高等地球化学word版 第二章Word文档下载推荐.docx
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Ne、‘。
Ca等）较邻近元素的丰度大；
（4）在所有元素中铁的结合能最大，因此A从50至70出现以‘‘Fe最大的丰度峰，在A为80与90，130与138，196与208处丰度曲线出现双峰。
二、元素的起源
元素的起源是研究各种元素的形成过程、条件和合成的场所，及其在宇宙中的丰度分布量与规律。
合理地解释核素丰度的特征是元素起源的理论的基础。
早期提出的假说有：
平衡过程假说，中子捕获假说，中子裂变假说等。
1957年E．M．Burbidge等提出了元素在恒星中合成的假说（即B2FH理论），将元素起源与恒星演化紧密结合。
现代元素起源理论综合了大爆炸宇宙学理论和恒星演化中通过各种核聚变、核反应逐步合成的。
宇宙大爆炸产生了两个丰度最大的核素’H和‘He，以及少量的’H、’He和’Li，而大多数核素是在恒星内部的核过程中产生的，核合成类型与恒星演化过程密切相关。
1．大爆炸宇宙的核合成过程
标准大爆炸宇宙学模型表明，宇宙刚诞生时密度近乎无穷大，温度＞10’”K，宇宙中没有原子核，只存在基本粒子和反粒子，同时发生粒子物理反应。
随着宇宙的不断膨胀，物质密度减小，温度下降，当温度大约降到10‘’K时（约在大爆炸后3分钟），有可能发生质子（P）与中子（。
）的反应，生成员（D），核同时放出光子（Y），P十。
一D十Y，其后
D十P一’He十Y’He十’He‘‘He十2P十2Y
9HE十‘He‘’Be十Y
’Be十e—一’Li十严
e—为电子，尸为中微子，标准大爆炸核合成模型很好的解释了原始的宇宙丰度特征。
2．恒星内部的核合成
大爆炸发生后，随着宇宙的继续膨胀，宇宙中的物质密度大于其辐射密度，此时，辐射压力相对变低，允许在膨胀着的气体中形成永久性的大规模不均匀性，随后通过局部的引力收缩形成了星系和星系内的天体，经典型恒星内部的核合成理论是1957年由E．M．Burbidge等人提出的，它是现代元素起源理论的基础。
70年代以后随着核结构和天体演化理论的发展，恒星内部核合成理论得以逐步完善与健全。
恒星内部有以下一些主要核合成过程：
（1）氢燃烧
恒星内，当温度为10。
一10’K，物质密度为10’g／cm’时产生由4个氢核聚变为一个氦核的过程，氢燃烧有两个反应链：
质子—质子循环和碳氢氧循环，该反应持续时间约10。
一10。
年。
质子—质子循环发生在质量较小的主序星（如太阳）内部，它由下列3个分支反应过程完成。
’H十’H一’D十eJ十”
2D十’Hi9He十Y
3He十9He*‘He十2’H十Y或3He十‘He‘gBe十Y’Be十e—igLi十vgLi十’H*8Be‘2‘He或
’Be十’Hi’B十Y
8B*8Be。
十e十十v
8Be。
i2‘He
恒星内部温度＞2×
10’K时，在质量较大的主序星内部，发生以C、N和O为催化剂的碳氮氧循环核过程，延续时间约10。
a。
l’C十H—l’C十Y’’N—l。
C十eJ十f▲
”C十Hil‘N十丫l‘N十H一“O十Y’‘O—l‘N十e4十严l‘N十Hil9C十‘HE十Yl5N十HiI‘O十Y160十Hil’F十Y’’F—l’N十fAl’O十Hil‘N十‘He十Y
（2）氦燃烧
恒星内部物质密度lo。
一10‘g／cmz，温度为1．2×
lo。
一2×
10。
K时，三个氦核（。
粒子）聚变成碳核，故也称为3。
反应：
3‘He—l’C十Y，l’C进一步与‘He反应生成’‘O、l“O、2’Ne等，该反应约持续10。
一10’a。
（3）稳态核燃烧
该反应发生在稳定的恒星内部，包括碳、氧、硅和氖燃烧。
当恒星核心内氦耗尽时，进一步收缩，温度也随之升高。
当恒星内部物质密度为10‘g／cmz，温度为8．8×
10“K时发生碳燃烧；
当密度为10‘g／cm：
，温度为2．1×
K时发生氧燃烧。
随着温度升高至3×
K时，2‘Si和’。
Ne发生光致分裂，导致核素之间重新组合，生成铁峰区结合能最大的核素。
以上的稳态核反应合成A＝20一40的核素，但在解释观测到的核素丰度时并不成功，表明还存在着其它核合成的贡献。
（4）爆炸核燃烧
稳态核燃烧是爆炸燃烧的预过程，提供爆炸的条件。
在超新星等爆发时，几秒钟内温度可达4×
10’一5×
10’K以上，发生爆炸式核合成并向外抛出生成核素。
爆炸核燃烧合成的4＝20一40的核素的量可根据具体情况（温度，密度，已有核素及核参数）进行推算，结果表明其丰度特征与观察到的太阳系丰度相符合。
（5）核统计平衡（E）过程
当体系的温度和密度足够高时，无论是稳态，还是爆炸条件下，都会达到核统计平衡，生成平均结构能量最大的铁峰元素（钒、铬、锰、铁、钻、镍等）恒星中系列的元素核合成过程到此结束。
（6）S过程
即侵的俘获中子过程。
S过程中子产生和俘获的时间尺度足够馒，约为10‘a，因此两次俘获之间有充裕的时间让生成核衰变，核合成反应通过稳定区区域内的核进行，见图2．1S及Y过程中子俘获途径。
S过程以铁峰元素为种子核，经逐级中子俘获，一直合成到质量数为209的许多核素。
由于具有中子满壳层50、82、126的核特别稳定，因此在图2．1的丰度曲线上质量数90、138和208处于产生3个S过程丰度峰。
S过程在A＝210、211处由。
衰变而截止。
自从1957年伯比奇（Burbtdge）等人对S过程的最初研究以来，很长时间一直认为太阳系S过程核素是在红巨星内部产生的，随着近年来对S过程的深入研究，目前被广为接受的核合成场所是：
对90＜A＜200的核素是在低质量的ACB（AsymptotioCiantBranch）恒星中合成的；
对A＜90较轻的核素，是在氦燃烧的巨星（M＞10Ma）中合成的。
S过程核合成的中子源是’’C（P，Y），“N（ei，Y），“C（。
，n），l‘O反应。
影响S过程核素丰度的主要因素有脉冲平均中子剂量7。
中子密度从和温度了。
（7）Y过程
Y过程中子俘获时间尺度很短，通常为o．01—10s，以至可发生连续的中子俘获，且生成核可作连续p衰变，所以其合成路径将沿p稳定区富中子一侧的不稳定核进行（图2．1）。
丰度曲线在4＝80、130、194处形成丰度峰。
y过程以铁峰为种子核产生许多宫中子
的核素，质量数为209以后的核素全部由Y过程合成。
中子俘获链可到Cf’s‘甚至形成更重的核素。
经典论认为：
超新星的中央核可能为核合成适宜的天文物理场所，而目前较为流行的冲击引发爆炸理论认为：
恒星的氦区受超新星冲击波的加热提供了一个产生Y过程核素的适宜场所。
“C（。
，n）’‘O反应为Y过程的核反应提供中子源，而”C可能产生在前超新星中，最有可能的场所为氨壳火焰区。
影响Y过程重核产率的大小除与原始种核丰度密切相关外，另外两个重要因素就是超新星爆发时的温度与密度。
（8）P过程
最初P过程的含义仅指快速俘获质子的反应，目前则主要指光致电离（Y，n）、（Y，p）、（Y，。
）反应。
P过程合成质量数A＞74富质子的核素，且核素大部分含具偶数的质子和中子数。
P过程产生的核素与同一元素的其它同位素相比较要少得多，通常R和S过程产生的同位素是相邻P过程产生的同位素的100至1000倍。
目前P过程的核合成场所被认为是H型超新星中已燃尽了氢，氦甚至还有碳的区域，而不是H型超新星的富氢层，S和Y过程的种子核受温度高达2．1×
一3．2×
10’K的热光子作用，在约1s的时间内转变成与太阳系丰度相符的P过程核素。
影响P过程核丰度的主要因素是S和Y过程种核的原始分布，以及超星爆发时的参数值（如温度，爆发时间尺度等）。
（9）x过程
即宇宙线粒子的散裂反应。
宇宙线高能粒子（P，。
等）轰击星际介质的核素（主要是C，N，O）生成较轻的。
Li、。
Be、l。
B和”B等核系，其核素丰度与太阳系丰度符合得很好。
第三节太阳星云的化学演化
早一代恒星在其生命的后期将其新近合成和原有的核产物，抛回到星际空间，并入到星际气体和尘埃中，而新的恒星就是从这些气体和尘埃中产生的。
由于太阳系的年龄远小于银河系的年龄，因此原始太阳星云必定已接受了太阳系形成前银河系中一代或多代恒星的核合成产物。
为恢复太阳星云的初始成分，探讨元素在星云盘中的空间分布规律，欧阳自远cg’曾对离太阳l一5AU范围内的行星及各类陨石的平均化学成分进行了综合比较，将元素的天体化学性划分为五组：
亲石元素，亲铁元素，亲硫元素，亲气元素及太阳元素（图2．2）。
由于各类元素在水星、金星、地球、月球、火星、木星以及在E、H、L、Ll、C3、C2和C1等各类陨石中丰度的差异，和离太阳距离的不同，而呈现出各自的变化特征；
由这些特征得以恢复太阳星云中元素的分布，难熔亲石元素的丰度（如Si，MglZr、Hf、REE、Ca、A1、V、Ti、Nb、Ta、U、Th等）在地球、月球和普通球粒陨石形成区丰度略有增大l亲铁元素（如Fe、Co、Ni、Os、Ir、Ru、S、As、Se、Te、Cu、Pb、Zn、Ca、Ce、In、T1、Bi等）的丰度则逐渐增大；
C、N等元素丰度也随离太阳距离的增加而增大。
各类天体中氧的丰度的变化，在lAU以内氧的丰度较低，＜28％（重量百分数）；
而在1—3AU范围内逐渐增大至45％；
随后变化比较平稳，并呈现略有降低的趋势，星云盘中氧丰度的变化具有重大意义，使星云中各种元素的分馏，凝聚和所形成的矿物有较大差别，甚至导致行星内部的物质组成和结构上的差异。
太阳星云是太阳系的母体，它经历了极其复杂的演化过程才形成了目前的太阳系。
了解太阳系的物质来源，太阳星云凝聚模式，是探讨太阳系内太阳、行星、卫星、替星和陨石等天体起源的基础。
一、太阳系的物质来源
天体力学从太阳系运动的共面性、同向性及提丢斯—波德定则等方面论证太阳与行星来源于同一星云。
空间化学一方面根据地球、月球、各类陨石中稀土元素丰度模式对比，发现它们虽然在稀土元素含量上有较大差别，但稀土元素丰度模式近于一致，表明太阳星云分馏没有使稀土元素丰度模式变异，证明太阳系各成员来自同一团星云物质。
另一方
．59．面，太阳、地球、火星、月球及各类陨石中元素的同位素组成是一致的，虽然这些天体经历过不同的演化过程，都经历过统一的同位素均匀化过程，因而太阳系各成员是同源的。
自R．N．Clayton等人在C2和C3型碳质球粒陨石的高温包体中发现氧同位素组成异常以来L183。
相继发现MglSi、Ca、Sr、Ba、Nd、Sm及稀有气体同位素组成的异常‘1811，，z。
，25l：
oI，表明太阳星云凝聚时，可能有太阳系以外物质的加入，不仅造成了太阳星云中某些同位素的异常，也促进了太阳星云加速凝聚的过程。
二、太阳星云的凝聚模式
太阳星云由于自转加速，内部温度升高，中心形成原太PB，星云盘内的物质受到加热，使星云盘内的元素产生分馏。
根据各类陨石和行星的化学成分，形成环境的研究认为，太阳星云盘内的各种元素，由于受到太阳光、热辐射和太阳风的驱动，因此使之沿径向呈现出丰度梯度和比值的规律变化，形成了物质在太阳系空间分布的不均匀性；
由于太阳风纳驱赶能力和物质的逃逸速度将随离太阳的距离的增加而减小，因而离太阳较近的部位，难熔元素较富集而挥发份较贫；
在巨行星区则挥发组分富集而难熔元素匣乏；
在外行星区不仅难熔元素贫乏，而且挥发性元素也大量丢失。
星云盘内各种化学元素的分馏，导致了各行星的化学成分有明显的差异，也导致了各行星的大小、密度，甚至内部结构的不同。
随着星云盘温度的降低，各种化合物（矿物）逐渐形成并相互碰撞而增大，形成小星子。
小星子的互相碰撞，甚至吸引而形成行星胎和太阳系各天体LI，1s11y，z7I。
太阳星云的凝聚过程，主要是根据太阳系各天体的密度、成分、结构和特征，从已有观测事实出发，结合星云的物理化学环境的分析来探讨太阳星云的演化过程。
现有的太阳星云凝聚模型，按照它们对太阳星云化学成分的假定而划分为：
（1）均一凝聚模型，即假定太阳星云化学成分是均一的，原始冷的星云由于受到加热而使物质气化、熔融，形成气体尘埃星云，再通过慢冷却或快冷却过程而使元素分馏和凝聚，因而又称为热凝聚模型；
（2）非均一凝聚模型，即假定太阳星云化学成分是非均一的，可能是冷的星云物质直接凝聚形成太阳系各天体，故称为冷凝聚模型“3J。
在太阳系形成前不久，可能有一颗超新星在原太阳星云附近爆炸。
该超新星的外层物质被抛入到星际介质中，同时伴随着大量元素合成，而这些新合成的元素也以固体颗粒或气体的形式进入到星际介质中。
正是这些气体和尘埃组成的冷星云，由该超新星或邻近的另一颗超新星爆炸引起坍缩形成了太阳系。
第四节行星、卫星及营星化学
太阳系内的九大行星包括水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星和具五星。
除水星和金星外其它行星均有卫星，地球和其王星的卫星数目最少，只有一个卫星。
土星的卫星最多有23个。
这些行星及其卫星各处于不同的演化阶段，它们的表面特征、化学组成、起源、地质历史和大气层组成均有较大差异。
太阳系行星的主要参数列于表2．1中。
根据这些参数与特征，太阳系的九大行星可划为内行星或类地行星（水星、金星、地球和火星），外行星（其王星、木星、土星、天王星和海王星）。
一、起源及其化学组成
行星及卫星的起源实质就是太阳系的起源，主要涉及到行星及卫星的物质来源和形成方式等问题。
行星及卫星的物质来源于太阳系的原始星云，通过拉普拉斯形式形成星云盘。
大部分学说认为：
行星的形成方式为星云盘物质凝聚，通过碰撞吸积凝聚成大小不等的星子，星子通过行星胎再聚集形成不同大小、密度与成分的行星。
各行星系统的形成方式仍有很大分歧，即使人类最了解的地—月系的形成，也存在着“俘获说”、“分裂说”和“双星说”等学说‘73。
但可以肯定绝大多数卫星与其母体行星的形成过程相关，因其母体行星的质量与太阳的距离等条件不同而异。
图2．3说明了根据平衡凝聚模型得出的太阳星云矿物的凝聚顺序，即不同的矿物可以在各种温度下同气体达到完全平衡，以固体颗粒的形式存在。
该图还列出了类地行星、小行星和木卫的凝聚温度。
虽然平衡凝聚模型的理论骨架还缺乏依据，但是它仍能比较满意地解释了类血行星、小行星、巨行星与外行星的化学与矿物成分、密度与凝聚温度。
根据太阳星云不同温度下矿物的凝聚顺序，决定了太阳系内不同区域的化学成分（见表2．2），类地行星及其卫星亲气元素含量少，而类木行星及其卫星亲气和挥发元素较多。
详细的有关水星、金星、地球和火星的化学成分的模式分析表明：
随着与太阳距离的增加，
Fe、Co、Ni、Cr等组成行星核的元素逐渐减少；
早期难熔元素（RE正、Ti、W、Mo等）和形成壳峻为主的元素（Si、Mg、A1、Ca等）有增多的趋势；
Fe含量减少，呈现出Fe—Fe’l—Fe”的变化；
亲铜和碱金属元素在1一1．5AU范围内增多，随后丰度减小‘z81。
二、大气的化学组成
行星的大气化学成分主要决定于行星的质量、表面温度及行星与太阳的距离等因素。
类地行星大气层以次生为主，巨行星（木星和土星）大气层以俘获为主。
表2．3列出了行星大气层的主要成分，类地行星由于距太阳较近，原始气体几乎被驱赶殆尽。
地球和金星可以将各种气体俘获于其外围，故其大气组成较为复杂和密度较大。
地球大气层的主要成分是Nz和Oz，与其它行星大气层所不同的是大气组成不仅与地球内部排气、海气交换作用、化学作用而且与生物作用有关，除稀有气体之外，大气层中的气体受生物过程产生的气体快速循环的影响E341。
地球大气层经历过原始火山大气层、火山大气层、二氧化碳大气层与氦—氧大气层的演化阶段r23。
金星中以C02为主，其次有N2、02、H20等；
火星因质量小，大气密度稀薄，但成分接近于金星。
水星以太阳风成分为主，大气层更稀薄。
外行星大气能保持其形成时星云中的原始气体，大气层的化学组成不同于类地行星。
木星与土星中以Hz为主，其次为He，还有NH：
、CH‘和H20等组分；
天王星及海王星中以H2、CH‘为主；
具王星表面温度最低，主要由H2、He和Ne组成，土卫六（Fitan）是太阳系中仅次于木卫三的第二大卫星，它是太阳系中唯一的能在大气中进行有机合成且生成物沉积在行星固体表面的卫星。
其大气中主要成分为H2、CHd、Ar，此外还含有少量的乙烷（CzHs）、乙炔（CzHz）、乙烯（CzHd）、氢氰酸（HCN）等。
三、地质构造与演化特征
行星际空间探测器获得的大量有关月球、水星、金星与火星的地形资料与照片表明，各种行星具有其独特的地质演化历史。
行星形成后，行星内部的演化过程，主要取决于行星的质量及其化学成分。
星子聚集能、短寿期与长寿期核素的衰变能使行星内部温度增高，并导致内部物质产生局部熔融、分异和排气等过程。
一方面逐渐形成了核、慢和壳的结构；
另一方面也产生了大气层和水圈。
类地行星一般可划分核、慢和壳的内部构造，即硅酸盐壳、铁—镁硅酸盐慢和铁—镍或铁—硫化铁核，而巨行星或远日行星可能有固态的硅1．行星表面特征
太阳系中具有固体壳的行星和卫星，在早期的历史中均发生过广泛而强烈的构造活动、火山活动，形成大型断裂体系和各种火山地形、频繁的小天体的撞击坑。
水星表面很像月球，是表面撞击坑及撞击盆地最多的行星。
水星是质量最小的类地行星，内部能源的提供较少而散夫较快，后期地质构造与岩浆活动趋于宁静，保存了古老的地形特征。
金星表面60％是比较平坦的平原，古老的火山地形和撞击地形残留较少。
地球表面可识别的撞击坑约131个，最大者直径达200km[撞击年龄从1970Ma前到现代（1908年）1。
火星表面的地形比较复杂，可分为古老的撞击坑与环形山脉、经风化侵蚀改造的地形、火山地形与极地地形。
行星早期历史中大面积玄武岩喷出并覆盖行星表面。
月海玄武岩覆盖约l7％的月面，广阔的水星平原属玄武岩平原，金星与火星表面分布着大面积的玄武岩平原与火山地形。
地球表面是唯一具有大气层、水圈与生物圈相互作用改造的行星。
火星表面呈现出明显的风积作用和永久冻土作用的改造，并保有古代流水侵蚀作用的证据。
金星由于具有强的大气环流作用和浓密的云层，风蚀作用明显。
水星和月球无大气和水体作用，除太阳辐射引起的物理风化作用外，保存着大量撞击坑的地形特征。
2．地质构造特征
全球性的线性与环形构造体系是类地行星的共同特征。
月球具有一个东北—西南向网格状构造体系，水星发育着许多延伸数百公里的舌状悬岩的断裂体系，火星强烈的构造活动形成的大裂谷、构造地堑及延伸1000多公里的悬崖与峭壁。
各行星表面均分布着大量的环形构造。
地球具有复杂的线性与环形构造，并唯一具有海底扩张、板块运动的构造特征。
行星内部的构造岩浆活动与火山喷发的强度决定于行星质量的大小。
根据月球与行星热历史的计算·
，月球在3loOMa前已没有明显的构造岩浆活动与火山喷发，水星与火星分别在距今2000Ma及loooMa前内部的构造岩浆活动趋于宁静，地球与金星仍具有强烈的构造岩浆与火山活动，但总的活动强度趋于减弱。
3．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，导致了各行星整体化学组成的差异。
太阳星云中元素的分馏呈现出如下特征：
随着与太阳距离的增加，
（1）Fe、Co、Ni、Cr等组成行星核的元素逐渐减少；
（2）早期凝聚的难熔元素，如REE、Ti、V、Th、U、Zr、Hf、Nb、Ta、W、Mo、Re、Pt等逐渐增多；
（3）形成壳、慢为主的元素如Si、Mg、Al、Ca等也具有增多趋势；
（4）亲铜和碱金属元素，在l—1．5AU范围内有增多趋势，随距离增大而丰度减小；
（5）氧在远离太阳有增多特征，近太阳附近为还原环境，远离太阳各种凝聚物中氧化环境增加，铁的价态呈现出Feo—Fe2—L—Fe’’的变化；
（6）挥发元素与亲气元素逐渐增多。
按水星、金星、地球、火星的次序，行星核占行星总重量的百分比愈来愈小，FeO含量逐渐减少，而Fe34—含量逐渐增多。
类地行星均具有壳、馒和核的内部结构，而巨行星及远日行星可能存在固态硅酸盐核。
水星、金星、地球与火星的壳均由硅酸盐组成，其平均厚度分别为500km、100km、5—65km及200km；
慢由Fe—Mg硅酸盐组成，厚度分另rJ为200km、3000km、2900km及2000km；
水星、金星与地球的核可能属铁—镍为主的核，半径分别约2000km、3000km和3470km，火星的核可能由Fe—FeS所组成。
类木行星可能具有液态H2和He组成的表层、高压液态氧和液态氢氧混合过渡层及氦海和液态金属氢区，可能具有固态硅酸盐核。
四、行星地质演化史
行星内部的演化过程主要决定于行星的质量与化学组成。
行星形成后由于星子的聚集能、短寿期与长寿期核素的衰变能、白发裂能，使行星内部温度增高和内部物质分异、调整，一方面形成壳、
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