Lecture1-2 元素的丰度和性质

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Achondrites
• • • • Primitive achondrites – Acapulcoite group – Lodranite group – Winonaite group Asteroidal achondrites Lunar meteorite group Martian meteorite group (sometimes called "SNC meteorites") – Shergottites – Nakhlites – Chassignites – Other Martian meteorites, e.g., ALH84001
如何获得太阳的化学组成？
• 绝大部分元素含量可以通过测量太阳的光 球谱图获得 • 太阳色球、日冕、太阳高能粒子、太阳风、 宇宙射线有助于测量含量低或者吸收谱图 不明显的元素 • 碳质球粒陨石的测量－非挥发性元素
CI型球粒陨石和太阳光球的元素丰度对比
陨石的分类
• 石质陨石（94%）－stony meteorite 球粒陨石（86%, chondrite）和非球粒陨石 （8%, achondrite） • 铁质陨石 (iron meteorite) • 石铁陨石 (stony-iron meteorite)
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II) Stony–iron meteorites
– Pallasites • • • Mesosiderite group Main group pallasites Eagle station pallasite grouplet Pyroxene pallasite grouplet –
CI 球粒陨石，原始地幔，洋中脊玄武岩，洋岛玄武岩： Sun and McDonough, 1989, Journal Geol. Society London
全地球：McDonough and Sun 1995, Chemical Geology
地核：McDonough, 2003, Treatise on Geochemistry
Chart of nuclides: 稳定谷，水滴模型。 Magic number：当中子或者质子个数符合魔术数 的时候，原子核非常稳定。
阅读材料
• 《Geochemistry-An introduction》25－40页，地 球化学的基本研究方法
陆壳：Rudnick and Gao, 2003, Treatise on Geochemistry
岛弧玄武岩： http://georoc.mpch-mainz.gwdg.de/georoc/
第二节
元素的性质
课程提要
• • • • 各种角度的元素周期表 镧系收缩与离子半径 元素的性质与分类 稳定同位素，放射性同位素
地球和CI球粒陨石-找不同
• 地球有太多Fe，其Fe/Mg比碳质球粒陨石高 • 地球的O同位素和碳质球粒陨石的不一样 • 二者的Cr和Ti同位素组成不一样
从硅酸盐地球丰度制约地球的形成和演化
如何获得陆壳平均成分
• • • • • 地震资料 大规模测量出露的样品 细粒沉积岩 地热，中微子 思考：这些方法各有哪些局限？
丰度（abundance）
定义： 元素或者物质在较大体系中所占的相对份额。
为什么要研究元素的丰度？
史上被引用最多的地球化学文章：
S.-s. Sun, W. F. McDonough,1989, Chemical and isotopic systematics of oceanic basalts: implications for mantle composition and processes. Journal of Geological Society, London, Special Publication v. 42, p. 313-345.
元素周期表
掌握常见元素的英文单词拼写和准确发音。
元素周期表
元素的电负性：原子在形成化学键时对成键电子的吸引力

原子的外层电子分布，特别要注意过渡族元素
离子半径的变化：从上到下，从左到右，低价到高价，配位数。 R.D. Shannon，Acta Cryst. (1976). Revised Effective Ionic Radii and Systematic Studies of Interatomie Distances in Halides and Chaleogenides.
III) Iron meteorites
– Magmatic iron meteorite groups • IC iron meteorite group • IIAB iron meteorite group • IIC iron meteorite group • IID iron meteorite group • IIF iron meteorite group • IIG iron meteorite group • IIIAB iron meteorite group • IIIE iron meteorite group • IIIF iron meteorite group • IVA iron meteorite group • IVB iron meteorite group Non-magmatic or primitive iron meteorite groups • IAB iron meteorite "complex" or clan (formerly groups IAB and IIICD) – IAB main group – Udei Station grouplet – Pitts grouplet – sLL (low Au, Low Ni) subgroup – sLM (low Au, Medium Ni) subgroup – sLH (low Au, high Ni) subgroup – sHL (high Au, Low Ni) subgroup – sHH (high Au, high Ni) subgroup • IIE iron meteorite group
上地壳的稀土元素特征：
轻稀土富集，重稀土亏损，Eu负异常。 问题：上地壳在什么温度压力下形成？
水圈－水＝？
• Na+，Cl－，Mg2+，Ca2+，CO32－，HCO3, …… • 有机物 • 化学组成时空的变化 • 源（source）和汇（sink） • 循环的概念 • 人类的影响
一些重要参考文献和数据库
地球化学－Geochemistry
中国科学技术大学 地球和空间科学学院 2014年2月21日
第一节 元素的丰度
课程提要
丰度的定义，为什么要了解丰度？ 储库和端元的概念 如何估计储库(例如太阳和陆壳）的元素丰度？ 代表性的储库：太阳系，球粒陨石，地球，地 核，硅酸盐地球（原始地幔），陆壳（上中 下），各类玄武岩，水圈，人为储库
截止2012年2月17，Cited by 7436.
截止2013年2月28日Cited by 8385
截止2014年2月20日Cited by 10996， 一年增加2611次
丰度的地球化学意义
• 地球化学研究的首要任务： 太阳系和地球的化学组成 • 元素丰度为地球化学研究提供背景基础 • 丰度变化反映地质过程中的物质循环和分异 • 简化复杂的科学问题
根据水溶性分类：可溶元素、中度可溶元素、难溶元素。 地球化学意义：陆壳的风化和海水的形成。
按照元素的挥发性：高度挥发（<600K），中 度挥发(600-1240K)，难挥发(>1240K)
根据离子在硅酸盐熔体中的位置： 成网离子（元素）和解网离子（元素）
• 主要元素（major element）： 有哪些？
简化复杂的科学问题
稀土元素蛛网图（均一化图） 问题：为什么要均一化？要用什么来均一化？ 思考：元素排列的顺序是什么？
月球 大气和海洋
大气和海洋
地壳
星云物质 地球 岩浆海
原始 地幔
不均一 的地幔
地核
外核 内核
如果假设地球的成分和CI球粒陨石一样，则元素在地球各个 储库中的加权平均应该和球粒陨石一致，因此利用丰度反映 地质过程中的物质循环和分异。
思考：什么是离子半径？
• 离子可视为球体，假设阴、阳离子半径之和等于离 子键键长，从X射线晶体结构分析实测键长值中推 引出离子半径。 • 离子半径的大小主要取决于离子电荷和离子本身的 电子分布，但还要受离子化合物结构型式（如配位 数等）的影响。 • 阴离子半径较大，1.3～2.5Å；阳离子半径较 小， 约为0.1～1.7Å。 • 根据阴、阳离子半径值可导出阴、阳离子的半径和 及半径比，这是阐明离子化合物性能和结构型式的 两项重要因素。
• 次要元素(minor element)： 1－0.1 wt%
• 微量元素(trace element)： <0.1 wt%.
相容元素－不相容元素
• 分配系数： 最常见的定义－某元素在热力学平衡的两相 之间含量的比值，矿物/熔体DM＝[M]矿物/[M]熔体 • 矿物/熔体DM>1，相容元素 • 矿物/熔体DM<1，不相容元素 • 矿物/熔体DM是温度、压力、矿物成分、熔体成 分、氧逸度等的复杂函数
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如何获得全地球成分
•星云平衡凝聚模型：不同挥发性的物质依次凝聚 •结合全球地震波的观察和矿物学 •原始陨石和太阳系星云成分 •橄榄岩－玄武岩熔融的岩石地球化学模型 •其它方法－地热，中微子 全地球＝大气+地壳+地幔+铁质地球 ＝原始地幔+地核 什么是原始地幔？
地球和CI球粒陨石-找相同
• 地球的主要造岩元素比值（Si、Mg、Fe、S、Al 和Ca）和太阳系以及球粒陨石组成一致。 • 地球和CI球粒陨石都富集难熔元素，其它球粒陨 石相对亏损难熔元素。 • 如果地核有少量Si，二者的Mg/Si相同，而普通 球粒陨石和方辉球粒陨石的Mg/Si较低。 • 虽然地球中度挥发元素较亏损，但是其亏损的模 式和CI球粒陨石一致，特别是Mn和碱金属一致。 • 地球和碳质球粒陨石的53Cr/52Cr－53Cr/55Mn同位 素一致。