第1章 太阳系的组成和元素丰度

利用宇宙飞行器观察,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α粒子、较重元素 原子核、电子、中微子、高能光子等）
宇航员
月球车
火星车
（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
任一元素(i)在某一自然体(j)中的分布量(Dij)为： Dij = Qij = Mj × Aij 例如：铝在地壳中的分布量等于地壳总质量和铝的地 壳丰度值的乘积。 这样看来，在任一自然体中，全部化学元素的分布量 总和，应当等于该自然体的总质量。 而全部化学元素的丰度值总和理论上应当等于 100％。实际上是在100±e%的范围之内，这里e为允许 的相对误差范围。因此，元素丰度和元素分布量是两 个不同的概念。
元素的分布与分配是一个相对的概念，分布是
整体，分配是局部，它们之间具有一定的联系
。如果把地球看成一个整体，化学元素在地壳
中的分布，也就是元素在地球中分配的具体表 现；而如果把地壳看作一个整体，元素在地壳 各类岩石中的分布，则又是元素在地壳中分配 的表现。
4、 元素的丰度（abundance） 通常将化学元素在任何宇宙体或地球化学系统 中（如地球、地球各圈层或各个地质体等）的 平均含量称之为丰度。 综合以上可见，元素的分布、分配及元素的丰 度都是来度量元素的含量。 那么丰度与分布有什么关系呢？
6.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。宇宙天体是怎样演化的？地球又是如何演化的？地 壳中主要元素为什么与地幔中的不一样？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。
第一章 太阳系和地球系统 的元素丰度
二、太阳系的组成
和元素丰度
二、太阳系的组成和元素丰度
(大)行星
矮行星
太阳系
小天体: 彗星,小行星,卫星,宇宙尘
太阳（99.8%)
太阳系的物体构成体系
二、太阳系的组成和元素丰度
除太阳外，太阳系新的天体分类方案
1.
行星：根据国际天文学联合会大会2006年8月 ２４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)
第一章 太阳系和地球系统的元素丰度
本章内容

基本概念 元素在太阳系中的分布规律 地球的结构和化学成分 地壳中元素的丰度 区域地壳元素丰度研究
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。 地球化学体系可大可小， 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。
设任一元素(i)在某一自然体(j)中的质量
为Qij，该自然体的总质量为Mj，则元素i在 该自然体中的丰度值Aij为： Aij = Qij/Mj Aij就是i元素在j自然体中的平均相对含量 例如：铝在地壳中的丰度就是铝在地壳中 的平均相对含量。而铝在地壳中的质量Qij 则是铝在地壳中的绝对含量。这种绝对含 量称为分布量-abundance.
陨石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。 ★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 ★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、 分布（distribution） 分布是指元素在各个宇宙或地质体中（太阳、 行星、陨石、地球、地圈、地壳）整体中的含 量。
元素在地壳中的原始分布量与下列因素有关： 1） 元素的起源 2） 元素的质量 3） 原子核的结构、性质 4） 地球演化过程中的热核反应
3、 分配（partitioning）
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）
第一章 太阳系和地球系统的元素丰度
本章内容

基本概念 元素在太阳系中的分布规律 地球的结构和化学成分 地壳中元素的丰度 区域地壳元素丰度研究
2. 陨石的基本分类
石陨石 Aerolite 石-铁陨Stonyiron Meteorite 铁陨石Iron Meteorite 球粒陨石 chondrite 约10%金属
无球粒陨石 achondrite
约1%金属
约50%金属
大于90%金属（ 铁、镍）
★玻璃陨石(雷公墨） 是陨石吗？
2. 陨石的基本分类（按成分、结构）
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）
3.宇宙元素丰度的研究途径
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”。

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三种不同单位元素丰度中，质量丰度是最基本的 数据，原子丰度和相对丰度都可以根据质量丰度 换算取得。
将质量丰度换算为相对丰度： Ri={(Wi/ai)/(Wsi/28.09)}×106 Ri为任一元素的相对丰度， Wi为任一元素的质量 丰度， ai为任一元素的原子量， Wsi 为硅的质量 丰度，28.9为硅的原子量， ×106 是取Si原子数＝ 106。
2）原子丰度-以原子百分数(原子％)来表
示。某元素的原子百分数是该元素的原 子数，在全部元素的原子数总和中所占 的百分数。

3）相对丰度：以原子数/106Si原子为单位。也 有采用原子数/104Si原子或原子数/102Si原子 为单位的。原子数/106Si原子单位常用于宇宙 元素丰度，宇宙丰度单位(Cosmic abundance unit)简称c.a.u.是取硅的原子数等于一百万 个(106)原子，并以此为基数，求出其它元素的 相对原子数。这种单位实际上就是各种元素的 原子数与一百万个硅原子的比值。
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15000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：
分配是指元素在各宇宙体或地质体内部各个部分 或区段中的含量。 地壳中元素的分配指的是地壳形成后，随着它的 演化、造山运动的更替，元素在地壳的各个不同部位 和各种地质体中的平均含量。这是元素在地壳各部分 不同的物理化学条件下，不断迁移的表现。 元素的分配取决于下列因素： 1） 地质作用中元素的迁移 2） 元素的化学反应 3） 元素电子壳层结构及其地球化学性质

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. 地球化学体系:
特点：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）
1)
2)
3)
铁陨石：主要由金属Ni-Fe(>90%)和少量其它矿物 如磷铁镍钴矿[(Fe,Ni,Co)3P]、陨硫铁（FeS)、 镍碳铁矿（Fe,Ni ) 3C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。
元素丰度常用三种单位表示即重量 单位、原子单位和相对原子单位。由于 采用单位的不同，元素丰度有下列三种 名称： 1）质量丰度 2）原子丰度 3）相对丰度
1）质量丰度是以质量单位表示的元素丰度。 常用的质量级序有三种: (1) 质量百分数(质量％或wt%)，常用于表示常 量元素的丰度； (2) 克/吨(g/t)或ppm(parts per million)，以百万 分之一(10-6)的质量为单位.常用于表示微量元 素的丰度； (3) 毫克/吨(mg/t)或ppb(parts per billion)，以十 亿分之一(10-9)质量为单位.常用于表示超微量 元素的丰度


已知Al的质量百分数为8.07%（质量丰度），Al 的原子量为26.98，Si的质量百分数为32.91% （质 量丰度）， 据前面的公式可求出Al的相对丰度：
RAl = {(8.07%/26.98)/(32.91%/28.09)}×106 = 255303 即当Si = 106个原子时，Al有255303个原子(≈ 0.255×106)


但请大家注意：在欧美这两个词经常混用 事实上，如果严格区别的话，如果我们已知任一 元素在某自然体中分布量和丰度时, 据公式：Dij = Qij = Mj × Aij可以求出该自然体 的重量。 例如：已知锡在地壳内的分布量为41×1012t ，丰度为0.00017%，有:
Mj＝Dij/Aij=41×1012t/0.00017%≈24×1018t＝ 24×1024g

5.绝对含量和相对含量
绝对含量单位 T kg 吨 千克 ％ ‰ ppm、μg/g、 g/T ppb、μg/kg 相对含量单位 百分之 千分之 百万分之 十亿分之 ×10-2 ×10-3 ×10-6 ×10-9
g
mg μg
克
毫克 微克
ng
pg
毫微克
微微克
ppt、pg/g
万亿分之
×10-12
地球化学中对常量元素（或称主要元素） 的含量一般用重量百分数（%），而对微 量元素则一般用百万分之一来表示。 表示方法：g/t(克/吨)、μg/g、ppm 1g/t = 1μg/g = 10-4% =10-6
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: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(FeS)、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） 。