地球化學(xué)市公開課金獎(jiǎng)市賽課一等獎(jiǎng)?wù)n件

1、第一章 太陽系和地球系統(tǒng)元素豐度地球化學(xué)第1頁序言1 姚明2 體檢3 從宇宙說起4 神奇光第2頁本章內(nèi)容基本概念元素在太陽系中分布規(guī)律地球結(jié)構(gòu)介紹地殼元素豐度地球其它部分元素豐度第3頁一、基本概念地球化學(xué)體系分布和豐度分布與分配絕對(duì)含量和相對(duì)含量研究元素豐度意義第4頁一、基本概念1 地球化學(xué)體系 巖石 礦床 地球包裹體c（濃度）P（壓強(qiáng)）T（溫度）pHEhTIME（連續(xù)性）區(qū) 域狀態(tài)時(shí)間第5頁一、基本概念2 豐度關(guān)鍵詞：豐度表示方法已經(jīng)建立豐度體系與元素豐度相關(guān)幾個(gè)名詞元素自然體平均含量一個(gè)化學(xué)元素在某個(gè)自然體中重量占這個(gè)自然體全部化學(xué)元素總重量（即自然體總重量）相對(duì)份額（如百分?jǐn)?shù)），稱為該元

2、素在自然體中豐度?；瘜W(xué)元素在任何宇宙體或地球化學(xué)系統(tǒng)中（如地球、地球各圈層或各個(gè)地質(zhì)體等）平均含量第6頁一、基本概念豐度表示方法重量豐度W原子豐度相對(duì)豐度R（宇宙豐度單位，CAU. ）常量元素（wt%）微量元素ppm(g/t,g/g，10-6)痕量元素ppb(g/t，ng/g，10-9)（原子%）原子數(shù)/ 106硅原子第7頁已經(jīng)建立豐度體系宇宙豐度太陽系豐度類木行星地球類地行星上地幔豐度地殼豐度下地幔豐度地核豐度陸地地殼海洋地殼地盾區(qū)地殼褶皺區(qū)地殼淺洋區(qū)地殼深洋區(qū)地殼上地殼中地殼下地殼第8頁一、基本概念與元素豐度相關(guān)幾個(gè)名詞克拉克值區(qū)域克拉克值濃度系數(shù)濃度克拉克值地殼重量百分?jǐn)?shù)費(fèi)爾斯曼地殼以下

3、結(jié)構(gòu)單元較小自然體豐度/背景豐度區(qū)域克拉克值/地殼豐度第9頁一、基本概念3 分布與豐度4 分布與分配分布豐度平均含量分布不均一性豐度分布是整體分配是局部相對(duì)性分布是元素在自然體系中整體含量元素分布是指元素在某個(gè)宇宙體或地質(zhì)體（太陽、行星、隕石、地球、地圈、地殼）中整體（平均）含量。分配是指元素在各宇宙體或地質(zhì)體內(nèi)部不一樣部分或區(qū)段中含量。對(duì)元素分配進(jìn)行觀察參考點(diǎn)來自元素分布。第10頁一、基本概念絕對(duì)含量單位相對(duì)含量單位T噸百分之10-2kg千克千分之10-3g克mg毫克ppm、g/g、g/t百萬分之10-6g微克ppb、g/kg、ng/g十億分之10-9ng納克ppt、pg/g萬億分之10-1

4、2pg皮克5.絕對(duì)含量和相對(duì)含量1g/t=1g/g=10-4%=10-6=1ppm第11頁一、基本概念6 研究元素豐度意義元素豐度是每一個(gè)地球化學(xué)體系基本數(shù)據(jù)?？稍谕换虿灰粯芋w系中進(jìn)行用元素含量值來進(jìn)行比較，經(jīng)過縱向（時(shí)間）、橫向（空間）上比較，了解元素動(dòng)態(tài)情況，從而建立起元素集中、分散、遷移活動(dòng)等一些地球化學(xué)概念。從某種意義上來說，也就是在探索和了解豐度這一課題過程中，逐步建立起近代地球化學(xué)。研究元素豐度是研究地球化學(xué)基礎(chǔ)理論問題主要素材之一。宇宙天體是怎樣起源？地球又是怎樣形成？地殼中主要元素為何與地幔中不一樣？生命是怎么產(chǎn)生和演化？這些研究都離不開地球化學(xué)體系中元素豐度分布特征和規(guī)律。

5、第12頁二、太陽系中元素分布規(guī)律取得太陽豐度資料主要路徑太陽系元素豐度規(guī)律隕石化學(xué)成份第13頁2.1太陽和太陽系99.8%0.2%第14頁2.2取得太陽豐度主要路徑1. 光譜分析:光譜分析儀太陽光譜依據(jù) 高溫均勻化豐度與亮度正比大氣不等于整體2900測(cè)不到局限 第15頁McMath-Pierce太陽電子望遠(yuǎn)鏡光譜儀太陽光譜第16頁2.2取得太陽豐度主要路徑2.直接分析:隕石、月巖、地球巖石球粒隕石宇航員月球車火星車球粒隕石，主要由硅酸鹽礦物組成，含有細(xì)小圓形球粒。這些球粒是在非平衡條件下，從熱、低密度和部分電離氣體中直接凝聚出來。被認(rèn)為代表著原始星云中非揮發(fā)性成份第17頁2.2取得太陽豐度主要

6、路徑3.利用宇宙飛行器分析測(cè)定星云和星際間物質(zhì)及研究宇宙射線。 (高強(qiáng)粒子：質(zhì)子和粒子、較重元素原子核、電子、中微子、高能光子等）4 由物質(zhì)物理性質(zhì)與成份對(duì)應(yīng)關(guān)系推算（如行星）（表面溫度低，無法測(cè)光譜，據(jù)體積、質(zhì)量、密度等對(duì)比）5 分析測(cè)定氣體星云或星際間物質(zhì)(極稀薄氣體、極少許塵埃）第18頁太陽系相對(duì)豐度含量絕對(duì)值對(duì)比第19頁2.3太陽系元素豐度規(guī)律1 指出含量最高兩個(gè)元素2 原子序數(shù)越高含量越？3鋸齒狀說明奇數(shù)還是偶數(shù)元素高4 找出規(guī)律5找出異常1H2He26Fe8O9F82Pb90Th92U21Sc61Pm43Tc第20頁第21頁2.3太陽系元素豐度規(guī)律1. H和He是豐度最高兩種元素。

7、占總數(shù)99.86,重量97%、H/He比值12.5。2. 原子序數(shù)較低范圍內(nèi)，元素豐度隨原子序數(shù)增大呈指數(shù)遞減，而在原子序數(shù)較大范圍內(nèi)（Z50）各元素豐度值很相近。3. 原子序數(shù)為偶數(shù)元素其豐度大大高于相鄰原子序數(shù)為奇數(shù)元素。含有偶數(shù)質(zhì)子數(shù)（A）或偶數(shù)中子數(shù)（N）核素豐度總是高于含有奇數(shù)A或N核素。這一規(guī)律稱為奧多-哈根斯法則，亦即奇偶規(guī)律。 第22頁第23頁2.3太陽系元素豐度規(guī)律4. Li、Be和B含有很低豐度，屬于強(qiáng)虧損元素，而O和Fe展現(xiàn)顯著峰，它們是過剩元素。5. Tc和Pm沒有穩(wěn)定性同位素，在宇宙中幾乎不存在；原子序數(shù)大于83（Bi）元素也沒有穩(wěn)定同位素，他們都是Th和U長壽命放射

8、成因同位素，在豐度曲線上這些元素位置空缺。一樣都是化學(xué)元素，為何在宇宙（太陽系）中含量差距如此懸殊？為何會(huì)出現(xiàn)偶數(shù)規(guī)則？第24頁2.4 元素起源1. 氫燃燒過程（溫度106K 或107K）合成氦核（期間也能產(chǎn)生Li、Be、B）2. 氦燃燒過程（溫度108K）合成12C、16O、20Ne、24Mg、28Si、32S等元素3. 碳和氧“燃燒過程”（溫度109K）產(chǎn)生中等質(zhì)量元素，結(jié)合過程合成了大部分中低原子量元素4.硅燃燒過程（統(tǒng)計(jì)平衡過程，3.8109K）形成V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni等元素5. 中子俘獲過程（S-過程）合成比鐵重元素 ?？熘凶舆^程合成原子量大于209元素。第25頁每一質(zhì)量

9、數(shù)豐度值是該質(zhì)量數(shù)全部核素豐度總和。對(duì)于放射性核素，其豐度數(shù)據(jù)已回推到太陽系形成時(shí)數(shù)值。圖中還標(biāo)出產(chǎn)生各種元素可能核過程。圖片起源，涂光熾1984版教材第26頁2.5 隕石化學(xué)成份定義：落到地球上行星物體碎塊，即從行星際空間穿越大氣層抵達(dá)地表星體（流星體）殘骸稱為隕石. （有一層黑色或深褐色熔殼。主要來自小行星帶：小行星碎塊和崩解彗星殘核，少許來自其它天體，大小從顯微質(zhì)點(diǎn)到幾十噸, 非洲戈巴鐵隕石60t,是最大鐵隕石,新疆鐵隕石28t,世界第3鐵隕石;吉林石隕石1.77t,是世界最大石隕石）南極和沙漠是隕石富集區(qū)！在南極已采集15000塊隕石為何？1965，英國，Barwell 隕石第27頁2

10、.5.1 隕石類型鐵隕石石隕石石鐵隕石主要由金屬Ni, Fe（占90%以上）組成主要由硅酸鹽礦物組成（90%以上）。無球粒隕石由數(shù)量上大致相等FeNi和硅酸鹽礦物組成隕石主要礦物組成：Fe、Ni 合金、橄欖石、輝石等。隕石中共發(fā)覺140種礦物，其中39種在地球（地殼淺部）上未發(fā)覺。如褐硫鈣石CaS，隕硫鐵FeS。球粒狀硅酸鹽集合體（金屬含量10%）球粒隕石第28頁隕石分類隕石分類非球粒隕石質(zhì)隕石原始無球粒隕石分異的無球粒隕石無球粒隕石石鐵隕石鐵隕石球粒隕石質(zhì)隕石頑輝石球粒隕石普通球粒隕石碳質(zhì)球粒隕石R群K群主要成份：球粒、Fe-Ni金屬、難熔包裹體、基質(zhì)第29頁第30頁2.5.1 隕石類型注意

11、：球粒隕石和少許無球粒隕石屬原始隕石（微星物質(zhì)碎塊）石-鐵隕石、鐵隕石和多數(shù)無球粒隕石屬于分異型隕石，經(jīng)過了巖漿侵入、噴出，巖漿結(jié)晶分異（具球粒隕石成份物質(zhì)再熔融和分異）降落隕石中大部分是球粒隕石（占總數(shù)91.5%），其中普通球粒隕石最多（80%）。無球粒隕石3.3%，鐵隕石4.6%。石鐵隕石1%。第31頁2.5.3 隕石研究意義隕石是空間化學(xué)研究重點(diǎn)對(duì)象，已經(jīng)有幾百年研究歷史，近幾十年發(fā)展尤為快速是當(dāng)前最易獲取和數(shù)量最大地外物質(zhì)研究太陽系物質(zhì)組成、起源與演化，對(duì)認(rèn)識(shí)太陽系早期演化歷史有主要意義。探索有機(jī)質(zhì)和生命起源作為地球成份研究對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)(如稀土和微量元素標(biāo)準(zhǔn)化及硫同位素國際標(biāo)準(zhǔn))，幫助了解

12、地球成因和組成防治自然災(zāi)害第32頁美國亞利桑那Barringer(or Meteor)隕石坑，直徑約1.2km由一個(gè)直徑約40m撞擊物撞擊而成。撞擊物殘余稱為Canyon Diablo鐵隕石(國際S同位素標(biāo)準(zhǔn)）第33頁2.5.3 隕石研究意義碳質(zhì)球粒隕石：一個(gè)特殊球粒隕石，含有碳有機(jī)化合物分子且主要由含水硅酸鹽組成。CI、CM、CO、CV等 CI是最原始太陽星云凝聚物質(zhì)（無熱變質(zhì)，距太陽遠(yuǎn)）CI型碳質(zhì)球粒隕石是太陽系非揮發(fā)性元素豐度標(biāo)尺！第34頁C型碳質(zhì)球粒 隕石元素豐度與 太陽元素豐度對(duì)比(Anders & Grevasee , 1989)第35頁第36頁2.5.3 隕石研究意義CAI：球粒

13、隕石中所含富Ca、Al包體。形成于太陽系演化歷史最初始階段，可能保留了一些同位素異常信息和滅絕核素衰變子體。O同位素異常26Al26MgCAI是太陽星云最早期各種熱事件產(chǎn)物，保留了星云最原始信息，含有同位素異常和大量滅絕核素子體，是研究早期太陽星云形成和演化探針。第37頁2.6 行星和月球化學(xué)成份2.6.1行星化學(xué)成份（1）地球和類地行星Terrestrial planets（地球、Mercury、Venus、Mars）：量小、密度大、體積小、衛(wèi)星少。物質(zhì)成份以巖石為主，富含Mg、Si、Fe等，親氣元素atmophile element含量低。（2）巨行星Giants（木星Jupitor和土星

14、Saturn)： 體積大、質(zhì)量大、密度小、衛(wèi)星多。主要成份為H和He。（3）遠(yuǎn)日行星（天王星Uranus、海王星Neptune、冥王星Pluto）： 成份已冰物質(zhì)為主，H大約10%，He、Ne平均為12%。第38頁第39頁2.6 行星和月球化學(xué)成份2.6.2 月球化學(xué)成份月球是硅酸鹽固態(tài)球體，無大氣圈，分異弱.形成于4.5Ga前。表面由高地和月海(洼地）組成。月球高原: 普通為斜長巖，橄長巖 ，蘇長巖或富斜長石輝長巖。主要高地斜長巖、高地玄武巖。富鋁，而Ti、Fe較低. 4.1 3.9Ga(部分熔融結(jié)晶分異）。高地玄武巖中有一個(gè)特殊克里普巖(KREEP): 富含鉀、REE、Th、U和P玄武巖.

15、是富揮發(fā)分殘余熔漿（分異巖漿）結(jié)晶產(chǎn)物。月海區(qū): 主要是玄武巖或顯微輝長巖，由鈣質(zhì)斜長石、 單斜輝石、鈦鐵礦組成, 少許橄欖石. 3.853.15Ga（猛烈小天體撞擊，泛月海事件）第40頁2.6.2 月球化學(xué)成份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、 B

16、a、 Rb 、Ge、Tb、Ho、Tm、 In、 Ta與地球和隕石成份對(duì)比及意義堿金屬和揮發(fā)性元素（Bi、Hg、Zn、Cd、Tl、Pb、Ge、C和Br）較貧相對(duì)富含耐熔元素Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Sc、Zr、Nb、Mo、Y及REE第41頁2.6.2 月球化學(xué)成份月球資源：1 能源：月壤層厚320m,微隕石和太陽風(fēng)注入，使其富含揮發(fā)性元素和稀有氣體，最令人感興趣是3He，平均含量310-9 410-9，資源總量可達(dá)100萬t500萬t,是地球（1020t）10萬50萬倍，以1992年全球用電量計(jì)算，全用D- 3He發(fā)電，可供地球發(fā)電1萬5萬年。2 礦產(chǎn)：月海玄武巖是月球上最豐富巖石之一，它最顯著化學(xué)成份特征是富TiO2（2.5413.14%）,以TiO2含量4.2%月海玄武巖計(jì)算，鈦鐵礦資源量可達(dá)1500萬億t?？死锲招鋷r中異常高REE、Th、U含量也可能可供開采利用第42頁2.6.2