地球化學(xué)課件專(zhuān)題3 - 宇宙地球化學(xué)-3

北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院地球化學(xué)研究所《地球化學(xué)》授課老師：李秋根E-mail:qgli@PhoneMP)Room:新地學(xué)樓35081元素的起源2元素的宇宙豐度特征3（Anderson,2007:

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Theory

of

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Earth）太陽(yáng)星云的化學(xué)演化4

本章內(nèi)容一、元素的起源二、元素的豐度特征三、太陽(yáng)星云的化學(xué)演化四、行星的化學(xué)演化五、彗星的化學(xué)演化六、隕石化學(xué)一宇宙地球化學(xué)（Cosmochemistry）51.行星的起源及形成方式（1）行星形成過(guò)程：四、行星的化學(xué)演化61.行星的起源及形成方式（1）行星形成過(guò)程：星際介質(zhì)：1）塵埃：無(wú)定型脂肪類(lèi)和芳香碳?xì)浠衔?、硅酸鹽；2）氣體：原子、分子、離子和多原子離子等。10

um四、行星的化學(xué)演化71）引力不穩(wěn)定2）塵埃凝結(jié)3）湍流聚集1.行星的起源及形成方式（1）行星形成過(guò)程：土物質(zhì)凝聚區(qū)土、冰、氣物質(zhì)凝聚區(qū)四、行星的化學(xué)演化81.行星的起源及形成方式（1）行星形成過(guò)程：四、行星的化學(xué)演化一種行星吸積模式類(lèi)M星子:類(lèi)似鐵隕石的星子類(lèi)E星子:類(lèi)似頑火輝石的星子類(lèi)AE星子:類(lèi)似頑火輝石無(wú)球粒隕石的星子類(lèi)CR星子:類(lèi)似CR碳質(zhì)球粒隕石的星子類(lèi)CI星子:類(lèi)似CI碳質(zhì)球粒隕石的星子頑火輝石頑火輝石無(wú)球粒隕石鐵隕石91.行星的起源及形成方式（1）行星形成過(guò)程：四、行星的化學(xué)演化碰撞吸積的證據(jù)：（1）隕石中礦物的波狀消光，隕石中礦物的破裂及沖擊頁(yè)理。（2）水星、火星、月球表面的隕石坑（頻繁碰撞的結(jié)果）。（3）行星自轉(zhuǎn)軸與公轉(zhuǎn)軸存在交角（行星傾角），如地球，23o27’；天王星，97o55’；金星，177o

，其它行（衛(wèi)）星等天體的引力影響其公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。101.行星的起源及形成方式（1）行星形成過(guò)程：四、行星的化學(xué)演化111.行星的起源及形成方式四、行星的化學(xué)演化（1）行星形成過(guò)程：

由于相互引力擾動(dòng)激發(fā)軌道的偏心率和傾角，星胎之間軌道相交。證據(jù)：1）地球-月亮系統(tǒng)：地球形成后30

Ma大碰撞；（Theia行星胎）2）行星傾角（Planetary

obliquities）121.行星的起源及形成方式（2）行星形成方式：四、行星的化學(xué)演化（1）不均一的吸積說(shuō)行星胎首先吸積金屬鐵和鎳（原始核），然后吸積硅酸鹽。金屬與硅酸鹽不混溶形成核-幔邊界；繼續(xù)吸積硅酸鹽，形成上地幔；最后溫度降低，低溫凝聚物也被吸積，形成上地幔和地殼。（2）均一的吸積說(shuō)吸積過(guò)程的物質(zhì)成分是均勻的，核、幔在后來(lái)的演化過(guò)程中形成。吸積：致密天體由引力捕獲周?chē)镔|(zhì)的過(guò)程。132.行星大氣成分（1）行星大氣成分確定方法：四、行星的化學(xué)演化紫外、紅外波譜分析:紫外：H、He、O、C、Ne、Ar等原子和CO等分子；紅外：水蒸氣和CO2；B.偏光性

大氣圈中的云霧顆粒的形狀、大小和折射率，大氣組成；C.質(zhì)譜分析142.行星大氣成分（1）行星大氣成分特征：四、行星的化學(xué)演化行星大氣成分（v%）152.行星大氣成分（3）行星大氣成分起源：四、行星的化學(xué)演化A.行星大氣的保存及影響因素物體或粒子的逃逸速度：Vp=(2gR)1/2(式中g(shù)：重力加速度，R:行星半徑）大氣粒子的平均速度：Vo=(2kT/m)1/2

(式中k:玻爾茲曼常數(shù)，1.36×10-23/oC；T:K;m:粒子的質(zhì)量（原子質(zhì)量單位）。162.行星大氣成分（3）行星大氣成分起源：四、行星的化學(xué)演化A.行星大氣的保存及影響因素172.行星大氣成分（3）行星大氣成分起源：四、行星的化學(xué)演化B.行星大氣的來(lái)源182.行星大氣成分（3）行星大氣成分起源：四、行星的化學(xué)演化B.行星大氣的來(lái)源類(lèi)地行星：次生大氣（溫度較高）類(lèi)木行星：俘獲原始星云氣體（溫度較低和質(zhì)量較大）依據(jù)：a.NeArKrXe(不參與化學(xué)反應(yīng))豐度特征b.木土星富H、He的原因：質(zhì)量，溫度。193.行星的化學(xué)成分特征（1）行星的化學(xué)成分特征：四、行星的化學(xué)演化隨與太陽(yáng)距離增加（Morgan,1980）1.Fe、Co、Ni、Cr等行星核的元素減少。2.REE、Ti、V、Th、U、Zr、Hf、Nb、Ta、W、Mo、Re、Pt增多（相對(duì)于核）。3.形成殼-幔的元素Si、Mg、Al、Ca增多。4.親銅和堿金屬元素Cu、Zn、Pb、Tl、Bi、Ga、Ge、Se、Te、As、Sb、In、Cd、Ag在1.5AU范圍內(nèi)有增多趨勢(shì)，后減少。5.氧有向外增多趨勢(shì)，鐵的價(jià)態(tài)變化有Feo=>Fe2+=>Fe3+203.行星的化學(xué)成分特征（1）行星的化學(xué)成分特征：四、行星的化學(xué)演化金屬核與行星半徑比值213.行星的化學(xué)成分特征（1）行星的化學(xué)成分特征：四、行星的化學(xué)演化類(lèi)地行星核的比例22四、行星的化學(xué)演化4.行星演化的能量與熱歷史行星形成后，其內(nèi)部溫度對(duì)于行星內(nèi)部物質(zhì)運(yùn)動(dòng)、分異和演化具重要作用；行星內(nèi)部的熱狀態(tài)：內(nèi)部放射性和行星質(zhì)量與化學(xué)組成意義：決定其是否是活的行星234.行星演化的能量與熱歷史四、行星的化學(xué)演化控制因素：

行星相對(duì)半徑大小：較厚的行星幔、較大的質(zhì)量，阻礙熱散失：月球

水星

火星

金星

地球0.274

0.38

0.53

0.958

124四、行星的化學(xué)演化4.行星演化的能量與熱歷史25四、行星的化學(xué)演化4.行星演化的能量與熱歷史控制因素：26四、行星的化學(xué)演化4.行星演化的能量與熱歷史太陽(yáng)系早期存在的各種短壽期放射性核素以及初始豐度27四、行星的化學(xué)演化5.地球的成因

宇宙大爆炸

150億年前太陽(yáng)系形成50億年前地球形成46億年前28五、行星的化學(xué)演化5.地球的成因

地球與其他類(lèi)地行星在凝聚和吸積上應(yīng)相同，構(gòu)成地球星子的成分所表示的氧化還原程度應(yīng)介于火星和金星之間

。29土物質(zhì)發(fā)生凝聚土、冰、氣三類(lèi)物質(zhì)均發(fā)生凝聚四、行星的化學(xué)演化5.地球的成因

中心層：類(lèi)M星子，原始地核；中心層：類(lèi)AE星子，中間內(nèi)層：類(lèi)E星子，中間外層：類(lèi)CR星子，邊緣層：類(lèi)CI星子，原始地幔。30第一階段：吸積作用引起原始地幔上部升溫，下沉Fe-Ni-S熔體；

第二階段：放射性衰變熱的積累使原始地幔上部和表層逐漸升溫，發(fā)生全球范圍內(nèi)的熔融和熔融分異，形成原始地殼；

地球表層中原來(lái)存在的礦物晶格中的水和其他揮發(fā)物幾乎全部脫出，形成了一個(gè)富含水蒸氣的原始次生大氣。

撞擊事件使地球大氣中塵埃含量劇增，大氣透明度下降，接受太陽(yáng)輻射大大減小，大氣和地表溫度下降，大氣中水蒸氣凝結(jié)，使地球表面發(fā)生普遍降水，原始海洋形成。5.地球的成因

四、行星的化學(xué)演化31五、行星的化學(xué)演化5.地球的成因

HadeanperiodAllegre(1987)32五、行星的化學(xué)演化5.地球的成因

‘Lateveneer’Rubie

et

al.(2011)33五、行星的化學(xué)演化5.地球的成因

Magma

ocean（巖漿海）

34五、慧星的化學(xué)演化35五、慧星的化學(xué)演化彗星是太陽(yáng)系中一類(lèi)奇特的小天體，沿扁長(zhǎng)、拋物線、雙曲線軌道運(yùn)行，富含揮發(fā)份，形成于太陽(yáng)星云的低溫區(qū)且保存在遠(yuǎn)離太陽(yáng)的區(qū)域(T<100K)。彗星保存著許多太陽(yáng)星云凝聚物的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)特征，星云和前太陽(yáng)物質(zhì)的混合。36五、慧星的化學(xué)演化彗星對(duì)研究太陽(yáng)系的起源和早期狀況，對(duì)探討隕石、宇宙塵埃、流星體和黃道光的來(lái)源都有重要意義。太陽(yáng)系內(nèi)約有1012~1014個(gè)彗星。37五、慧星的化學(xué)演化1.彗星的類(lèi)型

依據(jù)特點(diǎn)：

（1）周期彗星：橢圓軌道的彗星，能定期回到太陽(yáng)身邊，短周期：繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)周期為：10～200年，多數(shù)遠(yuǎn)日點(diǎn)靠近木星；長(zhǎng)周期：繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)周期>200年，遠(yuǎn)日點(diǎn)達(dá)50000AU。（2）非周期彗星：軌道為拋物線或雙曲線的彗星，終其一生只能接近太陽(yáng)一次，而一旦離去，就會(huì)永不復(fù)返。

（過(guò)客）38五、慧星的化學(xué)演化2.彗星的結(jié)構(gòu)(1)彗核：直徑0.3-4km,一般1-2km,密度：2g/cm3,成分：冰物質(zhì)+土物質(zhì)。彗星物質(zhì)集中地，95%。(2)慧發(fā)：直徑104-105km，化合物基團(tuán)（OH2、C2、C3、CH、CN）;原子成分（C、H、O、S、He）；分子成分（HCN、H2O等）；離子成分（CO+、CH+、CO2+

等）。(3)彗尾：長(zhǎng)達(dá)108km，等離子體彗尾的成分為CO+、CO2+、H2O+、OH+、CH+、CN+、N2+、C+、Ca+；塵埃彗尾為H、C、N、Fe、Si、Mg、Ca、Ni。39五、慧星的化學(xué)演化3.彗星的化學(xué)成分

慧星的揮發(fā)份介于元素的宇宙豐度和球粒隕石的含量之間，與隕石相比，更富揮發(fā)份40五、慧星的化學(xué)演化4.彗星的成因和意義（2）意義：A.西伯利亞的通古斯炸（1908.6.30）B.帶入揮發(fā)性元素(如水等)（1）彗星起源仍不明確，一種觀點(diǎn)是形成于海王