、Th、U和P的玄武岩.是富挥发分残余熔浆（分异岩浆）结晶产物。月海区:主要是玄武岩或显微辉长岩，由钙质斜长石、单斜辉石、钛铁矿组成,少量橄榄石.3.85~3.15Ga（剧烈的小天体撞击，泛月海事件）402.6.2月球的化学成分Wt%元素>10O、Si、Fe1.0~1.0Ca、Mg、Al、Ti10-1

~1.0S、Na、K、Cr、Mn10-2

~10-1C、N、P、Cl、Sr、Y、Zr、Ba10-3

~10-2F、Sc、V、Co、Ni、Zn、Nb、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Dy、Er、Yb、Hf10-4~10-3Li、Be、B、Cu、Ba、Rb、Ge、Tb、Ho、Tm、In、Ta与地球和陨石成分对比及意义碱金属和挥发性元素（Bi、Hg、Zn、Cd、Tl、Pb、Ge、C和Br）较贫相对富含耐熔元素Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Sc、Zr、Nb、Mo、Y及REE412.6.2月球的化学成分月球的资源：1能源：