太阳系和地球系统化学元素的分布与分配.docx
《太阳系和地球系统化学元素的分布与分配.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《太阳系和地球系统化学元素的分布与分配.docx（12页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
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（Impactstratigraphy）。
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Stonyirons
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酸盐相和金属相组成，金属中含镍约7％。
球粒陨石的最大特征是含有球体，具有球粒构造。
球粒一般由橄榄石和斜方辉石组成，而球粒间的基质常为镍铁、陨硫铁、斜长石、橄榄石、辉石等组成。
按照矿物和化学成分，目前对球粒陨石进一步划分为：
E群（顽火辉石球粒陨石）、O群（普通球粒陨石）和C群（碳质球粒陨石）三大群。
普通球粒陨石又可按成分特征划分为三个亚群，即H（高铁）、L（低铁）和LL（低铁低金属）亚群。
碳质球粒陨石的特征是含有碳的有机化合物分子，并且主要由含水硅酸盐组成。
按化学成分碳质球粒陨石可以划分为Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ三种类型。
碳质球粒陨石虽然十分稀少，但在探讨太阳系元素丰度方面却具有特殊的意义。
现将各类球粒陨石典型代表的元素丰度列于表1.3中。
一个特别重要的碳质球粒陨石于1969年落于墨西哥北部，它叫做“阿伦德”（Allende）陨石，属于Ⅲ型球粒陨石。
其基质（～60％）呈暗灰色，主要由富铁橄榄石组成；其球粒有两种，一种富铁（～30％），另一种富Ca、Al（～5％），此外还存在着富Ca、Al的集合体。
在阿伦德以及其它碳质球粒陨石（尤其Cl型碳质球粒陨石）中，元素的丰度几乎同太阳中观察到的非挥发性元素的丰度完全一致（表1.4和图1.2）。
因此，碳质球粒陨石的化学成分目前以被用于估计太阳系中非挥发性元素的丰度。
无球粒陨石不含球粒，常常比球粒陨石结晶粗的多。
在成分和结构方面，许多无球粒陨石与地球上的火成岩相似，因此它们可能是由硅酸盐熔体结晶而成。
无球粒陨石可以分为贫钙（CaO为0－3％）和富钙两个群（或亚类）。
其中钙长辉长无球粒陨石和古铜钙长无球粒陨石分布最广。
它们都属于富钙群。
表1.39个球粒陨石群主要元素平均丰度（Wasson,1985引自陈俊等2004）
表1.4球粒陨石化学组成（以106Si原子数为标准）
续表1.5球粒陨石化学组成（以106Si原子数为标准）
续表1.4球粒陨石化学组成（以106Si原子数为标准）
图1.2CI型碳质球粒陨石元素丰度与太阳元素丰度对比
玻陨石（tekites）曾被认为是陨石类的物质，它们由富SiO2的玻璃（SiO2平均含量约75％）组成，但化学成分与结构与黑曜岩相差很大。
人们迄今尚未见到一个殒落的玻陨石，只是由于其特殊的形态和成分才认为是陨石。
现在积累的许多有关资料，促使人们倾向于把它们视为由于彗星或大型陨石冲击地球引起物质熔化的产物。
由于存在三类迥然不同的陨石－石陨石、石铁陨石和铁陨石，人们很自然地会设想陨石是来自某种曾经分异成一个富金属的核和一个硅酸盐包裹层的行星体，这种天体的破裂就导致各类陨石的形成；其中石铁陨石来自该金属核与硅酸盐幔的界面，而各种石陨石则来自富硅酸盐幔的不同区域。
这种设想就成为依据陨石资料，推测地球内部结构和化学成分的重要根据之一。
然而，现在已经有许多证据表明，由“一个母体形成陨石”的假说是不可取的。
因为，不仅各类陨石具有不同的年龄，而在陨石群之间也存在年龄的差异。
再者，各群球粒陨石和各种铁陨石之间均存在这成分间隔以及氧同位素（18O/16O17和O/16O）比例的差别。
这些事实亦表明，每群陨石应分别形成于不同的行星母体。
火星与木星之间的小行星带中存在众多的小行星，确实可以成为陨石的来源。
越来越有力的证据表明，地外天体的大撞击是造成物种大灭绝的罪魁祸首（图1.3）。
研究表明，在过去的6亿年间，地球曾遭到大约60颗直径为5千米以上的陨石的撞击，它们中的最小者也会在地球上留下直径达95千米的陨石坑，释放的能量相当于引爆10万亿吨TNT炸药。
Ir是一种在地表岩石中罕见但在许多陨石中常见的微量元素，因此某些含Ir量异常高的岩石就成了与大灭绝相联系的头号撞击示综物。
1980年，加州大学伯克利分校的的一个研究小组报导说，它们发现意大利古比奥附近的一个厚约数厘米的暴露粘土层中铱的含量高的令人吃惊。
计算表明，宇宙尘埃的平均日沉积量对此无法解释。
据此，他们推测这是一颗直径约10－14千米的小行星撞击地球后产生猛烈爆炸的沉降物。
更奇妙的是，该粘土层形成于距今6500万年前，即白垩纪末期。
于是科学家从这一有关铱的发现中顺理成章地得出了一个具有划时代意义的猜测－一次巨大的撞击使恐龙在地球上的统治结束了，而且类似的事件极有可能与过去6亿年间发生的其它几次大灭绝有关。
在球粒陨石和大多数铁陨石中铂族元素－PGE（theplatinumgroupelements）的丰度比地壳岩石的丰度高几个数量级，就象在图1.4中所示的一样。
球粒陨石中Ir和Os的丰度分别为400ppb和800ppb，铁陨石中的丰度变化范围更大。
与此形成鲜明对比，大陆地壳岩石只含有0.02ppb级次的Ir和Os。
这就成为鉴定天外来客的重要地球化学标志。
图1.3撞击、火山喷发及主要的大灭绝事件（摘自《科学》2002年6期）
图1.4典型的地球和地外岩石的Ir含量的范围（据Montanarietal,2000）
另一种鉴别陨石撞击效应的示踪剂是Re-Os同位素体系。
187Os是187Re经β衰变形成的（半衰期42.3±1.3Ga）。
由于早期地壳岩石中含有高浓度Re和低浓度的Os，因此随着时间推移，187Os/188Os比值迅速增加。
现在地幔岩石的187Os/188Os比值约为1.3。
陨石具有约为0.11到0.18的187Os/188Os比值。
在陨石中Os比Re丰度更大，因而随着时间推移187Os/188Os比值的变化很小。
由于陨石中含有较高的Os，因此只要有少量陨石组成加入地壳靶岩中就会造成撞击熔体或者角砾岩具有几乎与原来岩石完全不同的Os同位素特征（图1.5）。
这就使Re/Os同位素体系成为鉴别陨石撞击效应最为可靠的标志。
关于小行星的早期特征及形成问题，目前还了解甚少。
全面前面已经论及，许多无球粒陨石呈现出有自硅酸盐熔体（岩浆）派生的特征，而球粒陨石，尤其是球粒的存在就难于用此方式加以解释。
一些学者认为，在明显热的非平衡条件下，从热的、低密度和部分电离的气体中直接凝聚出固态物质，可能就是
图1.5南非Kalkkop撞击陨石坑靶岩（targetrocks）（页岩和砂岩）、四个撞击角砾岩（实心三角）和球粒陨石和铁陨石（实心圆）的187Os/188Os对187Re/188Os图解。
小点区域标示了靶岩与陨石之间的混合区域，所有撞击角砾岩都落入此区。
形成球粒陨石的机制。
换一句话说，球粒陨石可能代表着行星由之聚集形成的微星物质的碎块，而其它类型的陨石似乎可能为球粒陨石成分的物质经部分或完全熔融和分异发展形成。
1.1.2行星及月球的化学成分
太阳系共有9大行星，它们的基本特征见表1.5所示。
1.1.2.1.行星的化学成分
行星表层温度较低，缺乏原子光谱的激发条件，排除了应用光谱测定其成分的可能性。
近几十年来，由于运用各种宇宙探测器对行星大气进行探测，使人们对行星大气化学成分的了解，得到迅速的增长。
按照行星的成分特征，太阳系的九大行星可以划分为三种类型：
（1）地球和类地行星，包括地球、水星、金星和火星。
质量小、密度大、体积小、卫星少。
物质成分以岩石为主，富含Mg，Si，Fe等，亲气元素含量低’
（2）巨行星，包括木星和土星。
体积大、质量大、密度小、卫星多。
如果以
升级会员 