第二章 地球化学概述.docVIP

第一节 概述 天体化学(Cosmochem以ry)又称空间化学(Space Chemistry)，研究宇宙空间化学元素及其同位素的起源与分布，各类天体的物质组成和化学演化，是空间科学，地球科学和天文学相互杂交渗透而产生的一门新兴学科“J。 19世纪初对太阳光谱的拍摄和少量陨石的研究，开拓了对恒星和其他天体化学成分的研究，从而诞生了天体化学。20世纪50年代以来，相继发射了人造地球卫星和各种行星际空间探测器，对太阳系空间及各天体的磁场、大气层、表面物质特征、地质构造和内部结构进行了探测，太阳系空间和行星探测的丰硕成果，使天体化学产生了许多新的分支学科；自1969年Ap0110登月计划实施以来，6次Apollo和3次Luna登月探测与取样，月球的综合研究使人类从整体上对月表、月壤、月岩‘岩浆与火山活动、内部结构和演化历史以及地月系起源增添了许多新认识；对全世界已收集的2000多次降落的陨石和南极洲发现的16000多块陨石进行的多学科综合研究，对元素起源，太阳系物质来源，元素宇宙丰度，太阳星云凝聚过程，太阳系演化时间序列，宇宙线时空变化和生命前期有机质的化学演化都取得了许多新的实验证据与理论依据；地球科学中的地球化学，地球物理和比较行星地质学等学科的发展；推动了天体化学与地球科学的结合。总之，天体化学的研究领域在不断扩展，研究内容逐渐深化，研究手段日益更新，研究成果大量涌现，分支学科相继创立，已成为一门新兴的，综合性的基础科学。第二节元素的丰度和元素的起源一、元素丰度 元素丰度是指化学元素及其同位素(核素)在宇宙各类物体中的相对含量。空间化学测量探讨元素及其同位素在地球、月球、太阳系其他天体、太阳、恒星和宇宙线中的分布量，研究元素在各类天体中的丰度与分布规律是研究元素起源理论的依据，是解释各类天体演化过程的基础。 ． 近十多年来，随着空间技术和实验室分析技术的迅速发展，对天体的观测已从地面发展延伸到空间探测，从可见光谱分析扩展到红外、紫外、射电、X射线与Y射线波段和核素粒子的直接探测，对地外物质的元素和同位素丰度进行高精度测定，得到了更准确的元素与核素丰度。 1．太阳系丰度和宇宙丰度 元素的太阳系丰度也称为宇宙丰度，系指整个太阳系的元素与同位素的原始丰度。这一丰度值是根据太阳光球的光谱测定和CI型碳质球粒陨石的分析得出的。因为C I型碳质球粒陨石最接近原始太阳星云的化学组成，它经历的化学分异过程最少，其挥发性元素丰度比各类陨石均高，与太阳的Na／Ca，S／Ca，Si／Ca丰度比值相等，其非挥发性元素的丰度可代表太阳系的元素丰度，且能给出光滑的核素丰度曲线。目前必威体育精装版的太阳系元素及其同位素(核素)的丰度值是E．Anders和N．Grevessel989年发表的，其太阳系元素丰度值见表1．8。2．核素的宇宙丰度特征 核素的宇宙丰度按其质量的分布作图，其质量分布曲线如图1．2。它具有如下特征：(1)氢和氦是丰度最高的两个元素，约占总原子数目的99％或总质量的97％；(2)随着原子质量数A的增大，元素的丰度逐渐减小，A＞100时丰度曲线的斜率显著减缓而Li、Be、B与相邻元素相比较丰度特别低；(3)A为偶数的元素较相邻的A为奇数的元素丰度大，4具有4的倍数的核素(如’’C、l‘O、2。Ne、‘。Ca等)较邻近元素的丰度大；(4)在所有元素中铁的结合能最大，因此A从50至70出现以‘‘Fe最大的丰度峰，在A为80与90，130与138，196与208处丰度曲线出现双峰。二、元素的起源 元素的起源是研究各种元素的形成过程、条件和合成的场所，及其在宇宙中的丰度分布量与规律。合理地解释核素丰度的特征是元素起源的理论的基础。早期提出的假说有：平衡过程假说，中子捕获假说，中子裂变假说等。1957年E．M．Burbidge等提出了元素在恒星中合成的假说(即B2FH理论)，将元素起源与恒星演化紧密结合。现代元素起源理论综合了大爆炸宇宙学理论和恒星演化中通过各种核聚变、核反应逐步合成的。宇宙大爆炸产生了两个丰度最大的核素’H和‘He，以及少量的’H、’He和’Li，而大多数核素是在恒星内部的核过程中产生的，核合成类型与恒星演化过程密切相关。1．大爆炸宇宙的核合成过程 标准大爆炸宇宙学模型表明，宇宙刚诞生时密度近乎无穷大，温度＞10’”K，宇宙中没有原子核，只存在基本粒子和反粒子，同时发生粒子物理反应。随着宇宙的不断膨胀，物质密度减小，温度下降，当温度大约降到10‘’K时(约在大爆炸后3分钟)，有可能发生质子(P)与中子(。)的反应，生成员(D)，核同时放出光子(Y)，P十。一D十Y，其后 D十P一’He十Y’He十’He‘‘He十2P十2Y 9HE十‘He‘’Be十Y ’Be十