地球化学化学元素丰度与分布.ppt

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1、2.1 2.1 元素丰度的概念和表示方法元素丰度的概念和表示方法2.1.1 2.1.1 丰度和丰度体系丰度和丰度体系 因此，元素丰度就是化学元素在一定自然体中的相对因此，元素丰度就是化学元素在一定自然体中的相对平均含量。如元素的地壳丰度，元素的地球丰度，元素的太平均含量。如元素的地壳丰度，元素的地球丰度，元素的太阳系丰度等。如果这个自然体占据一个较小的空间位置时，阳系丰度等。如果这个自然体占据一个较小的空间位置时，习惯上称为元素的平均含量。如玄武岩中元素的平均含量，习惯上称为元素的平均含量。如玄武岩中元素的平均含量，某矿区中元素的平均含量等。某矿区中元素的平均含量等。1.一种化学元素在某个自然

2、体中的重量占这个自一种化学元素在某个自然体中的重量占这个自然体总重量的相对份额（如百分数），称为该元然体总重量的相对份额（如百分数），称为该元素在自然体中的丰度。素在自然体中的丰度。火山角砾岩火山角砾岩2.2.地球化学的体系：泛指一定范围内或同类的地球化学的体系：泛指一定范围内或同类的事物按照一定的秩序和内部联系组合而成的整事物按照一定的秩序和内部联系组合而成的整体，体系可大可小。体，体系可大可小。目前已建立的元素丰度体系目前已建立的元素丰度体系（1 1）克拉克值：是地壳中元素的重量百）克拉克值：是地壳中元素的重量百分数的丰度单位。分数的丰度单位。（2 2）区域克拉克值：是指地壳不同构造）区域

3、克拉克值：是指地壳不同构造单元中元素的丰度值。如克拉通地壳单元中元素的丰度值。如克拉通地壳元素丰度值。元素丰度值。3.3.与丰度相关的名词与丰度相关的名词 （3）丰度系数：）丰度系数：是指某一自然体的元素丰度与另一个可作为是指某一自然体的元素丰度与另一个可作为背景的自然体的元素丰度的比值。背景的自然体的元素丰度的比值。例：以地球丰度为背境，则地壳中该元素的丰度例：以地球丰度为背境，则地壳中该元素的丰度系数定义为：系数定义为：K=地壳丰度地壳丰度/地球丰度地球丰度当当K1时，称为富集，当时，称为富集，当K1时，称为亏损。时，称为亏损。MORB-normalized Spider Diagrams

4、Figure2.Winter(2001)An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology.Prentice Hall.Data from Sun and McDonough(1989).4.4.研究元素和同位素丰度与分布的意义研究元素和同位素丰度与分布的意义研研究究元元素素丰丰度度是是研研究究地地球球化化学学基基础础理理论论问问题题的重要素材之一的重要素材之一 宇宙天体是怎样起源的？地球又是如何形成的？宇宙天体是怎样起源的？地球又是如何形成的？地壳与地幔中的主要元素有什么不一样？生命体是地壳与地幔中的主要元素有什么不一样？生命体是怎么产生

5、和演化的？这些研究都离不开地球化学体怎么产生和演化的？这些研究都离不开地球化学体系中元素丰度分布特征和规律。系中元素丰度分布特征和规律。元素丰度是每一个地球化学体系的基本数据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，较，通过纵向（时间）、横向（空间）上的比较，了解元素动态情况，从而建立起元素集中、分散、了解元素动态情况，从而建立起元素集中、分散、迁移活动等一些地球化学概念。从某种意义上来说，迁移活动等一些地球化学概念。从某种意义上来说，也就是在探索和了解丰度这一课题的过

6、程中，逐渐也就是在探索和了解丰度这一课题的过程中，逐渐建立起近代地球化学。建立起近代地球化学。2.1.2 2.1.2 丰度表示法丰度表示法重量百分数重量百分数（wt）用于常量元素用于常量元素克克/吨吨（g/t）或）或ppm用于微量元素用于微量元素毫克毫克/吨吨（mg/t）或）或ppb常用于超微量常用于超微量元素元素微克微克/吨吨（g/t）或）或ppt1 1、重量丰度：以重量单位表示的元素丰度。、重量丰度：以重量单位表示的元素丰度。(partspermillion，10-6）；）；(partsperbillion，10-9）；）；(partspertrillion，10-12）；）；PPm:PP

7、b：PPt：2 2、原子丰度，以原子百分数（原子）表、原子丰度，以原子百分数（原子）表示的某元素在全部元素的原子总数中的分示的某元素在全部元素的原子总数中的分数。数。3 3、相对丰度，常以原子数、相对丰度，常以原子数/10/106 6硅原子为单硅原子为单位。常用于宇宙元素丰度，所以又称为宇位。常用于宇宙元素丰度，所以又称为宇宙丰度单位。宙丰度单位。2.2太阳系的化学组成太阳系的化学组成2006年年8月月24日，在布拉格召开的国际天文学日，在布拉格召开的国际天文学联合会上，天文学家投票联合会上，天文学家投票“驱逐驱逐”了冥王星。了冥王星。（1 1）行星：水星、金星、地球、火星、）行星：水星、金星

8、、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星木星、土星、天王星、海王星定义：围绕太阳运转，自身引力足以克定义：围绕太阳运转，自身引力足以克服其刚体力而使天体呈圆球状，并且能服其刚体力而使天体呈圆球状，并且能够清除其轨道附近其他物体的天体。够清除其轨道附近其他物体的天体。1.太阳系天体分为三类：太阳系天体分为三类：（2 2）矮行星：冥王星，齐娜星、谷神）矮行星：冥王星，齐娜星、谷神星星定义：与行星同样具有足够的质量，呈定义：与行星同样具有足够的质量，呈圆球状，但不能清除其轨道附近其他物圆球状，但不能清除其轨道附近其他物体的天体。体的天体。（3 3）太阳系小天体）太阳系小天体定义：围绕太阳运转但不符合

9、行星和矮定义：围绕太阳运转但不符合行星和矮行星条件的物体。行星条件的物体。对太阳及其它星体辐射的光谱进行定性、对太阳及其它星体辐射的光谱进行定性、定量测定。定量测定。但这些资料有两个局限性：一是有些元素产生的波但这些资料有两个局限性：一是有些元素产生的波长小于长小于29002900，这部分谱线在通过地球化学大气圈，这部分谱线在通过地球化学大气圈时被吸收而观察不到；二是这些光谱产生于表面，时被吸收而观察不到；二是这些光谱产生于表面，它只能说明表面成分，如太阳光谱是太阳气产生的，它只能说明表面成分，如太阳光谱是太阳气产生的，只能说明太阳气的组成只能说明太阳气的组成。2.2.确定太阳系元素组成的途径

10、确定太阳系元素组成的途径太阳光谱太阳光谱光谱分析光谱分析:由名为麦克梅斯由名为麦克梅斯.皮尔皮尔斯斯(McMath-Pierce)的太阳的太阳塔所产生的光谱图。光谱图塔所产生的光谱图。光谱图中的暗线，是因为太阳表面中的暗线，是因为太阳表面和上方的气体对来自太阳内和上方的气体对来自太阳内部的阳光选择性吸收的结果。部的阳光选择性吸收的结果。因为不同种类的气体会吸收因为不同种类的气体会吸收不同颜色的光，所以从这些不同颜色的光，所以从这些吸收暗线，我们可以定出太吸收暗线，我们可以定出太阳表面的气体组成。阳表面的气体组成。例如，氦就是在例如，氦就是在1,870年首先在太阳光谱中发现的年首先在太阳光谱中发

11、现的新元素，后来才在地球找到新元素，后来才在地球找到它的踪迹。它的踪迹。宇航员宇航员月球车月球车火星车火星车直接测定地球岩石、月球岩石和各类陨石；直接测定地球岩石、月球岩石和各类陨石；上个世纪七十年代美国上个世纪七十年代美国“阿波罗阿波罗”飞船登月，采飞船登月，采集了月岩、月壤样品，集了月岩、月壤样品，19971997年美国年美国“探路者探路者”号，号，20042004年美国的年美国的“勇敢者勇敢者”“”“机遇机遇”号火星探测器测定号火星探测器测定了火星岩石的成分。了火星岩石的成分。利用宇宙飞行器对临利用宇宙飞行器对临近地球的星体进行观察近地球的星体进行观察和测定；和测定；分析测定气体星云、分

12、析测定气体星云、星际间物质和宇宙线的星际间物质和宇宙线的组成组成 金星金星 对对于于太太阳阳系系元元素素丰丰度度的的估估算算，各各类类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同的的。有有的的主主要要是是根根据据太太阳阳和和其其它它行行星星光光谱谱资资料料及及陨陨石石物物质质测测定定；有有的的根根据据CICI型型球球粒粒陨陨石石。再再加加上上估算方法不同，得出的结果也不尽相同。估算方法不同，得出的结果也不尽相同。序号元素推荐值相对误差(1sigma)序号元素推荐值相对误差(1sigma)1H2.79E+10-47Ag0.4862.9%2He2.72E+09-48Cd1.616.5%3L

13、i57.19.2%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%下表列出了下表列出了GERM（1998，）的太阳系元素丰度，）的太阳系元素丰度（单位：原子数（单位：原子数/106Si原子）（原子）（GERM：http:/earthref.org/GERM/index.html）。）。首先这是一种估计值，是反映目前人类对首先这是一种估计值，是反映目前人类对太阳系的认识水平，这个估计值不可能是完全太阳系的认识水平，这个估计值不可能是

14、完全正确的，随着人们对太阳系以至于宇宙体系的正确的，随着人们对太阳系以至于宇宙体系的探索的不断深入，这个估计值会不断的修正；探索的不断深入，这个估计值会不断的修正；数据虽然还是很粗略的，但从总的方面来数据虽然还是很粗略的，但从总的方面来看，它反映了元素在太阳系分布的总体规律。看，它反映了元素在太阳系分布的总体规律。对于这样的数据我们应给与一个正确的评对于这样的数据我们应给与一个正确的评价：价：3.3.太阳系的形成及元素的起源太阳系的形成及元素的起源1 1）太阳系物质的同源性）太阳系物质的同源性 地球、月球、陨石的地球、月球、陨石的135135Ba/Ba/136136BaBa只在只在0.01%0

15、.01%范范围内变化。围内变化。2 2）太阳星云的凝聚过程及物质分异）太阳星云的凝聚过程及物质分异 太阳星云自转加速太阳星云自转加速=星云盘星云盘+原太阳原太阳=温度增高温度增高引起星云盘内的物质分馏。引起星云盘内的物质分馏。元素的化学分馏元素的化学分馏=随温度降低的凝聚随温度降低的凝聚=凝聚物聚凝聚物聚集为尘层、粒子团、星子、行星集为尘层、粒子团、星子、行星3 3）行星形成方式）行星形成方式不均一的吸积说不均一的吸积说首先吸积金属铁，然后吸积硅酸盐。首先吸积金属铁，然后吸积硅酸盐。均一的吸积说均一的吸积说吸积过程的物质成分是均匀的，核、幔在吸积过程的物质成分是均匀的，核、幔在后来的演化过程中

16、形成。后来的演化过程中形成。A A.大爆炸宇宙的核合成过程（大爆炸宇宙的核合成过程（H H、HeHe和少量和少量LiLi、BeBe、B B）大爆炸诞生时只存在高密度的基本粒子（质子，中子，电子等）大爆炸诞生时只存在高密度的基本粒子（质子，中子，电子等）和反粒子（反质子，反中子，反电子等），当温度降到和反粒子（反质子，反中子，反电子等），当温度降到10101212K K时时,发生发生氢核聚变氢核聚变反应：反应：1 1H+H+1 1H=H=2 2D+D+0.422MeV+0.422MeV2 2D+D+1 1H=H=3 3He+He+5.493MeV+5.493MeV3 3He+He+3 3He=H

17、e=4 4He+2He+21 1H+12.859MeVH+12.859MeV4 4）元素起源（假说）元素起源（假说）B.B.随后发生氦核聚变反应：随后发生氦核聚变反应：当恒星内部的氢全部转变为氦以后，氢核当恒星内部的氢全部转变为氦以后，氢核聚变停止。此时恒星内部收缩，温度升聚变停止。此时恒星内部收缩，温度升高到高到10010010106 6K K，氦核聚变开始。，氦核聚变开始。4 4He+He+4 4He=He=8 8Be Be 8 8Be+Be+4 4He=He=1212C+C+1212C+C+4 4He=He=1616O O1616O+O+4 4He=He=2020NeNe2020NeNe

18、 +4 4He=He=2424MgMg2424MgMg +4 4He=He=2828SiSi2828SiSi +4 4He=He=3232S (S (3636Ar,Ar,4040CaCa等等)由于在原子核和粒子之间存在正的静电斥力，由于在原子核和粒子之间存在正的静电斥力，因此通过氦核聚合方式产生的新原子核的质量是因此通过氦核聚合方式产生的新原子核的质量是有限的。研究表明，以这种方式形成的最重的原有限的。研究表明，以这种方式形成的最重的原子核为子核为56Ni，并经进一步衰变而成稳定的，并经进一步衰变而成稳定的56Fe。这。这正好解释了宇宙中铁元素含量异常高的原因。正好解释了宇宙中铁元素含量异常高

19、的原因。C.C.中子俘获过程（铁以后的元素）中子俘获过程（铁以后的元素）中子捕获反应是恒星演化到最晚阶段才开始中子捕获反应是恒星演化到最晚阶段才开始发生的重要反应，由此产生原子序数大于发生的重要反应，由此产生原子序数大于2626（FeFe）的重元素。）的重元素。a.a.慢中子俘获（慢中子俘获（s s 过程）：一个原子的两次过程）：一个原子的两次中子俘获之间有足够时间让生成核发生衰中子俘获之间有足够时间让生成核发生衰变（变（衰变衰变），可合成元素至），可合成元素至A=209A=209。b.b.快中子俘获（快中子俘获（r r 过程）：两次俘获时间很过程）：两次俘获时间很短（短（衰变较少衰变较少），

20、可合成），可合成A=209A=209以后的以后的元素。元素。质质子子数数Z中子数中子数N34333231302928747677As7576Ge707172737475Ga69707172Zn64656667686970Cu6364656670Ni62636465 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 红巨星中由慢中子捕获反应合成核素示意图（据柴之芳，红巨星中由慢中子捕获反应合成核素示意图（据柴之芳，1998）。蓝色部分为稳定同位素，其余为放射性同位素）。蓝色部分为稳定同位素，其余为放射性同位素4.太阳系元素太阳系元素丰度规律丰度规律把太阳系元素丰度把太阳系元素丰度的数值

21、取对数的数值取对数lgC作纵坐标，原子序作纵坐标，原子序数数Z作横坐标。作横坐标。H和和He是丰度最高的两种元素，是丰度最高的两种元素，其原子数几乎占太阳中全部原子数其原子数几乎占太阳中全部原子数目的目的98原子序数较低的范围内原子序数较低的范围内（Z90%）和少量其他元素组成（和少量其他元素组成（Co,S,P,Cu,Cr,C等）。等）。3 3）石）石-铁陨石（铁陨石（sidrolite）：由数量上大体）：由数量上大体相等的相等的FeNi和硅酸盐矿物组成，是上述两类和硅酸盐矿物组成，是上述两类陨石的过渡类型。陨石的过渡类型。铁陨石铁陨石石陨石石陨石1976年3月8日下午，中国吉林市北郊降落了一

22、次世界上罕见的陨石雨：陨落的巨石穿透冻土层，砸出一个深6.5米、直径2米多的坑。这块陨石重1770千克，是至今世界上最大的石陨石，连同收集到的其它陨石，总重量达2吨以上。2006年01月25日我国第22次南极科考陨石“大丰收”纳米比亚的纳米比亚的Hoba铁铁陨石（重陨石（重60吨）吨）在在 南南 极极 发发 现现 的的 火火 星星 陨陨 石石（ALH84001）美美国国科科学学家家1996年年报报道道在在这这块块火火星星陨陨石石中发现了火星生命的迹象。中发现了火星生命的迹象。2.陨石的平均化学成分陨石的平均化学成分 陨石的平决化学成分计算结果如下陨石的平决化学成分计算结果如下（V.M.Gold

23、schmidt 采用硅酸盐采用硅酸盐镍镍-铁铁陨硫铁陨硫铁=1021）：）：要计算陨石的平均化学成分必须要解决两个问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；其次要题：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。统计各类陨石的比例。各学者采用的方法不一致。球粒陨石是星云直接凝聚或星云凝聚物重球粒陨石是星云直接凝聚或星云凝聚物重熔的产物，代表地幔和原始未分异地球的熔的产物，代表地幔和原始未分异地球的状态和化学成分。状态和化学成分。碳质球粒陨石典型特征：含有碳的有机化碳质球粒陨石典型特征：含有碳的有机化合物分子，并且陨石主

24、要由含水硅酸盐组合物分子，并且陨石主要由含水硅酸盐组成。成。3.球粒陨石：球粒陨石：图图3 CI型碳质球粒陨石元素丰度与太阳元素型碳质球粒陨石元素丰度与太阳元素丰度对比丰度对比(据涂光炽，据涂光炽，1998)碳质球粒陨石碳质球粒陨石对探讨生命起源的研究和对探讨生命起源的研究和探讨太阳系元素丰度等各个方面具有特殊的探讨太阳系元素丰度等各个方面具有特殊的意义。意义。由于由于CI型型碳质球粒陨石的元素丰度几乎碳质球粒陨石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于估计致，碳质球粒陨石的化学成分已被用于估计太阳系中非挥发性

25、元素的丰度。太阳系中非挥发性元素的丰度。4.如何鉴定一块样品是否为陨石？如何鉴定一块样品是否为陨石？1.采集背景采集背景2.外表熔壳：陨石在陨落地面以前要穿越稠密的大外表熔壳：陨石在陨落地面以前要穿越稠密的大气层，陨石在降落过程中与大气发生磨擦产生高温，气层，陨石在降落过程中与大气发生磨擦产生高温，使其表面发生熔融而形成一层薄薄的熔壳。因此，新使其表面发生熔融而形成一层薄薄的熔壳。因此，新降落的陨石表面都有一层黑色的熔壳，厚度约为降落的陨石表面都有一层黑色的熔壳，厚度约为1毫毫米。米。3表面气印：另外，由于陨石与大气流之间的相互表面气印：另外，由于陨石与大气流之间的相互作用，陨石表面还会留下许

26、多气印，就象手指按下的作用，陨石表面还会留下许多气印，就象手指按下的手印。手印。4 4内部金属：铁陨石和石铁陨石内部是有金属铁组内部金属：铁陨石和石铁陨石内部是有金属铁组成，这些铁的镍含量很高（成，这些铁的镍含量很高（5 51010）。球粒陨石内）。球粒陨石内部也有金属颗粒，在新鲜断裂面上能看到细小的金部也有金属颗粒，在新鲜断裂面上能看到细小的金属颗粒。属颗粒。5 5磁性：正因为大多数陨石含有铁，所以磁性：正因为大多数陨石含有铁，所以9595的陨的陨石都能被磁铁吸住。石都能被磁铁吸住。6 6球粒：大部分石陨石是球粒陨石（占总数的球粒：大部分石陨石是球粒陨石（占总数的9090），这些陨石中有大量

27、毫米大小的硅酸盐球体，称作，这些陨石中有大量毫米大小的硅酸盐球体，称作球粒。在球粒陨石的新鲜断裂面上能看到圆形的球球粒。在球粒陨石的新鲜断裂面上能看到圆形的球粒。粒。7 7比重：铁陨石的比重为比重：铁陨石的比重为8 8克克/cm/cm3 3，远远大于地球，远远大于地球上一般岩石的比重。球粒陨石由于含有少量金属，上一般岩石的比重。球粒陨石由于含有少量金属，其比重也较重。其比重也较重。2.2.3 2.2.3 月球化学月球化学1.1.概况概况 1 1）月岩有）月岩有3 3种类型：种类型：月海玄武岩、高地斜长岩、高地玄武岩月海玄武岩、高地斜长岩、高地玄武岩 2 2）月球的主要化学成分：）月球的主要化学

28、成分：O O，SiSi，FeFe，CaCa，MgMg，AlAl，TiTi 3 3）无水、少挥发分）无水、少挥发分 4 4）月岩年龄：）月岩年龄：464631 31 亿年活动亿年活动2.2.月岩的化学组成月岩的化学组成阿波罗阿波罗1616号从月球上取回的斜长岩标本号从月球上取回的斜长岩标本斜长岩是一种基性深斜长岩是一种基性深成岩，成岩，90%以上的成以上的成分是斜长石，此外尚分是斜长石，此外尚有一些成分为角闪石、有一些成分为角闪石、辉辉a石和黑云母组成。石和黑云母组成。斜长岩为灰色，粗粒斜长岩为灰色，粗粒状结构，有闪光变彩状结构，有闪光变彩现象。现象。斜长岩为一种古老的斜长岩为一种古老的岩石，也

29、是月球表面岩石，也是月球表面组成月陆的重要成分组成月陆的重要成分1.行星的化学成分行星的化学成分行星表面温度较低，因而缺乏原子光谱行星表面温度较低，因而缺乏原子光谱的激发条件，这排斥了应用光谱测定其成分的激发条件，这排斥了应用光谱测定其成分的可能。现在对于行星化学成分的了解主要的可能。现在对于行星化学成分的了解主要是通过间接方法获得的。因此，目前关于行是通过间接方法获得的。因此，目前关于行星化学成分的知识还是极贫乏的。星化学成分的知识还是极贫乏的。2.2.4 2.2.4 行星和行星间物质的化学成分行星和行星间物质的化学成分2.行星组成特点：行星组成特点：1)距离太阳由近到远行星密度降低、表面温度下距离太阳由近到远行星密度降低、表面温度下降。降。2）内行星有铁镍核，幔层厚、大气圈稀薄；）内行星有铁镍核，幔层厚、大气圈稀薄；外行星为硅酸盐核或无核、幔，浓密大气圈或全外行星为硅酸盐核或无核、幔，浓密大气圈或全为氢、氦等气体构成。为氢、氦等气体构成。内行星内行星外行星外行星小行星带小行星带太阳太阳