宇宙和地球中元素的分布与分配课件.ppt

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

2、究对象称为体系，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

3、种宇宙体或地质体中（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（、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母体）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）宙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，而且是中的含量。二者既有联系又有区别，而且是一个相对的概念。一个相对的概念。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。而元素在构

4、成地壳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）中石中的分布，则又是元素在地壳（母体）中各子体中分配。各子体中分配。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

5、在地球化学系统（太阳、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

6、中逐渐形成的。形成的。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。宇宙是由数不清的超星系团和星系团组成的宇宙是由数不清的超星系团和星系团组成的，每个星系团都包含了难以计数的星系（如银河，每个星系团都包含了难以计数的星系（如银河系），而系），而1个星系通常拥有成千上万亿颗恒星，个星系通常拥有成千上万亿颗恒星，银河系就是由银河系就是由1000多亿颗像太阳这样的恒星组成多亿颗像太阳这样的恒星组成的。宇宙学原理表明，在宇观尺度上，三维空间的。宇宙学原理表明，在宇观尺度上，三维空间在任何时

7、刻都是均匀各向同性的在任何时刻都是均匀各向同性的.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 地球的特殊性不仅在于其拥有生命，而且在地球的特殊性不仅在于其拥有生命，而且在于其经历了高度的化学分异，形成了清晰的层状于其经历了高度的化学分异，形成了清晰的层状结构。因而，人类可以直接观察的地球表层（地结构。因而，人类可以直接观察的地球表层（地壳）的物质组成不同于整个地球乃至全部太阳系壳）的物质组成不同于整个地球乃至全部太阳系的化学成分。于是，我们通过分析陨石和月球的的化学成分。于是，我们通过分析陨石和月球的样品，遥测行星和太阳大气的成分，从中获得关样品，遥测行星和太阳大气的成分，

8、从中获得关于太阳系组成的知识。本章首先介绍宇宙的成因于太阳系组成的知识。本章首先介绍宇宙的成因和化学元素起源的假说，然后分别讨论太阳系、和化学元素起源的假说，然后分别讨论太阳系、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

9、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

10、的（Gamow,1952Gamow,1952）。）。该假该假说认为，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

11、1-1 宇宙发展简史宇宙发展简史时间（时间（s）温度（温度（K）事件事件10-43 1032 宇宙的开端宇宙的开端10-33 1027 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10-6 1013 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102 109 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1017 2.7K 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

12、：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（Edwin Hubble）在威尔逊山天文台利用当时世界上最大的在威尔逊山天文台利用当时世界上最大的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个星系的运动速个星系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，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

13、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 由此，他认为红移反映了这些星系相对于地球由此，他认为红移反映了这些星系相对于地球正在退行，与地球的距离正在增加。根据多谱勒效正在退行，与地球的距离正在增加。根据多谱勒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

14、+V/C 其中其中1是物体运动时发出的光谱波长，是物体运动时发出的光谱波长，是物体静是物体静止时发出的波长，止时发出的波长，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 哈勃在获得各个星系的退行速度及其到地球的哈勃在获得各个星系的退行速度及其到地球的距离之后意外地发现在速度和距离之间存在明显的距离之后意外地发现在速度和距离之间存在明显的线性关系（见图线性关系（见图1-1），即遥远星系的退行速度（），即遥远星系的退行速度（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=H D其中速度的单位是其中速度的单位是km/秒，距离的单位为秒，距

15、离的单位为106光年（光年（1光年光年=11013km），），H称为哈勃常数（称为哈勃常数（15km/秒秒/106光年），整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 按照哈勃定律，所有的河外星系（即除银河系按照哈勃定律，所有的河外星系（即除银河系而外的其它星系）都在而外的其它星系）都在远离我们远离我们，而且，而且离我们越远离我们越远的河外星系，远离得越快的河外星系，远离得越快。这和宇宙膨胀模型所描。这和宇宙膨胀模型所描述的结果正好相符。哈勃的发现使宇宙膨胀假说得述的结果正好相符。哈勃的发现使宇宙膨胀假说得到了观测的支持，为到了观测的支持，为“

16、宇宙大爆炸宇宙大爆炸”假说的提出奠假说的提出奠定了坚实的基础。定了坚实的基础。2.1宇宙的成因宇宙的成因 “宇宙大爆炸宇宙大爆炸”假说之所以得到科学家的广泛假说之所以得到科学家的广泛接受还要归功于两位美国科学家彭齐亚斯和威尔逊接受还要归功于两位美国科学家彭齐亚斯和威尔逊的杰出工作的杰出工作他们在他们在1965年发现了弥漫在全天空年发现了弥漫在全天空的微波背景辐射（的微波背景辐射（Pengzias and Wilson,1965）。）。大大爆炸理论认为，原始火球在大爆炸后所发出的强烈爆炸理论认为，原始火球在大爆炸后所发出的强烈光辉会随着宇宙的膨胀而日益暗淡下来。这相当于光辉会随着宇宙的膨胀而日益

17、暗淡下来。这相当于随着宇宙空间的增大，单位体积内所含的光子数会随着宇宙空间的增大，单位体积内所含的光子数会越来越少，即背景辐射的温度会越来越低，加莫夫越来越少，即背景辐射的温度会越来越低，加莫夫预测至今这一温度应低到预测至今这一温度应低到5K了。了。可是怎样才能检测可是怎样才能检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，美国贝尔电话实验室的工程师彭齐亚年，美国贝尔电话实验室的工程师彭齐亚斯和威尔逊利用一架精密的射电望远镜进行对天观斯和威尔逊利用一架精密的射电望远镜进行对天观测，结果他们在测，结果他们在7.35cm波长上发现一种具有独特性波长上发现一种具有独特性

18、质的极强的无线电噪声。一般情况下，用天线接受质的极强的无线电噪声。一般情况下，用天线接受到的是来自天线的无线电信号，而不是这种噪声。到的是来自天线的无线电信号，而不是这种噪声。当时似乎所有方向都能接受到这种波长为当时似乎所有方向都能接受到这种波长为7.35cm的的噪声，相当于温度为噪声，相当于温度为3K物体辐射的射线。这一现象物体辐射的射线。这一现象曾使他们百思不得其解。后来在普林斯顿大学迪克曾使他们百思不得其解。后来在普林斯顿大学迪克（R.H.Dicke）教授的帮助下他们认识到这正是加教授的帮助下他们认识到这正是加莫夫所预期的宇宙微波背景辐射温度，于是他们在莫夫所预期的宇宙微波背景辐射温度，

19、于是他们在1965年正式发表了这一重要发现，并因而在年正式发表了这一重要发现，并因而在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 在大爆炸之初，宇宙中化学元素的种类极为在大爆炸之初，宇宙中化学元素的种类极为单一：主要由氢原子和少量的氦原子所组成，其它单一：主要由氢原子和少量的氦原子所组成，其它元素都形成在恒星演化的各个阶段。这是因为恒星元素都形成在恒星演化的各个阶段。这是因为恒星从元素的核反应中获得辐射能以维持其演化，而元从元素的核反应中获

20、得辐射能以维持其演化，而元素的核反应类型又取决于恒星的演化程度及其所能素的核反应类型又取决于恒星的演化程度及其所能提供的反应温度。因此。化学元素的起源假说被称提供的反应温度。因此。化学元素的起源假说被称之为之为“恒星合成元素恒星合成元素”假说。假说。“恒星合成元素恒星合成元素”假说概括了元素合成过程的假说概括了元素合成过程的3种种类型类型:1.氢核聚变反应氢核聚变反应:主星序阶段的所有恒星都是通过主星序阶段的所有恒星都是通过氢核聚变反应获得能量的，核反应的产物是元素氢核聚变反应获得能量的，核反应的产物是元素氦。氦。2.氦核聚变反应氦核聚变反应:当恒星内部的氢全部转变为氦以当恒星内部的氢全部转变

21、为氦以后，氢核聚变停止。此时恒星内部收缩，温度升后，氢核聚变停止。此时恒星内部收缩，温度升高到高到100106K，氦核聚变开始。氦核聚变开始。3.中子捕获反应中子捕获反应:中子捕获反应是恒星演化到最晚中子捕获反应是恒星演化到最晚阶段才开始发生的重要反应，由此产生原子序数阶段才开始发生的重要反应，由此产生原子序数大于大于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 宇宙中化学元素的组成和丰度是对宇宙成因宇宙中化学元素的组成和丰度是对宇宙成因理论和元素起源假说的检验，确定元素在宇宙中理论和元素起源假说的检验

22、，确定元素在宇宙中的丰度是地球化学和宇宙化学研究的重要任务之的丰度是地球化学和宇宙化学研究的重要任务之一。宇宙学原理表明宇宙是均匀的和各向同性的一。宇宙学原理表明宇宙是均匀的和各向同性的，宇宙各部分的化学组成是统一的。根据这一原，宇宙各部分的化学组成是统一的。根据这一原理，人们通常用太阳系平均化学成分来表示宇宙理，人们通常用太阳系平均化学成分来表示宇宙中元素的丰度。中元素的丰度。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

23、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、小行星）和卫星所组成，其中太阳集中了整个太阳系阳系99.8%的质量。的质量。Our solar system consists of the sun,nine planets(and their moons),an aster

24、oid belt,and many comets and meteors.The sun is the center of our solar system;the planets,over 61 moons,the asteroids,comets,meteoroids and other rocks and gas all orbit the Sun.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

25、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-Bode rule(1772):0，3，6，12，24 +4;10 The Terrestrial PlanetsThe Jovian planetsBodySunMercury VenusEarth Mars Jupiter Saturn Uranus Neptune PlutoDistance00.390.7211.525.29.219.230.139.5Density1.415.435.255.523.951.330.69

26、1.291.642.03Radius1090.380.9510.53119440.18 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 太阳系平均化学成分或元素宇宙丰度的确定太阳系平均化学成分或元素宇宙丰度的确定主要依据两类数据。主要依据两类数据。一是根据太阳光谱资料确定一是根据太阳光谱资料确定太阳系中挥发性元素含量。太阳系中挥发性元素含量。目前已知太阳中存在有目前已知太阳中存在有85种化学元素。由于太阳表面温种化学元素。由于太阳表面温度极高，

27、这些元素的原子都处于激发状态，并不断地辐射度极高，这些元素的原子都处于激发状态，并不断地辐射出各自的特征光谱。出各自的特征光谱。太阳光谱的谱线数目和波长主要取决太阳光谱的谱线数目和波长主要取决于太阳表层中所存在的元素种类，而这些谱线的亮度则主于太阳表层中所存在的元素种类，而这些谱线的亮度则主要取决于元素的相对丰度。要取决于元素的相对丰度。因此，通过测定太阳光谱中不因此，通过测定太阳光谱中不同波长谱线强度，就可得到太阳表层元素的丰度。氢和氦同波长谱线强度，就可得到太阳表层元素的丰度。氢和氦是太阳大气中最主要成分，这两种元素的原子几乎占了太是太阳大气中最主要成分，这两种元素的原子几乎占了太阳中全部

28、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 二是根据球粒陨石的化学组成确定太阳系中非二是根据球粒陨石的化学组成确定太阳系中非挥发性元素的组成和含量。挥发性元素的组成和含量。球粒陨石主要由硅酸盐矿物组成，含有细小的圆形球粒球粒陨石主要由硅酸盐矿物组成，含有细小的圆形球粒，称作陨石球粒。这些球粒是在非平衡条件下，从热的、，称作陨石球粒。这些球粒是在非平衡条件下，从热的、低密度和部分电离的气体中直接凝聚出来的（低密度和部分电离的气体中直接凝聚出来的（Blander et al.,1969），），只有太空才能满足这样的条件。因此，球粒陨只有太空才能满足这样的条件。

29、因此，球粒陨石可能代表着太阳系中各个行星的原始母质，从而成为探石可能代表着太阳系中各个行星的原始母质，从而成为探索太阳系中重元素或非挥发性元素的宝贵样品。索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 在获得上述两类数据以后，通常采用太阳光在获得上述两类数据以后，通常采用太阳光谱数据确定宇宙中谱数据确定宇宙中H、He和其它挥发组分的丰度和其它挥发组分的丰度，并根据球粒陨石的分析结果确定宇宙中，并根据球粒陨石的分析结果确定宇宙中其它非其它非挥发性元素的含量挥发性元素的含量，其中分布广的非挥发性元素，其中分布广的非挥发性元素（例如（例如Si）在两类数据间的部

30、分重叠被用来将两种在两类数据间的部分重叠被用来将两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 按照这一模式，按照这一模式，1937年戈尔德斯密特编制了第年戈尔德斯密特编制了第一个适用的元素及同位素在宇宙中的丰度表，以一个适用的元素及同位素在宇宙中的丰度表，以后又不断有新的宇宙中元素丰度表问世后又不断有新的宇宙中元素丰度表问世，比较这比较这些元素的宇宙丰度表些元素的宇宙丰度表,可以看出：可以看出：虽然不同作者虽然不同作者在计算方法和数据取舍上有所偏颇，但所得结果在计算方法和数据取舍上有所偏颇，但所得结果却大同小异。却大同小异。表中元素丰度值采用的是相表

31、中元素丰度值采用的是相对于对于106个个Si原子的各个元素的原子数原子的各个元素的原子数，即，即原子丰度值原子丰度值，选择，选择Si作为标准是因为该元素分布广且挥发性又作为标准是因为该元素分布广且挥发性又小，因而稳定性好。宇宙中元素的分布是极不小，因而稳定性好。宇宙中元素的分布是极不均一的，其含量差别达到均一的，其含量差别达到10个数量级以上；然而个数量级以上；然而又是有规律可循的。又是有规律可循的。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）宇宙中最丰富的元素为宇宙中最丰富的元素为H和和He。H/He比值为比值为12.5。（2

32、）原子序数较低（原子序数较低（Z50），不仅元素的丰度低，而且丰度值几乎不变，即不仅元素的丰度低，而且丰度值几乎不变，即丰度曲线近乎水平。丰度曲线近乎水平。（3）原子序数为原子序数为偶数的元素偶数的元素其丰度值大大高于原其丰度值大大高于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相邻的元素相邻的元素Li、Be和和B具有很低的具有很低的丰丰度，按较轻元素的丰度水平它们是非常亏损的度，按较轻元素的丰度水平它们是非常亏损的元素；元素；O和和Fe呈明显的峰呈明显的峰出现在元素丰度曲线出现在元素丰度曲线上

33、，说明它们是过剩的元素。上，说明它们是过剩的元素。（5）Tc和和Pm没有稳定性同位素，在宇宙中不没有稳定性同位素，在宇宙中不存在；原子序数大于存在；原子序数大于83（Bi）的元素也没有稳的元素也没有稳定同位素，它们都是定同位素，它们都是Th和和U的长寿命放射成因的长寿命放射成因同位素。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）质量数为质量数为4的倍数的核素或同位素具有较的倍数的核素或同位素具有较高的丰度，如高的丰度，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 通过对这些规律的分析，人们逐渐认识到通

34、过对这些规律的分析，人们逐渐认识到宇宙中宇宙中元素丰度的分布与元素的化学性质无关元素丰度的分布与元素的化学性质无关，而主要受原子核的结构控制，而主要受原子核的结构控制。原子核由质子。原子核由质子和中子组成，其间既有核力（结合力）又有库和中子组成，其间既有核力（结合力）又有库仑斥力，当中子数和质子数比例适当时，核较仑斥力，当中子数和质子数比例适当时，核较稳定，而具有稳定核结构的元素一般分布较广稳定，而具有稳定核结构的元素一般分布较广。原子序数低的轻核容易达到质子和中子数的。原子序数低的轻核容易达到质子和中子数的平衡，例如平衡，例如16O、24Mg、28Si、40Ca 的原子核的原子核中具有中子中

35、具有中子/质子质子=1，核最稳定，核最稳定，因此这些元素，因此这些元素具有较大的宇宙丰度。具有较大的宇宙丰度。三、元素在宇宙中的丰度三、元素在宇宙中的丰度 随着原子序数的增加，核内中子数的增加随着原子序数的增加，核内中子数的增加速度往往大于质子数，原子核趋于不稳定，故速度往往大于质子数，原子核趋于不稳定，故而元素和同位素的丰度降低。偶数元素的原子而元素和同位素的丰度降低。偶数元素的原子核内，核子倾向成对，根据量子力学计算，此核内，核子倾向成对，根据量子力学计算，此时原子核能降低，核稳定性增大，因而这种元时原子核能降低，核稳定性增大，因而这种元素在自然界中的分布较广。素在自然界中的分布较广。三、

36、元素在宇宙中的丰度三、元素在宇宙中的丰度 此外元素的恒星合成过程也决定了元素的此外元素的恒星合成过程也决定了元素的丰度大小。例如丰度大小。例如LiLi、BeBe、B B作为氢燃烧的一部分作为氢燃烧的一部分而转换成而转换成HeHe，造成了宇宙中这部分元素的亏损造成了宇宙中这部分元素的亏损。又。又如如O O和和FeFe的丰度异常地高是因为这两种元素的丰度异常地高是因为这两种元素是氦燃烧的稳定产物。是氦燃烧的稳定产物。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。196

37、9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;Toksoz et al.,1972），对探讨太阳系的起源和地球的演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Cleme

38、ntine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3He 50kg，以1992年全球用电量计算，如果全部使用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

39、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

40、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

41、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

42、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Ages of lunar rocksThe oldest rocks are anorthosites in the lunar highlands(ancient crust,4.3-4.4 billion years old).Impact breccias are mostly from the giant maria-excavating impac

43、ts(3.9-4.3 billion years old).Mare basalt that covers the maria floors was formed by melting of the lunar mantle.These basalts gradually filled the maria as a series of lava flows(3.1-3.9 billion years old).Volcanic glass is scattered throughout the lunar regolith,although few volcanoes have been po

44、sitively identified.This glass(1.3-3.5 billion years old)largely post-dates the mare basalts.Since 1.3 billion years ago there is no evidence of any geologic processes except meteorite impacts and some mass wasting processes such as landslides.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

45、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Fe Cu Ni Ru RhPd Os Ir Pt CuAu Mo W Re GeAs Sb Sn (Ga)(Bi)S Se Te Fe Ag Cd Hg Tl Pb BiIn (Mo)Li Na K Rb Cs Be Mg Ca

46、Sr Ba B Al Sc Y La-Lu Si Ti Zr Hf Th P V Nb Ti Mn Fe O Cr U ZnGa F Cl Br IHe Ne Ar Kr XeH N C三、月球的组成三、月球的组成如前所述，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。从中可见，由于月球上缺少大气圈，缺少氧化作用，中可见，由于月球上缺少大气圈，缺少氧化作用，因此所有的因此所有的Fe都以都以FeO

47、形式存在。与地球玄武岩相形式存在。与地球玄武岩相比，月球玄武岩相对富含比，月球玄武岩相对富含FeO、MgO和和TiO2而贫而贫含碱金属；在微量元素方面，月球玄武岩则以富含含碱金属；在微量元素方面，月球玄武岩则以富含Cr、Zr、Th、REE等难熔元素为特征。月球斜长等难熔元素为特征。月球斜长岩的主要组分为岩的主要组分为SiO2、Al2O3和和CaO，其中其中CaO的的含量明显比地球斜长岩高，而含量明显比地球斜长岩高，而SiO2、Na2O和和K2O的含量则明显低于地球斜长岩中的含量。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

48、 对月球观察和自月球表面采回的月岩、月壤标本的对月球观察和自月球表面采回的月岩、月壤标本的研究结果表明：研究结果表明：（1)月球与地球都是太阳系的成员，均在距离月球与地球都是太阳系的成员，均在距离“原原太阳太阳”非常相似的距离内凝聚形成，二者演化过程有非常相似的距离内凝聚形成，二者演化过程有许多近似之处。但由于形成二者的初始物质组成上的许多近似之处。但由于形成二者的初始物质组成上的差异、体积和密度的不同等原因，也导致它们演化过差异、体积和密度的不同等原因，也导致它们演化过程有许多差异。现今月球表面的特征似乎可以比拟作程有许多差异。现今月球表面的特征似乎可以比拟作地球发展的早期阶段，因此，月球的

49、研究资料成为了地球发展的早期阶段，因此，月球的研究资料成为了解地球早期（距今解地球早期（距今3146亿年）阶段演化特征的一个亿年）阶段演化特征的一个重要方面。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、月球和地球若干特征对比 （2）鉴于目前地球上所发现的最古老的岩石同位）鉴于目前地球上所发现的最古老的岩石同位素年龄（素年龄（3737.5亿年）和月岩的最老的同位素年亿年）和月岩的最老的同位素年龄（龄（A-14的样品为的样品为39.5亿年是最老的，亿年是最老的，A-11及及A-16的样品为中等年龄的样品为中等年龄3437亿年）很为接近，同时，亿年）很为接近，同时，月球演化在

50、距今月球演化在距今31亿年以来几乎处于亿年以来几乎处于“停滞停滞”状态状态，如果把月球原始结晶岩石看作地壳早期形成的岩，如果把月球原始结晶岩石看作地壳早期形成的岩石的话，这就说明今天地球上存在的花岗岩质的大石的话，这就说明今天地球上存在的花岗岩质的大陆型地壳、水圈和大气圈等，是在地球后来的演化陆型地壳、水圈和大气圈等，是在地球后来的演化和发展过程中产生的。和发展过程中产生的。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）从月球表面采回的月岩标本无论在地）从月球表面采回的月岩标本无论在地球化学特征（岩石的化学成分和矿物成分球化学特征（岩石的化学成分和矿物