地化 第一章_自然体系中元素丰度(1)

第一章太阳系和地球的元素丰度内容提要基本概念元素在太阳系中的分布规律地球的结构和化学成分(大陆)地壳元素丰度地幔元素丰度地球元素丰度地核元素丰度具体区域元素丰度的研究2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。类地行星：包括水星、金星、地球和火星，主要由岩石组成；巨行星：木星、土星，主体由气体组成远日行星：天王星、海王星，主体由冰态物质组成。小行星和陨石带：位于火星与木星之间(最大者谷神星Ceres，直径~950km，占小行星带总质量约1/3)，直径大于1m者约1011个。§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。也称为自然体系。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）元素的起源2）元素的质量3）原子核的结构、性质4）地球演化过程中的热核反应(放射性衰变)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在地壳形成后，随着后期地质事件的叠加，元素在地壳的各个不同部位和各种地质体中的平均含量。这是不同的物理化学条件下元素在地壳各部分发生迁移、调整的结果。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）的相对平均含量称之为丰度。丰度-平均含量（空间尺度）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。105.绝对含量和相对含量绝对含量单位相对含量单位T吨％百分之×10-2kg千克‰千分之×10-3g克mg毫克μg微克ppm,μg/g,g/T百万分之million×10-6ng纳克ppb,ng/kg十亿分之billion×10-9pg皮克ppt,pg/g万亿分之trillion×10-12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。表示方法：g/t(克/吨)、μg/g、ppm1g/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)13？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1.9831033g，约为地球的33万倍，占整个太阳系总质量的99.8%。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元素在太阳系中的丰度可理解为元素在太阳系中的分布。以此为基础，通过对比太阳系中各组成星体中元素的分配特征，可对包括地球在内的各星体的形成进行研究。目前对太阳系化学组成进行研究的主要途径有：太阳光谱测量、陨石研究、宇航样品和星体观察等。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。McMath-Pierce太阳望远镜也称太阳塔18太阳塔太阳光谱光谱仪192.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)地球与太阳系物质具有共同起源的重要证据陨石的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？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和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24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”：25球粒陨石：是最丰富的一类陨石（91.5%），特点是内部含有大量毫米到亚毫米大小的硅酸盐球体，主要由基质、球粒、金属和一些特殊矿物集合体组成。球粒陨石是太阳系内最原始的物质，是从原始太阳星云中直接凝聚出来的产物，它们的平均化学成分代表了太阳系的化学组分。26碳质球粒陨石在所有的球粒陨石中，碳质球粒陨石化学组成最为原始，甚至含有挥发份组成。碳质球粒陨石的突出特征是含有碳的有机化合分子、且矿物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作估算太阳系中非挥发性元素丰度的主要依据,用作地球化学和天体化学研究中最常用的元素含量标准化的组成。27Allendecarbonaceouschondrite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碳质球粒陨石的研究意义探讨太阳系元素丰度探讨太阳系早期的形成演化历史探讨生命物质起源陨石的主要矿物组成：FeNi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。这说明这些陨石形成于缺水、缺氧的特殊物理化学环境。陨石的平均化学成分要计算陨石的平均化学成分必须解决两个问题：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。Goldschmidt(1937)采用硅酸盐：镍-铁：陨硫铁=10:2:1比例，获得以下陨石平均化学成分：元素OFeSiMgSNiAl%32.328.816.312.32.121.571.38CaNaCrMnKTiCoP1.330.60.340.210.150.130.120.1132基本认识由表可以看出，元素O、Fe、Si、Mg、S、Ni、Al、Ca是陨石的主要化学组成。根据对世界各地不同类型陨石的研究，获得以下基本认识：①陨石来自某种曾经分异成一个富金属核和一个硅酸盐包裹层的行星体，这种天体的破裂导致了各类陨石的形成；②石陨石与地球上的基性、超基性火山岩矿物组成和化学成分相似，铁陨石与地核的化学成分相似。陨石的母体在组成上、结构上与地球极为相似；③各种陨石分别形成于不同的行星母体；④陨石的年龄与地球的年龄相近(利用铅-铅同位素等时线获得的陨石年龄为45.5±0.7亿年）；⑤陨石等地外物体撞击地球，将突然改变地表的生态环境、诱发大量的生物灭绝，构成了地球演化史中频繁而影响深远的突变事件，因此对探讨生态环境变化、古生物演化和地层划分均具有重要意义。333.宇航事业1950年代以来，人类相继发射了人造地球卫星和各种地球探测器，对地球高层大气的成分进行了测定。另外，还对水星、金星、火星、木星、土星及其卫星大气层的结构和成分进行了探测。1969年阿波罗-11登月，采集月球样品380Kg(尼克松1972年访华送给毛泽东1克作为礼物，其中0.5克欧阳自远用于研究，另外0.5克封存)，使得人们对月球的化学成分、内部结构、演化历史增添了许多新的知识。宇航员月球车火星车北京天文馆镇馆之宝嫦娥工程嫦娥一号嫦娥一号嫦娥一号月球车嫦娥一号全月面钛、铁元素分布图(据“中国探月”网站)Ti元素Fe元素嫦娥一号月球的物质成分、分布规律和演化特征是月球探测的一个最主要、最基本的任务，化学元素和矿物的含量与分布特征是月球地质演化研究的基本素材。同地球科学一样，月球科学最基本的任务就是认识月球的形成和演化，而要了解月球的演化历史，首先需要知道的就是月球的化学组成和物质状态，通过研究化学元素的含量和分布特征来反演月球的演化过程，分析、研究月球的整体化学成分与化学演化历史，进而为研究地月体系的起源方式与化学演化过程等提供最直接和最有效的科学依据。摘自“中国探月”网站对月球元素和物质类型的整体性探测是我国嫦娥一期工程四大科学目标之一。为实现这一目标，“嫦娥一号”卫星将携带三种科学仪器：干涉成像光谱仪、伽玛射线谱仪和X射线谱仪，对月球进行为期一年的物质成分的科学探测，其中伽马射线谱仪和X射线谱仪主要用来探测月表物质的元素含量，而干涉成像光谱仪则主要用来探测矿物的含量。404.根据星体的密度和行星表面天文观察资料间接推断化学成分测量星体的密度，而密度与物质成分相关。例如：地球的平均密度为5.52,铁镍相占31.5%其它研究方法：1.遥感和取样分析测定气体星云和星际间物质；2.分析研究宇宙射线。二、元素在太阳系或宇宙中的丰度规律恒星核合成理论认为，包括太阳系在内的各星系，其组成体中的恒星和行星具有共同的元素起源。因此，太阳系中的太阳、行星和周围的星体具有共同的初始化学组成。由于太阳系已经历了45.6亿年的演化，需要寻找能够代表太阳系初始组成的样品。由于碳质球粒陨石与太阳光谱中绝大多数元素的比例相同，因此将碳质球粒陨石作为经历最低程度分异作用、并可在实验室内直接进行高精度元素含量测量的初始样