地球化学基础第二章优秀PPT.ppt
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1、地球化学基础课件第二章第1页,本讲稿共62页一一.自然体系(地球化学体系)自然体系(地球化学体系)按照地球化学的观点,我们将所要按照地球化学的观点,我们将所要研究研究的对象的对象看作是一个看作是一个地球化学体系地球化学体系。地球化学体系的特点是:地球化学体系的特点是:(1 1)有一定的空间;有一定的空间;(2 2)一定的物理化学条件下(温度、压一定的物理化学条件下(温度、压力、力、pHpH、EhEh等等),处于特定的物理化学状处于特定的物理化学状态;态;第2页,本讲稿共62页(3 3)有一定的时间连续性。有一定的时间连续性。地球化学体系可大可小:一个地球化学体系可大可小:一个矿矿物或岩石单位物
2、或岩石单位可看作是一个地球化学可看作是一个地球化学体系;一个体系;一个区域或地壳、地球、太区域或地壳、地球、太阳系阳系,甚至,甚至整个宇宙整个宇宙也可看作是一个也可看作是一个地球化学体系,都可作为一个地球化地球化学体系,都可作为一个地球化学的研究对象。学的研究对象。第3页,本讲稿共62页二二.复杂系统及其组成研究方复杂系统及其组成研究方法法复杂系统复杂系统:多元(有多元(有内部结构内部结构)组成,系统内)组成,系统内组成组成不均一不均一。确定系统组成的方法确定系统组成的方法:a.a.直接采样直接采样;b.b.光谱分析光谱分析;c.c.由物质的物理由物质的物理性质与成分的对应关系进行推测。性质与
3、成分的对应关系进行推测。第4页,本讲稿共62页估算系统总体化学组成的方法:估算系统总体化学组成的方法:a.a.用用主体主体代表整体(如用太阳的组成代表整体(如用太阳的组成代表太阳系);代表太阳系);b.b.在已知各部分成分后,由各部分组成在已知各部分成分后,由各部分组成加权平均加权平均求整体化学组成(如用上中下地求整体化学组成(如用上中下地壳组成求整体地球的化学组成);壳组成求整体地球的化学组成);c.c.在在拟定模型拟定模型的基础上,求系统的化学的基础上,求系统的化学组成(如用陨石对比法求地球的化学组成)组成(如用陨石对比法求地球的化学组成)。第5页,本讲稿共62页三、元素的丰度、分布与分配
4、三、元素的丰度、分布与分配 1 1、分布与丰度分布与丰度 体系中元素的含量通常指元素相对含量体系中元素的含量通常指元素相对含量的平均值。的平均值。“丰度丰度”即元素在一个体系中即元素在一个体系中的相对含量的相对含量,又称为元素在体系中的又称为元素在体系中的“分布分布”。体系中元素的体系中元素的丰度值丰度值只反映元素分布的只反映元素分布的一个特征,即元素在体系中分布的趋近倾一个特征,即元素在体系中分布的趋近倾向(平向(平均值均值)。实际上,元素在体系)。实际上,元素在体系空间空间上的分布是不均一上的分布是不均一的,在较大的体系中这的,在较大的体系中这一特征往往更显著。也就是说一特征往往更显著。也
5、就是说分布分布还应反还应反映元素在体系中的映元素在体系中的离散程度离散程度。第6页,本讲稿共62页2 2、分布与分配的关系分布与分配的关系:分布是分布是整体整体,分配,分配是是局部局部.分布分布:是指元素在研究体系中(太阳、陨石、地是指元素在研究体系中(太阳、陨石、地球、地壳、地区等)的球、地壳、地区等)的总体平均总体平均含量。含量。分配分配:指的是元素在研究体系中指的是元素在研究体系中各部分各部分或各区段或各区段中的含量。中的含量。第7页,本讲稿共62页绝对含量单位绝对含量单位相对含量单位相对含量单位T吨吨0/0百分之百分之.10-2Kg千克千克0/00千分之千分之.10-3g克克mg毫克毫
6、克 g()微克微克ppm,/g,g/g,g/T,百万分之百万分之10-6ng毫微克毫微克ppb,ng/g,十亿分之十亿分之10-9pg微微克微微克ppt,pg/g万亿分之万亿分之10-12四四.地球化学研究中常用的含量单位地球化学研究中常用的含量单位第8页,本讲稿共62页1.1.元素丰度是每一个地球化学元素丰度是每一个地球化学体系的基本数据体系的基本数据 可在同一体系或不同体系中用元素的含量值来进可在同一体系或不同体系中用元素的含量值来进行比较,通过行比较,通过纵向(时间)纵向(时间)、横向(空间)横向(空间)上的比上的比较,了解元素较,了解元素动态动态情况,从而建立起元素情况,从而建立起元素
7、集中、集中、分散、迁移活动分散、迁移活动等一些地球化学概念。等一些地球化学概念。人类在探索和了解元素丰度这一课题时人类在探索和了解元素丰度这一课题时建立了建立了近代地球化学。近代地球化学。举例来加深对元素丰度意义的理解!举例来加深对元素丰度意义的理解!五五.研究元素丰度的意义研究元素丰度的意义第9页,本讲稿共62页时间尺度:时间尺度:Ir Ir 元素丰度在元素丰度在K/EK/E界线上的突变,意味着什么?界线上的突变,意味着什么?空间尺度:空间尺度:在世界各地在世界各地K/EK/E界面上界面上Ir Ir 元素丰度亦有相似的变异,这示踪着什么元素丰度亦有相似的变异,这示踪着什么?:18O,13C突
8、变突变Ir(10-9)实例实例西班牙西班牙BarrancodelGrederoK/E剖面剖面Ir含量的变化含量的变化第10页,本讲稿共62页2.2.研研究究元元素素丰丰度度也也是是地地球球科科学学基基础础理理论论问问题的重要素材之一。题的重要素材之一。宇宙天体是怎样起源的?宇宙天体是怎样起源的?地球又是如何形成的?地球又是如何形成的?生命是怎样产生和演化的?生命是怎样产生和演化的?.这些都离不开元素丰度、分布的研究。这些都离不开元素丰度、分布的研究。第11页,本讲稿共62页本章学习的核心目标本章学习的核心目标1 1、从从前前人人研研究究资资料料中中认认识识各各地地球球化化学学体系中元素分布的特
9、征和规律;体系中元素分布的特征和规律;2 2、了解获得这些资料的指导思想和了解获得这些资料的指导思想和途径。途径。第12页,本讲稿共62页1 1 元素在太阳系中的分布规律元素在太阳系中的分布规律陨石是从星际空间降落到地球表面上来的行星物体的碎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,具有重要的研究意片。陨石是空间化学研究的重要对象,具有重要的研究意义:义:它是认识宇宙天体、行星的成分、性质它是认识宇宙天体、行星的成分、性质及其演化的最易获取、数量最大的及其演化的最易获取、数量最大的地外物地外物质质;也是认识地球的组成、内部构造和起源也是认识地球的组成、内
10、部构造和起源的主要资料来源;的主要资料来源;一、陨石的化学成分一、陨石的化学成分第13页,本讲稿共62页陨石中的陨石中的60多种多种有机化合物有机化合物是非生物是非生物合成的合成的“前生物物质前生物物质”,对探索生命前期,对探索生命前期的化学演化开拓了新的途径;的化学演化开拓了新的途径;可作为某些元素和同位素的可作为某些元素和同位素的标准样品标准样品(稀土元素,铅、硫同位素。如美国(稀土元素,铅、硫同位素。如美国CanyonDiable铁陨石铁陨石中的中的Pb、S同位素同位素组成,已经作为组成,已经作为地球初始地球初始Pb同位素组成和同位素组成和碳同位素的标准样品碳同位素的标准样品)。)。第1
11、4页,本讲稿共62页1.1.陨石类型陨石类型 陨陨石石主主要要是是由由镍镍-铁铁合合金金、结结晶晶硅硅酸酸盐盐或或两两者者的的混混合合物物所所组组成成,按按成份分为三类:成份分为三类:1 1)铁铁陨陨石石(sideritesiderite)主主要要由由金金属属Ni,Ni,FeFe(占占98%98%)和和少少量量其他元素组成(其他元素组成(Co,S,P,Cu,Cr,CCo,S,P,Cu,Cr,C等)。等)。2 2)石陨石石陨石(aeroliteaerolite)主要由硅酸盐矿物组成(橄榄石、辉石)。)主要由硅酸盐矿物组成(橄榄石、辉石)。据是否含有球粒硅酸盐结构据是否含有球粒硅酸盐结构 球粒陨石
12、球粒陨石 无球粒陨石无球粒陨石 球球粒粒陨陨石石又又进进一一步步分分为为石石质质球球粒粒陨陨石石和和炭炭质质球球粒粒陨陨石石两两类类,以以前者为主,后者稀少。前者为主,后者稀少。第15页,本讲稿共62页 炭炭质质球球粒粒陨陨石石的的特特征征:由由碳碳的的有有机机化化合合分分子子和和含含水水硅硅酸酸盐盐组组成成。其其数数量量虽虽稀稀少少,但但却却具具有有特特殊殊的的研研究究意意义义,主主要要表现在:表现在:探讨探讨生命起源生命起源;代代 表表 太太 阳阳 星星 云云 平平 均均 化化 学学 成成 分分(Allende Allende 炭炭质质球球粒粒陨陨石石的的元元素素丰丰度度几几乎乎与与太太阳
13、阳中中观观察察到到的的非非挥挥发发性性元元素素丰丰度完全一致)。度完全一致)。第16页,本讲稿共62页3)3)铁铁-石石陨陨石石(sidrolitesidrolite)由由数数量量上上大大体体相相等等的的FeFe、NiNi和和硅硅酸酸盐盐矿矿物物组组成成(过过渡渡类型)。类型)。陨陨石石的的主主要要矿矿物物组组成成:FeFe、Ni Ni 合合金金、橄橄榄榄石石、辉辉石石等等。陨陨石石中中共共发发现现140140种种矿矿物物,其其中中3939种种在在地地球球(地地壳壳浅浅部部)上上未未发发现现过过。例例如如 褐褐硫硫钙钙石石(CaSCaS),陨硫铁(陨硫铁(FeSFeS)。)。这是为什么?还原环
14、境这是为什么?还原环境 第17页,本讲稿共62页2.陨石的平均化学成分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: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;首先要了解各种陨石的平均化学成分;其其次次要要统统计计各各类类陨陨石石的的比比例例。(V.M.Goldschmidt V.M.Goldschmidt 采采用用硅硅酸盐:镍酸盐:镍-铁:陨硫铁铁:陨硫铁=10=10:2 2:1 1)其平均成分计算结果如下:其平均成分计算结果如下:元素元素OFeSiMgSNiAl%32.3028.8016.3012.302.121.571.38CaNaCr
15、MnKTiCoP1.330.600.340.210.150.130.120.11第18页,本讲稿共62页3.3.研究陨石的新进展研究陨石的新进展 地外物体(陨石、小行星)撞击地球,将突然改变地表的生地外物体(陨石、小行星)撞击地球,将突然改变地表的生态、环境态、环境,诱发大量生物灭绝,构成了地球演化史中频繁而影响诱发大量生物灭绝,构成了地球演化史中频繁而影响深远的灾变事件,为此深远的灾变事件,为此,对探讨生态环境变化、古生物演化和地对探讨生态环境变化、古生物演化和地层划分均具重要的意义。层划分均具重要的意义。(1 1)撞击坑和玻璃陨石(柯石英、超石英及冲击玻璃撞击坑和玻璃陨石(柯石英、超石英及
16、冲击玻璃)(2 2)生态环境灾变与生物灭绝地球化学证据(生态环境灾变与生物灭绝地球化学证据(E/KE/K、T/PT/P)(3 3)预测与防止(陨石、小行星撞击事件)预测与防止(陨石、小行星撞击事件)(4 4)陨石中有机质陨石中有机质:研究研究生命前期生命前期有机质形成和演化,探索有机质形成和演化,探索地球地球生命物质起源生命物质起源。第19页,本讲稿共62页铁陨石铁陨石陨石坑陨石坑第20页,本讲稿共62页二、太阳系元素丰度规律1 1获得太阳系元素丰度资料的主要途径:获得太阳系元素丰度资料的主要途径:太太阳阳、恒恒星星、星星际际介介质质和和星星系系元元素素丰丰度度的的光光谱谱与与射射电电测测定;
17、定;地地球球、月月球球、陨陨石石、宇宇宙宙尘尘埃埃样样品品的的实实验验室室精精细细分分析和广泛的测定;析和广泛的测定;利利用用空空间间探探测测器器对对行行星星大大气气、表表层层土土壤壤和和岩岩石石成成分的分析;(探路者号、火星)分的分析;(探路者号、火星)太阳风、宇宙线成分测定等太阳风、宇宙线成分测定等 估估算算太太阳阳系系元元素素丰丰度度时时,各各个个学学者者选选取取太太阳阳系系的的物物体体是是不不同的同的.第21页,本讲稿共62页19891989年,年,Anders Anders 发表了太阳系元素发表了太阳系元素和核素最新资料如下:和核素最新资料如下:表表2 21 1太阳系元素丰度太阳系元
18、素丰度(10106 6 SiSi原子原子)(数据表示每(数据表示每106个硅原子中该元素的原子数)个硅原子中该元素的原子数)这是一种估计值,是反映人类当前对太阳系这是一种估计值,是反映人类当前对太阳系的认识水平。的认识水平。它反映了元素在太阳系分布的总体规律。它反映了元素在太阳系分布的总体规律。元素元素1H2He3Li.Andersetal.(1989)2.7910102.7210957.1资料来源资料来源Abundancesoftheelement:Meteoriticandsolar,Cosmochim.Acta,1989,53(1),198-200第22页,本讲稿共62页把太阳系元素丰度
19、的数值取对数把太阳系元素丰度的数值取对数lgC作纵坐标,原子序数(作纵坐标,原子序数(Z)作横坐标)作横坐标。2、太阳系元素丰度规律第23页,本讲稿共62页1)1)在所有元素中在所有元素中H,HeH,He占绝对优势占绝对优势,H,H占占90%,He90%,He占占8%8%。2 2)太阳系元素的太阳系元素的丰度随着原子序数丰度随着原子序数(Z)的增大的增大而减少而减少,曲线开始下降很陡,以后逐渐变缓。在曲线开始下降很陡,以后逐渐变缓。在原子序数大于原子序数大于4545的重元素范围内,丰度曲线近于的重元素范围内,丰度曲线近于水平,丰度值几乎不变。水平,丰度值几乎不变。3 3)偶序数元素的丰度偶序数
20、元素的丰度()大于相邻奇序数元素的大于相邻奇序数元素的丰度丰度(),这一规律称之为这一规律称之为Oddo-HarkinsOddo-Harkins(奥多(奥多-哈金斯)法则。哈金斯)法则。第24页,本讲稿共62页4 4)与以上的规律相比,与以上的规律相比,Li,Be,B,ScLi,Be,B,Sc具有与它们原子序具有与它们原子序数不相称的数不相称的低低丰度,在较轻元素中丰度,在较轻元素中亏损亏损;而;而O O和和FeFe呈呈明显的峰值,其丰度显著偏明显的峰值,其丰度显著偏高高,为,为过剩过剩元素。元素。5 5)原子序数或中子数为原子序数或中子数为“幻数幻数”(2 2、8 8、2020、5050、8
21、282和和128128等)的核素分布最广,丰度最大。如:等)的核素分布最广,丰度最大。如:4 4HeHe(Z=2,N=2),Z=2,N=2),1616O(Z=8,N=8),O(Z=8,N=8),4040Ca(Z=20,Ca(Z=20,N=20)N=20)等。等。这这些些规规律律是是表表象象,其其原原因因是是什什么么?与与元元素素本本身身原原子子结构有关、结构有关、与元素形成的整个过程有关。与元素形成的整个过程有关。第25页,本讲稿共62页自学思考题自学思考题:(1 1)为什么太阳系中只有前为什么太阳系中只有前1010种元素起主导作用?种元素起主导作用?(2 2)为什么太阳系元素丰度随元素序数增
22、加而逐渐降低?为什么太阳系元素丰度随元素序数增加而逐渐降低?(3 3)Li,Li,Be,Be,B B的的丰丰度度为为什什么么会会亏亏损损?(参参考考书书:陨陨石石、地地球球、太阳系太阳系 法法 阿莱格尔,地质出版社)阿莱格尔,地质出版社)三三 、地球的结构和化学成分、地球的结构和化学成分 (自学)自学思考题:自学思考题:(1 1)地球各层圈元素丰度特征?地球各层圈元素丰度特征?(2 2)地球中元素的分异是如何造成的?地球中元素的分异是如何造成的?第26页,本讲稿共62页22地壳元素的丰度地壳元素的丰度研究地壳元素丰度是地球化学的一项重要的基础任务。地研究地壳元素丰度是地球化学的一项重要的基础任
23、务。地壳丰度是地球各层圈中研究最详细和较正确的。壳丰度是地球各层圈中研究最详细和较正确的。一、地壳元素丰度确定的方法一、地壳元素丰度确定的方法1.1.早期克拉克计算法早期克拉克计算法:是由美国是由美国F.W.ClarkeF.W.Clarke和和H.S.WashingtonH.S.Washington于于19241924年发表的地球年发表的地球化学资料中计算出来的。化学资料中计算出来的。他们的思路是在地壳上部他们的思路是在地壳上部1616公里范围内(最高的山公里范围内(最高的山脉和最深海洋深度接近脉和最深海洋深度接近1616公里)分布着公里)分布着95%95%的岩浆岩,的岩浆岩,4%4%的页岩,
24、的页岩,0.75%0.75%的砂岩,的砂岩,0.25%0.25%的灰岩,而这的灰岩,而这5%5%沉积岩也是岩浆岩派生的,因此认为岩浆岩的平均化沉积岩也是岩浆岩派生的,因此认为岩浆岩的平均化学成分实际上可以代表地壳的平均化学成分。学成分实际上可以代表地壳的平均化学成分。第27页,本讲稿共62页作法:作法:在在世世界界各各大大洲洲和和大大洋洋岛岛屿屿采采集集了了51595159个个不不同同岩岩浆浆岩岩样样品品,其其样样品品的的数数量量相相当当于于这这些些样样品品在在地地球球表表面面分分布布面面积的比例;积的比例;对对5353种元素进行了定量的化学分析;种元素进行了定量的化学分析;采采用用岩岩石石圈
25、圈、水水圈圈、大大气气圈圈的的质质量量比比值值为为93%93%、7%7%、0.03%;0.03%;计算时用算术平均求出整个地壳的平均值。计算时用算术平均求出整个地壳的平均值。意义:意义:开创性的工作,为地球化学发展打下了良好的基础;开创性的工作,为地球化学发展打下了良好的基础;代表陆地区域岩石圈成分,其数据至今仍有参考代表陆地区域岩石圈成分,其数据至今仍有参考价值。价值。第28页,本讲稿共62页2 2简化研究法(取巧研究法):简化研究法(取巧研究法):1 1)GoldschmidtGoldschmidt采集了挪威南部冰川成因粘土(采集了挪威南部冰川成因粘土(7777个样)用其成分代表岩石圈平均
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