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第一章太阳系的元素(yuánsù)丰度和元素(yuánsù)起源共一百一十一页地球与整个太阳系具有统一(tǒngyī)的成因联系及物质组成,认识太阳系的物质组成,对研究地球的成因和元素起源有重要意义,也为理解地球形成后的演化、地球各个圈层的发展及元素的迁移和分配规律提供基础。共一百一十一页本章(běnzhānɡ)主要内容1.基本概念2.太阳系的组成(zǔchénɡ)3.太阳系元素丰度研究的途径4.太阳系的元素丰度特点5.陨石及其化学组成6.太阳系元素丰度的起源共一百一十一页第一节:基本概念地球化学体系元素分布元素分配元素丰度绝对含量(hánliàng)和相对含量(hánliàng)共一百一十一页1.地球化学(dìqiúhuàxué)体系3737410737374107按地球化学的观点,通常把所要研究的对象看作是一个地球化学体系。地球化学体系的特点:有一定的空间处于特定的物理化学状态(T、P、pH、Eh等)有一定的时间(shíjiān)连续共一百一十一页3737410737374107
根据研究需要,地球化学体系可大可小,小至某个矿物包裹体,某矿物、某岩石都可以看做一个地球化学体系;某套地层、岩体、矿床(kuàngchuáng)(某个流域、某个城市)也是一个地球化学体系;从更大范围讲,某一个区域、地壳、地球直至太阳系、整个宇宙,都可以看做一个地球化学体系。共一百一十一页2.元素(yuánsù)分布3737410737374107元素在整个宇宙或地球化学体系(tǐxì)中(太阳、行星、陨石、地球、地壳)整体中的含量称为分布。元素在地球中的原始分布量与下列因素有关:1、元素的起源2、元素的质量3、原子核的结构和性质4、地球演化过程中的热核反应共一百一十一页3.元素(yuánsù)分配3737410737374107分配是指元素(yuánsù)在各宇宙体或地质体内部各个部分或区段中的含量。地壳中元素的分配指的是地壳形成后,随它的演化、造山运动的更替,元素在地壳各个不同部位和各种地质体中的平均含量。这是元素在地壳各部分不同的物理化学条件下,不断迁移的表现。元素的分配取决于:1、元素的迁移;2、元素的化学反应;3、元素的地球化学性质共一百一十一页4.元素(yuánsù)丰度3737410737374107通常将元素在地球化学体系中的平均含量称之为丰度。元素丰度值实际上只能对这个体系里元素真实含量的一种估计,它只反映了元素组成特征的一个方面(fāngmiàn),即元素在一个体系中分布的一种集中(平均)倾向。元素的分布、分配,以及丰度都是来表征元素的含量特征的。共一百一十一页元素(yuánsù)丰度与含量3737410737374107丰度(abundance):相对(xiāngduì)于一个较大体系而言的,如宇宙、太阳、地球、月亮、地壳和区域地壳,称某某元素的丰度。含量(content/concentration):相对一个较小的体系,如某块岩石、某个单矿物等。共一百一十一页5.绝对含量(hánliàng)与相对含量(hánliàng)3737410737374107共一百一十一页3737410737374107地球化学(dìqiúhuàxué)中对常量元素(又称主量元素,majorelement)的含量一般用其氧化物的重量百分比(%)表示,而微量元素(traceelement)一般用百万分之一(ppm)来表示常量元素(majorelement):含量>0.1%微量元素(Traceelement):含量<0.1%相对概念!!g/t(克/吨)、µg/g、ppm、1g/t=1µg/g=10-4%=10-6共一百一十一页第二节:太阳系的组成(zǔchénɡ)银河系(Galaxy/Milkyway)共一百一十一页太阳系基本(jīběn)概况3737410737374107共一百一十一页3737410737374107太阳系(TheSolarsystem):以太阳为中心,由八大行星及其卫星、矮行星、小行星、慧星、流星体和行星际物质(wùzhì)所构成的天体系统。太阳是太阳系的中心天体,占总质量的99.86%,其他天体都在太阳的引力作用下绕其公转。太阳的成分是研究太阳系成分的关键。太阳系中只有太阳是靠热核反应发光发热的恒星,其他天体要靠反射太阳光而发亮。太阳的角动量只占整个太阳系的不足2%,而质量占0.2%以下的其他天体的角动量却占98%以上。共一百一十一页3737410737374107太阳是银河系中的一颗普通(pǔtōng)恒星。太阳(tàiyáng)是太阳(tàiyáng)系的中心天体。共一百一十一页共一百一十一页3737410737374107共一百一十一页3737410737374107太阳的体积是地球的130.25万倍,直径约1392000千米(qiānmǐ),质量1.989×1030kg,表面温度5770℃,中心温度1500.84万℃。太阳由里向外分为太阳核反应区、太阳对流层、太阳大气层。其中心区不停地进行热核反应,产生的能量以辐射方式向宇宙空间发射。其中二十二亿分之一的能量辐射到地球,成为地球上光和热的主要来源。
组成太阳的物质大多是些普通的气体,其中氢约占71.3%,氦约占27%,其它元素占2%。共一百一十一页接近太阳的行星较小,为内行星,有水星(shuǐxīng)、金星、地球和火星,它们都由岩石组成,也被称为类地行星;VenusMercuryEarthMars共一百一十一页远离太阳的行星较大(jiàodà),为外行星,包括木星、土星、天王星和海王星,主要由气体组成,也被称为类木行星;JupiterSaturnNeptuneUranus共一百一十一页火星和木星(mùxīng)之间存在着数以兆计、由小行星组成的小行星带(Asteroidbelt);小行星的大小(dàxiǎo)相差极大,据估计,直径大于10km的小行星有104个,其中最大的谷神星直径达770km,而直径大于1m的则有1011个.共一百一十一页太阳系的最远处(yuǎnchǔ)是冥王星和柯伊伯带,也由数十万计的小天体组成,并以彗星为主。Pluto-冥王星共一百一十一页共一百一十一页3737410737374107太阳的成分是研究太阳系成分的关键,获得太阳成分的手段包括:太阳光谱分析(Sun’sphotosphere)研究宇宙射线(Cosmicray)分析测定气体星云和星际物质由物质的物理性质和成分的对应关系进行推算(tuīsuàn)利用宇宙飞行器对地球外星体直接或取样测定直接测定各种各种地球岩石和陨石第三节:太阳系元素丰度研究(yánjiū)的途径测量星体的密度,而密度与物质成分相关。例如:地球的平均密度为5.52,铁镍相占,3.5%。共一百一十一页
光谱分析(ɡuānɡpǔfēnxī)由于太阳表面的温度极高,因此各种元素的原子均处于激发(jīfā)状态,从而不断地辐射出各自的特殊光谱。太阳光谱的谱线数和它们的波长主要取决于太阳表层所存在的元素,而这些谱线的亮度取决于:(1)元素的相对丰度(2)温度(3)压力在温度和压力固定的情况下,元素的丰度愈大,则谱线的亮度越强。共一百一十一页太阳(tàiyáng)光谱McMath-Pierce
局限:一是有些(yǒuxiē)元素产生的波长小于2900埃,这部分谱线在通过地球的大气圈时被吸收而观察不到。二是这些光谱产生于表面,它只能说明表面成分,如太阳光谱是太阳气产生的,它只能说明太阳气的成分。给出的是相对元素丰度!需人为定义某元素的丰度,再确立其它元素!共一百一十一页直接采样分析,如直接测定地球岩石、各类陨石和月球(yuèqiú)岩石的样品等;美国(měiɡuó)亚利桑那的陨石坑陨石
直接测定各种地球岩石和陨石共一百一十一页
深空(shēnkōnɡ)探测宇航员月球车火星车上世纪50年代以来开始的各种(ɡèzhǒnɡ)深空探测,对地球的高层大气及其邻近星体(水星、金星、火星、木星、土星及其卫星)的大气层结构和成分进行了探测分析。1969年美国阿波罗-11号探测器登月,采集月岩样品380kg,使得人们对月球的化学成分、结构及其演化历史有了新的认识。共一百一十一页共一百一十一页Voyager1第一个飞出太阳系的探测器:旅行者1号旅行者1号(Voyager1)是美国宇航局研制的一艘无人外太阳系空间探测器,重815千克,于1977年9月5日发射,截止(jiézhǐ)到2012年6月仍然正常运作。它是有史以来距离地球最远的人造飞行器,也是第一个离开太阳系的人造飞行器。2013年9月12日,NASA确认,“旅行者1号”探测器已经离开太阳系。1977年9月5日发射(fāshè),北京时间2013年9月13日,NASA宣布“旅行者一号”离开太阳系,飞向别的恒星.共一百一十一页
对于太阳系元素丰度的估算,各类学者选取太阳系的物体是不同的。有的主要是根据太阳和其它(qítā)行星光谱资料及陨石物质测定;有的根据CI型球粒陨石。再加上估算方法不同,得出的结果也不尽相同。
第四节:太阳系元素丰度(fēnɡdù)特征共一百一十一页序号元素推荐值相对误差
(±1sigma)序号元素推荐值相对误差
(±1sigma)1H2.79E+10-47Ag0.4862.9%2He2.72E+09-48Cd1.616.5%3Li57.19.2%49In0.1846.4%4Be0.739.5%50Sn3.829.4%5B21.210.0%51Sb0.30918.0%6C1.01E+07-52Te4.8110.0%7N3.13E+06-53I0.921.0%下表列出了GERM(1998)的太阳系元素(yuánsù)丰度(单位:原子数/106Si原子)(GERM:/GERM/index.html)。共一百一十一页
首先(shǒuxiān)这是一种估计值,是反映目前人类对太阳系的认识水平,这个估计值不可能是完全正确的,随着人们对太阳系以至于宇宙体系的探索的不断深入,这个估计值会不断的修正;数据虽然还是很粗略的,但从总的方面来看,它反映了元素在太阳系分布的总体规律。
对于这样的数据我们应给与(ɡěiyǔ)一个正确的评价:共一百一十一页太阳系元素(yuánsù)丰度规律把太阳系元素丰度的数值取对数(duìshù)lgC作纵坐标,原子序数Z作横坐标。
①H和He是丰度最高的两种元素,其原子数几乎占太阳中全部原子数目的98%②原子序数较低的范围内(Z<45),元素丰度随原子序数增大呈指数递减,而(Z>45)各元素丰度值很相近。共一百一十一页③
质量数为4的倍数的核素或同位素具有较高丰度。④原子序数为偶数的元素其丰度(fēnɡdù)大大高于相邻原子序数为奇数的元素。这一规律称为奥多-哈根斯法则,亦即奇偶规律。⑤
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。共一百一十一页WhySo?
第一:与元素的原子结构有关。原子核由质子和中子组成,其间既有核力又有库仑斥力,但中子数和核子数比例适当时,核最稳定,而具有最稳定原子核的元素一般分布最广。在原子序数(Z)小于20的轻核中,中子(N)/质子(P)=1时,核最稳定,这可说明4He(Z=2,N=2)、16O(Z=8,N=8)、40Ca(Z=20,N=20)等元素丰度较大的原因。又如偶数元素与偶数同位素的原子核内,核子倾向成对,它们的自旋力矩相等,而方向相反(xiāngfǎn),量子力学证明,这种核稳定性大,故偶数元素核、偶数同位素在自然界的分布广。
共一百一十一页WhySo?
第二(dìèr):与元素形成的整个过程有关。H和He丰度占主导地位,Li、Be和B等元素亏损,与元素的起源和形成过程有关。例如,根据恒星合成元素假说,在恒星高温条件下(n×106),可发生原子参加的热核反应,最初时刻H的“燃烧”产生He,另外在热核反应过程中Li、Be和B迅速转变为He的同位素42He,为此在太阳系中Li、Be和B等元素丰度偏低的原因可能是恒星热核反应过程中被消耗掉了。共一百一十一页月球(yuèqiú)(TheMoon)3737410737374107共一百一十一页嫦娥(chánɡé)工程规划为三期:“绕、落、回”第一步为“绕”,即发射我国第一颗月球探测卫星,突破至地外天体的飞行技术,实现首次绕月飞行;第二步为“落”,即发射月球软着陆器,并携带月球巡视勘察器(俗称(súchēnɡ)月球车),在着陆器落区附近进行就位探测,这一阶段将主要突破在地外天体上实施软着陆技术和自动巡视勘测技术;第三步为“回”,即发射月球采样返回器,软着陆在月球表面特定区域,并进行分析采样,然后将月球样品带回地球,在地面上对样品进行详细研究。这一步将主要突破返回器自地外天体自动返回地球的技术。《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》共一百一十一页共一百一十一页2013年12月14日21时许,嫦娥(chánɡé)三号探测器在月面软着陆。月球车:玉兔(yùtù)
着陆器:嫦娥三号
中国探月过程共一百一十一页TheChineseChang’e3spacecraftanditsroverYutuonthelunarsurface,asimagedbyNASA’sLunarReconnaissanceOrbiteron24December2013.Theporphyriticrockoutcrop,about1.5minheight,islocatedabout3mawayfromtheYuturover.Inthebackgroundisayoungcraterthatis450mindiameter,witharockywall.XiaoLong,2014,NatureGeoscience共一百一十一页利用降落相机、全景相机和测月雷达获得的探测数据,结合对以往月球环绕卫星遥感影像和光谱数据的解译,揭示了雨海北部的形貌和地质结构。测月雷达对次表层深达近400米的地下结构进行(jìnxíng)了探测,共识别出7个主要地质界面,揭示了雨海纪(39-32亿年)和埃拉托欣纪(32-15亿年)多次玄武岩及火山碎屑岩对雨海的充填事件,以及多个火山事件间隔期形成的月壤层等。共一百一十一页地球(dìqiú)
VS月球3737410737374107共一百一十一页3737410737374107共一百一十一页月表两种典型(diǎnxíng)月貌3737410737374107共一百一十一页月表两种典型(diǎnxíng)月貌3737410737374107共一百一十一页3737410737374107月海(LunarMaria):月亮表面的阴暗区域为月海,早期天文学家观测月球时以为这些阴暗地区被海水覆盖,故称之为“海”。实际上它指的是月表的广阔平原区域。月亮高地(LunarHighland):月亮表面的明亮部分,是山脉,月表到处都是环形山。最大的环形山是南极附近的贝利环形山,比海南岛还大。构成月亮的主体月貌,是月亮背面(bèimiàn)的全部,比月海老。共一百一十一页Overall,theMoonhasaweightedaverageMgisotopiccomposition(δ26Mg=0.26±0.16‰)indistinguishablefromtheEarth(δ26Mg=0.25±0.07‰)andchondrites(δ26Mg=0.28±0.06‰),suggestinghomogeneousMgisotopicdistributioninthesolarsystemandthelackofMgisotopefractionationduringtheMoon-forminggiantimpact.共一百一十一页3737410737374107月球其它(qítā)常识月球表面被巨大(jùdà)的玄武质火山熔岩覆盖。共一百一十一页3737410737374107月球(yuèqiú)其它常识与地球相比,月球可谓老态龙钟。大部分月球火山的年龄在30-40亿年之间,最年轻的月球火山也有1亿年历史。地球火山属青年时期(shíqī),一般年龄皆小于10亿年。年轻的地球火山仍然十分活跃,而月球却没有任何新近的火山和地质活动迹象,因此,天文学家称月球是“熄灭了”的星球。共一百一十一页共一百一十一页月球(yuèqiú)其它常识月球上没有溶解的水。月球阴暗区是完全干涸的。而水在地球熔岩中很常见,是激起地球火山强烈喷发的重要因素之一。没有水,月球火山的喷发就不会(bùhuì)那么强烈,熔岩或许仅仅是平静流畅地涌出地面。
共一百一十一页3737410737374107“Dry”Moon月亮上相当一部分的物质来自地幔且亏损挥发性元素(yuánsù)(Ringwood,1979;Wieczoreketal.,2006).Challenged……月亮内部含有与地球的软流圈中相当的水(包括一些其他易挥发组份(Hirschman,2006)共一百一十一页3737410737374107共一百一十一页共一百一十一页1.月球高地(44亿年)斜长岩:钙长岩+低钙辉石+橄榄石+单斜辉石富镁结晶(jiéjīng)岩套:苏长石、橄长岩、纯橄岩、尖晶石橄长岩、辉长斜长岩克里普岩:富含挥发分的岩石“月球的花岗岩”2.月海(31-39亿年)高钛玄武岩、低钛玄武岩、高铝玄武岩月球(yuèqiú)上的主要岩石类型共一百一十一页月球(yuèqiú)上的主要岩石类型3737410737374107AfterWhite教材P31有中文(zhōngwén)总结表共一百一十一页月球和地球化学成分(chéngfèn)的对比3737410737374107共一百一十一页月球(yuèqiú)演化的年代学37374107共一百一十一页火星(huǒxīng)(TheMars)3737410737374107共一百一十一页FromNASA共一百一十一页美国宇航局火星探测(tàncè)计划共一百一十一页GeologicmapofMars/2014/07/new-geologic-map-mars-usgs/共一百一十一页GeologicandelevationmapsofMarsGeologicmapofMarsontheleft,elevationmapontheright共一百一十一页Curiosity,NASA,2012.08(2011.11)TOP5SCIENCEDISCOVERIES
FROMCURIOSITY'SFIRSTYEARONMARS
共一百一十一页ASuitableHomeforLife
AncientMarscouldhavetherightchemistrytohavesupportedlivingmicrobes.Curiosityfound
carbon,
hydrogen,oxygen,phosphorus
and
sulfur
–keyingredientsnecessaryforlife–bystudyingmanyrocksthatformedinwater.Thefirstsamplefrominsidearockalsorevealed
claymineralsandnottoomuchsalt,whichsuggests
fresh,possiblydrinkablewater
onceflowedthere./msl/mission/science/results/共一百一十一页EvidenceofanAncientStreambed
Smooth
and
rounded
rocksfoundbyCuriositylikelyrolleddownstreamforatleastafewmiles.Theylooklikeabrokensidewalk,buttheyareactuallylayersofexposedbedrockmadeofsmallerfragmentscementedtogether.Theytellastoryofasteadystreamofflowingwateraboutkneedeep./msl/mission/science/results/共一百一十一页RadiationCouldPoseHealthRisksforHumansDuringhertriptoMars,Curiosityexperienced
radiationlevelsexceedingNASA'scareerlimitforastronauts.NASAwilluseCuriosity'sdatatodesignmissionstobesafeforhumanexplorers.
/msl/mission/science/results/共一百一十一页TheLackofMethane(甲烷(jiǎwán))SoFar
SincetouchingdownonMars,CuriosityhasbeenlookingtofindoutwhathappenedtothethinMartianatmosphere.CuriositysniffedtheMartianairandfoundnomethanepresent.Giventhatlivingorganismproducemethane,scientistswerekeentoseeiftheycouldfindthisonMarsbutthesearchcontinues!Livingorganismsproducemethane,butsodosomegeologicalprocesses.FindingmethaneonMarscouldraiseapossibilityforpastorevenpresentlifeonMars.OritjustcouldmeansomereallyinterestingchemicalinteractionsarehappeningbetweenMartianrocksandwater!Orboth!/msl/mission/science/results/共一百一十一页TheDiversityofEnvironmentsNeartheLandingAreaScientistsdidnotexpecttherichnessanddiversityofsoilandrocktypesatGaleCrater.Curiosityhasfoundgravels,streambeddeposits,apossiblevolcanicrock,water-transportedsanddunes,mudstones,andcrackswilledwithmineralveins.AllofthesearecluestoMars'waterypast./msl/mission/science/results/共一百一十一页火星探测(tàncè)器探测(tàncè)火星表面岩石与土壤成分共一百一十一页第五节:陨石(yǔnshí)及其化学组成陨石是从星际空间降落到地球表面上来的行星物体的碎片。由于地球和太阳系具有共同的成因,因此(yīncǐ),陨石的化学成分是获取太阳系元素丰度以及地球整体和地球内部化学成分的重要介质。1976年3月8日吉林石陨石,1770千克,目前世界上最大。美国亚利桑那Barringer陨石坑,直径约1.2km。由直径约40m的物质撞击而成陨石和流星都来自流星体,当流星体足够大,并能经受住大气层的考验落到地面,即为陨石。2013.02.15俄罗斯共一百一十一页陨石(yǔnshí)研究的意义它是认识宇宙天体、行星的成分、性质及其演化的最易获取、数量最大的地外物质;是认识地球组成、内部构造和起源的主要介质;陨石(yǔnshí)中60多种有机化合物是非生物合成的“前生物物质”,为探索生命前期化学演化开拓了新途径;可作为某些元素和同位素的标准样品(稀土元素,铅、硫同位素等)。共一百一十一页陨石(yǔnshí)的分类陨石具有多种多样的类型,从几乎全部由金属(jīnshǔ)组成的类型,到几乎全部由硅酸盐组成的类型。对陨石进行分类是困难的,并且存在许多争论。通常根据其中的金属(jīnshǔ)含量,首先将陨石划分为三种主要类型:石陨石球粒陨石约含10%金属无球粒陨石约含1%金属石铁陨石约含50%金属铁陨石金属含量大于90%共一百一十一页陨石分类球粒陨石质陨石(未分异)非球粒陨石质陨石碳质球粒陨石顽辉石球粒陨石普通球粒陨石R群K群原始无球粒陨石分异的无球粒陨石无球粒陨石铁陨石石铁陨石陨石(yǔnshí)的分类共一百一十一页陨石主要是由镍-铁合金、结晶硅酸盐或两者的混合物所组成,按成份分为三类:
铁陨石(siderite)主要由金属Ni,Fe(占98%)和少量其他元素组成(Co,S,P,Cu,Cr,C等)。
石陨石(aerolite)主要由硅酸盐矿物组成(橄榄石、辉石)。这类陨石可分为两类,根据它们是否含有球粒硅酸盐结构,分为球粒陨石和无球粒陨石。铁石陨石(sidrolite)由数量上大体(dàtǐ)相等的Fe-Ni和硅酸盐矿物组成,是上述两类陨石的过渡类型。
铁陨石(yǔnshí)石陨石(yǔnshí)石铁陨石(yǔnshí)共一百一十一页铁陨石(siderite):主要由铁纹石和镍纹石两种矿物组成,其次含少量的石墨、陨磷铁镍矿、陨硫铬矿、陨碳铁、铬铁矿和陨硫铁等。化学成分上除Ni和Fe外,还含Co、S、P、Cu、Cr、Ga、Ge和Ir等元素(yuánsù)。少数铁陨石还含硅酸盐包体。
共一百一十一页铁石陨石(sidrolite):由硅酸盐和铁镍金属组成(zǔchénɡ)。据硅酸盐矿物成分特征将铁石陨石分为4种:橄榄陨铁(P):主要由橄榄石和组成基质的铁镍金属构成;中铁陨石(M):主要由斜长石、辉石和铁镍组成;古铜-鳞英铁陨石(S):主要由铁镍、古铜辉石和鳞石英组成;橄榄-古铜铁陨石(Lo):主要由铁镍、橄榄石和古铜辉石构成。共一百一十一页石陨石(aerolite):主要由硅酸盐组成,铁镍金属含量(hánliàng)随陨石类型不同而不同,可高达24%或更高,另有少量陨硫铁等矿物。按结构构造特征,石陨石可分为球粒陨石和无球粒陨石两大类。共一百一十一页球粒陨石:是最丰富的一类陨石。它有球粒结构(jiégòu),球粒之间有比较细小的基质物质。球粒大小一般为0.1-20mm或更大,通常由橄榄石、辉石、玻璃、陨硫铁、铁镍金属及这些矿物的组合构成。球粒的矿物成分与基质类似。按矿物成分、化学组成和结构特征,球粒陨石又可划分为顽火辉石球粒陨石(E群)、普通球粒陨石(O群)和碳质球粒陨石(C群)3个化学群。共一百一十一页球粒陨石(yǔnshí)主要由硅酸盐矿物组成,含有细小的圆形球粒,称作陨石球粒。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。球粒陨石可能代表着太阳系中各个行星的原始母质,从而成为探索太阳系中难熔元素或非挥发性元素的宝贵样品。球粒陨石中化学元素的组成和太阳大气相比存在明显差别,以丰富的非挥发性元素组合为特征。由于球粒陨石的元素丰度值是用化学分析方法获得的,因而通常认为球粒陨石的元素丰度比太阳光谱数据更为可靠。球粒陨石(yǔnshí)质陨石(yǔnshí)More共一百一十一页大部分陨石是球粒陨石(占总数的91.5%),其中普通球粒陨石最多(占总数的80%)。球粒陨石的特点是其内部含有大量毫米到亚毫米大小的硅酸盐球体。球粒陨石是太阳系内最原始的物质,是从原始太阳星云(xīngyún)中直接凝聚出来的产物,它们的平均化学成分代表了太阳系的化学组分。吉林普通(pǔtōng)球粒陨石共一百一十一页富钙、铝难熔包体(CAI)富钙、铝难熔包体(Ca-,Al-richrefractoryinclusion,CAI)是球粒陨石中由富Ca和Al的氧化物和硅酸盐组成的难熔物质集合体,其外形一般(yībān)呈现不规则状,少数呈球粒状,大小从几个微米到几个毫米,甚至达到厘米级。共一百一十一页CAI主要产出于碳质球粒陨石中,在普通球粒陨石和顽辉石球粒陨石中数量较少而且(érqiě)破碎和蚀变作用明显;相对于铁镁质球粒陨石和陨石全岩来说,CAI富集Ca、Al、Ti和难熔微量元素,而亏损Fe、Na和K等元素;CAI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。共一百一十一页球粒陨石(yǔnshí)的分类Classification
球粒陨石(chondrite)的主要分类依据为总体化学组成、总的氧同位素组成、总的氮和碳的丰度及其同位素组成和氧化态;次要的分类依据是岩石类型、冲击(chōngjī)变质作用、角砾岩的种类及地球上的风化程度.共一百一十一页根据化学成分特点及岩石类型进行详细的划分,并可划分为碳质球粒陨石,普通球粒陨石和顽辉球粒陨石,以及近年来新发现的R群和K群球粒陨石;再根据化学组成、氧同位素组成、岩石矿物学特征,可将它们进一步划分为不同的化学群和岩石类型。化学群基本代表了不同的小行星母体,代表了太阳(tàiyáng)星云中不同的形成区域。
球粒陨石(yǔnshí)的分类Classification共一百一十一页碳质球粒陨石的化学群有CI、CM、CO、CV,以及新发现的CK、CR、CH。普通球粒陨石又分为高铁群(H)、低铁群(L)和低铁低金属(jīnshǔ)群(LL);顽辉石球粒陨石包括高铁(EH)和低铁(EL)群。陨石的化学成分的研究表明,碳质球粒陨石除了H、He、N、O和惰性气体元素外,其他元素的丰度代表了太阳系原始的物质组成。普通球粒陨石中易挥发性元素有不同程度的损失。共一百一十一页CharacteristicsofChondriteGroupsCarbonaceouschondritesarethemostvolatile-richandthemostprimitive.AfterWhite共一百一十一页碳质球粒陨石:含碳的有机化合分子,主要由含水(hánshuǐ)硅酸盐组成。它对探讨生命起源和太阳系元素丰度等方面具有特殊意义。由于Allende(墨西哥阿伦德)碳质球粒陨石的元素丰度几乎与太阳中观察到的非挥发性元素丰度完全一致,碳质球粒陨石的化学成分已被用于估计太阳系中非挥发性元素的丰度。CI型碳质球粒陨石(yǔnshí)元素丰度与太阳元素丰度对比(White,2001)碳质球粒陨石也经历了一定程度的演化,挥发性元素发生了不同程度的丢失。共一百一十一页Classificationofelementsaccordingtovolatility共一百一十一页非球粒陨石(yǔnshí)质陨石(yǔnshí)
非球粒陨石质陨石实际上不含球粒陨石中的组分,它们(tāmen)是由球粒陨石质物质的熔融作用和分馏作用形成的,致使其总化学偏离陨石质物质,依据其熔融程度将该类陨石划分为原始无球粒陨石和分异的无球粒陨石。金属铁镍含量很低或不存在,结晶程度比球粒陨石高,主要由不同矿物和角状碎屑组成的角砾岩组成。共一百一十一页原始无球粒陨石:由球粒陨石质物质组成,并因低的熔融程度而形成无球粒陨石的结构(火成或变质结构),或者是非常低的部分熔融的残余物。分异的无球粒陨石:来自经历大规模熔融、同位素均一化和分异作用的母体,根据金属的丰度,通常(tōngcháng)划分为无球粒陨石、石-铁及铁陨石。Enstatite-richPrimitiveachondriteIronmeteorites共一百一十一页顽火辉石(huīshí)无球粒陨石紫苏辉石(huīshí)无球粒陨石橄榄无球粒陨石橄辉无球粒陨石钛辉无球粒陨石透辉橄榄无球粒陨石紫苏钙长无球粒陨石钙长辉长无球粒陨石共一百一十一页目前人类统计的陨石主要是石陨石,包括普通球粒陨石、炭质球粒陨石、无球粒陨石,铁陨石和铁石(tiěshí)陨石不到10%。共一百一十一页如何鉴别(jiànbié)陨石1、外表熔壳:陨石在陨落地面前要穿越稠密的大气层,在降落过程中与大气发生磨擦产生高温,使其表面发生熔融而形成一层薄的熔壳。新降落陨石表面都有一层黑色熔壳,厚约1毫米。2、表面气印:由于陨石与大气流之间的相互作用,陨石表面还会留下许多气印,就象手指按下的手印(shǒuyìn)。3、内部金属:铁陨石和石铁陨石内部是有金属铁组成,这些铁的镍含量很高(5-10%)。球粒陨石内部也有金属颗粒,在新鲜断裂面上能看到细小的金属颗粒。4、磁性:因大多数陨石含铁,所以95%的陨石能被磁铁吸住。5、球粒:大部分陨石是球粒陨石,其中有大量毫米大小的硅酸盐球体(球粒)。在新鲜断裂面上能看到圆形球粒。6、比重:铁陨石的比重为8克/cm3,远大于地球上一般岩石的比重。球粒陨石由于含有少量金属,其比重也较重。共一百一十一页陨石(yǔnshí)的平均化学成分
要计算陨石(yǔnshí)的平均化学成分必须要解决两个问题:首先要了解各类陨石(yǔnshí)的平均化学成分;其次要统计各类陨石(yǔnshí)的比例。(Goldschmidt采用硅酸盐:镍-铁:陨硫铁=10:2:1)。陨石的平均化学成分计算结果如下:共一百一十一页对陨石化学成分的基本(jīběn)认识O、Fe、Si、Mg、S、Ni、Al、Ca等构成陨石的主要化学成分;它们来自某种曾经分异成一个富金属核和一个硅酸盐包裹层的行星体,这种天体的破裂就导致各类陨石的形成;石陨石与地球上的基性-超基性火山岩矿物组成和化学成分相似,铁陨石与地核成分相似,陨石母体在组成、核结构上与地球极为相似;各种(ɡèzhǒnɡ)陨石分别形成于不同的行星母体,因此各类陨石具有不同的年龄及成分差异、氧同位素比值;陨石的年龄与地球相近(陨石的Pb-Pb年龄是45.5±0.7亿年);陨石等地外物体撞击地球,将突然改变地表的生态环境诱发大量的生物灭绝,构成了地球演化史中频繁而影响深远的突变事件,对探讨生态环境变化、古生物演化和地层划分有重要意义。共一百一十一页在南极发现的火星陨石(ALH84001),美国科学家1996年报道在这块(zhèkuài)火星陨石中发现了火星生命的迹象。科学家们认为“艾伦—希尔斯84001”中磁铁矿成分(chéngfèn)不是来自于碳酸盐,而来自于另外一个过程。对比地球上的现象,与在“艾伦—希尔斯84001”陨石中磁铁矿成分相同的磁铁矿晶体大多数由超磁细菌制造,因此通过生物模式得到是可行的。科学家们应用最新的高分辨率电子显微镜得到的新分析显示,“艾伦—希尔斯84001”陨石的磁铁矿晶体结构中约有25%是由细菌形成的。火星陨石中碳酸盐小球共一百一十一页第六节:太阳系元素(yuánsù)丰度的起源共一百一十一页宇宙大爆炸(bàozhà)(BigBang),元素形成共一百一十一页大爆炸形成了质子、中子(zhōngzǐ)和电子,并随后形成了1H(75%),2H(10ppm),3He(20ppm),4He(25%)和7Li(0.5ppb)这些核数;这些元素在宇宙中呈氢星云分布,当氢星云发生重力凝聚时将产生高温和高压,进而发生一系列以核聚变为主的恒星核合成反应,形成各种元素;热核反应伴随着恒星的演化,直到衰亡完成一次循环。太阳系目前演化至“中年”,具有着与其演化过程相对应的元素组成,即太阳系元素丰度。共一百一十一页
A.
“氢燃烧”大爆炸宇宙的核合成过程(H、He和少量Li、Be、B)
大爆炸诞生时只存在高密度的基本粒子(质子,中子(zhōngzǐ),电子等)和反粒子(反质子,反中子(zhōngzǐ),反电子等),当温度降到1012K时,发生氢核聚变反应:1H+1H=>2D++++0.422MeV2D+1H=>3He++5.493MeV3He+3He=>4He+21H+12.859MeV元素(yuánsù)起源(假说)共一百一十一页B.“氦燃烧”随后发生氦核聚变反应(fǎnyìng):当恒星内部的氢全部转变为氦以后,氢核聚变停止。此时恒星内部收缩,温度升高到100×106K,氦核聚变开始。4He+4He=>8Be8Be+4He=>12C+12C+4He=>16O16O+4He=>20Ne共一百一十一页20Ne
+4He=>24Mg24Mg
+4He=>28Si28Si
+4He=>32S(36Ar,40Ca等)由于(yóuyú)在原子核和a粒子之间存在正的静电斥力,因此通过氦核聚合方式产生的新原子核的质量是有限的。研究表明,以这种方式形成的最重的原子核为56Ni,并经进一步衰变而成稳定的56Fe。这正好解释了宇宙中铁元素含量异常高的原因。共一百一十一页
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