第一章太阳系和地球系统的元素丰度2011

第一章太阳系和地球系统的元素丰度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、迁移活动等一系列地球化学概念。

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。

基本概念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元素“量”的研究。

2.丰度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。

3.分布与分配元素的分布指的是元素在一个化学体系中（太阳、陨石、地球、地壳、某地区等）的整体总含量。

元素的分配指的是元素在各地球化学体系内各个区域或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，既有联系又有区别例如，地球作为整体，元素在地壳中的分布，也就是元素在地球中分配的表现，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。

4.绝对含量和相对含量各地球体系中常用的含量单位有两类，绝对含量和相对含量.第一节太阳系的组成和元素丰度一、太阳系元素丰度研究方法大家都知道，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）组成的，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。

那么，太阳系的成分是如何获得的呢？获得太阳系丰度资料的主要途径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以获得元素组成资料。

但这些资料有两个局限性：一是有些元素产生的波长小于2900Å，这部分谱线在通过地球大气圈时被吸收而观察不到；二是这些光谱只产生于表面，它只能反映表面成分，如太阳光谱是太阳气产生的，只能说明太阳气的组成2.直接分析如直接测定地壳岩石、各类陨石和月岩、火星岩石的样品。

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“勇气”、“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物质及研究宇宙射线。

4.由物质的物理性质与成分的对应关系来进行推断。

二、宇宙（太阳系）中元素的组成1.现代宇宙成因假说“宇宙大爆炸”假说：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。

2.化学元素的起源“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100×106K，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。

3、太阳系元素丰度规律太阳系元素丰度值见教科书第28页，表1.8。

对于这样的数据我们应给予一个正确的的评价：首先这是一种估计值，反映的是目前人类对太阳系的认识水平，因此这个估计值不可能是准确的，随着人们对太阳系以至于宇宙体系探索的不断深入，这个估计值会不断的修正；其次，从总的方面来看，虽然还是很粗略的，但它反映了元素在太阳系分布的总体规律。

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曲线图（教材第29页），就会发现太阳系元素丰度具有以下规律：（1）.H和He是丰度最高的两种元素，这两种元素几乎占了太阳中全部原子数目的98％（2）.原子序数较低的元素区间，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区间（Z＞45）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（P）或偶数中子数（N）的核素丰度总是高于具有奇数P或N的核素，这一规律称为Oddo －Harkins（奥多--哈根斯）法则，亦即奇偶规律。

（4）.质量数为4的倍数（即α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）的核素或同位素丰度最大。

例如，4He（Z=2，N＝2）、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。

（6）.而O和Fe呈现明显的峰，为过剩元素。

通过对上述规律的分析，人们认识到太阳系元素丰度与元素原子结构及元素形成的整个过程之间存在着某种关系（1）.与元素原子结构的关系。

原子核由质子和中子组成，其间既有核力又有库仑斥力，但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，N＝2）、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，而方向相反，量子力学证明，这种核的稳定性较大，因而偶数元素和偶数同位素在自然界的分布更广。

（2）.与元素形成的整个过程有关。

H、He的丰度占主导地位和Li、Be、B等元素的亏损可从元素的起源和形成的整个过程等方面来分析。

根据恒星合成元素的假说，在恒星高温条件下（n×106K），可以发生有原子（H原子核）参加的热核反应，最初时刻H的“燃烧”产生He，另外在热核反应过程中Li、Be、B迅速转变为He的同位素42He，因此太阳系中Li、Be、B等元素丰度偏低可能是恒星热核反应过程中被消耗掉了的缘故。

而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。

三、陨石的化学组成陨石概念：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。

陨石是空间化学研究的重要对象，具有重要的研究意义①它是认识宇宙天体、行星的成分、性质及其演化最易获取、数量最大的地外物质②它是认识地球的组成、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可作为某些元素和同位素的标准样品（如稀土元素，铅、硫同位素等）。

1.陨石类型陨石主要是由镍-铁合金、结晶硅酸盐或两者的混合物所组成，按成分分为三类（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（橄榄石、辉石）组成。

这类陨石可以分为两类，按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。

这些陨石大都是石质的，但也有少部分是碳质的。

碳质球粒陨石是球粒陨石中的一个特殊类型，由碳的有机化合分子和主体含水硅酸盐组成。

它对探讨生命起源和太阳系元素丰度等各方面具有特殊的意义。

由于阿伦德（Allende）碳质球粒陨石（1969年陨落于墨西哥）的元素丰度几乎与太阳气中观察到的非挥发性元素丰度完全一致，因此碳质球粒陨石的化学成分已被用来估计太阳系中非挥发性元素的丰度（3）铁石陨石（sidrolite）：由数量上大体相等的Fe－Ni和硅酸盐矿物组成，是上述两类陨石的过渡类型2.陨石的平均化学成分（1）陨石中分布最广的化学元素是O、Fe、Si、Mg、Ni、S、Al、Ca 等。

（2）地球上已知的化学元素在陨石中均有发现（充分说明陨石与地球物质来源的同源性）3.几点认识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（45.5±0.7）亿年，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44～47 亿a，平均为（45±2.6）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。

第二节地球的结构和化学成分一、地球的结构和各圈层的组成地球由于早期的熔融和分异，形成了由不同物质组成的分层结构。

根据地震压缩波(P 波)和剪切波(S波)随地球深度的变化特征，将地球内部分成地壳、地幔和地核三层。

1.地壳的结构和化学组成按照地球物理的概念，地壳是指从地表（包括陆地表面和海洋底面）开始，深达莫霍面（M界面）的层壳，它不包括水圈和大气圈，也不等于岩石圈，仅仅相当于岩石圈的上部。

研究表明，大陆地壳的平均厚度为35km，而大洋地壳厚度仅为7km左右，两者相差很大，主要原因是其岩石类型及其组成不同大陆地壳可分为上地壳和下地壳，上地壳厚8—12km，由偏酸性的火成岩和沉积岩组成，下地壳主要由麻粒岩、玄武岩等中酸性或中基性岩石组成，它在组成上比上地壳均一。

相比之下，大洋地壳的岩石就要简单得多，整个洋壳全是玄武岩组成，其中大洋型拉斑玄武岩占99%，仅有1%为大洋玄武岩分异的产物——碱性玄武岩。