地球化学化学元素丰度与分布

2.1元素丰度的概念和表示方法2.1.1丰度和丰度体系因此，元素丰度就是化学元素在一定自然体中的相对平均含量。如元素的地壳丰度，元素的地球丰度，元素的太阳系丰度等。如果这个自然体占据一个较小的空间位置时，习惯上称为元素的平均含量。如玄武岩中元素的平均含量，某矿区中元素的平均含量等。1.一种化学元素在某个自然体中的重量占这个自然体总重量的相对份额（如百分数），称为该元素在自然体中的丰度。火山角砾岩2.地球化学的体系：泛指一定范围内或同类的事物按照一定的秩序和内部联系组合而成的整体，体系可大可小。目前已建立的元素丰度体系（1）克拉克值：是地壳中元素的重量百分数的丰度单位。（2）区域克拉克值：是指地壳不同构造单元中元素的丰度值。如克拉通地壳元素丰度值。3.与丰度相关的名词（3）丰度系数：是指某一自然体的元素丰度与另一个可作为背景的自然体的元素丰度的比值。例：以地球丰度为背境，则地壳中该元素的丰度系数定义为：K=地壳丰度/地球丰度当K＞1时，称为富集，当K＜1时，称为亏损。MORB-normalizedSpiderDiagramsFigure2.Winter(2001)AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology.PrenticeHall.DatafromSunandMcDonough(1989).4.研究元素和同位素丰度与分布的意义•研究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？地壳与地幔中的主要元素有什么不一样？生命体是怎么产生和演化的？这些研究都离不开地球化学体系中元素丰度分布特征和规律。•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，了解元素动态情况，从而建立起元素集中、分散、迁移活动等一些地球化学概念。从某种意义上来说，也就是在探索和了解丰度这一课题的过程中，逐渐建立起近代地球化学。2.1.2丰度表示法重量百分数（wt％）用于常量元素克/吨（g/t）或ppm用于微量元素毫克/吨（mg/t）或ppb常用于超微量元素微克/吨（μg/t）或ppt1、重量丰度：以重量单位表示的元素丰度。(partspermillion，10-6）；(partsperbillion，10-9）；(partspertrillion，10-12）；PPm:PPb：PPt：2、原子丰度，以原子百分数（原子％）表示的某元素在全部元素的原子总数中的分数。3、相对丰度，常以原子数/106硅原子为单位。常用于宇宙元素丰度，所以又称为宇宙丰度单位。2.2太阳系的化学组成2006年8月24日，在布拉格召开的国际天文学联合会上，天文学家投票“驱逐”了冥王星。（1）行星：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星定义：围绕太阳运转，自身引力足以克服其刚体力而使天体呈圆球状，并且能够清除其轨道附近其他物体的天体。1.太阳系天体分为三类：（2）矮行星：冥王星，齐娜星、谷神星定义：与行星同样具有足够的质量，呈圆球状，但不能清除其轨道附近其他物体的天体。（3）太阳系小天体定义：围绕太阳运转但不符合行星和矮行星条件的物体。①对太阳及其它星体辐射的光谱进行定性、定量测定。但这些资料有两个局限性：一是有些元素产生的波长小于2900Å，这部分谱线在通过地球化学大气圈时被吸收而观察不到；二是这些光谱产生于表面，它只能说明表面成分，如太阳光谱是太阳气产生的，只能说明太阳气的组成。2.确定太阳系元素组成的途径太阳光谱光谱分析:由名为麦克梅斯.皮尔斯(McMath-Pierce)的太阳塔所产生的光谱图。光谱图中的暗线，是因为太阳表面和上方的气体对来自太阳内部的阳光选择性吸收的结果。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，我们可以定出太阳表面的气体组成。例如，氦就是在1,870年首先在太阳光谱中发现的新元素，后来才在地球找到它的踪迹。宇航员月球车火星车②直接测定地球岩石、月球岩石和各类陨石；上个世纪七十年代美国“阿波罗”飞船登月，采集了月岩、月壤样品，1997年美国“探路者”号，2004年美国的“勇敢者”“机遇”号火星探测器测定了火星岩石的成分。③利用宇宙飞行器对临近地球的星体进行观察和测定；④分析测定气体星云、星际间物质和宇宙线的组成金星对于太阳系元素丰度的估算，各类学者选取太阳系的物体是不同的。有的主要是根据太阳和其它行星光谱资料及陨石物质测定；有的根据CI型球粒陨石。再加上估算方法不同，得出的结果也不尽相同。序号元素推荐值相对误差(±1sigma)序号元素推荐值相对误差(±1sigma)1H2.79E+10-47Ag0.4862.9%2He2.72E+09-48Cd1.616.5%3Li57.19.2%49In0.1846.4%4Be0.739.5%50Sn3.829.4%5B21.210.0%51Sb0.30918.0%6C1.01E+07-52Te4.8110.0%7N3.13E+06-53I0.921.0%下表列出了GERM（1998，）的太阳系元素丰度（单位：原子数/106Si原子）（GERM：）。首先这是一种估计值，是反映目前人类对太阳系的认识水平，这个估计值不可能是完全正确的，随着人们对太阳系以至于宇宙体系的探索的不断深入，这个估计值会不断的修正；数据虽然还是很粗略的，但从总的方面来看，它反映了元素在太阳系分布的总体规律。对于这样的数据我们应给与一个正确的评价：3.太阳系的形成及元素的起源1）太阳系物质的同源性•地球、月球、陨石的135Ba/136Ba只在0.01%范围内变化。2）太阳星云的凝聚过程及物质分异•太阳星云自转加速=星云盘+原太阳=温度增高引起星云盘内的物质分馏。•元素的化学分馏=随温度降低的凝聚=凝聚物聚集为尘层、粒子团、星子、行星3）行星形成方式•不均一的吸积说首先吸积金属铁，然后吸积硅酸盐。•均一的吸积说吸积过程的物质成分是均匀的，核、幔在后来的演化过程中形成。A.大爆炸宇宙的核合成过程（H、He和少量Li、Be、B）大爆炸诞生时只存在高密度的基本粒子（质子，中子，电子等）和反粒子（反质子，反中子，反电子等），当温度降到1012K时,发生氢核聚变反应：•1H+1H=2D++++0.422MeV•2D+1H=3He++5.493MeV•3He+3He=4He+21H+12.859MeV4）元素起源（假说）B.随后发生氦核聚变反应：当恒星内部的氢全部转变为氦以后，氢核聚变停止。此时恒星内部收缩，温度升高到100×106K，氦核聚变开始。•4He+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ａ粒子之间存在正的静电斥力，因此通过氦核聚合方式产生的新原子核的质量是有限的。研究表明，以这种方式形成的最重的原子核为56Ni，并经进一步衰变而成稳定的56Fe。这正好解释了宇宙中铁元素含量异常高的原因。C.中子俘获过程（铁以后的元素）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。a.慢中子俘获（s过程）：一个原子的两次中子俘获之间有足够时间让生成核发生衰变（衰变），可合成元素至A=209。b.快中子俘获（r过程）：两次俘获时间很短（衰变较少），可合成A=209以后的元素。质子数Z中子数N34333231302928747677As7576Ge707172737475Ga69707172Zn64656667686970Cu6364656670Ni6263646533343536373839404142红巨星中由慢中子捕获反应合成核素示意图（据柴之芳，1998）。蓝色部分为稳定同位素，其余为放射性同位素4.太阳系元素丰度规律把太阳系元素丰度的数值取对数lgC作纵坐标，原子序数Z作横坐标。①H和He是丰度最高的两种元素，其原子数几乎占太阳中全部原子数目的98％②原子序数较低的范围内（Z45），元素丰度随原子序数增大呈指数递减，而（Z＞45）各元素丰度值很相近。③质量数为4的倍数的核素或同位素具有较高丰度。④原子序数为偶数的元素其丰度大大高于相邻原子序数为奇数的元素。⑤Li、Be和B具有很低的丰度，属于强亏损的元素，而O和Fe呈现明显的峰，它们是过剩元素。通过对上述规律的分析，人们认识到在元素丰度与原子结构及元素形成的整个过程有着一定的关系。①与元素的原子结构有关具有最稳定原子核的元素一般分布最广。②与元素形成的整个过程有关在太阳系中Li、Be和B等元素丰度偏低的原因可能是恒星热核反应过程中被消耗掉了。太阳的质量占太阳系总质量的99．865％，是太阳系所有行星质量总和的745倍。2.2.1.太阳的化学成分2.2.2陨石的类型和化学组成陨石是从星际空间降落到地球表面上来的行星物体的碎片。陨石是空间化学研究的重要对象，具有重要的研究意义：①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；②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可作为某些元素和同位素的标准样品（稀土元素，铅、硫同位素）。图玄武岩微量元素球粒陨石标准化值（据SunandMcDonough,1989）1.陨石的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，陨石有140种矿物，39种地球未发现。按成份分为三类：1）石陨石（aerolite）：主要由硅酸盐矿物组成。根据是否含有球粒硅酸盐结构，分为球粒陨石和无球粒陨石。2）铁陨石（siderite）：主要由金属Ni,Fe（90%）和少量其他元素组成（Co,S,P,Cu,Cr,C等）。3）石-铁陨石（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1976年3月8日下午，中国吉林市北郊降落了一次世界上罕见的陨石雨：陨落的巨石穿透冻土层，砸出一个深6.5米、直径2米多的坑。这块陨石重1770千克，是至今世界上最大的石陨石，连同收集到的其它陨石，总重量达2吨以上。2006年01月25日我国第22次南极科考陨石“大丰收”纳米比亚的Hoba铁陨石（重60吨）在南极发现的火星陨石（ALH84001）美国科学家1996年报道在这块火星陨石中发现了火星生命的迹象。2.陨石的平均化学成分2.陨石的平均化学成分要计算陨石的平均化学成分必须要解决两个问题：①首先要了解各种陨石的平均化学成分；②其次要统计各类陨石的比例。（V.M.Goldschmidt采用硅酸盐：镍-铁：陨硫铁=10：2：1）其平均成分计算结果如下：元素OFeSiMgSNiAl%32.3028.8016.3012.302.121.571.38CaNaCrMnKTiCoP1.330.600.340.210.150.130.120.11陨石的平决化学成分计算结果如下（V.M.Goldschmidt采用硅酸盐﹕镍-铁﹕陨硫铁=10﹕2﹕1）：要计算陨石的平均化学成分必须要解决两个问题：首先要了解各种陨石的平均化学成分；其次要统计各类陨石的比例。各学者采用的方法不一致。球粒陨石是星云直接凝聚或星云凝聚物重熔的产物，代表地幔和原始未分异地球的状态和化学成分。碳质球粒陨石典型特征：含有碳的有机化合物分子，并且陨石主要由含水硅酸盐组成。3.球粒陨石：图3CI型碳质球粒陨石元素丰度与太阳元素丰度对比(据涂光炽，1998)碳质球粒陨石对探讨生命起源的研究和探讨太阳系元素丰度等各个方面具有特殊的意义。由于CI型碳质球粒陨石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