宇宙和地球中元素的分布与分配

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1、地球化学Geochemistry第一章第一章 宇宙和地球的元素组成宇宙和地球的元素组成l第一节第一节 基本概念基本概念 l第二节第二节 宇宙中元素的组成宇宙中元素的组成l第三节第三节 月球的元素组成月球的元素组成l第四节第四节 陨石的化学成分及其分类陨石的化学成分及其分类l第五节第五节地球的元素组成地球的元素组成 第一节第一节 基本概念基本概念l 地球化学体系地球化学体系l 元素的分布元素的分布l 元素的分配元素的分配l 元素的丰度元素的丰度l 元素丰度的研究意义元素丰度的研究意义1.地球化学体系地球化学体系体系和环境体系和环境：在热力学中，把研究对象称为体系，而与体系有在热力学中，把研究对象

2、称为体系，而与体系有内在联系的周围部分称为环境。体系的性质即状态有内在联系的周围部分称为环境。体系的性质即状态有广度性质和强度性质之分。前者具有加和性，例如体广度性质和强度性质之分。前者具有加和性，例如体系的系的V，n等。后者不具有加和性，例如等。后者不具有加和性，例如T，P。在地球化学研究中，把所研究对象称为一个在地球化学研究中，把所研究对象称为一个地球地球化学体系化学体系，每个地球化学体系都有一定的空间，都处，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，并且有一定的时间连续。于特定的物理化学状态，并且有一定的时间连续。2.分布与分配的概念分布与分配的概念分布指元素在各种宇宙体

3、或地质体中（太阳、分布指元素在各种宇宙体或地质体中（太阳、行星、陨石、地球、地圈、地壳）整体（母行星、陨石、地球、地圈、地壳）整体（母体）的含量；而分配则指元素在构成该宇宙体）的含量；而分配则指元素在构成该宇宙体或地质体内各个部分或各区段（子体）中体或地质体内各个部分或各区段（子体）中的含量。二者既有联系又有区别，而且是一的含量。二者既有联系又有区别，而且是一个相对的概念。个相对的概念。化学元素在地球中的分布，也就是元素在地化学元素在地球中的分布，也就是元素在地球（母体）中的各层圈（子体）分配的总和。球（母体）中的各层圈（子体）分配的总和。而元素在构成地壳的各构造层及各类型岩石而元素在构成地壳

4、的各构造层及各类型岩石中的分布，则又是元素在地壳（母体）中各中的分布，则又是元素在地壳（母体）中各子体中分配。子体中分配。元素在地壳中的原始分布受控于：元素在地壳中的原始分布受控于：元素的起源元素的起源元素的质量元素的质量原子核的结构和性质原子核的结构和性质地球演化过程中的热核反应地球演化过程中的热核反应元素在地壳中各圈层的分配受控于：元素在地壳中各圈层的分配受控于：地质作用中地质作用中元素的迁移元素的迁移元素的化学反应元素的化学反应元素电子壳层结构及其地球化学性质元素电子壳层结构及其地球化学性质3.丰度的概念丰度的概念丰度是指化学元素在地球化学系统（太阳、丰度是指化学元素在地球化学系统（太阳

5、、行星、陨石、地球、地圈、地壳）中的平均行星、陨石、地球、地圈、地壳）中的平均分布量。分布量。自然体系中不同级别、不同规模的宇宙体或地质体中（如太阳系、行星、陨石、地球、地壳、各地圈）元素的平均含量就相应的称为元素的宇宙丰度、地球丰度、地壳丰度，各种岩石的元素丰度等。丰度的表示方法：常量元素常用重量%表示，微量元素常用百万分之一（ppm，10-6）和十亿分之一（ppb，10-9）表示。4.丰度的研究意义丰度的研究意义丰度是每一个地球化学体系的基本数据。丰度是每一个地球化学体系的基本数据。近代地球化学正是在探索和了解丰度这一过程中逐渐近代地球化学正是在探索和了解丰度这一过程中逐渐形成的。形成的。

6、一些重要的地球化学基本理论问题都离不开一些重要的地球化学基本理论问题都离不开地球化学体系中元素丰度分布特征和规律研地球化学体系中元素丰度分布特征和规律研究。究。宇宇宙宙是是由由数数不不清清的的超超星星系系团团和和星星系系团团组组成成的的，每每个个星星系系团团都都包包含含了了难难以以计计数数的的星星系系（如如银银河河系系），而而1个个星星系系通通常常拥拥有有成成千千上上万万亿亿颗颗恒恒星星，银银河河系系就就是是由由1000多多亿亿颗颗像像太太阳阳这这样样的的恒恒星星组组成成的的。宇宇宙宙学学原原理理表表明明，在在宇宇观观尺尺度度上上，三三维维空空间间在在任任何时刻都是均匀各向同性的何时刻都是均匀

7、各向同性的.第二节第二节宇宙（太阳系）的化学组成宇宙（太阳系）的化学组成 地地球球的的特特殊殊性性不不仅仅在在于于其其拥拥有有生生命命，而而且且在在于于其其经经历历了了高高度度的的化化学学分分异异，形形成成了了清清晰晰的的层层状状结结构构。因因而而，人人类类可可以以直直接接观观察察的的地地球球表表层层（地地壳壳）的的物物质质组组成成不不同同于于整整个个地地球球乃乃至至全全部部太太阳阳系系的的化化学学成成分分。于于是是，我我们们通通过过分分析析陨陨石石和和月月球球的的样样品品，遥遥测测行行星星和和太太阳阳大大气气的的成成分分，从从中中获获得得关关于于太太阳阳系系组组成成的的知知识识。本本章章首首

8、先先介介绍绍宇宇宙宙的的成成因因和和化化学学元元素素起起源源的的假假说说，然然后后分分别别讨讨论论太太阳阳系系、地球、月球和陨石的化学组成问题。地球、月球和陨石的化学组成问题。第二节第二节 宇宙（太阳系）的化学组成宇宙（太阳系）的化学组成第二节第二节 宇宙（太阳系）的化学组成宇宙（太阳系）的化学组成二、化学元素的起源三、元素在宇宙中的丰度一、现代宇宙成因假说2.1宇宙的成因宇宙的成因 一、现代宇宙成因假说一、现代宇宙成因假说 宇宙是如何形成和演化的问题一直激励着宇宙是如何形成和演化的问题一直激励着科学家甚至哲学家去思考和探索。人们构造了科学家甚至哲学家去思考和探索。人们构造了各种各样的宇宙成因

9、模型试图对宇宙的结构及各种各样的宇宙成因模型试图对宇宙的结构及其历史作出描述。其历史作出描述。“宇宙大爆炸宇宙大爆炸”假说就是目假说就是目前最为流行的模型之一。该模型由于得到了许前最为流行的模型之一。该模型由于得到了许多观测结果的支持而受到越来越多的科学家承多观测结果的支持而受到越来越多的科学家承认，并被称为现代宇宙成因假说。认，并被称为现代宇宙成因假说。2.1 宇宙的成因宇宙的成因 一、现代宇宙成因假说一、现代宇宙成因假说 “宇宙大爆炸宇宙大爆炸”假说是由美国天体物理学假说是由美国天体物理学家加莫夫最先提出的（家加莫夫最先提出的（Gamow,1952Gamow,1952）。）。该假该假说认为

10、，大约在说认为，大约在150150亿年以前，所有的天体物亿年以前，所有的天体物质都集中在一起，密度极大，温度极高，被称质都集中在一起，密度极大，温度极高，被称为原始火球。这个时期的天空中，没有恒星和为原始火球。这个时期的天空中，没有恒星和星系，只是充满了辐射。后来由于某种未知的星系，只是充满了辐射。后来由于某种未知的原因，原始火球发生了大爆炸，组成火球的物原因，原始火球发生了大爆炸，组成火球的物质飞散到四面八方，随着物质的膨胀和冷却，质飞散到四面八方，随着物质的膨胀和冷却，宇宙开始了自身的演化历史。宇宙开始了自身的演化历史。表表1-1 宇宙发展简史宇宙发展简史时间（时间（s）温度（温度（K）事

11、件事件10-431032宇宙的开端宇宙的开端10-331027产生量子不对称，产生量子不对称，物质与反物质不等量物质与反物质不等量10-61013夸克结合成质子和中子等强子夸克结合成质子和中子等强子102109轻原子核形成轻原子核形成1012约约4000K中性原子形成中性原子形成1016星系开始形成星系开始形成10172.7K今天的宇宙背景光子辐射今天的宇宙背景光子辐射2.1宇宙的成因宇宙的成因“宇宙大爆炸宇宙大爆炸”假说最直接的证据来自于对宇宙假说最直接的证据来自于对宇宙膨胀假说的证实：膨胀假说的证实：1929年，美国著名天文学家埃德温年，美国著名天文学家埃德温哈勃哈勃（EdwinHubbl

12、e）在威尔逊山天文台利用当时世界在威尔逊山天文台利用当时世界上最大的上最大的2.5m反射望远镜测量了仙女星座反射望远镜测量了仙女星座18个星系个星系的运动速度以及这些星系到地球的距离。结果发现的运动速度以及这些星系到地球的距离。结果发现所有这些星系的光谱都有红移现象，所有这些星系的光谱都有红移现象，2.1宇宙的成因宇宙的成因 他认识到这些红移现象可能正是一种多谱勒效他认识到这些红移现象可能正是一种多谱勒效应：远离我们而去的光源发出的光，我们收到时会应：远离我们而去的光源发出的光，我们收到时会感到其频率降低，波长变长，并出现感到其频率降低，波长变长，并出现光谱线红移即光谱线红移即光谱线向长波方向

13、移动的现象光谱线向长波方向移动的现象。这如同远离我们而。这如同远离我们而去的列车发出的汽笛声，我们听到时会感到其频率去的列车发出的汽笛声，我们听到时会感到其频率降低，音调变低的现象一样。降低，音调变低的现象一样。2.1宇宙的成因宇宙的成因 由由此此，他他认认为为红红移移反反映映了了这这些些星星系系相相对对于于地地球球正正在在退退行行，与与地地球球的的距距离离正正在在增增加加。根根据据多多谱谱勒勒效效应可以通过红移的多少计算这些星系退行的速度：应可以通过红移的多少计算这些星系退行的速度：1/=1+V/C其其中中1是是物物体体运运动动时时发发出出的的光光谱谱波波长长，是是物物体体静静止止时发出的波

14、长，时发出的波长，C是光速，是光速，V是物体运动的速度。是物体运动的速度。2.1宇宙的成因宇宙的成因 哈哈勃勃在在获获得得各各个个星星系系的的退退行行速速度度及及其其到到地地球球的的距距离离之之后后意意外外地地发发现现在在速速度度和和距距离离之之间间存存在在明明显显的的线线性性关关系系（见见图图1-1），即即遥遥远远星星系系的的退退行行速速度度（V）正比于它的距离（正比于它的距离（D），），写成公式为：写成公式为：V=HD其其中中速速度度的的单单位位是是km/秒秒，距距离离的的单单位位为为106光光年年（1光光年年=11013km），H称称为为哈哈勃勃常常数数（15km/秒秒/106光年），整

15、个关系式就是著名的哈勃定律。光年），整个关系式就是著名的哈勃定律。2.1宇宙的成因宇宙的成因 按按照照哈哈勃勃定定律律，所所有有的的河河外外星星系系（即即除除银银河河系系而而外外的的其其它它星星系系）都都在在远远离离我我们们，而而且且离离我我们们越越远远的的河河外外星星系系，远远离离得得越越快快。这这和和宇宇宙宙膨膨胀胀模模型型所所描描述述的的结结果果正正好好相相符符。哈哈勃勃的的发发现现使使宇宇宙宙膨膨胀胀假假说说得得到到了了观观测测的的支支持持，为为“宇宇宙宙大大爆爆炸炸”假假说说的的提提出出奠奠定了坚实的基础。定了坚实的基础。2.1宇宙的成因宇宙的成因“宇宇宙宙大大爆爆炸炸”假假说说之之

16、所所以以得得到到科科学学家家的的广广泛泛接接受受还还要要归归功功于于两两位位美美国国科科学学家家彭彭齐齐亚亚斯斯和和威威尔尔逊逊的的杰杰出出工工作作他他们们在在1965年年发发现现了了弥弥漫漫在在全全天天空空的的微微波波背背景景辐辐射射（PengziasandWilson,1965）。大大爆爆炸炸理理论论认认为为，原原始始火火球球在在大大爆爆炸炸后后所所发发出出的的强强烈烈光光辉辉会会随随着着宇宇宙宙的的膨膨胀胀而而日日益益暗暗淡淡下下来来。这这相相当当于于随随着着宇宇宙宙空空间间的的增增大大，单单位位体体积积内内所所含含的的光光子子数数会会越越来来越越少少，即即背背景景辐辐射射的的温温度度会

17、会越越来来越越低低，加加莫莫夫夫预预测测至至今今这这一一温温度度应应低低到到5K了了。可可是是怎怎样样才才能能检检测测到这一背景辐射呢到这一背景辐射呢？2.1宇宙的成因宇宙的成因 1964年年，美美国国贝贝尔尔电电话话实实验验室室的的工工程程师师彭彭齐齐亚亚斯斯和和威威尔尔逊逊利利用用一一架架精精密密的的射射电电望望远远镜镜进进行行对对天天观观测测，结结果果他他们们在在7.35cm波波长长上上发发现现一一种种具具有有独独特特性性质质的的极极强强的的无无线线电电噪噪声声。一一般般情情况况下下，用用天天线线接接受受到到的的是是来来自自天天线线的的无无线线电电信信号号，而而不不是是这这种种噪噪声声。

18、当当时时似似乎乎所所有有方方向向都都能能接接受受到到这这种种波波长长为为7.35cm的的噪噪声声，相相当当于于温温度度为为3K物物体体辐辐射射的的射射线线。这这一一现现象象曾曾使使他他们们百百思思不不得得其其解解。后后来来在在普普林林斯斯顿顿大大学学迪迪克克（R.H.Dicke）教教授授的的帮帮助助下下他他们们认认识识到到这这正正是是加加莫莫夫夫所所预预期期的的宇宇宙宙微微波波背背景景辐辐射射温温度度，于于是是他他们们在在1965年年正正式式发发表表了了这这一一重重要要发发现现，并并因因而而在在1978年年两人共同获得诺贝尔物理学奖。两人共同获得诺贝尔物理学奖。2.2化学元素的起源化学元素的起

19、源二、化学元素的起源三、元素在宇宙中的丰度一、现代宇宙成因假说二、化学元素的起源二、化学元素的起源 在在大大爆爆炸炸之之初初，宇宇宙宙中中化化学学元元素素的的种种类类极极为为单单一一：主主要要由由氢氢原原子子和和少少量量的的氦氦原原子子所所组组成成，其其它它元元素素都都形形成成在在恒恒星星演演化化的的各各个个阶阶段段。这这是是因因为为恒恒星星从从元元素素的的核核反反应应中中获获得得辐辐射射能能以以维维持持其其演演化化，而而元元素素的的核核反反应应类类型型又又取取决决于于恒恒星星的的演演化化程程度度及及其其所所能能提提供供的的反反应应温温度度。因因此此。化化学学元元素素的的起起源源假假说说被被称

20、称之为之为“恒星合成元素恒星合成元素”假说。假说。“恒恒星星合合成成元元素素”假假说说概概括括了了元元素素合合成成过过程程的的3种种类型类型:1.氢氢核核聚聚变变反反应应:主主星星序序阶阶段段的的所所有有恒恒星星都都是是通通过过氢氢核核聚聚变变反反应应获获得得能能量量的的，核核反反应应的的产产物物是是元元素素氦。氦。2.氦氦核核聚聚变变反反应应:当当恒恒星星内内部部的的氢氢全全部部转转变变为为氦氦以以后后，氢氢核核聚聚变变停停止止。此此时时恒恒星星内内部部收收缩缩，温温度度升升高到高到100106K，氦核聚变开始。氦核聚变开始。3.中中子子捕捕获获反反应应:中中子子捕捕获获反反应应是是恒恒星星

21、演演化化到到最最晚晚阶阶段段才才开开始始发发生生的的重重要要反反应应，由由此此产产生生原原子子序序数数大于大于26（Fe）的重元素。的重元素。二、化学元素的起源三、元素在宇宙中的丰度一、现代宇宙成因假说三、元素在宇宙中的丰度三、元素在宇宙中的丰度宇宇宙宙中中化化学学元元素素的的组组成成和和丰丰度度是是对对宇宇宙宙成成因因理理论论和和元元素素起起源源假假说说的的检检验验，确确定定元元素素在在宇宇宙宙中中的的丰丰度度是是地地球球化化学学和和宇宇宙宙化化学学研研究究的的重重要要任任务务之之一一。宇宇宙宙学学原原理理表表明明宇宇宙宙是是均均匀匀的的和和各各向向同同性性的的，宇宇宙宙各各部部分分的的化化

22、学学组组成成是是统统一一的的。根根据据这这一一原原理理，人人们们通通常常用用太太阳阳系系平平均均化化学学成成分分来来表表示示宇宇宙宙中中元元素的丰度。素的丰度。确定太阳系元素丰度的途径是：确定太阳系元素丰度的途径是：（1）对太阳及其他星体辐射的光谱进行定性、）对太阳及其他星体辐射的光谱进行定性、定量测定；定量测定；（2）直接测定地球岩石、月球岩石和各类陨）直接测定地球岩石、月球岩石和各类陨石；石；（3）利用宇宙飞行器对临近地球的星体进行）利用宇宙飞行器对临近地球的星体进行观察和测定；观察和测定；（4）分析测定气体星云、星际物质和宇宙线）分析测定气体星云、星际物质和宇宙线组成。组成。太阳及行星的

23、性质太阳及行星的性质太阳系由太阳、行星、行星物体（宇宙尘、彗星、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小行星）和卫星所组成，其中太阳集中了整个太阳系系99.8%的质量。的质量。Oursolarsystemconsistsofthesun,nineplanets(andtheirmoons),anasteroidbelt,andmanycometsandmeteors.Thesunisthecenterofoursolarsystem;theplanets,over61moons,theasteroids,comets,meteoroidsand

24、otherrocksandgasallorbittheSun.太阳及行星的性质太阳系由太阳、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。*接近太阳的较小的内行星-水星、金星、地球、火星，也称类地行星；*远离太阳的外行星-木星、土星、天王星、海王星和冥王星，也称类木行星。*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。最大的直径可达数百公里，最小的仅1m。其数量在1011个以上。Titius-Boderule(1772):0，3，6，12，24+4;10TheTerrestrialPlanetsTheJovianplan

25、etsBodySunMercury VenusEarth Mars Jupiter Saturn Uranus Neptune PlutoDistance00.390.7211.525.29.219.230.139.5Density1.415.435.255.523.951.330.691.291.642.03Radius1090.380.9510.53119440.18 化学元素在太阳系中的分布特点主要表现为：内行星体积小、密度大，主要元素是Fe,Si,Mg等非挥发性元素；外行星体积大、密度小，主要是H，He等挥发性元素。三、元素在宇宙中的丰度三、元素在宇宙中的丰度太太阳阳系系平平均均化化学

26、学成成分分或或元元素素宇宇宙宙丰丰度度的的确确定定主主要要依依据据两两类类数数据据。一一是是根根据据太太阳阳光光谱谱资资料料确确定定太阳系中挥发性元素含量。太阳系中挥发性元素含量。目目前前已已知知太太阳阳中中存存在在有有85种种化化学学元元素素。由由于于太太阳阳表表面面温温度度极极高高，这这些些元元素素的的原原子子都都处处于于激激发发状状态态，并并不不断断地地辐辐射射出出各各自自的的特特征征光光谱谱。太太阳阳光光谱谱的的谱谱线线数数目目和和波波长长主主要要取取决决于于太太阳阳表表层层中中所所存存在在的的元元素素种种类类，而而这这些些谱谱线线的的亮亮度度则则主主要要取取决决于于元元素素的的相相对

27、对丰丰度度。因因此此，通通过过测测定定太太阳阳光光谱谱中中不不同同波波长长谱谱线线强强度度，就就可可得得到到太太阳阳表表层层元元素素的的丰丰度度。氢氢和和氦氦是是太太阳阳大大气气中中最最主主要要成成分分，这这两两种种元元素素的的原原子子几几乎乎占占了了太太阳中全部原子数目的阳中全部原子数目的98%。三、元素在宇宙中的丰度三、元素在宇宙中的丰度二二是是根根据据球球粒粒陨陨石石的的化化学学组组成成确确定定太太阳阳系系中中非非挥发性元素的组成和含量。挥发性元素的组成和含量。球球粒粒陨陨石石主主要要由由硅硅酸酸盐盐矿矿物物组组成成，含含有有细细小小的的圆圆形形球球粒粒，称称作作陨陨石石球球粒粒。这这些

28、些球球粒粒是是在在非非平平衡衡条条件件下下，从从热热的的、低低密密度度和和部部分分电电离离的的气气体体中中直直接接凝凝聚聚出出来来的的（Blanderetal.,1969），只只有有太太空空才才能能满满足足这这样样的的条条件件。因因此此，球球粒粒陨陨石石可可能能代代表表着着太太阳阳系系中中各各个个行行星星的的原原始始母母质质，从从而而成成为为探探索索太阳系中重元素或非挥发性元素的宝贵样品。太阳系中重元素或非挥发性元素的宝贵样品。三、元素在宇宙中的丰度三、元素在宇宙中的丰度在在获获得得上上述述两两类类数数据据以以后后，通通常常采采用用太太阳阳光光谱谱数数据据确确定定宇宇宙宙中中H、He和和其其它

29、它挥挥发发组组分分的的丰丰度度，并并根根据据球球粒粒陨陨石石的的分分析析结结果果确确定定宇宇宙宙中中其其它它非非挥挥发发性性元元素素的的含含量量，其其中中分分布布广广的的非非挥挥发发性性元元素素（例例如如Si）在在两两类类数数据据间间的的部部分分重重叠叠被被用用来来将将两两种种来源的资料结合起来。来源的资料结合起来。三、元素在宇宙中的丰度三、元素在宇宙中的丰度按按照照这这一一模模式式，1937年年戈戈尔尔德德斯斯密密特特编编制制了了第第一一个个适适用用的的元元素素及及同同位位素素在在宇宇宙宙中中的的丰丰度度表表，以以后后又又不不断断有有新新的的宇宇宙宙中中元元素素丰丰度度表表问问世世，比比较较

30、这这些些元元素素的的宇宇宙宙丰丰度度表表,可可以以看看出出：虽虽然然不不同同作作者者在在计计算算方方法法和和数数据据取取舍舍上上有有所所偏偏颇颇，但但所所得得结结果果却却大大同同小小异异。表表中中元元素素丰丰度度值值采采用用的的是是相相对对于于106个个Si原原子子的的各各个个元元素素的的原原子子数数，即即原原子子丰丰度度值值，选选择择Si作作为为标标准准是是因因为为该该元元素素分分布布广广且且挥挥发发性性又又小小，因因而而稳稳定定性性好好。宇宇宙宙中中元元素素的的分分布布是是极极不不均均一一的的，其其含含量量差差别别达达到到10个个数数量量级级以以上上；然然而而又又是是有规律可循的。有规律可

31、循的。三、元素在宇宙中的丰度三、元素在宇宙中的丰度宇宙中元素分布的如下特征规律：宇宙中元素分布的如下特征规律：（1）宇宇宙宙中中最最丰丰富富的的元元素素为为H和和He。H/He比比值值为为12.5。（2）原原子子序序数数较较低低（Z50），不不仅仅元元素素的的丰丰度度低低，而而且且丰丰度度值值几几乎乎不不变变，即即丰丰度曲线近乎水平。度曲线近乎水平。（3）原原子子序序数数为为偶偶数数的的元元素素其其丰丰度度值值大大大大高高于于原原子序数为奇数的相邻元素。（子序数为奇数的相邻元素。（奥多奥多-哈根斯法则哈根斯法则）三、元素在宇宙中的丰度三、元素在宇宙中的丰度（4）与与He相相邻邻的的元元素素Li

32、、Be和和B具具有有很很低低的的丰丰度度，按按较较轻轻元元素素的的丰丰度度水水平平它它们们是是非非常常亏亏损损的的元元素素；O和和Fe呈呈明明显显的的峰峰出出现现在在元元素素丰丰度度曲曲线线上上，说明它们是过剩的元素。说明它们是过剩的元素。（5）Tc和和Pm没没有有稳稳定定性性同同位位素素，在在宇宇宙宙中中不不存存在在；原原子子序序数数大大于于83（Bi）的的元元素素也也没没有有稳稳定定同同位位素素，它它们们都都是是Th和和U的的长长寿寿命命放放射射成成因因同位素。在丰度曲线上这些元素的位置空缺。同位素。在丰度曲线上这些元素的位置空缺。（6）质质量量数数为为4的的倍倍数数的的核核素素或或同同位

33、位素素具具有有较较高高的的丰丰度度，如如4He、16O、40Ca、56Fe和和140Ce等。等。三、元素在宇宙中的丰度三、元素在宇宙中的丰度通通过过对对这这些些规规律律的的分分析析，人人们们逐逐渐渐认认识识到到宇宇宙宙中中元元素素丰丰度度的的分分布布与与元元素素的的化化学学性性质质无无关关，而而主主要要受受原原子子核核的的结结构构控控制制。原原子子核核由由质质子子和和中中子子组组成成，其其间间既既有有核核力力（结结合合力力）又又有有库库仑仑斥斥力力，当当中中子子数数和和质质子子数数比比例例适适当当时时，核核较较稳稳定定，而而具具有有稳稳定定核核结结构构的的元元素素一一般般分分布布较较广广。原原

34、子子序序数数低低的的轻轻核核容容易易达达到到质质子子和和中中子子数数的的平平衡衡，例例如如16O、24Mg、28Si、40Ca的的原原子子核核中中具具有有中中子子/质质子子=1，核核最最稳稳定定，因因此此这这些些元元素素具具有有较大的宇宙丰度。较大的宇宙丰度。三、元素在宇宙中的丰度三、元素在宇宙中的丰度 随随着着原原子子序序数数的的增增加加，核核内内中中子子数数的的增增加加速速度度往往往往大大于于质质子子数数，原原子子核核趋趋于于不不稳稳定定，故故而而元元素素和和同同位位素素的的丰丰度度降降低低。偶偶数数元元素素的的原原子子核核内内，核核子子倾倾向向成成对对，根根据据量量子子力力学学计计算算，

35、此此时时原原子子核核能能降降低低，核核稳稳定定性性增增大大，因因而而这这种种元元素在自然界中的分布较广。素在自然界中的分布较广。三、元素在宇宙中的丰度三、元素在宇宙中的丰度 此此外外元元素素的的恒恒星星合合成成过过程程也也决决定定了了元元素素的的丰丰度度大大小小。例例如如LiLi、BeBe、B B作作为为氢氢燃燃烧烧的的一一部部分分而而转转换换成成HeHe，造造成成了了宇宇宙宙中中这这部部分分元元素素的的亏亏损损。又又如如O O和和FeFe的的丰丰度度异异常常地地高高是是因因为为这这两两种种元元素素是是氦燃烧的稳定产物。氦燃烧的稳定产物。一、月球的主要岩石类型二、月球的化学组成三、月球和地球若

36、干特征对比第三节第三节 月球的组成月球的组成过去人们仅能够从恒星和行星的电磁辐射以及陨石的组成资料来了解地球以外的天体。1969年7月美国“阿波罗”11号载人飞船首次登月成功，开始了人类对地球的卫星月球表面的物质组成和物理性质进行直接研究的时期。从1969年7月到1972年12月，美国共实现了6次人类登月活动，有12名宇航员到达月面考察，考察时间达22个多小时，共带回月面岩石和月壤样品470多千克。这项伟大的工程积累了有关月球的许多珍贵资料（中科院贵阳地球化学研究所，1977；Anderson,1973;Cameron,1978;Toksozetal.,1972），对探讨太阳系的起源和地球的演

37、化历史都有重要的参考价值。第三节第三节月球的组成月球的组成 在经历了十八年的平静之后，美国1994年成功地发射了Clementine号月球探测器，并于次年提出了面向21世纪的全新而完整的探月计划。紧接着俄罗斯、欧洲空间局、日本和印度也制定了各自的月球探测计划并付诸实施。这一切标志着月球探测的新高潮已经开始（欧阳自远等，2003）。第三节第三节月球的组成月球的组成 月壤中3He的平均含量为31094109，资源总量可达100500万t，是目前已知地球上3He资源量（1020t）的1050万倍。建设一个50MW的D3He核聚变发电站，每年约消耗3He50kg，以1992年全球用电量计算，如果全部使

38、用D3He发电，则需约100t3He原料，也就是说，月壤中的3He储量可供地球发电15万a（欧阳自远等，2003）。勿庸置疑，开发月壤中丰富的3He对人类未来能源的可持续利用具有重要意义。第三节第三节月球的组成月球的组成一、月球的主要岩石类型：根据对月岩、月壤和月尘样品的研究，构成月球表面（月壳）的岩石存在三种主要类型：一类是与地球上大洋型拉斑玄武岩相近的月海玄武岩，但与地球上的拉斑玄武岩不同的是，月岩的拉斑玄武岩中富含TiO2和FeO，它主要分布在月球表面相对低洼的广阔的“月海”地区。同位素年龄大多数在31.5到38.5亿年之间。月海玄武岩现认为是由月球内部富钛、铁和贫斜长石的区域因放射性加

39、热而部分熔融产生的，不是月壳原始分异的产物。三、月球的组成三、月球的组成一、月球的主要岩石类型：第二类是富含放射性元素及难熔微量元素的非月海玄武岩。它是一种富斜长石的玄武岩，内中斜长石的含量较月海玄武岩为高，但铁镁矿物和不透明矿物的含量则比月海玄武岩为低。其中有一种特殊的岩石类型，由于它含有较高的钾（K）、稀土元素（REE）及磷酸盐（P），故命名为克里普岩（KREEP）。克里普岩的化学成分本质上是玄武岩，但U、Th、Rb、Sr、Ba及稀土的含量比月海玄武岩高。非月海玄武岩一般认为是由富斜长石的岩石部分熔融而产生的。三、月球的组成三、月球的组成一、月球的主要岩石类型：第三类是富铝的高地斜长岩，其

40、中含有70%的斜长辉长岩，它是组成月球台地或高地的岩石，也是月球上保存下来最老的台地单元。富铝的斜长岩现认为是岩浆分离作用的产物。其化学特征最显著的是Al2O3含量较高（19.136.49%）而TiO2和FeO均较低。三、月球的组成三、月球的组成一、月球的主要岩石类型：除上述三种主要月壳岩石类型外，在有的样品中还发现有化学成分上非常独特的偏酸性岩石，这种岩石明显的富含SiO2（61%）、K2O（2.0%）、ZrO2（0.3%）、Li（100ppm）、Ba（2150ppm）、Rb（30ppm）、Nb（170ppm）、Th（34ppm）、U（11ppm）、Y（240ppm）、Yb（20ppm）。但

41、是到目前为止，在月球上尚未发现大的花岗岩体。三、月球的组成三、月球的组成二、月球的化学组成二、月球的化学组成对月球表面不同地区所采取的月壤及月尘样品的研究表明，月壤主要由晶质的岩石碎块、玻璃及显微角砾岩组成；月尘主要由辉石、斜长石、橄榄岩及钛铁矿组成，含少量的鳞石英、方英石，陨硫铁、尖晶石及镍铁。即亲铁、亲铜、亲石和亲气元素。三、月球的组成三、月球的组成AgesoflunarrocksTheoldestrocksareanorthositesinthelunarhighlands(ancientcrust,4.3-4.4billionyearsold).Impactbrecciasaremos

42、tlyfromthegiantmaria-excavatingimpacts(3.9-4.3billionyearsold).Marebasaltthatcoversthemariafloorswasformedbymeltingofthelunarmantle.Thesebasaltsgraduallyfilledthemariaasaseriesoflavaflows(3.1-3.9billionyearsold).Volcanicglassisscatteredthroughoutthelunarregolith,althoughfewvolcanoeshavebeenpositivel

43、yidentified.Thisglass(1.3-3.5billionyearsold)largelypost-datesthemarebasalts.Since1.3billionyearsagothereisnoevidenceofanygeologicprocessesexceptmeteoriteimpactsandsomemasswastingprocessessuchaslandslides.二、月球的化学组成二、月球的化学组成由于月球上缺少地质作用，月壤和月尘实际上是月表岩石破裂（因陨石撞击和昼夜温差等原因）后就近堆积的沉积层，因此，月壤和月尘能够代表月壳的化学组成。有意义的是

44、在月球的不同地点所采取的月壤样品其化学组成十分相似，其元素组合与地球上元素组合特征也相当吻合，可划为4类（见表1-8）：三、月球的组成三、月球的组成三、月球的组成三、月球的组成月球物质中发现的化学元素月球物质中发现的化学元素亲铁元素亲铁元素亲铜元素亲铜元素亲石元素亲石元素亲气元素亲气元素FeCuNiRuRhPdOsIrPtCuAuMoWReGeAsSbSn(Ga)(Bi)SSeTeFeAgCdHgTlPbBiIn(Mo)LiNaKRbCsBeMgCaSrBaBAlScYLa-LuSiTiZrHfThPVNbTiMnFeOCrUZnGaFClBrIHeNeArKrXeHNC三、月球的组成三、月球

45、的组成如前所述，玄武岩和斜长岩是月球上发现的最丰富如前所述，玄武岩和斜长岩是月球上发现的最丰富的的2类岩石。对月球玄武岩和月球斜长岩的常量元类岩石。对月球玄武岩和月球斜长岩的常量元素和微量元素分析结果列在表素和微量元素分析结果列在表1-9和表和表1-10中。从中中。从中可见，由于月球上缺少大气圈，缺少氧化作用，因可见，由于月球上缺少大气圈，缺少氧化作用，因此所有的此所有的Fe都以都以FeO形式存在。与地球玄武岩相比，形式存在。与地球玄武岩相比，月球玄武岩相对富含月球玄武岩相对富含FeO、MgO和和TiO2而贫含碱金而贫含碱金属；在微量元素方面，月球玄武岩则以富含属；在微量元素方面，月球玄武岩则

46、以富含Cr、Zr、Th、REE等难熔元素为特征。月球斜长岩的等难熔元素为特征。月球斜长岩的主要组分为主要组分为SiO2、Al2O3和和CaO，其中其中CaO的含量的含量明显比地球斜长岩高，而明显比地球斜长岩高，而SiO2、Na2O和和K2O的含量的含量则明显低于地球斜长岩中的含量。则明显低于地球斜长岩中的含量。三、月球的组成三、月球的组成三、月球和地球若干特征对比三、月球和地球若干特征对比对对月月球球观观察察和和自自月月球球表表面面采采回回的的月月岩岩、月月壤壤标标本本的的研究结果表明：研究结果表明：（1)月月球球与与地地球球都都是是太太阳阳系系的的成成员员，均均在在距距离离“原原太太阳阳”非

47、非常常相相似似的的距距离离内内凝凝聚聚形形成成，二二者者演演化化过过程程有有许许多多近近似似之之处处。但但由由于于形形成成二二者者的的初初始始物物质质组组成成上上的的差差异异、体体积积和和密密度度的的不不同同等等原原因因，也也导导致致它它们们演演化化过过程程有有许许多多差差异异。现现今今月月球球表表面面的的特特征征似似乎乎可可以以比比拟拟作作地地球球发发展展的的早早期期阶阶段段，因因此此，月月球球的的研研究究资资料料成成为为了了解解地地球球早早期期（距距今今3146亿亿年年）阶阶段段演演化化特特征征的的一一个个重要方面。重要方面。三、月球的组成三、月球的组成三、月球和地球若干特征对比三、月球和

48、地球若干特征对比（2）鉴鉴于于目目前前地地球球上上所所发发现现的的最最古古老老的的岩岩石石同同位位素素年年龄龄（3737.5亿亿年年）和和月月岩岩的的最最老老的的同同位位素素年年龄龄（A-14的的样样品品为为39.5亿亿年年是是最最老老的的，A-11及及A-16的的样样品品为为中中等等年年龄龄3437亿亿年年）很很为为接接近近，同同时时，月月球球演演化化在在距距今今31亿亿年年以以来来几几乎乎处处于于“停停滞滞”状状态态，如如果果把把月月球球原原始始结结晶晶岩岩石石看看作作地地壳壳早早期期形形成成的的岩岩石石的的话话，这这就就说说明明今今天天地地球球上上存存在在的的花花岗岗岩岩质质的的大大陆陆

49、型型地地壳壳、水水圈圈和和大大气气圈圈等等，是是在在地地球球后后来来的的演演化化和和发展过程中产生的。发展过程中产生的。三、月球的组成三、月球的组成三、月球和地球若干特征对比三、月球和地球若干特征对比（3）从从月月球球表表面面采采回回的的月月岩岩标标本本无无论论在在地地球球化化学学特特征征（岩岩石石的的化化学学成成分分和和矿矿物物成成分分、同同位位素素测测定定）上上，或或者者是是地地球球物物理理性性质质（密密度度、弹弹性性波波传传播播速速度度）方方面面，大大体体和和地地球球上上大大洋洋型型玄玄武武岩岩地地壳壳，或或者者是是地地壳壳的的硅硅镁镁层层相相似似，反反映映了了月月壳壳和和大大洋洋型型地

50、地壳壳相相似似。月月球球表表面面缺缺失失象象地地球球表表面面广广泛泛分分布布的的大陆型花岗岩地壳（硅铝层）。大陆型花岗岩地壳（硅铝层）。三、月球的组成三、月球的组成三、月球和地球若干特征对比三、月球和地球若干特征对比（4）月月球球的的现现有有研研究究结结果果表表明明，月月球球和和地地球球由由同同样样的的化化学学元元素素组组成成，地地球球中中的的全全部部化化学学元元素素在在月月岩岩和和月月壤壤中中都都有有发发现现，但但二二者者的的比比例例不不同同。地地球球与与月月球球化化学学组组成成上上的的差差异异，无无疑疑是是在在后后期期的的化化学学分分馏馏和和热热变变质质阶段产生的。阶段产生的。三、月球的组

51、成三、月球的组成三、月球和地球若干特征对比三、月球和地球若干特征对比（5）在在月月球球和和地地球球早早期期，强强烈烈的的火火山山活活动动都都比比较较普普遍遍。月月球球高高地地的的形形成成，广广泛泛分分布布的的月月海海玄玄武武岩岩和和地地球球早早期期产产生生的的中中、基基性性喷喷出出岩岩后后经经变变质质形形成成的的全全球球广广泛泛分分布布的的绿绿岩岩系系，是是地地球球可可以以与与月月球球演演化化进进行行对对比比的的显著特征之一。显著特征之一。三、月球的组成三、月球的组成三、月球和地球若干特征对比三、月球和地球若干特征对比（6）月月岩岩及及月月壤壤内内缺缺乏乏水水，并并几几乎乎没没有有三三价价铁铁

52、的的存存在在，证证实实了了月月球球表表面面没没有有水水圈圈和和大大气气圈圈，月月表表接接近近于于真真空空状状态态。因因此此，月月球球不不会会象象地地球球上上那那样样，有有分分布布广广泛泛的的生生命命活活动动（生生物物圈圈）的的存存在在。由由于于缺缺乏乏流流水水、氧氧化化、生生物物等等作作用用，月月球球表表面面自自然然地地也也缺缺失失了了这这些些外外营营力力引引起起的的地地质质作作用用和和产产物物。月月岩岩是是基基本本上上保保持持了了原原状状而而变变化化不大的不大的“原始岩石原始岩石”。三、月球的组成三、月球的组成三、月球和地球若干特征对比三、月球和地球若干特征对比（7）由由于于月月岩岩没没有有

53、明明显显的的磁磁场场，月月球球可可能能没没有有金金属属月月核核。但但月月球球内内部部具具有有类类似似于于地地球球的的壳壳层层构构造造。地地球球物物质质的的熔熔融融、分分异异远远比比月月球球要要充充分分得得多多。月月球球火火成成岩岩的的熔熔融融温温度度因因缺缺水水而而比比地地球球上上的的火火成成岩岩要要高高得得多多，地地球球内内部部没没有有月月球球内内部部那那样样坚坚固固。月月球球强强的的还还原原条条件件是是月月球球上上熔熔体体结结晶晶作作用用过过程程的的特特征征。地地球球物物质质的的核核转转变变能能较较月月球球大大得得多多，因因而而地地球球的的构构造造-岩岩浆浆活活动动比比月月球规模大，延续时

54、间也较长。球规模大，延续时间也较长。三、月球的组成三、月球的组成三、月球和地球若干特征对比三、月球和地球若干特征对比（8）月月表表所所具具有有的的不不同同于于地地球球的的特特殊殊物物理理化化学学环环境境，使使试试图图通通过过对对月月球球物物质质的的研研究究而而在在月月球球上上找找寻寻矿矿床床的的可可能能性性显显得得很很小小。地地球球的的极极其其复复杂杂的的内内、外外营营力力地地质质作作用用，是是其其形形成成丰丰富富矿矿产产资资源源的的优优越越条条件件。这这是是二者明显不同之处。二者明显不同之处。1.Dustoftheearlysolarnebula.2.Agreatmanypebbles.3.

55、Zillionsofboulders.4.Trillionsofasteroids.5.Fourinnerplanets.月球起源假说月球起源假说IntroductiontolunargeologyThebasicgeologyoftheMoonhavebeenworkedoutfromtelescopeandsatelliteimagesofthelunarsurface,samplesreturnedbytheU.S.ApolloandSovietLunamissions,fromseismicsensorsleftbyApollomissions,andfrommeasurementso

56、fthephysicalcharacteristicsofthemoonsuchasgravity.Thefollowingsummarizestheconclusions.1.TheMoonsdensity,measuredchemistry,andseismicstructureiscompatiblewithalunarmineralogyofmostlypyroxene,olivine,andiron-titaniumoxides,withlittleornoironcore.2.TheoverallchemistryoftheMoonismuchliketheEarthsmantle

57、,buttheMoonhasmuchlessofchemicalcomponentsthatarevolatileatmodesttemperatures,includingH2O,CO2,andelementswithlowboilingpointssuchassodium,lead,andarsenic.3.TheMoonsoldestcrustis4.4billionyearsold,about50kmthickonthenearsideandthickeronthefarside,andiscomposedmostlyofanorthosite(plagioclase-richplut

58、onicrock)andrelatedplagioclase-richrocks.Thisanorthositecrustisthoughttohaveformedbyfloatingofplagioclasecrystalsastheycrystallizedduringcoolingofaglobalmagmaocean.ThecrusthasbeenheavilychurnedupbynumerouslargemeteoriteimpactsearlyintheMoonshistory.4.TheMoonsmantleislargelycomposedofpyroxene,olivine

59、,andiron-titaniumoxides.Thedeeperpartsofthemantlewerealwaysmostlysolid,whereastheupperpartsofthemantlewereformedbysinkingofdensemineralsduringcoolingandcrystallizationofthemagmaoceanatthesametimethatthecrustformed.5.Afterthecrusthadformedandthemagmaoceansolidified,severalhugemeteoriteimpactsexcavate

60、dlargebasinsandcreatedlargequantitiesofimpactmeltandbreccia.6.Thelargestlunarimpactbasinsarepartlyfilledwithenormousbasalticlavaflows.Thesemarebasaltseruptedoveraperiodofhundredsofmillionsofyears.Thebasaltsformedbymeltingofthedeeplunarmantle.7.Volcanicactivitydecreasedwithtime,andevidenceindicatesth

61、atvolcanismceasedatleast1.3billionyearsago.8.Impactcrateringcontinuesataslowratetothisday.9.TheMoonisgraduallymovingawayfromEarthastidalfrictiontransfersangularmomentumtotheMoon.Asaresult,Earthsrotationrateisgraduallyslowingandthedayisgraduallygettinglonger.SamplesreturnedfromtheMoon:6U.S.Apolloland

62、ings382.0kg3U.S.S.R.Lunarobotlanders0.32kg3knownlunarmeteorites0.12kgTotal382.4kgSoil100kgLooseparticlesonandnearthesurfacethathavebeenexcavatedandthrownaboutbymeteoriteimpacts.Thisismadeofmineralandrockfragments,volcanicglass,impactglass,andfragmentsweldedtogetherwithimpactglass.Breccia133kgAggrega

63、tesofrock,soil,andotherbrecciasthatwereweldedtogetherbymeteoriteimpacts.Someofthesehavebeenpartlymeltedbyimpactheating.Basalt80kgDark,fine-grained,iron-andmagnesium-rich,silica-poorvolcanicrockthatmakesupthedarkfloorsofthelargestlunarimpactbasins(maria).Other69kgSmallbrecciaandrockfragments,anorthos

64、ite(plagioclase-richplutonicrock),andgabbro(coarse-grainedequivalentofbasalt).Graniteandotherrocktypesareveryrare.Types of samples collectedTherearemanyfewermineralsinlunarrocksthanontheEarth,partlybecauseofthemorelimitedrangeofchemicalcompositionoftheMoon.Theabsenceofwaterandothervolatilesisimporta

65、ntinlimitingthenumberofmineralstoo.Themostabundantmineralsinthemoonarelistedbelow:Silicatesplagioclase(feldspar),calcium-richpyroxene(augite,pigeonite),calcium-poorpyroxene(enstatite),olivine.Thesemineralsarefoundinterrestrialrocks,principallyingabbro,basalt,andtheEarthsuppermantle.Quartz,alkalifeld

66、spars,andrelatedmineralsarerare.Oxidesilmenite(FeTiO3),lvospinel(TiFe2O4),chromite(FeCr2O4),andferropseudobrookite(FeTi2O5).Thesemineralsarefoundinmanyterrestrialrocks,althoughthelatterthreeonlyinbasalt,gabbro,theEarthsmantle,andrelatedrocks.Sulfidestroilite(FeS).ThismineralisextremelyrareontheEarth.MetalsFe.IronisextremelyrareontheEarth(exceptinthecore).Mineralsinlunarsamples第四节第四节陨石的化学成分及其分类陨石的化学成分及其分类Most people are familiar with the termshootingstar,butfewknowitsimportance.Actually,itisnotas