元素丰度与分布.ppt

第一章第一章 元素的丰度与分布元素的丰度与分布 第一节第一节 元素的宇宙丰度元素的宇宙丰度 第二节第二节 元素在地球中的分布元素在地球中的分布 第一节第一节 元素的宇宙丰度元素的宇宙丰度 一、元素宇宙丰度的定义一、元素宇宙丰度的定义 二、太阳系的成员二、太阳系的成员 三、宇宙丰度的研究三、宇宙丰度的研究 四、太阳系宇宙丰度的规律四、太阳系宇宙丰度的规律 一、元素宇宙丰度的定义一、元素宇宙丰度的定义 元素的宇宙丰度＝太阳系的元素丰度元素的宇宙丰度＝太阳系的元素丰度 这里的丰度＝这里的丰度＝A/BA/B的比值，一般的比值，一般B B为为Si Si 宇宙丰度是研究元素起源的理论依据，是解释各类宇宙丰度是研究元素起源的理论依据，是解释各类 天体演化过程的基础天体演化过程的基础 二、太阳系的介绍二、太阳系的介绍 太阳系成员 八大行星的相对大小 太阳系组成太阳系组成 太阳太阳 八大行星八大行星 小行星－小行星带（火星与木星之间）小行星－小行星带（火星与木星之间） 彗星彗星 第一节第一节 元素的宇宙丰度元素的宇宙丰度 一、元素宇宙丰度的定义一、元素宇宙丰度的定义 二、太阳系的成员二、太阳系的成员 三、宇宙丰度的研究三、宇宙丰度的研究 四、太阳系宇宙丰度的规律四、太阳系宇宙丰度的规律 三、元素宇宙丰度研究三、元素宇宙丰度研究 实验室分析：地球、月球、陨石和宇宙尘实验室分析：地球、月球、陨石和宇宙尘 光谱和射电分析：太阳、恒星、星际介质星系光谱和射电分析：太阳、恒星、星际介质星系 空间探测器分析：行星大气、表面土壤、岩石空间探测器分析：行星大气、表面土壤、岩石 太阳风和宇宙线分析：太阳风和宇宙线分析： SuessSuess和和UreyUrey（（19561956）：综合天体物理和宇宙化学的）：综合天体物理和宇宙化学的 成果，提出了宇宙核素丰度－－成果，提出了宇宙核素丰度－－B B 2 2 FHFH假说的基础假说的基础 ；； CameronCameron（（19681968）提出太阳系的核素丰度，依据：非）提出太阳系的核素丰度，依据：非 挥发性元素的初始丰度－－挥发性元素的初始丰度－－I I型碳质球粒陨石；挥型碳质球粒陨石；挥 发性元素－－太阳光球的光谱成分发性元素－－太阳光球的光谱成分 GanapathyGanapathy和和AndersAnders（（1974)1974)：均一的太阳星云的平衡：均一的太阳星云的平衡 凝聚模式－－行星化学成分（表凝聚模式－－行星化学成分（表1.31.3）） PalmePalme、、SuessSuess和和ZehZeh（（1981)1981)计算了初始太阳星云的元计算了初始太阳星云的元 素丰度和初始的核素丰度（表素丰度和初始的核素丰度（表1.71.7）） TrimbleTrimble（（19751975），提出了陨石、太阳光球、日冕宇），提出了陨石、太阳光球、日冕宇 宙射线的元素丰度宙射线的元素丰度 太阳系的成分太阳系的成分 非挥发性元素的初始非挥发性元素的初始 丰度－－丰度－－I I型碳质球型碳质球 粒陨石粒陨石 挥发性元素－－太阳挥发性元素－－太阳 光球的光谱成分光球的光谱成分 H. Palme 第一节第一节 元素的宇宙丰度元素的宇宙丰度 1 1 元素宇宙丰度的定义元素宇宙丰度的定义 2 2 太阳系的成员太阳系的成员 3 3 宇宙丰度的计算宇宙丰度的计算 4 4 太阳系宇宙丰度的规律太阳系宇宙丰度的规律 四、太阳系元素丰度的规律四、太阳系元素丰度的规律 1. 1. Oddo-HarkinsOddo-Harkins规则（偶数规则）－－规则（偶数规则）－－OO、、FeFe、、NiNi、、Si Si、、MgMg 、、S S、、CaCa等等7 7种丰度最高的元素，全为偶数元素，总丰度种丰度最高的元素，全为偶数元素，总丰度 达达98.698.6％；％； 2. 2. 在在A A为为1~1001~100的区域，核素丰度大致按指数规律下降；的区域，核素丰度大致按指数规律下降； 3. 3. A100A100，丰度曲线的斜率显著减缓；，丰度曲线的斜率显著减缓； 4. 4. 具有具有4 4倍数核素（如倍数核素（如12 12C C、 、16 16O O、、-- --40 40Ca Ca、、48 48Ti Ti）丰度明显高）丰度明显高 于其相邻核素丰度；于其相邻核素丰度； 5. 5. HH和和HeHe为丰度最大的元素，占原子总数的为丰度最大的元素，占原子总数的99%99%以上，而以上，而LiLi 、、BeBe和和B B等与邻近元素相比丰度特别低；等与邻近元素相比丰度特别低； 6. 6. 以以56 56Fe Fe为中心的突出的峰值；为中心的突出的峰值； 7. 7. 在在A A为为8080和和9090、、130130和和138138、、196196和和208208等处，出现双峰；等处，出现双峰； 第一节第一节 元素的宇宙丰度元素的宇宙丰度 第二节第二节 元素在地球中的分布元素在地球中的分布 第二节第二节 元素在地球中的分布元素在地球中的分布 1 1 地球元素平均成分地球元素平均成分 2 2 地壳元素平均成分地壳元素平均成分 3 3 地幔成分地幔成分 第二节第二节 元素在地球中的分布元素在地球中的分布 一、地球的圈层构造及化学组成一、地球的圈层构造及化学组成 1. 1.圈层构造圈层构造 地壳：上地壳和下地壳地壳：上地壳和下地壳 地幔：上地幔和下地幔地幔：上地幔和下地幔 地核：外核和内核地核：外核和内核 地球内部P波和S波随深度变化. Compositional subdivisions of the Earth are on the left, rheological subdivisions on the right. After Kearey and Vine (1990), Global Tectonics. © Blackwell Scientific. Oxford. Crust Mantle Outer Core Velocity (km/sec) 0510 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Depth (km) S waves P waves Inner Core Lithosphere Astheno- sphere Solid Liquid Meso- sphere S waves 固体地球固体地球 地幔地幔: : 橄榄岩橄榄岩 ( (超基性岩超基性岩) ) 6370 5145 2898 660 410 60 220 Crust MantleMantle CoreCore Upper Mantle Transition Zone Inner Core Depth (km) Lower Mantle (solid) Outer Core (liquid) 上地幔上地幔 深达深达 410 km (olivine 410 km (olivine ®® spinel) spinel) u u Low Velocity LayerLow Velocity Layer 60-220 km60-220 km 过渡带过渡带 as vel. incr. ~ rapidlyas vel. incr. ~ rapidly u u 660 spinel 660 spinel ®® perovskite-type perovskite-type F F SiSiIV IV ® ® Si SiVI VI 下地幔下地幔 has more gradual has more gradual velocity increasevelocity increase 第二节第二节 元素在地球中的分布元素在地球中的分布 2. 2.地球元素丰度地球元素丰度 估算方法估算方法 (1)(1)陨石类比法陨石类比法 以下列假设：以下列假设：a. a.陨石在太阳系内形成陨石在太阳系内形成; ; b. b.陨石与小行陨石与小行 星带的物质相同；星带的物质相同；c. c.陨石是破坏了的星体碎片；陨石是破坏了的星体碎片；d. d. 产生陨石的星体其内部结构和成分分布与地球类产生陨石的星体其内部结构和成分分布与地球类 似似 第二节第二节 元素在地球中的分布元素在地球中的分布 (2)(2)地球模型地球模型- -陨石类比法陨石类比法 按地球的各主要圈层的比例计算：按地球的各主要圈层的比例计算： 地核地核 ：：32.4%32.4%，球粒陨石的镍铁金属相，球粒陨石的镍铁金属相+5.3%+5.3%陨硫陨硫 铁（硫化物相）代表铁（硫化物相）代表 地幔地幔+ +地壳地壳：：67.6%67.6%，球粒陨石的平均硅酸盐成分，球粒陨石的平均硅酸盐成分 第二节第二节 元素在地球中的分布元素在地球中的分布 二、地壳的平均化学成分二、地壳的平均化学成分 1. 1.克拉克值的概念克拉克值的概念 （（1 1）重量克拉克值：）重量克拉克值： 地壳中元素的重量平均含量地壳中元素的重量平均含量 （（2 2）原子克拉克值：）原子克拉克值： 地壳中元素的原子平均含量地壳中元素的原子平均含量 第二节第二节 元素在地球中的分布元素在地球中的分布 2 2、地壳平均化学成分的确定方法、地壳平均化学成分的确定方法 （（1 1）克拉克法（）克拉克法（51595159样品，样品，5050元素，元素，19241924）） a. a.岩石圈：水圈：大气圈岩石圈：水圈：大气圈 93% 7% 0.03%93% 7% 0.03% b. b.岩石圈中（地壳）岩石圈中（地壳） 岩浆岩：岩浆岩： 页岩：页岩： 砂岩：砂岩： 灰岩灰岩 95% 4% 0.75% 0.25% 95% 4% 0.75% 0.25% 第二节第二节 元素在地球中的分布元素在地球中的分布 具体计算过程具体计算过程 ：： 1. 1.分分4848个地区计个地区计 算平均化学算平均化学 成分成分 2. 2.合并为合并为9 9个地个地 区计算平均区计算平均 化学成分化学成分 3. 3.计算总平均化计算总平均化 学成分学成分 第二节第二节 元素在地球中的分布元素在地球中的分布 （（2 2）戈尔德施密特法（细碎屑岩法））戈尔德施密特法（细碎屑岩法） 特点：特点： 细碎屑岩的源物质来自剥蚀区细碎屑岩的源物质来自剥蚀区 适合于区域地壳成分的估计适合于区域地壳成分的估计 第二节第二节 元素在地球中的分布元素在地球中的分布 （（3 3）地壳模型法）地壳模型法 TaylorTaylor法：基性岩法：基性岩/ /酸性岩酸性岩=1( =1( 质量质量) ) 基性岩代表下地壳，酸性岩代表上地壳基性岩代表下地壳，酸性岩代表上地壳 第二节第二节 元素在地球中的分布元素在地球中的分布 3. 3.地壳元素丰度特征地壳元素丰度特征 地壳元素丰度地壳元素丰度  第二节第二节 元素在地球中的分布元素在地球中的分布 3. 3.地壳元素丰度特征地壳元素丰度特征 (1)(1)地壳中各种元素丰度极不均匀地壳中各种元素丰度极不均匀 O, Si, Al O, Si, Al 占占82%82% O, Si, Al, Fe, Ca, Na, K, MgO, Si, Al, Fe, Ca, Na, K, Mg占占 98%98% O O 与与RnRn相差相差101017 17倍 倍 (2)(2)随原子序数的增加其丰度降低，但随原子序数的增加其丰度降低，但Li, Li, Be, Be, B B仍表现为亏仍表现为亏 损损 第二节第二节 元素在地球中的分布元素在地球中的分布 (3)(3)除了惰性气体和少数元素外，质量数为偶数的元除了惰性气体和少数元素外，质量数为偶数的元 素丰度大于奇数素丰度大于奇数 (4)(4)四倍规则（质量数为四的倍数）四倍规则（质量数为四的倍数） ￿￿￿￿ 4A4A型：型：12 12C, C, 16 16O O , , 2424Mg, Mg, 28 28Si, Si, 32 32S, S, 40 40Ca, Ca,。