地球化学讲义+第一章太阳系和地球系统的元素丰度（中国地质大学）

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1、地球科学学院地球化学教研室,多媒体课件,地球化学,,中国地质大学地球科学学院地球化学系制作，2018年12月10日更新,第一章 太阳系和地球系统的元素丰度,本章内容 基本概念 元素在太阳系中的分布规律 地球的结构和化学成分 (自学） 地壳元素的丰度 具体区域元素丰度的研究 小结及思考题,中国地质大学地球科学学院地球化学系制作，2018年12月10日更新,一、基本概念,地球化学体系 分布和丰度 分布与分配 绝对含量和相对含量 研究元素丰度的意义,中国地质大学地球科学学院地球化学系制作，2018年12月10日更新,1.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

2、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（C、T、P等），并且有一定的时间连续。 这个体系可大可小。某个矿物包裹体，某矿物、某岩石可看作一个地球化学体系，某个地层、岩体、矿床（某个流域、某个城市）也是一个地球化学体系，从更大范围来讲，某一个区域、地壳、地球直至太阳系、整个宇宙都可看作为一个地球化学体系。 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，也就是地球化学体系中“量”的研究。,中国地质大学地球科学学院地球化学系制作，2018年12月10日更新,2.分布和丰度,体系中元素的分布，一般认为是指的是元素在这个体系中的相对含量（平均含量），即元素的“

3、丰度”，体系中元素的相对含量是以元素的平均含量来表示的，其实“分布”应当比“丰度”具有更广泛的涵义。 体系中元素的丰度值实际上只能对这个体系里元素真实含量的一种估计，它只反映了元素分布特征的一个方面，即元素在一个体系中分布的一种集中（平均）倾向；元素在一个体系中的分布，特别是在较大体系中决不是均一的。因此，元素的分布还包含着元素在离散程度（不均一）的特征，因此元素的分布: 元素的相对含量（平均含量）= “丰度”；元素含量的不均一性（分布离散特征数、分布所服从统计模型）。 需要指出的是，从目前的情况来看，地球化学对元素特征所积累的资料（包括太阳系地球地壳）都仅限于丰度的资料，关于元素分布的离散程

4、度及元素分布统计特征研究，仅限于少量范围不大的地球化学体系内做一些工作。,中国地质大学地球科学学院地球化学系制作，2018年12月10日更新,3.分布与分配,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）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，既有联系也有区别.例如，把地球作为整体，元素在地壳中的分布，也就是元素在地球中的分配的表现，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.,中国地质大学地球科学学院地球化学系制作，2018年12月10日更新,4.绝对含量和相

5、对含量,中国地质大学地球科学学院地球化学系制作，2018年12月10日更新,5.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。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程中，逐渐建立起近代地球化学。 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。

6、,中国地质大学地球科学学院地球化学系制作，2018年12月10日更新,二、 元素在太阳系中的分布规律,获得太阳丰度资料的主要途径 陨石的化学成分 太阳系元素丰度规律,中国地质大学地球科学学院地球化学系制作，2018年12月10日更新,（一） 获得太阳丰度资料的主要途径,大家都知道我们地球所在的太阳系是由太阳、行星、行星物体(宇宙尘、彗星、小行星）其中太阳的质量占太阳系总质量的99.8%，其他成员的总和仅为0.2%。所以太阳的成分是研究太阳系成分的关键。获得太阳元素丰度资料的途径主要有以下几种： 1. 光谱分析:对太阳和其它星体的辐射光谱进行定性和定量分析，但这些资料有两个局限性：一是有些元素产

7、生的波长小于2900，这部分谱线在通过地球大气圈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，只能说明太阳气的组成。,光谱分析仪,太阳光谱,中国地质大学地球科学学院地球化学系制作，2018年12月10日更新,（一） 获得太阳丰度资料的主要途径,2.直接分析:如测定地壳岩石、各类陨石和月岩、火星的样品.上个世纪七十年代美国“阿波罗”飞船登月，采集了月岩、月壤样品，1997年美国“探路者”号，2004年美国的“勇敢者”“机遇”号火星探测器测定了火星岩石的成分。 3.利用宇宙飞行器分析测定星云和星际间物质及研究宇宙射线。 由此可见，太阳系丰度是通过以上各种

8、途径得到的。,中国地质大学地球科学学院地球化学系制作，2018年12月10日更新,太阳系景观,中国地质大学地球科学学院地球化学系制作，2018年12月10日更新,（二） 陨石的化学成分,陨石是从星际空间降落到地球表面上来的行星物体的碎片。陨石是空间化学研究的重要对象，具有重要的研究意义： 它是认识宇宙天体、行星的成分、性质及其演化的最易获取、数量最大的地外物质； 也是认识地球的组成、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）。,中国地质大学地球科学学

9、院地球化学系制作，2018年12月10日更新,1.陨石类型,铁陨石,石陨石,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。,中国地质大学地球科学学院地球化学系制作，2018年12月10日

10、更新,1.陨石类型,这些陨石大都是石质的，但也有少部分是碳质。碳质球粒陨石有一个典型的特点：碳的有机化合分子和主要由含水硅酸盐组成。它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意义。由于Allende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致，碳质球粒陨石的化学成分已被用于估计太阳系中挥发性元素的丰度。,中国地质大学地球科学学院地球化学系制作，2018年12月10日更新,图1.1 C型碳质球粒陨石元素丰度与太阳元素丰度对比(据涂光炽，1998),中国地质大学地球科学学院地球化学系制作，2018年12月10日更新,1.陨石类型,陨石的主要矿物组成：Fe、

11、Ni 合金、橄榄石、辉石等。陨石中共发现140种矿物，其中39种在地球（地壳浅部）上未发现。 如褐硫钙石CaS，陨硫铁FeS。这说明陨石是在缺水、氧的特殊物理化学环境中形成的。,中国地质大学地球科学学院地球化学系制作，2018年12月10日更新,2.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：,中国地质大学地球科学学院地球化学系制作，2018年12月10日更新,基本认识：,从表中我们

12、可以看到O、Fe、Si、Mg、S、Ni、Al、Ca是陨石的主要化学成分。 根据对世界上众多各类陨石的研究，对陨石成分的看法还不甚一致，但以下一些基本认识是趋于公认的： 它们来自某种曾经分异成一个富金属核和一个硅酸盐包裹层的行星体，这种天体的破裂就导致各类陨石的形成； 石陨石与地球上的基性、超基性岩矿物组成和化学成分相似，铁陨石与地核的化学成分相似，陨石的母体在组成上、结构上与地球极为相似； 各种陨石分别形成于不同的行星母体，因为各类陨石具有不同的年龄及成分差异； 陨石的年龄与地球的年龄相近（陨石利用铅同位素求得的年龄是45.50.7亿年）； 陨石等地外物体撞击地球，将突然改变地表的生态环境诱发

13、大量的生物灭绝，构成了地球演化史中频繁而影响深远的突变事件，为此对探讨生态环境变化、古生物演化和地层划分均具有重要意义。,中国地质大学地球科学学院地球化学系制作，2018年12月10日更新,（三）太阳系元素丰度规律,有关太阳系元素的丰度估算各学者选取太阳系的物体是不同的。有的主要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，再加上估算方法不同，得出的结果也不尽相同，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）。,中国地质大学地球科学学院地球化学系制作，2018年12月10日更新,由表可知：,对于这样的数据我们应有一个正确的的评价：

14、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很精确的，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； 它反映了元素在太阳系分布的总体规律，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。 如果我们把太阳系元素丰度的各种数值先取对数，随后对应其原子序数作出曲线图（如下图）时，我们会发现太阳系元素丰度具有以下规律：,中国地质大学地球科学学院地球化学系制作，2018年12月10日更新,1.太阳系元素丰度规律图,把太阳系元素丰度的数值取对数lgC作纵坐标，原子序数（Z）作横坐标。,中国地质大学地球科学学院地球化学系制作，20

15、18年12月10日更新,基本规律：,1. H和He是丰度最高的两种元素。这两种元素的原子几乎占了太阳中全部原子数目的98。 2. 原子序数较低的范围内，元素丰度随原子序数增大呈指数递减，而在原子序数较大的范围内（Z45）各元素丰度值很相近。 3. 原子序数为偶数的元素其丰度大大高于相邻原子序数为奇数的元素。具有偶数质子数（A）或偶数中子数（N）的核素丰度总是高于具有奇数A或N的核素。这一规律称为奥多-哈根斯法则，亦即奇偶规律。 4. 质量数为4的倍数（即粒子质量的倍数）的核素或同位素具有较高丰度。此外，还有人指出原子序数（Z）或中子数（N）为“幻数”（2、8、20、50、82和126等）的核素

16、或同位素丰度最大。例如，4He（Z=2，N2）、16O（Z=8，N=8）、40Ca（Z=20，N=20）和140Ce(Z=58,N=82)等都具有较高的丰度。 5. Li、Be和B具有很低的丰度，属于强亏损的元素，而O和Fe呈现明显的峰，它们是过剩元素。,中国地质大学地球科学学院地球化学系制作，2018年12月10日更新,深入分析：,通过对上述规律的分析，人们认识到在元素丰度与原子结构及元素形成的整个过程有着一定的关系。 1. 与元素的原子结构有关。原子核由质子和中子组成，其间既有核力又有库仑斥力，当中子数和核子数比例适当时，核最稳定，而具有最稳定原子核的元素一般分布最广。在原子序数（Z）小于20的轻核中，中子（N）/质子（P）1时，核最稳定，为此可以说明4He（Z=2，N2）、16O（Z=8，N=8）、40Ca（Z=20，N=20）等元素丰度较大的原因。又如偶数元素与偶数同位素的原子核内，核子倾向成对，它们的自旋力矩相等