元素豐度與分布

元素豐度與分布第一頁，共八十七頁，2022年，8月28日第一節(jié)元素的宇宙豐度第二節(jié)元素在地球中的分布第二頁，共八十七頁，2022年，8月28日第一節(jié)元素的宇宙豐度一、元素宇宙豐度的定義二、太陽系的成員三、宇宙豐度的研究四、太陽系宇宙豐度的規(guī)律第三頁，共八十七頁，2022年，8月28日一、元素宇宙豐度的定義元素的宇宙豐度＝太陽系的元素豐度這里的豐度＝A/B的比值，一般B為Si宇宙豐度是研究元素起源的理論依據(jù)，是解釋各類天體演化過程的基礎(chǔ)第四頁，共八十七頁，2022年，8月28日二、太陽系的介紹第五頁，共八十七頁，2022年，8月28日太陽系成員第六頁，共八十七頁，2022年，8月28日八大行星的相對大小第七頁，共八十七頁，2022年，8月28日太陽系組成太陽八大行星小行星－小行星帶（火星與木星之間）彗星第八頁，共八十七頁，2022年，8月28日第一節(jié)元素的宇宙豐度一、元素宇宙豐度的定義二、太陽系的成員三、宇宙豐度的研究四、太陽系宇宙豐度的規(guī)律第九頁，共八十七頁，2022年，8月28日三、元素宇宙豐度研究實驗室分析：地球、月球、隕石和宇宙塵光譜和射電分析：太陽、恒星、星際介質(zhì)星系空間探測器分析：行星大氣、表面土壤、巖石太陽風(fēng)和宇宙線分析：第十頁，共八十七頁，2022年，8月28日Suess和Urey（1956）：綜合天體物理和宇宙化學(xué)的成果，提出了宇宙核素豐度－－B2FH假說的基礎(chǔ)；Cameron（1968）提出太陽系的核素豐度，依據(jù)：非揮發(fā)性元素的初始豐度－－I型碳質(zhì)球粒隕石；揮發(fā)性元素－－太陽光球的光譜成分Ganapathy和Anders（1974)：均一的太陽星云的平衡凝聚模式－－行星化學(xué)成分（表1.3）Palme、Suess和Zeh（1981)計算了初始太陽星云的元素豐度和初始的核素豐度（表1.7）Trimble（1975），提出了隕石、太陽光球、日冕宇宙射線的元素豐度第十一頁，共八十七頁，2022年，8月28日太陽系的成分非揮發(fā)性元素的初始豐度－－I型碳質(zhì)球粒隕石揮發(fā)性元素－－太陽光球的光譜成分第十二頁，共八十七頁，2022年，8月28日H.Palme第十三頁，共八十七頁，2022年，8月28日第一節(jié)元素的宇宙豐度元素宇宙豐度的定義太陽系的成員宇宙豐度的計算太陽系宇宙豐度的規(guī)律第十四頁，共八十七頁，2022年，8月28日第十五頁，共八十七頁，2022年，8月28日第十六頁，共八十七頁，2022年，8月28日四、太陽系元素豐度的規(guī)律Oddo-Harkins規(guī)則（偶數(shù)規(guī)則）－－O、Fe、Ni、Si、Mg、S、Ca等7種豐度最高的元素，全為偶數(shù)元素，總豐度達98.6％；在A為1~100的區(qū)域，核素豐度大致按指數(shù)規(guī)律下降；A>100，豐度曲線的斜率顯著減緩；具有4倍數(shù)核素（如12C、16O、--40Ca、48Ti）豐度明顯高于其相鄰核素豐度；H和He為豐度最大的元素，占原子總數(shù)的99%以上，而Li、Be和B等與鄰近元素相比豐度特別低；以56Fe為中心的突出的峰值；在A為80和90、130和138、196和208等處，出現(xiàn)雙峰；第十七頁，共八十七頁，2022年，8月28日第一節(jié)元素的宇宙豐度第二節(jié)元素在地球中的分布第十八頁，共八十七頁，2022年，8月28日第二節(jié)元素在地球中的分布地球元素平均成分地殼元素平均成分地幔成分第十九頁，共八十七頁，2022年，8月28日第二節(jié)元素在地球中的分布一、地球的圈層構(gòu)造及化學(xué)組成1.圈層構(gòu)造地殼：上地殼和下地殼地幔：上地幔和下地幔地核：外核和內(nèi)核第二十頁，共八十七頁，2022年，8月28日第二十一頁，共八十七頁，2022年，8月28日地球內(nèi)部P波和S波隨深度變化.CompositionalsubdivisionsoftheEarthareontheleft,rheologicalsubdivisionsontheright.AfterKeareyandVine(1990),GlobalTectonics.?BlackwellScientific.Oxford.CrustMantleOuterCoreVelocity(km/sec)0510100020003000400050006000Depth(km)SwavesPwavesInnerCoreLithosphereAstheno-sphereSolidLiquidMeso-sphereSwaves第二十二頁，共八十七頁，2022年，8月28日固體地球地幔:橄欖巖(超基性巖)63705145289866041060220CrustMantleCoreUpperMantleTransitionZoneInnerCoreDepth(km)LowerMantle(solid)OuterCore(liquid)上地幔

深達410km(olivine?spinel)LowVelocityLayer

60-220km過渡帶

asvel.incr.~rapidly660spinel?perovskite-typeSiIV

?SiVI下地幔

hasmoregradual velocityincrease第二十三頁，共八十七頁，2022年，8月28日第二十四頁，共八十七頁，2022年，8月28日第二節(jié)元素在地球中的分布2.地球元素豐度估算方法(1)隕石類比法以下列假設(shè)：a.隕石在太陽系內(nèi)形成;b.隕石與小行星帶的物質(zhì)相同；c.隕石是破壞了的星體碎片；d.產(chǎn)生隕石的星體其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和成分分布與地球類似第二十五頁，共八十七頁，2022年，8月28日第二十六頁，共八十七頁，2022年，8月28日第二節(jié)元素在地球中的分布(2)地球模型-隕石類比法按地球的各主要圈層的比例計算：地核：32.4%，球粒隕石的鎳鐵金屬相+5.3%隕硫鐵（硫化物相）代表地幔+地殼：67.6%，球粒隕石的平均硅酸鹽成分第二十七頁，共八十七頁，2022年，8月28日第二十八頁，共八十七頁，2022年，8月28日第二節(jié)元素在地球中的分布二、地殼的平均化學(xué)成分1.克拉克值的概念（1）重量克拉克值：地殼中元素的重量平均含量（2）原子克拉克值：地殼中元素的原子平均含量第二十九頁，共八十七頁，2022年，8月28日第二節(jié)元素在地球中的分布2、地殼平均化學(xué)成分的確定方法（1）克拉克法（5159樣品，50元素，1924）a.巖石圈：水圈：大氣圈

93%7%0.03%b.巖石圈中（地殼）巖漿巖：頁巖：砂巖：灰?guī)r95%4%0.75%0.25%第三十頁，共八十七頁，2022年，8月28日第二節(jié)元素在地球中的分布具體計算過程：1.分48個地區(qū)計算平均化學(xué)成分2.合并為9個地區(qū)計算平均化學(xué)成分3.計算總平均化學(xué)成分第三十一頁，共八十七頁，2022年，8月28日第二節(jié)元素在地球中的分布（2）戈爾德施密特法（細碎屑巖法）特點：細碎屑巖的源物質(zhì)來自剝蝕區(qū)適合于區(qū)域地殼成分的估計第三十二頁，共八十七頁，2022年，8月28日第二節(jié)元素在地球中的分布（3）地殼模型法Taylor法：基性巖/酸性巖=1(質(zhì)量)基性巖代表下地殼，酸性巖代表上地殼第三十三頁，共八十七頁，2022年，8月28日第二節(jié)元素在地球中的分布3.地殼元素豐度特征第三十四頁，共八十七頁，2022年，8月28日第三十五頁，共八十七頁，2022年，8月28日第三十六頁，共八十七頁，2022年，8月28日地殼元素豐度

第三十七頁，共八十七頁，2022年，8月28日第二節(jié)元素在地球中的分布3.地殼元素豐度特征(1)地殼中各種元素豐度極不均勻O,Si,Al占82%O,Si,Al,Fe,Ca,Na,K,Mg占>98%O與Rn相差1017倍(2)隨原子序數(shù)的增加其豐度降低，但Li,Be,B仍表現(xiàn)為虧損第三十八頁，共八十七頁，2022年，8月28日第二節(jié)元素在地球中的分布(3)除了惰性氣體和少數(shù)元素外，質(zhì)量數(shù)為偶數(shù)的元素豐度大于奇數(shù)(4)四倍規(guī)則（質(zhì)量數(shù)為四的倍數(shù)）4A型：12C,16O

,24Mg,28Si,32S,40Ca,48Ti,52Cr,56Fe,140Ce,232Th,238U占87%4A+3型：7Li,11B,19F,23Na,27Al,31P,35Cl,39K,51V,55Mn,59Co,63Cu,75As,107Ag占13%第三十九頁，共八十七頁，2022年，8月28日第二節(jié)元素在地球中的分布4A+2和4A+1型僅占0.n%偶數(shù)規(guī)則被破壞的原因：1.惰性氣體與其它氣體元素之間存在差別2.分異作用=>偶-奇元素豐度的反常地殼-地幔分異=>12Mg,24Cr的虧損核-幔分異=>34Se,52Te第四十頁，共八十七頁，2022年，8月28日第二節(jié)元素在地球中的分布4.元素克拉克值的地球化學(xué)意義(1)元素的地球化學(xué)行為與克拉克值的關(guān)系克拉克值高=>獨立礦物(K,Na)克拉克值低=>類質(zhì)同象(Rb,Cs)第四十一頁，共八十七頁，2022年，8月28日元素的克拉克值與可形成礦物種數(shù)的關(guān)系第四十二頁，共八十七頁，2022年，8月28日第二節(jié)元素在地球中的分布(2)作為元素集中分散的標尺濃度克拉克值的概念濃度克拉克值=觀測值/克拉克值第四十三頁，共八十七頁，2022年，8月28日第二節(jié)元素在地球中的分布(3)判斷元素在地殼中富集成礦的能力濃集系數(shù)：礦石邊界品位/克拉克值一些元素的濃集系數(shù)值第四十四頁，共八十七頁，2022年，8月28日第二節(jié)元素在地球中的分布濃集系數(shù)低的較容易富集成礦Si,Al,Fe分別僅需富集1.5，3，6倍即可達到工業(yè)品位（礦主要形成于前寒武紀）。Cu,Zn,Ag分別需富集50，600，2000倍c才可達到工業(yè)品位（礦主要形成于古生代以后）。第四十五頁，共八十七頁，2022年，8月28日第二節(jié)元素在地球中的分布5.元素在主要類型巖石中的分配(1)主要類型巖漿巖中元素的豐度特征超基性巖富集的元素：Mg,Cr,Ni,Co,Fe,Ru,Rh,Pd,Os,Ir,Pt,Au基性巖富集的元素：Ca,Al,V,Ti,Mn,Cu,Sc,P,Zn,Mo,Ag中性巖富集的元素：Sr,Zr,Nb,Ga,Na第四十六頁，共八十七頁，2022年，8月28日第二節(jié)元素在地球中的分布酸性巖富集的元素：Li,Be,B,F,Si,K,Rb,Y,Sn,Cs,Ba,Hf,Ta,W,Tl,Pb,Th,U變化不大的元素：Ge,Sb,As一般規(guī)律：同族上部在偏基性巖中含量高，下部酸性巖中含量高。解釋：原子和離子電價和半徑第四十七頁，共八十七頁，2022年，8月28日第二節(jié)元素在地球中的分布(2)主要類型沉積巖中的規(guī)律砂巖中富集的元素：Si,Zr碳酸巖中富集的元素：Mg,Ca,Sr,Mn頁巖中富集的元素：Al及大多數(shù)微量元素，如V,Ni,Co,Cu,Ag,Au,Mo,U,Cd,As,Sb第四十八頁，共八十七頁，2022年，8月28日第二節(jié)元素在地球中的分布(3)元素在巖石各礦物中的分配載體礦物和富集礦物的概念載體礦物：在巖石中某元素主要賦存的礦物富集礦物：某元素的含量遠遠高于巖石平均含量的礦物第四十九頁，共八十七頁，2022年，8月28日Pb、Zn在花崗巖各礦物中的分配第五十頁，共八十七頁，2022年，8月28日三、地幔的化學(xué)組成第五十一頁，共八十七頁，2022年，8月28日地殼與地?；瘜W(xué)三、地幔化學(xué)(一)地幔巖模型1.橄欖巖地幔模型第五十二頁，共八十七頁，2022年，8月28日三份橄欖巖、一份玄武巖第五十三頁，共八十七頁，2022年，8月28日地幔化學(xué)2.榴輝巖-橄欖巖互層地幔巖模型第五十四頁，共八十七頁，2022年，8月28日第五十五頁，共八十七頁，2022年，8月28日地?；瘜W(xué)(二)地幔低速層（軟流圈）1.低速層的性質(zhì)和特點低的地震波速高的電導(dǎo)率高的熱流值低速層越淺，熱流越大第五十六頁，共八十七頁，2022年，8月28日第五十七頁，共八十七頁，2022年，8月28日第五十八頁，共八十七頁，2022年，8月28日高導(dǎo)層深度與熱流值的關(guān)系第五十九頁，共八十七頁，2022年，8月28日地?；瘜W(xué)2.地幔低速層的成因部分熔融第六十頁，共八十七頁，2022年，8月28日第六十一頁，共八十七頁，2022年，8月28日地?；瘜W(xué)(三)地幔的化學(xué)成分1.地幔成分的研究方法(1)主要元素確定的地球物理方法地球的地震波速測量高溫高壓下礦物地震波速和密度的測量第六十二頁，共八十七頁，2022年，8月28日第六十三頁，共八十七頁，2022年，8月28日第六十四頁，共八十七頁，2022年，8月28日(2)原始地幔成分的確定基本假定a.金屬相與硅酸鹽相的分離發(fā)生在行星初期b.揮發(fā)性元素的虧損發(fā)生在地球增生以前c.親石元素全部進入地幔，因此親石元素之間無分異第六十五頁，共八十七頁，2022年，8月28日地?；瘜W(xué)幾種不同的估算方法原始未虧損樣品法(Jagoutz,1979)：用親石元素(Al,Ca,Nd同位素等)之間的比值與CI球粒隕石一致的樣品，與地殼平均成分混合計算。第六十六頁，共八十七頁，2022年，8月28日地?；瘜W(xué)地幔模型法（Anderson,1983）：以下巖石和宇宙化學(xué)限制條件計算得到各類巖石的份額和原始地幔的成分超鎂鐵質(zhì)巖（32.6%）平均地殼巖石（0.56%，現(xiàn)代地殼為0.6%）洋中脊玄武巖（6.7%,與40億年消減洋殼相當）金伯利巖（0.11%）斜方輝石巖（59.8%）第六十七頁，共八十七頁，2022年，8月28日地幔化學(xué)質(zhì)量平衡法（Taylor，1985）C地球=XC地幔+（1-X）C地核地核/地幔=31：69（由地球物理方法獲得）親石微量元素是球粒隕石的1.5倍第六十八頁，共八十七頁，2022年，8月28日地?；瘜W(xué)3.地幔不均一性的研究方法（1）研究意義a.大地構(gòu)造分區(qū)b.地殼不均一性的原因c.礦產(chǎn)分布d.構(gòu)造環(huán)境第六十九頁，共八十七頁，2022年，8月28日地?；瘜W(xué)(2)樣品地幔橄欖巖類巖石玄武巖類巖石（分布量）第七十頁，共八十七頁，2022年，8月28日地?；瘜W(xué)用玄武巖中微量元素或同位素示蹤地幔成分的原理a.元素比值原理b.干擾因素的處理第七十一頁，共八十七頁，2022年，8月