地球化學(xué)-化學(xué)元素豐度與分布.ppt

1、2.1 元素豐度的概念和表示方法 2.2 太陽(yáng)系的化學(xué)組成 2.3 地球的化學(xué)組成 2.4 地殼的化學(xué)組成 2.5 水-巖化學(xué)作用,第2章 化學(xué)元素的豐度與分布,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(yáng)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(chēng)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(chēng)為該元素在自然體中的豐度。,火山角礫巖,2. 地球化學(xué)的體系：泛

2、指一定范圍內(nèi)或同類(lèi)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。,目前已建立的元素豐度體系,（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,（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)K1時(shí)，稱(chēng)為富集，當(dāng)K1時(shí)，稱(chēng)為虧損。,MORB-normalized Spider Diagrams,Figure2. Winter (2001) An Intro

3、duction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall. Data from Sun and McDonough (1989).,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(wèn)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(kāi)地球化學(xué)體系中元素豐度分布特征和規(guī)律。,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(lái)進(jìn)行比較，通過(guò)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

4、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(lái)說(shuō)，也就是在探索和了解豐度這一課題的過(guò)程中，逐漸建立起近代地球化學(xué)。,2.1.2 豐度表示法,1、重量豐度：以重量單位表示的元素豐度。,(parts per million，10-6）； (parts per billion，10-9）； (parts per trillion，10-12）；,PPm: PPb： PPt：,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(chēng)為宇宙豐度單位。,2.2 太陽(yáng)系的化學(xué)組成,2006年8月24

5、日，在布拉格召開(kāi)的國(guó)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。,（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(yáng)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(yáng)系天體分為三類(lèi)：,（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(yáng)系小天體 定義：圍繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)但不符合行星和矮行星條件的物體。,對(duì)太陽(yáng)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(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

6、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)光譜是太陽(yáng)氣產(chǎn)生的，只能說(shuō)明太陽(yáng)氣的組成。,2. 確定太陽(yáng)系元素組成的途徑,太陽(yáng)光譜,光譜分析:,由名為麥克梅斯.皮爾斯(McMath-Pierce)的太陽(yáng)塔所產(chǎn)生的光譜圖。光譜圖中的暗線，是因?yàn)樘?yáng)表面和上方的氣體對(duì)來(lái)自太陽(yáng)內(nèi)部的陽(yáng)光選擇性吸收的結(jié)果。因?yàn)椴煌N類(lèi)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(yáng)表面的氣體組成。 例如，氦就是在1,870年首先在太陽(yáng)光譜中發(fā)現(xiàn)的新元素，后來(lái)才在地球找到它的蹤跡。,直接測(cè)定地球巖石、月球巖石和各類(lèi)隕石； 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，199

7、7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。,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； 分析測(cè)定氣體星云、星際間物質(zhì)和宇宙線的組成,金星,對(duì)于太陽(yáng)系元素豐度的估算，各類(lèi)學(xué)者選取太陽(yáng)系的物體是不同的。有的主要是根據(jù)太陽(yáng)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。,下表列出了GERM（1998，）的太陽(yáng)系元素豐度（單位：原子數(shù)/106Si原子）（ GERM：/GERM/index.html）。,首先這是一種估計(jì)值，是反映目前人類(lèi)對(duì)太陽(yáng)系的認(rèn)識(shí)水平，這個(gè)估計(jì)

8、值不可能是完全正確的，隨著人們對(duì)太陽(yáng)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(lái)看，它反映了元素在太陽(yáng)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)：,3. 太陽(yáng)系的形成及元素的起源,1）太陽(yáng)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(yáng)星云的凝聚過(guò)程及物質(zhì)分異 太陽(yáng)星云自轉(zhuǎn)加速= 星云盤(pán)+原太陽(yáng)=溫度增高引起星云盤(pán)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,3）行星形成方式 不均一的吸積說(shuō) 首先吸積金屬鐵，然后吸積硅酸鹽。 均一的吸積說(shuō) 吸

9、積過(guò)程的物質(zhì)成分是均勻的，核、幔在后來(lái)的演化過(guò)程中形成。,A. 大爆炸宇宙的核合成過(guò)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+ + + 0.422MeV 2D + 1H = 3He + + 5.493MeV 3He + 3He = 4He + 21H + 12.859MeV,4）元素起源（假說(shuō)）,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100106K，氦核聚變開(kāi)始。 4He +

10、 4He = 8Be 8Be + 4He = 12C + 12C+ 4He = 16O 16O+ 4He = 20Ne,20Ne + 4He = 24Mg 24Mg + 4He = 28Si 28Si + 4He = 32S (36Ar, 40Ca等),由于在原子核和粒子之間存在正的靜電斥力，因此通過(guò)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。,C.中子俘獲過(guò)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(kāi)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

11、。 a.慢中子俘獲（s 過(guò)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(guò)程）：兩次俘獲時(shí)間很短（ 衰變較少），可合成A=209以后的元素。,質(zhì)子數(shù)Z,中子數(shù)N,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,4. 太陽(yáng)系元素豐度規(guī)律,把太陽(yáng)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)。, H和He是豐度最高的兩種元素，其原子數(shù)幾乎占太陽(yáng)中全部原子數(shù)目的98 原子序數(shù)較低的范圍內(nèi)（Z45），元素豐度隨原子序數(shù)增大呈指數(shù)遞減，而（Z45）各元素豐度值很相近。,

12、 質(zhì)量數(shù)為4的倍數(shù)的核素或同位素具有較高豐度。 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。 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(guò)剩元素。,通過(guò)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(guò)程有著一定的關(guān)系。 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。 與元素形成的整個(gè)過(guò)程有關(guān) 在太陽(yáng)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(guò)程中被消耗掉了。,太陽(yáng)的質(zhì)量占太陽(yáng)系總質(zhì)量的99865，是太陽(yáng)系所有行星質(zhì)量總和的745倍。,2.2.1. 太陽(yáng)的化學(xué)成分,2.2.2 隕石的類(lèi)型和化學(xué)組成,隕

13、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： 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)； 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；, 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； 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）。,圖 玄武巖微量元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化值（據(jù)Sun and McDonough, 1989）,1. 隕石的類(lèi)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

14、類(lèi)：,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(wú)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FeNi和硅酸鹽礦物組成，是上述兩類(lèi)隕石的過(guò)渡類(lèi)型。,鐵隕石,石隕石,1976年3月8日下午，中國(guó)吉林市北郊降落了一次世界上罕見(jiàn)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。,2006

15、年01月25日我國(guó)第22次南極科考隕石“大豐收”,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(guó)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。,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=1021）：,要計(jì)算隕石的平均化學(xué)成分必須要解決兩個(gè)問(wèn)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(lèi)隕石的比例。各學(xué)者采用的方法不一致。,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

16、含水硅酸鹽組成。,3. 球粒隕石：,圖3 CI型碳質(zhì)球粒隕石元素豐度與太陽(yáng)元素豐度對(duì)比(據(jù)涂光熾，1998),碳質(zhì)球粒隕石對(duì)探討生命起源的研究和探討太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)系中非揮發(fā)性元素的豐度。,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(guò)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

17、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。,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（510）。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(chēng)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。球粒隕石由于含有少量金屬，其比重也較重。,2.2.3 月球化學(xué),1.概況,1）月巖有3種類(lèi)型： 月海玄武巖、高地斜長(zhǎng)巖、高地玄武巖 2）月球的主要化學(xué)成分： O，Si，F(xiàn)e，Ca，Mg， Al，Ti 3）無(wú)水、少揮發(fā)分 4）月巖年齡：4631 億年活動(dòng),2.月巖的化學(xué)組成,阿波羅16號(hào)從月球上取回的斜長(zhǎng)巖標(biāo)本,斜長(zhǎng)巖是一種基性深成巖，90%以上的成分是斜長(zhǎng)石，此外尚有一些成分為角閃石、輝a石和黑云母組成。 斜長(zhǎng)巖為灰色，粗粒狀結(jié)構(gòu)，有閃光變