宇宙和地球中元素的分布与分配

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1、地球化学Geochemistry第一章宇宙和地球的元素组成第一节基本概念第二节宇宙中元素的组成第三节月球的元素组成第四节陨石的化学成分及其分类第五节地球的元素组成第一节基本概念地球化学体系元素的分布元素的分配元素的丰度元素丰度的研究意义1.地球化学体系体系和环境：在热力学中，把研究对象称为体系，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广度性质和强度性质之分。前者具有加和性，例如体系的V，n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地球化学体系，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

2、时间连续。2.分布与分配的概念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）中的含量。二者既有联系又有区别，而且是一个相对的概念。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中的分布，则又是元素在地壳（母体）中各子体中分配。元素在地壳中的原始分布受控于：元素的起源元素的质量原子核的结构和性质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：地质作用中元素的迁移元素的化学反应元素

3、电子壳层结构及其地球化学性质3.丰度的概念丰度是指化学元素在地球化学系统（太阳、行星、陨石、地球、地圈、地壳）中的平均分布量。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形成的。一些重要的地球化学基本理论问题都离不

4、开地球化学体系中元素丰度分布特征和规律研究。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（如银河系），而1个星系通常拥有成千上万亿颗恒星，银河系就是由1000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，三维空间在任何时刻都是均匀各向同性的.第二节宇宙（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样品，遥测行星和太阳大气的成分，从中获得关于

5、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、地球、月球和陨石的化学组成问题。第二节宇宙（太阳系）的化学组成第二节宇宙（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其历史作出描述。“宇宙大爆炸”假说就是目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认，并被称为现代宇宙成因假说。2.1宇宙的成因一、现代宇宙

6、成因假说“宇宙大爆炸”假说是由美国天体物理学家加莫夫最先提出的（Gamow,1952）。该假说认为，大约在150亿年以前，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，宇宙开始了自身的演化历史。表1-1宇宙发展简史时间（s）温度（K）事件10-431032宇宙的开端10-331027产生量子不对称，物质与反物质不等量10-61013夸克结合成质子和中子等强子102109轻原子核形成1012约40

7、00K中性原子形成1016星系开始形成10172.7K今天的宇宙背景光子辐射2.1宇宙的成因“宇宙大爆炸”假说最直接的证据来自于对宇宙膨胀假说的证实：1929年，美国著名天文学家埃德温·哈勃（EdwinHubble）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18个星系的运动速度以及这些星系到地球的距离。结果发现所有这些星系的光谱都有红移现象，2.1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，并出现光谱线红移即光谱线向长波方向移动的现象。这如同远离我们而去的列

8、车发出的汽笛声，我们听到时会感到其频率降低，音调变低