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1、地球化学,Geochemistry,第一章 宇宙和地球的元素组成,第一节 基本概念 第二节 宇宙中元素的组成第三节 月球的元素组成第四节 陨石的化学成分及其分类 第五节 地球的元素组成,第一节 基本概念,地球化学体系 元素的分布 元素的分配 元素的丰度 元素丰度的研究意义,1. 地球化学体系,体系和环境： 在热力学中，把研究对象称为体系，而与体系有内在联系的周围部分称为环境。体系的性质即状态有广度性质和强度性质之分。前者具有加和性，例如体系的V，n等。后者不具有加和性，例如T，P。 在地球化学研究中，把所研究对象称为一个地球化学体系，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
2、且有一定的时间连续。,2. 分布与分配的概念 分布指元素在各种宇宙体或地质体中（太阳、行星、陨石、地球、地圈、地壳）整体（母体）的含量；而分配则指元素在构成该宇宙体或地质体内各个部分或各区段（子体）中的含量。二者既有联系又有区别，而且是一个相对的概念。化学元素在地球中的分布，也就是元素在地球（母体）中的各层圈（子体）分配的总和。而元素在构成地壳的各构造层及各类型岩石中的分布，则又是元素在地壳（母体）中各子体中分配。,元素在地壳中的原始分布受控于： 元素的起源 元素的质量 原子核的结构和性质 地球演化过程中的热核反应,元素在地壳中各圈层的分配受控于： 地质作用中元素的迁移 元素的化学反应 元素电
3、子壳层结构及其地球化学性质,3. 丰度的概念 丰度是指化学元素在地球化学系统（太阳、行星、陨石、地球、地圈、地壳）中的平均分布量。自然体系中不同级别、不同规模的宇宙体或地质体中（如太阳系、行星、陨石、地球、地壳、各地圈）元素的平均含量就相应的称为元素的宇宙丰度、地球丰度、地壳丰度，各种岩石的元素丰度等。丰度的表示方法：常量元素常用重量%表示，微量元素常用百万分之一（ppm，10-6）和十亿分之一（ppb，10-9）表示。,4. 丰度的研究意义 丰度是每一个地球化学体系的基本数据。 近代地球化学正是在探索和了解丰度这一过程中逐渐形成的。 一些重要的地球化学基本理论问题都离不开地球化学体系中元素丰
4、度分布特征和规律研究。,宇宙是由数不清的超星系团和星系团组成的，每个星系团都包含了难以计数的星系（如银河系），而1个星系通常拥有成千上万亿颗恒星，银河系就是由1000多亿颗像太阳这样的恒星组成的。宇宙学原理表明，在宇观尺度上，三维空间在任何时刻都是均匀各向同性的.,第二节 宇宙（太阳系）的化学组成,地球的特殊性不仅在于其拥有生命，而且在于其经历了高度的化学分异，形成了清晰的层状结构。因而，人类可以直接观察的地球表层（地壳）的物质组成不同于整个地球乃至全部太阳系的化学成分。于是，我们通过分析陨石和月球的样品，遥测行星和太阳大气的成分，从中获得关于太阳系组成的知识。本章首先介绍宇宙的成因和化学元素
5、起源的假说，然后分别讨论太阳系、地球、月球和陨石的化学组成问题。,第二节 宇宙（太阳系）的化学组成,第二节 宇宙（太阳系）的化学组成,二、化学元素的起源,三、元素在宇宙中的丰度,一、现代宇宙成因假说,2.1宇宙的成因,一、现代宇宙成因假说,宇宙是如何形成和演化的问题一直激励着科学家甚至哲学家去思考和探索。人们构造了各种各样的宇宙成因模型试图对宇宙的结构及其历史作出描述。“宇宙大爆炸”假说就是目前最为流行的模型之一。该模型由于得到了许多观测结果的支持而受到越来越多的科学家承认，并被称为现代宇宙成因假说。,2.1 宇宙的成因,一、现代宇宙成因假说,“宇宙大爆炸”假说是由美国天体物理学家加莫夫最先提
6、出的（Gamow, 1952）。该假说认为，大约在150亿年以前，所有的天体物质都集中在一起，密度极大，温度极高，被称为原始火球。这个时期的天空中，没有恒星和星系，只是充满了辐射。后来由于某种未知的原因，原始火球发生了大爆炸，组成火球的物质飞散到四面八方，随着物质的膨胀和冷却，宇宙开始了自身的演化历史。,表1-1 宇宙发展简史,时间（s） 温度（K） 事件10-43 1032 宇宙的开端10-33 1027 产生量子不对称， 物质与反物质不等量10-6 1013 夸克结合成质子和中子等强子102 109 轻原子核形成1012 约4000K 中性原子形成1016 星系开始形成1017 2.7K
7、今天的宇宙背景光子辐射,2.1宇宙的成因,“宇宙大爆炸”假说最直接的证据来自于对宇宙膨胀假说的证实：,1929年，美国著名天文学家埃德温哈勃（Edwin Hubble）在威尔逊山天文台利用当时世界上最大的2.5m反射望远镜测量了仙女星座18个星系的运动速度以及这些星系到地球的距离。结果发现所有这些星系的光谱都有红移现象，,2.1宇宙的成因,他认识到这些红移现象可能正是一种多谱勒效应：远离我们而去的光源发出的光，我们收到时会感到其频率降低，波长变长，并出现光谱线红移即光谱线向长波方向移动的现象。这如同远离我们而去的列车发出的汽笛声，我们听到时会感到其频率降低，音调变低的现象一样。,2.1宇宙的成
8、因,由此，他认为红移反映了这些星系相对于地球正在退行，与地球的距离正在增加。根据多谱勒效应可以通过红移的多少计算这些星系退行的速度： 1 / = 1 + V / C 其中1是物体运动时发出的光谱波长，是物体静止时发出的波长，C是光速，V是物体运动的速度。,2.1宇宙的成因,哈勃在获得各个星系的退行速度及其到地球的距离之后意外地发现在速度和距离之间存在明显的线性关系（见图1-1），即遥远星系的退行速度（V）正比于它的距离（D），写成公式为： V = H D其中速度的单位是km/秒，距离的单位为106光年（1光年=11013km），H称为哈勃常数（15km/秒/106光年），整个关系式就是著名的哈
9、勃定律。,2.1宇宙的成因,按照哈勃定律，所有的河外星系（即除银河系而外的其它星系）都在远离我们，而且离我们越远的河外星系，远离得越快。这和宇宙膨胀模型所描述的结果正好相符。哈勃的发现使宇宙膨胀假说得到了观测的支持，为“宇宙大爆炸”假说的提出奠定了坚实的基础。,2.1宇宙的成因,“宇宙大爆炸”假说之所以得到科学家的广泛接受还要归功于两位美国科学家彭齐亚斯和威尔逊的杰出工作他们在1965年发现了弥漫在全天空的微波背景辐射（Pengzias and Wilson, 1965）。大爆炸理论认为，原始火球在大爆炸后所发出的强烈光辉会随着宇宙的膨胀而日益暗淡下来。这相当于随着宇宙空间的增大，单位体积内所
10、含的光子数会越来越少，即背景辐射的温度会越来越低，加莫夫预测至今这一温度应低到5K了。可是怎样才能检测到这一背景辐射呢？,2.1宇宙的成因,1964年，美国贝尔电话实验室的工程师彭齐亚斯和威尔逊利用一架精密的射电望远镜进行对天观测，结果他们在7.35cm波长上发现一种具有独特性质的极强的无线电噪声。一般情况下，用天线接受到的是来自天线的无线电信号，而不是这种噪声。当时似乎所有方向都能接受到这种波长为7.35cm的噪声，相当于温度为3K物体辐射的射线。这一现象曾使他们百思不得其解。后来在普林斯顿大学迪克（R. H. Dicke）教授的帮助下他们认识到这正是加莫夫所预期的宇宙微波背景辐射温度，于是
11、他们在1965年正式发表了这一重要发现，并因而在1978年两人共同获得诺贝尔物理学奖。,2.2化学元素的起源,二、化学元素的起源,三、元素在宇宙中的丰度,一、现代宇宙成因假说,二、化学元素的起源 在大爆炸之初，宇宙中化学元素的种类极为单一：主要由氢原子和少量的氦原子所组成，其它元素都形成在恒星演化的各个阶段。这是因为恒星从元素的核反应中获得辐射能以维持其演化，而元素的核反应类型又取决于恒星的演化程度及其所能提供的反应温度。因此。化学元素的起源假说被称之为“恒星合成元素”假说。,“恒星合成元素”假说概括了元素合成过程的3种类型:1.氢核聚变反应: 主星序阶段的所有恒星都是通过氢核聚变反应获得能量
12、的，核反应的产物是元素氦。2.氦核聚变反应: 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，温度升高到100106K，氦核聚变开始。3.中子捕获反应: 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26（Fe）的重元素。,二、化学元素的起源,三、元素在宇宙中的丰度,一、现代宇宙成因假说,三、元素在宇宙中的丰度,宇宙中化学元素的组成和丰度是对宇宙成因理论和元素起源假说的检验，确定元素在宇宙中的丰度是地球化学和宇宙化学研究的重要任务之一。宇宙学原理表明宇宙是均匀的和各向同性的，宇宙各部分的化学组成是统一的。根据这一原理，人们通常用太阳系平均化学成分来表
13、示宇宙中元素的丰度。,确定太阳系元素丰度的途径是：（1）对太阳及其他星体辐射的光谱进行定性、定量测定；（2）直接测定地球岩石、月球岩石和各类陨石；（3）利用宇宙飞行器对临近地球的星体进行观察和测定；（4）分析测定气体星云、星际物质和宇宙线组成。,太阳及行星的性质 太阳系由太阳、行星、行星物体（宇宙尘、彗星、小行星）和卫星所组成，其中太阳集中了整个太阳系99.8%的质量。Our solar system consists of the sun, nine planets (and their moons), an asteroid belt, and many comets and meteor
14、s. The sun is the center of our solar system; the planets, over 61 moons, the asteroids, comets, meteoroids and other rocks and gas all orbit the Sun.,太阳及行星的性质,太阳系由太阳、行星、行星物体（宇宙尘、彗星、小行星）和卫星所组成，其中太阳集中了整个太阳系99.8%的质量。 * 接近太阳的较小的内行星-水星、金星、地球、火星，也称类地行星； * 远离太阳的外行星-木星、土星、天王星、海王星和冥王星，也称类木行星。,* 在火星和木星之间存在着数
15、以兆计的小行星（小行星带）。它们的大小相差极大。最大的直径可达数百公里，最小的仅1m。其数量在1011个以上。,Titius-Bode rule (1772): 0，3，6，12，24 + 4; 10,化学元素在太阳系中的分布特点主要表现为：内行星体积小、密度大，主要元素是Fe, Si, Mg等非挥发性元素；外行星体积大、密度小，主要是H，He等挥发性元素。,三、元素在宇宙中的丰度,太阳系平均化学成分或元素宇宙丰度的确定主要依据两类数据。一是根据太阳光谱资料确定太阳系中挥发性元素含量。 目前已知太阳中存在有85种化学元素。由于太阳表面温度极高，这些元素的原子都处于激发状态，并不断地辐射出各自的特征光谱。太阳光谱的谱线数目和波长主要取决于太阳表层中所存在的元素种类，而这些谱线的亮度则主要取决于元素的相对丰度。因此，通过测定太阳光谱中不同波长谱线强度，就可得到太阳表层元素的丰度。氢和氦是太阳大气中最主要成分，这两种元素的原子几乎占了太阳中全部原子数目的98%。,
