地球化学2省公开课金奖全国赛课一等奖微课获奖课件

第二章太阳系和地球系统元素丰度

TheElementAbundancesoftheSolarSystemandtheEarthSystem1/75*From《FoundationofAstronomy》4thEdition,MichaelA.Seeds,WadsworthPublishingCompany,1997.p389)

一、太阳系组成和元素丰度

ComponentsandElementAbundancesoftheSolarSystemSUN(99.8%)ThePlanetsAsteroids,CosmiDustandCometSatellitesTheSolarSystem2/75（一）太阳系元素组成研究方法直接采样分析（地壳岩石、陨石等）光谱分析spectrumanalysis(太阳）由物质物理性质与成份对应关系推算（行星）利用飞行器观察、直接测定或取样分析测定气体星云或星际间物质分析研究宇宙射线3/75（二）陨石化学成份ChemicalCompositionofMeteorites陨石(Meteorite)：落到地球上行星物体碎块，即从行星际空间穿越大气层抵达地表星体残骸remnants.

4/75（二）陨石化学成份ChemicalCompositionofMeteorites

陨石分类石陨石Aerolite

球粒陨石chondrite约10%金属无球粒陨石achondrite约1%金属石-铁陨Stony-ironMeteorite约50%金属铁陨石IronMeteorite大于90%5/75（二）陨石化学成份ChemicalCompositionofMeteorites

(1)铁陨石：主要由金属Ni-Fe(98%)和少许其它矿物如磷铁镍古矿[(Fe,Ni,Co)3P]、陨硫铁(troilite)（FeS)、镍碳铁矿（Fe3C)和石墨(graphite)等组成。

(2)石陨石：主要由硅酸盐矿物silicateminerals组成。依据它是否含有细小而大致相近球状硅酸盐结构而进6/75（二）陨石化学成份ChemicalCompositionofMeteorites一步分为球粒陨石和无球粒陨石。球粒主要是橄榄石和辉石，有时为玻璃；无球粒陨石缺乏球粒结构，成份上与前者也有差异。

(3)石-铁陨石：由数量大致相等Ni-Fe和硅酸盐（主要是橄榄石，偶然辉石）组成。7/75（二）陨石化学成份ChemicalCompositionofMeteorites

球粒陨石与无球粒陨石区分DifferencesbetweenChondriteandAchondriteFe-Ni橄榄石Olivine紫苏辉石Hypersthene透辉石Diopside斜长石PlagioclaseChondrite12%46%21%4%11%Achondrite1%9%50%12%25%8/75（二）陨石化学成份ChemicalCompositionofMeteorites球粒陨石分类Classification依据化学成份不一样，分为5个

(1)E群（顽辉石球粒陨石);(2)H群（高铁群普通球粒陨石）(3)L群（低铁群普通球粒陨石)(4)LL群（低铁低金属群普通球粒陨石)(5)C群（碳质球粒陨石）

(H、L和LL群统称普通球粒陨石)。9/75（二）陨石化学成份ChemicalCompositionofMeteorites

无球粒陨石分类Classification依据CaO含量划分为：（1）贫钙型calcium-depleted[

ω（Ca)≦3%]

;(2)富钙型calcium-enriched[

ω（Ca)≧

5%]；依据成因划分为：（1）斜长辉石无球粒陨石系列；（2）顽火辉石无球粒陨石系列；（3）还未划分出成因系列无球粒陨石。10/75（二）陨石化学成份ChemicalCompositionofMeteorites铁陨石与石-铁陨石区分铁陨石:主要由铁镍合金、陨硫铁以及少许Fe、Ni、Co、Cr、Ti、Cu、Zr硫化物sulfides、碳化物carbonides、氯化物chlorides、磷化物phosphides、氧化物oxides与磷酸盐phosphates以及自然铜、石墨等矿物组成。按多参数微量元素分类，铁陨石可分为13个化学群。11/75（二）陨石化学成份ChemicalCompositionofMeteorites石-铁陨石:则由近乎相等石陨石和铁陨石组成，较为少见。

碳质球粒陨石

是一类脆性黝黑球粒陨石。其成份含有以下特点：①主要由含水硅酸盐粘土矿物组成,常见者为细粒蛇纹石或绿泥石；②含大量挥发分,主要为水、硫、12/75（二）陨石化学成份ChemicalCompositionofMeteorites

氙等；③没有或只有极少金属铁—镍,有少许陨硫铁；④含有大量有机化合物，多半是高分子化合物,包含羟、脂族羟和芳族羟,多呈黑色,难溶,含水度为20%,普通是化合水；还发觉有氨基酸。碳质球粒陨石轻易风化,在球粒陨石中比较罕见,约5%,但普通认为在太空陨星体中可能很普遍。13/75（二）陨石化学成份ChemicalCompositionofMeteorites碳质球粒陨石分类：通常分三类,用Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型或用C1、C2、C3来表示,依次含碳量递减而球粒数目递增。如Ⅰ型含水和有机质最多,化合碳为3%～5%,烧失量24%～30%；Ⅱ型含水和有机质成份中等,烧失量12%～24%；Ⅲ型含高温矿物和若干金属组分,烧失量2%～12%。14/7515/75（二）陨石化学成份ChemicalCompositionofMeteorites陨石中有机质OrganicMatter有机质种类：已发觉有机化合物包含如氨基酸、卟啉、烷烃、芳香烃、嘌啉和嘧啶等60各种，主要存在于碳质球粒陨石中。有机质起源：1）太阳星云中经过火花放电sparkdischarge合成或原始地球大气层在紫外线ultravioletray照射或放电作用合成；2）太阳星云凝聚晚期，星云中CO、H2在磁铁矿、含水硅酸盐催化反应下合成。16/75（二）陨石化学成份ChemicalCompositionofMeteorites陨石演化历史Evolution陨石年纪：44-47亿年（铅法和Rb-Sr法）演化过程：①太阳系元素形成→②初始太阳星云形成→

③陨石球粒形成→④

陨石母体（小行星及类地行星）形成→⑤小行星体局部或全部熔融→⑥熔融物质冷却和结晶分异（行星壳层结构→⑦陨石母体破裂（小行星体碰撞）→⑧陨石降落地面。17/75（三）行星和月球化学成份ChemicalCompostionsofPlanetsandtheMoon3.1.行星化学成份（1）地球和类地行星Terrestrialplanets（地球、Mercury、Venus、Mars）：

质量小、密度大、体积小、卫星少。物质成份以岩石为主，富含Mg、Si、Fe等，亲气元素atmophileelement含量低。18/75（三）、行星和月球化学成份ChemicalCompostionsofPlanetsandtheMoon（2）巨行星Giants（木星Jupitor和土星Saturn)：体积大、质量大、密度小、卫星多。主要成份为H和He。（3）远日行星（天王星Uranus、海王星Neptune、冥王星Pluto）：

成份已冰物质为主，H大约10%，He、Ne平均为12%。19/7520/75（三）行星和月球化学成份水星（Mercury)难熔金属矿物（refractorymetallicmineral）,

Fe-Ni合金（alloy）和少许辉石pyroxene。金星（Venus）与水星组成基本相同，但含钾（potassium）钠（sodium）铝硅酸盐（aluminosilicate），无水。3.1.1.行星化学组成ChemicalCompositionModelsofPlanets21/75（三）、行星和月球化学成份地球Earth:除含金星主要成份外，还存在大量含水硅酸盐hydrosilicates矿物(如透闪石tremolite等),鉄存在三种赋存状态金属鉄、氧化铁、硫化物鉄.火星Mars:

比地球含更多含水硅酸盐,全部金属鉄都被氧化成氧化铁偶然还原成硫化物鉄。22/75（三）、行星和月球化学成份TerrestrialPlanets(类地行星）:

距离太阳近，早期太阳风（solarwind）驱赶作用强，行星表面捕捉气体难以保留，因而其大气层都是次生（secondary），即主要经过行星内部物质熔融（fusion）、去气过程（degas）形成。主要成份CO、He、Ar、H2、Ne、N2、CO2、O2等。3.1.2.行星大气圈特征Atmosphere23/75（三）、行星和月球化学成份JovianPlanets（类木行星）:

距太阳较远，温度低，早期太阳风驱赶作用不强烈，大气层物质主要是行星形成时从星云中捕捉。主要成份H2、CH4、NH3、He、C2H2等。

24/75（三）行星和月球化学成份3.2.月球化学成份TheMoon——isasolidspherecomposedofsilicaterocks,withoutatmosphere.Mare/maria(月海)——dominantlybasaltorgabbrothataremineralogicallycomposedofcalci-plagioclase,clinopyroxenite(单斜辉石)andilmenite（钛铁矿),smallamountofolivine.25/75（三）行星和月球化学成份3.2.月球化学成份Lunarterra/terrae月球高地——rockscontainmoreplagioclasethanmarerocks,mostlyintheformsofanorthosite(斜长岩),troctolite(橄长岩),norite(苏长岩）orgabbro.KREEP(克里普岩):arockrichinpotassium,rareearthelementsandphosphorus.26/75（三）行星和月球化学成份3.2.月球化学成份Wt%

elements>10O、Si、Fe1.0~1.0Ca、Mg、Al、Ti10-1

~1.0S、Na、K、Cr、Mn10-2

~10-1C、N、P、Cl、Sr、Y、Zr、Ba10-3

~10-2F、Sc、V、Co、Ni、Zn、Nb、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Dy、Er、Yb、Hf10-4~10-3Li、Be、B、Cu、Ba、Rb、Ge、Tb、Ho、Tm、In、Ta27/75（四）太阳化学成份ItisbelievedthatthechemicalcompositionsarehomogeneousfromthesurfacethroughthecoreoftheSunduetothehightemperature(6000K).85elementsintheSunhavebeendiscovereduptonow.28/75（五）太阳系元素起源与丰度ElementAbundancesandTheirOriginintheSolarsystem5.1太阳系元素丰度及其规律5.1.1丰度定义（abundance)：丰度——指化学元素及其同位素(核素nuclides)在宇宙各类物体中相对含量。Therelativeconcentrationofanelementanditsisotope(s)inacosmicbody,e.g.theSun,theEarth,theMoon,theVenus,cosmicdust/particle,etc.,isdefinedastheabundanceoftheelement.29/75（五）太阳系元素起源与丰度ElementAbundancesandTheirOriginintheSolarsystem

5.1.2元素丰度及其规律30/75（五）太阳系元素起源与丰度ElementAbundancesandTheirOriginintheSolarsystem

（1）在原子序数atomicnumber较低元素来说，丰度随原子序数增大呈指数递减；（2）原子序数为偶数元素其丰度大大高于相邻原子序数为奇数元素；（3）H和He是丰度最高两种元素（占太阳系全部原子数目标98%）；31/75（五）太阳系元素起源与丰度ElementAbundancesandTheirOriginintheSolarsystem（4）与He相近Li、Be和B具很低丰度，属于强亏损extremely-depleted元素;（5）在丰度曲线上O和Fe呈显著峰，它们是过剩元素excesselements；（6）质量数为4倍数核素或同位素含有较高丰度。32/75（五）太阳系元素起源与丰度ElementAbundancesandTheirOriginintheSolarsystem5.2.太阳系元素起源1.大爆炸宇宙核合成过程

粒子-反粒子（Particle-antiparticle）(T-1032K+cosmicexplosion)→Proton-neutron(T-1012K)

→D氘→He→7Be33/75（五）太阳系元素起源与丰度ElementAbundancesandTheirOriginintheSolarsystem2.恒星内部核合成（1）氢燃烧：

1H→2D→3He→4He→7Be→7Li→8Be→12C→13C→14N→15O→15N→16O→17O（2）氦燃烧：

4He→12C→16O→18O→29Ne（3）稳态核燃烧：

包含C、O、Si和Ne燃烧，合成A=20-40核素。34/75（五）太阳系元素起源与丰度ElementAbundancesandTheirOriginintheSolarsystem（4）爆炸核燃烧：合成A=20-40核素。（5）核统计平衡过程：形成V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni等结构能量最大铁峰元素，恒星中系列元素核合成过程就此结束。（6）S过程（7）过程（8）P过程35/75

大爆炸宇宙核合成过程1.大爆炸诞生时只存在高密度基本粒子（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1012K时,发生反应：P+n=>D，随即：P+n=>D+36/752.随即发生以下反应：D+P=>3He+

3He+3He=>4He+2P+2

3He+4He=>7Be+

7Be+e-=>7Li+37/75

元素合成理论（假说）(1)氢燃烧过程：1H+1H=>2D++2D+1H=>3He+3He+3He=>4He+21H+质子-质子循环38/75(2)氦燃烧过程（108K）：34He=>12C12C+4He=>16O16O+4He=>20Ne20Ne+4He=>24Mg24Mg+4He=>28Si28Si+4He=>32S(36Ar,40Ca等)39/75(3)碳和氧“燃烧过程”（109K)

20Ne+

12C+12C=>23Na+p

23Mg+n

28Si+

16O+16O=>31P+p

31S+n

40/75

(4)硅燃烧过程（e过程，3.8109K）形成V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni等，如：

52Fe+

28Si+28Si=>55Co+p

55Ni+n（平均结合能最高）41/75二、地球结构和化学成份StructureandChemicalCompositionoftheEarth42/75二、地球结构和化学成份StructureandChemicalCompositionoftheEarth1.地球结构Basedonseismicvelocities,theEarthcanbedividedintothreelayersfromitscenterthroughitssurface:Crust--Mantle--Core(一).地球结构和元素丰度43/75二、地球结构和化学成份StructureandChemicalCompositionoftheEarth2.地球元素丰度：（1）元素丰度研究方法：①陨石类比法：a.陨石在太阳系形成；b.陨石与小行星成份相同；c.陨石是破坏了星体碎片；d.产生陨石星体，其内部结构和成份与地球相同。44/75二、地球结构和化学成份StructureandChemicalCompositionoftheEarth②地球模型和陨石类比法:按地球各主要圈层百分比计算：a.地核(32.4%)--球粒陨石镍铁金属相+5.3%陨硫铁(硫化物相)代表；b.地幔+地壳(67.6%)--球粒陨石平均硅酸盐成份③地球物理类比法(黎丹):

A+B+C+D+E+F+G(层)结合地球物理资料。45/75二、地球结构和化学成份StructureandChemicalCompositionoftheEarth（2）地球元素丰度及其规律ElementAbundanceandItsDistributionRegularity：①Fe+O+Si+Mg≧90%；②含量大于1%元素：Ni、Ca、Al、S；③含量介于0.01%--1%元素Na、K、Cr、Co、P、Mn、Ti。地球元素丰度遵照太阳系元素丰度基本规则，如几偶规律、递减规律等。46/75二、地球结构和化学成份StructureandChemicalCompositionoftheEarth

(二).地壳组成和元素丰度CompositionandElementAbundanceoftheCrust1.地壳组成：（1）ContinentalCrust——sedimentaryrocks,metamorphicrocks,intrusiverocksandvolcanicrocks.surfaceDeepcrustgabbrogranite47/75二、地球结构和化学成份StructureandChemicalCompositionoftheEarthUpperCrustLowerCrustgranulite,felsicgranulite,femicgranulite.acidicvolcanicrocksandsediemtaryrocks（2）.Oceaniccrust:dominantlymid-oceanridgebasalt(characterizedbylowK2O,lowTiO2,lowLREE,lowRb/Srand87Sr0/86Sr0).48/75二、地球结构和化学成份StructureandChemicalCompositionofthe

Earth上部地壳深成岩体体积百分比花岗岩类和花岗闪长岩类 77%石英闪长岩类 8%闪长岩类 1%辉长岩类13%正长岩类、斜长岩类、橄榄岩类 1%总量 100%49/75二、地球结构和化学成份StructureandChemicalCompositionoftheEarth2.地壳平均化学成份与元素克拉克值（1）地壳平均化学成份确实定方法:①ClarkeMethod

(5159samples，50elements;1924):a.

LithosphereHydrosphereAtmosphere93%7%0.03%b.InsidetheLithosphere(Crust)

MagamaticRockShaleSandstoneLimestone

95%4%0.75%0.25%50/75二、地球结构和化学成份StructureandChemicalCompositionoftheEarth②GoldschmidtMethod

(MethodFine-grainedClasticRock)a.剥蚀区Sourcesofclastsderivedfromdenudationareasb.适合于区域地壳成份预计Mostsuitablefortheestimationofaverageregionalcompositions③CrustModelMethod(地壳模型法）:

Basicrock/acidicrocks=1（基性岩代表下地壳，酸性岩代表上地壳）51/75二、地球结构和化学成份StructureandChemicalCompositionoftheEarth(2)元素克拉克值及其意义ClarkeValueandItsSignificance：①定义：地壳中各元素相对平均含量称为克拉克值。如以重量百分数表示，称之为“重量克拉克值”，简称“克拉克值”；如以原子百分数表示，则成为“原子克拉克值”。52/75二、地球结构和化学成份StructureandChemicalCompositionoftheEarth②意义Significance：a.元素克拉克值影响着元素参加地壳地球化学过程浓度，支配着元素地球化学行为；b.元素克拉克值能够为说明地球化学省特征提供依据；c.依据克拉克值能够计算出地壳中地球化学性质相同或相关元素之间平均比值。53/75地壳中元素分布普通规律3.地壳中元素分布普通规律①

与地球和太阳系相比，最丰富十种元素是

地壳：O-Si-Al-Fe-Ca-Na-K-Mg-Ti-H

地球：Fe-O-Mg-Si-Ni-S-Ca-Al-Co-Na

太阳系

H-He-O-Ne-N-C-Si-Mg-Fe-S②不均匀性：前13种元素占地壳总重99.7％；其余只占0.3％。③分布量随原子序数增大而降低。例外：Li,Be,B;232Th、238U、235U；贵金属,Se,Te等。54/75地壳中元素分布普通规律④偶数规则：偶数原子序数元素丰度高于相邻奇数元素，但有例外（4Be、12Mg、4Si、24Cr、32Ge、34Se、42Mo、52Te、74W)。⑤四倍规则：4q型（如16O等）占87％；4q＋3型（如27Al等）占13％；4q＋2型（如238U等）和4q＋1型（如9Be）只占千分之几。⑥差六规则：在丰度对数曲线上出现峰值元素，其原子序数之差为6或6倍数。55/75地壳中元素分布普通规律⑦原子核内质子和中子奇偶性：偶－偶：60％；偶－奇和奇－偶：35％；奇－奇：5％。⑧壳层规则（幻数）：2,8,14,20,28,50,82,126。（幻數是指原子核中质子数和中子数某个特定数值，当质子数或中子数為幻数，或者二者取值均為幻数時，原子核显示出很高稳定性）。⑨放射性蜕变：U238，U235，K40、Rb87降低；Pb206、Pb207、Pb208，Ar40，Sr87增多。

56/75二、地球结构和化学成份StructureandChemicalCompositionoftheEarth(三).地幔组成CompositionoftheMantle1.橄榄岩地幔岩模型Pyrolitemodel:

Ringwood(1962)提出能够用模式橄榄岩代表整个地幔成份，并依据高温高压试验结果提出一个完整橄榄岩相转变系列能够解释地幔中主要地震波（剪切波Shear、压缩波Pressure）不连续面性质，即将地幔划分为三个带，各带之间均为等化学相转变关系：57/75二、地球结构和化学成份①上地幔（从Mohorovic面到350km深度）由橄榄石olivine→斜方辉石enstenite→单斜辉石clinopyroxene→石榴子石garnet组成。②过渡带transitionzone(350～900km)：地幔岩Pyrolite发生相转变，伴随密度改变，引发地震波不连续，350～400km地震波不连续面与橄榄石→β相（类尖晶石结构）、辉石→石榴子石复杂固熔体相变带对应。

58/75二、地球结构和化学成份670km深处地震波不连续则与辉石、橄榄石转变为钛铁矿ilmenite结构和钙钛矿perovskite结构相变相吻合。③下地幔(900～2700km)是结构极为紧密Mg、Fe硅酸盐矿物组合（如钙钛矿结构等）。59/7560/75二、地球结构和化学成份2.榴辉岩橄榄岩互层地幔模型eclogite–peridotitemodel

Anderson(1979,1982)依据计算（压缩波速）Vp、（剪切波速）Vs值改变以及计算值与实际值不一致等原因，将地幔自上而下划分为三层：①“富集”橄榄岩上地幔（从Moho面到220km深度）enricheduppermantle；61/75二、地球结构和化学成份

②“亏损”橄榄岩-榴辉岩过分带(220~670km)depletedtransitionalzone；③“亏损”橄榄岩下地幔depletedlowermantle。62/75地壳：2.8-3.3g/cc石英，长石，辉石，60-65％SiO2地幔：3-5g/cc橄榄石，辉石，尖晶石，45％SiO2软流圈：50～250km2890km

5150

km地核：10-13g/ccFe-Ni，1％SiO2

63/75上地幔主要成份（％）氧化物上地幔(1)地幔岩(2)未分异原始地幔(现在地幔＋地壳)(1)SiO24545.149.9TiO20.150.20.16Al2O33.33.33.64FeO8.08.08.0MnO0.130.115MgO39.838.135.1NiO0.25Cr2O30.440.4CaO2.63.12.89Na2O0.340.40.34K2O0.020.030.02（1）Taylor&McLennan，1985；（2）Ringwood，1975。64/75二、地球结构和化学成份(四).地核组成CompositionoftheCore

1.外核(2900~5000km)

液态铁镍合金（地震S横波消失)

2.内核(5000km深度以下）主要为固态铁镍合金，可能还有

10%~20%轻元素如C、S、O、Si等。65/75(五).地球外部圈层组成1.大气圈atmosphere①电离层ionizedlayer：80～350km（～1000km:外电离层)②平流层stratosphere：～30km（30～60同温层）；③对流层troposphere：8～20km。④从地表到60km高空大气成份是近于均匀二、地球结构和化学成份66/75

，主要由N2、O2和Ar组成。伴随离开地面距离增加，大气圈变得稀薄了，但依然以氮和氧为主。④次要组分中臭氧和二氧化碳很主要。臭氧主要集中在平流层内，它吸收紫外线辐射；二氧化碳对地球碳循环很主要，是主要温室气体之一，对气候有主要影响。二、地球结构和