太阳系的元素丰度.ppt

上次课回顾,地球化学的定义地球化学研究的基本内容地球化学研究的思路和方法身边的地球化学,第一章太阳系的元素丰度,主要内容,太阳系的组成和元素丰度太阳系元素丰度的起源行星和月球的化学成分,太阳系的组成和元素丰度,太阳系由太阳，行星，行星物体(宇宙尘、彗星、小行星)和卫星组成，太阳集中了太阳系99.8%的质量。,太阳系8大行星分布及运行轨道,1、太阳系的组成,行星沿椭圆轨道绕太阳运行。分为两类：接近太阳的较小内行星-水星，金星，地球，火星类地行星；远离太阳大的外行星-木星，土星，天王星，海王星类木行星。,火星和木星之间有数以兆计小行星,它们大小相差悬殊，最大的谷神星直径770km。直径10km的小行星有104个，直径1m的有1011个。,1、太阳系的组成,太阳系行星的物理数据,1、太阳系的组成,(1)直接分析测定地壳岩石、各类陨石和月球岩石的样品；(2)对太阳及其它星体辐射的光谱进行定性和定量研究；(3)由天体的物理性质与成分的对应关系进行推算；(4)利用宇宙飞行器对邻近地球的星体进行就近观察和测定、或取样分析；(5)分析测定气体星云和星际间的物质；(6)分析研究宇宙射线。,获取太阳系元素丰度的途径,1、太阳系的组成,2、太阳系的元素丰度,地球化学体系,按照地球化学的观点，我们把所要研究的对象看作是一个地球化学体系，每个地球化学体系都有一定的空间，都处于特定的物理化学状态，并且有一定的时间连续。,地球化学体系,地球化学的基本问题之一就是研究元素在地球化学体系中的分布（丰度）、分配问题。化学元素在一定自然体系中的相对平均含量。,估算复杂系统总体化学组成的方法有：1、用主体代表整体（太阳太阳系）2、若已知系统各部分的成分后，可用加权平均法求整体的化学组成；3、在拟定的模型基础上，求系统的化学组成（用陨石对比法求地球的化学组成）,2、太阳系的元素丰度,分布与分配,元素的分布指的是元素在一个化学体系中（太阳、陨石、地球、地壳、某地区等）的整体总含量；元素的分配指的是元素在各地球化学体系内各个区域或区段中的含量；分布是整体，分配是局部，两者是一个相对的概念，既有联系又有区别。例如，地球作为整体，元素在地壳中的分布，也就是元素在地球中分配的表现，把某岩石作为一个整体，元素在某组成矿物中的分布，也就是元素在岩石中分配的表现。,2、太阳系的元素丰度,分布与丰度,体系中元素的丰度值是每种化学元素在自然体中的质量，占自然体总质量（或自然体全部化学元素总质量）的相对份额（如百分数）。元素在体系中的分布，包含两层意思：元素的相对含量（=元素的“丰度”）；元素含量的不均一性（分布离散特征数，分布所服从的统计模型）。从目前的情况来看，地球化学对元素特征所积累的资料都仅限于丰度的资料。,2、太阳系的元素丰度,丰度的表示方法,元素丰度值表示方法:质量单位，原子单位和相对原子单位。,质量丰度-以质量单位表示的元素丰度。常用三种：(1)质量百分数(质量或wt%)，表示常量元素丰度;(2)克/吨(g/t)或ppm(partspermillion)，以百万分之一(10-6)的质量为单位。表示微量元素的丰度;(3)毫克/吨(mg/t)或ppb(partsperbillion),以十亿分之一(10-9)质量为单位。表示超微量元素丰度。,2、太阳系的元素丰度,丰度的表示方法,原子丰度-以原子百分数(原子%)表示。某元素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。相对原子单位(丰度)-以原子数/106Si原子为单位；或采用原子数/104Si原子或原子数/102Si原子为单位。原子数/106Si原子单位常用于宇宙元素丰度，宇宙丰度单位(Cosmicabundanceunit)简称c.a.u。取硅原子数等于一百万个(106)原子，以此为基数，各种元素原子数与一百万个硅原子的比值，为其它元素的相对原子数。,2、太阳系的元素丰度,研究元素丰度的意义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进行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，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。研究元素丰度是研究地球化学基础理论问题的重要素材之一。宇宙天体是怎样起源的？地球又是如何形成的？地壳中主要元素为什么与地幔中的不一样？生命是怎么产生和演化的？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。,2、太阳系的元素丰度,太阳表层的化学组成(以106Si原子数为标准),2、太阳系的元素丰度,根据太阳大气光谱中不同波长谱线强度确定的太阳表层元素的丰度(陈俊和王鹤年，2005),续,2、太阳系的元素丰度,氢和氦是太阳大气中最主要成分，两种元素的原子几乎占了太阳中全部原子数目98。与此相比，难熔难挥发的重元素丰度却很低。表明太阳中存在的主要是太阳系中的挥发性元素。根据球粒陨石的化学组成确定太阳系中非挥发性元素的组成和含量。,2、太阳系的元素丰度,陨石,陨石是落到地球上来的行星物体的碎块。可能起源于彗星。更可能来自火星和木星间的小行星带。,地球等行星形成以后，受到内部加热和熔融分异作用，其岩石样品只能代表某一特定区域的物质特点，无法获得大量未分异前星云凝聚物的信息；而小行星是没有长大的行星，形成之后未遭受大的加热和分异作用，因而来源于小行星带的陨石可能保留了星云凝聚作用的历史证据。,2、太阳系的元素丰度,陨石是空间化学研究重要对象，具有重要研究意义：它是认识宇宙天体的成分、性质及其演化的最易获取、数量最大的地外物质；是认识地球组成、内部构造和起源的主要资料来源；陨石中的60多种有机化合物是非生物合成的“前生物物质”，对探索生命前期的化学演化开拓了新的途径；可作为某些元素和同位素的标准样品（稀土元素，铅、硫同位素）。,2、太阳系的元素丰度,自然界的流星雨,陨石,2、太阳系的元素丰度,陨石,美国亚利桑那Barringer(orMeteor)陨石坑，直径约1.2km由一个直径约40m的撞击物撞击而成。撞击物残余称为CanyonDiablo铁陨石(国际S同位素标准）,2、太阳系的元素丰度,陨石,加拿大新魁北克一个约290m深的湖是约1.4Ma前由一个直径约3.4km的陨石坑形成,2、太阳系的元素丰度,陨石,南极大陆的陨石山(TheMeteoriteHills)迄今已经发现超过10000块的陨石,2、太阳系的元素丰度,陨石,南极大陆陨石保存的过程,2、太阳系的元素丰度,地球表面主要陨石撞击坑分布图,2、太阳系的元素丰度,陨石的分类,陨石主要是由镍-铁合金、结晶硅酸盐或两者的混合物所组成，按成份分为三类：1）铁陨石（siderite）主要由金属Ni，Fe（占98%）和少量其他元素组成（Co，S，P，Cu，Cr，C等）。2）石陨石（aerolite）主要由硅酸盐矿物组成（橄榄石、辉石）。这类陨石可以分为两类，即决定它们是否含有球粒硅酸盐结构，分为球粒陨石和无球粒陨石。3）铁石陨石（sidrolite）由数量上大体相等的FeNi和硅酸盐矿物组成，是上述两类陨石的过渡类型。,2、太阳系的元素丰度,陨石的分类,主要类型陨石的特征,2、太阳系的元素丰度,陨石的分类,2、太阳系的元素丰度,陨石的分类,石陨石分为球粒陨石和无球粒陨石：球粒陨石约含10%金属，有球体，具硅酸盐球粒构造。球粒由橄榄石和斜方辉石组成，基质为镍铁，陨硫铁，斜长石，橄榄石，辉石等。属于未分异型陨石。无球粒陨石约含1%金属，不含硅酸盐球粒，比球粒陨石结晶粗。许多无球粒陨石与地球上的火成岩相似，因此它们可能由硅酸盐熔体结晶或岩浆残留物质凝结而成。属于分异型陨石。,2、太阳系的元素丰度,球粒陨石：是各类陨石中最为常见的类型，根据化学成分可分为：（1）顽辉石球粒陨石（E群）（2）普通球粒陨石：高铁普通球粒陨石（H群）低铁普通球粒陨石（L群）低铁低金属普通球粒陨石（LL群）（3）碳质球粒陨石（C群）,2、太阳系的元素丰度,陨石的分类,普通球粒陨石：要由橄榄石、斜方辉石、铁镍金属和陨硫铁组成，铁和亲铁元素含量以及金属铁/氧化铁比值为HLLL顽火辉石球粒陨石：主要由顽火辉石（占55%左右）组成，十分稀少（收集20块左右），是在比较还原条件下冷凝与聚集形成的。碳质球粒陨石：碳质球粒陨石是一种富含水与有机化合物的球粒陨石，因此它没有遭受过严重（高于200）的加热。碳质球粒陨石被认为最能保存形成太阳系的太阳星云的成分。,2、太阳系的元素丰度,陨石的分类,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：首先要了解各类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。（V.M.Goldschmidt采用硅酸盐：镍-铁：陨硫铁=10：2：1）。陨石的平均化学成分计算结果如下：,2、太阳系的元素丰度,太阳系元素丰度规律,有关太阳系元素的丰度估算，有的是根据太阳和其它行星光谱资料及陨石物质测定；有的根据I型球粒陨石，下表列出了GERM（1998）的太阳系元素丰度（单位：原子数/106Si原子）（部分）。,2、太阳系的元素丰度,太阳系元素丰度规律,H和He是丰度最高的两种元素，这两种元素几乎占了太阳系中全部原子数目的98%。,2、太阳系的元素丰度,太阳系元素丰度规律,原子序数较低的元素丰度随原子序数增大呈指数迅速递减，较重元素范围内(原子序数45)元素丰度曲线近于水平。,2、太阳系的元素丰度,太阳系元素丰度规律,原子序数为偶数的元素丰度明显高于原子序数为奇数的相邻元素；具有偶数质量数(A)或偶数中子数(N)的同位素的丰度也总是高于奇数质量数（A）或中子数（N）的同位素，这一规律称之奥多-哈根斯法则,2、太阳系的元素丰度,太阳系元素丰度规律,Li、Be和B具有很低的丰度为亏损元素，而O和Fe具有高丰度值质量数为4的倍数的核数或同位素具有较高丰度,2、太阳系的元素丰度,太阳系元素丰度规律原因,元素丰度大小受元素的核稳定性制约，原子序数为偶数和原子序数小的元数其原子核相对稳定，其同位素具有长衰变周期，因而具有较高含量。Li、Be、B和惰性气体不符和上述规律，它们的丰度与元素起源有关。在元素形成过程中曾广泛发生由氢原子核参加热核反应，使Li、Be、B迅速转变成氦的同位素（4He）。如：7Be+1H8B+8B8Be+e+v8Be24He,2、太阳系的元素丰度,太阳系的元素起源,（1）宇宙大爆炸核合成过程：大爆炸初期，密度近于无穷大，温度1032K，宇宙中发生粒子物理反应，随着宇宙膨胀，温度降低，质子与中子的反应合成简单核素D，D与质子反应生成3He的核素。（2）恒星内部核合成氢燃烧（氢核聚变）；氦燃烧（氦核聚变）-碳、氧、氖核素稳态核燃烧：产生原子序数为20-40的核素爆炸核燃烧：超新星爆炸发生核合成中子俘获过程,行星和月球的化学成分,1、行星的化学成分,太阳星云中元素分馏与凝聚导致了各行星化学组成差异：地球和类地行星（水星，金星，地球，火星）：物质成分以岩石为主，富含Mg、Si、Fe等，亲气元素含量低。类木行星或外行星（木星，土星，天王星，海王星）主要成分为H和He，亲石和亲铁元素含量低。,随着与太阳距离的增加，太阳星云中元素分馏具有一定的规律性：,组成行星核的元素，如Fe、Co、Ni、Cr等逐渐减少，密度总体减小(远日行星又增大)；形成壳、幔元素具有增多趋势：如Si、Mg、Al、Ca等；挥发性元素与亲气元素逐渐增多；行星核占行星总重量的百分比愈来愈小；类地行星均具有壳幔、核内部结构；远日行星可能存在固态硅酸盐内核。,1、行星的化学成分,月球半径173