第一章太阳系和地球系统的元素丰度地球化学课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,ppt课件,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,ppt课件,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,ppt课件,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,ppt课件,*,第一章 太阳系和地球系统的元素丰度,地球化学,1,ppt课件,第一章 太阳系和地球系统的元素丰度地球化学1ppt课件,前言,1,姚明,2,体检,3,从宇宙说起,4,神奇的光,2,ppt课件,前言1 姚明2ppt课件,本章内容,基本概念,元素在太阳系中的分布规律,地球的结构简介,地壳元素的丰度,地球其他部分的元素丰度,3,ppt课件,本章内容基本概念3ppt课件,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,4,ppt课件,一、基本概念地球化学体系4ppt课件,一、基本概念,1,地球化学体系,岩石,矿床,地球,包裹体,c,（浓度）,P,（压强）,T,（温度）,pH,Eh,TIME,（连续性）,区,域,状态,时间,5,ppt课件,一、基本概念1 地球化学体系 岩石 矿床 地,一、基本概念,2,丰度,关键词：,丰度的表示方法,已经建立的丰度体系,与元素丰度有关的几个名词,元素,自然体,平均含量,一种化学元素在某个自然体中的重量占这个自然体的全部化学元素总重量（即自然体的总重量）的相对份额（如百分数），称为该元素在自然体中的丰度。,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）的平均含量,6,ppt课件,一、基本概念2 丰度元素自然体平均含量一种化学元素在某个自然,一、基本概念,丰度的表示方法,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,/ 10,6,硅原子,7,ppt课件,一、基本概念丰度的表示方法常量元素微量元素痕量元素（原子%）,已经建立的丰度体系,宇宙丰度,太阳系丰度,类木行星,地球,类地行星,上地幔丰度,地壳丰度,下地幔丰度,地核丰度,陆地地壳,海洋地壳,地盾区地壳,褶皱区地壳,浅洋区地壳,深洋区地壳,上地壳,中地壳,下地壳,8,ppt课件,已经建立的丰度体系宇宙丰度太阳系丰度类木行星地球类地行星上地,一、基本概念,与元素丰度有关的几个名词,克拉克值,区域克拉克值,浓度系数,浓度克拉克值,地壳,重量百分数,费尔斯曼,地壳以下构造单元,较小自然体丰度,/,背景丰度,区域克拉克值,/,地壳丰度,9,ppt课件,一、基本概念与元素丰度有关的几个名词地壳重量百分数费尔斯曼地,一、基本概念,3,分布与丰度,4,分布与分配,分布,丰度,平均含量,分布,不均一性,丰度,分布是整体,分配是局部,相对性,分布是元素在自然体系中整体的含量,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）中的整体（平均）含量。,分配是指元素在各宇宙体或地质体内部不同部分或区段中的含量。对元素分配进行观察的参考点来自元素的分布。,10,ppt课件,一、基本概念3 分布与丰度分布丰度平均含量分布不均一性丰度分,一、基本概念,5.,绝对含量和相对含量,1g/t=1,g,/g=10,-4,%=10,-6,=1ppm,11,ppt课件,一、基本概念5.绝对含量和相对含量1g/t=1g/g=10,一、基本概念,6,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。,12,ppt课件,一、基本概念6 研究元素丰度的意义12ppt课件,二、太阳系中元素的分布规律,获得太阳丰度资料的主要途径,太阳系元素丰度规律,陨石的化学成分,13,ppt课件,二、太阳系中元素的分布规律获得太阳丰度资料的主要途径13pp,2.1,太阳和太阳系,99.8%,0.2%,14,ppt课件,2.1太阳和太阳系99.8%0.2%14ppt课件,2.2,获得太阳丰度的主要途径,1.,光谱分析,:,光谱分析仪,太阳光谱,依据,高温均匀化,丰度与亮度正比,大气不等于整体,2900,测不到,局限,15,ppt课件,2.2获得太阳丰度的主要途径1. 光谱分析:光谱分析仪太阳光,McMath-Pierce,太阳电子望远镜,光谱仪,太阳光谱,16,ppt课件,McMath-Pierce16ppt课件,2.2,获得太阳丰度的主要途径,2.,直接分析,:,陨石、月岩、地球岩石,球粒陨石,宇航员,月球车,火星车,球粒陨石，主要由,硅酸盐,矿物组成，含有细小的,圆形球粒,。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。被认为代表着原始星云中的,非挥发性成分,17,ppt课件,2.2获得太阳丰度的主要途径2.直接分析:陨石、月岩、地球岩,2.2,获得太阳丰度的主要途径,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,由物质的物理性质与成分的对应关系推算,（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、极少量尘埃）,18,ppt课件,2.2获得太阳丰度的主要途径3.利用宇宙飞行器分析测定星云和,太阳系相对丰度含量绝对值对比,19,ppt课件,太阳系相对丰度含量绝对值对比19ppt课件,2.3,太阳系元素丰度规律,1,指出含量最高的两个元素,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,1,H,2,He,26,Fe,8,O,9,F,82,Pb,90Th,92,U,21,Sc,61,Pm,43,Tc,20,ppt课件,2.3太阳系元素丰度规律1 指出含量最高的两个元素1H2He,21,ppt课件,21ppt课件,2.3,太阳系元素丰度规律,1,.,H,和,He,是丰度最高的两种元素,。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,（,Z,50,）,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,。,22,ppt课件,2.3太阳系元素丰度规律1. H和He是丰度最高的两种元素。,23,ppt课件,23ppt课件,2.3,太阳系元素丰度规律,4. 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,。,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,）的元素也没有稳定同位素，他们都是,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。,同样都是化学元素，为什么在宇宙（太阳系）中的含量差距如此悬殊？为什么会出现偶数规则？,24,ppt课件,2.3太阳系元素丰度规律4. Li、Be和B具有很低的丰度，,2.4,元素起源,1.,氢燃烧过程（温度,10,6,K,或,10,7,K,）合成氦核（期间也能产生,Li,、,Be,、,B,）,2.,氦燃烧过程（温度,10,8,K,）合成,12,C,、,16,O,、,20,Ne,、,24,Mg,、,28,Si,、,32,S,等元素,3.,碳和氧的“燃烧过程”（温度,10,9,K,）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，,3.810,9,K,）形成,V,、,Cr,、,Mn,、,Fe,、,Co,、,Ni,等元素,5.,中子俘获过程（,S-,过程）合成比铁重的元素 。快中子过程合成原子量大于,209,的元素。,25,ppt课件,2.4 元素起源1. 氢燃烧过程（温度106K 或107K）,每一质量数的丰度值是该质量数的所有核素丰度的总和。对于放射性核素，其丰度数据已回推到太阳系形成时的数值。图中还标出产生各种元素的可能核过程。,图片来源，涂光炽,1984,版教材,26,ppt课件,每一质量数的丰度值是该质量数的所有核素丰度的总和。对于放射性,2.5,陨石的化学成分,定义：,落到地球上的,行星物体碎块,，即从行星际空间穿越大气层到达地表的,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：小行星碎块和崩解的彗星残核，少量来自其它天体，大小从显微质点到几十吨,非洲戈巴铁陨石,60t,是最大的铁陨石,新疆铁陨石,28t,世界第,3,铁陨石,;,吉林石陨石,1.77t,是世界最大的石陨石）,南极和沙漠是陨石富集区！,在南极已采集,15000,块陨石,为什么？,1965,，英国，,Barwell,陨石,27,ppt课件,2.5 陨石的化学成分定义：落到地球上的行星物体碎块，即从行,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,）构成,主要由硅酸盐矿物组成（,90%,以上）,。,无球粒陨石,由数量上大体相等的,Fe,Ni,和硅酸盐矿物组成,陨石的主要矿物组成：,Fe,、,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,。,球粒状硅酸盐集合体,（金属含量,10%,）,球粒陨石,28,ppt课件,2.5.1 陨石类型铁陨石石陨石石铁陨石主要由金属Ni, F,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,无球粒陨石,石铁陨石,铁陨石,球粒陨石质陨石,顽辉石球粒陨石,普通球粒陨石,碳质球粒陨石,R,群,K,群,主要成分：球粒、,Fe-Ni,金属、难熔包裹体、基质,29,ppt课件,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,30,ppt课件,30ppt课件,2.5.1,陨石类型,注意：,球粒陨石和少量无球粒陨石属,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（具球粒陨石成分的物质再熔融和分异）,降落的陨石中,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%,。,31,ppt课件,2.5.1 陨石类型注意：31ppt课件,2.5.3,陨石研究意义,陨石,是空间化学研究的重点对象，已有几百年的研究历史，近几十年发展尤为迅速,是目前,最易获取,和,数量最大,的,地外物质,研究,太阳系的物质组成、起源与演化，对认识,太阳系早期演化历史,有,重要意义,。,探索有机质和生命起源,作为地球,成分,研究的对比,标准,(,如稀土和微量元素标准化及硫同位素国际标准,),，帮助了解地球的成因和组成,防治,自然灾害,32,ppt课件,2.5.3 陨石研究意义陨石是空间化学研究的重点对象，已有几,美国亚利桑那,Barringer(or Meteor),陨石坑，直径约1.2,km,由一个直径约40,m,的撞击物撞击而成。,撞击物残余称为,Canyon Diablo,铁陨石(国际,S,同位素标准）,33,ppt课件,美国亚利桑那Barringer(or Meteor)陨石坑，,2.5.3,陨石研究意义,碳质球粒陨石：,一种特殊的球粒陨石，含有碳的有机化合物分子且主要由含水硅酸盐组成。,CI,、,CM,、,CO,、,CV,等,CI,是最原始的太阳星云凝聚物质（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的标尺！,34,ppt课件,2.5.3 陨石研究意义碳质球粒陨石：一种特殊的球粒陨石，含,C,型碳质球粒 陨石元素丰度与 太阳元素丰度对比,(Anders & Grevasee , 1989),35,ppt课件,C型碳质球粒 陨石元素丰度与 太阳元素丰度对比(Ander,36,ppt课件,36ppt课件,2.5.3,陨石研究意义,CAI,：球粒陨石中所含的富,Ca,、,Al,包体。,形成于太阳系演化历史的最初始阶段，可能保存了一些同位素异常的信息和灭绝核素衰变的子体。,O,同位素异常,26,Al,26,Mg,CAI,是太阳星云最早期各种热事件的产物，保存了星云最原始的信息，具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的探针。,37,ppt课件,2.5.3 陨石研究意义CAI：球粒陨石中所含的富Ca、Al,2.6,行星和月球的化学成分,2.6.1,行星的化学成分,（,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。物质成分以岩石为主，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。主要成分为,H,和,He,。,（,3,）远日行星（天王星,Uranus,、海王星,Neptune,、冥王星,Pluto,）：,成分已冰物质为主，,H,大约,10%,，,He,、,Ne,平均为,12%,。,38,ppt课件,2.6 行星和月球的化学成分2.6.1行星的化学成分38pp,39,ppt课件,39ppt课件,2.6,行星和月球的化学成分,2.6.2,月球的化学成分,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,:,一般为斜长岩，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）。,高地玄武岩中有一种特殊的克里普岩,(KREEP):,富含钾、,REE,、,Th,、,U,和,P,的玄武岩,.,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,少量橄榄石,. 3.853.15Ga,（剧烈的小天体撞击，泛月海事件）,40,ppt课件,2.6 行星和月球的化学成分2.6.2 月球的化学成分40,2.6.2,月球的化学成分,与地球和陨石成分对比及意义,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,41,ppt课件,2.6.2 月球的化学成分与地球和陨石成分对比及意义41p,2.6.2,月球的化学成分,月球的资源：,1,能源：,月壤层厚,320m,微陨石和太阳风的注入，使其富含挥发性元素和稀有气体，最令人感兴趣的是,3,He,，平均含量,310,-9, 410,-9,，资源总量可达,100,万,t500,万,t,是地球（,1020t,）的,10,万,50,万倍，以,1992,年全球用电量计算，全用,D-,3,He,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的岩石之一，它最显著化学成分特征是富,TiO,2,（,2.5413.14%,）,以,TiO,2,含量,4.2%,的月海玄武岩计算，,钛铁矿,资源量可达,1500,万亿,t,。克里普玄武岩中异常高的,REE,、,Th,、,U,含量也可能可供开采利用,42,ppt课件,2.6.2 月球的化学成分月球的资源：42ppt课件,2.6.2,月球的化学成分,3,月球特殊空间环境资源的开发利用,月球,超高真空,、,无大气活动,、,无磁场,、,弱重力,、,超洁净,，,地质构造稳定,。可建“太空实验室”，开展天文学、空间科学、近代物理、生物工程学的研究，研制和生产特殊的生物制品和特殊材料,.,43,ppt课件,2.6.2 月球的化学成分3月球特殊空间环境资源的开发利用,讨论,月球的捕获说与撞击说，哪个对,小行星带是否是一个大星球的碎片,要求：找到相关的地球化学证据！,44,ppt课件,讨论月球的捕获说与撞击说，哪个对44ppt课件,小结,(1),太阳系的元素丰度特征。,(2),太阳、行星、陨石对太阳系元素丰度研究的贡献。,(3),陨石研究对地球形成和组成演化的意义。,(4),碳质球粒陨石及,CAI,的特殊研究意义。,(5),元素起源及合成的可能过程。,45,ppt课件,小结(1)太阳系的元素丰度特征。45ppt课件,46,ppt课件,46ppt课件,