第一章-太阳系和地球系统的元素丰度

第一章太阳系和地球系统的元素丰度一、基本概念—地球化学体系把所研究对象称为一个地球化学体系，每个地球化学体系都有一定的空间，都处于特定的物理化学状态，并且有一定的时间连续性。（P15）—元素的分布分布：指元素在各种宇宙体或地质体中（太阳、行星、陨石、地球、地圈、地壳）整体（母体）的含量—元素的分配分配：则指元素在构成该宇宙体或地质体内各个部分或各区段（子体）中的含量。与分布既有联系又有区别，而且是一个相对的概念。化学元素在地球中的分布，也就是元素在地球（母体）中的各层圈（子体）分配的总和。而元素在构成地壳的各构造层及各类型岩石中的分布，则又是元素在地壳（母体）中各子体中分配。（注意元素分配和分布的区别与联系）元素在地壳中的原始分布受控于：元素的起源元素的质量原子核的结构和性质地球演化过程中的热核反应元素在地壳中各圈层的分配受控于：地质作用中元素的迁移元素的化学反应元素电子壳层结构及其地球化学性质—元素的丰度指化学元素在地球化学系统（太阳、行星、陨石、地球、地圈、地壳）中的平均分布量。自然体系中不同级别、不同规模的宇宙体或地质体中（如太阳系、行星、陨石、地球、地壳、各地圈）元素的平均含量就相应的称为元素的宇宙丰度、地球丰度、地壳丰度，各种岩石的元素丰度等。丰度的表示方法：常量元素常用重量%表示，微量元素常用百万分之一（ppm，10-6）和十亿分之一（ppb，10-9）表示。—元素丰度的研究意义1.丰度是每一个地球化学体系的基本数据。近代地球化学正是在探索和了解丰度这一过程中逐渐形成的。2.一些重要的地球化学基本理论问题都离不开地球化学体系中元素丰度分布特征和规律研究。二、宇宙（太阳系）中元素的组成—现代宇宙成因假说“宇宙大爆炸”假说：1由美国天体物理学家加莫夫最先提出的（Gamow,1952）。该假说认为，大约在150亿年以前，所有的天体物质都集中在一起，密度极大，温度极高，被称为原始火球。这个时期的天空中，没有恒星和星系，只是充满了辐射。后来由于某种未知的原因，原始火球发生了大爆炸，组成火球的物质飞散到四面八方，随着物质的膨胀和冷却，宇宙开始了自身的演化历史。证据：光谱红移现象（EdwinHubble，1929）：远离我们而去的光源发出的光，我们收到时会感到其频率降低，波长变长，并出现光谱线红移即光谱线向长波方向移动的现象。遥远星系的退行速度（V）正比于它的距离（D），写成公式为：V=HD其中速度的单位是km/秒，距离的单位为106光年（1光年=1×1013km），H称为哈勃常数（15km/秒/106光年），整个关系式就是著名的哈勃定律。按照哈勃定律，所有的河外星系（即除银河系而外的其它星系）都在远离我们，而且离我们越远的河外星系，远离得越快微波背景辐射（PengziasandWilson彭齐亚斯和威尔逊,1965）（1978年诺贝尔物理奖）大爆炸理论认为，原始火球在大爆炸后所发出的强烈光辉会随着宇宙的膨胀而日益暗淡下来。这相当于随着宇宙空间的增大，单位体积内所含的光子数会越来越少，即背景辐射的温度会越来越低。—化学元素的起源在大爆炸之初，宇宙中化学元素的种类极为单一：主要由氢原子和少量的氦原子所组成，其它元素都形成在恒星演化的各个阶段。这是因为恒星从元素的核反应中获得辐射能以维持其演化，而元素的核反应类型又取决于恒星的演化程度及其所能提供的反应温度。因此。化学元素的起源假说被称之为“恒星合成元素”假说。“恒星合成元素”假说概括了元素合成过程的3种类型:1.氢核聚变反应:主星序阶段的所有恒星都是通过氢核聚变反应获得能量的，核反应的产物是元素氦。2.氦核聚变反应:当恒星内部的氢全部转变为氦以后，氢核聚变停止。此时恒星内部收2缩，温度升高到100×106K，氦核聚变开始。3.中子捕获反应:中子捕获反应是恒星演化到最晚阶段才开始发生的重要反应，由此产生原子序数大于26（Fe）的重元素。—元素在宇宙中的丰度宇宙学原理表明宇宙是均匀的和各向同性的，宇宙各部分的化学组成是统一的。根据这一原理，人们通常用太阳系平均化学成分来表示宇宙中元素的丰度。太阳系平均化学成分的测定方法：9对太阳及其他星体辐射的光谱进行定性、定量测定；9直接测定地球岩石、月球岩石和各类陨石；9利用宇宙飞行器对临近地球的星体进行观察和测定；9分析测定气体星云、星际物质和宇宙线组成。太阳系由太阳、行星、行星物体（宇宙尘、彗星、小行星）和卫星所组成，其中太阳集中了整个太阳系99.8%的质量。9接近太阳的较小的内行星——水星、金星、地球、火星，也称类地行星9远离太阳的外行星——木星、土星、天王星、海王星，也称类木行星化学元素在太阳系中的分布特点主要表现为：9内行星体积小、密度大，主要元素是Fe,Si,Mg等非挥发性元素；9外行星体积大、密度小，主要是H，He等挥发性元素。宇宙中元素分布的如下特征规律：（P29）（1）宇宙中最丰富的元素为H和He。H/He比值为12.5。（2）原子序数较低（Z50or45？）的轻元素随原子序数增加呈指数递减，而在较重元素范围内（Z50），不仅元素的丰度低，而且丰度值几乎不变，即丰度曲线近乎水平。（3）与He相邻的元素Li、Be和B具有很低的丰度，按较轻元素的丰度水平它们是非常亏损的元素；O和Fe呈明显的峰出现在元素丰度曲线上，说明它们是过剩的元素。（4）原子序数为偶数的元素其丰度值大大高于原子序数为奇数的相邻元素。（奥多-哈根斯法则）（5）Tc和Pm没有稳定性同位素，在宇宙中不存在；原子序数大于83（Bi）的元素也没有稳定同位素，它们都是Th和U的长寿命放射成因同位素。在丰度曲线上这些元素的位置空缺。（6）质量数为4的倍数的核素或同位素具有较高的丰度，如4He、16O、40Ca、56Fe和140Ce等。解释：元素丰度的分布与元素的化学性质无关，而主要受原子核的结构控制。原子核由质子和中子组成，其间既有核力（结合力）又有库仑斥力，当中子数和质子数比例适当时，核较稳定，而具有稳定核结构的元素一般分布较广。原子序数低的轻核容易达到质子和中子数的平衡，例如16O、24Mg、28Si、40Ca的原子核中具有中子/质子=1，核最稳定，因此这些元素具有较大的宇宙丰度。随着原子序数的增加，核内中子数的增加速度往往大于质子数，原子核趋于不稳定，故而元素和同位素的丰度降低（解释课本第1条，本提纲第2条）。偶数元素的原子核内，核子倾向成对，根据量子力学计算，此时原子核能降低，核稳定性增大，因而这种元素在自然界中的分布较广。3此外元素的恒星合成过程也决定了元素的丰度大小。例如Li、Be、B作为氢燃烧的一部分而转换成He，造成了宇宙中这部分元素的亏损。又如O和Fe的丰度异常地高是因为这两种元素是氦燃烧的稳定产物。三、月球的元素组成月壤中3He的平均含量为3×10－9～4×10－9，资源总量可达100～500万t，是目前已知地球上3He资源量（10～20t）的10～50万倍。建设一个50MW的D－3He核聚变发电站，每年约消耗3He50kg，以1992年全球用电量计算，如果全部使用D－3He发电，则需约100t3He原料，也就是说，月壤中的3He储量可供地球发电1～5万a（欧阳自远等，2003）。勿庸置疑，开发月壤中丰富的3He对人类未来能源的可持续利用具有重要意义。—月球的主要岩石类型A.与地球上大洋型拉斑玄武岩相近的月海玄武岩；但与地球上的拉斑玄武岩不同的是，月岩的拉斑玄武岩中富含TiO2和FeO，它主要分布在月球表面相对低洼的广阔的“月海”地区B.是富含放射性元素及难熔微量元素的非月海玄武岩。它是一种富斜长石的玄武岩，内中斜长石的含量较月海玄武岩为高，但铁镁矿物和不透明矿物的含量则比月海玄武岩为低。（其中有一种特殊的岩石类型，由于它含有较高的钾（K）、稀土元素（REE）及磷酸盐（P），故命名为克里普岩（KREEP）。克里普岩的化学成分本质上是玄武岩，但U、Th、Rb、Sr、Ba及稀土的含量比月海玄武岩高。非月海玄武岩一般认为是由富斜长石的岩石部分熔融而产生的。）4C.是富铝的高地斜长岩，其中含有70%的斜长辉长岩，它是组成月球台地或高地的岩石，也是月球上保存下来最老的台地单元。富铝的斜长岩现认为是岩浆分离作用的产物。其化学特征最显著的是Al2O3含量较高（19.1~36.49%）而TiO2和FeO均较低。月岩的化学成分，参看书P24表1.6—月球和地球若干特征对比（了解）A.现今月球表面的特征似乎可以比拟作地球发展的早期阶段，因此，月球的研究资料成为了解地球早期（距今31~46亿年）阶段演化特征的一个重要方面。B.鉴于目前地球上所发现的最古老的岩石同位素年龄（37~37.5亿年）和月岩的最老的同位素年龄（A-14的样品为39.5亿年是最老的，A-11及A-16的样品为中等年龄34~37亿年）很为接近，同时，月球演化在距今31亿年以来几乎处于“停滞”状态，如果把月球原始结晶岩石看作地壳早期形成的岩石的话，这就说明今天地球上存在的花岗岩质的大陆型地壳、水圈和大气圈等，是在地球后来的演化和发展过程中产生的。C.从月球表面采回的月岩标本无论在地球化学特征（岩石的化学成分和矿物成分、同位素测定）上，或者是地球物理性质（密度、弹性波传播速度）方面，大体和地球上大洋型玄武岩地壳，或者是地壳的硅镁层相似，反映了月壳和大洋型地壳相似。月球表面缺失象地球表面广泛分布的大陆型花岗岩地壳（硅铝层）D.月球和地球由同样的化学元素组成，地球中的全部化学元素在月岩和月壤中都有发现，但二者的比例不同。地球与月球化学组成上的差异，无疑是在后期的化学分馏和热变质阶段产生的。E.在月球和地球早期，强烈的火山活动都比较普遍。月球高地的形成，广泛分布的月海玄武岩和地球早期产生的中、基性喷出岩后经变质形成的全球广泛分布的绿岩系，是地球可以与月球演化进行对比的显著特征之一。F.月岩及月壤内缺乏水，并几乎没有三价铁的存在，证实了月球表面没有水圈和大气圈，月表接近于真空状态。因此，月球不会象地球上那样，有分布广泛的生命活动（生物圈）的存在。由于缺乏流水、氧化、生物等作用，月球表面自然地也缺失了这些外营力引起的地质作用和产物。月岩是基本上保持了原状而变化不大的“原始岩石”。G.由于月岩没有明显的磁场，月球可能没有金属月核。但月球内部具有类似于地球的壳层构造。地球物质的熔融、分异远比月球要充分得多。月球火成岩的熔融温度因缺水而比地球上的火成岩要高得多，地球内部没有月球内部那样坚固。月球强的还原条件是月球上熔体结晶作用过程的特征。地球物质的核转变能较月球大得多，因而地球的构造-岩浆活动比月球规模大，延续时间也较长。H.月表所具有的不同于地球的特殊物理—化学环境，使试图通过对月球物质的研究而在月球上找寻矿床的可能性显得很小。地球的极其复杂的内、外营力地质作用，是其形成丰富矿产资源的优越条件。这是二者明显不同之处。四、陨石的化学成分及其分类陨石(Meteorite)：是从星际空间降落到地球表面上来的太阳系碎片，主要来源于位于火星和木星之间的小行星带。—陨石的研究意义（重点）陨石的化学成分是估计太阳系元素丰度以及地球整体和地球内部化学组成最有价值的依据：（1）陨石是认识宇宙天体、行星的成分、性质及其演化的最易获取、数量最大的地外物质；5（2）陨石是认识地球的组成、内部构造和起源的主要资料来源。（3）陨石中的60多种有机化合物是非生物合成的“前生物物质”，对探索生命前期的化学演化开拓了新的途径；（4）陨石可作为某些元素和同位素的标准样品。—陨石的类型（重点）（1）铁陨石主要由金属镍-铁（占98%）和少量的其它矿物组成。（2）石陨石主要由硅酸盐矿物所组成。这类陨石又可分为两个亚类，即决定于它们是否含有细小而大致等粒的球状硅酸盐结构而进一步分之为：①球粒陨石；陨石球粒是由橄榄石或辉石所组成的小球体，有时也有玻璃。②无球粒陨石。这类陨石大多数是石质陨石，很少量而特殊的是碳质陨石。（3）铁石陨石由数量大体相等的镍-铁和硅酸盐矿物组成，是上述两类陨石之间的过渡类型。—陨石的平均化学成分1.陨石中分布最广的化学元素是