宇宙和地球中元素的分布与分配.ppt

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 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 meteors. 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%。,三、元素在宇宙中的丰度,二是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。 球粒陨石主要由硅酸盐矿物组成，含有细小的圆形球粒，称作陨石球粒。这些球粒是在非平衡条件下，从热的、低密度和部分电离的气体中直接凝聚出来的（Blander et al., 1969），只有太空才能满足这样的条件。因此，球粒陨石可能代表着太阳系中各个行星的原始母质，从而成为探索太阳系中重元素或非挥发性元素的宝贵样品。,三、元素在宇宙中的丰度,在获得上述两类数据以后，通常采用太阳光谱数据确定宇宙中H、He和其它挥发组分的丰度，并根据球粒陨石的分析结果确定宇宙中其它非挥发性元素的含量，其中分布广的非挥发性元素（例如Si）在两类数据间的部分重叠被用来将两种来源的资料结合起来。,三、元素在宇宙中的丰度,按照这一模式，1937年戈尔德斯密特编制了第一个适用的元素及同位素在宇宙中的丰度表，以后又不断有新的宇宙中元素丰度表问世，比较这些元素的宇宙丰度表,可以看出：虽然不同作者在计算方法和数据取舍上有所偏颇，但所得结果却大同小异。表中元素丰度值采用的是相对于106个Si原子的各个元素的原子数，即原子丰度值，选择Si作为标准是因为该元素分布广且挥发性又小，因而稳定性好。宇宙中元素的分布是极不均一的，其含量差别达到10个数量级以上；然而又是有规律可循的。,三、元素在宇宙中的丰度,宇宙中元素分布的如下特征规律： （1）宇宙中最丰富的元素为H和He。H/He比值为12.5。 （2）原子序数较低（Z50），不仅元素的丰度低，而且丰度值几乎不变，即丰度曲线近乎水平。 （3）原子序数为偶数的元素其丰度值大大高于原子序数为奇数的相邻元素。（奥多-哈根斯法则）,三、元素在宇宙中的丰度,（4）与He相邻的元素Li、Be和B具有很低的丰度，按较轻元素的丰度水平它们是非常亏损的元素；O和Fe呈明显的峰出现在元素丰度曲线上，说明它们是过剩的元素。 （5）Tc和Pm没有稳定性同位素，在宇宙中不存在；原子序数大于83（Bi）的元素也没有稳定同位素，它们都是Th和U的长寿命放射成因同位素。在丰度曲线上这些元素的位置空缺。 （6）质量数为4的倍数的核素或同位素具有较高的丰度，如4He 、16O 、 40Ca 、 56Fe和140Ce 等。,三、元素在宇宙中的丰度,通过对这些规律的分析，人们逐渐认识到宇宙中元素丰度的分布与元素的化学性质无关，而主要受原子核的结构控制。原子核由质子和中子组成，其间既有核力（结合力）又有库仑斥力，当中子数和质子数比例适当时，核较稳定，而具有稳定核结构的元素一般分布较广。原子序数低的轻核容易达到质子和中子数的平衡，例如16O 、24Mg 、28Si 、40Ca 的原子核中具有中子/质子=1，核最稳定，因此这些元素具有较大的宇宙丰度。,三、元素在宇宙中的丰度,随着原子序数的增加，核内中子数的增加速度往往大于质子数，原子核趋于不稳定，故而元素和同位素的丰度降低。偶数元素的原子核内，核子倾向成对，根据量子力学计算，此时原子核能降低，核稳定性增大，因而这种元素在自然界中的分布较广。,三、元素在宇宙中的丰度,此外元素的恒星合成过程也决定了元素的丰度大小。例如Li、Be、B作为氢燃烧的一部分而转换成He，造成了宇宙中这部分元素的亏损。又如O和Fe的丰度异常地高是因为这两种元素是氦燃烧的稳定产物。,一、月球的主要岩石类型 二、月球的化学组成 三、月球和地球若干特征对比,第三节 月球的组成,过去人们仅能够从恒星和行星的电磁辐射以及陨石的组成资料来了解地球以外的天体。1969年7月美国“阿波罗”11号载人飞船首次登月成功，开始了人类对地球的卫星月球表面的物质组成和物理性质进行直接研究的时期。从1969年7月到1972年12月，美国共实现了6次人类登月活动，有12名宇航员到达月面考察，考察时间达22个多小时，共带回月面岩石和月壤样品470多千克。这项伟大的工程积累了有关月球的许多珍贵资料（中科院贵阳地球化学研究所，1977；Anderson, 1973; Cameron, 1978; Toksoz et al., 1972），对探讨太阳系的起源和地球的演化历史都有重要的参考价值。,第三节月球的组成,在经历了十八年的平静之后，美国1994年成功地发射了Clementine号月球探测器，并于次年提出了面向21世纪的全新而完整的探月计划。紧接着俄罗斯、欧洲空间局、日本和印度也制定了各自的月球探测计划并付诸实施。这一切标志着月球探测的新高潮已经开始（欧阳自远等，2003）。,第三节月球的组成,月壤中3He的平均含量为31094109，资源总量可达100500万t，是目前已知地球上3He资源量（1020t）的1050万倍。建设一个50MW的D3He核聚变发电站，每年约消耗3He 50kg，以1992年全球用电量计算，如果全部使用D3He发电，则需约100t3He原料，也就是说，月壤中的3He储量可供地球发电15万a（欧阳自远等，2003）。勿庸置疑，开发月壤中丰富的3He对人类未来能源的可持续利用具有重要意义。,第三节月球的组成,一、月球的主要岩石类型： 根据对月岩、月壤和月尘样品的研究，构成月球表面（月壳）的岩石存在三种主要类型： 一类是与地球上大洋型拉斑玄武岩相近的月海玄武岩，但与地球上的拉斑玄武岩不同的是，月岩的拉斑玄武岩中富含TiO2和FeO，它主要分布在月球表面相对低洼的广阔的“月海”地区。同位素年龄大多数在31.5到38.5亿年之间。月海玄武岩现认为是由月球内部富钛、铁和贫斜长石的区域因放射性加热而部分熔融产生的，不是月壳原始分异的产物。,三、月球的组成,一、月球的主要岩石类型： 第二类是富含放射性元素及难熔微量元素的非月海玄武岩。它是一种富斜长石的玄武岩，内中斜长石的含量较月海玄武岩为高，但铁镁矿物和不透明矿物的含量则比月海玄武岩为低。其中有一种特殊的岩石类型，由于它含有较高的钾（K）、稀土元素（REE）及磷酸盐（P），故命名为克里普岩（KREEP）。克里普岩的化学成分本质上是玄武岩，但U、Th、Rb、Sr、Ba及稀土的含量比月海玄武岩高。非月海玄武岩一般认为是由富斜长石的岩石部分熔融而产生的。,三、月球的组成,一、月球的主要岩石类型： 第三类是富铝的高地斜长岩，其中含有70%的斜长辉长岩，它是组成月球台地或高地的岩石，也是月球上保存下来最老的台地单元。富铝的斜长岩现认为是岩浆分离作用的产物。其化学特征最显著的是Al2O3含量较高（19.136.49%）而TiO2和FeO均较低。,三、月球的组成,一、月球的主要岩石类型： 除上述三种主要月壳岩石类型外，在有的样品中还发现有化学成分上非常独特的偏酸性岩石，这种岩石明显的富含SiO2（61%）、K2O（2.0%）、ZrO2（0.3%）、Li（100ppm）、Ba（2150ppm）、Rb（30ppm）、Nb（170ppm）、Th（34ppm）、U（11ppm）、Y（240ppm）、Yb（20ppm）。但是到目前为止，在月球上尚未发现大的花岗岩体。,三、月球的组成,二、月球的化学组成 对月球表面不同地区所采取的月壤及月尘样品的研究表明，月壤主要由晶质的岩石碎块、玻璃及显微角砾岩组成；月尘主要由辉石、斜长石、橄榄岩及钛铁矿组成，含少量的鳞石英、方英石，陨硫铁、尖晶石及镍铁。即亲铁、亲铜、亲石和亲气元素。,三、月球的组成,Ages of lunar rocks The oldest rocks are anorthosites in the lunar highlands (ancient crust, 4.3-4.4 billion years old). Impact breccias are mostly from the giant maria-excavating impacts (3.9-4.3 billion years old). Mare basalt that covers the maria floors was formed by melting of the lunar mantle. These basalts gradually filled the maria as a series of lava flows (3.1-3.9 billion years old). Volcanic glass is scattered throughout the lunar regolith, although few volcanoes have been positively identified. This glass (1.3-3.5 billion years old) largely post-dates the mare basalts. Since 1.3 billion years ago there is no evidence of any geologic processes except meteorite impacts and some mass wasting processes such as landslides.,二、月球的化学组成 由于月球上缺少地质作用，月壤和月尘实际上是月表岩石破裂（因陨石撞击和昼夜温差等原因）后就近堆积的沉积层，因此，月壤和月尘能够代表月壳的化学组成。有意义的是在月球的不同地点所采取的月壤样品其化学组成十分相似，其元素组合与地球上元素组合特征也相当吻合，可划为4类（见表1-8）：,三、月球的组成,三、月球的组成,月球物质中发现的化学元素,三、月球的组成,如前所述，玄武岩和斜长岩是月球上发现的最丰富的2类岩石。对月球玄武岩和月球斜长岩的常量元素和微量元素分析结果列在表1-9和表1-10中。从中可见，由于月球上缺少大气圈，缺少氧化作用，因此所有的Fe都以FeO形式存在。与地球玄武岩相比，月球玄武岩相对富含FeO、MgO和TiO2而贫含碱金属；在微量元素方面，月球玄武岩则以富含Cr、Zr、Th、REE等难熔元素为特征。月球斜长岩的主要组分为SiO2、Al2O3和CaO，其中CaO的含量明显比地球斜长岩高，而SiO2、Na2O和K2O的含量则明显低于地球斜长岩中的含量。,三、月球的组成,三、月球和地球若干特征对比 对月球观察和自月球表面采回的月岩、月壤标本的研究结果表明： （1) 月球与地球都是太阳系的成员，均在距离“原太阳”非常相似的距离内凝聚形成，二者演化过程有许多近似之处。但由于形成二者的初始物质组成上的差异、体积和密度的不同等原因，也导致它们演化过程有许多差异。现今月球表面的特征似乎可以比拟作地球发展的早期阶段，因此，月球的研究资料成为了解地球早期（距今3146亿年）阶段演化特征的一个重要方面。,三、月球的组成,三、月球和地球若干特征对比 （2）鉴于目前地球上所发现的最古老的岩石同位素年龄（3737.5亿年）和月岩的最老的同位素年龄（A-14的样品为39.5亿年是最老的，A-11及A-16的样品为中等年龄3437亿年）很为接近，同时，月球演化在距今31亿年以来几乎处于“停滞”状态，如果把月球原始结晶岩石看作地壳早期形成的岩石的话，这就说明今天地球上存在的花岗岩质的大陆型地壳、水圈和大气圈等，是在地球后来的演化和发展过程中产生的。,三、月球的组成,三、月球和地球若干特征对比 （3）从月球表面采回的月岩标本无论在地球化学特征（岩石的化学成分和矿物成分、同位素测定）上，或者是地球物理性质（密度、弹性波传播速度）方面，大体和地球上大洋型玄武岩地壳，或者是地壳的硅镁层相似，反映了月壳和大洋型地壳相似。月球表面缺失象地球表面广泛分布的大陆型花岗岩地壳（硅铝层）。,三、月球的组成,三、月球和地球若干特征对比 （4）月球的现有研究结果表明，月球和地球由同样的化学元素组成，地球中的全部化学元素在月岩和月壤中都有发现，但二者的比例不同。地球与月球化学组成上的差异，无疑是在后期的化学分馏和热变质阶段产生的。,三、月球的组成,三、月球和地球若干特征对比 （5）在月球和地球早期，强烈的火山活动都比较普遍。月球高地的形成，广泛分布的月海玄武岩和地球早期产生的中、基性喷出岩后经变质形成的全球广泛分布的绿岩系，是地球可以与月球演化进行对比的显著特征之一。,三、月球的组成,三、月球和地球若干特征对比 （6）月岩及月壤内缺乏水，并几乎没有三价铁的存在，证实了月球表面没有水圈和大气圈，月表接近于真空状态。因此，月球不会象地球上那样，有分布广泛的生命活动（生物圈）的存在。由于缺乏流水、氧化、生物等作用，月球表面自然地也缺失了这些外营力引起的地质作用和产物。月岩是基本上保持了原状而变化不大的“原始岩石”。,三、月球的组成,三、月球和地球若干特征对比 （7）由于月岩没有明显的磁场，月球可能没有金属月核。但月球内部具有类似于地球的壳层构造。地球物质的熔融、分异远比月球要充分得多。月球火成岩的熔融温度因缺水而比地球上的火成岩要高得多，地球内部没有月球内部那样坚固。月球强的还原条件是月球上熔体结晶作用过程的特征。地球物质的核转变能较月球大得多，因而地球的构造-岩浆活动比月球规模大，延续时间也较长。,三、月球的组成,三、月球和地球若干特征对比 （8）月表所具有的不同于地球的特殊物理化学环境，使试图通过对月球物质的研究而在月球上找寻矿床的可能性显得很小。地球的极其复杂的内、外营力地质作用，是其形成丰富矿产资源的优越条件。这是二者明显不同之处。,Dust of the early solar nebula. A great many pebbles. Zillions of boulders. Trillions of asteroids. Four inner planets.,月球起源假说,Introduction to lunar geology The basic geology of the Moon have been worked out from telescope and satellite images of the lunar surface, samples returned by the U.S. Apollo and Soviet Luna missions, from seismic sensors left by Apollo missions, and from measurements of the physical characteristics of the moon such as gravity. The following summarizes the conclusions. The Moons density, measured chemistry, and seismic structure is compatible with a lunar mineralogy of mostly pyroxene, olivine, and iron-titanium oxides, with little or no iron core.,The overall chemistry of the Moon is much like the Earths mantle, but the Moon has much less of chemical components that are volatile at modest temperatures, including H2O, CO2, and elements with low boiling points such as sodium, lead, and arsenic.,The Moons oldest crust is 4.4 billion years old, about 50 km thick on the near side and thicker on the far side, and is composed mostly of anorthosite (plagioclase-rich plutonic rock) and related plagioclase-rich rocks. This anorthosite crust is thought to have formed by floating of plagioclase,crystals as they crystallized during cooling of a global magma ocean. The crust has been heavily churned up by numerous large meteorite impacts early in the Moons history.,The Moons mantle is largely composed of pyroxene, olivine, and iron-titanium oxides. The deeper parts of the mantle were always mostly solid, whereas the upper parts of the mantle were formed by sinking of dense minerals during cooling and crystallization of the magma ocean at the same time that the crust formed.,After the crust had formed and the magma ocean solidified, several huge meteorite impacts excavated large basins and created large quantities of impact melt and breccia. 6. The largest lunar impact basins are partly filled with enormous basaltic lava flows. These mare basalts erupted over a period of hundreds of millions of years. The basalts formed by melting of the deep lunar mantle.,Volcanic activity decreased with time, and evidence indicates that volcanism ceased at least 1.3 billion years ago. Impact cratering continues at a slow rate to this day. 9. The Moon is gradually moving away from Earth as tidal friction transfers angular momentum to the Moon. As a result, Earths rotation rate is gradually slowing and the day is gradually getting longer.,Samples returned from the Moon:,Types of samples collected,There are many fewer minerals in lunar rocks than on the Earth, partly because of the more limited range of chemical composition of the Moon. The absence of water and other volatiles is important in limiting the number of minerals too. The most abundant minerals in the moon are listed below:,Minerals in lunar samples,第四节 陨石的化学成分及其分类,Most people are familiar with the term shooting star, but few know its importance. Actually, it is not a star shooting across the sky, but a small piece of solid matter called a meteoroid colliding with the atmosphere. As the meteoroid enters the Earths atmosphere, the friction created by its incoming velocity causes its surface to heat up, and the brilliant flash of light records the passage of a meteor.,第四节 陨石的化学成分及其分类,陨石(Meteorite)是从星际空间降落到地球表面上来的太阳系碎片，主要来源于位于火星和木星之间的小行星带。每天落到地球上的陨石平均重量在1000至10000吨之间，但大部分落在占地表2/3的海洋里，一部分落在人烟稀少的沙漠、森林和山区，仅有少数的陨石才有机会被人们发现。陨石的研究已有几百年的历史，近几十年来发展尤为迅速。现在，人们对陨石的类型、组成及其演化途径已经有了比较统一的认识，并且通过陨石的研究对太阳系的早期历史有了更加清楚的了解。陨石学已经构成了天文学和地质学之间的一门重要的交叉学科。,Mars Meteorite,Mars Meteorite,第四节 陨石的化学成分及其分类,二、陨石的类型,三、陨石的平均化学成分,四、陨石的演化历史,一、陨石的研究意义,第四节 陨石的化学成分及其分类,一、陨石的研究意义 陨石的化学成分是估计太阳系元素丰度以及地球整体和地球内部化学组成最有价值的依据： （1）陨石是认识宇宙天体、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； （2）陨石是认识地球的组成、内部构造和起源的主要资料来源。 （3）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； （4）陨石可作为某些元素和同位素的标准样品。,第四节 陨石的化学成分及其分类,二、陨石的类型 （1）铁陨石 主要由金属镍-铁（占98%）和少量的其它矿物组成。 （2）石陨石 主要由硅酸盐矿物所组成。这类陨石又可分为两个亚类，即决定于它们是否含有细小而大致等粒的球状硅酸盐结构而进一步分之为：球粒陨石；无球粒陨石。这类陨石大多数是石质陨石，很少量而特殊的是碳质陨石。 （3）铁石陨石 由数量大体相等的镍-铁和硅酸盐矿物组成，是上述两类陨石之间的过渡类型。,第四节 陨石的化学成分及其分类,Classification of Meteorites Meteorites are classified into three main groups because of their particular mineral compositions: irons, stony-irons, and stones. Mineralogically, meteorites consist of varying amounts of nickel-iron alloys, silicates, sulfides, and several other minor phases. Classification is then made on the basis of the ratio of metal to silicate present in the various compositions. No two meteorites are completely alike, and specific compositional and structural features give a particular meteorite its unique identity.,第四节 陨石的化学成分及其分类,铁陨石： 铁陨石比较稀少，它只占陨石总量的10%，但在地表发现的陨石中，铁陨石多于石陨石，原因是铁陨石较易在土壤中保存，并且易于和地表岩石相区别。 铁陨石除主要组分镍-铁合金外，一般具有副矿物磷铁镍钴矿(Fe,Ni,Co)3P、陨硫铁（FeS）、镍碳铁矿（Fe3C）以及石墨。附属副矿物如陨辉铬矿（FeCr2S4）则较少见。这些副矿物呈小圆块散布在金属中。 金属通常呈一种特殊结构，称维德曼斯德特蚀象（Widmanstetter figure）。这种结构表现为一种镍-铁合金的薄层在一种富镍的基质（镍铁石）内互相间生，它是一种合金在高温时缓慢地结晶的标志.,第四节 陨石的化学成分及其分类,石陨石： 石陨石中的球粒陨石之所以得名，如上所述，是因为有陨石球粒的存在，它们是由橄榄石或辉石所组成的小球体，有时也有玻璃。无球粒陨石中则没有球粒结构。除了结构上的区别以外，它们在成分上也表现差异。 球粒陨石的平均矿物成分大致是：镍-铁12%、橄榄石46%、紫苏辉石21%、透辉石4%、斜长石11%；无球粒陨石的平均矿物成分大致是：镍-铁1%、橄榄石9%、紫苏辉石50%、透辉石12%、斜长石25%。在石陨石中，球粒陨石所占的比例远较无球粒陨石要多，占全部陨石的90%以上。,陨石球粒,陨石球粒,陨石球粒,三、陨石的平均化学成分 大量的陨石组分的分析资料表明，陨石中最广泛分布的化学元素为：O、Fe、Si、Mg、Ni、S、Al、Ca等。其比值取决于陨石的矿物成分。三种基本类型的陨石之间，在化学成分上是有着很大差异的。因此，在计算陨石的平均化学成分时，必须解决下面两个问题： 首先，要了解各种陨石的平均化学成分。现在人们已经积累了对陨石化学分析的许多实际资料，所以这个问题已经基本解决。,三、陨石的平均化学成分 其次，要知道各种类型陨石数量的比例。这个问题到目前为止，还未经过确切研究和最后解决，因而不同研究者在计算陨石化学成分时所采用的比例并不一致。,对陨石的化学组成研究表明，地球上已知的化学元素在陨石中均有发现。尽管陨石和地球在体积上相差悬殊，但在物质上具有宇宙天体的共性，充分说明陨石与地球物质来源的同源性。,四、陨石的演化历史： 目前，世界各地已测定了数百个陨石的年龄。一个重要的结果是，由石陨石、铁陨石以及地球物质中所得到的铅，全都位于一条共同的等时线上。这说明它们几乎是在同一时间形成的。利用铅同位素求得陨石的年龄为（45.50.7）亿年。铅法测出的陨石年龄被认为是陨石形成封闭体系以后的年龄，通常称为固化年龄。,四、陨石的演化历史： 此外，利用Rb-Sr法也测出了陨石的固化年龄，其测定结果几乎全部为4447亿a，平均为（452.6）亿年。利用K-Ar法测得的年龄数据略低些，多数集中在45亿a，这是由于陨石固化后氩逸失所引起的。可见陨石和月球、地球的年龄都是十分近似的，表明它们都是太阳系的成员，形成独立的宇宙体的时期是大致相同的。这个结果对探讨宇宙体的形成、发展是很有意义的。,一、地球的成因 二、地球的内部结构 三、地球的化学元素丰度,第五节地球的元素组成,一、地球的成因,地球是在约46亿年前诞生的。一般均认为地球是由组成太阳和其它行星的同样物质所形成，只是关于形成或者聚集方式存在着不同意见。一部分人认为它是由炽热的气态星云凝聚而成，另外一些人则认为它是宇宙星云通过固态质点逐渐吸积（accretion）而成。由于地球上不仅轻气体（H、He等）严重亏损，而且重气体（Kr、Xe等）的丰度也极度偏低，这些事实有利于地球吸积形成的假说。因为倘若地球是由炽热物质凝聚形成，这些气体均应较之现在具有更高的丰度（赵伦山、张本仁，1988）。,一、地球的成因,目前，关于地球成因较为流行的观点是“星子连续吸积”模型（Murray et al., 1981），该模型认为，原始的太阳星云是由气体和尘粒组成，尘粒的半径约为10-5cm。星际尘粒在绕“原太阳”旋转过程中相互碰撞、粘合，进而形成直径为10106m的星子。在星云盘中，靠近“原太阳”的星子主要由难熔的金属Fe、Ni及其氧化物所组成；随着与“原太阳”距离的增加，星子的化学组成逐渐被Mg和Fe的硅酸盐以及水、甲烷、氨以及其它的挥发组分的冰所组成。,一、地球的成因,在地球形成之初由金属Fe和Ni的氧化物星子加积而成地核，然后Fe、Mg硅酸盐星子覆盖在地核之上。随着地球的“长大”，在星子捕获产生的热和放射性同位素衰变产生的热的作用下，地球发生融化并在重力的作用下分层。,一、地球的成因,地球增生的最后阶段是挥发性星子的加积作用，这类星子由水、甲烷、氨的冰组成，形成于星云盘的外围。这类冰状星子增生到地球表面以后，很快蒸发成以水和其它挥发分组成的稠密大气圈。随着地球的冷却，从4109年前开始大气圈中的水汽逐渐凝结为海洋。正是这些海水在地球上形成各种地质作用，并产生了生命,二、地球内部主要壳层特征,1、地球元素丰度计算法 (1) 陨石类比法 (2) 地球模型和陨石类比法 (3) 地球物理类比法 组成地球90%的是Fe, O, Si, Mg四种元素。重量占1%以上的主要有是Ni, Ca, Al, S四种元素。其他所有元素之和，重量仅1%左右。,地球元素丰度计算法 （1）陨石类比法： *综合陨石法：取各类陨石的平均化学成分来代表地球的元素丰度. 陨石是太阳系中某颗消失的行星碎块，因此综合的陨石组成应该相似于地球的平均组成（Krauskopf and Bird, 1995）。然而求取陨石平均组成几乎是不可能的，因此采用这种方法难以得到令人满意的结果。 *单一陨石法: 提出只用分布最多的球粒陨石平均元素含量来代表地球的元素丰度（Ahrens, 1965）,地球元素丰度计算法 （2）地球模型和陨石类比法： Mason根据现代地球结构模型，认为地球的总体成分基本上取决于地幔和地核的成分和相对质量，关于地幔和地核的成分，他做如下假设： 球粒陨石的硅酸盐相成分代表地幔和地壳的成分； 球粒陨石的镍-铁相平均成分加上5.3%的陨硫铁相成分代表地核成分； 地核和地幔的重量比例分别为32.4%和67.6%。 由此计算全球的元素丰度。由于这种计算方法是采用陨石相分析法，即硅酸盐（Silicate）相、金属（Metal）相和陨硫铁（Trolite）相的分析资料为基础，故又称SMT法。,地球元素丰度计算法 （3）地球物理类比法 这是黎彤采用的方法。这种方法在很大程度上基于地球自身的物质成分和地球物理壳层模型等的实测、资料和模拟试验的成果上。,地球元素丰度计算法 首先根据Bullen的地球层壳模型划分出地壳（A）、上地幔（B+C）、下地幔（D）和地核（E+F+G），各层的质量数分别是0.4%、27.7%、30.4%和31.5%。 其次根据地球物理的实测和模拟资料选择四个壳层的物质成分，其中地壳采用Poldervaart的全球地壳模型；上地幔采用Ringwood的地幔岩模型；下地幔采用超基性岩加20%的铁橄榄石综合模型；外核采用FeS模型，内核（F+G）采用金属铁模型，合称Fe-FeS模型。 最后采用各层圈质量加权平均法求出整个地球的元素丰度。这种计算法立足于地球本身、并首先提供了地球内部各壳层的元素丰度数据。,地球的平均化学成分(%),地球的化学成分特征,这些结果还表明，组成地球90%的是Fe, O, Si, Mg四种元素。 重量占1%以上的主要有是Ni, Ca, Al, S四种元素。其他所有元素之和，重量仅1%左右。,