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【气体地球化学科普】 地球之宝——稀有气体,你不知道的秘密! 精选

已有 15276 次阅读 2023-3-2 07:17 |个人分类:地球科学|系统分类:科普集锦

   稀有气体在常温常压下,它们都是无色无味的单原子气体,很难进行化学反应,也叫惰性气体。稀有气体共有七种,它们是氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)、氡(Rn,放射性)。这些元素在地球的大气中的含量极低,但却在地球化学和地球科学研究中扮演着重要的角色。不仅可以帮助了解地球的演化历史,还可以在各种领域中得到广泛应用。稀有气体可以用来研究地球内部的物质循环。例如,氦气可以通过研究其在地球内部的来源和运移过程,帮助我们了解地球的构造和演化历史,氦也可以用来研究地球内部物质的循环,尤其是岩石圈和地幔之间的物质交换。稀有气体还可以用于地下水资源勘探。例如,氡气可以作为地下水中放射性元素的指标,帮助我们评估地下水的安全性和可持续性。此外,稀有气体还被广泛用于天文学和宇宙学研究中。氦气在日常生活中应用也极为普遍,比如潜水,通过结合氧气与氦气,能够减少深处呼吸阻力,并且起到缩短减压停顿时间的作用,有效的消除氮麻醉,让潜水者能够在水下停留更长时间。

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图1. 稀有气体放电的颜色和光谱 

   1. 氦是一种重要的稀有气体,在地球上占据了非常小的比例,大气中氦的含量大约5.4ppm。氦气在地球科学和地球化学领域中扮演着重要角色。那么,氦气的来源是什么,它在地球化学中有哪些重要的意义呢?氦气主要来源于地球内部。由于其原子量轻,氦气在地球内部流体中的相对含量较高,尤其是在地下水和石油中。地球上的氦气主要来自于两个来源:一是从地幔中释放出来的原生氦,另一个来源是来自放射性元素的衰变。地幔中含有大量的氦气,这是由于氦气具有极好的渗透性和扩散性,因此它可以在岩石中以气态形式存在。原生氦是在地幔中产生的,而放射性氦则是通过放射性元素的衰变而产生的。放射性氦是由放射性元素产生的,包括钾、铀和钍等。这些元素的衰变过程会产生氦气同位素,例如钾-40衰变成氩-40,而这个过程中也会产生一个氦同位素。在地球地壳中,放射性氦主要存在于矿物中,特别是在含有放射性元素的岩石和土壤中。由于放射性氦是由放射性元素衰变而来,因此它的含量通常与这些元素的含量有关。在地球化学中,氦气的主要应用是作为地球物理探测的重要工具。由于氦气在地下的扩散速度非常快,因此可以用来判断地下水和石油等地下流体的含量、流动速度和运移路径等。此外,氦气还可以用来研究地球内部的构造和演化过程,例如通过研究氦气在地球内部的分布和演化,可以了解地球内部的热流、地震活动等重要信息。总的来说,氦气在地球化学中具有重要的作用,它不仅是地球内部的重要成分之一,还可以用来研究地球内部的构造和演化过程。氦气在地球物理勘探和地下水研究等领域中的应用。 在2018年的《科技日报》总结中,指出目前中国有着35项技术被美国"卡脖子",而除了技术上受人限制之外,在资源方面中国也有所欠缺,究竟是什么资源在中国都极其短缺呢?这就是氦气资源,是我国资源方面的一块"心病",只因我国95%的氦气都靠进口。最重要的是,氦气是一种不可再生资源,氦气储量的多少这直接关乎着国家的安全与高新技术产业的发展,氦气也被广泛应用于火箭燃料,深海潜水以及光纤和半导体等高科技领域。氦气也因此被称为"气体中的芯片",拥有着极高的地位氦气究竟有多重要呢?

 图1.  核磁共振仪和低温液氦加注装置(图片来自网络)

氦-3,也称为三氦(Trihelium)或氦-3同位素(Helium-3),是氦的一种同位素,它是稳定的。与常见的氦同位素氦-4不同,氦-3几乎不在地球大气中存在。它是宇宙射线中常见的成分之一,在太阳风中也有存在。此外,氦-3还存在于地球的一些矿物和地下水中。氦-3在科学和工业上具有广泛的应用价值。由于它是稳定的同位素,因此它可以用于确定年代或者测量地球内部物质的运动。例如,氦-3在地下水中的测量可以帮助我们研究地下水的运移和储存等问题。此外,氦-3还可以用于核反应堆、核燃料生产等方面,因为它是一种非常优良的中子反应剂。氦-3的丰度非常稀少,这也导致了它的价格非常昂贵。目前,氦-3已经被应用于磁约束聚变、超导磁体等领域。此外,氦-3还被用于研究宇宙学和天文学问题,例如它的存在量可以帮助我们研究星系的形成和演化。总之,尽管氦-3在地球大气中的含量非常稀少,但它在科学和工业上具有广泛的应用价值,同时也是研究宇宙学和天文学问题的重要工具。

2. 氖气是一种非常稀有的气体,它在地球上的含量非常少,仅占大气组成的0.0018%。尽管如此,氖气在地球 科学和地球化学研究中仍然具有非常重要的作用。  目前,乌克兰世界上制造氖气技术最成熟的国家,每年对氖气的供应占据了全球数量产量的70%,另外还含有40%的氪气和30%的氙气,是当之无愧的市场主导者。另外,有资料显示,以氖气为首的电子特气,其市场规模占据了半导体制造材料的约13%,排名第二,是仅次于硅片的第二大耗材。

   那么氖气在地球上的地质来源是什么呢?氖气是一种原生气体,通常存在于地球的岩石和矿物中。它主要来源于岩石和矿物的放射性衰变,特别是钾-40的衰变。当钾-40衰变时,会产生氩-40和氖-20两种稳定同位素。然而,氖-20的衰变很少发生,因此大部分氖气都是由钾-40衰变后产生的。氖气在地球的地壳中广泛分布,主要存在于一些火山岩和超基性岩中。其中,火山岩中的氖气主要来自于地下岩浆和地下水的交互作用,而超基性岩中的氖气则主要来自于地幔物质的挥发。火山气体中含的氖中氖20的成分比较高。这些地幔中的氖同位素与大气中的氖的来源可能不同。其中氖20的高含量可能来源于地球形成前,可能代表着太阳系的氖。金刚石中的氖20的含量也比较高,说明这个高含量可能的确来自于地球形成前太阳系星云的来源。

    此外,氖气还可以在石墨和煤等热变质岩石中产生。除了在地球内部的岩石和矿物中存在外,氖气还可以通过大气和水体的物质交换进入地球。例如,大气中的氖气可以通过降雨和气体溶解作用进入地下水中。在地下水中,氖气会与水分子结合形成水合氖离子,从而在地下水中存在。总的来说,氖气在地球上的地质来源主要来自于岩石和矿物的放射性衰变和地幔物质的挥发。尽管氖气在地球上的含量非常少,但它在地球科学和地球化学研究中仍然具有非常重要的作用,例如可以用来研究地球内部的温度和压力等方面。对氖气在地球内部的来源和运移等方面的研究,对我们深入了解地球内部的构造和演化过程具有重要的意义。     

  图2 氖气在芯片制造中可发挥重要作用  (图片来源:网络)               

3.  氩气它在地球的大气中占比约为0.93%。氩气作为一种重要的工业气体,在各个领域都有着广泛的应用。下面将从工业、医疗和科研等方面来介绍氩气的具体用途。氩气是一种非常稳定的气体,具有惰性和不易反应等特点,因此在工业生产中有着重要的应用。最常见的就是在电弧焊和氩弧焊中用作保护气体。在焊接过程中,氩气可以与熔池中的氧气和水蒸气等杂质反应,从而保护焊接区域免受氧化或腐蚀的影响。此外,氩气还广泛用于半导体、光学玻璃、金属加工、冶金等工业领域。氩气在地球科学和地球化学研究中仍然具有非常重要的作用。那么氩气在地球上的地质来源是什么呢?氩气是一种原生气体,通常存在于地球的岩石和矿物中。它主要来源于岩石和矿物的放射性衰变,特别是钾-40的衰变。当钾-40衰变时,会产生氩-40同位素,而氩气就是由这些同位素产生的。

    氩气在地球内部广泛分布,主要存在于地壳和地幔中的一些矿物中。例如,在花岗岩、闪长岩、辉长岩等岩石中都含有一定量的氩气。此外,地幔中也存在大量的氩气,其中大部分储存在蛇绿岩和橄榄岩等超基性岩石中。除了在岩石和矿物中存在外,总的来说,氩气在地球上的地质来源主要来自于岩石和矿物的放射性衰变,以及地下水和石油等流体的物质交换。尽管氩气在地球的大气中占比较高,但它在地球内部的含量却非常稀少。对氩气在地球内部的来源和运移等方面的研究,对我们深入了解地球内部的构造和演化过程具有重要的意义。

  4.  氪是地球大气中含量最低的稀有气体之一,其占比约为0.0001%。尽管如此,氪在地球科学和地球化学研究中也扮演着重要的角色。氪气在地球上的地质来源主要来自于地幔中的一些矿物,例如橄榄石、钙钛矿和斜长石等。这些矿物中含有较高的铀、钍和钾等元素,这些元素的放射性衰变会产生氪同位素。此外,氪气也可以通过地下水和石油等流体的物质交换进入地球。在地球科学和地球化学研究中,氪气可以用来研究地球内部的物质循环和地球演化过程。例如,通过分析氪同位素的比值,可以揭示地幔和地核的物质交换过程。此外,氪同位素的研究还可以用于确定某些岩石和矿物的年龄和成因。在工业应用方面,氪气还被广泛应用于氙灯、激光等技术领域。氪气的高稳定性和不易与其他元素反应的特性,使得它在一些高科技领域中具有独特的应用价值。

  5. 氙(Xe)是地球大气中含量最低的稀有气体之一,其占地球大气的比例仅为0.0000087%。虽然氙在地球大气中的含量极低,但它在地球科学和地球化学研究中却具有重要的意义。氙是一种原生气体,在地球形成初期就已经存在于地球内部。它主要是由岩石和矿物的放射性衰变产生的。氙的主要同位素是氙-129,它是由钍-238衰变产生的。氙-130同位素也是由同样的衰变路径产生的。此外,氙还可以在宇宙射线的作用下被形成,但这种形成方式在地球上的含量很少。由于氙在地球大气中的含量极低,因此它的地球化学意义主要是在岩石和矿物中的应用。氙可以用来研究岩石和矿物的年龄和形成历史。由于氙是一种惰性气体,它在矿物结晶时会被封闭在其中,不会与其他元素发生反应,因此可以用来测定矿物的形成时间。例如,在地质勘探和矿产资源勘查中,氙的同位素组成可以用来确定矿物的形成年龄,以及地下矿床的资源潜力。此外,氙的同位素组成还可以用来研究地球内部的动力学过程。研究表明,氙同位素的比值随深度变化而变化,这表明地球内部存在物质交换和混合的过程。通过研究氙的同位素组成,可以深入了解地球内部的构造和演化过程。总的来说,尽管氙在地球大气中的含量极低,但它在地球科学和地球化学研究中具有重要的意义。氙可以用来研究岩石和矿物的年龄和形成历史,以及地球内部的动力学过程。对氙同位素的研究不仅可以促进矿产资源勘查和地质勘探的发展,也可以深入了解地球内部的演化过程。

  6.  氡气是一种无色、无味、无臭的稀有气体,具有较高的放射性。它在地球大气中的含量非常稀少,占空气的体积分数仅为5.24×10^-7。尽管氡气在地球大气中的含量非常低,但它在地球科学和地球化学研究中仍然具有非常重要的作用。首先,氡气是地球内部热源的重要指示器之一。氡气的衰变产物氡和镭是地球内部热源的主要贡献者之一,它们可以通过岩石和土壤中的氡气释放到大气中。因此,通过测量氡气含量和衰变产物含量,可以了解地球内部热源的活动程度和空间分布。其次,氡气还可以用于地下水资源的勘探和评价。氡气是一种非常活跃的惰性气体,容易从地下水中释放到空气中。因此,通过测量地下水中的氡气含量和其衰变产物的含量,可以推断地下水的流动速度、深度和水源区的性质等信息,从而为地下水资源的开发和利用提供重要的科学依据。此外,氡气还被广泛应用于核物理学和医学领域。氡气在核反应堆、离子加速器等实验设备中被用作粒子探测器,以便研究原子核和基本粒子的性质。在医学领域,氡气可以用作放射性同位素进行诊断和治疗,例如用于放射性氡治疗骨髓瘤和其他癌症等疾病。综上所述,尽管氡气在地球大气中的含量非常稀少,但它在地球科学和地球化学研究中具有重要的作用。氡气可以用于研究地球内部热源、地下水资源的勘探和评价,以及在核物理学和医学领域中应用。随着技术的不断发展和应用领域的扩大,氡气的地球化学意义将会得到更加深入的研究和应用。

    总体来说,稀有气体在地球化学和地球科学研究中具有非常重要的地位,其含量虽然很少,但其应用范围广泛,包括地球内部物质的成分、物质运动、年龄和地球化学循环等方面。可以推动科学技术的发展和地球科学领域的进步。同时,稀有气体的研究也面临着许多挑战。其中之一是稀有气体在地球化学循环中的微量含量和分布不均匀性,这使得稀有气体的测量和分析变得困难。另外,稀有气体的高纯度和高灵敏度的分析方法也需要不断的改进和发展,以便更准确地研究地球内部的物质成分和运动等方面。总的来说,稀有气体在地球化学和地球科学研究中具有非常重要的地位,其在地球内部物质成分、物质运动、年龄和地球化学循环等方面的应用广泛而深入。

图1.  稀有气体同位素分析质谱仪

(图片来源:中科院西北生态环境资源研究院地球化学分析测试中心网站http://www.lig.cas.cn/huaxuefenxi/




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