地球化學化學元素豐度與分布

2.1元素豐度的概念和表示(biǎoshì)方法2.1.1豐度(fēnɡdù)和豐度(fēnɡdù)體系因此，元素豐度就是化學元素在一定自然體中的相對平均含量。如元素的地殼豐度，元素的地球豐度，元素的太陽系豐度等。如果(rúguǒ)這個自然體占據(jù)一個較小的空間位置時，習慣上稱為元素的平均含量。如玄武巖中元素的平均含量，某礦區(qū)中元素的平均含量等。1.一種化學元素在某個自然體中的重量占這個自然體總重量的相對份額〔如百分數(shù)〕，稱為該元素在自然體中的豐度。第一頁，共58頁。1

火山(huǒshān)角礫巖2.地球化學的體系：泛指一定范圍內(nèi)或同類的事物按照(ànzhào)一定的秩序和內(nèi)部聯(lián)系組合而成的整體，體系可大可小。第二頁，共58頁。2目前已建立的元素豐度(fēnɡdù)體系第三頁，共58頁。3〔1〕克拉克值：是地殼中元素的重量百分數(shù)的豐度單位?！?〕區(qū)域克拉克值：是指地殼不同(bùtónɡ)構造單元中元素的豐度值。如克拉通地殼元素豐度值。3.與豐度(fēnɡdù)相關的名詞

第四頁，共58頁。4〔3〕豐度系數(shù)(xìshù)：是指某一自然體的元素豐度與另一個可作為背景的自然體的元素豐度的比值。例：以地球豐度為背境，那么地殼中該元素的豐度系數(shù)(xìshù)定義為：K=地殼豐度/地球豐度當K＞1時，稱為富集，當K＜1時，稱為虧損。第五頁，共58頁。5MORB-normalizedSpiderDiagramsFigure2.Winter(2001)AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology.PrenticeHall.DatafromSunandMcDonough(1989).

第六頁，共58頁。64.研究(yánjiū)元素和同位素豐度與分布的意義研究元素豐度是研究地球化學根底理論問題的重要素材之一宇宙天體是怎樣起源的？地球又是如何形成的？地殼與地幔中的主要(zhǔyào)元素有什么不一樣？生命體是怎么產(chǎn)生和演化的？這些研究都離不開地球化學體系中元素豐度分布特征和規(guī)律。第七頁，共58頁。7元素豐度是每一個地球化學體系的根本數(shù)據(jù)可在同一(tóngyī)或不同體系中用元素的含量值來進行比較，通過縱向〔時間〕、橫向〔空間〕上的比較，了解元素動態(tài)情況，從而建立起元素集中、分散、遷移活動等一些地球化學概念。從某種意義上來說，也就是在探索和了解豐度這一課題的過程中，逐漸建立起近代地球化學。第八頁，共58頁。82.1.2豐度(fēnɡdù)表示法重量百分數(shù)（wt％）用于常量元素克/噸（g/t）或ppm用于微量元素毫克/噸（mg/t）或ppb常用于超微量元素微克/噸（μg/t）或ppt1、重量豐度：以重量單位表示(biǎoshì)的元素豐度。(partspermillion，10-6〕；(partsperbillion，10-9〕；(partspertrillion，10-12〕；PPm:PPb：PPt：第九頁，共58頁。92、原子(yuánzǐ)豐度，以原子(yuánzǐ)百分數(shù)〔原子(yuánzǐ)％〕表示的某元素在全部元素的原子(yuánzǐ)總數(shù)中的分數(shù)。3、相對豐度，常以原子(yuánzǐ)數(shù)/106硅原子(yuánzǐ)為單位。常用于宇宙元素豐度，所以又稱為宇宙豐度單位。第十頁，共58頁。102.2太陽系的化學(huàxué)組成第十一頁，共58頁。112006年8月24日，在布拉格召開的國際天文學聯(lián)合會上，天文學家投票(tóupiào)“驅(qū)逐〞了冥王星。第十二頁，共58頁。12〔1〕行星：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星定義：圍繞(wéirào)太陽運轉(zhuǎn)，自身引力足以克服其剛體力而使天體呈圓球狀，并且能夠去除其軌道附近其他物體的天體。1.太陽系天體分為(fēnwéi)三類：第十三頁，共58頁。13〔2〕矮行星：冥王星，齊娜星、谷神星定義：與行星同樣具有足夠的質(zhì)量，呈圓球狀，但不能去除其軌道附近其他物體(wùtǐ)的天體?！?〕太陽系小天體定義：圍繞太陽運轉(zhuǎn)但不符合行星和矮行星條件的物體(wùtǐ)。第十四頁，共58頁。14第十五頁，共58頁。15①對太陽及其它星體輻射的光譜進行定性、定量測定。但這些資料有兩個局限性：一是有些元素(yuánsù)產(chǎn)生的波長小于2900?，這局部譜線在通過地球化學大氣圈時被吸收而觀察不到；二是這些光譜產(chǎn)生于外表，它只能說明外表成分，如太陽光譜是太陽氣產(chǎn)生的，只能說明太陽氣的組成。2.確定太陽系元素組成(zǔchénɡ)的途徑第十六頁，共58頁。16太陽(tàiyáng)光譜光譜分析(ɡuānɡpǔfēnxī):由名為麥克梅斯.皮爾斯

(McMath-Pierce)的太陽塔所產(chǎn)生的光譜圖。光譜圖中的暗線，是因為太陽外表和上方的氣體對來自太陽內(nèi)部的陽光選擇性吸收的結果。因為不同(bùtónɡ)種類的氣體會吸收不同(bùtónɡ)顏色的光，所以從這些吸收暗線，我們可以定出太陽外表的氣體組成。例如，氦就是在1,870年首先在太陽光譜中發(fā)現(xiàn)的新元素，后來才在地球找到它的蹤跡。

第十七頁，共58頁。17宇航員月球車火星車②直接測定地球巖石、月球巖石和各類隕石；上個世紀七十年代美國“阿波羅〞飛船登月，采集了月巖、月壤樣品，1997年美國“探路者〞號，2004年美國的“勇敢者〞“機遇〞號火星(huǒxīng)探測器測定了火星(huǒxīng)巖石的成分。第十八頁，共58頁。18③利用宇宙飛行器對臨近(línjìn)地球的星體進行觀察和測定；④分析測定氣體星云、星際間物質(zhì)和宇宙線的組成

金星(jīnxīng)第十九頁，共58頁。19對于太陽系元素豐度的估算，各類學者選取太陽系的物體是不同的。有的主要是根據(jù)太陽和其它行星光譜資料及隕石物質(zhì)測定(cèdìng)；有的根據(jù)CI型球粒隕石。再加上估算方法不同，得出的結果也不盡相同。

第二十頁，共58頁。20序號元素推薦值相對誤差(±1sigma)序號元素推薦值相對誤差(±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，〕的太陽系元素豐度〔單位(dānwèi)：原子數(shù)/106Si原子〕〔GERM：:///GERM/index.html〕。第二十一頁，共58頁。21首先這是一種估計值，是反映目前人類對太陽系的認識水平，這個估計值不可能是完全正確的，隨著人們(rénmen)對太陽系以至于宇宙體系的探索的不斷深入，這個估計值會不斷的修正；數(shù)據(jù)雖然還是很粗略的，但從總的方面來看，它反映了元素在太陽系分布的總體規(guī)律。

對于這樣的數(shù)據(jù)(shùjù)我們應給與一個正確的評價：第二十二頁，共58頁。223.太陽系的形成及元素(yuánsù)的起源第二十三頁，共58頁。231〕太陽系物質(zhì)的同源性地球、月球、隕石的135Ba/136Ba只在0.01%范圍內(nèi)變化。2〕太陽星云的凝聚過程及物質(zhì)分異太陽星云自轉(zhuǎn)加速=>星云盤+原太陽=>溫度增高引起星云盤內(nèi)的物質(zhì)分餾。元素的化學分餾=>隨溫度降低的凝聚=>凝聚物聚集為塵層、粒子(lìzǐ)團、星子、行星第二十四頁，共58頁。243〕行星形成方式不均一的吸積說首先吸積金屬鐵，然后吸積硅酸鹽。均一的吸積說吸積過程的物質(zhì)成分(chéngfèn)是均勻的，核、幔在后來的演化過程中形成。第二十五頁，共58頁。25A.大爆炸宇宙的核合成過程〔H、He和少量Li、Be、B〕大爆炸誕生時只存在高密度的根本粒子〔質(zhì)子(zhìzǐ)，中子，電子等〕和反粒子〔反質(zhì)子(zhìzǐ)，反中子，反電子等〕，當溫度降到1012K時,發(fā)生氫核聚變反響：1H+1H=>2D++2D+1H=>33He+3He=>4He+214〕元素(yuánsù)起源〔假說〕第二十六頁，共58頁。26B.隨后發(fā)生氦核聚變反響：當恒星內(nèi)部的氫全部轉(zhuǎn)變?yōu)楹ひ院?，氫核聚變停?tíngzhǐ)。此時恒星內(nèi)部收縮，溫度升高到100×106K，氦核聚變開始。4He+4He=>8Be8Be+4He=>12C+12C+4He=>16O16O+4He=>20Ne第二十七頁，共58頁。2720Ne

+4He=>24Mg24Mg

+4He=>28Si28Si

+4He=>32S(36Ar,40Ca等)由于在原子核和ａ粒子之間存在正的靜電斥力，因此通過氦核聚合方式產(chǎn)生的新原子核的質(zhì)量是有限的。研究說明，以這種方式形成的最重的原子核為56Ni，并經(jīng)進一步衰變而成穩(wěn)定的56Fe。這正好解釋(jiěshì)了宇宙中鐵元素含量異常高的原因。第二十八頁，共58頁。28C.中子俘獲過程〔鐵以后的元素〕中子捕獲反響是恒星演化到最晚階段才開始發(fā)生的重要反響，由此產(chǎn)生原子序數(shù)大于26〔Fe〕的重元素。a.慢中子俘獲〔s過程〕：一個(yīɡè)原子的兩次中子俘獲之間有足夠時間讓生成核發(fā)生衰變〔衰變〕，可合成元素至A=209。b.快中子俘獲〔r過程〕：兩次俘獲時間很短〔衰變較少〕，可合成A=209以后的元素。第二十九頁，共58頁。29質(zhì)子(zhìzǐ)數(shù)Z中子(zhōngzǐ)數(shù)N34333231302928747677As7576Ge707172737475Ga69707172Zn64656667686970Cu6364656670Ni6263646533343536373839404142

紅巨星中由慢中子捕獲反響合成(héchéng)核素示意圖〔據(jù)柴之芳，1998〕。藍色局部為穩(wěn)定同位素，其余為放射性同位素第三十頁，共58頁。304.太陽系元素(yuánsù)豐度規(guī)律把太陽系元素豐度的數(shù)值取對數(shù)(duìshù)lgC作縱坐標，原子序數(shù)Z作橫坐標。①H和He是豐度最高的兩種元素，其原子數(shù)幾乎占太陽中全部原子數(shù)目的98％②原子序數(shù)(yuánzǐxùshù)較低的范圍內(nèi)〔Z<45〕，元素豐度隨原子序數(shù)(yuánzǐxùshù)增大呈指數(shù)遞減，而〔Z＞45〕各元素豐度值很相近。第三十一頁，共58頁。31③質(zhì)量數(shù)為4的倍數(shù)的核素或同位素具有較高豐度。④原子序數(shù)為偶數(shù)的元素其豐度大大高于相鄰原子序數(shù)為奇數(shù)的元素。⑤Li、Be和B具有很低的豐度，屬于強虧損(kuīsǔn)的元素，而O和Fe呈現(xiàn)明顯的峰，它們是過剩元素。第三十二頁，共58頁。32通過對上述規(guī)律的分析，人們認識到在元素豐度與原子結構及元素形成的整個過程有著(yǒuzhe)一定的關系。

①與元素的原子結構有關具有最穩(wěn)定原子核的元素一般分布最廣。②與元素形成的整個過程有關在太陽系中Li、Be和B等元素豐度偏低的原因可能是恒星熱核反響過程中被消耗掉了。第三十三頁，共58頁。33太陽的質(zhì)量(zhìliàng)占太陽系總質(zhì)量(zhìliàng)的99．865％，是太陽系所有行星質(zhì)量(zhìliàng)總和的745倍。2.2.1.太陽(tàiyáng)的化學成分第三十四頁，共58頁。342.2.2隕石(yǔnshí)的類型和化學組成隕石(yǔnshí)是從星際空間降落到地球外表上來的行星物體的碎片。隕石(yǔnshí)是空間化學研究的重要對象，具有重要的研究意義：①是認識宇宙天體、行星的成分、性質(zhì)及其演化的最易獲取、數(shù)量最大的地外物質(zhì)；②是認識地球的組成、內(nèi)部構造和起源的主要資料來源；第三十五頁，共58頁。35③隕石中的60多種有機化合物是非生物合成(héchéng)的“前生物物質(zhì)〞，對探索生命前期的化學演化開拓了新的途徑；④可作為某些元素和同位素的標準樣品〔稀土元素，鉛、硫同位素〕。第三十六頁，共58頁。36圖玄武巖微量元素球粒隕石(yǔnshí)標準化值〔據(jù)SunandMcDonough,1989〕第三十七頁，共58頁。371.隕石(yǔnshí)的類型隕石主要是由鎳-鐵合金、結晶硅酸鹽或兩者的混合物所組成，隕石有140種礦物，39種地球未發(fā)現(xiàn)。按成份分為(fēnwéi)三類：第三十八頁，共58頁。38

1〕石隕石〔aerolite〕：主要由硅酸鹽礦物組成。根據(jù)是否含有球粒硅酸鹽結構，分為球粒隕石和無球粒隕石。

2〕鐵隕石〔siderite〕：主要由金屬Ni,Fe〔>90%〕和少量其他元素組成〔Co,S,P,Cu,Cr,C等〕。3〕石-鐵隕石〔sidrolite〕：由數(shù)量(shùliàng)上大體相等的Fe－Ni和硅酸鹽礦物組成，是上述兩類隕石的過渡類型。第三十九頁，共58頁。39鐵隕石(yǔnshí)石隕石(yǔnshí)第四十頁，共58頁。401976年3月8日下午，中國吉林市北郊降落了一次世界上罕見的隕石雨：隕落的巨石穿透凍土層，砸出一個深6.5米、直徑2米多的坑。這塊隕石重1770千克，是至今(zhìjīn)世界上最大的石隕石，連同收集到的其它隕石，總重量達2噸以上。第四十一頁，共58頁。412006年01月25日我國第22次南極科考(kēkǎo)隕石“大豐收〞第四十二頁，共58頁。42納米比亞(nàmǐbǐyà)的Hoba鐵隕石〔重60噸〕在南極發(fā)現(xiàn)(fāxiàn)的火星隕石〔ALH84001〕美國科學家1996年報道在這塊火星隕石中發(fā)現(xiàn)(fāxiàn)了火星生命的跡象。第四十三頁，共58頁。432.隕石(yǔnshí)的平均化學成分隕石的平?jīng)Q化學成分計算結果如下(rúxià)〔采用硅酸鹽﹕鎳-鐵﹕隕硫鐵=10﹕2﹕1〕：要計算隕石的平均化學成分必須要解決(jiějué)兩個問題：首先要了解各種隕石的平均化學成分；其次要統(tǒng)計各類隕石的比例。各學者采用的方法不一致。第四十四頁，共58頁。44球粒隕石是星云直接凝聚或星云凝聚物重熔的產(chǎn)物，代表地幔和原始未分異地球的狀態(tài)(zhuàngtài)和化學成分。碳質(zhì)球粒隕石典型特征：含有碳的有機化合物分子，并且隕石主要由含水硅酸鹽組成。3.球粒隕石(yǔnshí)：第四十五頁，共58頁。45圖3CI型碳質(zhì)球粒隕石(yǔnshí)元素豐度與太陽元素

豐度比照(據(jù)涂光熾，1998)第四十六頁，共58頁。46碳質(zhì)球粒隕石對探討生命起源的研究(yánjiū)和探討太陽系元素豐度等各個方面具有特殊的意義。由于CI型碳質(zhì)球粒隕石的元素豐度幾乎與太陽中觀察到的非揮發(fā)性元素豐度完全一致，碳質(zhì)球粒隕石的化學成分已被用于估計太陽系中非揮發(fā)性元素的豐度。第四十七頁，共58頁。474.如何鑒定一塊樣品是否為隕石(yǔnshí)？1.采集背景2.外表熔殼：隕石(yǔnshí)在隕落地面以前要穿越稠密的大氣層，隕石(yǔnshí)在降落過程中與大氣發(fā)生磨擦產(chǎn)生高溫，使其外表發(fā)生熔融而形成一層薄薄的熔殼。因此，新降落的隕石(yǔnshí)外表都有一層黑色的熔殼，厚度約為1毫米。3．外表氣?。毫硗猓捎陔E石(yǔnshí)與大氣流之間的相互作用，隕石(yǔnshí)外表還會留下許多氣印，就象手指按下的手印。第四十八頁，共58頁。484．內(nèi)部金屬：鐵隕石和石鐵隕石內(nèi)部是有金屬鐵組成，這些鐵的鎳含量很高〔5－10％〕。球粒隕石內(nèi)部也有金屬顆粒，在新鮮斷裂面上能看到細小的金屬顆粒。5．磁性：正因為大多數(shù)隕石含有鐵，所以95％的隕石都能被磁鐵吸住。6．球粒：大局部石隕石是球粒隕石〔占總數(shù)的90％〕，這些隕石中有大量毫米大小的硅酸鹽球體，稱作球粒。在球粒隕石的新鮮斷裂面上能看到圓形的球粒。7．比重：鐵隕石的比重為8克/cm3，遠遠大于地球上一般(yībān)巖石的比重。球粒隕石由于含有少量金屬，其比重也較重。第