Lecture1-2元素的丰度和性质.ppt

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1、中国科学技术大学 地球和空间科学学院 2014年2月21日,地球化学Geochemistry,第一节元素的丰度,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,课程提要,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？,丰度（abundance）,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 o

2、f oceanic basalts: implications for mantle composition and processes. Journal of Geological Society, London, Special Publication v. 42, p. 313-345.,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

3、程中的物质循环和分异 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？,简化复杂的科学问题,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。,储库和端元,储库（reservoir） 一个相对独立的（子）系统，拥有相对其它（子）系统不一样的地球化学或者物理特征，有对应的实体 端元（end member）： 具有某种地球化学特征的组分，更多强调其地球化学意义,太阳系的元素丰度,太阳系的主要组成是H和He，最重要的金属是Fe、Ni。 问题：元素丰度变

4、化的有哪些显著的特征？,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),Allende chondriteCV碳质球粒陨石,问题：俄罗斯的陨石是哪一类？,I) Sto

5、ny meteorites Chondrites Carbonaceous chondrite class CI chondrite (Ivuna-like) group CM-CO chondrite (mini-chondrule) CR chondrite clan Ordinary chondrite class H chondrite group L chondrite group LL chondrite group Enstatite chondrite class EH chondrite group EL chondrite group Other chondrite gro

6、ups, not in one of the major classes R chondrite (Rumuruti-like) group K chondrite (Kakangari-like) grouplet (a grouplet is a provisional group with 5 members) Achondrites Primitive achondrites Acapulcoite group Lodranite group Winonaite group Asteroidal achondrites Lunar meteorite group Martian met

7、eorite group (sometimes called SNC meteorites) Shergottites Nakhlites Chassignites Other Martian meteorites, e.g., ALH84001 II) Stonyiron meteorites Pallasites Main group pallasites Eagle station pallasite grouplet Pyroxene pallasite grouplet Mesosiderite group III) Iron meteorites Magmatic iron met

8、eorite 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-mag

9、matic 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, h

10、igh Ni) subgroup IIE iron meteorite group,陨石的详细分类,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

11、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/52Cr53Cr/55Mn同位素一致。,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,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？,如何获得陆壳平均成分,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+

12、，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,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 陆壳：Rudnick and Gao, 2003, Treatise on Geochemistry 岛弧玄武岩

13、： 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,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 Inte

14、ratomie Distances in Halides and Chaleogenides.,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，1.32.5；阳离子半径较 小，约为0.11.7。 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。,镧 系 收 缩,镧系元素离子或者原子半径随着质子数增加而减小 由于镧系收缩，rHf4+-Pt4+rZ

15、r4+-Pd4+。 镧系为什么收缩？ 为什么重要？地球化学意义,Goldschmidt的分类：亲石元素，亲铁元素，亲铜元素，亲气元素。有用的补充：大离子亲石元素，高场强元素。,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（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？ 次要元素(minor element)： 10.1 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

16、力学平衡的两相之间含量的比值，矿物/熔体DMM矿物/M熔体 矿物/熔体DM1，相容元素 矿物/熔体DM1，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,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 introduction2540页，地球化学的基本研究方法 作业Geochemistry-An introduction 第22页，第3，4，5，7，9，10 Due date：2014年2月25日上课前 Discussion：why do we care about terrestrial planets?,