宇宙行星的化學演化-地球化學課件

北京大學地球與空間科學學院地球化學研究所《地球化學》授課老師：李秋根E-mail:qgli@PhoneMP)Room:新地學樓3508第三章宇宙地球化學（Cosmochemistry）太陽系：

太陽和以太陽為中心、受其引力支配而環(huán)繞它運動的天體構(gòu)成的系統(tǒng)；具體而言，太陽系包括恒星太陽、八大行星（水、金、地球、火；木、土、海王和天王）及其衛(wèi)星（月球）、矮行星（冥王星、古神星、鬩神星、鳥神星、巖神星）、小行星、彗星和星際塵埃等天體按一定的軌道繞太陽公轉(zhuǎn)構(gòu)成了太陽系。第三章宇宙地球化學（Cosmochemistry）太陽系：

本章內(nèi)容一、元素的起源二、元素的豐度特征三、太陽星云的化學演化四、行星的化學演化五、彗星的化學演化六、隕石化學第三章宇宙地球化學（Cosmochemistry）三、太陽星云的化學演化1.太陽星云的凝聚過程及物質(zhì)分異

（1）從原始星云中誕生的恒星首先進入主星序階段；對角線上，幾百萬年或幾百億年，其核心氫燃燒成氦；（2）紅巨星或紅超巨星階段：當氫燃燒殆盡，氦燃燒形成碳和氧；（3）水平支階段：氦聚變結(jié)束，發(fā)生更強烈的碳、硅聚變反應(yīng)；Si（4）之后，恒星或者經(jīng)過“行星狀”星云區(qū)成為白矮星和黑矮星走向死亡；或變成超新星（Supernovae）爆發(fā)，恒星物質(zhì)被拋入宇宙成為星云，重新演化。三、太陽星云的化學演化1.太陽星云的凝聚過程及物質(zhì)分異

（1）在太陽形成過程中，附近若干次超新星爆發(fā)拋出大量物質(zhì)，形成氣態(tài)（分子）前太陽星云（Nebula），其中一顆超新星地沖擊波可能在分子云中造成了超密度區(qū)域；星云是由氣體和塵埃物質(zhì)組成的巨大云霧狀天體：主要成分是氫，其次是氦（98%）；含有一定比例的金屬元素和非金屬元素（2%）。太陽星云三、太陽星云的化學演化1.太陽星云的凝聚過程及物質(zhì)分異

（2）溫度降低：星云物質(zhì)凝聚收縮，凝聚的星云繞中軸自轉(zhuǎn)加速，形成星云盤；

中心部分增厚、質(zhì)量較大，并且中心越來越比周邊環(huán)繞的盤熱，形成一個熱致密的恒星：原太陽；中央星云在引力作用下，收縮、凝聚、演化成太陽。三、太陽星云的化學演化1.太陽星云的凝聚過程及物質(zhì)分異

星云中誕生的恒星首先進入主星序階段；氫燃燒成氦；太陽至今仍是一顆主序星。三、太陽星云的化學演化1.太陽星云的凝聚過程及物質(zhì)分異

（3）因收縮，引力勢能釋放，溫度增高，引起星云盤內(nèi)的物質(zhì)分餾；由于受太陽光、太陽風和熱輻射的驅(qū)動，使元素的豐度沿經(jīng)向呈規(guī)律變化。ShakuraandSunyaev，1973三、太陽星云的化學演化1.太陽星云的凝聚過程及物質(zhì)分異

（4）星云盤溫度降低，引起星云盤內(nèi)的元素凝聚成礦物。三、太陽星云的化學演化1.太陽星云的凝聚過程及物質(zhì)分異

（4）星云盤溫度降低，引起星云盤內(nèi)的元素凝聚成礦物，中央星云外的大量小塊星云相互碰撞，聚集為塵層、粒子團、小星子。三、太陽星云的化學演化1.太陽星云的凝聚過程及物質(zhì)分異

（5）小星子相互碰撞和吸引，形成行星胎和太陽系各行星。

內(nèi)太陽系過于溫暖，易揮發(fā)的分子難于聚集，由高熔點的物質(zhì)形成；

高熔點物質(zhì)在宇宙中很稀少，<1%；

類地行星不會長得太大。

巨行星：冰凍線以外，使易揮發(fā)的冰壯化合物保持固態(tài)（火星和木星間）。三、太陽星云的化學演化1.太陽星云的凝聚過程及物質(zhì)分異

（6）年輕的太陽誕生后，燃燒氫產(chǎn)生能量，向太陽系連續(xù)地以極高地速度（200～800km／s）和不穩(wěn)定地強度，釋放等離子氣體流（質(zhì)子、電子等），即太陽風（solarwind），將原行星盤中地星際物質(zhì)吹入星際空間，從而結(jié)束行星地成長。三、太陽星云的化學演化1.太陽星云的凝聚過程及物質(zhì)分異

三、太陽星云的化學演化1.太陽星云的凝聚過程及物質(zhì)分異

三、太陽星云的化學演化2.太陽系的物質(zhì)來源

（1）太陽系物質(zhì)的同源性A.恒星元素的合成和恒星演化歷史的復雜性;B.不同恒星區(qū)域內(nèi)的物質(zhì)組成存在差異.三、太陽星云的化學演化2.太陽系的物質(zhì)來源

（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。135Ba：r過程為主形成；136Ba：s過程。三、太陽星云的化學演化2.太陽系的物質(zhì)來源

（1）太陽系外物質(zhì)的污染A.16O過剩：

（

12C+4He=>16O）三、太陽星云的化學演化2.太陽系的物質(zhì)來源

（1）太陽系外物質(zhì)的污染B.

26Al,107Pd,129I過剩（短壽命放射性）26Al,半衰期16百萬年；107Pd,83；129I，7.3C.

隕石中26Mg/24Mg異常高（26Al=>26Mg++）污染量<1/105三、太陽星云的化學演化3.太陽星云的凝聚模型

1.均一的太陽星云凝聚模型Cameron(1963)先均一，后分異2.非均一的太陽星云凝聚模型成分不均一，冷凝聚形成太陽系各天體。證據(jù)：原始同位素異常理論有待證明完善4.元素的宇宙化學分類分類依據(jù)：揮發(fā)性（涉及元素的起源、天體物質(zhì)的凝聚和溫度）三、太陽星云的化學演化4.元素的宇宙化學分類分類依據(jù)：揮發(fā)性（涉及元素的起源、天體物質(zhì)的凝聚和溫度）（1）最初，從太陽系成分中凝集的相為Ca、鋁的氧化物和硅酸鹽，同時獲取REE、Zr／Hf、Sc等；親石（2）相似溫度下，W、Os、Re、Ir、Pt等形成多組份合金；親鐵（3）鐵鎳合金（親鐵）和鎂硅酸巖（親石）：SiO2氣體的作用；（4）揮發(fā)性元素：S－FeS；其他為固溶體于金屬、硫化物及硅酸鹽中；（5）高揮發(fā)性元素：未完全凝集；凝集溫度低于水星。（Anderson,2007:

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Earth）三、太陽星云的化學演化4.元素的宇宙化學分類（1）揮發(fā)性元素：A.最易揮發(fā)親氣元素：H、C、N、F、Cl、Br、I、S、SeB.揮發(fā)性親石元素：Li(?)、Na、K、Rb、CsC.揮發(fā)性親硫元素：Zn、Cd、Hg、Tl、Pb、As、Sb、Bi、Te、Ga、Ge、Sn、In三、太陽星云的化學演化4.元素的宇宙化學分類（2）非揮發(fā)性元素A.

親石元素：Be、B、Mg、Al、Si、P、Ca、Sc、Ti、Sr、Y、Zr、Nb、Ba、TR、Hf、Ta、Th、UB.

親鐵元素：Fe、Co、Ni、Cu、Ag、Au、Mo、Sn(?)、W、Ru(?)、Rh、Pd、Re、Os(?)、Ir、Pt三、太陽星云的化學演化4.元素的宇宙化學分類三、太陽星云的化學演化4.元素的宇宙化學分類（Anderson,2007:

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Earth）三、太陽星云的化學演化4.元素的宇宙化學分類三、太陽星云的化學演化1.行星的起源及形成方式（1）行星形成過程：四、行星地球化學1.行星的起源及形成方式（1）行星形成過程：四、行星地球化學1.行星的起源及形成方式（1）行星形成過程：四、行星地球化學一種行星吸積模式類M星子:類似鐵隕石的星子類E星子:類似頑火輝石的星子類AE星子:類似頑火輝石無球粒隕石的星子類CR星子:類似CR碳質(zhì)球粒隕石的星子類CI:類似CI碳質(zhì)球粒隕石的星子1.行星的起源及形成方式（1）行星形成過程：四、行星地球化學碰撞吸積的證據(jù)：（1）隕石中礦物的波狀消光，隕石中礦物的破裂及沖擊頁理。（2）水星、火星、月球表面的隕石坑。（3）行星自轉(zhuǎn)軸與公轉(zhuǎn)軸存在交角，如地球，23o27’；天王星，97o55’；金星，177o(見表)1.行星的起源及形成方式（1）行星形成過程：四、行星地球化學1.行星的起源及形成方式（2）行星形成方式：四、行星地球化學（1）不均一的吸積說首先吸積金屬鐵，然后吸積硅酸鹽。（2）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。2.行星大氣成分（1）行星大氣成分確定方法：四、行星地球化學紫外、紅外波譜分析:紫外：H、He、O、C、Ne、Ar等原子和CO等分子；紅外：水蒸氣和CO2；B.偏光性大氣圈中的云霧顆粒的形狀、大小和折射率，大氣組成；C.質(zhì)譜分析2.行星大氣成分（1）行星大氣成分特征：四、行星地球化學2.行星大氣成分（1）行星大氣成分特征：四、行星地球化學行星大氣成分（v%）2.行星大氣成分（3）行星大氣成分起源：四、行星地球化學A.行星大氣的保存及影響因素物體或粒子的逃逸速度：Vp=(2gR)1/2(式中g(shù)：重力加速度，R:行星半徑）大氣粒子的平均速度：Vo=(2kT/m)1/2

(式中k:玻爾茲曼常數(shù)，1.36×10-23/oC；T:K;m:粒子的質(zhì)量（原子質(zhì)量單位）。2.行星大氣成分（3）行星大氣成分起源：四、行星地球化學A.行星大氣的保存及影響因素2.行星大氣成分（3）行星大氣成分起源：四、行星地球化學B.行星大氣的來源2.行星大氣成分（3）行星大氣成分起源：四、行星地球化學B.行星大氣的來源類地行星：次生大氣（溫度較高）類木行星：俘獲原始星云氣體（溫度較低和質(zhì)量較大）依據(jù)：a.NeArKrXe(不參與化學反應(yīng))豐度特征b.木土星富H,He的原因：質(zhì)量，溫度。3.行星的化學成分特征（1）行星的化學成分特征：四、行星地球化學隨與太陽距離增加（Morgan,1980）1.Fe,Co,Ni,Cr等行星核的元素減少。2.REE,Ti,V,Th,U,Zr,Hf,Nb,Ta,W,Mo,Re,Pt增多（相對于核）。3.形成殼-幔的元素Si,Mg,Al,Ca增多。4.親銅和堿金屬元素Cu、Zn、Pb、Tl、Bi、Ga、Ge、Se、Te、As、Sb、In、Cd、Ag在1.5AU范圍內(nèi)有增多趨勢，后減少。5.氧有向外增多趨勢，鐵的價態(tài)變化有Feo=>Fe2+=>Fe3+3.行星的化學成分特征（1）行星的化學成分特征：四、行星地球化學金屬核與行星半徑比值3.行星的化學成分特征（1）行星的化學成分特征：四、行星地球化學類地行星核的比例4.行星演化的能量與熱歷史四、行星地球化學決定于行星質(zhì)量與化學組成意義：決定其是否是活的行星

行星相對半徑大小月球水星火星金星地球0.2740.380.530.9581四、行星地球化學4.行星演化的能量與熱歷史四、行星地球化學4.行星演化的能量與熱歷史四、行星地球化學4.行星演化的能量與熱歷史太陽系早期存在的各種短壽期放射性核素以及初始豐度

太陽系早期存在的各種短壽期放射性核素以及初始豐度宇宙化學五、隕石化學（一）隕石研究的意義世界共收集2700多次，南極收集15000余塊(日1969)1.確定太陽系的物質(zhì)組成資料2.探索生命起源3.研究行星物質(zhì)組成和形成演化4.防止自然災害宇宙化學（二）隕石的分類1.石隕石（硅酸鹽，少量鐵鎳和隕硫鐵）（1）球粒隕石（5個化學群）TFe/SiO20.770.770.550.400.77Feo/TFe0.800.630.330.08-EHLLLC頑火輝石古銅輝石紫蘇輝石橄欖輝石碳質(zhì)

其中:CI以Ivuna隕石命名;CM:Mighei;CO:Ornans;CV:Vigarano

其它新群有:R:Rumuruti;K:Kakangari;CR:Renazzo;CK:Karoonda

EL:低鐵;EH:高鐵宇宙化學(2)無球粒隕石a.貧鈣，（5%=<CaO=<30%）主要礦物為：頑火輝石，紫蘇輝石，橄欖石等。b.富鈣（含單斜輝石或斜長石）宇宙化學2.石-鐵隕石（硅酸鹽相/Fe-Ni金屬相=80-50%）（1）橄欖-隕鐵（2）中隕鐵（3）其它（古英鐵鎳隕石，古銅橄欖隕石）宇宙化學3.鐵隕石（主要Fe-Ni金屬及少量鐵，硫磷的化合物,按Ni含量劃分）(1)方隕鐵組（Ni=4-6%）(2)八面體式隕鐵組（Ni~6-14%）(3)鎳鐵隕石組（Ni>12-14%）宇宙化學4.鐵隕石和石鐵隕石中的微量元素隕硫鐵富Co,Cu,Zn,As,Se,Te,Hg,Ti,Pb,Bi金屬相富Os,Ir,Pt,Ru,Rh,Pd,Au,W,Mo,Re宇宙化學（三）隕石的成因1.球粒隕石的成因（1）碳質(zhì)球粒隕石（含揮發(fā)組分）星云凝聚：平衡凝聚的熔體（無引力）依據(jù)：除H,He外，成分與太陽一致（圖）宇宙化學（2）普通球粒隕石成因：（1）太陽強輻射使宇宙塵埃重熔凝聚（2）隕石、塵埃之間沖擊加熱熔融特征：失去揮發(fā)性元素宇宙化學2.無球粒隕石和鐵隕石的成因經(jīng)歷過較大星體環(huán)境和發(fā)生過熔融分異作用宇宙化學3.隕石的母體及源區(qū)(1)火星與木星之間的小行星帶數(shù)量達5021個>100km,200個；>10km,2000個谷神星（1025km）、智神星（583km）宇宙化學(2)小行星的類型：C型：類似碳質(zhì)球粒隕石；S型：硅酸鹽；M型：金屬鐵為主；E型：頑火輝石為主；O型：普通球粒隕石為主；軌道上的分布：S型較C型更靠近太陽宇宙化學（四）隕石的化學成分1碳質(zhì)球粒隕石除H,He外，與太陽成分一致宇宙化學2.石隕石(1)頑火輝石無球粒隕石：OSiMgNaFeCaAlK(2)紫蘇輝石無球粒隕石：OSiMgFeCaAlNaK(3)橄欖石無球粒隕石：OSiMgFeAlCaNaK(4)透輝橄欖無球粒隕石：OSiFeMgAlCaNaK

地球的地幔：OSiMgFeCaAlNaK宇宙化學3.鐵隕石Fe(79-92%),Ni(6-18),Co(0.4-1%),C(0.1-0.2%)P(0.1-0.3%),S(0.7%)表1.2宇宙化學4.隕石中的有機質(zhì)現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)有氨基酸、卟啉、烷烴、芳香烴、嘌呤和嘧啶等60多種有機物。成因：a.火花放電或紫外照射；b.太陽星云凝聚晚期CO,H2在磁鐵礦，含水礦物的催化下合成。宇宙化學(五)地外物體撞擊事件對地球的影響1.撞擊=>構(gòu)造巖漿活動,塵埃=>降溫、生態(tài)變化=>生物滅絕（寒武-奧陶紀，泥盆-石炭紀，二疊-三疊紀，三疊-侏羅紀，白堊-第三紀）、液態(tài)水的保存等.2.元素分布的異常（如Ir,Os,Pt等）、含泥炭地層，沖擊坑及高壓礦物的形成（如斯石英等）。宇宙化學六、彗星化學太陽系內(nèi)有約1012~1014個彗星1.彗星的類型（1）短周期：10~200年，多數(shù)遠日點靠近木星（2）長周期：>200年，遠日點達50000AU宇宙化學2.彗星結(jié)構(gòu)(1)彗核：直徑0.3-4km,一般1-2km,密度：2g/cm3,成分：冰物質(zhì)+土物質(zhì)。(2)慧發(fā)：直徑104-105km，化合物基團（OH2、C2、C3、CH、CN）;原子成分（C、H、O、S、He）；分子成分（HCN、H2O等）；離子成分（CO+、CH+、CO2+

等）。(3)彗尾：長達108km,等