地球化学基础课件第二章.ppt
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1、第 二 章自然体系中元素的分布,一.自然体系(地球化学体系)按照地球化学的观点,我们将所要研究的对象看作是一个地球化学体系。地球化学体系的特点是:(1)有一定的空间;(2)一定的物理化学条件下(温度、压力、pH、Eh等),处于特定的物理化学状态;,(3)有一定的时间连续性。地球化学体系可大可小:一个矿物或岩石单位可看作是一个地球化学体系;一个区域或地壳、地球、太阳系,甚至整个宇宙也可看作是一个地球化学体系,都可作为一个地球化学的研究对象。,二.复杂系统及其组成研究方法复杂系统:多元(有内部结构)组成,系统内组成不均一。确定系统组成的方法:a.直接采样;b.光谱分析;c.由物质的物理性质与成分的
2、对应关系进行推测。,估算系统总体化学组成的方法:a.用主体代表整体(如用太阳的组成代表太阳系);b.在已知各部分成分后,由各部分组成加权平均求整体化学组成(如用上中下地壳组成求整体地球的化学组成);c.在拟定模型的基础上,求系统的化学组成(如用陨石对比法求地球的化学组成)。,三、元素的丰度、分布与分配 1、分布与丰度 体系中元素的含量通常指元素相对含量的平均值。“丰度”即元素在一个体系中的相对含量,又称为元素在体系中的“分布”。体系中元素的丰度值只反映元素分布的一个特征,即元素在体系中分布的趋近倾向(平均值)。实际上,元素在体系空间上的分布是不均一的,在较大的体系中这一特征往往更显著。也就是说
3、分布还应反映元素在体系中的离散程度。,2、分布与分配的关系:分布是整体,分配是局部.分布:是指元素在研究体系中(太阳、陨石、地球、地壳、地区等)的总体平均含量。分配:指的是元素在研究体系中各部分或各区段中的含量。,绝对含量单位 相对含量单位 T 吨 0/0 百分之.10-2 Kg 千克 0/00 千分之.10-3 g 克 mg 毫克 g()微克 ppm,/g,g/g,g/T,百万分之 10-6 ng 毫微克 ppb,ng/g,十亿分之 10-9 pg 微微克 ppt,pg/g 万亿分之 10-12,四.地球化学研究中常用的含量单位,元素丰度是每一个地球化学体系的基本数据 可在同一体系或不同体系
4、中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。人类在探索和了解元素丰度这一课题时建立了近代地球化学。举例来加深对元素丰度意义的理解!,五.研究元素丰度的意义,时间尺度:Ir 元素丰度在K/E界线上的突变,意味着什么?空间尺度:在世界各地K/E界面上Ir 元素丰度亦有相似的变异,这示踪着什么?,:,18O,13C突变,Ir(10-9),实例,西班牙Barranco del Gredero K/E剖面Ir含量的变化,2.研究元素丰度也是地球科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
5、形成的?生命是怎样产生和演化的?.这些都离不开元素丰度、分布的研究。,本章学习的核心目标1、从前人研究资料中认识各地球化学体系中元素分布的特征和规律;2、了解获得这些资料的指导思想和途径。,1 元素在太阳系中的分布规律,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: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;也是认识地球的组成、内部构造和起源的主要资料来源;,一、陨石的化学成分,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;可作为某些元素和同位素的标准样品(稀
6、土元素,铅、硫同位素。如美国Canyon Diable 铁陨石中的Pb、S同位素组成,已经作为地球初始Pb同位素组成和碳同位素的标准样品)。,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,按成份分为三类: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)主要由硅酸盐矿物组成(橄榄石、辉石)。据是否含有球粒硅酸盐结构 球粒陨石 无球粒陨石 球粒陨石又进一步分为石质球粒陨石和炭质球粒陨石两类,以前者为主,后者稀少。,炭质球粒陨石的特征:由碳的有机化合分子和含水硅酸盐组成。其数量虽
7、稀少,但却具有特殊的研究意义,主要表现在:探讨生命起源;代表太阳星云平均化学成分(Allende 炭质球粒陨石的元素丰度几乎与太阳中观察到的非挥发性元素丰度完全一致)。,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(过渡类型)。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)上未发现过。例如 褐硫钙石(CaS),陨硫铁(FeS)。这是为什么?还原环境,2.陨石的平均化学成分 要计算陨石的平均化学成分必须要解决两个问题:首先要了解各种陨石的平均化学成分;其次要统计各类陨石的比例。(采用硅酸盐:镍-铁:
8、陨硫铁=10:2:1)其平均成分计算结果如下:,3.研究陨石的新进展 地外物体(陨石、小行星)撞击地球,将突然改变地表的生态、环境,诱发大量生物灭绝,构成了地球演化史中频繁而影响深远的灾变事件,为此,对探讨生态环境变化、古生物演化和地层划分均具重要的意义。(1)撞击坑和玻璃陨石(柯石英、超石英及冲击玻璃)(2)生态环境灾变与生物灭绝地球化学证据(E/K、T/P)(3)预测与防止(陨石、小行星撞击事件)(4)陨石中有机质:研究生命前期有机质形成和演化,探索地球生命物质起源。,铁陨石,陨石坑,二、太阳系元素丰度规律,1获得太阳系元素丰度资料的主要途径:太阳、恒星、星际介质和星系元素丰度的光谱与射电
9、测定;地球、月球、陨石、宇宙尘埃样品的实验室精细分析和广泛的测定;利用空间探测器对行星大气、表层土壤和岩石成分的分析;(探路者号、火星)太阳风、宇宙线成分测定等 估算太阳系元素丰度时,各个学者选取太阳系的物体是不同的.,1989年,Anders 发表了太阳系元素和核素最新资料如下:表21太阳系元素丰度(106 Si原子),(数据表示每106个硅原子中该元素的原子数)这是一种估计值,是反映人类当前对太阳系的认识水平。它反映了元素在太阳系分布的总体规律。,把太阳系元素丰度的数值取对数lgC作纵坐标,原子序数(Z)作横坐标。,2、太阳系元素丰度规律,1)在所有元素中H,He占绝对优势,H占90%,H
10、e占8%。2)太阳系元素的丰度随着原子序数(Z)的增大而减少,曲线开始下降很陡,以后逐渐变缓。在原子序数大于45的重元素范围内,丰度曲线近于水平,丰度值几乎不变。3)偶序数元素的丰度()大于相邻奇序数元素的丰度(),这一规律称之为Oddo-Harkins(奥多-哈金斯)法则。,4)与以上的规律相比,Li,Be,B,Sc具有与它们原子序数不相称的低丰度,在较轻元素中亏损;而O和Fe呈明显的峰值,其丰度显著偏高,为过剩元素。5)原子序数或中子数为“幻数”(2、8、20、50、82和128等)的核素分布最广,丰度最大。如:4He(Z=2,N=2),16O(Z=8,N=8),40Ca(Z=20,N=2
11、0)等。这些规律是表象,其原因是什么?与元素本身原子结构有关、与元素形成的整个过程有关。,自学思考题:(1)为什么太阳系中只有前10种元素起主导作用?(2)为什么太阳系元素丰度随元素序数增加而逐渐降低?(3)Li,Be,B的丰度为什么会亏损?(参考书:陨石、地球、太阳系 法阿莱格尔,地质出版社)三、地球的结构和化学成分(自学)自学思考题:(1)地球各层圈元素丰度特征?(2)地球中元素的分异是如何造成的?,2地壳元素的丰度,研究地壳元素丰度是地球化学的一项重要的基础任务。地壳丰度是地球各层圈中研究最详细和较正确的。一、地壳元素丰度确定的方法早期克拉克计算法:是由美国和于1924年发表的地球化学资
12、料中计算出来的。他们的思路是在地壳上部16公里范围内(最高的山脉和最深海洋深度接近16公里)分布着95%的岩浆岩,4%的页岩,0.75%的砂岩,0.25%的灰岩,而这5%沉积岩也是岩浆岩派生的,因此认为岩浆岩的平均化学成分实际上可以代表地壳的平均化学成分。,作法:在世界各大洲和大洋岛屿采集了5159个不同岩浆岩样品,其样品的数量相当于这些样品在地球表面分布面积的比例;对53种元素进行了定量的化学分析;采用岩石圈、水圈、大气圈的质量比值为93%、7%、0.03%;计算时用算术平均求出整个地壳的平均值。意义:开创性的工作,为地球化学发展打下了良好的基础;代表陆地区域岩石圈成分,其数据至今仍有参考价
13、值。,2简化研究法(取巧研究法):1)Goldschmidt采集了挪威南部冰川成因粘土(77个样)用其成分代表岩石圈平均化学成分,其结果与克拉克的结果相似,但对微量元素的丰度做了大量补充和修订。2)维诺格拉多夫(1962)岩石比例法是以两份酸性岩加一份基性岩来计算地壳平均化学成分。3)SR泰勒(1964、1985)用太古宙后页岩平均值扣除20%计算上部陆壳元素丰度,3按照地壳模型加权法:A.波德瓦尔特(A.Polderraat)和A.B罗诺夫(A.B.POHOB)及我国黎彤教授采用地壳模型加权法计算地壳元素丰度。优点:按现代地壳结构模型计算;包括2/3以上大洋地壳;考虑了地壳物质随深度变化的特
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