第一章：太阳系与地球的元素丰度

第一章：太阳系与地球系统的元素分布讲课重点:太阳系、地壳元素的丰度特征、克拉克值等基本概念.

一.基本概念

二.元素在太阳系中分布规律 三.地球结构与化学组成 四.元素在地壳中的分布 五.地幔不均一性及证据* 六.水圈、大气圈和生物圈的成分

一、基本概念1.地球化学体系 按照地球化学的观点，我们把所要研究 的对象看作是一个地球化学体系。每个地球化学体系都有 一定的空间，都处于特定的物理化学状态(C、T、P等), 并且有一定的时间连续。 这个体系可大可小。 某个矿物包裹体，某矿物、某岩石 可看作一个地球化学体系，某个地层、岩体、矿床(某个 流域、某个城市)也是一个地球化学体系，从更大范围来 讲,某一个区域、地壳、地球直至太阳系、整个宇宙都可看 作为一个地球化学体系。 地球化学的基本问题之一就是研究元素在地球化学体系中 的分布(丰度)、分配问题，也就是地球化学体系中元素 “量”的研究。

太阳系

地球

自 然 金 矿

物

2.分布与丰度 所谓元素在体系中的分布，一般认为是元素在这个体 系中的相对含量(以元素的平均含量表示),即元素的 “丰度”。其实“分布”比“丰度”具有更广泛的涵义： 体系中元素的丰度值实际上只是对这个体系里元素真 实含量的一种估计，它只反映了元素分布特征的一个方面， 即元素在一个体系中分布的一种集中(平均)倾向。但是， 元素在一个体系中，特别是在较大体系中 的分布决不是 均一的，还包含着元素在体系中的离散(不均一)特征， 因此，元素的分布包括: ①元素的相对含量(平均含量=元 素的“丰度”);②元素含量的不均一性(分布离散特征 数、分布所服从的统计模型)。 需要指出的是，从目前的情况来看，地球化学对元素特 征所积累的资料(包括太阳系、地球、地壳)都仅限于丰 度的资料，关于元素分布的离散程度及元素分布统计特征 研究，仅限于 在少量范围不大的地球化学体系内做了一 些工作。

丰度体系

3.分布与分配 元素的分布指的是元素在一个化学体系中(太阳、陨石、 地球、地壳、某地区等)的整体总含量； 元素的分配指的是元素在各地球化学体系内各个区域或 区段中的含量； 分布是整体，分配是局部，两者是一个相对的概念，既 有联系又有区别。 例如，地球作为整体，元素在地壳中的分布，也就是元 素在地球中分配的表现，把某岩石作为一个整体，元素在 某组成矿物中的分布，也就是元素在岩石中分配的表现。

4.绝对含量和相对含量 各地球体系中常 用的含量单位有两类，绝对含量和相对含

量。 绝对含量单位相对含量单位

5.研究元素丰度的意义 ①元素丰度是每一个地球化学体系的基本数据。可在同一 或不同体系中进行用元素的含量值来进行比较，通过纵向 (时间)、横向(空间)上的比较，了解元素动态情况， 从而建立起元素集中、分散、迁移活动等一些地球化学概 念。从某种意义上来说，也就是在探索和了解丰度这一课 题的过程中，逐渐建立起近代地球化学。 ②研究元素丰度是研究地球化学基础理论问题的重要素 材之一。宇宙天体是怎样起源的？地球又是如何形成的？ 地壳中主要元素为什么与地幔中的不一样？生命是怎么产 生和演化的？这些研究都离不开地球化学体系中元素丰度 分布特征和规律。

二、元素在太阳系中的分布规律(一)、我们的银河系绚丽多彩的星云、星团，都分布在一个巨大的银河系中，它有上千 亿个恒星。成千上万个恒星、星云都在旋转着，银河系自传一周的时 间约为2.2亿年，直径约10万光年，银河系年龄有100亿年。 地球跟太阳比，恰似芝麻与西瓜，地球和银河系比，就像一粒尘埃 与地球相比！

太阳在银河系中的位置

太阳的内部结构

太阳系主要成员大家都知道，我 们地球所在的太 阳系是由太阳、 行星、行星物体 (宇宙尘、彗星、 小行星)组成的， 其中太阳的质量 占太阳系总质量 的 99.8% ,其他 成员的总和仅为 0.2%,所以太 阳的成分是研究 太阳系成分的关 键

(二) 获得太阳丰度资料的主要途径 获得太阳元素丰度资料的主要途径主要有以下几 种： 1. 光谱分析:对太阳和其它星体的辐射光谱进行 定性和定量分析，但这些资料有两个局限性：一 是有些元素产生的波长小于2900Å,这部分谱线 在通过地球化学大气圈时被吸收而观察不到；二 是这些光谱产生于表面，它只能说明表面成分， 如太阳光谱是太阳气产生的，只能说明太阳气的 组成。

光谱仪

太阳光谱

2.直接分析:如测定地球岩石、各类陨石和 月岩、火星的样品. 上个世纪七十年代美国“阿波罗”飞船 登月，采集了月岩、月壤样品，1997年美 国“探路者”号，2004年美国的“勇敢 者”“机遇”号火星探测器测定了火星岩 石的成分。

宇航员

月亮车

火星车

3.利用宇宙飞行器分析测定星云和星际间物质 及研究宇宙射线。 由此可见，太阳系丰度是通过以上各种途径 得到的。

(三) 陨石的化学组成陨石是从星际空间降落到地球表面上来的行星物 体的碎片。陨石是空间化学研究的重要对象，具 有重要的研究意义：

铁陨石(6%)

石陨石(94%)

① 它是认识宇宙天体、行星的成分、性质 及其演化的最易

获取、数量最大的地外物质； ② 也是认识地球的组成、内部构造和起源 的主要资料来源； ③ 陨石中的60多种有机化合物是非生物合 成的“前生物物质”,对探索生命前期的化 学演化开拓了新的途径； ④ 可作为某些元素和同位素的标准样品 (稀土元素，铅、硫同位素)。

全球陨石构造分布图(涂光炽，1998)

1.陨石类型

陨石主要是由镍-铁合金、结晶硅酸盐或两者的混合物所 组成，按成分分为三类： 1)铁陨石(siderite):主要由金属Ni、Fe(占98%) 和少量其他元素组成(Co、S、P、Cu、Cr、C等)。 2)石陨石(aerolite):主要由硅酸盐矿物(橄榄石、 辉石)组成。这类陨石可以分为两类，按它们是否含有球 粒硅酸盐结构，分为球粒陨石和无球粒陨石。这些陨石大 都是石质的，但也有少部分是碳质的。碳质球粒陨石是球 粒陨石中的一个特殊类型，由碳的有机化合分子和主体含 水硅酸盐组成。它对探讨生命起源和太阳系元素丰度等各 方面具有特殊的意义。由于阿伦德(Allende)碳质球粒 陨石(1969年陨落于墨西哥)的元素丰度几乎与太阳气中 观察到的非挥发性元素丰度完全一致，因此碳质球粒陨石 的化学成分已被用来估计太阳系中非挥发性元素的丰度。 3) 铁石陨石(sidrolite):由数量上大体相等的Fe-Ni 和硅酸盐矿物组成，是上述两类陨石的过渡类型。 * 玻陨石 富SiO2,现认为是慧星或大陨石冲击地球引起物质熔化“溅落”的物质。

陨石矿物组成特征 陨石的主要矿物组成：Fe、Ni 合金、橄榄 石、辉石等。陨石中共发现140种矿物，其 中39种在地球(地壳浅部)上未发现。 如褐硫钙石CaS,陨硫铁FeS。这说明陨 石是在缺水、氧的特殊物理化学环境中形 成的。

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