2017年2月16日元素的丰度和性质
第一节：元素的性质
课程提要：各种角度的元素周期表；化学键－chemical bonding；元素的性质与分类；同位素－稳定的，放射性的
元素周期表：要掌握元素周期表常见元素（前四排以及一些地球化学意义重要的元素）的英文拼写和发音(Hydrogen, Helium, Lithium, Beryllium)，非常有助于我们和国际同行交流。我们今天将会以元素周期表为基础，系统讨论元素的地球化学性质。
绩效管理理论一个常用来衡量元素化学性质的参数是电负性，指的是元素获得电子的能力。电负性越强，越强容易形成阴离子，越弱越容易形成阳离子。
手机触屏原子的外层电子排布：围绕原子核的电子排布系统变化，最外层电子决定原子间的化学性质，特别是化学键。要了解元素的化学性质，需要知道元素在周期表中的位置，能够给出电子层排布。我们常见的主要元素用黄色标出，它们都在前四排，其它元素在岩石中的含量通常低于1000ppm。为什么过渡族中接近的元素化学性质相似？例如，第四周期的过渡中元素（ Fe, Co, Ni)的电子排布方式是[Ne]3s23p63d i4S2, 而它们的二价离子都是丢失了4s轨道的两个电子，电子排布都是Ne]3s23p63d i。这些元素只在3d
轨道的电子数上有差别，最外层都是一样的4s壳层，这就是它们化学性质相似的原因。镧系元素容易失去两个6s电子和一个5d电子或失去两个6s电子和一个4f电子，所以一般能形成稳定的+3价。
元素的第一电离能在周期表中的变化。电离能越低，越容易被离子化。对同位素质谱分析的意义？
离子半径在元素周期表内有规律的变化，离子半径对理解元素的性质至关重要。一般来说从上到下，离子半径增加。从左到右，离子半径减小，原因是什么？同一个离子，配位数越大，离子半径越大。镧系收缩的原因是什么？为什么Cu+、Ag+和Au+的半径比其左邻大很多？常用的离子半径数据可以从Shannon 1976的文章中得到。
思考：什么是离子半径？假设离子是球形的比较好理解离子半径，但是离子若是纺锤形的呢？有没有更好的办法表征离子的化学性质和空间形态？
镧系收缩：镧系元素原子和离子半径随质子数增加而减小，第四排到第五排的离子半径变化没有预期的那么大，甚至减小。所以Zr－Hf性质类似，Nb－Ta成为geochemical twins。原子核正电荷不断增加，虽然电子不断地填充4f轨道，电子不足以屏蔽原子核，因此原子核对6s层电子的吸引越来越强，因此离子半径越来越小。由此带来一系列重要的物理和化学效应，例如离子半径和元素分配等等。
元素的分类：对于地球化学家，最重要的元素分类是Goldschmidt分类，亲石元素（容易呆在地壳地
幔岩石中），亲铁元素（容易进入地核），亲铜（硫）元素（容易形成硫化物），亲气元素。有用的补充：大离子亲石元素，高场强元素，镧系元素，锕系元素。注意：元素的性质会随地质条件变化，例如温度、压力、f O2、f S等等。这些繁琐的分类貌似非常枯燥，但是其根本原因在于电子排布，了解了电子排布就知道其地球化学性质，就知道它们属于哪一类元素，会非常方便我们理解地球化学数据和利用这些数据研究各类地球科学问题。不需要死记硬背，需要灵活理解。不要机械的理解分类，要领会其根本，即化学性质的变化。
根据元素的水溶性，分成易溶、中度可溶、难溶元素。留心它们在周期表中的位置，碱金属和碱土金属，或者高价过渡金属。元素的水溶性对于它们在上地壳和水圈中的丰度和循环至关重要，例如Mg和Li同位素和Sr同位素，例如为什么陆壳的成分富集SiO2而贫Mg。
蒸皮皮虾根据元素从气体中凝聚的温度分为高度挥发、中度挥发和难挥发元素，这个划分有助于我们理解太阳系、球粒陨石和地球的成分异同，有助于理解地球的形成和演化过程。地球的挥发性元素含量低于CI球粒陨石，但是难熔（难挥发）元素类似于球粒陨石，此为支持地球来自类似球粒陨石物质的主要证据之一。
94属什么
根据元素在地质样品中的含量分为主要元素、次要元素和微量元素。微量元素的行为符合亨利定律。注意：主微量可以在不同样品中发生转化，例如K在地壳是主要元素，在地幔和地核中则是微量元素。
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），有助于我们了解硅酸盐熔体中阳离子的化学行为和位置，例如熔体结构对元素分配的影响。
分配系数和元素的相对相容性：来自岩浆作用的研究中。最常见的定义是某元素在热力学平衡的两相之间含量的比值，矿物/熔体D M＝[M]矿物/[M]熔体，矿物/熔体D M>1，此为相容元素。矿物/熔体D M<1，不相容元素。矿物/熔体D M是温度、压力、矿物成分、熔体成分、氧逸度等的复杂函数，相容性可能发生转变，例如Sr在斜长石中相容，但是在单斜辉石和斜方辉石中不相容。重稀土在透辉石中一般不相容，但是在富铝的单斜辉石中可能相容。
最后我们来讲述一下原子的稳定性，这决定了为什么有的同位素稳定、有的有放射性。物理学半经验公式：E＝。。。，（教材上公式1.1）原子为了稳定存在，它必须拥有一定的中子和质子数，在稳定谷中的原子都是稳定的，远离稳定谷的原子是不稳定的，具有放射性。但是在地球化学上，长半衰期的同位素（>10亿年）由于其比值在人类活动的时间内不因为衰变而改变，有时候也可以看成稳定同位素，例如238U－235U。魔术数：当中子或者质子个数符合魔术数的时候，原子核非常稳定。Z = 2, 8, 20, 28, 50, and 82，所以50Sn有10个同位素。双魔术数的定义和预测。以上是元素的性质。
介绍一个地球科学家的元素周期表，里面提供的信息挺多的，还有中文版。跟大家交流，有没有好的元素周期表的app？
第二节：元素的丰度
提问：上节课回顾了地球科学基本知识，重要的地幔矿物有哪些？太阳系类地行星有哪些？太阳系的主要成分？陨石的地球化学意义？地球的结构？板块漂移的驱动力？矿物的化学式(石榴石X3Y2Z3O12，X = Mg ,Fe2+, or Ca2+; Y = Al, Cr, or Fe3+; Z = Si. X位为8配位，Y位置为6配位，Z位为4配位。)。课程提要。
本次课程的主要内容包括：回顾一下化学中元素的性质、讲解丰度的概念，为什么要研究丰度问题，谈到丰度我们首先要定义在什么体系里的丰度，因此涉及到地球化学储库的概念，有哪些代表性的地球化学储库，最重要的储库或者端元包括太阳系、球粒陨石、地球、硅酸盐地球（原始地幔）、铁质地球（地核）、洋壳、陆壳（上中下）、洋中脊玄武岩、水圈等等。人类活动也可以是重要储库。
丰度的定义：元素或者物质在体系中所占的相对份额。丰度的研究是第一级重要的地球化学问题。为什么要研究元素的丰度？丰度的地球化学意义是什么？孙贤鉥奖。
丰度的地球化学意义：（1）地球化学研究或者自然科学研究的首先任务是了解自然是什么，因此我们要知道元素分布情况。（2）了解丰度为我们研究地球乃至太阳系的形成和演化提供基础背景，例如微量元素均一化图，例如金属元素矿的背景值。（3）了解丰度对研究物质的循环和分异至关重要。（4）利用地球化学储库的典型特征来简化科学问题。
为什么要采用原始地幔或者球粒陨石均一化微量元素组成？（1）由于元素含量的奇偶效应，直接观察其绝对值不直观，因此利用某个端元来消除奇偶效应。（2）有助于我们看到元素的富集和亏损信息，更好的利用地球化学数据来研究元素的迁移和富集亏损机制。例如岛弧岩浆岩。问题：微量元素的顺序是什么？岩浆作用时的相对相容性。
一个技术细节：REE一般用chondrite(Sun and McDonough, 1989)去归一化，微量元素图解一般用Primitive mantle (McDonough and Sun, 1995)去归一化
如果假设地球成分类似于球粒陨石（地球来自和CI球粒陨石地球化学性质类似的物质的证据是什么？难挥发元素的组成），则元素在地球各个储库中的丰度加权平均应该和球粒陨石一致，因此利用丰度可以反演地质过程中的物质循环和分异。星云物质旋转聚集形成太阳和小星子，小星子撞击形成行星胚胎，行星胚胎撞击形成几大行星和月球。地球的早期可能存在岩浆海过程，为什么？对我们研究地球化学的意义是什么？地球进一步分异形成大气层和水（水的来源仍然有争议），原始地幔和地核。原始地幔熔融形成洋壳，洋壳熔融产生陆壳。这一系列过程应该在最初50－100个百万年内完成。之后地幔演化成亏损地幔，亏损地幔受到交代形成富集地幔，地核分异成内核和外核，洋壳俯冲新生再循环，陆壳增生和分异，大气继续演化，在这一系列过程中，我们利用丰度来研究地球的演化、物质的分异和循环。问题：地球的挥发性物质如何变化？地幔如何演化？科学方法：要敢于质疑，要搞清楚重要的科学假设是否成立。
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要深入了解丰度的重要性，我们需要建立储库或者端元的概念。储库：一个相对独立均一的(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，可以指一类特定的岩石或者地体单元。端元：具有某种地球化学特征的组分，更多强调其地球化学意义。端元的定义多是为了解释地球化学数据，它客观存在，但是其岩石学和矿物学意义不明确，储库则可以有具体的岩石矿物实体。
太阳系的化学组成：H和He是最重要的元素，来自大爆炸。问题：太阳系的年龄是多少？来自什么方法？紧挨的Li、Be和B含量很低，因为它们在大爆炸过程中以及后来的核反应中很少被合成。最重要的重元素是Fe、Ni，它们在一系列的核反应中处于统计学上的稳定位置，我们以后的课程会详细讲这个问题。元素丰度有两个趋势：奇偶效应以及丰度随元素质量降低。
太阳系的丰度如何测得？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。
雪中送炭的反义词
把来自光球图谱的元素在太阳中的丰度和CI球粒陨石进行对比，发现绝大部分元素落在1：1的直线上，解释了CI球粒陨石和太阳的关系，也通过了独立的方法来估计太阳系的元素丰度。为什么H、He、Xe不在1：1的线上？为什么球粒陨石的Li比太阳系高？Li在核反应过程中被烧掉了。
为什么球粒陨石重要：先谈一下陨石的分类，绝大部分陨石是石质陨石，6%是铁陨石或者石铁陨石。
86%的陨石是球粒陨石，8%是非球粒陨石。球粒陨石中最引人瞩目的是碳质球粒陨石(4.6%)，其中CI型球粒陨石被认为是富含挥发份最多的陨石（22%的水和有机物），因此最原始，与太阳中元素组成最相似，是地球的最重要的物质组成（building blocks）。问题：陨石如何采集？陨石的地球化学意义？陨石反映了太阳系最早期的历史，甚至可以发现太阳系形成之前的物质，陨石中还会存在某些非常特殊变化极大的地球化学数据，而这些特征在高度演化的地球中消失了。
展示一下陨石的详细分类。
哪些方法让我们获得全地球的平均成分。目前应用较多的是星云平衡凝聚模型计算，假定不同成分的矿物依次凝聚：富钙铝和其它难熔元素物质，铁镍金属和含镁硅酸盐，碱金属硅酸盐，FeS和FeO，假定挥发性相近的元素比值不变，然后选取U－Fe－K－Tl含量以及它们和其它微量元素比值计算其它元素的含量。全地球的成分来自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？一个假设的地球化学端元，地核出现之后地壳出现之前的地幔。
CI球粒陨石和地球的关系：直到现在，CI球粒陨石和全地球或者地球各个圈层的对比仍然是非常重要的问题，从根本上影响我们对地球形成和演化的理解。因此非常有必要在这里讲一下球粒陨石或者太阳系的地球化学成分的模型，以及和全地球成分的异同。需要指出的是，全地球的成分基于一些重要假设，这些假设
仍然没有得到很好的验证。CI球粒陨石和地球有如下异同：地球的主要造岩元素（Si、Mg、Fe、S、A和Ca）和太阳系以及球粒陨石组成一致；二者都富集难熔元素，其它球粒陨石相对亏损；如果地球的核有5%的Si，地球和CI球粒陨石的Mg/Si相同，而普通球粒陨石和方辉球粒陨石较低；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，而普通球粒陨石和方辉球粒陨石的亏损模式不一样，它们的Na和Mn不相对Si亏损。地球和碳质球粒陨石的53Cr/52Cr－53Cr/55Mn同位素一致，表明中度挥发性元素的亏损都发生在固体在星云中形成之后的很短时间内（5倍53Mn的半衰期－3.7Ma）（Palme & O’Neill, 2003, Treati on Geochem.）。不同之处：地球有太多Fe，其Fe/Mg比碳质球粒陨石高，这可能说明地球碰撞增生时，有硅酸盐部分丢失；地球的O同位素和碳质球粒陨石的不一样（我们以后会讲到O同位素在天体化学中的应用）；二者的Cr和Ti同位素组成不一样。最近的研究说明亲铁元素的同位素体系，二者都略有区别（例如Si），而Mg同位素组成可能一致。尚有问题：全地球的模型是否可靠？浅层地幔和深部地幔是否一致？
形容小气的词语要理解地球元素的丰度，我们需要了解一些元素的挥发性。50%凝结温度指的是10-4bar下，元素在气体中凝结50%时的温度。纵坐标是以原始地球1AU距离内太阳系星云物质的总量按照CI球粒陨石的Mg含量均一化的值。很多元素的含量和原始地球的星云物质总量不符，说明什么问题？挥发。
如何获得陆壳平均成分：陆壳的平均组成是一个古老而重要的地球化学问题，早在十九世纪末至二十世纪上半叶，以F.W. Clark和V.M. Goldschmidt为代表的欧美地球化学家们就对这一问题进行过广泛的
研究。陆壳由上地壳和下地壳组成，有的研究还在二者之间定义了过渡的中地壳。目前主要有两种方法来估计上地壳的平均组成：1，对地表出露的岩石的化学组成进行加权平均；2，测量细粒沉积岩或者冰川沉积物的化学组成（例如页岩、泥岩、粉砂岩、黄土、冰碛岩等）。中、下地壳的平均成分可以用地震资料以及出露或者抬升的中、下地壳（包体或者地体）的化学组成来得到；而大陆地壳的组成则来自陆壳各层的加权平均。此外，对地热和中微子的测量也可以制约某些放射性的微量元素（K，U，Th）组成。思考题：这些方法各有什么利弊？成本，代表性。
以上地壳稀土元素为例说明丰度如何帮助我们理解地体的成因，轻稀土富集，重稀土亏损，说明需要有残留矿物使得稀土元素分异，可能的矿物有哪些？Eu负异常是什么造成的，说明什么温度压力条件？斜长石存在，说明压力不太高，否则石榴子石替代斜长石。
水圈的化学组成：我们更关心水圈里面除了水之外有些什么东西。阳离子，阴离子，有机物，时空变化（涉及到古环境和现代环境的问题），化学物质的来龙去脉，水的循环，碳的循环等等。
一些重要的参考文献和数据库。问题：洋中脊玄武岩的地质意义？新生洋壳，地幔地球化学。洋岛玄武岩？地幔柱。岛弧玄武岩？地幔楔熔融，俯冲物质循环。还有哪些重要玄武岩？板内玄武岩。花岗岩？上地壳成因。安山岩？陆壳平均成分。流纹岩？大规模火山爆发。加强对各类岩石地质意义的理解，提高对数据和岩石学观察结果的敏感性。
下节课阅读材料。布置作业，第22页，3，4，5，7，9，10。先把题目翻译一遍，然后作答。用excel或者origin作图，要求美观大方，字体图标大小合理。2月21日上课前交作业。
讨论题：为什么要研究类地行星？提供不少于3个理由。元宵节吃什么食物
