宇宙和地球中元素的分布與分配

宇宙和地球中元素的分布與分配第一頁，共一百零七頁，2022年，8月28日第一章宇宙和地球的元素組成第一節(jié)基本概念

第二節(jié)宇宙中元素的組成第三節(jié)月球的元素組成第四節(jié)隕石的化學成分及其分類第五節(jié)地球的元素組成

第二頁，共一百零七頁，2022年，8月28日第一節(jié)基本概念

地球化學體系

元素的分布元素的分配元素的豐度元素豐度的研究意義第三頁，共一百零七頁，2022年，8月28日1.地球化學體系體系和環(huán)境：

在熱力學中，把研究對象稱為體系，而與體系有內在聯(lián)系的周圍部分稱為環(huán)境。體系的性質即狀態(tài)有廣度性質和強度性質之分。前者具有加和性，例如體系的V，n等。后者不具有加和性，例如T，P。在地球化學研究中，把所研究對象稱為一個地球化學體系，每個地球化學體系都有一定的空間，都處于特定的物理化學狀態(tài)，并且有一定的時間連續(xù)。第四頁，共一百零七頁，2022年，8月28日2.分布與分配的概念

分布指元素在各種宇宙體或地質體中（太陽、行星、隕石、地球、地圈、地殼）整體（母體）的含量；而分配則指元素在構成該宇宙體或地質體內各個部分或各區(qū)段（子體）中的含量。二者既有聯(lián)系又有區(qū)別，而且是一個相對的概念?；瘜W元素在地球中的分布，也就是元素在地球（母體）中的各層圈（子體）分配的總和。而元素在構成地殼的各構造層及各類型巖石中的分布，則又是元素在地殼（母體）中各子體中分配。第五頁，共一百零七頁，2022年，8月28日元素在地殼中的原始分布受控于：

元素的起源元素的質量原子核的結構和性質地球演化過程中的熱核反應第六頁，共一百零七頁，2022年，8月28日元素在地殼中各圈層的分配受控于：地質作用中元素的遷移元素的化學反應元素電子殼層結構及其地球化學性質第七頁，共一百零七頁，2022年，8月28日3.豐度的概念

豐度是指化學元素在地球化學系統(tǒng)（太陽、行星、隕石、地球、地圈、地殼）中的平均分布量。自然體系中不同級別、不同規(guī)模的宇宙體或地質體中（如太陽系、行星、隕石、地球、地殼、各地圈）元素的平均含量就相應的稱為元素的宇宙豐度、地球豐度、地殼豐度，各種巖石的元素豐度等。豐度的表示方法：常量元素常用重量%表示，微量元素常用百萬分之一（ppm，10-6）和十億分之一（ppb，10-9）表示。第八頁，共一百零七頁，2022年，8月28日4.豐度的研究意義

豐度是每一個地球化學體系的基本數(shù)據(jù)。近代地球化學正是在探索和了解豐度這一過程中逐漸形成的。一些重要的地球化學基本理論問題都離不開地球化學體系中元素豐度分布特征和規(guī)律研究。第九頁，共一百零七頁，2022年，8月28日宇宙是由數(shù)不清的超星系團和星系團組成的，每個星系團都包含了難以計數(shù)的星系（如銀河系），而1個星系通常擁有成千上萬億顆恒星，銀河系就是由1000多億顆像太陽這樣的恒星組成的。宇宙學原理表明，在宇觀尺度上，三維空間在任何時刻都是均勻各向同性的.第二節(jié)宇宙（太陽系）的化學組成第十頁，共一百零七頁，2022年，8月28日地球的特殊性不僅在于其擁有生命，而且在于其經(jīng)歷了高度的化學分異，形成了清晰的層狀結構。因而，人類可以直接觀察的地球表層（地殼）的物質組成不同于整個地球乃至全部太陽系的化學成分。于是，我們通過分析隕石和月球的樣品，遙測行星和太陽大氣的成分，從中獲得關于太陽系組成的知識。本章首先介紹宇宙的成因和化學元素起源的假說，然后分別討論太陽系、地球、月球和隕石的化學組成問題。

第二節(jié)宇宙（太陽系）的化學組成第十一頁，共一百零七頁，2022年，8月28日第二節(jié)宇宙（太陽系）的化學組成二、化學元素的起源三、元素在宇宙中的豐度一、現(xiàn)代宇宙成因假說第十二頁，共一百零七頁，2022年，8月28日2.1 宇宙的成因一、現(xiàn)代宇宙成因假說宇宙是如何形成和演化的問題一直激勵著科學家甚至哲學家去思考和探索。人們構造了各種各樣的宇宙成因模型試圖對宇宙的結構及其歷史作出描述?！坝钪娲蟊ā奔僬f就是目前最為流行的模型之一。該模型由于得到了許多觀測結果的支持而受到越來越多的科學家承認，并被稱為現(xiàn)代宇宙成因假說。

第十三頁，共一百零七頁，2022年，8月28日2.1宇宙的成因一、現(xiàn)代宇宙成因假說

“宇宙大爆炸”假說是由美國天體物理學家加莫夫最先提出的（Gamow,1952）。該假說認為，大約在150億年以前，所有的天體物質都集中在一起，密度極大，溫度極高，被稱為原始火球。這個時期的天空中，沒有恒星和星系，只是充滿了輻射。后來由于某種未知的原因，原始火球發(fā)生了大爆炸，組成火球的物質飛散到四面八方，隨著物質的膨脹和冷卻，宇宙開始了自身的演化歷史。第十四頁，共一百零七頁，2022年，8月28日第十五頁，共一百零七頁，2022年，8月28日

表1-1宇宙發(fā)展簡史時間（s）溫度（K） 事件10-43 1032 宇宙的開端10-33 1027 產(chǎn)生量子不對稱，物質與反物質不等量10-6 1013 夸克結合成質子和中子等強子102109 輕原子核形成1012約4000K 中性原子形成1016 星系開始形成10172.7K 今天的宇宙背景光子輻射第十六頁，共一百零七頁，2022年，8月28日2.1 宇宙的成因“宇宙大爆炸”假說最直接的證據(jù)來自于對宇宙膨脹假說的證實：

1929年，美國著名天文學家埃德溫·哈勃（EdwinHubble）在威爾遜山天文臺利用當時世界上最大的2.5m反射望遠鏡測量了仙女星座18個星系的運動速度以及這些星系到地球的距離。結果發(fā)現(xiàn)所有這些星系的光譜都有紅移現(xiàn)象，第十七頁，共一百零七頁，2022年，8月28日2.1 宇宙的成因他認識到這些紅移現(xiàn)象可能正是一種多譜勒效應：遠離我們而去的光源發(fā)出的光，我們收到時會感到其頻率降低，波長變長，并出現(xiàn)光譜線紅移即光譜線向長波方向移動的現(xiàn)象。這如同遠離我們而去的列車發(fā)出的汽笛聲，我們聽到時會感到其頻率降低，音調變低的現(xiàn)象一樣。第十八頁，共一百零七頁，2022年，8月28日2.1 宇宙的成因由此，他認為紅移反映了這些星系相對于地球正在退行，與地球的距離正在增加。根據(jù)多譜勒效應可以通過紅移的多少計算這些星系退行的速度：

λ1/λ=1+V/C

其中λ1是物體運動時發(fā)出的光譜波長，λ是物體靜止時發(fā)出的波長，C是光速，V是物體運動的速度。第十九頁，共一百零七頁，2022年，8月28日2.1 宇宙的成因哈勃在獲得各個星系的退行速度及其到地球的距離之后意外地發(fā)現(xiàn)在速度和距離之間存在明顯的線性關系（見圖1-1），即遙遠星系的退行速度（V）正比于它的距離（D），寫成公式為：

V=H

D其中速度的單位是km/秒，距離的單位為106光年（1光年=1×1013km），H稱為哈勃常數(shù)（15km/秒/106光年），整個關系式就是著名的哈勃定律。第二十頁，共一百零七頁，2022年，8月28日2.1 宇宙的成因按照哈勃定律，所有的河外星系（即除銀河系而外的其它星系）都在遠離我們，而且離我們越遠的河外星系，遠離得越快。這和宇宙膨脹模型所描述的結果正好相符。哈勃的發(fā)現(xiàn)使宇宙膨脹假說得到了觀測的支持，為“宇宙大爆炸”假說的提出奠定了堅實的基礎。第二十一頁，共一百零七頁，2022年，8月28日2.1 宇宙的成因“宇宙大爆炸”假說之所以得到科學家的廣泛接受還要歸功于兩位美國科學家彭齊亞斯和威爾遜的杰出工作——他們在1965年發(fā)現(xiàn)了彌漫在全天空的微波背景輻射（PengziasandWilson,1965）。大爆炸理論認為，原始火球在大爆炸后所發(fā)出的強烈光輝會隨著宇宙的膨脹而日益暗淡下來。這相當于隨著宇宙空間的增大，單位體積內所含的光子數(shù)會越來越少，即背景輻射的溫度會越來越低，加莫夫預測至今這一溫度應低到5K了?？墒窃鯓硬拍軝z測到這一背景輻射呢？第二十二頁，共一百零七頁，2022年，8月28日2.1 宇宙的成因1964年，美國貝爾電話實驗室的工程師彭齊亞斯和威爾遜利用一架精密的射電望遠鏡進行對天觀測，結果他們在7.35cm波長上發(fā)現(xiàn)一種具有獨特性質的極強的無線電噪聲。一般情況下，用天線接受到的是來自天線的無線電信號，而不是這種噪聲。當時似乎所有方向都能接受到這種波長為7.35cm的噪聲，相當于溫度為3K物體輻射的射線。這一現(xiàn)象曾使他們百思不得其解。后來在普林斯頓大學迪克（R.H.Dicke）教授的幫助下他們認識到這正是加莫夫所預期的宇宙微波背景輻射溫度，于是他們在1965年正式發(fā)表了這一重要發(fā)現(xiàn)，并因而在1978年兩人共同獲得諾貝爾物理學獎。第二十三頁，共一百零七頁，2022年，8月28日2.2 化學元素的起源二、化學元素的起源三、元素在宇宙中的豐度一、現(xiàn)代宇宙成因假說第二十四頁，共一百零七頁，2022年，8月28日二、化學元素的起源在大爆炸之初，宇宙中化學元素的種類極為單一：主要由氫原子和少量的氦原子所組成，其它元素都形成在恒星演化的各個階段。這是因為恒星從元素的核反應中獲得輻射能以維持其演化，而元素的核反應類型又取決于恒星的演化程度及其所能提供的反應溫度。因此?；瘜W元素的起源假說被稱之為“恒星合成元素”假說。

第二十五頁，共一百零七頁，2022年，8月28日“恒星合成元素”假說概括了元素合成過程的3種類型:1.氫核聚變反應:主星序階段的所有恒星都是通過氫核聚變反應獲得能量的，核反應的產(chǎn)物是元素氦。2.氦核聚變反應:當恒星內部的氫全部轉變?yōu)楹ひ院螅瑲浜司圩兺Ｖ?。此時恒星內部收縮，溫度升高到100×106K，氦核聚變開始。3.中子捕獲反應:中子捕獲反應是恒星演化到最晚階段才開始發(fā)生的重要反應，由此產(chǎn)生原子序數(shù)大于26（Fe）的重元素。第二十六頁，共一百零七頁，2022年，8月28日二、化學元素的起源三、元素在宇宙中的豐度一、現(xiàn)代宇宙成因假說第二十七頁，共一百零七頁，2022年，8月28日三、元素在宇宙中的豐度宇宙中化學元素的組成和豐度是對宇宙成因理論和元素起源假說的檢驗，確定元素在宇宙中的豐度是地球化學和宇宙化學研究的重要任務之一。宇宙學原理表明宇宙是均勻的和各向同性的，宇宙各部分的化學組成是統(tǒng)一的。根據(jù)這一原理，人們通常用太陽系平均化學成分來表示宇宙中元素的豐度。第二十八頁，共一百零七頁，2022年，8月28日確定太陽系元素豐度的途徑是：（1）對太陽及其他星體輻射的光譜進行定性、定量測定；（2）直接測定地球巖石、月球巖石和各類隕石；（3）利用宇宙飛行器對臨近地球的星體進行觀察和測定；（4）分析測定氣體星云、星際物質和宇宙線組成。第二十九頁，共一百零七頁，2022年，8月28日太陽及行星的性質

太陽系由太陽、行星、行星物體（宇宙塵、彗星、小行星）和衛(wèi)星所組成，其中太陽集中了整個太陽系99.8%的質量。Oursolarsystemconsistsofthesun,nineplanets(andtheirmoons),anasteroidbelt,andmanycometsandmeteors.Thesunisthecenterofoursolarsystem;theplanets,over61moons,theasteroids,comets,meteoroidsandotherrocksandgasallorbittheSun.第三十頁，共一百零七頁，2022年，8月28日太陽及行星的性質第三十一頁，共一百零七頁，2022年，8月28日太陽系由太陽、行星、行星物體（宇宙塵、彗星、小行星）和衛(wèi)星所組成，其中太陽集中了整個太陽系99.8%的質量。

*接近太陽的較小的內行星-水星、金星、地球、火星，也稱類地行星；

*遠離太陽的外行星-木星、土星、天王星、海王星和冥王星，也稱類木行星。

第三十二頁，共一百零七頁，2022年，8月28日*

在火星和木星之間存在著數(shù)以兆計的小行星（小行星帶）。它們的大小相差極大。最大的直徑可達數(shù)百公里，最小的僅1m。其數(shù)量在1011個以上。第三十三頁，共一百零七頁，2022年，8月28日

Titius-Boderule(1772):0，3，6，12，24…+4;

10TheTerrestrialPlanetsTheJovianplanetsBodySunMercuryVenusEarthMarsJupiterSaturnUranusNeptunePlutoDistance00.390.7211.525.29.219.230.139.5Density1.415.435.255.523.951.330.691.291.642.03Radius1090.380.9510.53119440.18第三十四頁，共一百零七頁，2022年，8月28日

化學元素在太陽系中的分布特點主要表現(xiàn)為：內行星體積小、密度大，主要元素是Fe,Si,Mg等非揮發(fā)性元素；外行星體積大、密度小，主要是H，He等揮發(fā)性元素。第三十五頁，共一百零七頁，2022年，8月28日三、元素在宇宙中的豐度太陽系平均化學成分或元素宇宙豐度的確定主要依據(jù)兩類數(shù)據(jù)。一是根據(jù)太陽光譜資料確定太陽系中揮發(fā)性元素含量。

目前已知太陽中存在有85種化學元素。由于太陽表面溫度極高，這些元素的原子都處于激發(fā)狀態(tài)，并不斷地輻射出各自的特征光譜。太陽光譜的譜線數(shù)目和波長主要取決于太陽表層中所存在的元素種類，而這些譜線的亮度則主要取決于元素的相對豐度。因此，通過測定太陽光譜中不同波長譜線強度，就可得到太陽表層元素的豐度。氫和氦是太陽大氣中最主要成分，這兩種元素的原子幾乎占了太陽中全部原子數(shù)目的98%。第三十六頁，共一百零七頁，2022年，8月28日三、元素在宇宙中的豐度

二是根據(jù)球粒隕石的化學組成確定太陽系中非揮發(fā)性元素的組成和含量。

球粒隕石主要由硅酸鹽礦物組成，含有細小的圓形球粒，稱作隕石球粒。這些球粒是在非平衡條件下，從熱的、低密度和部分電離的氣體中直接凝聚出來的（Blanderetal.,1969），只有太空才能滿足這樣的條件。因此，球粒隕石可能代表著太陽系中各個行星的原始母質，從而成為探索太陽系中重元素或非揮發(fā)性元素的寶貴樣品。第三十七頁，共一百零七頁，2022年，8月28日三、元素在宇宙中的豐度在獲得上述兩類數(shù)據(jù)以后，通常采用太陽光譜數(shù)據(jù)確定宇宙中H、He和其它揮發(fā)組分的豐度，并根據(jù)球粒隕石的分析結果確定宇宙中其它非揮發(fā)性元素的含量，其中分布廣的非揮發(fā)性元素（例如Si）在兩類數(shù)據(jù)間的部分重疊被用來將兩種來源的資料結合起來。第三十八頁，共一百零七頁，2022年，8月28日三、元素在宇宙中的豐度按照這一模式，1937年戈爾德斯密特編制了第一個適用的元素及同位素在宇宙中的豐度表，以后又不斷有新的宇宙中元素豐度表問世，比較這些元素的宇宙豐度表,可以看出：①雖然不同作者在計算方法和數(shù)據(jù)取舍上有所偏頗，但所得結果卻大同小異。②表中元素豐度值采用的是相對于106個Si原子的各個元素的原子數(shù)，即原子豐度值，選擇Si作為標準是因為該元素分布廣且揮發(fā)性又小，因而穩(wěn)定性好。③宇宙中元素的分布是極不均一的，其含量差別達到10個數(shù)量級以上；然而又是有規(guī)律可循的。第三十九頁，共一百零七頁，2022年，8月28日第四十頁，共一百零七頁，2022年，8月28日三、元素在宇宙中的豐度宇宙中元素分布的如下特征規(guī)律：（1） 宇宙中最豐富的元素為H和He。H/He比值為12.5。（2） 原子序數(shù)較低（Z<50）的輕元素隨原子序數(shù)增加呈指數(shù)遞減，而在較重元素范圍內（Z>50），不僅元素的豐度低，而且豐度值幾乎不變，即豐度曲線近乎水平。（3） 原子序數(shù)為偶數(shù)的元素其豐度值大大高于原子序數(shù)為奇數(shù)的相鄰元素。（奧多-哈根斯法則）第四十一頁，共一百零七頁，2022年，8月28日三、元素在宇宙中的豐度（4） 與He相鄰的元素Li、Be和B具有很低的豐度，按較輕元素的豐度水平它們是非常虧損的元素；O和Fe呈明顯的峰出現(xiàn)在元素豐度曲線上，說明它們是過剩的元素。（5） Tc和Pm沒有穩(wěn)定性同位素，在宇宙中不存在；原子序數(shù)大于83（Bi）的元素也沒有穩(wěn)定同位素，它們都是Th和U的長壽命放射成因同位素。在豐度曲線上這些元素的位置空缺。（6） 質量數(shù)為4的倍數(shù)的核素或同位素具有較高的豐度，如4He、16O、40Ca、56Fe和140Ce等。第四十二頁，共一百零七頁，2022年，8月28日三、元素在宇宙中的豐度通過對這些規(guī)律的分析，人們逐漸認識到宇宙中元素豐度的分布與元素的化學性質無關，而主要受原子核的結構控制。原子核由質子和中子組成，其間既有核力（結合力）又有庫侖斥力，當中子數(shù)和質子數(shù)比例適當時，核較穩(wěn)定，而具有穩(wěn)定核結構的元素一般分布較廣。原子序數(shù)低的輕核容易達到質子和中子數(shù)的平衡，例如16O

、24Mg、28Si、40Ca的原子核中具有中子/質子=1，核最穩(wěn)定，因此這些元素具有較大的宇宙豐度。第四十三頁，共一百零七頁，2022年，8月28日三、元素在宇宙中的豐度隨著原子序數(shù)的增加，核內中子數(shù)的增加速度往往大于質子數(shù)，原子核趨于不穩(wěn)定，故而元素和同位素的豐度降低。偶數(shù)元素的原子核內，核子傾向成對，根據(jù)量子力學計算，此時原子核能降低，核穩(wěn)定性增大，因而這種元素在自然界中的分布較廣。

第四十四頁，共一百零七頁，2022年，8月28日三、元素在宇宙中的豐度此外元素的恒星合成過程也決定了元素的豐度大小。例如Li、Be、B作為氫燃燒的一部分而轉換成He，造成了宇宙中這部分元素的虧損。又如O和Fe的豐度異常地高是因為這兩種元素是氦燃燒的穩(wěn)定產(chǎn)物。

第四十五頁，共一百零七頁，2022年，8月28日一、月球的主要巖石類型二、月球的化學組成三、月球和地球若干特征對比第三節(jié)月球的組成第四十六頁，共一百零七頁，2022年，8月28日過去人們僅能夠從恒星和行星的電磁輻射以及隕石的組成資料來了解地球以外的天體。1969年7月美國“阿波羅”11號載人飛船首次登月成功，開始了人類對地球的衛(wèi)星——月球表面的物質組成和物理性質進行直接研究的時期。從1969年7月到1972年12月，美國共實現(xiàn)了6次人類登月活動，有12名宇航員到達月面考察，考察時間達22個多小時，共帶回月面巖石和月壤樣品470多千克。這項偉大的工程積累了有關月球的許多珍貴資料（中科院貴陽地球化學研究所，1977；Anderson,1973;Cameron,1978;Toksozetal.,1972），對探討太陽系的起源和地球的演化歷史都有重要的參考價值。第三節(jié) 月球的組成第四十七頁，共一百零七頁，2022年，8月28日在經(jīng)歷了十八年的平靜之后，美國1994年成功地發(fā)射了Clementine號月球探測器，并于次年提出了面向21世紀的全新而完整的探月計劃。緊接著俄羅斯、歐洲空間局、日本和印度也制定了各自的月球探測計劃并付諸實施。這一切標志著月球探測的新高潮已經(jīng)開始（歐陽自遠等，2003）。

第三節(jié) 月球的組成第四十八頁，共一百零七頁，2022年，8月28日月壤中3He的平均含量為3×10－9～4×10－9，資源總量可達100～500萬t，是目前已知地球上3He資源量（10～20t）的10～50萬倍。建設一個50MW的D－3He核聚變發(fā)電站，每年約消耗3He50kg，以1992年全球用電量計算，如果全部使用D－3He發(fā)電，則需約100t3He原料，也就是說，月壤中的3He儲量可供地球發(fā)電1～5萬a（歐陽自遠等，2003）。勿庸置疑，開發(fā)月壤中豐富的3He對人類未來能源的可持續(xù)利用具有重要意義。

第三節(jié) 月球的組成第四十九頁，共一百零七頁，2022年，8月28日一、月球的主要巖石類型：根據(jù)對月巖、月壤和月塵樣品的研究，構成月球表面（月殼）的巖石存在三種主要類型：一類是與地球上大洋型拉斑玄武巖相近的月海玄武巖，但與地球上的拉斑玄武巖不同的是，月巖的拉斑玄武巖中富含TiO2和FeO，它主要分布在月球表面相對低洼的廣闊的“月?！钡貐^(qū)。同位素年齡大多數(shù)在31.5到38.5億年之間。月海玄武巖現(xiàn)認為是由月球內部富鈦、鐵和貧斜長石的區(qū)域因放射性加熱而部分熔融產(chǎn)生的，不是月殼原始分異的產(chǎn)物。三、月球的組成第五十頁，共一百零七頁，2022年，8月28日一、月球的主要巖石類型：第二類是富含放射性元素及難熔微量元素的非月海玄武巖。它是一種富斜長石的玄武巖，內中斜長石的含量較月海玄武巖為高，但鐵鎂礦物和不透明礦物的含量則比月海玄武巖為低。其中有一種特殊的巖石類型，由于它含有較高的鉀（K）、稀土元素（REE）及磷酸鹽（P），故命名為克里普巖（KREEP）。克里普巖的化學成分本質上是玄武巖，但U、Th、Rb、Sr、Ba及稀土的含量比月海玄武巖高。非月海玄武巖一般認為是由富斜長石的巖石部分熔融而產(chǎn)生的。三、月球的組成第五十一頁，共一百零七頁，2022年，8月28日一、月球的主要巖石類型：第三類是富鋁的高地斜長巖，其中含有70%的斜長輝長巖，它是組成月球臺地或高地的巖石，也是月球上保存下來最老的臺地單元。富鋁的斜長巖現(xiàn)認為是巖漿分離作用的產(chǎn)物。其化學特征最顯著的是Al2O3含量較高（19.1~36.49%）而TiO2和FeO均較低。三、月球的組成第五十二頁，共一百零七頁，2022年，8月28日一、月球的主要巖石類型：除上述三種主要月殼巖石類型外，在有的樣品中還發(fā)現(xiàn)有化學成分上非常獨特的偏酸性巖石，這種巖石明顯的富含SiO2（61%）、K2O（2.0%）、ZrO2（0.3%）、Li（100ppm）、Ba（2150ppm）、Rb（30ppm）、Nb（170ppm）、Th（34ppm）、U（11ppm）、Y（240ppm）、Yb（20ppm）。但是到目前為止，在月球上尚未發(fā)現(xiàn)大的花崗巖體。三、月球的組成第五十三頁，共一百零七頁，2022年，8月28日二、月球的化學組成

對月球表面不同地區(qū)所采取的月壤及月塵樣品的研究表明，月壤主要由晶質的巖石碎塊、玻璃及顯微角礫巖組成；月塵主要由輝石、斜長石、橄欖巖及鈦鐵礦組成，含少量的鱗石英、方英石，隕硫鐵、尖晶石及鎳鐵。即親鐵、親銅、親石和親氣元素。三、月球的組成第五十四頁，共一百零七頁，2022年，8月28日AgesoflunarrocksTheoldestrocksareanorthositesinthelunarhighlands(ancientcrust,billionyearsold).Impactbrecciasaremostlyfromthegiantmaria-excavatingimpacts(billionyearsold).Marebasaltthatcoversthemariafloorswasformedbymeltingofthelunarmantle.Thesebasaltsgraduallyfilledthemariaasaseriesoflavaflows(billionyearsold).Volcanicglassisscatteredthroughoutthelunarregolith,althoughfewvolcanoeshavebeenpositivelyidentified.Thisglass(billionyearsold)largelypost-datesthemarebasalts.Since1.3billionyearsagothereisnoevidenceofanygeologicprocessesexceptmeteoriteimpactsandsomemasswastingprocessessuchaslandslides.第五十五頁，共一百零七頁，2022年，8月28日二、月球的化學組成

由于月球上缺少地質作用，月壤和月塵實際上是月表巖石破裂（因隕石撞擊和晝夜溫差等原因）后就近堆積的沉積層，因此，月壤和月塵能夠代表月殼的化學組成。有意義的是在月球的不同地點所采取的月壤樣品其化學組成十分相似，其元素組合與地球上元素組合特征也相當吻合，可劃為4類（見表1-8）：三、月球的組成第五十六頁，共一百零七頁，2022年，8月28日三、月球的組成月球物質中發(fā)現(xiàn)的化學元素親鐵元素親銅元素親石元素親氣元素FeCuNiRuRhPdOsIrPtCuAuMoWReGeAsSbSn(Ga)(Bi)SSeTeFeAgCdHgTlPbBiIn(Mo)LiNaKRbCsBeMgCaSrBaBAlScYLa-LuSiTiZrHfThPVNbTiMnFeOCrUZnGaFClBrIHeNeArKrXeHNC第五十七頁，共一百零七頁，2022年，8月28日三、月球的組成如前所述，玄武巖和斜長巖是月球上發(fā)現(xiàn)的最豐富的2類巖石。對月球玄武巖和月球斜長巖的常量元素和微量元素分析結果列在表1-9和表1-10中。從中可見，由于月球上缺少大氣圈，缺少氧化作用，因此所有的Fe都以FeO形式存在。與地球玄武巖相比，月球玄武巖相對富含F(xiàn)eO、MgO和TiO2而貧含堿金屬；在微量元素方面，月球玄武巖則以富含Cr、Zr、Th、REE等難熔元素為特征。月球斜長巖的主要組分為SiO2、Al2O3和CaO，其中CaO的含量明顯比地球斜長巖高，而SiO2、Na2O和K2O的含量則明顯低于地球斜長巖中的含量。

第五十八頁，共一百零七頁，2022年，8月28日三、月球的組成三、月球和地球若干特征對比

對月球觀察和自月球表面采回的月巖、月壤標本的研究結果表明：（1)

月球與地球都是太陽系的成員，均在距離“原太陽”非常相似的距離內凝聚形成，二者演化過程有許多近似之處。但由于形成二者的初始物質組成上的差異、體積和密度的不同等原因，也導致它們演化過程有許多差異?，F(xiàn)今月球表面的特征似乎可以比擬作地球發(fā)展的早期階段，因此，月球的研究資料成為了解地球早期（距今31~46億年）階段演化特征的一個重要方面。第五十九頁，共一百零七頁，2022年，8月28日三、月球的組成三、月球和地球若干特征對比

（2）鑒于目前地球上所發(fā)現(xiàn)的最古老的巖石同位素年齡（37~37.5億年）和月巖的最老的同位素年齡（A-14的樣品為39.5億年是最老的，A-11及A-16的樣品為中等年齡34~37億年）很為接近，同時，月球演化在距今31億年以來幾乎處于“停滯”狀態(tài)，如果把月球原始結晶巖石看作地殼早期形成的巖石的話，這就說明今天地球上存在的花崗巖質的大陸型地殼、水圈和大氣圈等，是在地球后來的演化和發(fā)展過程中產(chǎn)生的。第六十頁，共一百零七頁，2022年，8月28日三、月球的組成三、月球和地球若干特征對比

（3）從月球表面采回的月巖標本無論在地球化學特征（巖石的化學成分和礦物成分、同位素測定）上，或者是地球物理性質（密度、彈性波傳播速度）方面，大體和地球上大洋型玄武巖地殼，或者是地殼的硅鎂層相似，反映了月殼和大洋型地殼相似。月球表面缺失象地球表面廣泛分布的大陸型花崗巖地殼（硅鋁層）。第六十一頁，共一百零七頁，2022年，8月28日三、月球的組成三、月球和地球若干特征對比

（4）月球的現(xiàn)有研究結果表明，月球和地球由同樣的化學元素組成，地球中的全部化學元素在月巖和月壤中都有發(fā)現(xiàn)，但二者的比例不同。地球與月球化學組成上的差異，無疑是在后期的化學分餾和熱變質階段產(chǎn)生的。第六十二頁，共一百零七頁，2022年，8月28日三、月球的組成三、月球和地球若干特征對比

（5） 在月球和地球早期，強烈的火山活動都比較普遍。月球高地的形成，廣泛分布的月海玄武巖和地球早期產(chǎn)生的中、基性噴出巖后經(jīng)變質形成的全球廣泛分布的綠巖系，是地球可以與月球演化進行對比的顯著特征之一。第六十三頁，共一百零七頁，2022年，8月28日三、月球的組成三、月球和地球若干特征對比

（6） 月巖及月壤內缺乏水，并幾乎沒有三價鐵的存在，證實了月球表面沒有水圈和大氣圈，月表接近于真空狀態(tài)。因此，月球不會象地球上那樣，有分布廣泛的生命活動（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這些外營力引起的地質作用和產(chǎn)物。月巖是基本上保持了原狀而變化不大的“原始巖石”。第六十四頁，共一百零七頁，2022年，8月28日三、月球的組成三、月球和地球若干特征對比

（7） 由于月巖沒有明顯的磁場，月球可能沒有金屬月核。但月球內部具有類似于地球的殼層構造。地球物質的熔融、分異遠比月球要充分得多。月球火成巖的熔融溫度因缺水而比地球上的火成巖要高得多，地球內部沒有月球內部那樣堅固。月球強的還原條件是月球上熔體結晶作用過程的特征。地球物質的核轉變能較月球大得多，因而地球的構造-巖漿活動比月球規(guī)模大，延續(xù)時間也較長。第六十五頁，共一百零七頁，2022年，8月28日三、月球的組成三、月球和地球若干特征對比

（8） 月表所具有的不同于地球的特殊物理—化學環(huán)境，使試圖通過對月球物質的研究而在月球上找尋礦床的可能性顯得很小。地球的極其復雜的內、外營力地質作用，是其形成豐富礦產(chǎn)資源的優(yōu)越條件。這是二者明顯不同之處。第六十六頁，共一百零七頁，2022年，8月28日Dustoftheearlysolarnebula.Agreatmanypebbles.Zillionsofboulders.Trillionsofasteroids.Fourinnerplanets.月球起源假說第六十七頁，共一百零七頁，2022年，8月28日Introductiontolunargeology

ThebasicgeologyoftheMoonhavebeenworkedoutfromtelescopeandsatelliteimagesofthelunarsurface,samplesreturnedbytheU.S.ApolloandSovietLunamissions,fromseismicsensorsleftbyApollomissions,andfrommeasurementsofthephysicalcharacteristicsofthemoonsuchasgravity.Thefollowingsummarizestheconclusions.TheMoon'sdensity,measuredchemistry,andseismicstructureiscompatiblewithalunarmineralogyofmostlypyroxene,olivine,andiron-titaniumoxides,withlittleornoironcore.第六十八頁，共一百零七頁，2022年，8月28日TheoverallchemistryoftheMoonismuchliketheEarth'smantle,buttheMoonhasmuchlessofchemicalcomponentsthatarevolatileatmodesttemperatures,includingH2O,CO2,andelementswithlowboilingpointssuchassodium,lead,andarsenic.TheMoon'soldestcrustis4.4billionyearsold,about50kmthickonthenearsideandthickeronthefarside,andiscomposedmostlyofanorthosite(plagioclase-richplutonicrock)andrelatedplagioclase-richrocks.Thisanorthositecrustisthoughttohaveformedbyfloatingofplagioclase第六十九頁，共一百零七頁，2022年，8月28日crystalsastheycrystallizedduringcoolingofaglobalmagma"ocean".Thecrusthasbeenheavily"churnedup"bynumerouslargemeteoriteimpactsearlyintheMoon'shistory.TheMoon'smantleislargelycomposedofpyroxene,olivine,andiron-titaniumoxides.Thedeeperpartsofthemantlewerealwaysmostlysolid,whereastheupperpartsofthemantlewereformedbysinkingofdensemineralsduringcoolingandcrystallizationofthemagmaoceanatthesametimethatthecrustformed.第七十頁，共一百零七頁，2022年，8月28日Afterthecrusthadformedandthemagmaoceansolidified,severalhugemeteoriteimpactsexcavatedlargebasinsandcreatedlargequantitiesofimpactmeltandbreccia.6.Thelargestlunarimpactbasinsarepartlyfilledwithenormousbasalticlavaflows.These"marebasalts"eruptedoveraperiodofhundredsofmillionsofyears.Thebasaltsformedbymeltingofthedeeplunarmantle.第七十一頁，共一百零七頁，2022年，8月28日Volcanicactivitydecreasedwithtime,andevidenceindicatesthatvolcanismceasedatleast1.3billionyearsago.

Impactcrateringcontinuesataslowratetothisday.9.TheMoonisgraduallymovingawayfromEarthastidalfrictiontransfersangularmomentumtotheMoon.Asaresult,Earth's'rotationrateisgraduallyslowingandthedayisgraduallygettinglonger.第七十二頁，共一百零七頁，2022年，8月28日SamplesreturnedfromtheMoon:6U.S.Apollolandings382.0kg3U.S.S.R.Lunarobotlanders0.32kg3knownlunarmeteorites0.12kgTotal382.4kg第七十三頁，共一百零七頁，2022年，8月28日Soil100kgLooseparticlesonandnearthesurfacethathavebeenexcavatedandthrownaboutbymeteoriteimpacts.Thisismadeofmineralandrockfragments,volcanicglass,impactglass,andfragmentsweldedtogetherwithimpactglass.Breccia133kgAggregatesofrock,soil,andotherbrecciasthatwereweldedtogetherbymeteoriteimpacts.Someofthesehavebeenpartlymeltedbyimpactheating.Basalt80kgDark,fine-grained,iron-andmagnesium-rich,silica-poorvolcanicrockthatmakesupthedarkfloorsofthelargestlunarimpactbasins(maria).Other69kgSmallbrecciaandrockfragments,anorthosite(plagioclase-richplutonicrock),andgabbro(coarse-grainedequivalentofbasalt).Graniteandotherrocktypesareveryrare.Typesofsamplescollected第七十四頁，共一百零七頁，2022年，8月28日TherearemanyfewermineralsinlunarrocksthanontheEarth,partlybecauseofthemorelimitedrangeofchemicalcompositionoftheMoon.Theabsenceofwaterandothervolatilesisimportantinlimitingthenumberofmineralstoo.Themostabundantmineralsinthemoonarelistedbelow:第七十五頁，共一百零七頁，2022年，8月28日Silicatesplagioclase(feldspar),calcium-richpyroxene(augite,pigeonite),calcium-poorpyroxene(enstatite),olivine.Thesemineralsarefoundinterrestrialrocks,principallyingabbro,basalt,andtheEarth'suppermantle.Quartz,alkalifeldspars,andrelatedmineralsarerare.Oxidesilmenite(FeTiO3),ülvospinel(TiFe2O4),chromite(FeCr2O4),andferropseudobrookite(FeTi2O5).Thesemineralsarefoundinmanyterrestrialrocks,althoughthelatterthreeonlyinbasalt,gabbro,theEarth'smantle,andrelatedrocks.Sulfidestroilite(FeS).ThismineralisextremelyrareontheEarth.MetalsFe.IronisextremelyrareontheEarth(exceptinthecore).Mineralsinlunarsamples第七十六頁，共一百零七頁，2022年，8月28日

第四節(jié)隕石的化學成分及其分類

Mostpeoplearefamiliarwiththeterm"shootingstar,"butfewknowitsimportance.Actually,itisnotastarshootingacrossthesky,butasmallpieceofsolidmattercalledameteoroidcollidingwiththeatmosphere.AsthemeteoroidenterstheEarth'satmosphere,thefrictioncreatedbyitsincomingvelocitycausesitssurfacetoheatup,andthebrilliantflashoflightrecordsthepassageofameteor.第七十七頁，共一百零七頁，2022年，8月28日

第四節(jié)隕石的化學成分及其分類隕石(Meteorite)是從星際空間降落到地球表面上來的太陽系碎片，主要來源于位于火星和木星之間的小行星帶。每天落到地球上的隕石平均重量在1000至10000噸之間，但大部分落在占地表2/3的海洋里，一部分落在人煙稀少的沙漠、森林和山區(qū)，僅有少數(shù)的隕石才有機會被人們發(fā)現(xiàn)。隕石的研究已有幾百年的歷史，近幾十年來發(fā)展尤為迅速?，F(xiàn)在，人們對隕石的類型、組成及其演化途徑已經(jīng)有了比較統(tǒng)一的認識，并且通過隕石的研究對太陽系的早期歷史有了更加清楚的了解。隕石學已經(jīng)構成了天文學和地質學之間的一門重要的交叉學科。

第七十八頁，共一百零七頁，2022年，8月28日MarsMeteorite第七十九頁，共一百零七頁，2022年，8月28日MarsMeteorite第八十頁，共一百零七頁，2022年，8月28日

第四節(jié)隕石的化學成分及其分類二、隕石的類型

三、隕石的平均化學成分

四、隕石的演化歷史

一、隕石的研究意義

第八十一頁，共一百零七頁，2022年，8月28日

第四節(jié)隕石的化學成分及其分類一、隕石的研究意義

隕石的化學成分是估計太陽系元素豐度以及地球整體和地球內部化學組成最有價值的依據(jù)：（1）隕石是認識宇宙天體、行星的成分、性質及其演化的最易獲取、數(shù)量最大的地外物質；（2）隕石是認識地球的組成、內部構造和起源的主要資料來源。（3）隕石中的60多種有機化合物是非生物合成的“前生物物質”，對探索生命前期的化學演化開拓了新的途徑；（4）隕石可作為某些元素和同位素的標準樣品。第八十二頁，共一百零七頁，2022年，8月28日

第四節(jié)隕石的化學成分及其分類二、隕石的類型

（1）鐵隕石

主要由金屬鎳-鐵（占98%）和少量的其它礦物組成。（2）石隕石

主要由硅酸鹽礦物所組成。這類隕石又可分為兩個亞類，即決定于它們是否含有細小而大致等粒的球狀硅酸鹽結構而進一步分之為：①球粒隕石；②無球粒隕石。這類隕石大多數(shù)是石質隕石，很少量而特殊的是碳質隕石。（3）鐵石隕石由數(shù)量大體相等的鎳-鐵和硅酸鹽礦物組成，是上述兩類隕石之間的過渡類型。第八十三頁，共一百零七頁，2022年，8月28日

第四節(jié)隕石的化學成分及其分類

ClassificationofMeteoritesMeteoritesareclassifiedintothreemaingroupsbecauseoftheirparticularmineralcompositions:irons,stony-irons,andstones.Mineralogically,meteoritesconsistofvaryingamountsofnickel-ironalloys,silicates,sulfides,andseveralotherminorphases.Classificationisthenmadeonthebasisoftheratioofmetaltosilicatepresentinthevariouscompositions.Notwometeoritesarecompletelyalike,andspecificcompositionalandstructuralfeaturesgiveaparticularmeteoriteitsuniqueidentity.第八十四頁，共一百零七頁，2022年，8月28日

第四節(jié)隕石的化學成分及其分類鐵隕石：鐵隕石比較稀少，它只占隕石總量的10%，但在地表發(fā)現(xiàn)的隕石中，鐵隕石多于石隕石，原因是鐵隕石較易在土壤中保存，并且易于和地表巖石相區(qū)別。鐵隕石除主要組分鎳-鐵合金外，一般具有副礦物磷鐵鎳鈷礦[(Fe,Ni,Co)3P]、隕硫鐵（FeS）、鎳碳鐵礦（Fe3C）以及石墨。附屬副礦物如隕輝鉻礦（FeCr2S4）則較少見。這些副礦物呈小圓塊散布在金屬中。金屬通常呈一種特殊結構，稱維德曼斯德特蝕象（Widmanstetterfigure）。這種結構表現(xiàn)為一種鎳-鐵合金的薄層在一種富鎳的基質（鎳鐵石）內互相間生，它是一種合金在高溫時緩慢地結晶的標志.第八十五頁，共一百零七頁，2022年，8月28日

第四節(jié)隕石的化學成分及其分類石隕石：石隕石中的球粒隕石之所以得名，如上所述，是因為有隕石球粒的存在，它們是由橄欖石或輝石所組成的小球體，有時也有玻璃。無球粒隕石中則沒有球粒結構。除了結構上的區(qū)別以外，它們在成分上也表現(xiàn)差異。球粒隕石的平均礦物成分大致是：鎳-鐵12%、橄欖石46%、紫蘇輝石21%、透輝石4%、斜長石11%；無球粒隕石的平均礦物成分大致是：鎳-鐵1%、橄欖石9%、紫蘇輝石50%、透輝石12%、斜長石25%。在石隕石中，球粒隕石所占的比例遠較無球粒隕石要多，占全部隕石的90%以上。

第八十六頁，共一百零七頁，2022年，8月28日隕石球粒第八十七頁，共一百零七頁，2022年，8月28日隕石球粒第八十八頁，共一百零七頁，2022年，8月28日隕石球粒第八十九頁，共一百零七頁，2022年，8月28日三、隕石的平均化學成分

大量的隕石組分的分析資料表明，隕石中最廣泛分布的化學元素為：O、Fe、Si、Mg、Ni、S、Al、Ca等。其比值取決于隕石的礦物成分。三種基本類型的隕石之間，在化學成分上是有著很大差異的。因此，在計算隕石的平均化學成分時，必須解決下面兩個問題：首先，要了解各種隕石的平均化學成分?，F(xiàn)在人們已經(jīng)積累了對隕石化學分析的許多實際資料，所以這個問題已經(jīng)基本解決。第九十頁，共一百零七頁，2022年，8月28日

三、隕石的平均化學成分

其次，要知道各種類型隕石數(shù)量的比例。這個問題到目前為止，還未經(jīng)過確切研究和最后解決，因而不同研究者在計算隕石化學成分時所采用的比例并不一致。對隕石的化學組成研究表明，地球上已知的化學元素在隕石中均有發(fā)現(xiàn)。盡管隕石和地球在體積上相差懸殊，但在物質上具有宇宙天體的共性，充分說明隕石與地球物質來源的同源性。第九十一頁，共一百零七頁，2022年，8月28日

四、隕石的演化歷史：

目前，世界各地已測定了數(shù)百個隕石的年齡。一個重要的結果是，由石隕石、鐵隕石以及地球物質中所得到的鉛，全都位于一條共同的等時線上。這說明它們幾乎是在同一時間形成的。利用鉛同位素求得隕石的年齡為（45.5±0.7）億年。鉛法測出的隕石年齡被認為是隕石形成封閉體系以后的年齡，通常稱為固化年齡。第九十二頁，共一百零七頁，2022年，8月28日

四、隕石的演化歷史：

此外，利用Rb-Sr法也測出了隕石的固化年齡，其測定結果幾乎全部為44～47億a，平均為（45±2.6）億年。利用K-Ar法測得的年齡數(shù)據(jù)略低些，多數(shù)集中在45億a，這是由于隕石固化后氬逸失所引起的?？梢婋E石和月球、地球的年齡都是十分近似的，表明它們都是太陽系的成員，形成獨立的宇宙體的時期是大致相同的。這個結果對探討宇宙體的形成、發(fā)展是很有意義的。第九十三頁，共一百零七頁，2022年，8月28日一、地球的成因二