搜索
第一章自然体系中化学元素的丰度•这是咱们的地化群，以后有资料了大家多多共享哈•215271861引言地球化学的定义告诉我们，地球化学研究的主要内容是地球及部分天体的化学组成及其化学运动。因此，了解地球和太阳系的化学组成特征是地球化学的基础研究内容。现有的科学技术条件下，我们目前了解最多的是地球和太阳系的化学组成。太阳系具有共同的起源，但组成太阳系的各星体具有不同的演化特征，导致了各星体不同的化学组成。因此，要认识太阳系的起源与演化，有必要了解太阳系各组成星体的现有化学组成。太阳与九大行星的一些重要数据(相对于地球)公转周期质量太阳---332,800水星0.2410.055金星0.6150.815地球1.01火星1.880.107木星11.86317.9土星29.4695.2天王星84.0114.52海王星164.817.06冥王星247.70.0022轨道半长轴00.390.7211.55.29.519.230.139.5§1基本概念地球化学体系分布和丰度分布与分配绝对含量和相对含量元素丰度的研究意义1.地球化学体系按照地球化学的观点，可将研究的对象看作是一个地球化学体系，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（C、T、P等），并且有一定的时间连续。根据研究需要，地球化学体系可大可小，小至某个矿物的包裹体，某个矿物、某件岩石可看作一个地球化学体系，某个地层、岩体、矿床（某个流域、某个城市）也是一个地球化学体系；在更大尺度上，某一个区域、地壳、地球直至太阳系、整个宇宙都可看作为一个地球化学体系。2.元素分布元素分布是指元素在某个宇宙体或地质体(太阳、行星、陨石、地球、地圈、地壳)中的整体(平均)含量。元素在地壳中的原始分布量与下列因素有关：1）2）3）4）元素的起源元素的质量原子核的结构、性质地球演化过程中的热核反应3.元素分配分配是指元素在各宇宙体或地质体内部不同部分或区段中的含量。对元素分配进行观察的参考点来自元素的分布。地壳中元素的分配指的是地壳形成后，随着它的演化、造山运动的更替，元素在地壳的各个不同部位和各种地质体中的平均含量。这是元素在地壳各部分不同的物理化学条件下，不断迁移的表现。元素的分配取决于下列因素：1）地质作用中元素的迁移2）元素的化学反应3）元素电子壳层结构及其地球化学性质分布与分配的关系元素的分布与分配是一个相对的概念，它们之间具有一定的联系。化学元素在地壳中的分布，也就是元素在地球中分配的具体表现，而元素在地壳各类岩石中的分布，则又是元素在地壳中分配的表现。4.元素的丰度通常将化学元素在任何宇宙体或地球化学系统中（如地球、地球各圈层或各个地质体等）的平均含量称之为丰度。元素的分布、分配及元素的丰度均是用来度量元素的含量特征的概念。绝对含量单位相对含量单位T吨％百分之-2×10kg千克‰千分之-3×10g克mg毫克ppm,μg/g,g/T百万分之million-6×10μg微克ppb,μg/kg十亿分之billion-9×10ng纳克ppt,pg/g万亿分之trillion-12×10pg皮克5.绝对含量和相对含量地球化学中对常量元素（majorelemnt或称主量元素）的含量一般用其氧化物的重量百分数（%）表示，而对微量元素(traceelement)通常用百万分之n来表示。MajorElementsMinorElementsTraceElements1wt.%~0.1to1wt.%~1000ppmorless表示方法：g/t(克/吨)、μg/g、ppm1g/t=1μg/g=10-4%=10-6对溶液和气态样品也有相应的含量表达方式(举例)6.元素丰度的研究意义元素丰度是每一个地球化学体系的基本数据。可在同一或不同体系中用元素的含量值来进行比较，通过纵向（时间）、横向（空间）上的比较，了解元素变异动态，从而建立起元素集中、分散、迁移活动等地球化学概念。在某种意义上，正是在探索和了解元素丰度的过程中，近代地球化学才逐渐建立起来。元素丰度是研究地球化学基础理论问题的重要素材之一。宇宙天体是怎样起源的？地球又是如何形成的？地壳中主量元素组成为什么与地幔中的不一样？生命是怎么产生和演化的？这些研究都离不开对地球化学体系中元素丰度分布特征和规律的了解。§2元素在太阳系或宇宙体中的丰度已有的科学证据表明，太阳系物质具有共同的起源，因此可通过对太阳系形成过程的了解来认识地球和其它行星的形成与演化。由于太阳占据了太阳系质量的绝大部分，通过对其化学组成的了解，并结合陨石、月球和其它行星组成的研究成果，可对元素在太阳系中的丰度特征进行确定。太阳是太阳系中的恒星和中心，其质量为1.983×1033g，约为地球的33万倍，占整个太阳系总质量的98.6%。太阳的直径为1,391,000km，体积为地球的130万倍。太阳系与宇宙元素丰度2.1太阳系或天体中元素丰度的研究方法1、太阳和其它星系的辐射谱线研究由于太阳表面温度极高(5700K，太阳核的温度可能高达14×106K)，因此各种元素的原子均处于激发状态，从而不断地辐射出各自的特殊光谱。例如：Pb2170å，Ag3281å，Au2428å(1å=10-10m)太阳光谱的谱线数和它们的波长主要取决于太阳表层中所存在的元素，而这些谱线的亮度取决于以下因素：1）元素的相对丰度；2）温度；3）压力。在温度和压力固定的条件下，元素丰度愈大，则谱线的亮度愈强。TheMcMath-PierceSolarTelescopeonKittPeakwasdedicatedin1962.TheMcMath-Piercesolartelescopeistheworld‘slargestsolartelescope,andtheworld’slargestunobstructed-aperture(可变光圈？)opticaltelescopewithadiameterof1.6meters.Permanentinstrumentsincludeadualgratingspectrograph(双光栅摄谱仪)capableofextendedwavelengthcoverage(0.3-12microns),a1-meterFourierTransformSpectrometer(傅里叶变换光谱仪)forbothsolarandlaboratoryanalysis,andahigh-dispersionstellarspectrometer(恒星光谱仪).McMath-Pierce太阳望远镜也称太阳塔Importantdiscoveriesinclude:detectionofwaterandisotopicheliumontheSun;solaremissionlines(发射谱线)at12microns;firstmeasurementofKilogauss(千高斯)magneticfieldsoutsidesunspotsandtheveryweakintra-networkfields(网络结构磁场);firsthighresolutionimagesat1.6and10microns;detectionofanaturalmaser(微波激射器)intheMartianatmosphere.McMath-Pierce太阳电子望远镜太阳塔太阳光谱光谱仪太阳光谱现在为止，研究者们还是不知道为什么有些颜色的阳光不见了！上图是太阳在可见光波段的光谱，它由阳光通过一部基本原理和三棱镜很相似的仪器后所产生。在这张光谱图里，可以看到七彩的太阳光谱有许多黑色的暗线，而到目前为止，天文学家还是不了解有些暗线是怎么形成的。这幅光谱是由McMath-Pierce太阳塔所产生的，由光谱可以看出外观是黄色的太阳虽然会发出各种颜色的辐射，但是还是以黄-绿光附近的辐射最强。解释：光谱中的暗线，是因为太阳表面和它上方的气体吸收部份来自下方的阳光。因为不同种类的气体会吸收不同颜色的光，所以从这些吸收暗线，可以确定出太阳表面的气体组成。举例来说，氦就是在1870年首先在太阳光谱中发现的新元素，后来才在地球上找到它的踪迹。到目前为止，大部份吸收谱线的来源多已经知道，不过，还是有数条线的出处仍然不明。2.陨石的研究陨石是落到地球上的行星物体的碎块，天文学和化学方面的证据都说明，太阳系和地球具有共同的成因。因此，陨石的化学成分是估计太阳系元素丰度及地球整体和地球内部化学组成最有价值的依据。1965，英国，Barwell陨石直径500km的陨石落入地球(动画效果)陨石的意义陨石是空间化学研究的重要对象，其研究意义为：①②③④它是认识宇宙天体、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；是认识地球的组成、内部构造和起源的主要资料来源；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；可作为某些元素和同位素的标准样品（稀土元素，Pb、Nd、Os、S同位素等）。陨石类型陨石主要是由镍-铁合金、结晶硅酸盐或两者的混合物所组成，按成份组成可分为三类：1）铁陨石（siderite）。主要由金属Ni,Fe（占98%）和少量其他元素组成（Co,S,P,Cu,Cr,C等）。2）石陨石（aerolite）。主要由硅酸盐矿物组成（橄榄石、辉石）。这类陨石按照它们是否含有球粒硅酸盐结构，可进一步分为两类：球粒陨石和无球粒陨石。3）铁石陨石（sidrolite）。由数量上大体相等的Fe－Ni和硅酸盐矿物组成，是上述两类陨石的过渡类型。铁陨石石陨石铁石陨石陨石类型Meteoritescanbebroadlyclassifiedintofourmaincategories:1)Irons2)StonyIrons(pallasites橄榄石铁陨石andmesosiderites中铁陨石)3)Chondrites(stonymeteoriteshavingchondrules)4)Achondrites(stonymeteoriteslackingchondrules)陨石的Pb-Pb等时线，地球的沉积物也落于此线上，指示陨石和地球具有共同的物质起源铁纹石镍纹石更专业的陨石分类，可供大家作为文献阅读时的参考铁石陨石铁陨石球粒陨石无球粒陨石陨石是行星增生过程不同阶段的“化石”：球粒陨石在化学组成上接近于太阳；相对于分异(演化)了的其它陨石，球粒陨石的组成更为“原始(Primitive)”在所有的球陨石中，碳质球陨石化学组成最为原始，甚至含有挥发份组成。钛辉无球粒陨石橄辉无球粒陨石顽火无球粒陨石Planetesimal：小行星体钙长辉长岩多数陨石来自小行星带(asteroid)，但也有相当数量的陨石来自月球或火星。陨石大都是石质的，但也有少部分是碳质。碳质球粒陨石有一个典型的特征：含有碳的有机化合分子并主要由含水硅酸盐组成。它对探讨生命起源的研究和探讨太阳系元素丰度等具有特殊的意义。由于Allende碳质球粒陨石(1969年陨落于墨西哥)的元素丰度几乎与太阳中观察到的非挥发性元素丰度完全一致，碳质球粒陨石的化学成分已被用于估计太阳系中非挥发性元素的丰度。Allende,MexicoCV3碳质球粒陨石Allendecarbonaceouschondrite宁强陨石“1983年6月25日宁强燕子砭降落4块陨石，经国家科研部门确认，属碳质球粒陨石，是迄今为止人类掌握的最古老的太阳系考古样品。”元素含量相对于Si=106标准化，元素含量测量精度为5-10%；由于元素之间含量水平差异过大，作图采用了对数值坐标。太阳大气层与CI球粒陨石元素含量关系图新的数据，并增加了强挥发性元素CⅠ型碳质球粒陨石元素丰度与太阳元素丰度对比(Anders&Grevasee,1989)陨石的主要矿物组成：FeNi合金、橄榄石、辉石等。陨石中共发现140种矿物，其中39种在地球（地壳浅部）上尚未发现，如褐硫钙石CaS，陨硫铁FeS。