第01章 元素丰度与分布.ppt

第一章元素的丰度与分布 第一节元素的宇宙丰度第二节元素在地球中的分布 第一节元素的宇宙丰度 一 元素宇宙丰度的定义二 太阳系的成员三 宇宙丰度的研究四 太阳系宇宙丰度的规律 一 元素宇宙丰度的定义 元素的宇宙丰度 太阳系的元素丰度这里的丰度 A B的比值 一般B为Si宇宙丰度是研究元素起源的理论依据 是解释各类天体演化过程的基础 二 太阳系的介绍 太阳系成员 八大行星的相对大小 太阳系组成 太阳八大行星小行星 小行星带 火星与木星之间 彗星 第一节元素的宇宙丰度 一 元素宇宙丰度的定义二 太阳系的成员三 宇宙丰度的研究四 太阳系宇宙丰度的规律 三 元素宇宙丰度研究 实验室分析 地球 月球 陨石和宇宙尘光谱和射电分析 太阳 恒星 星际介质星系空间探测器分析 行星大气 表面土壤 岩石太阳风和宇宙线分析 Suess和Urey 1956 综合天体物理和宇宙化学的成果 提出了宇宙核素丰度 B2FH假说的基础 Cameron 1968 提出太阳系的核素丰度 依据 非挥发性元素的初始丰度 I型碳质球粒陨石 挥发性元素 太阳光球的光谱成分Ganapathy和Anders 1974 均一的太阳星云的平衡凝聚模式 行星化学成分 表1 3 Palme Suess和Zeh 1981 计算了初始太阳星云的元素丰度和初始的核素丰度 表1 7 Trimble 1975 提出了陨石 太阳光球 日冕宇宙射线的元素丰度 太阳系的成分 非挥发性元素的初始丰度 I型碳质球粒陨石挥发性元素 太阳光球的光谱成分 H Palme 第一节元素的宇宙丰度 元素宇宙丰度的定义太阳系的成员宇宙丰度的计算太阳系宇宙丰度的规律 四 太阳系元素丰度的规律 Oddo Harkins规则 偶数规则 O Fe Ni Si Mg S Ca等7种丰度最高的元素 全为偶数元素 总丰度达98 6 在A为1 100的区域 核素丰度大致按指数规律下降 A 100 丰度曲线的斜率显著减缓 具有4倍数核素 如12C 16O 40Ca 48Ti 丰度明显高于其相邻核素丰度 H和He为丰度最大的元素 占原子总数的99 以上 而Li Be和B等与邻近元素相比丰度特别低 以56Fe为中心的突出的峰值 在A为80和90 130和138 196和208等处 出现双峰 第一节元素的宇宙丰度第二节元素在地球中的分布 第二节元素在地球中的分布 地球元素平均成分地壳元素平均成分地幔成分 第二节元素在地球中的分布 一 地球的圈层构造及化学组成1 圈层构造地壳 上地壳和下地壳地幔 上地幔和下地幔地核 外核和内核 地球内部P波和S波随深度变化 CompositionalsubdivisionsoftheEarthareontheleft rheologicalsubdivisionsontheright AfterKeareyandVine 1990 GlobalTectonics BlackwellScientific Oxford 固体地球 地幔 橄榄岩 超基性岩 6370 5145 2898 660 410 60 220 Crust Mantle Core UpperMantle Transition Zone Inner Core Depth km Lower Mantle solid Outer Core liquid 上地幔深达410km olivine spinel LowVelocityLayer60 220km 过渡带asvel incr rapidly660spinel perovskite typeSiIV SiVI 下地幔hasmoregradualvelocityincrease 第二节元素在地球中的分布 2 地球元素丰度估算方法 1 陨石类比法以下列假设 a 陨石在太阳系内形成 b 陨石与小行星带的物质相同 c 陨石是破坏了的星体碎片 d 产生陨石的星体其内部结构和成分分布与地球类似 第二节元素在地球中的分布 2 地球模型 陨石类比法按地球的各主要圈层的比例计算 地核 32 4 球粒陨石的镍铁金属相 5 3 陨硫铁 硫化物相 代表地幔 地壳 67 6 球粒陨石的平均硅酸盐成分 第二节元素在地球中的分布 二 地壳的平均化学成分1 克拉克值的概念 1 重量克拉克值 地壳中元素的重量平均含量 2 原子克拉克值 地壳中元素的原子平均含量 第二节元素在地球中的分布 2 地壳平均化学成分的确定方法 1 克拉克法 5159样品 50元素 1924 a 岩石圈 水圈 大气圈93 7 0 03 b 岩石圈中 地壳 岩浆岩 页岩 砂岩 灰岩95 4 0 75 0 25 第二节元素在地球中的分布 具体计算过程 1 分48个地区计算平均化学成分2 合并为9个地区计算平均化学成分3 计算总平均化学成分 第二节元素在地球中的分布 2 戈尔德施密特法 细碎屑岩法 特点 细碎屑岩的源物质来自剥蚀区适合于区域地壳成分的估计 第二节元素在地球中的分布 3 地壳模型法Taylor法 基性岩 酸性岩 1 质量 基性岩代表下地壳 酸性岩代表上地壳 第二节元素在地球中的分布 3 地壳元素丰度特征 地壳元素丰度 第二节元素在地球中的分布 3 地壳元素丰度特征 1 地壳中各种元素丰度极不均匀O Si Al占82 O Si Al Fe Ca Na K Mg占 98 O与Rn相差1017倍 2 随原子序数的增加其丰度降低 但Li Be B仍表现为亏损 第二节元素在地球中的分布 3 除了惰性气体和少数元素外 质量数为偶数的元素丰度大于奇数 4 四倍规则 质量数为四的倍数 4A型 12C 16O 24Mg 28Si 32S 40Ca 48Ti 52Cr 56Fe 140Ce 232Th 238U占87 4A 3型 7Li 11B 19F 23Na 27Al 31P 35Cl 39K 51V 55Mn 59Co 63Cu 75As 107Ag占13 第二节元素在地球中的分布 4A 2和4A 1型仅占0 n 偶数规则被破坏的原因 1 惰性气体与其它气体元素之间存在差别2 分异作用 偶 奇元素丰度的反常地壳 地幔分异 12Mg 24Cr的亏损核 幔分异 34Se 52Te 第二节元素在地球中的分布 4 元素克拉克值的地球化学意义 1 元素的地球化学行为与克拉克值的关系克拉克值高 独立矿物 K Na 克拉克值低 类质同象 Rb Cs 元素的克拉克值与可形成矿物种数的关系 第二节元素在地球中的分布 2 作为元素集中分散的标尺浓度克拉克值的概念浓度克拉克值 观测值 克拉克值 第二节元素在地球中的分布 3 判断元素在地壳中富集成矿的能力浓集系数 矿石边界品位 克拉克值一些元素的浓集系数值 第二节元素在地球中的分布 浓集系数低的较容易富集成矿Si Al Fe分别仅需富集1 5 3 6倍即可达到工业品位 矿主要形成于前寒武纪 Cu Zn Ag分别需富集50 600 2000倍c才可达到工业品位 矿主要形成于古生代以后 第二节元素在地球中的分布 5 元素在主要类型岩石中的分配 1 主要类型岩浆岩中元素的丰度特征 超基性岩富集的元素 Mg Cr Ni Co Fe Ru Rh Pd Os Ir Pt Au 基性岩富集的元素 Ca Al V Ti Mn Cu Sc P Zn Mo Ag 中性岩富集的元素 Sr Zr Nb Ga Na 第二节元素在地球中的分布 酸性岩富集的元素 Li Be B F Si K Rb Y Sn Cs Ba Hf Ta W Tl Pb Th U 变化不大的元素 Ge Sb As一般规律 同族上部在偏基性岩中含量高 下部酸性岩中含量高 解释 原子和离子电价和半径 第二节元素在地球中的分布 2 主要类型沉积岩中的规律 砂岩中富集的元素 Si Zr 碳酸岩中富集的元素 Mg Ca Sr Mn 页岩中富集的元素 Al及大多数微量元素 如V Ni Co Cu Ag Au Mo U Cd As Sb 第二节元素在地球中的分布 3 元素在岩石各矿物中的分配载体矿物和富集矿物的概念载体矿物 在岩石中某元素主要赋存的矿物富集矿物 某元素的含量远远高于岩石平均含量的矿物 Pb Zn在花岗岩各矿物中的分配 三 地幔的化学组成 地壳与地幔化学 三 地幔化学 一 地幔岩模型1 橄榄岩地幔模型 三份橄榄岩 一份玄武岩 地幔化学 2 榴辉岩 橄榄岩互层地幔岩模型 地幔化学 二 地幔低速层 软流圈 1 低速层的性质和特点 低的地震波速 高的电导率 高的热流值 低速层越浅 热流越大 高导层深度与热流值的关系 地幔化学 2 地幔低速层的成因部分熔融 地幔化学 三 地幔的化学成分1 地幔成分的研究方法 1 主要元素确定的地球物理方法地球的地震波速测量高温高压下矿物地震波速和密度的测量 2 原始地幔成分的确定基本假定a 金属相与硅酸盐相的分离发生在行星初期b 挥发性元素的亏损发生在地球增生以前c 亲石元素全部进入地幔 因此亲石元素之间无分异 地幔化学 几种不同的估算方法 原始未亏损样品法 Jagoutz 1979 用亲石元素 Al Ca Nd同位素等 之间的比值与CI球粒陨石一致的样品 与地壳平均成分混合计算 地幔化学 地幔模型法 Anderson 1983 以下岩石和宇宙化学限制条件计算得到各类岩石的份额和原始地幔的成分超镁铁质岩 32 6 平均地壳岩石 0 56 现代地壳为0 6 洋中脊玄武岩 6 7 与40亿年消减洋壳相当 金伯利岩 0 11 斜方辉石岩 59 8 地幔化学 质量平衡法 Taylor 1985 C地球 XC地幔 1 X C地核地核 地幔 31 69 由地球物理方法获得 亲石微量元素是球粒陨石的1 5倍 地幔化学 3 地幔不均一性的研究方法 1 研究意义a 大地构造分区b 地壳不均一性的原因c 矿产分布d 构造环境 地幔化学 2 样品地幔橄榄岩类岩石玄武岩类岩石 分布量 地幔化学 用玄武岩中微量元素或同位素示踪地幔成分的原理a 元素比值原理b 干扰因素的处理 地幔化学 4 地幔的化学不均一性 1 全球地幔至少可以划分出4个端员 a PREMA 原始地幔 b DMM 亏损型 c EMI 富集I型 再循环下地壳加入 d EMII 富集II型 壳源沉积物加