第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)的元素分布和分配1

第一章

太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度

(

Part

Ⅰ)2007年4月2日1第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度

大事件宇宙大爆炸：約137億年前

銀河系：約100億年前

太陽(yáng)系：約50億年前地球和月球：約45億年前大氣和海洋：約43.5億年前宇宙大爆炸最初15億年創(chuàng)世大爆炸原因

t=100億度(c)

體積極小質(zhì)量極大宇宙的終結(jié):

220億年(?)以后“暗能力”--大爆炸人類在225萬(wàn)年后絕滅?

地球繞太陽(yáng)的軌道每隔

250萬(wàn)年左右變動(dòng)將使地球進(jìn)入超寒冰河時(shí)代

——

約翰法恩登

《地球百科》1998

2007年4月2日2第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度a超新星爆炸b-c引力塌陷d物質(zhì)碰撞--結(jié)晶

--繞日旋轉(zhuǎn)e最初均質(zhì)地球表面為巖漿海f斜向受撞--產(chǎn)生月球g內(nèi)部分異--導(dǎo)致核幔h受大規(guī)模隕石撞擊形成大氣與海洋i38億年前隕石激烈撞擊末期地球變冷地幔對(duì)流出現(xiàn)生命化學(xué)印記

地球起源月球年齡45.27億年

182W20051125science2007年4月2日3第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度有水氣有生命有陸殼陸殼厚20~60km平均39km安山質(zhì)成分質(zhì)量的40~100%形成于太古代(據(jù)TDM)形成于39.6億年前（據(jù)加拿大Acasta片麻巖洋殼＜2億年）,生長(zhǎng)速率1.65km3/y相當(dāng)于消減帶物質(zhì)返回地幔的速率,即1.3~1.8km3/y

亞當(dāng)夏娃AdamEve獨(dú)一無(wú)二的地球

《創(chuàng)造亞當(dāng)》米開(kāi)朗基羅15082007年4月2日4第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度認(rèn)識(shí)太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)的物質(zhì)組成，對(duì)研究太陽(yáng)系及地球的成因和元素的起源具有重要意義，也為理解地球形成以后的演化、地球各圈層的發(fā)展及元素的遷移和分配規(guī)律提供必要的基礎(chǔ)。2007年4月2日5第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度太陽(yáng)系和地球的傾向性認(rèn)識(shí)太陽(yáng)系的化學(xué)元素起源于6.2~7.7Ga以前；行星（包括地球）的形成則在4.57±0.0310Ga以前，并且整個(gè)形成過(guò)程可能是在較短的時(shí)間間隔內(nèi)完成的；地球上第一次出現(xiàn)生命物質(zhì)的時(shí)間大約在3.5Ga以前；人類的出現(xiàn)僅有2.0Ma的歷史；2007年4月2日6第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度在經(jīng)典地質(zhì)學(xué)中較詳細(xì)研究過(guò)的地質(zhì)時(shí)代僅為地球整個(gè)歷史的最后0.6Ga。雖然地球歷史應(yīng)當(dāng)包括地質(zhì)時(shí)代更為古老、時(shí)間更為悠久的前寒武紀(jì)(長(zhǎng)達(dá)約4.0Ga)，但是元素在地質(zhì)歷史之前，就已經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的演化和分異過(guò)程。太陽(yáng)系和地球中元素的原始分布狀態(tài)必然會(huì)深刻地影響著后來(lái)的地質(zhì)歷史時(shí)期中的地球化學(xué)過(guò)程。2007年4月2日7第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度1太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度1.1太陽(yáng)系的組成及其元素豐度1.2地球的結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分1.3地殼的化學(xué)組成2007年4月2日8第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度1.1太陽(yáng)系的組成及其元素豐度2007年4月2日9第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度1.1.1基本概念/術(shù)語(yǔ)*1、地球化學(xué)體系按照地球化學(xué)的觀點(diǎn)，我們把所要研究的對(duì)象看作是一個(gè)地球化學(xué)體系，每個(gè)地球化學(xué)體系都有一定的空間，都處于特定的物理化學(xué)狀態(tài)（C、T、P等），并且有一定的時(shí)間連續(xù)。2007年4月2日10第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度2、分布和豐度體系中元素的分布，一般認(rèn)為是指元素在這個(gè)體系中的相對(duì)含量（平均含量），即元素的“豐度”。2007年4月2日11第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度體系中元素的豐度值實(shí)際上只能對(duì)這個(gè)體系里元素真實(shí)含量的一種估計(jì)，它只反映了元素分布特征的一個(gè)方面，即元素在一個(gè)體系中分布的一種集中（平均）傾向；元素在一個(gè)體系中的分布，特別是在較大體系中決不是均一的。因此，元素的分布還包含著元素在離散程度（不均一）的特征。2007年4月2日12第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度元素的分布包含的含義:

①元素的相對(duì)含量（平均含量）=豐度；②元素含量的不均一性（分布離散特征數(shù)、分布所服從統(tǒng)計(jì)模型）。2007年4月2日13第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度需要指出的是，從目前的情況來(lái)看，地球化學(xué)對(duì)元素特征所積累的資料（包括太陽(yáng)系地球地殼）都僅限于豐度的資料，關(guān)于元素分布的離散程度及元素分布統(tǒng)計(jì)特征研究，僅限于少量范圍不大的地球化學(xué)體系內(nèi)做一些工作（查文獻(xiàn)）。2007年4月2日14第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度3、分布與分配分布指的是元素在一個(gè)化學(xué)體系中（太陽(yáng)隕石地球地殼某地區(qū)）整體含量。元素的分配指的是元素在各地球化學(xué)體系內(nèi)各個(gè)區(qū)域區(qū)段中的含量。分布是整體，分配是局部，兩者是一個(gè)相對(duì)的概念，既有聯(lián)系也有區(qū)別.2007年4月2日15第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度例如，地球作為整體，元素在地殼中的分布，也就是元素在地球中分配的表現(xiàn)；把某巖石作為一個(gè)整體，元素在某組成礦物中的分布，也就是元素在巖石中分配的表現(xiàn)。2007年4月2日16第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度宇宙學(xué)研究表明：在宇觀尺度上，三維空間在任何時(shí)刻都是均勻各向同性的，也就是說(shuō)所有星系都經(jīng)歷了相似的演化歷程，宇宙各部分都具有均勻的物質(zhì)分布，統(tǒng)一的化學(xué)組成。因此，通常所說(shuō)的元素宇宙豐度，實(shí)際上是太陽(yáng)系的元素豐度。元素的宇宙豐度是研究元素起源的理論依據(jù)，是解釋各類天體演化過(guò)程的基礎(chǔ)。4、太陽(yáng)系元素豐度含義2007年4月2日17第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度1.1.2太陽(yáng)系組成2007年4月2日18第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度2007年4月2日19第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度2007年4月2日20第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度2007年4月2日21第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度1.1.2太陽(yáng)系組成1.太陽(yáng)系組成2.行星類型：內(nèi)行星（接近太陽(yáng)的較小）——水星、金星、地球、火星，也稱類地行星（巖石質(zhì)行星）；外行星(遠(yuǎn)離太陽(yáng)的大)——木星、土星、天王星、海王星和冥王星，也稱類木行星（冰氣質(zhì)行星）。2007年4月2日22第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度3.衛(wèi)星：不是所有的行星都是有衛(wèi)星的，地球有一個(gè)衛(wèi)星-月亮；土星有21個(gè)衛(wèi)星（最多）4.小行星帶：在火星和木星之間存在著數(shù)以兆計(jì)的小行星（小行星帶）。它們的大小相差極大，其中最大的谷神星直徑達(dá)770km。火星和木星之間有幾萬(wàn)顆小行星組成的小行星帶。2007年4月2日23第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度1.1.3獲取宇宙元素豐度的途經(jīng)

1光譜分析

光譜分析儀太陽(yáng)光譜2007年4月2日24第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度對(duì)太陽(yáng)和其它星體的輻射光譜進(jìn)行定性和定量分析，但這些資料有兩個(gè)局限性：一是有些元素產(chǎn)生的波長(zhǎng)小于2900?，這部分譜線在通過(guò)地球化學(xué)大氣圈時(shí)被吸收而觀察不到；二是這些光譜產(chǎn)生于表面，它只能說(shuō)明表面成分，如太陽(yáng)光譜只能說(shuō)明太陽(yáng)氣的組成。2007年4月2日25第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度2、直接采樣分析

如測(cè)定地殼巖石、各類隕石和月巖、火星的樣品。上個(gè)世紀(jì)七十年代美國(guó)“阿波羅”飛船登月，采集了月巖、月壤樣品；1997年美國(guó)“探路者”號(hào)，2004年美國(guó)的“勇敢者”“機(jī)遇”號(hào)火星探測(cè)器測(cè)定了火星巖石的成分。2007年4月2日26第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度2007年4月2日27第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度3、由物質(zhì)的物理性質(zhì)與成分的對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)進(jìn)行推算，如對(duì)行星組成的研究；4、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。2007年4月2日28第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度1.1.4隕石的化學(xué)成分及其分類*1.1.3.1隕石的類型1.1.3.2石隕石1.1.3.3鐵隕石和石-鐵隕石1.1.3.4隕石中的有機(jī)質(zhì)1.1.3.5隕石的平均化學(xué)成分1.1.3.6隕石成因2007年4月2日29第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度隕石是目前最易獲取和數(shù)量最大的地外物質(zhì)，她攜帶著有關(guān)太陽(yáng)系的化學(xué)成分、起源與演化、有機(jī)質(zhì)起源和太陽(yáng)系空間環(huán)境等豐富信息。隕石研究表明，絕大多數(shù)降落至地球的隕石起源于火星和木星之間的小行星帶，也有極少數(shù)來(lái)自其它天體，如ALHA-81005，EEAT-79001被認(rèn)為分別來(lái)自月球和火星表面。2007年4月2日30第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度現(xiàn)在，人們對(duì)隕石類型、組成及其演化途徑已經(jīng)有了比較統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，并且通過(guò)對(duì)隕石的研究對(duì)太陽(yáng)系的早期歷史有了更加清楚的了解。隕石學(xué)已經(jīng)構(gòu)成了天文學(xué)和地質(zhì)學(xué)之間的一門(mén)重要交叉學(xué)科。2007年4月2日31第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度隕石研究意義★：隕石是從星際空間降落到地球表面上來(lái)的行星物體的碎片。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；2007年4月2日32第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度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，鉛、硫同位素）。2007年4月2日33第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度1.1.4.1隕石的類型★隕石主要是鎳-鐵合金，或由結(jié)晶硅酸鹽（主要是橄欖石或輝石），或者是兩者混合物所組成。玻璃質(zhì)隕石也有發(fā)現(xiàn)，但數(shù)量很少。與變質(zhì)巖或沉積巖成分相似的隕石從未發(fā)現(xiàn)過(guò)（思考）。2007年4月2日34第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度1.1.4.1隕石的類型通常根據(jù)其中的金屬含量將隕石劃分為3大類型：

球粒隕石約含10％金屬1石隕石{

無(wú)球粒隕石約含1％金屬2石一鐵隕石

鎳-鐵金屬相和硅酸鹽相各50%3鐵隕石金屬鎳-鐵含量大于90％2007年4月2日35第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度鐵隕石石隕石2007年4月2日36第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度1.1.4.2石隕石石隕石包括球粒隕石和無(wú)球粒隕石1、球粒隕石球粒隕石是最常見(jiàn)的一類隕石，占全部石隕石的90%以上①結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：球粒隕石的最大特征石含有球粒，具球粒結(jié)構(gòu)。②球粒組成：一般由撖欖石或斜方輝石組成，有時(shí)是玻璃質(zhì)；球粒間的基質(zhì)常為鎳鐵、隕硫鐵、斜長(zhǎng)石、橄欖石、輝石等組成。2007年4月2日37第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度③類型：按照礦物和化學(xué)成分，目前對(duì)球粒隕石進(jìn)一步劃分為3大群：

E群（頑火輝石球粒隕石）

O群（普通球粒隕石）

C群（碳質(zhì)球粒隕石），少見(jiàn)。④成分：球粒隕石平均礦物成分大致—鎳-鐵12%，橄欖石46%，紫蘇輝石21%，透輝石4%，斜長(zhǎng)石11%。2007年4月2日38第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度2、無(wú)球粒隕石①結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；無(wú)球粒隕石不含球粒，常常比球粒隕石結(jié)晶粗得多。在成分與結(jié)構(gòu)方面，許多無(wú)球粒隕石均與地球上的火成巖相似，因此它們可能是由硅酸鹽熔體結(jié)晶形成。②分類：無(wú)球粒隕石據(jù)CaO的含量可以劃分為兩個(gè)群（或亞類）：貧鈣[w（Ca）＝0~3％]

富鈣[w（Ca）≥5％]2007年4月2日39第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度無(wú)球粒隕石據(jù)成因可劃分為3類：鈣長(zhǎng)輝長(zhǎng)無(wú)球粒隕石系列頑輝石無(wú)球粒隕石系列尚未劃分出成因系列的無(wú)球粒隕石。③礦物組成：無(wú)球粒隕石平均礦物成分大致：鎳-鐵1%，橄欖石9%，紫蘇輝石50%，透輝石12%，斜長(zhǎng)石25%2007年4月2日40第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度3、碳質(zhì)球粒隕石★①特點(diǎn)；碳質(zhì)球粒隕石是球粒隕石的一個(gè)特殊類型，其特征是含有碳的有機(jī)化合物分子，并且主要由含水硅酸鹽組成。②類型：按化學(xué)成分碳質(zhì)球粒隕石可劃分為I、Ⅱ和Ⅲ等3種（CI、CⅡ和CⅢ）類型。③研究意義：碳質(zhì)球粒隕石雖然十分稀少，但在探討太陽(yáng)系元素豐度方面卻具有特殊的意義。2007年4月2日41第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度“阿倫德”CⅢ型（1969年隕落于墨西哥北部）以及其它碳質(zhì)球粒隕石（尤其CI型碳質(zhì)球粒隕石）中，非揮發(fā)性元素的豐度幾乎同太陽(yáng)中觀察到的元素豐度完全一致（圖1.1）。因此，碳質(zhì)球粒隕石的化學(xué)成分目前已被用于估計(jì)太陽(yáng)系中非揮發(fā)性元素的豐度。2007年4月2日42第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度圖1.1CⅠ型碳質(zhì)球粒隕石元素豐度與太陽(yáng)元素豐度對(duì)比2007年4月2日43第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度1.1.4.3

鐵隕石和石-鐵隕石1.鐵隕石組成：Fe和Ni是鐵隕石中主要元素，在鐵隕石中還含有少量（w<2％）Co、S、P、Cu、Cr和C等元素。2007年4月2日44第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度2.石-鐵隕石：由硅酸鹽相和鐵鎳相組成，前者通常是橄欖石，偶爾有一些輝石，并成為較大的圓粒賦存于海綿狀的Ni-Fe結(jié)構(gòu)中。其他礦物如隕硫鐵也經(jīng)常出現(xiàn)。2007年4月2日45第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度玻隕石曾被認(rèn)為是隕石類的物質(zhì)，它們由富SiO2的玻璃（SiO2平均含量約75％）組成，類似黑曜巖，但化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)與黑曜巖相差很大。人們迄今尚未見(jiàn)到一個(gè)隕落的玻隕石，只是由于其特殊的形態(tài)和成分才認(rèn)為是隕石?，F(xiàn)在積累的許多有關(guān)資料，促使人們（Taylor，1973；O'Keefe，1976）傾向把它們視為由于彗星或大型隕石沖擊地球引起物質(zhì)熔化的產(chǎn)物。

2007年4月2日46第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度隕石撞擊地球的證據(jù)2007年4月2日47第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度美國(guó)巴林杰隕石坑它是地球上第一個(gè)被確認(rèn)的隕石坑。大約5萬(wàn)年前，一顆直徑40米、重達(dá)30萬(wàn)噸的小行星，以每秒25公里的高速?zèng)_進(jìn)地球大氣層，在如今的美國(guó)亞利桑那州留下直徑約1.2公里、深174米的大坑。2007年4月2日48第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度印度羅納爾隕石坑—目前成為地球鹽分最高湖泊之一，湖的形狀幾乎為完美的圓形。撞擊時(shí)間5萬(wàn)年前2007年4月2日49第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度加拿大清水湖魁北克省加拿大地盾上的兩個(gè)環(huán)形湖(隕石坑)，大約是在2.9億年前由一對(duì)小行星在哈得孫海灣附近發(fā)生撞擊形成。它們成為旅游勝地，是因?yàn)辄c(diǎn)綴的大量小島形成了一系列美麗的小島鏈。2007年4月2日50第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度火星維多利亞隕石坑2007年4月2日51第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度月球表面隕石坑2007年4月2日52第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度地球化學(xué)證據(jù)黃土底層銥含量異常、火山碎屑物存在，認(rèn)為是隕石撞擊所致2007年4月2日53第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度●作為一種近似,以黃土剖面NQ界線附近銥的剩余通量作為全球平均,可以估計(jì)該撞擊物體相當(dāng)于一直徑為2.6km的C1型碳質(zhì)球粒隕石球體。如此巨大的隕石與地球相撞足以誘發(fā)全球性的氣候?yàn)?zāi)變效應(yīng)2007年4月2日54第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度2007年4月2日55第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度1.1.4.4隕石中的有機(jī)質(zhì)（看書(shū)了解）隕石，特別是碳質(zhì)球粒隕石中已發(fā)現(xiàn)的有機(jī)化合物有60多種。有關(guān)隕石中有機(jī)質(zhì)的來(lái)源主要觀點(diǎn)：2007年4月2日56第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度①原始大氣層處于高度還原狀態(tài)，且主要由CH4、NH3、H2O、H2和CO組成，在紫外線照射與放電過(guò)程中形成激發(fā)態(tài)自由基，最后合成各種有機(jī)化合物；②

星云凝聚晚期，星云中的CO、H2在磁鐵礦、含水硅酸鹽的催化反應(yīng)下合成。后一種方式合成的有機(jī)化合物與碳質(zhì)球粒隕石中發(fā)現(xiàn)的有機(jī)質(zhì)極為相似，且碳同位素組成也相似。2007年4月2日57第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度隕石中的有機(jī)質(zhì)與地球的污染物是不同的，如Murchison碳質(zhì)球粒隕石中發(fā)現(xiàn)的52種氨基酸的碳原子不對(duì)稱并且有外消旋特征，以非蛋白氨基酸為主，還發(fā)現(xiàn)有烴類、雜環(huán)化合物和脂肪酸等。現(xiàn)在認(rèn)為，地球早期生命系統(tǒng)的化學(xué)演化不一定來(lái)源于行星的大氣，而可能來(lái)自太陽(yáng)星云凝聚時(shí)已合成的有機(jī)質(zhì)。2007年4月2日58第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度1.1.4.5

隕石的平均化學(xué)成分1計(jì)算隕石平均化學(xué)成分，必須解決以下兩個(gè)問(wèn)題：①了解各類隕石的平均化學(xué)成分，該問(wèn)題基本解決；②各類隕石的數(shù)量比例，該問(wèn)題尚未解決。由于沒(méi)有解決后者，所以在計(jì)算隕石平均化學(xué)成分時(shí)，不同研究者采用的三類隕石比例不同。2007年4月2日59第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度2.隕石中最廣泛分布的化學(xué)元素：O，F(xiàn)e，Si，Mg，Ni，S，Al和Ca，各類隕石中元素比值取決于隕石的礦物成分3.目前隕石類型數(shù)量上的共識(shí)：石隕石多于鐵隕石2007年4月2日60第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度1.1.4.6

隕石成因由于存在三類迥然不同的隕石——石隕石、石-鐵隕石和鐵隕石，人們很自然地會(huì)設(shè)想隕石是來(lái)自某種曾經(jīng)分異成一個(gè)富金屬的核和一個(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。石鐵隕石來(lái)自該金屬核與硅酸鹽幔的界面，而各種石隕石則來(lái)自富硅酸鹽幔的不同區(qū)域，這種設(shè)想就成為依據(jù)隕石資料推測(cè)地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分的重要根據(jù)之一。2007年4月2日61第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度然而，現(xiàn)在已經(jīng)有許多證據(jù)表明，由“一個(gè)母體形成隕石”的假說(shuō)是不可取的，原因是：首先，各類隕石具有不同的年齡，而在隕石群之間也存在年齡差異。再者，各群球粒隕石和各種鐵隕石之間均存在著成分間隔以及氧同位素（18O／16O和17O／18O）比例的差別。這些事實(shí)亦表明，每群隕石應(yīng)分別形成于不同的行星母體?；鹦桥c木星之間的小行星帶中存在眾多的小行星，確實(shí)可以成為隕石的來(lái)源。2007年4月2日62第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度1.1.4.7有關(guān)隕石的共識(shí)成因盡管對(duì)隕石的成因看法還不一致，但以下一些基本點(diǎn)是大家趨向公認(rèn)的：1.隕石發(fā)生于太陽(yáng)系中；2.隕石與小行星有許多共同之處；3.隕石不是作為單獨(dú)的個(gè)體發(fā)生，而是一個(gè)較大的分裂物體的碎片；4.石隕石與地球上基性及超基性火成巖的化學(xué)組成和礦物組成的連續(xù)性證明，隕石的母體在組成上和構(gòu)造上與地球極為相似；2007年4月2日63第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度5.隕石年齡與地球年齡差不多，它們經(jīng)歷了相似的形成與演化過(guò)程；6.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。

2007年4月2日64第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度1.1.5

行星和月球的化學(xué)成分2007年4月2日65第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度1.1.5.1

行星的化學(xué)成分×1.太陽(yáng)系行星（按其成分特點(diǎn)）分類：①地球和類地行星：包括地球、水星、金星和火星。其特點(diǎn)是質(zhì)量小、密度大、體積小、衛(wèi)星少。物質(zhì)成分是以巖石為主，富含Mg、Si、Fe等，親氣元素含量低。②巨行星：包括木星和土星。它們的體積大、質(zhì)量大、密度小、衛(wèi)星多。如果以地球質(zhì)量和體積為單位，則土星分別為95.18和745，木星分別為317.94和1316。其主要成分為H和He，親石和親鐵元素含量低。2007年4月2日66第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度③遠(yuǎn)日行星：即天王星、海王星和冥王星。其成分是以冰物質(zhì)為主，H的質(zhì)量分?jǐn)?shù)估計(jì)為10％，He平均為12％。2007年4月2日67第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度2.行星成分與太陽(yáng)距離的關(guān)系：靠近太陽(yáng)的內(nèi)地行星區(qū)域溫度高，氫/氦等揮發(fā)性物質(zhì)蒸發(fā)，形成體積小而密度大、組成物質(zhì)以Si、Fe、Mn等及其氧化物為主的內(nèi)地行星。外部行星區(qū)域溫度低，揮發(fā)性組分逃逸較少，形成體積大、密度相對(duì)較小的、組成物質(zhì)以H、O、N、C為主的外行星。外行星組成與太陽(yáng)相似。2007年4月2日68第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度上述3類行星中巖石物質(zhì)、冰態(tài)物質(zhì)和氣態(tài)物質(zhì)的比值為:

巖石：冰態(tài)：氣態(tài)地球和類地行星1:10－4:10－7～10－12；巨行星0.02:0.07:0.91

遠(yuǎn)日行星0.195:0.68:0.12。2007年4月2日69第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度表1.2太陽(yáng)系中某些主要元素的相對(duì)豐度太陽(yáng)系成員氣體H,He冰態(tài)物質(zhì)C,N,O巖石物質(zhì)Mg,Si,Fe等太陽(yáng)1.00.0150.0025類地行星和隕石痕痕1.0木星0.90.1痕土星0.70.3痕天王星、海王星、彗星痕0.850.152007年4月2日70第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度3行星及衛(wèi)星的化學(xué)組成模式

根據(jù)平衡凝聚模型，距太陽(yáng)愈遠(yuǎn)溫度愈低，行星區(qū)凝聚物的成分和含量不同，行星及其衛(wèi)星的化學(xué)組成模型：水星，主要由難熔金屬礦物、鐵鎳合金和少量輝石組成；金星，除上述成分外，還有鉀（鈉）硅酸鹽，但不含水；地球，除上述成分外，還含有透閃石等一些含水硅酸鹽和3種形式的鐵（金屬鐵、FeO和FeS），金屬鐵和FeS形成低熔點(diǎn)混合物，在放射性加熱下熔化、分異，形成早期地核；火星，含有更多的含水硅酸鹽，金屬鐵已完全氧化成FeO或與S結(jié)合形成FeS，沒(méi)有金屬鐵的核。2007年4月2日71第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度4行星結(jié)構(gòu)和成分研究行星表面溫度低，缺乏原子光譜的激發(fā)條件，其成分只能通過(guò)間接方法對(duì)比研究。如天體力學(xué)獲得行星質(zhì)量，望遠(yuǎn)鏡和宇宙飛船攝像獲得行星直徑，從而獲知行星密度。行星內(nèi)部Fe-Ni相和硅酸鹽相比例可以通過(guò)行星體積和密度來(lái)估算。基礎(chǔ)：行星大小相近時(shí)，密度大的行星中Fe-Ni相比例大于密度小的。2007年4月2日72第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度4行星結(jié)構(gòu)和成分研究

內(nèi)行星和月球的金屬內(nèi)核半徑同該星體整體半徑的比值：水星0.8，金星0.53，地球0.55，火星0.4（列諾利茲和薩麥爾斯）2007年4月2日73第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度5行星化學(xué)成分特征①內(nèi)行星成分同其與太陽(yáng)的距離之間存在著某種聯(lián)系，即行星愈靠近太陽(yáng)，它的金屬鐵含量愈高，這是有待于從理論上闡明的一條宇宙化學(xué)規(guī)律。②地球和金星的化學(xué)成分可能是十分相近的，因?yàn)樗鼈兙哂泻芟嗨频闹睆胶推骄芏?。③由火星和月球的平均密度看?lái)，它們應(yīng)該在化學(xué)成分上屬于同一類型的天體。④外行星的平均密度（大約在0.7～2.47范圍內(nèi)）要比內(nèi)行星的小得多。根據(jù)這一事實(shí)，人們推測(cè)在這些巨大行星中氣體應(yīng)占較大比例，根據(jù)各種資料判斷，氫及其化合物應(yīng)是其中的主要成分。2007年4月2日74第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度1.1.5.2月球的化學(xué)成分2007年4月2日75第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度1.月球的主要巖石類型√基于月巖、月壤和月塵樣品研究，月球表面的巖石類型主要有三類：①月海玄武巖：類似于大洋拉斑玄武巖，前者富TiO2和FeO。廣泛分布于月球表面的月海區(qū)；同位素測(cè)年—31.5~38.5億年成因：認(rèn)為是月球內(nèi)部富Ti、Fe的區(qū)域因放射性加熱而部分熔融而成，非月球原始分異產(chǎn)物2007年4月2日76第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度藍(lán)色的為月海，土紅色的為月陸2007年4月2日77第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度②非月海玄武巖：富放射性元素，鐵鎂礦物和不透明礦物低于月海玄武巖。其中有一種特殊巖類—克里普巖*，化學(xué)成分本質(zhì)上是玄武巖，但K、REE、難熔元素（U、Th、Rb、Sr、Ba）和磷酸巖含量高于月海玄武巖。成因：富斜長(zhǎng)石巖石部分熔融產(chǎn)生2007年4月2日78第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度③富鋁高地斜長(zhǎng)巖：70%是斜長(zhǎng)輝長(zhǎng)巖，組成月球臺(tái)地或高地的巖石，也是月球保存的最古老臺(tái)地單元。成因：富鋁斜長(zhǎng)巖認(rèn)為是巖漿分離作用產(chǎn)物（Al2O3含量19.1%~36.48%）月球上還發(fā)現(xiàn)成分獨(dú)特的偏酸性巖石，但沒(méi)有發(fā)現(xiàn)大的花崗巖。2007年4月2日79第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度2.月球化學(xué)組成整體說(shuō)來(lái)，月球是由硅酸鹽組成的固態(tài)球體，它不存在大氣圈。月球的平均密度為3.33g／cm3，而其表面巖石的密度為3.1~3.2g／cm3。平均密度與表面巖石密度之間差異不大，這說(shuō)明？2007年4月2日80第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度月球物質(zhì)的分異相當(dāng)弱2007年4月2日81第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度表1.3

月巖中元素豐度的級(jí)次質(zhì)量分?jǐn)?shù)/％元素>10OSiFe1~10CaMgAl10-1~1.0TiSNaKCrMn10-2~10-1CNPCl

SrYZr

Ba

10-3~10-2FScVCoNiZnNbLaCePrNd

Sm

Gd

Dy

Er

Yb

Hf

10-4~10-3LiBeBCuGa

Rb

GeTbHoTmInTa2007年4月2日82第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度3.月球的成因觀點(diǎn)1：月球是地球拋出一部分物質(zhì)冷卻后形成——45億年前，火星般大小的隕石撞擊地球，產(chǎn)生大量巖屑飛濺到空中，這些巖屑被地球的重力吸引，冷卻后變成了月球。觀點(diǎn)2：太陽(yáng)系中的一個(gè)小星體或物質(zhì)，被地球捕獲。2007年4月2日83第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度4.月球研究意義*①月球的研究資料成為地球早期（距今31~46億a）階段演化特征的一個(gè)重要方面；2007年4月2日84第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度②地球（37~37.5億a）和月球（34~37億a，39.5億a）上所發(fā)現(xiàn)的最古老的巖石同位素年齡非常接近，同時(shí)月球距今31億年來(lái)幾乎處于“停滯”狀態(tài)，如果將月球原始結(jié)晶巖石看作地殼早期形成的巖石，說(shuō)明地球上存在的花崗巖質(zhì)大陸殼、水圈和大氣圈都是地球后期演化和發(fā)展過(guò)程中產(chǎn)生的。2007年4月2日85第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度③月巖在化學(xué)成分、礦物成分、同位素組成等地球化學(xué)特征上，以及密度、彈性波傳播速度等地球物理性質(zhì)上都與大洋玄武巖相似，或地殼硅-鎂層相似，顯示月殼與大洋殼相似，月球缺失大陸型花崗巖地殼。2007年4月2日86第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度④月球和地球早期的火山活動(dòng)普遍，廣泛分布的月海玄武巖和地球早期產(chǎn)生的中、基性噴出巖經(jīng)變質(zhì)形成的全球廣泛分布的綠巖系（？），是地球和月球演化對(duì)比的顯著特征之一。2007年4月2日87第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度⑤月球表面缺水，幾乎沒(méi)有三價(jià)鐵存在，證實(shí)了月球表面沒(méi)有大氣圈和水圈，月球接近于真空狀態(tài)，因而月球表面的生命活動(dòng)有限，缺失象地球表面的強(qiáng)烈外營(yíng)力作用，月巖基本保持了原狀而變化不大的“原始巖石”—月球表面是明亮、坑洞密布的高地和深色的海。2007年4月2日88第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度1.1.6

太陽(yáng)的化學(xué)成分2007年4月2日89第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度2010年2月11日發(fā)射的太陽(yáng)動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室發(fā)送回來(lái)的照片2007年4月2日90第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度2007年4月2日91第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度1.太陽(yáng)基本特點(diǎn)太陽(yáng)是熾熱氣態(tài)物質(zhì)的球體。太陽(yáng)的直徑為1391000km。太陽(yáng)的質(zhì)量等于1.983×1033g，相當(dāng)于地球質(zhì)量的333434倍。太陽(yáng)的平均密度為1.41g／cm3。太陽(yáng)的表面溫度達(dá)6000K。由于太陽(yáng)上存在著熱核反應(yīng)，每分鐘從一平方厘米太陽(yáng)表面能幅射出375859.48J能量。根據(jù)太陽(yáng)具有那樣高的溫度，可以推斷它的物質(zhì)具有通過(guò)熱運(yùn)動(dòng)而強(qiáng)烈均勻化的條件，從而認(rèn)為太陽(yáng)大氣圈的化學(xué)成分可能同太陽(yáng)中心部分的成分相差不大。2007年4月2日92第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度2.太陽(yáng)元素豐度的確定方法2007年4月2日93第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度3.太陽(yáng)元素組成及元素豐度太陽(yáng)中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了85種元素太陽(yáng)中元素豐度方面的最顯著特征是氫和氦具有極大的豐度值，這兩種元素的原子幾乎占了太陽(yáng)全部原子數(shù)目的98％。2007年4月2日94第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度1.1.7

星際物質(zhì)和宇宙射線的化學(xué)成分×2007年4月2日95第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度1星際物質(zhì)：指分布于星際空間中的極稀薄的氣體和極少量的塵埃，并被視為形成新星的物質(zhì)。它代表著宇宙中最少遭受分餾的物質(zhì)，本應(yīng)成為確定元素宇宙豐度的最有前景的基礎(chǔ)。然而遺憾的是，這種物質(zhì)的總成分是不可能進(jìn)行定量分析的。在地球軌道附近的行星空間中，lcm3約含有5個(gè)正離子（絕大部分為質(zhì)子）和5個(gè)電子以及氦、碳、氮、氧和重元素的原子核等。行星空間還充斥著來(lái)自銀河系空間、太陽(yáng)風(fēng)及行星等的電磁波。2007年4月2日96第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度2.宇宙射線①本質(zhì)來(lái)自宇宙空間的高強(qiáng)粒子流；地球大氣層邊緣處宇宙射線的強(qiáng)度約為1個(gè)粒子/cm2②物質(zhì)組成由質(zhì)子、α粒子、其它較重元素的原子核以及電子、中微子和高能光子（X射線和γ射線）所組成。其中氫原子核——質(zhì)子約占87％，氦原子核——α粒子約占12％，其余為L(zhǎng)i、Be、B和C、N、O的原子核及少量的重原子核。2007年4月2日97第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度1.1.8

太陽(yáng)系的元素豐度及元素的起源2007年4月2日98第一章太陽(yáng)系和地球系統(tǒng)元素的豐度