地球化學(xué)課件專題3 - 宇宙地球化學(xué)-2

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3508元素的起源

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）二、元素的宇宙豐度特征1.元素的宇宙豐度特征1）元素的宇宙豐度特征（Palme,2013:SolarSystemAbundancesoftheelements）(1)元素的宇宙豐度的確定主要依據(jù)兩類數(shù)據(jù)：太陽(yáng)大氣光譜資料；球粒隕石的化學(xué)組成。4二、元素的宇宙豐度特征1.元素的宇宙豐度特征1）元素的宇宙豐度特征稀有氣體虧損圖6中：（1）36個(gè)（45）元素Sun／Cl處于0.9～1.1間，為親石、親鐵和親銅元素；（2）9個(gè)問(wèn)題元素是測(cè)量誤差所致，需要重新確定；（3）太陽(yáng)光球吸收光譜測(cè)定的元素豐度與Cl球粒隕石的元素豐度非常一致。圖5中：太陽(yáng)球粒隕石化學(xué)元素的組成和太陽(yáng)大氣相比，虧損稀有氣體。5二、元素的宇宙豐度特征1.元素的宇宙豐度特征1）元素的宇宙豐度特征

基于太陽(yáng)球粒隕石化學(xué)元素的組成和太陽(yáng)大氣資料，通常以太陽(yáng)大氣光譜數(shù)據(jù)確定宇宙中H、He和其他揮發(fā)組份的豐度；并根據(jù)球粒隕石的分析結(jié)果確定宇宙中其他非揮發(fā)性元素的含量。

元素豐度值采用的是相對(duì)于106個(gè)Si原子的各個(gè)元素的原子：1）Si元素分布廣2）揮發(fā)性小；3）穩(wěn)定性好。宇宙元素分布極不均一，但有規(guī)律6二、元素的宇宙豐度特征1.元素的宇宙豐度特征1）元素的宇宙豐度特征Z<45的元素隨原子序數(shù)增大呈指數(shù)降低，Z>45的元素豐度曲線呈緩慢降低。H、He為豐度最高的元素。Li、Be、B豐度過(guò)低，為虧損元素。Fe為過(guò)剩元素，呈明顯的峰。高的Pb宇宙豐度。(2)元素的宇宙豐度特征7二、元素的宇宙豐度特征1.元素的宇宙豐度特征1）元素的宇宙豐度特征Tc和Pm沒(méi)有穩(wěn)定性同位素，在宇宙中不存在；原子序數(shù)大于83（Bi）的元素也沒(méi)有穩(wěn)定同位素，是Th和U的放射性成因同位素。(2)元素的宇宙豐度特征8二、元素的宇宙豐度特征1.元素的宇宙豐度特征1）元素的宇宙豐度特征偶數(shù)>相鄰奇數(shù)。(2)元素的宇宙豐度特征9二、元素的宇宙豐度特征1.元素的宇宙豐度特征1）元素的宇宙豐度特征質(zhì)量數(shù)為4倍的元素具有較高豐度，如：A=4,16,20,28,32,36,40,48,56,80,84。如：He4,O16,Si28,Ca40。表：宇宙豐度（以氫豐度的對(duì)數(shù)為12的相對(duì)豐度）He4,11.21；He3,？

O16,8.95；O17,5.52；O18,6.06Si28,7.46；Si29,6.17；Si30,5.99Ca40,6.18；Ca42,4；Ca43,3.3；Ca44,4.53；Ca46,1.7；Ca48,3.44；(2)元素的宇宙豐度特征10二、元素的宇宙豐度特征1.元素的宇宙豐度特征1）元素宇宙豐度特征元素宇宙特征的原因解釋：原子核結(jié)構(gòu)控制（原子核中的核力和斥力）a.質(zhì)子/中子增大：斥力增大質(zhì)子和中子比例適當(dāng)，原子核穩(wěn)定；如：原子序數(shù)<

20，N／Z＝1，核最穩(wěn)定。O、Si、Ca；原子序數(shù)大，不穩(wěn)定，豐度降低。b.偶數(shù)：核子自旋力矩相等方向相反，穩(wěn)定性最大，豐度相對(duì)最高、分布廣泛。c.各原子核的形成過(guò)程：如：Li、Be和B；O和Fe豐度異常高。11二、元素的宇宙豐度特征1.元素的宇宙豐度特征2）原子核類型按質(zhì)子數(shù)（Z）和中子數(shù)（N）可分為四種類型：12一宇宙地球化學(xué)（Cosmochemistry）太陽(yáng)系：

太陽(yáng)和以太陽(yáng)為中心、受其引力支配而環(huán)繞它運(yùn)動(dòng)的天體構(gòu)成的系統(tǒng)；具體而言，太陽(yáng)系包括恒星太陽(yáng)、八大行星（水、金、地球、火；木、土、海王和天王）及其衛(wèi)星（月球）、矮行星（冥王星、古神星、鬩神星、鳥(niǎo)神星、巖神星）、小行星、彗星和星際（宇宙）塵埃（行星際塵埃）等天體按一定的軌道繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)構(gòu)成了太陽(yáng)系。一宇宙地球化學(xué)（Cosmochemistry）依據(jù)行星的大小、密度和成分類地行星巨行星遠(yuǎn)日行星中心星White(2014)一宇宙地球化學(xué)（Cosmochemistry）太陽(yáng)

三、太陽(yáng)星云的化學(xué)演化1.太陽(yáng)星云的凝聚過(guò)程及物質(zhì)分異

（1）從原始星云中誕生的恒星首先進(jìn)入主星序階段；對(duì)角線上，幾百萬(wàn)年或幾百億年，其核心氫燃燒成氦；（2）紅巨星或紅超巨星階段：當(dāng)氫燃燒殆盡，氦燃燒形成碳和氧；（3）水平支階段：氦聚變結(jié)束，發(fā)生更強(qiáng)烈的碳、硅聚變反應(yīng)；Si（4）之后，恒星或者經(jīng)過(guò)“行星狀”星云區(qū)成為白矮星和黑矮星走向死亡；或變成超新星（Supernovae）爆發(fā)，恒星物質(zhì)被拋入宇宙成為星云，重新演化。三、太陽(yáng)星云的化學(xué)演化1.太陽(yáng)星云的凝聚過(guò)程及物質(zhì)分異

（1）在太陽(yáng)形成過(guò)程中，附近若干次超新星爆發(fā)拋出大量物質(zhì)，形成氣態(tài)（分子）前太陽(yáng)星云（Nebula），其中一顆超新星的沖擊波可能在分子云中造成了超密度區(qū)域；星云是由氣體和塵埃物質(zhì)組成的巨大云霧狀天體：主要成分是氫、其次是氦（98%）；含有一定比例的金屬元素和非金屬元素（2%）。太陽(yáng)星云White(2014)三、太陽(yáng)星云的化學(xué)演化1.太陽(yáng)星云的凝聚過(guò)程及物質(zhì)分異

（2）溫度降低：星云物質(zhì)凝聚收縮，凝聚的星云繞中軸自轉(zhuǎn)加速，形成星云盤；

中心部分增厚、質(zhì)量較大，并且中心越來(lái)越比周邊環(huán)繞的盤熱，形成一個(gè)熱致密的恒星：原太陽(yáng)；中央星云在引力作用下，收縮、凝聚、演化成太陽(yáng)。三、太陽(yáng)星云的化學(xué)演化1.太陽(yáng)星云的凝聚過(guò)程及物質(zhì)分異

星云中誕生的恒星首先進(jìn)入主星序階段；氫燃燒成氦；太陽(yáng)至今仍是一顆主序星。三、太陽(yáng)星云的化學(xué)演化1.太陽(yáng)星云的凝聚過(guò)程及物質(zhì)分異

（3）因收縮，引力勢(shì)能釋放，溫度增高，引起星云盤內(nèi)的物質(zhì)分餾；由于受太陽(yáng)光、太陽(yáng)風(fēng)和熱輻射的驅(qū)動(dòng)，使元素的豐度沿經(jīng)向呈規(guī)律變化。冰凍線內(nèi)和外成分差異。ShakuraandSunyaev，1973三、太陽(yáng)星云的化學(xué)演化1.太陽(yáng)星云的凝聚過(guò)程及物質(zhì)分異

（4）星云盤溫度降低，引起星云盤內(nèi)的元素凝聚成礦物。三、太陽(yáng)星云的化學(xué)演化1.太陽(yáng)星云的凝聚過(guò)程及物質(zhì)分異

（4）星云盤溫度降低，引起星云盤內(nèi)的元素凝聚成礦物。三、太陽(yáng)星云的化學(xué)演化1.太陽(yáng)星云的凝聚過(guò)程及物質(zhì)分異

（4）星云盤溫度降低，引起星云盤內(nèi)的元素凝聚成礦物，中央星云外的大量小塊星云相互碰撞，聚集為塵層、粒子團(tuán)、小星子。黃長(zhǎng)石SiO2氣體速度不同，碰撞存在差異：高速：彈回、碎裂，不凝聚；低速：星子彼此吸引，增長(zhǎng)。三、太陽(yáng)星云的化學(xué)演化1.太陽(yáng)星云的凝聚過(guò)程及物質(zhì)分異

（5）小星子相互碰撞和吸引，形成行星胎和太陽(yáng)系各行星。

內(nèi)太陽(yáng)系過(guò)于溫暖，易揮發(fā)的分子難于聚集，由高熔點(diǎn)的物質(zhì)形成；

高熔點(diǎn)物質(zhì)在宇宙中很稀少，<1%；

類地行星不會(huì)長(zhǎng)得太大。

巨行星：冰凍線以外，使易揮發(fā)的冰狀化合物保持固態(tài)（火星和木星間）。三、太陽(yáng)星云的化學(xué)演化1.太陽(yáng)星云的凝聚過(guò)程及物質(zhì)分異

（6）年輕的太陽(yáng)誕生后，燃燒氫產(chǎn)生能量，向太陽(yáng)系連續(xù)地以極高地速度（200～800km／s）和不穩(wěn)定地強(qiáng)度，釋放等離子氣體流（質(zhì)子、電子等），即太陽(yáng)風(fēng)（solarwind），將原行星盤中地星際物質(zhì)吹入星際空間，從而結(jié)束行星地成長(zhǎng)。DeadZone三、太陽(yáng)星云的化學(xué)演化1.太陽(yáng)星云的凝聚過(guò)程及物質(zhì)分異

三、太陽(yáng)星云的化學(xué)演化1.太陽(yáng)星云的凝聚過(guò)程及物質(zhì)分異

三、太陽(yáng)星云的化學(xué)演化2.太陽(yáng)系的物質(zhì)來(lái)源

（1）太陽(yáng)系物質(zhì)的同源性A.恒星元素的合成和恒星演化歷史的復(fù)雜性;B.不同恒星區(qū)域內(nèi)的物質(zhì)組成存在差異.三、太陽(yáng)星云的化學(xué)演化2.太陽(yáng)系的物質(zhì)來(lái)源

（1）太陽(yáng)系物質(zhì)的同源性地球、月球、隕石的135Ba/136Ba只在0.01%范圍內(nèi)變化。135Ba：r過(guò)程為主形成；136Ba：s過(guò)程。三、太陽(yáng)星云的化學(xué)演化2.太陽(yáng)系的物質(zhì)來(lái)源

（1）太陽(yáng)系外物質(zhì)的污染16O過(guò)剩：

（

12C+4He=>16O）三、太陽(yáng)星云的化學(xué)演化2.太陽(yáng)系的物質(zhì)來(lái)源

（1）太陽(yáng)系外物質(zhì)的污染B.

26Al,107Pd,129I過(guò)剩（短壽命放射性）26Al,半衰期16百萬(wàn)年；107Pd,83；129I，7.3C.

隕石中26Mg/24Mg異常高（26Al=>26Mg++）污染量<1/105三、太陽(yáng)星云的化學(xué)演化3.太陽(yáng)星云的凝聚模型

1.均一的太陽(yáng)星云凝聚模型Cameron(1963)太陽(yáng)星云的初期成分是均一，后來(lái)的凝聚和碰撞吸積分異成分；2.非均一的太陽(yáng)星云凝聚模型初期成分不均一，冷凝聚形成太陽(yáng)系各天體。證據(jù)：原始同位素異常理論有待證明完善三、太陽(yáng)星云的化學(xué)演化黃長(zhǎng)石SiO2氣體4.元素的宇宙化學(xué)分類分類依據(jù)：揮發(fā)性（涉及元素的起源、天體物質(zhì)的凝聚和溫度）4.元素的宇宙化學(xué)分類分類依據(jù)：揮發(fā)性（涉及元素的起源、天體物質(zhì)的凝聚和溫度）三、太陽(yáng)星云的化學(xué)演化不完全凝集，虧損4.元素的宇宙化學(xué)分類分類依據(jù)：揮發(fā)性（涉及元素的起源、天體物質(zhì)的凝聚和溫度）（1）最初，從太陽(yáng)系成分中凝集的相為Ca、鋁的氧化物和硅酸鹽，同時(shí)獲取REE、Zr／Hf、Sc等；親石（2）相似溫度下，W、Os、Re、Ir、Pt等形成多組份合金；親鐵（3）鐵鎳合金（親鐵）和鎂硅酸巖（親石）：SiO2氣體的作用；（4）揮發(fā)性元素：S－FeS；其他為固溶體于金屬、硫化物及硅酸鹽中；（5）高揮發(fā)性元素：未完全凝集；凝集溫度低于水星。（Anderson,2007:

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Earth）三、太陽(yáng)星云的化學(xué)演化4.元素的宇宙化學(xué)分類三、太陽(yáng)星云的化學(xué)演化CAI包體：富集難熔的親石元素和親鐵元素；4.元素的宇宙化學(xué)分類（Anderson,2007:

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Earth）三、太陽(yáng)星云的化學(xué)演化1.行星的起源及形成方式（1）行星形成過(guò)程：四、行星地球化學(xué)星際介質(zhì)：1）塵埃：無(wú)定型脂肪類和芳香碳?xì)浠衔?、硅酸鹽；2）氣體：原子、分子、離子和多原子離子等。10

um1.行星的起源及形成方式（1）行星形成過(guò)程：四、行星地球化學(xué)土物質(zhì)凝聚區(qū)土、冰、氣物質(zhì)凝聚區(qū)1.行星的起源及形成方式（1）行星形成過(guò)程：四、行星地球化學(xué)一種行星吸積模式類M星子:類似鐵隕石的星子類E星子:類似頑火輝石的星子類AE星子:類似頑火輝石無(wú)球粒隕石的星子類CR星子:類似CR碳質(zhì)球粒隕石的星子類CI:類似CI碳質(zhì)球粒隕石的星子1.行星的起源及形成方式（1）行星形成過(guò)程：四、行星地球化學(xué)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。（3）行星自轉(zhuǎn)軸與公轉(zhuǎn)軸存在交角，如地球，23o27’；天王星，97o55’；金星，177o(見(jiàn)表)1.行星的起源及形成方式（1）行星形成過(guò)程：四、行星地球化學(xué)1.行星的起源及形成方式（2）行星形成方式：四、行星地球化學(xué)（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。（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。2.行星大氣成分（1）行星大氣成分確定方法：四、行星地球化學(xué)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2.行星大氣成分（1）行星大氣成分特征：四、行星地球化學(xué)2.行星大氣成分（1）行星大氣成分特征：四、行星地球化學(xué)行星大氣成分（v%）2.行星大氣成分（3）行星大氣成分起源：四、行星地球化學(xué)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）。2.行星大氣成分（3）行星大氣成分起源：四、行星地球化學(xué)A.行星大氣的保存及影響因素2.行星大氣成分（3）行星大氣成分起源：四、行星地球化學(xué)B.行星大氣的來(lái)源2.行星大氣成分（3）行星大氣成分起源：四、行星地球化學(xué)B.行星大氣的來(lái)源類地行星：次生大氣（溫度較高）類木行星：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。3.行星的化學(xué)成分特征（1）行星的化學(xué)成分特征：四、行星地球化學(xué)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、