太阳系的化学组成.ppt
第一章 太阳系的化学组成,本章要点：,1、太阳系的元素丰度研究对地球的成因理论 提出那些约束。2、陨石的元素丰度对太阳系和地球的成因研 究有那些意义(证据)。3、元素丰度在地质学研究中的意义,元素丰度概念 太阳系的化学组成，常用太阳系元素丰度来描述，它是研究元素起源和天体演化过程的基础资料。元素丰度：用于表示一定空间中物质组成的相对平均含量，如太阳系元素丰度地球元素丰度、地壳元素丰度等。地球中的元素丰度现采用质量数来表示（10-2、10-6等）,第一章 太阳系的化学组成,元素状态丰度：用于表示一定空间中元素不同存在状态的相对平均含量。太阳系元素丰度的计算：根据空间探测器对太阳光谱、宇宙射线以及行星大气的分析和天体陨石样品的实验室高精度分析获得的数据，按太阳系的成因模型计算出元素丰度值。,第一章 太阳系的化学组成,第一节 太阳系行星的化学组成和基本特征,1、太阳系行星的一般特征：太阳系元素的形成年龄62-77亿年 太阳星云凝聚成太阳系各行星的年龄为45.70.3亿年。太阳系的九大行星按其成分特点，可划分成三类：类地行星；巨行星；远日行星。,类地行星；巨行星；远日行星,太阳系行星的物理数据,行星基本特征类地行星包括：水星、金星、地球和火星特点:质量小、密度大、体积小、卫星少成分富含Mg、Si、Fe、O等组成岩石的元素，含亲气元素少,第一节 太阳系行星的化学组成和基本特征,第一节 太阳系行星的化学组成和基本特征,巨行星包括：木星和土星 特点：质量大、密度小、体积大、卫星少化学成分以H、He为主：木星占90%土星占70%亲铁、亲石元素少,远日行星包括：天王星、海王星、冥王星 特点：随远离太阳,质量依次减小、密度增大、体积减小成分以C、N、O为主（占85%）H（10%）He（痕量）少量亲铁-亲石元素（15%）巨行星和远日行星也称类木行星,2、太阳系行星的化学组成与内部结构 太阳星云中元素的分馏与凝聚导致了各行星化学组成的差异。随着与太阳距离的增加，太阳星云中元素的分馏具有一定的规律性：,第一节 太阳系行星的化学组成和基本特征,随着与太阳距离的增加：,组成行星核的元素 Fe、Co、Ni、Cr等逐渐减少 密度总体减小(远日行星又增大)早期凝聚的难熔元素如 Ree、Ti、V、Th、U、Zr、Hf、Nb、Ta等逐渐增多形成壳、幔的主要元素具有增多趋势：如Si、Mg、Al、Ca等。,挥发性元素与亲气元素逐渐增多行星核占行星总重量的百分比愈来愈小类地行星均具有壳 幔、核内部结构巨行星和远日行星 可能存在固态硅酸 盐内核,随着与太阳距离的增加：,3、太阳系行星大气层的特点：类地行星距太阳近 质量小 温度高 受早期太阳风驱赶作用强烈 捕获的原始气体难以存在 大气层是次生的 是行星内部不断熔融排气形成的 大气层组成变化大,水星：大气层极稀薄 0.0003大气压 主要成分Ar、Kr、Xe、He、H、O、C、Ne等火星：大气层也极稀薄 质量只有地球大气的1/10 约大气压 主要成分CO2(95%)、He(3%)、N2(2-3%)及Ar（1-2%）、O2（0.13%）、Kr、Xe、等组成。,金星和地球：金星:有稠密的大气层 金星大气层达100大气压 主要为CO2（95%）和N2（4.5%）、H2O（约1%）O20.1%地球:N2(78.1%)O2(21%)H2O(0.12.8%)Ne(1.810-5)、CO2(3.010-4)已有研究成果表明：太阳、陨石、地球、和月球样品中的同位素组成是一致的 太阳系各天体都是同位素组成相对均一的太阳星云凝聚的产物,第一节 太阳系行星的化学组成和基本特征,、太阳系的元素起源（1）宇宙大爆炸核合成过程（大爆炸初期，密度近于无穷大，温度1032K，宇宙中发生粒子物理反应，随着宇宙膨胀，温度降低，质子与中子的反应合成简单核素D，D与质子反应生成3He的核素。,第一节 太阳系行星的化学组成和基本特征,（2）恒星内部核合成 氢燃烧（氢核聚变）；氦燃烧（氦核聚变）-碳、氧、氖核素稳态核燃烧：产生原子序数为20-40的核素爆炸核燃烧：超新星爆炸发生核合成中子俘获过程,太阳系元素丰度规律,原子序数较低的 元素丰度随原子序数 增大呈指数迅速递减 较重元素范围内(原 子序数45)元素 丰度曲线近于水平,核素的宇宙丰度曲线,当N=50、82和126时曲线出现明显的双峰,、e、s代表过程,太阳系元素丰度规律,原子序数为偶数的元素丰度明显高于原子序数为奇数的相邻元素 具有偶数质量数(A)或偶数中子数(N)的同位素的丰度也总是高于奇数质量数（A）或中子数（N）的同位素这一规律称之奥多-哈根斯法则,核素的宇宙丰度曲线,当N=50、82和126时曲线出现明显的双峰,、e、s代表过程,H和He是丰度最高的 两种元素 与He相邻近的元素 Li Be 和B具有很低的丰度 为亏损元素 O和Fe具有高丰度值 质量数为4的倍数的同 位素具有较高丰度,核素的宇宙丰度曲线,当N=50、82和126时曲线出现明显的双峰,、e、s代表过程,太阳系元素丰度规律,原因：元素丰度大小受元素的核稳定性制约，原子序数为偶数和原子序数小的元数其原子核相对稳定，其同位素具有长衰变周期因而具有较高的含量但Li、Be、B和惰性气体不符和上述规律它们的丰度与元素起源有关,在元素形成过程中曾广泛发生由氢原子核参加的热核反应，使Li、Be、B迅速转变成氦的同位素（4He）。如：7Be+1H8B+8B8Be+e+v 8Be24He 早一代恒星演化晚期将其核产物抛回到星际空间，并入到星际气体和尘埃中，新的恒星将从这些气体和尘埃中产生。太阳系的年龄远小于银河系，原始太阳星云已接受了银河系中一代或多代恒星的核合成产物。,Li、Be、B元素丰度异常低的原因,第二节 陨石的化学组成,陨石是指从星际空间穿过大气层到达地表的流星体残骸，大小不一。根据天文观测，每天落到地球表面的地外物质约102-105吨，大约只有1%降落后成为陨石，大部分在大气层中熔融、燃烧、气化形成宇宙尘埃或停留在大气中或以尘埃落到地表。陨石是空间化学研究的重点对象，对太阳系的起源演化具有重要的研究意义。,第二节 陨石的化学组成,陨石按成分可分为三大类:铁陨石、铁-石陨石和石陨石:,一、球粒陨石与无球粒陨石 球粒陨石与无球粒陨石是指含有和不含有硅酸盐球粒的石陨石。,第二节 陨石的化学组成,一、球粒陨石与无球粒陨石,1、球粒陨石：是各类陨石中最为常见的类型，根据化学成分可分为：（1）顽辉石球粒陨石（E群）（2）普通球粒陨石：高铁普通球粒陨石（H群）低铁普通球粒陨石（L群）低铁低金属普通球粒陨石（LL群）（3）碳质球粒陨石（C群）,（据Dodd，1981；Mason，1965，1966资料换算）,球粒陨石的平均化学成分（不包括S、H、C、O）,地球7种元素占总质量的97%,普通球粒陨石：要由橄榄石、斜方辉石、铁镍金属和陨硫铁组成，铁和亲铁元素含量以及金属铁/氧化铁比值为HLLL。普通球粒陨石多遭受过不同程度的冲击变质作用，主要形成于太阳星云硅酸盐-金属分馏与凝聚阶段。顽辉石球粒陨石：十分稀少（收集20块左右），是在比较还原条件下冷凝与聚集形成的。,一、球粒陨石与无球粒陨石,一、球粒陨石与无球粒陨石,碳质球粒陨石：未经高温作用影响 CI型（I型）碳质球粒陨石的难挥发性元素丰度与太阳光谱测定值一致，目前多作为太阳系非挥发性元素初始丰度的标准球粒的成因：星云凝聚、星云凝聚物重熔 两种假说。CI碳质球粒陨石为原始太阳 星云凝聚形成的。,2、无球粒陨石：分贫钙（Ca3%）和富钙(Ca5%）不同类型，根据成因特征分为钙长辉长无球粒陨石、顽辉石无球粒陨石和成因不明确的无球粒陨石。无球粒陨石、铁陨石和石陨石均属于分异型陨石。即部分熔融成因或岩浆残留物质凝结形成。,第二节 陨石的化学组成一、球粒陨石与无球粒陨石,二、铁陨石与石-铁陨石,1、铁陨石：主要由铁镍金属、陨硫铁以及 少量的Fe、Ni、Co、Cr、Ti、Zr、Cu的硫化物、氧化物、氯化物、磷酸盐、以及自然铜、石墨等矿物组成。2、石-铁陨石：由近乎相等的铁陨石与石陨石组成。3、石-铁陨石：较为少见，但化学组成的双重性对认识行星的演化具有重要意义。,碳质球粒陨石中以发现数十种有机化合物，为探讨生命前期有机质的合成与化学演化提供了重要证据。碳质球粒陨石中的有机化合物可通过以下两种作用形成：1、太阳星云通过火花放电合成2、太阳星云中的CO、H2在磁铁矿、含水硅 酸盐的催化反应下合成。,三、陨石中的有机质,一、月球的一般特征月球半径1738Km，密度3.34，月球表面分布有月海和高地。月海为玄武岩所覆盖，高地主要分布有年龄为41亿年的斜长岩、橄长岩、辉长岩和苏长岩等组成的月壳；39亿年前月球遭受强烈的小天体撞击，形成泛月海玄武岩喷发事件，31亿年前，玄武岩喷发事件结束，标志内部分异作用停止。,第三节 月球的化学组成,1、月球玄武岩的高温高压熔融实验和主要元素、微量元素特征表明月幔中主要矿物是辉石地幔中以橄榄石为主2、月幔(月球玄武岩源区）中的辉石比地幔中的辉石贫钙和铝但月幔钙和铝的总量大于地球，这与辉石高含量有关3、与太阳系原始丰度相比月球中的挥发性元素要亏损3到100倍（地球亏损5-20倍）,二、月幔与地幔化学成分的重要差别,1、太阳、陨石、地球和月球样品中的同位素组成是一致的，太阳系各天体都是同位素组成均一的太阳星云凝聚的产物。2、与太阳系原始丰度相比，月球中的挥发性元素要亏损3到100倍（地球亏损5-20倍）。3、I型碳质球粒陨石的难挥发性元素丰度与太阳大气元素丰度是一致的。4、太阳系元素的丰度具有偶数规则，偶偶核的元素丰度高、齐齐核的元素丰度低。5、氢和氦占总量的99%以上。Li、Be、B出现低丰度异常。,小 结,第四节 地球的起源,一、地球起源的主要依据1 太阳系元素形成年龄62-77亿年，行星和陨石的形成时间为45.70.3亿年，后者与地球年龄相同。2 球粒陨石的化学组成与地幔橄榄岩相近 铁陨石的密度和波速与地核相近3 CI质球粒陨石提供了太阳系难挥发性元素丰度 证明它们来自相同的星云凝聚物质,第四节 地球的起源,4 太阳、陨石、地球和月球的同位素组成是一致的，指示太阳系各天体都是同位素组成均一的太阳星云凝聚产物。与太阳系原始丰度相比，月球中的挥发性元素亏损3到100倍，地球亏损5-20倍。这些证据支持康德太阳系星云凝聚假说,星云凝聚假说得到普遍接受 碳质球粒陨石的研究支持冷凝聚模式 目前普遍认为原始地球是冷的 在地球形成初期 来自小星体碰撞转换的热能和地球不断收缩形成的压缩增温及内部放射性元素蜕变生热使地球温度不断升高 发生熔融和重力分异形成地核 硅酸盐冷却形成地幔和原始地壳,二、地球起源的星云凝聚假说,思考题：,月岩特征对地球演化有那些启示？陨石的化学特征对地球演化有那些启示？为何选择球粒陨石作为地球物质分异的参考标准？研究元素丰度和元素状态丰度的意义？为什么说类地行星的大气层是次生的？碳质球粒陨石对太阳系和地球起源提供了那些依据？,
