地球化學(xué)化學(xué)元素豐度與分布

地球化學(xué)化學(xué)元素豐度與分布第一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日2.1元素豐度的概念和表示方法2.1.1豐度和豐度體系

因此，元素豐度就是化學(xué)元素在一定自然體中的相對(duì)平均含量。如元素的地殼豐度，元素的地球豐度，元素的太陽系豐度等。如果這個(gè)自然體占據(jù)一個(gè)較小的空間位置時(shí)，習(xí)慣上稱為元素的平均含量。如玄武巖中元素的平均含量，某礦區(qū)中元素的平均含量等。1.一種化學(xué)元素在某個(gè)自然體中的重量占這個(gè)自然體總重量的相對(duì)份額（如百分?jǐn)?shù)），稱為該元素在自然體中的豐度。第二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日

火山角礫巖2.地球化學(xué)的體系：泛指一定范圍內(nèi)或同類的事物按照一定的秩序和內(nèi)部聯(lián)系組合而成的整體，體系可大可小。第三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日目前已建立的元素豐度體系第四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日（1）克拉克值：是地殼中元素的重量百分?jǐn)?shù)的豐度單位。（2）區(qū)域克拉克值：是指地殼不同構(gòu)造單元中元素的豐度值。如克拉通地殼元素豐度值。3.與豐度相關(guān)的名詞

第五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日（3）豐度系數(shù)：是指某一自然體的元素豐度與另一個(gè)可作為背景的自然體的元素豐度的比值。例：以地球豐度為背境，則地殼中該元素的豐度系數(shù)定義為：K=地殼豐度/地球豐度當(dāng)K＞1時(shí)，稱為富集，當(dāng)K＜1時(shí)，稱為虧損。第六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日MORB-normalizedSpiderDiagramsFigure2.Winter(2001)AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology.PrenticeHall.DatafromSunandMcDonough(1989).

第七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日4.研究元素和同位素豐度與分布的意義研究元素豐度是研究地球化學(xué)基礎(chǔ)理論問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？地殼與地幔中的主要元素有什么不一樣？生命體是怎么產(chǎn)生和演化的？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。第八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日元素豐度是每一個(gè)地球化學(xué)體系的基本數(shù)據(jù)

可在同一或不同體系中用元素的含量值來進(jìn)行比較，通過縱向（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。從某種意義上來說，也就是在探索和了解豐度這一課題的過程中，逐漸建立起近代地球化學(xué)。第九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日2.1.2豐度表示法重量百分?jǐn)?shù)（wt％）用于常量元素克/噸（g/t）或ppm用于微量元素毫克/噸（mg/t）或ppb常用于超微量元素微克/噸（μg/t）或ppt1、重量豐度：以重量單位表示的元素豐度。(partspermillion，10-6）；(partsperbillion，10-9）；(partspertrillion，10-12）；PPm:PPb：PPt：第十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日2、原子豐度，以原子百分?jǐn)?shù)（原子％）表示的某元素在全部元素的原子總數(shù)中的分?jǐn)?shù)。3、相對(duì)豐度，常以原子數(shù)/106硅原子為單位。常用于宇宙元素豐度，所以又稱為宇宙豐度單位。

第十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日2.2太陽系的化學(xué)組成第十二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日2006年8月24日，在布拉格召開的國際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)上，天文學(xué)家投票“驅(qū)逐”了冥王星。第十三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日（1）行星：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星定義：圍繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)，自身引力足以克服其剛體力而使天體呈圓球狀，并且能夠清除其軌道附近其他物體的天體。1.太陽系天體分為三類：第十四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日（2）矮行星：冥王星，齊娜星、谷神星定義：與行星同樣具有足夠的質(zhì)量，呈圓球狀，但不能清除其軌道附近其他物體的天體。（3）太陽系小天體定義：圍繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)但不符合行星和矮行星條件的物體。第十五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日第十六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日①對(duì)太陽及其它星體輻射的光譜進(jìn)行定性、定量測(cè)定。但這些資料有兩個(gè)局限性：一是有些元素產(chǎn)生的波長小于2900?，這部分譜線在通過地球化學(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，它只能說明表面成分，如太陽光譜是太陽氣產(chǎn)生的，只能說明太陽氣的組成。2.確定太陽系元素組成的途徑第十七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日太陽光譜光譜分析:由名為麥克梅斯.皮爾斯

(McMath-Pierce)的太陽塔所產(chǎn)生的光譜圖。光譜圖中的暗線，是因?yàn)樘柋砻婧蜕戏降臍怏w對(duì)來自太陽內(nèi)部的陽光選擇性吸收的結(jié)果。因?yàn)椴煌N類的氣體會(huì)吸收不同顏色的光，所以從這些吸收暗線，我們可以定出太陽表面的氣體組成。例如，氦就是在1,870年首先在太陽光譜中發(fā)現(xiàn)的新元素，后來才在地球找到它的蹤跡。

第十八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日宇航員月球車火星車②直接測(cè)定地球巖石、月球巖石和各類隕石；上個(gè)世紀(jì)七十年代美國“阿波羅”飛船登月，采集了月巖、月壤樣品，1997年美國“探路者”號(hào)，2004年美國的“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。第十九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日③利用宇宙飛行器對(duì)臨近地球的星體進(jìn)行觀察和測(cè)定；④分析測(cè)定氣體星云、星際間物質(zhì)和宇宙線的組成

金星第二十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日對(duì)于太陽系元素豐度的估算，各類學(xué)者選取太陽系的物體是不同的。有的主要是根據(jù)太陽和其它行星光譜資料及隕石物質(zhì)測(cè)定；有的根據(jù)CI型球粒隕石。再加上估算方法不同，得出的結(jié)果也不盡相同。

第二十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日序號(hào)元素推薦值相對(duì)誤差(±1sigma)序號(hào)元素推薦值相對(duì)誤差(±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，）的太陽系元素豐度（單位：原子數(shù)/106Si原子）（GERM：/GERM/index.html）。第二十二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日首先這是一種估計(jì)值，是反映目前人類對(duì)太陽系的認(rèn)識(shí)水平，這個(gè)估計(jì)值不可能是完全正確的，隨著人們對(duì)太陽系以至于宇宙體系的探索的不斷深入，這個(gè)估計(jì)值會(huì)不斷的修正；數(shù)據(jù)雖然還是很粗略的，但從總的方面來看，它反映了元素在太陽系分布的總體規(guī)律。

對(duì)于這樣的數(shù)據(jù)我們應(yīng)給與一個(gè)正確的評(píng)價(jià)：第二十三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日3.太陽系的形成及元素的起源第二十四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日1）太陽系物質(zhì)的同源性地球、月球、隕石的135Ba/136Ba只在0.01%范圍內(nèi)變化。2）太陽星云的凝聚過程及物質(zhì)分異太陽星云自轉(zhuǎn)加速=>星云盤+原太陽=>溫度增高引起星云盤內(nèi)的物質(zhì)分餾。元素的化學(xué)分餾=>隨溫度降低的凝聚=>凝聚物聚集為塵層、粒子團(tuán)、星子、行星第二十五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日3）行星形成方式不均一的吸積說首先吸積金屬鐵，然后吸積硅酸鹽。均一的吸積說吸積過程的物質(zhì)成分是均勻的，核、幔在后來的演化過程中形成。第二十六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日

A.大爆炸宇宙的核合成過程（H、He和少量Li、Be、B）大爆炸誕生時(shí)只存在高密度的基本粒子（質(zhì)子，中子，電子等）和反粒子（反質(zhì)子，反中子，反電子等），當(dāng)溫度降到1012K時(shí),發(fā)生氫核聚變反應(yīng)：1H+1H=>2D++++0.422MeV2D+1H=>3He++5.493MeV3He+3He=>4He+21H+12.859MeV4）元素起源（假說）第二十七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日B.隨后發(fā)生氦核聚變反應(yīng)：當(dāng)恒星內(nèi)部的氫全部轉(zhuǎn)變?yōu)楹ひ院?，氫核聚變停止。此時(shí)恒星內(nèi)部收縮，溫度升高到100×106K，氦核聚變開始。4He+4He=>8Be8Be+4He=>12C+12C+4He=>16O16O+4He=>20Ne第二十八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日20Ne

+4He=>24Mg24Mg

+4He=>28Si28Si

+4He=>32S(36Ar,40Ca等)由于在原子核和ａ粒子之間存在正的靜電斥力，因此通過氦核聚合方式產(chǎn)生的新原子核的質(zhì)量是有限的。研究表明，以這種方式形成的最重的原子核為56Ni，并經(jīng)進(jìn)一步衰變而成穩(wěn)定的56Fe。這正好解釋了宇宙中鐵元素含量異常高的原因。第二十九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日C.中子俘獲過程（鐵以后的元素）中子捕獲反應(yīng)是恒星演化到最晚階段才開始發(fā)生的重要反應(yīng)，由此產(chǎn)生原子序數(shù)大于26（Fe）的重元素。a.慢中子俘獲（s過程）：一個(gè)原子的兩次中子俘獲之間有足夠時(shí)間讓生成核發(fā)生衰變（衰變），可合成元素至A=209。b.快中子俘獲（r過程）：兩次俘獲時(shí)間很短（衰變較少），可合成A=209以后的元素。第三十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日質(zhì)子數(shù)Z中子數(shù)N34333231302928747677As7576Ge707172737475Ga69707172Zn64656667686970Cu6364656670Ni6263646533343536373839404142

紅巨星中由慢中子捕獲反應(yīng)合成核素示意圖（據(jù)柴之芳，1998）。藍(lán)色部分為穩(wěn)定同位素，其余為放射性同位素第三十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日4.太陽系元素豐度規(guī)律把太陽系元素豐度的數(shù)值取對(duì)數(shù)lgC作縱坐標(biāo)，原子序數(shù)Z作橫坐標(biāo)。

①H和He是豐度最高的兩種元素，其原子數(shù)幾乎占太陽中全部原子數(shù)目的98％②原子序數(shù)較低的范圍內(nèi)（Z<45），元素豐度隨原子序數(shù)增大呈指數(shù)遞減，而（Z＞45）各元素豐度值很相近。第三十二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日③質(zhì)量數(shù)為4的倍數(shù)的核素或同位素具有較高豐度。④原子序數(shù)為偶數(shù)的元素其豐度大大高于相鄰原子序數(shù)為奇數(shù)的元素。⑤

Li、Be和B具有很低的豐度，屬于強(qiáng)虧損的元素，而O和Fe呈現(xiàn)明顯的峰，它們是過剩元素。第三十三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日通過對(duì)上述規(guī)律的分析，人們認(rèn)識(shí)到在元素豐度與原子結(jié)構(gòu)及元素形成的整個(gè)過程有著一定的關(guān)系。

①與元素的原子結(jié)構(gòu)有關(guān)具有最穩(wěn)定原子核的元素一般分布最廣。②與元素形成的整個(gè)過程有關(guān)在太陽系中Li、Be和B等元素豐度偏低的原因可能是恒星熱核反應(yīng)過程中被消耗掉了。第三十四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日太陽的質(zhì)量占太陽系總質(zhì)量的99．865％，是太陽系所有行星質(zhì)量總和的745倍。2.2.1.太陽的化學(xué)成分第三十五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日2.2.2隕石的類型和化學(xué)組成隕石是從星際空間降落到地球表面上來的行星物體的碎片。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源；第三十六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日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）。第三十七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日?qǐng)D玄武巖微量元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化值（據(jù)SunandMcDonough,1989）第三十八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日1.隕石的類型隕石主要是由鎳-鐵合金、結(jié)晶硅酸鹽或兩者的混合物所組成，隕石有140種礦物，39種地球未發(fā)現(xiàn)。按成份分為三類：第三十九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日

1）石隕石（aerolite）：主要由硅酸鹽礦物組成。根據(jù)是否含有球粒硅酸鹽結(jié)構(gòu)，分為球粒隕石和無球粒隕石。

2）鐵隕石（siderite）：主要由金屬Ni,Fe（>90%）和少量其他元素組成（Co,S,P,Cu,Cr,C等）。3）石-鐵隕石（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渡類型。第四十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日鐵隕石石隕石第四十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日1976年3月8日下午，中國吉林市北郊降落了一次世界上罕見的隕石雨：隕落的巨石穿透凍土層，砸出一個(gè)深6.5米、直徑2米多的坑。這塊隕石重1770千克，是至今世界上最大的石隕石，連同收集到的其它隕石，總重量達(dá)2噸以上。第四十二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日2006年01月25日我國第22次南極科考隕石“大豐收”第四十三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日納米比亞的Hoba鐵隕石（重60噸）在南極發(fā)現(xiàn)的火星隕石（ALH84001）美國科學(xué)家1996年報(bào)道在這塊火星隕石中發(fā)現(xiàn)了火星生命的跡象。第四十四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日2.隕石的平均化學(xué)成分

隕石的平?jīng)Q化學(xué)成分計(jì)算結(jié)果如下（V.M.Goldschmidt

采用硅酸鹽﹕鎳-鐵﹕隕硫鐵=10﹕2﹕1）：要計(jì)算隕石的平均化學(xué)成分必須要解決兩個(gè)問題：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。第四十五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日球粒隕石是星云直接凝聚或星云凝聚物重熔的產(chǎn)物，代表地幔和原始未分異地球的狀態(tài)和化學(xué)成分。碳質(zhì)球粒隕石典型特征：含有碳的有機(jī)化合物分子，并且隕石主要由含水硅酸鹽組成。

3.球粒隕石：第四十六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日?qǐng)D3CI型碳質(zhì)球粒隕石元素豐度與太陽元素

豐度對(duì)比(據(jù)涂光熾，1998)第四十七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日碳質(zhì)球粒隕石對(duì)探討生命起源的研究和探討太陽系元素豐度等各個(gè)方面具有特殊的意義。由于CI型碳質(zhì)球粒隕石的元素豐度幾乎與太陽中觀察到的非揮發(fā)性元素豐度完全一致，碳質(zhì)球粒隕石的化學(xué)成分已被用于估計(jì)太陽系中非揮發(fā)性元素的豐度。第四十八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日4.如何鑒定一塊樣品是否為隕石？1.采集背景2.外表熔殼：隕石在隕落地面以前要穿越稠密的大氣層，隕石在降落過程中與大氣發(fā)生磨擦產(chǎn)生高溫，使其表面發(fā)生熔融而形成一層薄薄的熔殼。因此，新降落的隕石表面都有一層黑色的熔殼，厚度約為1毫米。3．表面氣?。毫硗?，由于隕石與大氣流之間的相互作用，隕石表面還會(huì)留下許多氣印，就象手指按下的手印。第四十九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日4．內(nèi)部金屬：鐵隕石和石鐵隕石內(nèi)部是有金屬鐵組成，這些鐵的鎳含量很高（5－10％）。球粒隕石內(nèi)部也有金屬顆粒，在新鮮斷裂面上能看到細(xì)小的金屬顆粒。5．磁性：正因?yàn)榇蠖鄶?shù)隕石含有鐵，所以95％的隕石都能被磁鐵吸住。6．球粒：大部分石隕石是球粒隕石（占總數(shù)的90％），這些隕石中有大量毫米大小的硅酸鹽球體，稱作球粒。在球粒隕石的新鮮斷裂面上能看到圓形的球粒。7．比重：鐵隕石的比重為8克/cm3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地球上一般巖石的比重。球