1、第一章 太阳系和地球系统元素的丰度,一、太阳系的组成和元素丰度,一、太阳系的组成和元素丰度,太阳（99.8%),(大)行 星,小天体: 彗星,小行星,卫星,宇宙尘,矮行星,太阳系,太阳系的物体构成体系,1. 行星：根据国际天文学联合会大会2006年8月日通过的新定义，“行星”指的是围绕太阳运转、自身引力足以克服其刚体力而使天体呈圆球状、并且能够清除其轨道附近其他物体的天体。按照新的定义，太阳系行星将包括水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星八大行星(经典行星),除太阳外，太阳系新的天体分类方案,一、太阳系的组成和元素丰度,2.矮行星：根据新定义，同样具有足够质量、呈圆球形，但不能清
2、除其轨道附近其他物体的天体被称为“矮行星”。目前,符合这一定义的包括：谷神星、冥王星、齐娜(Eris,2003UB313)，总计三颗。冥王星为什么降级？ 两种说法：1)因为冥王星未能清除柯伊伯带上邻近的小天体，所以是一颗矮行星。 2)冥王星由于其轨道与海王星的轨道相交，不符合新的行星定义，因此被降级为“矮行星”。,冥王星公转轨道较特殊： 椭圆;偏离黄道面角度较大,3.小天体：其他围绕太阳运转但不符合上述条件的物体被统称为 “太阳系小天体”（彗星,小行星,卫星,宇宙尘等）。,(一)太阳系元素组成的研究方法,1.自然体系（地球化学体系）: 概念：通常将所要研究的对象总体看做是一个地球化学体系。 特
3、点：A.一定空间范围、B.一定物化条件下特定物化状态、C.有一定的时间连续性2.地球化学体系总体化学组成研究法：因其通常具有复杂结构，化学组成不均一，估算其总体化学组成的方法有： 用主体代表整体 已知系统各部分的成分后，用加权平均法求 在拟定的模型基础上，求系统的化学组成（如用陨石对比法求地球的化学组成）,3.宇宙元素丰度的研究途径 直接采样分析（如地壳岩石、各类陨石、月球岩石等）CI陨石测非挥发性元素（准确度高） 光谱分析 (如据光谱波长和亮度测太阳表层元素丰度）测挥发性元素 由物质的物理性质与成分的对应关系推算（如行星）（表面温度低，无法测光谱，据体积、质量、密度等对比） 利用宇宙飞行器观
4、察、直接测定或取样(如月球、火星等） 分析测定气体星云或星际间物质(极稀薄气体、极少量尘埃） 分析研究宇宙射线(高强粒子：质子和粒子、较重元素原子核、电子、中微子、高能光子等）,（二）陨石的化学成分,1.陨石定义与研究意义: 1)定义：落到地球上的行星物体碎块，即从行星际空间穿越大气层到达地表的星体（流星体）残骸称为陨石. （有一层黑色或深褐色熔壳。主要来自小行星带：小行星碎块和崩解的彗星残核，少量来自其它天体，大小从显微质点到几十吨, 非洲戈巴铁陨石60t,是最大的铁陨石,新疆铁陨石28吨,世界第3铁陨石;吉林石陨石2.55t,是世界最大的石陨石）,南极和沙漠是陨石富集区！ 在南极已采集15
5、000块陨石 （为什么？不易风化、特殊的运移富集、醒目）,2）陨石研究意义：是空间化学研究的重点对象，已有几百年的研究历史，近几十年发展尤为迅速 是目前最易获取和数量最大的地外物质 研究太阳系的物质组成、起源与演化，对认识太阳系早期演化历史有重要意义。 探索有机质和生命起源 作为地球成分研究的对比标准(如稀土和微量元素标准化及硫同位素国际标准)，帮助了解地球的成因和组成 防止自然灾害,2. 陨石的基本分类,玻璃陨石(雷公墨） 是陨石吗？,2. 陨石的基本分类（按成分、结构）,铁陨石：主要由金属Ni-Fe(98%)和少量其它矿物如磷铁镍古矿(Fe,Ni,Co)3P、陨硫铁（FeS)、镍碳铁矿（F
6、e3C)和石墨等组成。 石陨石：主要由硅酸盐矿物组成。根据它是否含有细小而大致相近的球状硅酸盐结构而进一步分为球粒陨石和无球粒陨石。 石-铁陨石：由数量大体相等的Ni-Fe和硅酸盐（主要是橄榄石，偶尔辉石）组成。,注意：,球粒陨石和少量无球粒陨石属原始陨石（微星物质碎块）， 石-铁陨石、铁陨石和多数无球粒陨石属于分异型陨石，经过了岩浆侵入、喷出，岩浆结晶分异（具球粒陨石成分的物质再熔融和分异） 书中P17倒数第二段错误!,3.球粒陨石与无球粒陨石 （1）球粒陨石与无球粒陨石的区别 石陨石按是否含硅酸盐球粒分为球粒陨石和无球粒陨石 球粒陨石球粒主要由橄榄石、辉石、（玻璃）组成 （球粒成因两种假说
7、:非平衡热条件下，从热的、低密度、部分电离的气体中直接凝聚说;星云凝聚物重熔说）基质常由镍铁、陨硫铁、斜长石、橄榄石、辉石组成 无球粒陨石不含球粒，结构上成分上与前者也有差异（较粗，较贫金属Fe-Ni） 。,球粒陨石与无球粒陨石物质组成的区别,（2）球粒陨石的分类 根据化学成分的不同，分为三类5个化学群： E 群（顽辉石球粒陨石)，稀少(全世界仅收集约占20块)，较还原条件形成 (E类) H群（高铁群普通球粒陨石，如吉林陨石） L群（低铁群普通球粒陨石) LL群（低铁低金属群普通球粒陨石) C群（碳质球粒陨石）,很稀少但重要(C类) H、L和LL群统称普通球粒陨石(O类),用,为什么用碳质球粒
8、陨石的化学成分估计太阳系中非挥发性元素的丰度？,碳质球粒陨石：一种特殊的球粒陨石，含有碳的有机化合物分子且主要由含水硅酸盐组成。按化学成分可划分为：C 、C和C型。C是最原始的太阳星云凝聚物质（无热变质，距太阳远）,（3）球粒陨石的成因 1）碳质球粒陨石成因 星云凝聚：平衡凝聚的熔体（无引力） 依据：除H, He等挥发分外，成分与太阳一致（前图）,2）普通球粒陨石成因 a. 太阳强辐射使宇宙尘埃重熔凝聚 b. 陨石、尘埃之间冲击加热熔融 特征：失去挥发性元素,（4）无球粒陨石的分类和成因 根据CaO的含量划分为： a. 贫钙 （Ca) 3% ,主要矿物为：顽火辉石，紫苏辉石，橄榄石等。 b.富
9、钙（ 5%=CaO= 30%），含单斜辉石或斜长石 根据成因划分为： a. 钙长辉长无球粒陨石系列； b. 顽辉石无球粒陨石系列； c. 尚未划分出成因系列的无球粒陨石。成因 经历过较大星体环境和发生过熔融分异作用,4.铁陨石与石-铁陨石的区别 铁陨石:主要由铁镍合金、陨硫铁以及少量Fe、Ni、Co、Cr、Ti、Cu、Zr的硫化物、碳化物、氯化物、磷化物、氧化物与磷酸盐以及自然铜、石墨等矿物组成。按多参数微量元素（Ni含量及与Ga、Ge、Ir、P含量关系）分类，铁陨石可分为13个化学群，11群属岩浆型（母体内岩浆作用形成），2群属非岩浆型（母体产生的冲击熔体形成）。 石-铁陨石:由近乎相等的硅
10、酸盐相和铁镍相组成，较为少见(可能来源于石陨石-铁陨石过渡部位）。分为橄榄陨铁、中铁陨铁陨石。铁陨石与石-铁陨石都经历过较大星体环境和发生过熔融分异作用,5.陨石中的有机质有机质的种类：已发现的有机化合物包括如氨基酸、卟啉、烷烃、芳香烃、嘌啉和嘧啶等60多种，主要存在于碳质球粒陨石中。 有机质的来源：1）太阳星云中通过火花放电合成或原始地球大气层在紫外线照射或放电作用合成；2）太阳星云凝聚晚期，星云中的CO、H2在磁铁矿、含水硅酸盐的催化反应下合成。,6.陨石的演化历史 陨石年龄：44-47亿年（铅同位素和Rb-Sr同位素），与月球、地球近似。 演化过程：1）太阳系元素形成（6277亿年）(银
11、河系约136亿年)2）初始太阳星云形成3）陨石球粒形成4）陨石母体（小行星及类地行星）形成5）小行星体的局部或全部熔融6）熔融物质冷却和结晶分异（行星壳层构造）7）陨石母体破裂（小行星体的碰撞）8）陨石降落地面。,（三）、行星和月球的化学成分,1.行星的化学成分 1）行星化学组成的一般特点 （1）地球和类地行星（地球、水星Mercury、金星Venus、火星Mars）：质量小、密度大、体积小、卫星少。物质成分以岩石物质Mg、Si、Fe等为主，亲气元素含量低。 （2）巨行星（木星Jupitor和土星Saturn)：体积大、质量大、密度小、卫星多。主要成分为H和He等气体。 （3）远日行星（天王星
12、Uranus、海王星Neptune）：成分以冰状物质C、N、O为主，H大约10%，He、Ne平均为12%。,太阳系天体元素的原子相对丰度,1.行星的化学成分,(1)平衡凝聚模型：距太阳越远温度越低，其行星凝聚物的成分和含量也不同（从FeNi为主硅酸盐为主挥发与亲气元素为主;还原氧化），如： 水星：难熔金属矿物,Fe-Ni 合金(铁镍矿)及少量辉石 金星: 除上述成分外,还含有钾(钠)铝硅酸盐，但不含水. 地球: 除上述成分外，还含有透闪石等含水硅酸盐，和三种形式的铁（金属铁， FeO 和 FeS）火星: 含有更多的含水硅酸盐，金属铁已完全氧化成 FeO 或与S结合形成 FeS，没有金属铁的核,
13、2). 行星的化学组成模式,(2)据行星体积、密度并认为 类地行星由类似铁陨石和石陨 石的铁-镍相和硅酸盐相组成， 可计算其两相比例。 内行星越近太阳，其金属铁含 量越高。 地球和金星化学成分可能类似 （其直径和平均密度相似） 火星和月球平均密度相似，成分 上应属同一类天体。,1.行星的化学成分,类地行星（内行星）: 距离太阳近，早期太阳风驱赶作用强，行星表面捕获的气体难以保存，因而其大气层都是次生的，即主要通过行星内部物质的熔融、去气过程形成。主要成分CO、He、 Ar、 H2、Ne、 N2、 CO2、O2等。水、金、火星都无水圈。水、火星气圈稀薄。 类木行星和远日行星（外行星）: 距太阳较
14、远，温度低，早期太阳风驱赶作用不强烈，大气层物质主要是行星形成时从星云中捕获。主要成分H2、CH4、NH3、He、 C2H2等。,3）行星的大气层,（三）、行星和月球的化学成分,2. 月球的化学成分 月球是硅酸盐固态球体，无大气圈，分异弱.形成于4.5Ga前。表面由高地和月海(洼地）组成。 月球高原: 一般为斜长岩，橄长岩 ，苏长岩或富斜长石辉长岩。主要高地斜长岩、高地玄武岩。富铝，而Ti、Fe较低. 4.1 3.9Ga(部分熔融结晶分异）。 高地玄武岩中有一种特殊的克里普岩(KREEP): 富含钾、REE、Th、U和P的玄武岩.是富挥发分残余熔浆（分异岩浆）结晶产物。 月海区: 主要是玄武岩
15、或显微辉长岩，由钙质斜长石、 单斜辉石、钛铁矿组成, 少量橄榄石. 3.853.15Ga（剧烈的小天体撞击，泛月海事件）,月岩中元素的丰度,与地球和陨石成分对比及意义 碱金属和挥发性元素（Bi、Hg、Zn、Cd、Tl、Pb、Ge、C和Br）较贫 相对富含耐熔元素Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Sc、Zr、Nb、Mo、Y及REE 形成于高温条件，化学成分上与地球不属于同一类行星物质,3月球的开发和利用,19591976年是月球空间探测的第一次高潮，在此期间，月球硬着陆、软着陆和绕月飞行技术得到了发展，并且在1969年，人类首次登上月球。前苏联进行了三次不载人的月球取样返回，获得了0.3千
16、克的月壤样品；美国进行了6次载人登月，带回了381.7千克的月球岩石和土壤样品。 从1976年到1994年长达18年的时间里，世界上没有进行过任何成功的月球探测活动。 经历18年平静后，1994年美国发射了Clementine号月球探测器，第2年又提出了面向21世纪的全新探月计划，随后，俄罗斯、欧洲空间局、日本、印度、中国也制定了自己的探测计划并付诸实施女神一号、嫦娥一号、月船一号（081022）为什么掀起新一轮探月热潮？,1）月球的能源资源的分布和利用 月壤层厚320m,微陨石和太阳风的注入，使其富含挥发性元素和稀有气体，最令人感兴趣的是3He，平均含量310-9 410-9，资源总量可达1
17、00万t500万t,是地球（1020t）的10万50万倍，以1992年全球用电量计算，全用D- 3He发电，可供地球发电1万5万年,2）月球矿产资源的分布与利用月海玄武岩是月球上最丰富的岩石之一，它最显著化学成分特征是富TiO2（2.5413.14%）,以TiO2含量4.2%的月海玄武岩计算，钛铁矿资源量可达1500万亿t。克里普玄武岩中异常高的REE、Th、U含量也可能可供开采利用 3）月球特殊空间环境资源的开发利用月球超高真空、无大气活动、无磁场、弱重力、超洁净，地质构造稳定。可建“太空实验室”，开展天文学、空间科学、近代物理、生物工程学的研究，研制和生产特殊的生物制品和特殊材料,（四）、
18、太阳的化学成分,太阳具有异常高的温度（表面5700，中心可达2000万)，其物质具有通过热运动强烈均匀化的条件，推断太阳大气圈的成分与太阳中心差异不大 在太阳中已发现了85 种元素,700万时开始发生H的核聚变,（五）太阳系元素的丰度及元素的起源,1太阳系元素丰度及其规律 1）丰度的定义（abundance)：,丰度：指化学元素及其同位素(核素nuclides)在宇宙各类物体中的相对含量。 元素在较大自然体系中的平均含量（相对份额）叫丰度。（注意：较小体系如岩体、矿体、一块岩石、矿物中的平均含量不叫丰度，仍称为平均含量） 丰度体系：宇宙-太阳系-地球-地壳、地幔、地核-洋壳、陆壳-下地壳、上地
19、壳-区域地壳 丰度表示方法：重量丰度、原子丰度、相对丰度,2）太阳系元素丰度及其规律 1)H和He丰度最高（占太阳系全部原子数目的98%）（H和He是大爆炸起源元素）2)原子序数较低(Z50)的元素丰度低,且丰度值随原子序数增大几乎不变。（随原子序数增大，核内质子间斥力大于核力，核子趋于不稳定）,3）序数为偶数的元素丰度大大高于相邻的奇数元素。（偶数元素核子倾向成对，稳定性大）。奥多-哈根斯法则，或奇偶规律。 4）与He相近的Li、Be和B具很低的丰度，强亏损元素(作为氢燃烧的一部分转为He）;,5）在丰度曲线上O和Fe呈明显的峰，属过剩元素（O、Fe都是质量数为4倍的核素，且铁的结合能最大,
20、 O、Fe 都是He 燃烧的稳定产物） 6）质量数为4的倍数的核素或同位素具有较高丰度。（中子数/质子数=1，原子核较稳定）。原子序数或中子数为幻数（2、8、20、50、82和126）的核素或同位素丰度最大。,7）Tc和Pm没有稳定同位素，在宇宙中不存在；原子序数83（Bi）以后也无稳定同位素，它们都是Th和U的长寿命放射成因同位素。,（五）太阳系元素的起源与丰度Element Abundances and Their Origin in the Solar system,2. 太阳系元素的起源1）.大爆炸宇宙的核合成过程1952年Gamow提出“宇宙大爆炸”假说，得到星系光谱线红移及宇宙微波
21、背景辐射这两个观测事实的支持 大爆炸产生了两个丰度最大的核素1H和4He,以及少量2H、3He、7Li,1922年，苏数学家弗里德曼据广义相对论提出宇宙膨胀模型 1929年，美天文学家哈勃发现河外星系光谱红移现象（收到元素的 光谱频率变慢） ，证实了宇宙膨胀模型，为“宇宙大爆炸”假说的提 出奠定了坚实的基础。,而“宇宙大爆炸”假说之所以得到科学家的广泛接受要归功于美科学家彭齐亚斯和威尔逊发现了弥漫在全天空的微波背景辐射（1965）1964用射电望远镜发现7.35cm波长的无线电噪声，相当于温度为3K物体辐射的射线。而这正好与宇宙大爆炸假说推测的现今宇宙背景温度相近。（爆炸后不断膨胀，光子越来越
22、稀疏，温度越来越低）,宇宙发展简史,2）.恒星内部的核合成（见南大地球化学） 1957年E.M.Burbidge等提出了元素在恒星中合成的假说（B2FH理论） （1）氢燃烧（氢核聚变），形成4He。两种方式：质子链式反应CNO旋回反应（催化反应） （2）氦燃烧： 4He 核聚变形成 12C、16O 、20Ne等。 （3）稳态核燃烧：包括C、O、Si和Ne燃烧，合成A=20-40的核素。 （4）爆炸核燃烧：稳态核燃烧是爆炸燃烧的预过程，提供爆炸的条件。在超新星等爆发时，合成A=20-40的核素。 （5）Si燃烧或核统计平衡（E)过程：无论是稳态还是爆炸条件下，都会达到核统计平衡，形成V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni等平均结构能量最大的铁峰元素，恒星中系列元素核合成过程就此结束。 （6）S过程（中子捕获），可能是合成重于Fe的元素的主要机制；（7）过程；（8）P过程；（9）X过程（宇宙线粒子散裂反应）,恒星演化： 主星序阶段，氢燃烧红巨星或红超巨星阶段，氦燃烧水平支，碳、硅燃烧“行星状”星云区，成为白矮星和黑矮星而走向死亡，或变成超新星爆发，恒星物质抛入宇宙成为星云，重新走上早期恒星的演化道路。,太阳是第二代主序星，为什么？太阳处于氢燃烧阶段，但含有大量宇宙大爆炸时无法合成而在恒星中合成的重元素,
