太阳系和地球系统化学元素的分布与分配

第一章太阳系和地球系统化学元素的分布与分配

研究任何物质的存在和运动规律，都必须观察研究对象的质和量的特征。地壳和地球的化学组成如何，元素的相对含量怎样，无疑是地球化学必须探讨的基础课题。

地球化学在研究太阳系、地球和地壳及其它不同地质体中元素的含量时，常采用“丰度”（abundance）“分布”（distribution）和“分布量”等不同术语，它们都表示一定空间中物质组成的相对平均含量。

1.1太阳系的化学成分

太阳系由太阳、行星、行星物体（宇宙尘、彗星、小行星）和卫星所组成，其中太阳集中了整个太阳系99.8%的质量。

行星沿着椭圆轨道绕太阳而运行(图1.1)。在它们中间可以划分为两种类型：接近太阳的较小的内行星－水星、金星、地球、火星，也称为类地行星；远离太阳的大的外行星－木星、土星、天王星、海王星和冥王星。在火星和木星之间存在着数以兆计的小行星（小行星带）。它们的大小相差极大，其中最大的谷神星直径达770km。据估计，直径大于10km的小行星有104个，而直径大于1m 的则有1011个。有些小行星的轨道是横切过行星的轨道。在殒落到地球上来的陨石中，已经发现有两颗的轨道曾位于小行星带内。

确定太阳系或宇宙丰度的途径计有：（1）直接分析测定地壳岩石、各类陨石和月球岩石的样品；（2）对太阳及其它星体辐射的光谱进行定性和定量研究；（3）利用宇宙飞行器对邻近地球的星体进行就近观察和测定，或取样分析；（4）分析测定气体星云和星际间的物质；（5）分析研究宇宙射线。

图1.1 太阳系及其行星示意图

上图－示大小比例，下图－示分布及运行轨道

1.1.1陨石的化学成分

陨石是落到地球上来的行星物体的碎块。它们可能起源于彗星。更加可能来自火星和木星之间的小行星带。陨石可由显微质点大小到具有几千公斤的巨块。据估计，每年落到地球表面的大约有500个陨石，其总质量可达3×106至3×107t。然而，每年见到其殒落，但又能找到的陨石仅5到6个。因为陨石既是能够代表地球以外的太阳系中其它天体的样品，而人们又能对陨石样品采取最先进的分析技术，获得最为精确可靠的数据。因此，直到目前陨石化学成分资料仍然是估定太阳系元素丰度以及推断地球和地球内部化学成分的最有价值的依据－撞击地层学(Impact stratigraphy)。

陨石具有多种多样的类型，从几乎全部由金属组成的类型，到几乎全部由硅酸盐组成的类型。对陨石进行分类是困难的，并且存在许多争论。通常根据其中的金属含量，首先将陨石划分为四种主要类型(表1.1)：

表1.1 陨石的基本分类

石陨石球粒陨石约含10%金属

无球粒陨石约含1％金属石-铁陨石约含50％金属

铁陨石金属含量大于90％

表1.2给出了“殒落”和“发现”的上述四类陨石的数目，“殒落”的陨石指见其殒落而后又收集到的陨石；“发现”的陨石指未见其殒落，但根据其构造、化学和矿物成分鉴别出的陨石。“殒落”的陨石具有更重要的意义，因为它们可以统计评估各类陨石的殒落频率和相对比例提供更可靠的基础。“发现”的陨石所提供的数据就带有很大的偏向性，因为铁陨石较之其余类型的陨石更易于鉴别和更耐风化，而石陨石由于其特征类似于地壳岩石，故除非见其殒落，一般常被忽略。根据“殒落”陨石的数据，可以看出球粒陨石比其它类型陨石的分布要广的多。

表1.2 “殒落”和“发现”陨石的数目和频率

类型“发现”的“殒落”的

数目频率（％）数目频率（％）铁陨石545 58.1 33 4.6 石－铁陨石53 5.7 11 1.5

无球粒陨石7 0.7 56 7.8

球粒陨石333 35.5 621 86.1 总计938 100.0 721 100.0

铁陨石由两种主要矿物组成，其一为铁纹石（Kamamcite－立方体心格子的α铁，又称自然铁），另一种为镍纹石（taenite－立方面心格子的γ－铁）。此外，常常还含有少量石墨、陨磷铁镍石、陨硫铬铁、陨碳铁、铬铁矿和陨硫铁

表1.3 陨石的分类(引自Brownlow,1996)

类型符号主要矿物

球粒陨石Chondrites

顽火辉石球粒陨石Enstatite E 顽火辉石，镍-铁

古铜辉石球粒陨石Bronzite H 橄榄石，古铜辉石，镍-铁

紫苏辉石球粒陨石Hypershene L 橄榄石，紫苏辉石，镍-铁

球粒古橄陨石Amphoterite LL 橄榄石，紫苏辉石，镍-铁

碳质球粒陨石Carbonaceous C 蛇纹石，橄榄石

无球粒陨石Achondrites

顽辉无球粒陨石Aubrites Ae 顽火辉石

古铜无球粒陨石Diogenites Ah 紫苏辉石

纯橄无球粒陨石Chassignite Ac 橄榄石

橄榄无球粒陨石Ureilites Au 橄榄石，单斜古铜辉石，镍-铁

钛辉无球粒陨石Angrite Aa 普通辉石

辉橄无球粒陨石Nakhlite An 透辉石，橄榄石

紫苏钙长无球粒陨石Howardites Aho 紫苏辉石，斜长石

钙长辉长无球粒陨石Eucrites Aeu 易变辉石，斜长石

石铁陨石Stony irons

橄榄陨铁Pallasites P 橄榄石，镍-铁

英辉铁镍陨石Siderophyre S 斜方辉石，镍-铁

橄榄古铜陨铁Lodranite Lo 斜方辉石，橄榄石，镍-铁

中铁陨石Mesosiderites M 辉石，斜长石，镍-铁

铁陨石

方陨铁Hexahedrites Hx 铁纹石Kamacite

八面体式陨铁Octahedrites O 铁纹石，镍纹石taenite

镍铁陨石Ataxites D 镍纹石

等矿物。所以，除Fe和Ni外，在铁陨石中还含有少量（<2%）Co、S、P、Cu、Cr和C等元素（表1.2）。根据矿物晶体结构和Ni/Fe比值，铁陨石可以分为三个亚类：六面体式陨铁、八面体式陨铁和富镍中陨铁陨石。

石铁陨石大致由等体积的硅酸盐相和铁镍相组成，根据两相比例可以划分为橄榄陨铁和中铁陨铁两类。在橄榄陨铁中，橄榄石、陨硫铁和陨碳铁呈镶嵌状分布在铁镍金属之中，铁镍相中镍含量为10－15％。中铁陨石由大致相等的硅