地球化學第一章課件

第一章太陽系和地球系統(tǒng)的元素豐度——地球化學1前言1姚明2體檢3從宇宙說起4神奇的光2本章內(nèi)容基本概念元素在太陽系中的分布規(guī)律地球的結(jié)構(gòu)簡介地殼元素的豐度地球其他部分的元素豐度3一、基本概念地球化學體系分布和豐度分布與分配絕對含量和相對含量研究元素豐度的意義4一、基本概念1地球化學體系巖石礦床地球包裹體c（濃度）P（壓強）T（溫度）pHEhTIME（連續(xù)性）區(qū)

域狀態(tài)時間5一、基本概念2豐度關(guān)鍵詞：豐度的表示方法已經(jīng)建立的豐度體系與元素豐度有關(guān)的幾個名詞元素自然體平均含量一種化學元素在某個自然體中的重量占這個自然體的全部化學元素總重量（即自然體的總重量）的相對份額（如百分數(shù)），稱為該元素在自然體中的豐度?；瘜W元素在任何宇宙體或地球化學系統(tǒng)中（如地球、地球各圈層或各個地質(zhì)體等）的平均含量6一、基本概念豐度的表示方法重量豐度W原子豐度相對豐度R（宇宙豐度單位，CAU.）常量元素（wt%）微量元素ppm(g/t,μg/g，10-6)痕量元素ppb(μg/t，ng/g，10-9)（原子%）原子數(shù)/106硅原子7已經(jīng)建立的豐度體系宇宙豐度太陽系豐度類木行星地球類地行星上地幔豐度地殼豐度下地幔豐度地核豐度陸地地殼海洋地殼地盾區(qū)地殼褶皺區(qū)地殼淺洋區(qū)地殼深洋區(qū)地殼上地殼中地殼下地殼8一、基本概念與元素豐度有關(guān)的幾個名詞克拉克值區(qū)域克拉克值濃度系數(shù)濃度克拉克值地殼重量百分數(shù)費爾斯曼地殼以下構(gòu)造單元較小自然體豐度/背景豐度區(qū)域克拉克值/地殼豐度9一、基本概念3分布與豐度4分布與分配分布豐度平均含量分布不均一性豐度分布是整體分配是局部相對性分布是元素在自然體系中整體的含量元素分布是指元素在某個宇宙體或地質(zhì)體（太陽、行星、隕石、地球、地圈、地殼）中的整體（平均）含量。分配是指元素在各宇宙體或地質(zhì)體內(nèi)部不同部分或區(qū)段中的含量。對元素分配進行觀察的參考點來自元素的分布。10一、基本概念絕對含量單位相對含量單位T噸％百分之×10-2kg千克‰千分之×10-3g克

mg毫克ppm、μg/g、g/t百萬分之×10-6μg微克ppb、μg/kg、ng/g十億分之×10-9ng納克ppt、pg/g萬億分之×10-12pg皮克5.絕對含量和相對含量1g/t=1μg/g=10-4%=10-6=1ppm11一、基本概念6研究元素豐度的意義①元素豐度是每一個地球化學體系的基本數(shù)據(jù)。可在同一或不同體系中進行用元素的含量值來進行比較，通過縱向（時間）、橫向（空間）上的比較，了解元素動態(tài)情況，從而建立起元素集中、分散、遷移活動等一些地球化學概念。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。②研究元素豐度是研究地球化學基礎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？這些研究都離不開地球化學體系中元素豐度分布特征和規(guī)律。12二、太陽系中元素的分布規(guī)律獲得太陽豐度資料的主要途徑太陽系元素豐度規(guī)律隕石的化學成分132.1太陽和太陽系99.8%0.2%142.2獲得太陽豐度的主要途徑1.光譜分析:光譜分析儀太陽光譜依據(jù)高溫均勻化豐度與亮度正比大氣不等于整體2900?測不到局限15McMath-Pierce太陽電子望遠鏡光譜儀太陽光譜162.2獲得太陽豐度的主要途徑2.直接分析:隕石、月巖、地球巖石球粒隕石宇航員月球車火星車球粒隕石，主要由硅酸鹽礦物組成，含有細小的圓形球粒。這些球粒是在非平衡條件下，從熱的、低密度和部分電離的氣體中直接凝聚出來的。被認為代表著原始星云中的非揮發(fā)性成分172.2獲得太陽豐度的主要途徑3.利用宇宙飛行器分析測定星云和星際間物質(zhì)及研究宇宙射線。(高強粒子：質(zhì)子和α粒子、較重元素原子核、電子、中微子、高能光子等）4由物質(zhì)的物理性質(zhì)與成分的對應關(guān)系推算（如行星）（表面溫度低，無法測光譜，據(jù)體積、質(zhì)量、密度等對比）5分析測定氣體星云或星際間物質(zhì)(極稀薄氣體、極少量塵埃）18太陽系相對豐度含量絕對值對比192.3太陽系元素豐度規(guī)律1指出含量最高的兩個元素2原子序數(shù)越高含量越？3鋸齒狀說明奇數(shù)還是偶數(shù)元素高4找出規(guī)律5找出異常1H2He26Fe8O9F82Pb90Th92U21Sc61Pm43Tc20212.3太陽系元素豐度規(guī)律1.H和He是豐度最高的兩種元素。占總數(shù)99.86％,重量97%、H/He比值12.5。2.原子序數(shù)較低的范圍內(nèi)，元素豐度隨原子序數(shù)增大呈指數(shù)遞減，而在原子序數(shù)較大的范圍內(nèi)（Z＞50）各元素豐度值很相近。3.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。具有偶數(shù)質(zhì)子數(shù)（A）或偶數(shù)中子數(shù)（N）的核素豐度總是高于具有奇數(shù)A或N的核素。這一規(guī)律稱為奧多-哈根斯法則，亦即奇偶規(guī)律。

22232.3太陽系元素豐度規(guī)律4.Li、Be和B具有很低的豐度，屬于強虧損的元素，而O和Fe呈現(xiàn)明顯的峰，它們是過剩元素。5.Tc和Pm沒有穩(wěn)定性同位素，在宇宙中幾乎不存在；原子序數(shù)大于83（Bi）的元素也沒有穩(wěn)定同位素，他們都是Th和U的長壽命放射成因同位素，在豐度曲線上這些元素的位置空缺。同樣都是化學元素，為什么在宇宙（太陽系）中的含量差距如此懸殊？為什么會出現(xiàn)偶數(shù)規(guī)則？242.4元素起源1.氫燃燒過程（溫度106K或107K）合成氦核（期間也能產(chǎn)生Li、Be、B）2.氦燃燒過程（溫度108K）合成12C、16O、20Ne、24Mg、28Si、32S等元素3.碳和氧的“燃燒過程”（溫度109K）產(chǎn)生中等質(zhì)量元素，結(jié)合α過程合成了大部分中低原子量元素4.硅燃燒過程（統(tǒng)計平衡過程，3.8×109K）形成V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni等元素5.中子俘獲過程（S-過程）合成比鐵重的元素?？熘凶舆^程合成原子量大于209的元素。25每一質(zhì)量數(shù)的豐度值是該質(zhì)量數(shù)的所有核素豐度的總和。對于放射性核素，其豐度數(shù)據(jù)已回推到太陽系形成時的數(shù)值。圖中還標出產(chǎn)生各種元素的可能核過程。圖片來源，涂光熾1984版教材262.5隕石的化學成分定義：落到地球上的行星物體碎塊，即從行星際空間穿越大氣層到達地表的星體（流星體）殘骸稱為隕石.（有一層黑色或深褐色熔殼。主要來自小行星帶：小行星碎塊和崩解的彗星殘核，少量來自其它天體，大小從顯微質(zhì)點到幾十噸,非洲戈巴鐵隕石60t,是最大的鐵隕石,新疆鐵隕石28t,世界第3鐵隕石;吉林石隕石1.77t,是世界最大的石隕石）南極和沙漠是隕石富集區(qū)！在南極已采集15000塊隕石為什么？1965，英國，Barwell隕石272.5.1隕石類型鐵隕石石隕石石鐵隕石主要由金屬Ni,Fe（占90%以上）構(gòu)成主要由硅酸鹽礦物組成（90%以上）。無球粒隕石由數(shù)量上大體相等的Fe－Ni和硅酸鹽礦物組成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。球粒狀硅酸鹽集合體（金屬含量10%）球粒隕石28隕石分類隕石分類非球粒隕石質(zhì)隕石原始無球粒隕石分異的無球粒隕石無球粒隕石石鐵隕石鐵隕石球粒隕石質(zhì)隕石頑輝石球粒隕石普通球粒隕石碳質(zhì)球粒隕石R群K群主要成分：球粒、Fe-Ni金屬、難熔包裹體、基質(zhì)29302.5.1隕石類型注意：球粒隕石和少量無球粒隕石屬原始隕石（微星物質(zhì)碎塊）石-鐵隕石、鐵隕石和多數(shù)無球粒隕石屬于分異型隕石，經(jīng)過了巖漿侵入、噴出，巖漿結(jié)晶分異（具球粒隕石成分的物質(zhì)再熔融和分異）降落的隕石中大部分是球粒隕石（占總數(shù)91.5%），其中普通球粒隕石最多（80%）。無球粒隕石3.3%，鐵隕石4.6%。石鐵隕石1%。312.5.3隕石研究意義隕石是空間化學研究的重點對象，已有幾百年的研究歷史，近幾十年發(fā)展尤為迅速是目前最易獲取和數(shù)量最大的地外物質(zhì)研究太陽系的物質(zhì)組成、起源與演化，對認識太陽系早期演化歷史有重要意義。探索有機質(zhì)和生命起源作為地球成分研究的對比標準(如稀土和微量元素標準化及硫同位素國際標準)，幫助了解地球的成因和組成防治自然災害32美國亞利桑那Barringer(orMeteor)隕石坑，直徑約1.2km由一個直徑約40m的撞擊物撞擊而成。撞擊物殘余稱為CanyonDiablo鐵隕石(國際S同位素標準）332.5.3隕石研究意義碳質(zhì)球粒隕石：一種特殊的球粒隕石，含有碳的有機化合物分子且主要由含水硅酸鹽組成。CI、CM、CO、CV等

CI是最原始的太陽星云凝聚物質(zhì)（無熱變質(zhì)，距太陽遠）CI型碳質(zhì)球粒隕石是太陽系非揮發(fā)性元素豐度的標尺！34CⅠ型碳質(zhì)球粒隕石元素豐度與太陽元素豐度對比(Anders&Grevasee,1989)35362.5.3隕石研究意義CAI：球粒隕石中所含的富Ca、Al包體。形成于太陽系演化歷史的最初始階段，可能保存了一些同位素異常的信息和滅絕核素衰變的子體。O同位素異常26Al——26MgCAI是太陽星云最早期各種熱事件的產(chǎn)物，保存了星云最原始的信息，具有同位素異常和大量滅絕核素子體，是研究早期太陽星云形成和演化的探針。372.6行星和月球的化學成分2.6.1行星的化學成分（1）地球和類地行星Terrestrialplanets（地球、Mercury、Venus、Mars）：量小、密度大、體積小、衛(wèi)星少。物質(zhì)成分以巖石為主，富含Mg、Si、Fe等，親氣元素atmophileelement含量低。（2）巨行星Giants（木星Jupitor和土星Saturn)：體積大、質(zhì)量大、密度小、衛(wèi)星多。主要成分為H和He。（3）遠日行星（天王星Uranus、海王星Neptune、冥王星Pluto）：成分已冰物質(zhì)為主，H大約10%，He、Ne平均為12%。38392.6行星和月球的化學成分2.6.2月球的化學成分月球是硅酸鹽固態(tài)球體，無大氣圈，分異弱.形成于4.5Ga前。表面由高地和月海(洼地）組成。月球高原:一般為斜長巖，橄長巖，蘇長巖或富斜長石輝長巖。主要高地斜長巖、高地玄武巖。富鋁，而Ti、Fe較低.4.1~3.9Ga(部分熔融結(jié)晶分異）。高地玄武巖中有一種特殊的克里普巖(KREEP):富含鉀、REE、Th、U和P的玄武巖.是富揮發(fā)分殘余熔漿（分異巖漿）結(jié)晶產(chǎn)物。月海區(qū):主要是玄武巖或顯微輝長巖，由鈣質(zhì)斜長石、單斜輝石、鈦鐵礦組成,少量橄欖石.3.85~3.15Ga（劇烈的小天體撞擊，泛月海事件）402.6.2月球的化學成分Wt%元素>10O、Si、Fe1.0~1.0Ca、Mg、Al、Ti10-1

~1.0S、Na、K、Cr、Mn10-2

~10-1C、N、P、Cl、Sr、Y、Zr、Ba10-3

~10-2F、Sc、V、Co、Ni、Zn、Nb、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Dy、Er、Yb、Hf10-4~10-3Li、Be、B、Cu、Ba、Rb、Ge、Tb、Ho、Tm、In、Ta與地球和隕石成分對比及意義堿金屬和揮發(fā)性元素（Bi、Hg、Zn、Cd、Tl、Pb、Ge、C和Br）較貧相對富含耐熔元素Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Sc、Zr、Nb、Mo、Y及REE412.6.2月球的化學成分月球的資源：1能源：