地球花學(xué)第一章

第一章太陽(yáng)系中化學(xué)元素的豐度§1元素豐度概念通常將化學(xué)元素在宇宙體或地球化學(xué)系統(tǒng)中（如地球、地球各圈層或各個(gè)地質(zhì)體等）的平均含量稱之為豐度。

絕對(duì)含量和相對(duì)含量絕對(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、μg/g、g/T百萬(wàn)分之×10-6μg微克ppb、μg/kg十億分之×10-9ng毫微克ppt、pg/g萬(wàn)億分之×10-12

地球化學(xué)中對(duì)常量元素（或稱主要元素）的含量一般用重量百分?jǐn)?shù)（%），而對(duì)微量元素則一般用百萬(wàn)分之一來(lái)表示。表示方法：g/t(克/噸)、μg/g、ppm1g/t=1μg/g=10-4%=10-6研究元素豐度的意義①元素豐度是每一個(gè)地球化學(xué)體系的基本數(shù)據(jù)?？稍谕换虿煌w系中進(jìn)行用元素的含量值來(lái)進(jìn)行比較，通過(guò)縱向（時(shí)間）、橫向（空間）上的比較，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(lái)說(shuō)，也就是在探索和了解豐度這一課題的過(guò)程中，逐漸建立起近代地球化學(xué)。②研究元素豐度是研究地球化學(xué)基礎(chǔ)理論問(wèn)題的重要素材之一。宇宙天體是怎樣起源的？地球又是如何形成的？地殼中主要元素為什么與地幔中的不一樣？生命是怎么產(chǎn)生和演化的？這些研究都離不開(kāi)地球化學(xué)體系中元素豐度分布特征和規(guī)律?！?元素在太陽(yáng)系中的豐度

大量的科學(xué)事實(shí)已證明地球與太陽(yáng)系是聯(lián)系的，因此可以從太陽(yáng)系的形成過(guò)程來(lái)研究地球的演化過(guò)程。從元素在太陽(yáng)系中的豐度特征來(lái)研究元素在地球中豐度特征的變異。通過(guò)太陽(yáng)系及其它星球及隕石、月球的認(rèn)識(shí)，促進(jìn)了對(duì)地球早期演化過(guò)程的了解。一、太陽(yáng)系或宇宙中元素豐度的研究方法1、

太陽(yáng)其它星系的幅射譜線的研究由于太陽(yáng)表面溫度極高，各種元素的原子都處于激發(fā)狀態(tài)，并不斷地輻射出各自的特殊光譜。例如：

Pb2170?，Ag3281?，Au2428?

太陽(yáng)光譜的譜線數(shù)和它們的波長(zhǎng)主要取決于太陽(yáng)表層中所存在的元素，而這些譜線的亮度則取決于以下因素：

1）元素的相對(duì)豐度；2）溫度平共處；3）

壓力在溫度和壓力固定的條件下，元素豐度愈大，則譜線的亮度愈強(qiáng)。光譜分析儀太陽(yáng)光譜2、隕石的研究隕石是落到地球上的行星物體的碎塊，天文學(xué)和化學(xué)方面的證據(jù)都說(shuō)明，太陽(yáng)系和地球具有共同的成因。因此，隕石的化學(xué)成分是估計(jì)太陽(yáng)系元素豐度以地球整體和地球內(nèi)部化學(xué)組成最有價(jià)值的依據(jù)。隕石是空間化學(xué)研究的重要對(duì)象，具有重要的研究意義：

①它是認(rèn)識(shí)宇宙天體、行星的成分、性質(zhì)及其演化的最易獲取、數(shù)量最大的地外物質(zhì)；②也是認(rèn)識(shí)地球的組成、內(nèi)部構(gòu)造和起源的主要資料來(lái)源；③隕石中的60多種有機(jī)化合物是非生物合成的“前生物物質(zhì)”，對(duì)探索生命前期的化學(xué)演化開(kāi)拓了新的途徑；④可作為某些元素和同位素的標(biāo)準(zhǔn)樣品（稀土元素，Pb、Nd、Os、S同位素等）。隕石類型

鐵隕石石隕石

隕石主要是由鎳-鐵合金、結(jié)晶硅酸鹽或兩者的混合物所組成，按成份，分為三類：

1）鐵隕石（siderite）。主要由金屬Ni,Fe（占98%）和少量其他元素組成（Co,S,P,Cu,Cr,C等）。

2）石隕石（aerolite）。主要由硅酸鹽礦物組成（橄欖石、輝石）。這類隕石按照它們是否含有球粒硅酸鹽結(jié)構(gòu)，可進(jìn)一步分為兩類：球粒隕石和無(wú)球粒隕石。

3）鐵石隕石（sidrolite）。由數(shù)量上大體相等的Fe－Ni和硅酸鹽礦物組成，是上述兩類隕石的過(guò)渡類型。隕石大都是石質(zhì)的，但也有少部分是碳質(zhì)，碳質(zhì)球粒隕石對(duì)探討生命起源的研究和探討太陽(yáng)系元素豐度等各個(gè)方面具有特殊的意義。Allende碳質(zhì)球粒隕石的元素豐度幾乎與太陽(yáng)中觀察到的非揮發(fā)性元素豐度完全一致，因此，碳質(zhì)球粒隕石的化學(xué)成分已被用于估計(jì)太陽(yáng)系中揮發(fā)性元素的豐度。CⅠ型碳質(zhì)球粒隕石元素豐度與太陽(yáng)元素豐度對(duì)比(據(jù)涂光熾，1998)

隕石的主要礦物組成：Fe、Ni合金、橄欖石、輝石等。隕石中共發(fā)現(xiàn)140種礦物，其中39種在地球（地殼淺部）上未發(fā)現(xiàn)。如褐硫鈣石CaS，隕硫鐵FeS。這說(shuō)明隕石是在缺水、氧的特殊物理化學(xué)環(huán)境中形成的。隕石的平均化學(xué)成分

要計(jì)算隕石的平均化學(xué)成分必須要解決兩個(gè)問(wèn)題：首先要了解各種隕石的平均化學(xué)成分；其次要統(tǒng)計(jì)各類隕石的比例。各學(xué)者采用的方法不一致。（V.M.Goldschmidt采用硅酸鹽：鎳-鐵：隕硫鐵=10：2：1）。隕石的平?jīng)Q化學(xué)成分計(jì)算結(jié)果如下：基本認(rèn)識(shí)：O、Fe、Si、Mg、S、Ni、Al、Ca是隕石的主要化學(xué)成分。

根據(jù)對(duì)世界上眾多各類隕石的研究，一些基本認(rèn)識(shí)是趨于公認(rèn)：①它們來(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，這種天體的破裂就導(dǎo)致各類隕石的形成；②石隕石與地球上的基性、超基性火山巖礦物組成和化學(xué)成分相似，鐵隕石與地核的化學(xué)成分相似，隕石的母體在組成上、核結(jié)構(gòu)上與地球極為相似；③各種隕石分別形成于不同的行星母體；④隕石的年齡與地球的年齡相近（隕石利用鉛同位素求得的年齡是45.5±0.7億年）；⑤隕石等地外物體撞擊地球，將突然改變地表的生態(tài)環(huán)境誘發(fā)大量的生物滅絕，構(gòu)成了地球演化史中頻繁而影響深遠(yuǎn)的突變事件，為此對(duì)探討生態(tài)環(huán)境變化、古生物演化和地層劃分均具有重要意義。3、宇航事業(yè)

50年代以來(lái)，人們相繼發(fā)射了人造地球衛(wèi)星和各種地球探測(cè)器，對(duì)地球高層大氣的成分進(jìn)行了測(cè)定。另外，還對(duì)水星、金星、火星、木星、土星及其衛(wèi)星大氣層的結(jié)構(gòu)和成分進(jìn)行了探測(cè)。1969年阿波羅-11登月，采集月球樣品380Kg,使得人們對(duì)月球的化學(xué)成分、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、演化歷史增添了許多新的知識(shí)。宇航員月球車火星車4、根據(jù)星體的密度和行星表面天文觀察資料間接推斷化學(xué)成分

測(cè)量星體的密度，而密度與物質(zhì)成分相關(guān)。例如：地球的平均密度為5.52,鐵鎳相占31.5%二、元素在太陽(yáng)系或宇宙中的豐度規(guī)律

1、太陽(yáng)系的行星和周圍的星體化學(xué)成分相似，物質(zhì)成分是統(tǒng)一的。

2、發(fā)現(xiàn)了碳質(zhì)球粒隕石與太陽(yáng)系中的元素比例幾乎一樣，認(rèn)為碳質(zhì)球粒隕石原始分異最小，能代表太陽(yáng)系的原始物質(zhì)成分。

3、非揮發(fā)份元素可參考碳質(zhì)球粒隕石，而揮發(fā)性的元素可參考太陽(yáng)光譜元素在太陽(yáng)系中的元素豐度：

當(dāng)把太陽(yáng)系中元素豐度值取對(duì)數(shù)分別與對(duì)應(yīng)其原子序數(shù)（Z）、原子核的中子數(shù)（N）或原子核的質(zhì)量數(shù)（A）作圖，具有以下規(guī)律：1）元素的豐度隨著原子序數(shù)增大而減小。元素豐度開(kāi)始迅速降低，然后，在Z>45的區(qū)間近似變?yōu)樗骄€。元素豐度與原子核的質(zhì)量數(shù)和中子數(shù)之間，也分別存在類似的關(guān)系。2）原子序數(shù)為偶數(shù)的元素豐度大大高于相鄰原子序數(shù)為奇數(shù)的元素豐度。同時(shí)具有偶數(shù)質(zhì)量數(shù)（A）或偶數(shù)中子數(shù)（N）的同位素或核類的豐度也總是高于相鄰具有奇數(shù)A或N的同位素或核類。這一規(guī)律稱為奧多-哈根斯法則。3）質(zhì)量數(shù)為4的倍數(shù)的核類或同位素具有較高的豐度，原子序數(shù)或中子數(shù)為“約數(shù)”（2、8、20、50、83、126等）的核類或同位素分布最廣、豐度最大。例如：4He(Z=2,N=2),16O(Z=8,N=8),40Ca(Z=20,N=20),140Ce(z=58,N=82)4）三種低原子序數(shù)的元素Li,Be,B，在豐度曲線上出現(xiàn)虧損。5）與元素豐度的正常關(guān)系，F(xiàn)e顯示出過(guò)剩的特征。6）含量最高的元素為H,He