第一章化学元素风度分布.ppt

第一章第一章 化学元素的丰度化学元素的丰度与分布与分布 张展适张展适 13970480971Z 元素丰度的概念和表示方法 太阳系的化学组成 地球的结构和化学组成 地壳的元素丰度 元素在岩石和矿物中的分配 主要内容主要内容元素丰度的概念和表示方法元素丰度的概念和表示方法 丰度和丰度体系 元素丰度的三种表示方法 元素丰度的应用 丰度丰度 是指各种化学元素在一定自然体系中的相对平均含量。元素在较大自然体系中的平均含量即称为丰度。当研究对象等在自然体系中仅占据一个较小的空间位置时，习惯上称为元素的平均含量，如岩石中元素的平均含量丰度的实质丰度的实质丰度的实质：一种化学元素在某个自然体系中的重量占这个自然体的全部化学元素总重量（即自然体系的总重量）的相对份额（如百分数）称为该元素在自然体中的丰度。无论地球化学的研究领域和对象如何发生反应和化学演化始终是地球化学的基本任务，其中化学组成又是首当其冲丰度体系丰度体系不同层次的元素丰度构成丰度体系，目前建立不同层次的元素丰度构成丰度体系，目前建立的丰度体系的丰度体系 类木行星类木行星 太阳系丰度太阳系丰度 类地行星类地行星宇宙丰度宇宙丰度 地核丰度地核丰度 地幔丰度地幔丰度 上地幔丰度上地幔丰度 地球丰度地球丰度 下地幔丰度下地幔丰度 地壳丰度地壳丰度地壳丰度系列地壳丰度系列 地盾区地壳丰度 褶皱区地壳丰度 地壳丰度 海洋地壳丰度 浅海地壳丰度 深海地壳丰度 陆地地壳丰度中国陆地地壳丰度中国陆地地壳丰度中国地台区地壳丰度中国地台区地壳丰度中国褶皱区地壳丰度中国褶皱区地壳丰度关于几个名词的说明关于几个名词的说明克拉克值:指地壳中元素重量百分数的丰度值 区域克拉克值:是指地壳以下不同构造单元中元素的丰度值;如地盾区地壳元素丰度值丰度系数:是指某一自然体的元素丰度与另一可作为背景的自然体的元素丰度的比值，因为丰度体系是多层次的，所以丰度系数也是多层次的丰度系数的计算丰度系数的计算如以地球丰度为背景。则地壳中该元素的丰度系数定义为：K1=地壳丰度/地球丰度例K1Fe=5.8%32.0%=0.18以地壳丰度为背景，全球陆地地壳丰度定义为K2=全球陆地地壳丰度/地壳丰度K2Fe=4.8%5.8%=0.83丰度系数可用来指示元素的富余及变化程度丰度背景与地球化学背景丰度背景与地球化学背景 地球化学中常讲的地球化学背景是：首先确地球化学中常讲的地球化学背景是：首先确定背景区：即地壳中有的地方受到了成矿作定背景区：即地壳中有的地方受到了成矿作用的影响，而有的地方则没有，我们将未受用的影响，而有的地方则没有，我们将未受矿作用影响的地区叫背景区。矿作用影响的地区叫背景区。在背景区内各种天然物质中（岩石、土壤、在背景区内各种天然物质中（岩石、土壤、水系沉积物、地表水、地下水、植物和空气）水系沉积物、地表水、地下水、植物和空气）各种地球化学元素和同位素的含量及其比值各种地球化学元素和同位素的含量及其比值的数值，称为地球化学背景值。的数值，称为地球化学背景值。用作背景的地壳元素丰度与化探中背景是两用作背景的地壳元素丰度与化探中背景是两个不同的概念。个不同的概念。丰度的三种表示法丰度的三种表示法 元素丰度常以三种单位来表示，即重量单位，原子单位和相对单位，由于采用了不同的单位，元素丰度有下列三种名称n n 重量丰度重量丰度 n n 原子丰度原子丰度(AtomicAbundance)AtomicAbundance)n n 相对丰度相对丰度(RelativeAbundance)RelativeAbundance)重量丰度重量丰度 以重量单位表示的元素丰度，常用的级序有三种：n n重量百分数重量百分数wt%wt%：常用来表示常量元素常用来表示常量元素n ng/Tg/T或或ppmppm：以百万分之一或以百万分之一或1010-6-6的重量为的重量为单位，常用来表示微量元素单位，常用来表示微量元素n nmg/Tmg/T或或ppbppb：十亿分之一或十亿分之一或1010-9-9，常用来，常用来表示超微量元素表示超微量元素在同一张元素丰度表中，由于多种元素丰度属于微量元素范围，所以常统一用g/T或ppm来表示原子丰度原子丰度 (Atomic Abundance)以原子百分数来表示。某元素的原子百分数是该元素的原子数，在全部元素的原子数总和中所占的百分数 相对丰度相对丰度 (Relative Abundance)常以原子数106Si原子为单位，常用于宇宙元素丰度，所以又称宇宙丰度单位(CosmicAbundanceUnit),简称C.A.U。这种单位是取Si的原子数等于一百万个(106)原子，并以此为基数，求出其它元素的相对原子数。SiSi元素作为对比标准的理由元素作为对比标准的理由Si元素在自然界中分布相当广泛，便于对比各种自然体系的丰度值Si是形成不挥发的稳定化合物的元素Si在化学分析和光谱分析中，都是较易精确测定的元素。取Si原子=106是由于大部分元素的相对原子数介于10610-4之间，因此最常用至于球粒陨石标准化丰度，这种丰度表示方法，我们将在微量元素地球化学中详细讨论元素丰度的计算元素丰度的计算 在上述三种不同的元素丰度中。重量丰度是最基本的数据，原子丰度和相对丰度均可依据重量丰度获得重量丰度的原始资料来自三方面：n n化学全分析。通常以氧化物的重量百分数来化学全分析。通常以氧化物的重量百分数来表示表示n n元素的光谱定量分析元素的光谱定量分析n n利用元素对比值（如利用元素对比值（如RbRb/K/K）或用回归方程，或用回归方程，根据已知元素的含量，求出未知元素的含量根据已知元素的含量，求出未知元素的含量通常我们只需要进行将氧化物的重量百分数换算成元素的重量百分数丰度的定义式丰度的定义式：即丰度与分布量的关系即丰度与分布量的关系设任一元素设任一元素(i)i)在某一自然体系在某一自然体系(j)j)中的重量中的重量为为Q Qij ij，该自然体的总重量为该自然体的总重量为MMj j，则元素则元素i i在体在体系系j j中的丰度值中的丰度值A Aij ij定义为：定义为：A Aij ij=Q Qij ij/MMj jAAij ij 就是元素就是元素i i在自然体系在自然体系j j中的相对平均含量，中的相对平均含量，如如AlAl在地壳中的丰度，就是在地壳中的丰度，就是AlAl在地壳中的相在地壳中的相对平均含量，而对平均含量，而AlAl在地壳中的重量，则是在地壳中的重量，则是AlAl在地壳中的绝对含量，这种绝对含量，称之在地壳中的绝对含量，这种绝对含量，称之为分布量。为分布量。按上式，任一元素按上式，任一元素(i)i)在某一自然体系在某一自然体系(j)j)中中的分布量的分布量D Dij ij定义为：定义为：D Dij ij=Q Qij ij=MMj j A Aij ij 如如AlAl在地壳中的分布量。等于地壳总质量和在地壳中的分布量。等于地壳总质量和AlAl的地壳丰度值的乘积的地壳丰度值的乘积 重量丰度的计算重量丰度的计算 设重量丰度设重量丰度WW以重量百分数表示，氧化物重量百以重量百分数表示，氧化物重量百分数为分数为WW则则W=(ai/m)WW=(ai/m)W式中：式中：mm为氧化物的分子量，为氧化物的分子量，a a为欲求元素的为欲求元素的原子量，原子量，i i是氧化物中欲求元素的原子个数是氧化物中欲求元素的原子个数 例例11已知岩石化学全分析中测得已知岩石化学全分析中测得SiOSiO2 2的重量百分的重量百分数为数为70.40%70.40%，求，求SiSi的重量百分数的重量百分数WsiWsi=(ai/m)W=(28.0861/60.09)=(ai/m)W=(28.0861/60.09)70.40%=32.91%70.40%=32.91%重量丰度换算为原子丰度重量丰度换算为原子丰度 设Ni为任一元素的相对原子数ai为该元素的原子量则Ni=Wi/ai任一元素的原子百分数(Ai)则为Ai=(Ni/N)100=(Wi/ai)/(W/a)100=(W.i/mi)/(W.I/m)100N是参与计算的全部元素的原子数总和 换算的步骤，按下表 原子丰度换算表原子丰度换算表原子序数元素重量丰度(ppm)W原子量A相对原子数N相对丰度(%)A1H1.41031.0081.3891033.0013Al80.710326.0812.9991036.4114Si329.110328.08311.7210325.1192U2238.0298.41031.810-5N=46.67103100.00重量丰度换算为相对丰度重量丰度换算为相对丰度 将任一元素的重量丰度Wi换算为相对丰度Ri可采用下列公式Ri=(Wi/ai)(Wsi/28.09)106例:已知Al的重量百分数为8.07%,Al的原子量为26.98,Si的重量百分数为32.91%,求Al的相对丰度RAl=(8.07%/26.98)(32.91%/28.09)106=255303即当Si=106个原子时，Al有255303个原子 元素丰度的概念和表示方法 太阳系的化学组成 地球的结构和化学组成 地壳的元素丰度 元素在岩石和矿物中的分配 主要内容主要内容太阳系的化学组成太阳系的化学组成 太阳系概述太阳系概述 宇宙丰度特点陨石化学 月球化学太阳系的性质太阳系的性质太阳系概述太阳系概述 太阳系的组成太阳系的组成 太阳系中，太阳质量占太阳系中，太阳质量占99.86%99.86%，但角动量仅，但角动量仅占占2%2%，为恒星，为恒星八大行星共性：共面性，近圆性和同向公转八大行星共性：共面性，近圆性和同向公转性性 行星自旋周期不同行星自旋周期不同八大行星密度分布特点八大行星密度分布特点 八大行星卫星数八大行星卫星数 太阳系已以现太阳系已以现16001600个彗星，其运行轨道和倾个彗星，其运行轨道和倾角各不相同角各不相同 太阳系各行星化学组成特点太阳系各行星化学组成特点 太阳系的组成太阳系的组成太阳系由太阳，行星，星际物质（尘埃，陨石，彗星，小行星）和卫星组成。n n类地行星：水，金，地，火类地行星：水，金，地，火n n巨行星：木星，土星巨行星：木星，土星n n远日行星：天王星，海王星，冥王星远日行星：天王星，海王星，冥王星行星自旋周期不同行星自旋周期不同 八大行星卫星数八大行星卫星数 彗星彗星 什么是彗星 彗星的类型 彗星的结构 彗星化学成分 彗星的起源 彗星的研究意义彗星：是太阳系中以扁长轨道绕太阳运行的一种质量较小的云雾状天体。彗头彗头彗核：集中大部分质量彗核：集中大部分质量.（原子核）（原子核）彗星彗星彗发彗发彗尾彗尾太阳系内有约10121014个彗星彗星彗星彗星化学彗星化学彗星的类型彗星的类型n n短周期：短周期：1020010200年，多数远日点靠近木星年，多数远日点靠近木星n n长周期：长周期：200200年，远日点达年，远日点达5000050000AUAU彗星结构彗星结构n n彗核：直径彗核：直径0.3-40.3-4km,km,一般一般1-21-2km,km,密度：密度：2 2g/cm3,g/cm3,成分：冰物成分：冰物质质+土物质。土物质。n n慧发：直径慧发：直径10104 4-10-105 5kmkm，化合物基团（化合物基团（OHOH2 2、C C2 2、C C3 3、CHCH、CNCN）;原子成分（原子成分（C C、H H、O O、S S、HeHe）；分子成分（）；分子成分（HCNHCN、H H2 2O O等）；离子成分（等）；离子成分（COCO+、CHCH+、COCO2 2+等）。等）。n n彗尾：长达彗尾：长达10108 8km,km,等离子彗尾的成分为等离子彗尾的成分为COCO+,CO,CO2 2+,H,H2 2O O+,OHOH+,CH,CH+,CN,CN+,N,N2 2+,C,C+,Ca,Ca+；尘埃彗尾为尘埃彗尾为H H、C C、N N、FeFe、SiSi、MgMg、CaCa、NiNi。彗星的构造和名称彗星彗星彗星起源n n仍不明确，一种观点是形成于海王星仍不明确，一种观点是形成于海王星-冥冥王星区域，由于摄动而改变轨道。王星区域，由于摄动而改变轨道。意义：n n西伯利亚的通古斯爆炸（西伯利亚的通古斯爆炸（1908.6.301908.6.30）n n带入挥发元素带入挥发元素n n它们的瓦解即是我们常见的流星，它们常它们的瓦解即是我们常见的流星，它们常成群出现陨落形成的陨石是我们研究天体成群出现陨落形成的陨石是我们研究天体的依据的依据n n哈雷彗星哈雷彗星7676年出现一次，年出现一次，19851985年年1111月月1818日日经过地球。经过地球。太阳系各行星化学组成特点太阳系各行星化学组成特点 取取决决于于两两方方面面因因素素：1 1）距距日日远远近近 2 2）目目前前所处温度所处温度难难熔熔元元素素：富富集集于于类类地地行行星星中中，特特别别是是ZrZr,HfHf,TR,TR,SiSi,Mg,Ta,Ca,Al,Mg,Ta,Ca,Al,ThTh,U,U亲亲铁铁元元素素：距距日日远远而而下下降降:Fe,Fe,W,W,Ni,Ni,Os,Os,Ir Ir,Pt,Pt,RuRu,RhRh,Rd,Cr,Rd,Cr亲亲硫硫元元素素：随随距距日日远远而而上上升升:S,S,As,As,Se,Se,Te,Te,Cu,Cu,PbPb,Zn,Zn,GeGe,In,In,TlTl九九大大行行星星中中，氧氧的的含含量量对对星星云云物物质质的的凝凝聚聚成成岩有很大的影响岩有很大的影响太阳系元素的起源太阳系元素的起源“恒星合成元素”假说n n宇宙核合成宇宙核合成,形成形成H H和和HeHen n铁组前元素合成铁组前元素合成,又分四个阶段又分四个阶段H H燃烧阶段燃烧阶段 HeHe燃烧阶段燃烧阶段 C C和和O O燃烧阶段燃烧阶段 平衡阶段平衡阶段 e en n铁组后元素的合成分为铁组后元素的合成分为 慢中子俘获过程，慢中子俘获过程，s s 快中子俘获过程快中子俘获过程,r r 快质子俘获过程快质子俘获过程,p pn nLi,Be,BLi,Be,B的组成的组成确定太阳系宇宙元素丰度的确定太阳系宇宙元素丰度的途径途径 H、He及其它挥发性元素的丰度数据主要依据太阳光谱的测定结果。非挥发性元素常以I型碳质球粒陨石的元素丰度来代表；近年来陨石的发展，高质量陨石成分资料不断增多，此进展揭示出I型碳质球粒陨石可能代表其它类型陨石由之分馏形成的原始物质成分。利用宇宙飞行星对邻近地球的星体进行就近观察和测定，或取样分析。宇宙中元素丰度分布图太阳系元素丰度规律太阳系元素丰度规律 元素丰度在原子序数较低的范围内，随原子数增大呈指数迅速递减，而后在重元素范围内（Z45）几乎保持固定不变，即丰度曲线近于水平偶数规律也称奥多-哈根斯法则：原子序数为偶数的元素其丰度大大高于原子序数为奇数的相邻元素，同时具有偶数质量数或偶数中子数的同位素或核类的丰度也总是高于奇数A或N的同位素或核类太阳系元素丰度规律太阳系元素丰度规律 H和He是丰度最高的两种元素。Li、Be、B的丰度与邻近元素He相比丰度特别低。O和Fe呈明显的峰出现在元素丰度曲线上（A=56、80、90、130、138、196、208处出现峰值）太阳系元素丰度规律太阳系元素丰度规律 4倍规则：质量数为4的倍数的核素或同位素具有较高丰度。约数规则：原子序数或中子数为约数即2、8、20、50、82、126等的核类或同位素分布最广，丰度最大。陨石化学陨石化学 陨石的概念及研究意义 陨石的分类 陨石的同位素研究 陨石研究实例：吉林陨石 陨石的概念及研究意义陨石的概念及研究意义陨石是降落在地球上的行星物质的碎块，可能来源于彗星，更可能来自于火星和木星之间的小行星带，每年降落于地球的陨石约500个。但见其陨落又可能找到的仅56个到目前为止陨石的化学成分资料仍然是估计太阳系元素丰度及推断地球和地球内部化学成分的最有价值的依据 陨石的分类 分类依据：n n11）所含金属与硅酸盐之比值）所含金属与硅酸盐之比值n n22）结构）结构 n n33）化学成分）化学成分分类n n铁陨石铁陨石 n n石铁陨石石铁陨石 n n石陨石石陨石球粒陨石球粒陨石非球粒陨石非球粒陨石陨石的分类陨落和发现的陨石数目和频率陨落和发现的陨石数目和频率球粒陨石球粒陨石：具球粒，球粒一般由橄榄石和斜方辉石组成，而球粒间的基质常为镍铁，陨S铁，斜长石，橄榄石，辉石等。C群：碳质球粒陨石的特征是含有炭的有机化合物分子，并且主要由含水硅酸盐组成C石群陨少见，但在探讨太阳系元素丰度方面却具有特殊的意义，如1969年陨落于墨西哥北部的陨石，为III型C群，其化成（元素丰度）几乎同太阳中观察到的非挥性元素的丰度完全一致。E为顽辉石球粒陨石，H，L和LL分别代表高铁、低铁和极低铁普通球粒陨石，C为碳质球粒陨石球粒陨石各化学群的特征参数陨石的分类关于球粒的形成 北京大学：魏菊英北京大学：魏菊英P39P39n n A A：星云物质凝聚成液滴后冷凝形成球粒星云物质凝聚成液滴后冷凝形成球粒n n B B：由星云凝聚形成的各种固态物质，高速碰撞而由星云凝聚形成的各种固态物质，高速碰撞而重熔再由重熔的液滴冷凝形成球粒重熔再由重熔的液滴冷凝形成球粒n n C C：在太阳星云凝聚的晚期，由于星云的放电和太在太阳星云凝聚的晚期，由于星云的放电和太阳高亮度的照射，强击波的冲击，加热，使星云中阳高亮度的照射，强击波的冲击，加热，使星云中的固体凝聚物重熔而形成液滴。的固体凝聚物重熔而形成液滴。武地：武地：P16P16：在明显热的非平衡条件下，从热在明显热的非平衡条件下，从热的，低密度和部分电离的气体中直接凝聚出固的，低密度和部分电离的气体中直接凝聚出固态物质。态物质。也即球粒陨石可能代表着行星由凝也即球粒陨石可能代表着行星由凝集形成微星物质的碎块，而其它类型的陨石似集形成微星物质的碎块，而其它类型的陨石似乎可能为球粒陨石成分的物质经部分或完全熔乎可能为球粒陨石成分的物质经部分或完全熔融和分异发展形成融和分异发展形成陨石的同位素研究 根据根据陨石中辉石的氧同位素组成陨石中辉石的氧同位素组成，H.P.TaylorH.P.Taylor等等(1965)(1965)将石陨石分成了将石陨石分成了3 3组组:1).1).玄武质无球粒陨石玄武质无球粒陨石，紫苏无球粒陨石和中铁，紫苏无球粒陨石和中铁陨石。其中辉石的陨石。其中辉石的 1818O O值为值为3.74.4.3.74.4.2).2).紫苏橄榄球粒陨石紫苏橄榄球粒陨石，古铜橄榄球粒陨石，顽，古铜橄榄球粒陨石，顽火球粒陨石，顽火无球粒陨石和透辉橄榄无火球粒陨石，顽火无球粒陨石和透辉橄榄无球粒陨石，其中辉石的球粒陨石，其中辉石的 1818O O值为值为5.36.3.5.36.3.3).3).I.II.IIII.II.III类类C C石和橄石和橄-辉无球粒陨石辉无球粒陨石，其中橄榄，其中橄榄石和辉石的氧同位素组成变化非常明显，这石和辉石的氧同位素组成变化非常明显，这说明，它们与普通球粒陨石相比还没的达到说明，它们与普通球粒陨石相比还没的达到同位素平衡。同位素平衡。陨石的同位素研究据此，H.P.Taylor等认为:这3组陨石中的每一组内的陨石在成因上有联系，而在这3组之间,成因上联系不密切或没有联系，这些陨石很可能起源于太阳系中不同的部分：球粒陨石起源于小行星带；玄武质无球粒陨石和紫苏无球粒陨石起源于月球表面；炭质球粒陨石是彗星碎片。陨石的同位素研究另外R.N.clayton等1976年进一步采用18O-17O图研究碳质球粒陨石的氧同位素组成：得到以下结论1）多种来源的地球岩石样品，月岩样品以及顽火球粒陨石都落在一条斜率为0.52左右的直线（称地球线）上，这说明它们具有成因联系。陨石的同位素研究 2 2）II II类和类和IIIIII类碳质球粒陨石中无水高温矿类碳质球粒陨石中无水高温矿物的数据点落在与地球线完全不同的另一条物的数据点落在与地球线完全不同的另一条直线上，其斜率接近于直线上，其斜率接近于1 1，这不仅表明它们，这不仅表明它们与地球样品有不同的成因，而且表明它们本与地球样品有不同的成因，而且表明它们本身的氧同位素组成是不一致的，这就证实太身的氧同位素组成是不一致的，这就证实太阳星云的氧同位素组成也不是完全均一的。阳星云的氧同位素组成也不是完全均一的。R.N.R.N.claytonclayton等（等（19761976）认为，位于）认为，位于C C2 2CC3 3线线上的样品是二元混合的产物；一个端元组分上的样品是二元混合的产物；一个端元组分是正常的氧同位素组成与地球样品的氧同位是正常的氧同位素组成与地球样品的氧同位素组成相似；另一个端元组分为接近于纯素组成相似；另一个端元组分为接近于纯1616O O的氧，后一端元组分在太阳星云凝固以前就的氧，后一端元组分在太阳星云凝固以前就已存在，它包含在与地球形成过程关系不大已存在，它包含在与地球形成过程关系不大的星际颗粒中，在不同样品中，这两个端元的星际颗粒中，在不同样品中，这两个端元组分混合的比例是不同的组分混合的比例是不同的陨石的同位素研究3）在C2陨石中，含水硅酸盐基质的氧同位素组成沿着一条与地球线平行的分馏线分布，但往16O变富的方向移动了4墸这说明含水硅酸盐基质与地球样品的关系不密切，但这些基质间彼此有成因联系，因此能单独构成一类。陨石母体的演化太阳系元素的形成太阳系元素的形成初初始始太太阳阳星星云云的的形形成成。这这两两个个阶阶段段的的过过程程，陨石同月球和地球是一致的陨石同月球和地球是一致的 陨石球粒的形成陨石球粒的形成 陨石母体陨石母体小行星及类地行星的形成小行星及类地行星的形成 小行星体的局部或全部熔融小行星体的局部或全部熔融熔熔融融物物质质的的冷冷却却结结晶晶并并产产生生分分异异，行行星星壳壳层层构造的发育与增长构造的发育与增长陨陨石石母母体体的的破破裂裂。由由于于小小行行星星体体的的碰碰撞撞，使使陨陨石石母母体体破破裂裂，产产生生的的碎碎片片即即成成为为陨陨石石体体。宇宇宙宙线线长长期期照照射射陨陨石石体体形形成成大大量量宇宇宙宙成成因因核核，可可计计算算陨陨石石体体在在宇宇宙宙空空间间的的暴暴露露年年龄龄，也也就就是陨石母体破碎的年龄是陨石母体破碎的年龄陨石降落到地面陨石降落到地面陨石的成因 1 1)陨石是发生在太阳系中；陨石是发生在太阳系中；2)2)它们与小行星有许多共同之处；它们与小行星有许多共同之处；3)3)它它们们不不是是作作为为单单独独的的个个体体发发生生，而而是是一一个个较大的分裂物体的碎片；较大的分裂物体的碎片；4)4)石石陨陨石石与与地地球球上上基基性性及及超超基基性性火火成成岩岩的的化化学学组组成成和和矿矿物物组组成成的的连连续续性性证证明明，陨陨石石的的母母体在组成上和构造上与地球极为相似；体在组成上和构造上与地球极为相似；5)5)陨石的年龄与地球的年龄差不多，它们与陨石的年龄与地球的年龄差不多，它们与地球经历了相似的形成与演化过程。地球经历了相似的形成与演化过程。吉林陨石 1976年3月8日，吉林市郊区陨落了一场世上罕见的陨石雨，收到样重2700公斤，为高铁群普通球粒陨石。地球化学1978.1.吉林陨石雨研究专号。经过历年来多学科研究，利用多种当代先进技术对吉林陨石从形成到陨落的历史作了全面剖析，提出了世界上最为完整细致的陨石形成演化模式，最近还完成了宇宙照射历史研究，在世界上首次提出了陨石多阶段演化模式，并第一次成功地恢复了陨石母体的初始形态。吉林陨石的化学成分吉林陨石化学成分的研究意义 对三个地点搜集的陨石样品对三个地点搜集的陨石样品(1(1，2 2，5)5)号进行号进行化学全分析的结果表明不同地点陨落的陨石化化学全分析的结果表明不同地点陨落的陨石化学成分是非常接近的，属于学成分是非常接近的，属于普通球粒陨石中的普通球粒陨石中的高铁高铁(H)H)类型类型，与我国同类型的新沂球粒陨石、，与我国同类型的新沂球粒陨石、安龙球粒陨石等以及国外的同类型球粒陨石相安龙球粒陨石等以及国外的同类型球粒陨石相比，化学成分亦甚为相似。这说明比，化学成分亦甚为相似。这说明同类型的球同类型的球粒陨石虽然在陨落时间和地点上有所差异，或粒陨石虽然在陨落时间和地点上有所差异，或同一球粒陨石中部位虽然不同，但其化学成分同一球粒陨石中部位虽然不同，但其化学成分都具有共同性和同一性，这说明陨石雨的原始都具有共同性和同一性，这说明陨石雨的原始成分的均一性成分的均一性。某些镍铁含量的波动显然与大。某些镍铁含量的波动显然与大颗粒镍铁分布不均匀有关。颗粒镍铁分布不均匀有关。根据对吉林球粒陨石的根据对吉林球粒陨石的同位素年龄测定结果，同位素年龄测定结果，得出铅同位素年龄为得出铅同位素年龄为45.545.5亿亿a a，钾钾氩法测氩法测定为定为42.742.7亿亿a a，与地球与地球的年龄基本一致。这就的年龄基本一致。这就再次证明，落人地球上再次证明，落人地球上的陨石和地球均处于太的陨石和地球均处于太阳系的统一体中，有着阳系的统一体中，有着共同的发生过程。共同的发生过程。月球化学月球化学 月球概况n n基本参数基本参数 n n特点特点 n n概况概况 月岩和月球的化学组成n n月岩的概念及类型月岩的概念及类型 n n月球的化学组成月球的化学组成 n n月岩的研究意义月岩的研究意义 月球概况：基本参数月球距地球的平均距离为284，402公里半径为1738公里，体积为22109立方公里质量为7.353109克，密度为3.34g/cm3月球概况：特点1 1）无大气圈或大气圈非常薄，缺少水蒸气，无大气圈或大气圈非常薄，缺少水蒸气，并具还原性质，因此月球上岩石保持新鲜状并具还原性质，因此月球上岩石保持新鲜状态。态。2 2）据月面上的地震探测资料，月球内部分据月面上的地震探测资料，月球内部分层，但物质分异微弱。层，但物质分异微弱。月壳，月壳，6060公里公里 月球内部是分层的月球内部是分层的月幔，月幔，980980公里公里月核，月核，700700公里公里但月球表面岩石密度为但月球表面岩石密度为3.13.23.13.2g/cmg/cm3 3,而其平而其平均密度为均密度为3.343.34g/cmg/cm3 3，因此可知月球物质分异因此可知月球物质分异相当微弱。相当微弱。月球概况1）月壳的地形分为月海和高地两部分。n n月海：地势低洼，无水月海：地势低洼，无水n n高地：为山地地势高地：为山地地势2）月面大部分被一层疏松岩石，矿物颗粒和玻璃碎块以及少量陨石碎屑所覆盖，月岩破碎的原因，n n可能与陨石的冲击作用，可能与陨石的冲击作用，n n月面日夜温差大（月面日夜温差大（150150），岩石导热性），岩石导热性差有关。差有关。月球上的撞击坑登月行动美.阿波罗，苏.宇宙自动站，共取回380公斤月球表面物质样品（包括结晶岩石，未胶结的微粒物质，角砾岩和显微角砾岩）美国：宇宙登月仓Apollo11,12,14,15,16,17前苏：宇宙自动站Luna16,20,24月岩和月球的化学组成 月岩的概念及类型n n月海玄武岩月海玄武岩 n n高地斜长岩高地斜长岩 n n高地玄武岩高地玄武岩 月球的化学组成月岩的概念及类型月岩是月壳上结晶的岩石，主要有三种类型1）月海玄武岩：富铁玄武岩，主要分布在月球表面相对低洼的广阔的月海地区，主要由钙质斜长石，单斜辉石和钛铁矿等组成，常含有橄榄石，在化学成分上和地球上的大洋拉斑玄武岩相似，但TiO2和Fe含量较高月岩的概念及类型2 2）高地斜长岩高地斜长岩：组成月球高地的主要岩石，：组成月球高地的主要岩石，在化学成分上以富在化学成分上以富AlAl为特征，其为特征，其TiOTiO2 2 和和FeOFeO含量偏低，主要岩石类型是斜长岩，橄长岩，含量偏低，主要岩石类型是斜长岩，橄长岩，苏长岩和富斜长石的辉长岩苏长岩和富斜长石的辉长岩3 3）高地玄武岩高地玄武岩：由钙质斜长石，单斜辉石：由钙质斜长石，单斜辉石和钛铁矿三种矿物组成，同月海玄武岩相比，和钛铁矿三种矿物组成，同月海玄武岩相比，铁镁矿物和不透明矿物含量偏低，斜长石含铁镁矿物和不透明矿物含量偏低，斜长石含量偏高，富量偏高，富AlAln n在高地玄武岩中，有一种富在高地玄武岩中，有一种富K K，REEREE和和P P的岩石，的岩石，称为称为克里普（克里普（KREEPKREEP）岩岩，这种岩石地球上未曾发，这种岩石地球上未曾发现，是岩浆分异或残余熔浆结晶形成的富挥发份现，是岩浆分异或残余熔浆结晶形成的富挥发份的岩石的岩石月岩常量元素含量月岩微量元素含量月球的化学组成月球的化学组成 月球化学组成特点 与地球和陨石的相应资料相对比，月球与地球和陨石的相应资料相对比，月球n n月岩中碱金属和许多挥发份元素较贫月岩中碱金属和许多挥发份元素较贫：Bi,Hg,Bi,Hg,Zn,Zn,CdCd,TlTl,PbPb,GeGe,ClCl,Br,Brn n富含耐熔元素及富含耐熔元素及REEREE元素：元素：Ti,V,Cr,Ti,V,Cr,MnMn,Fe,Co,Fe,Co,Ni,Sc,Ni,Sc,ZrZr,NbNb,Mo,Y,Mo,Y这种这种成分特征反映了月岩形成于高温条件之成分特征反映了月岩形成于高温条件之下，并且说明月球同地球在化学成分上不属下，并且说明月球同地球在化学成分上不属于同一类于同一类。这一事实动摇了月球是由地球抛。这一事实动摇了月球是由地球抛出的一部分物质所形成的假说，同时支持了出的一部分物质所形成的假说，同时支持了月球是太阳系中的一个小行星或其它物体，月球是太阳系中的一个小行星或其它物体，后来被地球所捕获的观点后来被地球所捕获的观点月岩的研究意义 1）月球上缺水圈与大气圈，不发育风化作用，且月球31亿年前即已停止了活动，而地球则一直处于活动状态，因而对月球的研究有利于了解地球早期历史2）月岩年龄与地球相似，月海玄武岩相当于拉斑玄武岩3）月球中有可供人类利用的元素4）月岩早期火山活动即相当于地球火山带 元素丰度的概念和表示方法 太阳系的化学组成 地球的结构和化学组成 地壳的元素丰度 元素在岩石和矿物中的分配 主要内容主要内容地球的结构和化学组成地球和地壳是地球化学研究的主要对象和体系，了解地球内部物质的成分与状态是理解地壳中各类地球化学过程的基本前提地球内部资料不能直接观察到（目前最深的超深钻仅十几公里）因而现阶段人们对于地球内部结构、物质成分及状态的观察均是依据间接资料，尤其是地球物理资料地球的结构和化学组成地球的结构（构造）地球内部的地球化学特征地球的丰度n n估计方法估计方法 n n地球丰度的特点地球丰度的特点 n n关于地球丰度中惰性元素的缺失关于地球丰度中惰性元素的缺失 的解释的解释地球的结构（构造）地球的结构 外圈：大气圈、水圈、生物圈外圈：大气圈、水圈、生物圈上地壳上地壳地球地球地壳地壳下地壳下地壳上地幔上地幔内圈内圈地幔地幔过渡层过渡层 下地幔下地幔外核外核地核地核过渡层过渡层内核内核CrustMantleCoreAABCDBCDEFG 上上地地幔幔下下地地幔幔0-3560km400km920km2900km4640km5120km低速带60-250kmGuteaberg Disc.G.一级界面一级界面二级界面二级界面岩石圈，地壳，岩石圈，地壳，软流圈，相变软流圈，相变带，液态外核带，液态外核地球内部的地球化学特征借助于间接资料和地下浅层的观察，在一定借助于间接资料和地下浅层的观察，在一定的假设下做出理论估计，由地表向地下深处，的假设下做出理论估计，由地表向地下深处，随着压力的增大，不可避免地将引起化学作随着压力的增大，不可避免地将引起化学作用过程的改变用过程的改变1 1）h60kmh2900kmh2900km超高压条件（超高压条件（PP百万百万atmatm）“金金属化属化”核心，中心圈，无化学作用带核心，中心圈，无化学作用带地球内部的地球化学特征1 1）h60kmh2900km超高压条件（P百万atm）原子核外电子层完全破坏，电子呈自由状态，为所有原子核共有，从而不同的原子没有性质的不同，且不会发生化学作用，完全丧失了一般的化学性质地球的丰度地球的元素丰度是假定的和不确定的，其估计方法有：陨石类比法地球模型法（陨石类比法和陨石相法）地球物理类比法陨石类比法1）陨石类比法假定前提n nAA：陨石在太阳系内形成陨石在太阳系内形成n n B B：陨石与小行星带的物质相同陨石与小行星带的物质相同 n n C C：陨石是已破坏了的星体的碎片陨石是已破坏了的星体的碎片n n D D：产生陨石的母体，其内部结构和成产生陨石的母体，其内部结构和成分分布同地球相似分分布同地球相似陨石类比法2）分类n nA A：综合陨石类比法综合陨石类比法 ClarkeClarke以各种陨石类型的平均化学成分作为地以各种陨石类型的平均化学成分作为地球的类似成分，由于采用铁陨石比例过大，球的类似成分，由于采用铁陨石比例过大，导致铁丰度明显偏高（达导致铁丰度明显偏高（达6772%6772%），导致），导致误以为整个地球基本上是由铁或铁、镍合误以为整个地球基本上是由铁或铁、镍合金组成。金组成。n nB B：单一陨石类比法单一陨石类比法 AhrensAhrens，19651965直接用维诺格拉多夫直接用维诺格拉多夫19621962年，计算的球年，计算的球粒陨石的平均含量来代表整个地球的元素粒陨石的平均含量来代表整个地球的元素丰度。突出特点：铁明显偏低，丰度。突出特点：铁明显偏低，25.1%25.1%地球模型陨石类比法A A：WashingtonWashington，将地球分将地球分6 6圈圈n n1 1）地核，以铁陨石代表）地核，以铁陨石代表n n2 2）石源层（）石源层（LithosporicLithosporicShellShell）以陨石的镍、铁成以陨石的镍、铁成分和石铁陨石（两者同等劝重）的平均化学成分分和石铁陨石（两者同等劝重）的平均化学成分为代表。为代表。n n3 3）铁源层（）铁源层（FerrosporicFerrosporicShellShell），），陨石平均化学成陨石平均化学成分代表分代表n n4 4）橄榄岩层：无球粒陨石平均化学成分代表）橄榄岩层：无球粒陨石平均化学成分代表n n5 5）玄武岩层：以戴利玄武岩平均化学成分代表）玄武岩层：以戴利玄武岩平均化学成分代表n n6 6）花岗岩层：以）花岗岩层：以CLARKECLARKE和和WASHINGTONWASHINGTON的火的火成岩平均化学成分，然后以地圈质量加权平均法成岩平均化学成分，然后以地圈质量加权平均法求出整个地球主要元素丰度。求出整个地球主要元素丰度。地球模型陨石类比法B：MasonSMT认为地球总体成分基本取决于地幔和地核的成分和相对质量（M）99%），并假定地球物理类比法我国黎彤1976年采用，壳层模型地球物理类比法n n1 1）首先采用布伦（）首先采用布伦（B Bullenullen）的固体地球物的固体地球物理模型划分层壳，求出这些层壳的质量及理模型划分层壳，求出这些层壳的质量及其比值其比值n n2 2）按一定的物质代表成分，分别求出各）按一定的物质代表成分，分别求出各层壳的元素丰度层壳的元素丰度33）以层壳质量加权平均法求出整个地球）以层壳质量加权平均法求出整个地球的元素丰度的元素丰度地球物理类比法1）采用布伦（Bullen）提出的地球壳层模型划分：A A：地壳地壳 AA四个壳层的质量百分数为四个壳层的质量百分数为0.4%0.4%B B：上地幔，上地幔，B+CB+C，27.17%27.17%C C：下地幔下地幔 D40.4%D40.4%D D；地核地核（E+F+GE+F+G）31.5%31.5%地球物理类比法2 2）根据地球物理资料选择了四个壳层的物质成根据地球物理资料选择了四个壳层的物质成分分A A：地壳成分地壳成分 他和饶纪龙他和饶纪龙19651965地壳元素丰度来代表地壳元素丰度来代表B B：上地幔成分，以上地幔成分，以RINGWOODRINGWOOD地幔岩的成分代表地幔岩的成分代表C C：下地幔，超基性岩下地幔，超基性岩+20%+20%的铁橄榄岩成分代表的铁橄榄岩成分代表 D