元素豐度與分布

元素豐度與分布第1頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)元素的宇宙豐度第二節(jié)元素在地球中的分布第2頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)元素的宇宙豐度一、元素宇宙豐度的定義二、太陽系的成員三、宇宙豐度的研究四、太陽系宇宙豐度的規(guī)律第3頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三一、元素宇宙豐度的定義元素的宇宙豐度＝太陽系的元素豐度這里的豐度＝A/B的比值，一般B為Si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程的基礎(chǔ)第4頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三二、太陽系的介紹第5頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三太陽系成員第6頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三八大行星的相對(duì)大小第7頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三太陽系組成太陽八大行星小行星－小行星帶（火星與木星之間）彗星第8頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)元素的宇宙豐度一、元素宇宙豐度的定義二、太陽系的成員三、宇宙豐度的研究四、太陽系宇宙豐度的規(guī)律第9頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三三、元素宇宙豐度研究實(shí)驗(yàn)室分析：地球、月球、隕石和宇宙塵光譜和射電分析：太陽、恒星、星際介質(zhì)星系空間探測(cè)器分析：行星大氣、表面土壤、巖石太陽風(fēng)和宇宙線分析：第10頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三Suess和Urey（1956）：綜合天體物理和宇宙化學(xué)的成果，提出了宇宙核素豐度－－B2FH假說的基礎(chǔ)；Cameron（1968）提出太陽系的核素豐度，依據(jù)：非揮發(fā)性元素的初始豐度－－I型碳質(zhì)球粒隕石；揮發(fā)性元素－－太陽光球的光譜成分Ganapathy和Anders（1974)：均一的太陽星云的平衡凝聚模式－－行星化學(xué)成分（表1.3）Palme、Suess和Zeh（1981)計(jì)算了初始太陽星云的元素豐度和初始的核素豐度（表1.7）Trimble（1975），提出了隕石、太陽光球、日冕宇宙射線的元素豐度第11頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三太陽系的成分非揮發(fā)性元素的初始豐度－－I型碳質(zhì)球粒隕石揮發(fā)性元素－－太陽光球的光譜成分第12頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三H.Palme第13頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)元素的宇宙豐度元素宇宙豐度的定義太陽系的成員宇宙豐度的計(jì)算太陽系宇宙豐度的規(guī)律第14頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三第15頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三第16頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三四、太陽系元素豐度的規(guī)律Oddo-Harkins規(guī)則（偶數(shù)規(guī)則）－－O、Fe、Ni、Si、Mg、S、Ca等7種豐度最高的元素，全為偶數(shù)元素，總豐度達(dá)98.6％；在A為1~100的區(qū)域，核素豐度大致按指數(shù)規(guī)律下降；A>100，豐度曲線的斜率顯著減緩；具有4倍數(shù)核素（如12C、16O、--40Ca、48Ti）豐度明顯高于其相鄰核素豐度；H和He為豐度最大的元素，占原子總數(shù)的99%以上，而Li、Be和B等與鄰近元素相比豐度特別低；以56Fe為中心的突出的峰值；在A為80和90、130和138、196和208等處，出現(xiàn)雙峰；第17頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)元素的宇宙豐度第二節(jié)元素在地球中的分布第18頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)元素在地球中的分布地球元素平均成分地殼元素平均成分地幔成分第19頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)元素在地球中的分布一、地球的圈層構(gòu)造及化學(xué)組成1.圈層構(gòu)造地殼：上地殼和下地殼地幔：上地幔和下地幔地核：外核和內(nèi)核第20頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三第21頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三地球內(nèi)部P波和S波隨深度變化.CompositionalsubdivisionsoftheEarthareontheleft,rheologicalsubdivisionsontheright.AfterKeareyandVine(1990),GlobalTectonics.?BlackwellScientific.Oxford.CrustMantleOuterCoreVelocity(km/sec)0510100020003000400050006000Depth(km)SwavesPwavesInnerCoreLithosphereAstheno-sphereSolidLiquidMeso-sphereSwaves第22頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三固體地球地幔:橄欖巖(超基性巖)63705145289866041060220CrustMantleCoreUpperMantleTransitionZoneInnerCoreDepth(km)LowerMantle(solid)OuterCore(liquid)上地幔

深達(dá)410km(olivine?spinel)LowVelocityLayer

60-220km過渡帶

asvel.incr.~rapidly660spinel?perovskite-typeSiIV

?SiVI下地幔

hasmoregradual velocityincrease第23頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三第24頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)元素在地球中的分布2.地球元素豐度估算方法(1)隕石類比法以下列假設(shè)：a.隕石在太陽系內(nèi)形成;b.隕石與小行星帶的物質(zhì)相同；c.隕石是破壞了的星體碎片；d.產(chǎn)生隕石的星體其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和成分分布與地球類似第25頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三第26頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)元素在地球中的分布(2)地球模型-隕石類比法按地球的各主要圈層的比例計(jì)算：地核：32.4%，球粒隕石的鎳鐵金屬相+5.3%隕硫鐵（硫化物相）代表地幔+地殼：67.6%，球粒隕石的平均硅酸鹽成分第27頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三第28頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)元素在地球中的分布二、地殼的平均化學(xué)成分1.克拉克值的概念（1）重量克拉克值：地殼中元素的重量平均含量（2）原子克拉克值：地殼中元素的原子平均含量第29頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)元素在地球中的分布2、地殼平均化學(xué)成分的確定方法（1）克拉克法（5159樣品，50元素，1924）a.巖石圈：水圈：大氣圈

93%7%0.03%b.巖石圈中（地殼）巖漿巖：頁巖：砂巖：灰?guī)r95%4%0.75%0.25%第30頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)元素在地球中的分布具體計(jì)算過程：1.分48個(gè)地區(qū)計(jì)算平均化學(xué)成分2.合并為9個(gè)地區(qū)計(jì)算平均化學(xué)成分3.計(jì)算總平均化學(xué)成分第31頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)元素在地球中的分布（2）戈?duì)柕率┟芴胤ǎ?xì)碎屑巖法）特點(diǎn)：細(xì)碎屑巖的源物質(zhì)來自剝蝕區(qū)適合于區(qū)域地殼成分的估計(jì)第32頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)元素在地球中的分布（3）地殼模型法Taylor法：基性巖/酸性巖=1(質(zhì)量)基性巖代表下地殼，酸性巖代表上地殼第33頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)元素在地球中的分布3.地殼元素豐度特征第34頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三第35頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三第36頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三地殼元素豐度

第37頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)元素在地球中的分布3.地殼元素豐度特征(1)地殼中各種元素豐度極不均勻O,Si,Al占82%O,Si,Al,Fe,Ca,Na,K,Mg占>98%O與Rn相差1017倍(2)隨原子序數(shù)的增加其豐度降低，但Li,Be,B仍表現(xiàn)為虧損第38頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)元素在地球中的分布(3)除了惰性氣體和少數(shù)元素外，質(zhì)量數(shù)為偶數(shù)的元素豐度大于奇數(shù)(4)四倍規(guī)則（質(zhì)量數(shù)為四的倍數(shù)）4A型：12C,16O

,24Mg,28Si,32S,40Ca,48Ti,52Cr,56Fe,140Ce,232Th,238U占87%4A+3型：7Li,11B,19F,23Na,27Al,31P,35Cl,39K,51V,55Mn,59Co,63Cu,75As,107Ag占13%第39頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)元素在地球中的分布4A+2和4A+1型僅占0.n%偶數(shù)規(guī)則被破壞的原因：1.惰性氣體與其它氣體元素之間存在差別2.分異作用=>偶-奇元素豐度的反常地殼-地幔分異=>12Mg,24Cr的虧損核-幔分異=>34Se,52Te第40頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)元素在地球中的分布4.元素克拉克值的地球化學(xué)意義(1)元素的地球化學(xué)行為與克拉克值的關(guān)系克拉克值高=>獨(dú)立礦物(K,Na)克拉克值低=>類質(zhì)同象(Rb,Cs)第41頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三元素的克拉克值與可形成礦物種數(shù)的關(guān)系第42頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)元素在地球中的分布(2)作為元素集中分散的標(biāo)尺濃度克拉克值的概念濃度克拉克值=觀測(cè)值/克拉克值第43頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)元素在地球中的分布(3)判斷元素在地殼中富集成礦的能力濃集系數(shù)：礦石邊界品位/克拉克值一些元素的濃集系數(shù)值第44頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)元素在地球中的分布濃集系數(shù)低的較容易富集成礦Si,Al,Fe分別僅需富集1.5，3，6倍即可達(dá)到工業(yè)品位（礦主要形成于前寒武紀(jì)）。Cu,Zn,Ag分別需富集50，600，2000倍c才可達(dá)到工業(yè)品位（礦主要形成于古生代以后）。第45頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)元素在地球中的分布5.元素在主要類型巖石中的分配(1)主要類型巖漿巖中元素的豐度特征超基性巖富集的元素：Mg,Cr,Ni,Co,Fe,Ru,Rh,Pd,Os,Ir,Pt,Au基性巖富集的元素：Ca,Al,V,Ti,Mn,Cu,Sc,P,Zn,Mo,Ag中性巖富集的元素：Sr,Zr,Nb,Ga,Na第46頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)元素在地球中的分布酸性巖富集的元素：Li,Be,B,F,Si,K,Rb,Y,Sn,Cs,Ba,Hf,Ta,W,Tl,Pb,Th,U變化不大的元素：Ge,Sb,As一般規(guī)律：同族上部在偏基性巖中含量高，下部酸性巖中含量高。解釋：原子和離子電價(jià)和半徑第47頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)元素在地球中的分布(2)主要類型沉積巖中的規(guī)律砂巖中富集的元素：Si,Zr碳酸巖中富集的元素：Mg,Ca,Sr,Mn頁巖中富集的元素：Al及大多數(shù)微量元素，如V,Ni,Co,Cu,Ag,Au,Mo,U,Cd,As,Sb第48頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)元素在地球中的分布(3)元素在巖石各礦物中的分配載體礦物和富集礦物的概念載體礦物：在巖石中某元素主要賦存的礦物富集礦物：某元素的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于巖石平均含量的礦物第49頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三Pb、Zn在花崗巖各礦物中的分配第50頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三三、地幔的化學(xué)組成第51頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三地殼與地?；瘜W(xué)三、地?；瘜W(xué)(一)地幔巖模型1.橄欖巖地幔模型第52頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三三份橄欖巖、一份玄武巖第53頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三地?；瘜W(xué)2.榴輝巖-橄欖巖互層地幔巖模型第54頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三第55頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三地?；瘜W(xué)(二)地幔低速層（軟流圈）1.低速層的性質(zhì)和特點(diǎn)低的地震波速高的電導(dǎo)率高的熱流值低速層越淺，熱流越大第56頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三第57頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三第58頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三高導(dǎo)層深度與熱流值的關(guān)系第59頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三地?；瘜W(xué)2.地幔低速層的成因部分熔融第60頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三第61頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三地?；瘜W(xué)(三)地幔的化學(xué)成分1.地幔成分的研究方法(1)主要元素確定的地球物理方法地球的地震波速測(cè)量高溫高壓下礦物地震波速和密度的測(cè)量第62頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三第63頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三第64頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三(2)原始地幔成分的確定基本假定a.金屬相與硅酸鹽相的分離發(fā)生在行星初期b.揮發(fā)性元素的虧損發(fā)生在地球增生以前c.親石元素全部進(jìn)入地幔，因此親石元素之間無分異第65頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三地?；瘜W(xué)幾種不同的估算方法原始未虧損樣品法(Jagoutz,1979)：用親石元素(Al,Ca,Nd同位素等)之間的比值與CI球粒隕石一致的樣品，與地殼平均成分混合計(jì)算。第66頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三地?；瘜W(xué)地幔模型法（Anderson,1983）：以下巖石和宇宙化學(xué)限制條件計(jì)算得到各類巖石的份額和原始地幔的成分超鎂鐵質(zhì)巖（32.6%）平均地殼巖石（0.56%，現(xiàn)代地殼為0.6%）洋中脊玄武巖（6.7%,與40億年消減洋殼相當(dāng)）金伯利巖（0.11%）斜方輝石巖（59.8%）第67頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三地?；瘜W(xué)質(zhì)量平衡法（Taylor，1985）C地球=XC地幔+（1-X）C地核地核/地幔=31：69（由地球物理方法獲得）親石微量元素是球粒隕石的1.5倍第68頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三地?；瘜W(xué)3.地幔不均一性的研究方法（1）研究意義a.大地構(gòu)造分區(qū)b.地殼不均一性的原因c.礦產(chǎn)分布d.構(gòu)造環(huán)境第69頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三地?；瘜W(xué)(2)樣品地幔橄欖巖類巖石玄武巖類巖石（分布量）第70頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三地?；瘜W(xué)用玄武巖中微量元素或同位素示蹤地幔成分的原理a.元素比值原理b.干擾因素的處理第71頁，共87頁，2023年，2月20日，星期三第72頁，共87頁