地球化学省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第一章第一章 太阳系和地球系统太阳系和地球系统元素丰度元素丰度地球化学地球化学第1页序言1 姚明2 体检3 从宇宙说起4 神奇光第2页本章内容基本概念元素在太阳系中分布规律地球结构介绍地壳元素丰度地球其它部分元素丰度第3页一、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意义第4页一、基本概念1 地球化学体系地球化学体系 岩石岩石岩石岩石 矿床矿床矿床矿床 地球地球地球地球包裹体包裹体包裹体包裹体c（浓度）P（压强）T（温度）pHEhTIME（连续性）区 域状态时间第5页一、基本概念2 丰度丰度关键词：关键词：丰度表示方法丰度表示方法已经建立丰度体系已经建立丰度体系与元素丰度相关几个名词与元素丰度相关几个名词元素自然体平均含量一个化学元素在某个自然体中重量占这个自然体全部化学元素总重量（即自然体总重量）相对份额（如百分数），称为该元素在自然体中丰度。化学元素在任何宇宙体或地球化学系统中（如地球、地球各圈层或各个地质体等）平均含量第6页一、基本概念丰度表示方法丰度表示方法重量丰度W原子丰度相对丰度R（宇宙丰度单位，CAU.）常量元素（wt%）微量元素ppm(g/t,g/g，10-6)痕量元素ppb(g/t，ng/g，10-9)（原子%）原子数/106硅原子第7页已经建立丰度体系已经建立丰度体系宇宇宙宙丰丰度度太太阳阳系系丰丰度度类类木木行行星星地地球球类类地地行行星星上地幔丰度上地幔丰度地壳丰度地壳丰度下地幔丰度下地幔丰度地核丰度地核丰度陆陆地地地地壳壳海洋地壳海洋地壳地盾区地壳地盾区地壳褶皱区地壳褶皱区地壳浅洋区地壳浅洋区地壳深洋区地壳深洋区地壳上地壳上地壳中地壳中地壳下地壳下地壳第8页一、基本概念与元素丰度相关几个名词与元素丰度相关几个名词克拉克值区域克拉克值浓度系数浓度克拉克值地壳地壳重量百分数重量百分数费尔斯曼费尔斯曼地壳以下结构单元地壳以下结构单元较小自然体丰度较小自然体丰度/背景丰度背景丰度区域克拉克值区域克拉克值/地壳丰度地壳丰度第9页一、基本概念3 分布与丰度分布与丰度4 分布与分配分布与分配分布分布丰度丰度平均含量平均含量分布分布不均一性不均一性丰度丰度分布是整体分布是整体分配是局部分配是局部相对性相对性分布是元素在自然体系中整体含量元素分布是指元素在某个宇宙体或地质体（太阳、行星、陨石、地球、地圈、地壳）中整体（平均）含量。分配是指元素在各宇宙体或地质体内部不一样部分或区段中含量。对元素分配进行观察参考点来自元素分布。第10页一、基本概念绝对含量单位绝对含量单位相对含量单位相对含量单位T吨百分之10-2kg千克千分之10-3g克mg毫克ppm、g/g、g/t百万分之10-6g微克ppb、g/kg、ng/g十亿分之10-9ng纳克ppt、pg/g万亿分之10-12pg皮克5.绝对含量和相对含量绝对含量和相对含量1g/t=1g/g=10-4%=10-6=1ppm第11页一、基本概念 6 6 研究元素丰度意义研究元素丰度意义元素丰度是每一个地球化学体系基本数据。可在同一或不一样体系中进行用元素含量值来进行比较，经过纵向（时间）、横向（空间）上比较，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过程中，逐步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主要素材之一。宇宙天体是怎样起源？地球又是怎样形成？地壳中主要元素为何与地幔中不一样？生命是怎么产生和演化？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。第12页二、太阳系中元素分布规律取得太阳丰度资料主要路径太阳系元素丰度规律陨石化学成份第13页2.1太阳和太阳系99.8%0.2%第14页2.2取得太阳丰度主要路径1.光谱分析:光谱分析仪光谱分析仪太阳光谱太阳光谱依据依据 高温均匀化高温均匀化丰度与亮度正比丰度与亮度正比大气不等于整体大气不等于整体29002900 测不到测不到局限局限 第15页McMath-Pierce太阳电子望远镜光谱仪太阳光谱第16页2.2取得太阳丰度主要路径2.直接分析:陨石、月岩、地球岩石球粒陨石宇航员宇航员月球车月球车火星车火星车球粒陨石，主要由硅酸盐矿物组成，含有细小圆形球粒。这些球粒是在非平衡条件下，从热、低密度和部分电离气体中直接凝聚出来。被认为代表着原始星云中非挥发性成份第17页2.2取得太阳丰度主要路径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。(高强粒子：质子和粒子、较重元素原子核、电子、中微子、高能光子等）4 由物质物理性质与成份对应关系推算（如行星）（表面温度低，无法测光谱，据体积、质量、密度等对比）5 分析测定气体星云或星际间物质(极稀薄气体、极少许尘埃）第18页太阳系相对丰度含量绝对值对比第19页2.3太阳系元素丰度规律1 指出含量最高两个元素2 原子序数越高含量越？3锯齿状说明奇数还是偶数元素高4 找出规律5找出异常1H2He26Fe8O9F82Pb90Th92U21Sc61Pm43Tc第20页第21页2.3太阳系元素丰度规律1.H和He是丰度最高两种元素。占总数99.86,重量97%、H/He比值12.5。2.原子序数较低范围内，元素丰度随原子序数增大呈指数递减，而在原子序数较大范围内（Z50）各元素丰度值很相近。3.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。含有偶数质子数（A）或偶数中子数（N）核素丰度总是高于含有奇数A或N核素。这一规律称为奥多-哈根斯法则，亦即奇偶规律。第22页第23页2.3太阳系元素丰度规律4.Li、Be和B含有很低丰度，属于强亏损元素，而O和Fe展现显著峰，它们是过剩元素。5.Tc和Pm没有稳定性同位素，在宇宙中几乎不存在；原子序数大于83（Bi）元素也没有稳定同位素，他们都是Th和U长寿命放射成因同位素，在丰度曲线上这些元素位置空缺。一样都是化学元素，为何在宇宙（太阳系）中含量差距如此悬殊？为何会出现偶数规则？第24页2.4 元素起源1.氢燃烧过程（温度106K 或107K）合成氦核（期间也能产生Li、Be、B）2.氦燃烧过程（温度108K）合成12C、16O、20Ne、24Mg、28Si、32S等元素3.碳和氧“燃烧过程”（温度109K）产生中等质量元素，结合过程合成了大部分中低原子量元素4.硅燃烧过程（统计平衡过程，3.8109K）形成V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni等元素5.中子俘获过程（S-过程）合成比铁重元素。快中子过程合成原子量大于209元素。第25页2.5 陨石化学成份定义：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（流星体）残骸称为陨石.（有一层黑色或深褐色熔壳。主要来自小行星带：小行星碎块和崩解彗星残核，少许来自其它天体，大小从显微质点到几十吨,非洲戈巴铁陨石60t,是最大铁陨石,新疆铁陨石28t,世界第3铁陨石;吉林石陨石1.77t,是世界最大石陨石）南极和沙漠是陨石富集区！在南极已采集15000块陨石为何？1965，英国，Barwell 陨石第27页2.5.1 陨石类型铁陨石石陨石石铁陨石主要由金属Ni,Fe（占90%以上）组成主要由硅酸盐矿物组成（90%以上）。无球粒陨石无球粒陨石由数量上大致相等FeNi和硅酸盐矿物组成陨石主要矿物组成：Fe、Ni 合金、橄榄石、辉石等。陨石中共发觉140种矿物，其中39种在地球（地壳浅部）上未发觉。如褐硫钙石CaS，陨硫铁FeS。球粒状硅酸盐集合体（金属含量10%）球粒陨石第28页陨石分类陨石分类非球粒陨石质陨石原始无球粒陨石分异的无球粒陨石无球粒无球粒陨石石石石铁陨石石铁陨石石球粒陨石质陨石顽辉石球粒陨石普通球粒普通球粒陨石石碳碳质球粒球粒陨石石R群K群主要成份：球粒、Fe-Ni金属、难熔包裹体、基质第29页第30页2.5.1 陨石类型注意：球粒陨石和少许无球粒陨石属原始陨石（微星物质碎块）石-铁陨石、铁陨石和多数无球粒陨石属于分异型陨石，经过了岩浆侵入、喷出，岩浆结晶分异（具球粒陨石成份物质再熔融和分异）降落陨石中大部分是球粒陨石（占总数91.5%），其中普通球粒陨石最多（80%）。无球粒陨石3.3%，铁陨石4.6%。石铁陨石1%。第31页2.5.3 陨石研究意义陨石是空间化学研究重点对象，已经有几百年研究历史，近几十年发展尤为快速是当前最易获取和数量最大地外物质研究太阳系物质组成、起源与演化，对认识太阳系早期演化历史有主要意义。探索有机质和生命起源作为地球成份研究对比标准(如稀土和微量元素标准化及硫同位素国际标准)，帮助了解地球成因和组成防治自然灾害第32页美国亚利桑那Barringer(or Meteor)陨石坑，直径约1.2km由一个直径约40m撞击物撞击而成。撞击物残余称为Canyon Diablo铁陨石(国际S同位素标准）第33页2.5.3 陨石研究意义碳质球粒陨石：一个特殊球粒陨石，含有碳有机化合物分子且主要由含水硅酸盐组成。CI、CM、CO、CV等 CI是最原始太阳星云凝聚物质（无热变质，距太阳远）CI型碳质球粒陨石是太阳系非挥发性元素丰度标尺！第34页C型碳质球粒 陨石元素丰度与 太阳元素丰度对比(Anders&Grevasee,1989)第35页第36页2.5.3 陨石研究意义CAI：球粒陨石中所含富Ca、Al包体。形成于太阳系演化历史最初始阶段，可能保留了一些同位素异常信息和灭绝核素衰变子体。O同位素异常26Al26MgCAI是太阳星云最早期各种热事件产物，保留了星云最原始信息，含有同位素异常和大量灭绝核素子体，是研究早期太阳星云形成和演化探针。第37页2.6 行星和月球化学成份2.6.1行星化学成份（1）地球和类地行星Terrestrial planets（地球、Mercury、Venus、Mars）：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atmophile element含量低。（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%。第38页第39页2.6 行星和月球化学成份2.6.2 月球化学成份月球是硅酸盐固态球体，无大气圈，分异弱.形成于4.5Ga前。表面由高地和月海(洼地）组成。月球高原:普通为斜长岩，橄长岩，苏长岩或富斜长石辉长岩。主要高地斜长岩、高地玄武岩。富铝，而Ti、Fe较低.4.1 3.9Ga(部分熔融结晶分异）。高地玄武岩中有一个特殊克里普岩(KREEP):富含钾、REE、Th、U和P玄武岩.是富挥发分残余熔浆（分异岩浆）结晶产物。月海区:主要是玄武岩或显微辉长岩，由钙质斜长石、单斜辉石、钛铁矿组成,少许橄榄石.3.853.15Ga（猛烈小天体撞击，泛月海事件）第40页2.6.2 月球化学成份Wt%元素元素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、Ta与地球和陨石成份对比及意义碱金属和挥发性元素（Bi、Hg、Zn、Cd、Tl、Pb、Ge、C和Br）较贫相对富含耐熔元素Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Sc、Zr、Nb、Mo、Y及REE第41页2.6.2 月球化学成份月球资源：1 能源：月壤层厚320m,微陨石和太阳风注入，使其富含挥发性元素和稀有气体，最令人感兴趣是3He，平均含量310-9 410-9，资源总量可达100万t500万t,是地球（1020t）10万50万倍，以1992年全球用电量计算，全用D-3He发电，可供地球发电1万5万年。2 矿产：月海玄武岩是月球上最丰富岩石之一，它最显著化学成份特征是富TiO2（2.5413.14%）,以TiO2含量4.2%月海玄武岩计算，钛铁矿资源量可达1500万亿t。克里普玄武岩中异常高REE、Th、U含量也可能可供开采利用第42页2.6.2 月球化学成份3月球特殊空间环境资源开发利用月球超高真空、无大气活动、无磁场、弱重力、超洁净，地质结构稳定。可建“太空试验室”，开展天文学、空间科学、近代物理、生物工程学研究，研制和生产特殊生物制品和特殊材料.第43页讨论月球捕捉说与撞击说，哪个对小行星带是否是一个大星球碎片要求：找到相关地球化学证据！第44页小结(1)(1)太阳系元素丰度特征。太阳系元素丰度特征。(2)(2)太阳、行星、陨石对太阳系元素丰度研究贡献。太阳、行星、陨石对太阳系元素丰度研究贡献。(3)(3)陨石研究对地球形成和组成演化意义。陨石研究对地球形成和组成演化意义。(4)(4)碳质球粒陨石及碳质球粒陨石及CAICAI特殊研究意义。特殊研究意义。(5)(5)元素起源及合成可能过程。元素起源及合成可能过程。第45页第46页