第六章 其它作用地球化学2010

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1、第六章 其它作用的 地球化学,张展适 13970480971 Zhszhang,主要内容,风化作用的地球化学 沉积-成岩作用的地球化学 变质作用的地球化学 有机地球化学 地球的化学演化,风化作用的地球化学,风化作用条件的特点和研究意义 风化过程中元素迁移的一般规律 粘土矿物 土壤（应用地球化学中介绍）,风化作用条件的特点和研究意义,风化作用条件的特点 同常温水-岩作用体系的特点 风化作用的研究意义 风化壳型矿床的形成：如Fe, Al, Mn, TR, Nb, Ta, U 寻找盲矿的标志:风化作用产物掩盖了矿床，但同时在矿床的土壤及其盖层存在着次生地球化学异常 土壤成分与农业的关系,土壤成分与农

2、业的关系,烟台的苹果 黑云片麻岩优于碳酸岩类岩石形成的土壤 温州蜜桔 长石砂岩和花岗岩优于页岩和砂页岩形成的土壤 贵州茶叶 砂岩分布区优于碳酸岩区 南丰蜜桔,风化过程中元素迁移的一般规律,影响风化作用的因素 外因：物理风化、化学风化、生物风化，决定于气候环境(温度和水量)、地形和排水条件 内因： 矿物和岩石的耐风化能力： 氧化物（锆石，金红石，刚玉，尖晶石，锡石，钛铁矿，磁铁矿等）硅酸盐（橄榄石，辉石，长石，云母）碳酸岩（石灰岩等）硫化物（黄铁矿等） 一般规律：形成条件与表生条件差别大者易风化。 风化过程的化学反应类型,粘土矿物,粘土矿物是化学风化作用的主要产物，是大多数沉积岩（物）中的重要组

3、分，粘土矿物的一般特征是晶粒较小，颗粒直径通常小于2m 粘土矿物的晶体结构 粘土矿物的分类和化学组成 粘土矿物的性质和离子交换能力,粘土矿物的晶体结构,片状粘土矿物（层状硅酸盐）：占绝大多数，包括绝大多数传统上的粘土矿物 纤维状粘土矿物：海泡石(Sepiolite) 、坡缕石(Palygorskite)(也有称凹凸棒石，attapulgite, 岩石学名) , 可在不同的沉积环境中经常出现，包括海相和湖相沉积物、热液矿床和干旱地区的土壤等 非晶质粘土:如水铝英石(Allophane)，是一种化学成分可变的铝硅酸盐，X射线衍射显示非晶态，但能衍射电子，可能是层状硅酸盐黏土形成过程中的一个中间产物

4、(Carroll，1970)。,粘土矿物的基本结构单元,高岭石和伊利石的结构示意图,1:1型粘土矿物T-O型结构,2:1型粘土矿物T-O-T型结构,T- 硅氧四面体片 O-八面体片,粘土矿物的分类和组成,粘土矿物的分类是根据它们的晶体结构和化学组成进行，鉴定由粉末X射线衍射分析完成,粘土矿物的分类和组成,粘土矿物的分类和化学组成,1:1型两层粘土矿物： 高岭石亚族：高岭石(Kaolinite)、迪开石(Dickite)、珍珠陶土(Nacrite)、埃洛石(Halloysite) 蛇纹石(Serpentine)和铁蛇纹石(Greenalite)亚族 2:1型三层粘土矿物 叶蜡石族（叶蜡石和滑石）

5、(Pyrophyllite) 蒙皂石族, Smectite 蛭石族, Vermiculite 云母族, Mica 2:1:1型四层粘土矿物 绿泥石Chlorite 混层粘土矿物：蒙脱石-多水高岭石（埃洛石）-高岭石（潮湿或热带）或蒙脱石-绿泥石-伊利石（温带） 纤维状粘土矿物：海泡石(Sepiolite) 、坡缕石(Palygorskite),粘土矿物的胶体性质和离子交换能力,黏土矿物和其他粒径1m的小粒子分散在纯水中，会形成一种胶状悬浮体，被称为溶胶(Sol)。这种胶状悬浮是均质的，微粒不会因重力作用而沉淀下来。溶胶中的一些微粒自身能吸引水分子，被称为具亲水性(Hydrophilic)，而没

6、有这种倾向的微粒，被称为憎水性(Hydrophobic)。由亲水的微粒组成的溶胶，可以沉淀形成半透明的或者透明的凝胶(Gel)。有些凝胶又可以再分散为溶胶，而另一些凝胶，其形成过程是不可逆的。 浓缩的硅酸溶液可以聚合形成无定形的氧化硅颗粒，得到的胶状悬浮体可以沉淀形成凝胶。然而，氧化硅凝胶不可以自发地再分散，只会缓慢失水结晶形成玉髓，中间产物为蛋白石(Faure，1998)。 胶体的这些特性源自微粒的表面电荷特性,粘土矿物离子交换能力,主要内容,风化作用的地球化学 沉积-成岩作用的地球化学 变质作用的地球化学 有机地球化学,沉积-成岩作用的地球化学,沉积过程伴随着元素的分异和富集作用 物质的搬

7、运和沉积过程 风化产物的搬运形式：真溶液形式、胶体形式、机械形式 沉积过程元素分异的一般规律：机械沉积、化学沉积、生物化学沉积 成岩过程中元素的再分配 盆地沉积物中的环境特点 元素的迁移和再分配 地球沉积环境的演化 沉积作用的地球化学研究,成岩过程中元素的再分配,盆地沉积物中的环境特点 富水（20-80%） Eh垂向与横向上的变化：如沉积物上层（25-n cm）为氧化环境（Eh=+0.35-0伏）；下层为还原环境（Eh=-0.5伏）原因：O2和有机质的作用 pH值的变化：与CO2含量和有机酸的含量有关，一般随深度pH增大 元素的迁移和再分配,成岩过程中元素的再分配,盆地沉积物中的环境特点 元素

8、的迁移和再分配 Eh 差异引起的元素迁移和再分配：如较深处Eh低，Fe, Mn可呈Fe2+,Mn2+向浅处迁移，氧化为Fe3+,Mn4+而沉淀（成为铁锰质胶结物） pH值差异引起元素的迁移和再分配：如SiO2从pH高处迁移出，CaCO3从pH值低处迁移出，结果造成碳酸盐岩石中形成SiO2结核，泥灰岩中形成碳酸盐结核 CO2含量差异引起：当砂和黏土形成夹层时，由于砂层孔隙大使CO2易逃逸，结果使溶解的Fe, Mn, Ca, Mg等沉淀。,Eh 差异引起的元素迁移和再分配,pH值差异引起元素的迁移和再分配,地球沉积环境的演化,Fe(Si)建造：迁移性控制原因（O2,CO2） 大规模深水沉积发生于前

9、寒武纪； 寒武纪末期为滨海相沉积； 石炭纪只有陆相沉积铁矿； 侏罗纪以后是风化残积型的红土型矿床。 碳酸岩和硫酸盐沉积 前寒武纪较少化学沉积碳酸盐岩，为什么？ 前寒武纪沉积物中缺乏石膏、硬石膏、重晶石等硫酸盐矿物，为什么？,沉积作用的地球化学研究,沉积环境的地球化学标志 海相与陆相地层的地球化学标志 沉积环境的氧化-还原条件标志 物源研究 构造环境研究,海相与陆相地层的地球化学标志,沉积环境的氧化-还原条件标志,(1)根据同生指示矿物 由菱铁矿(FeCO3)=海绿石(K,Na) 2O (Mg,CaFe)O (Fe,Al) 2O3xSiO2 yH2O=赤铁矿(Fe2O3) 菱锰矿(MnCO3)

10、=褐锰矿(Mn2O3)=硬锰矿(mMnOMnO2 nH2O) =软锰矿(MnO2) (2)Fe2+/Fe3+比值 还原环境：Fe2+ Fe3+ 过渡环境：Fe2+ = Fe3+ 氧化环境：Fe2+ Fe3+,物源研究,沉积物中某些元素是稳定的，如REE,Th, Co, Sc, 可以用来研究沉积物的物源以及构造演化（两大陆对接）等,构造环境研究,典型构造环境，如岛弧，活动大陆边缘，被动大陆边缘的碎屑岩等具有明显不同的地球化学特征，因此可以用于研究其形成的构造环境。,主要内容,风化作用的地球化学 沉积-成岩作用的地球化学 变质作用的地球化学(暂不讲) 有机地球化学 地球的化学演化,变质作用的地球化

11、学,变质作用及其类型 变质相及变质相系 P-T-t轨迹：变质带地壳演化历史的再造 变质岩原岩恢复及形成构造环境的判别,变质作用的及其类型,变质作用：地壳形成及演化过程中，原来已存在的岩石（如沉积岩、岩浆岩等），由于地质环境及物理化学条件的改变，使原来岩石的矿物成分及结构构造发生了改变，形成新条件下的稳定矿物组合及结构构造，这一过程称为变质作用。,变质作用的及其类型,区域变质作用：是指具有广泛扩展空间，大面积或是大的带状区域的变质作用，有三种类型： 埋藏变质作用 洋脊变质作用 造山变质作用 接触变质作用 接触变质主要是热变质现象，并伴有质量迁移和流体流动，形成于岩浆侵入体周围的接触变质晕(带),

12、见于造山及非造山环境各种地质背景 动力（高应变）变质作用 冲击变质作用,变质作用的及其类型,区域变质作用 接触变质作用 动力（高应变）变质作用 多见于造山带，上地壳的断裂带和剪切带常沿板块边缘分布，以低温强变形为特征，又称碎裂变质作用。当温度及应力强度增加，相当于中地壳条件，岩石流变性增加，产生韧性剪切变质作用，形成特征的岩石为糜棱岩。差异应力、应变速率及温度是这种变质最重要的变化因素 冲击变质作用 在极高的温度压力条件下快速冲击，通过冲击波发生的变质作用。见于陨石、陨石的冲击坑及其周围 冲击变质可以产生高压矿物及熔融玻璃，对其进行研究不仅是研究地幔矿物及岩石，而且也是研究陨石的重要途径及方法

13、,影响变质作用的主要因素,变质作用地球化学主要以物理化学、热力学为基础，研究地壳的化学组成(X)在不同的温度(T)、压力(P)条件下矿物的组合、相平衡，即T-P-X间制约关系。 制约变质作用的主要变数是温度T、压力P。在开放体系有物质交换的条件下，流体的参与是另一重要的变数,流体对变质作用的影响,绝大多数变质岩含有化学组成为H2O，CO2，O2，H2，CH4和S的流体 作为变质作用的介质流体重要性在于： 变质岩相平衡决定于流体分压(如PH2O，PCO2等)； 流体迁移传导热； 流体与岩石的相互作用，可以使岩石的主要元素及同位素发生变化； 流体可使成矿元素迁移富集成矿； 流体包裹体可以提供变质作

14、用温度、压力及流体成分的信息。,变质相及变质相系,变质相是在时间及空间上重复出现的一组变质矿物的固定组合，因而可以预测矿物组成与主要岩石化学成分间关系（Turner,1981)。 变质相是指变质作用过程中同时形成的一套矿物共生组合及其形成时相应的物理化学条件。每一变质相都由一套具有各种原岩化学成分的变质矿物组合所组成，它们在时间上和空间上彼此紧密共生，且在不同地区重复出现，其矿物组合和岩石现在化学成分之间有着固定的可以预测的相互对应关系。在达到热力学平衡的基础上，这些组合应形成于相同的P-T区间，每一组合的矿物之间彼此平衡共生。所以研究一个变质地区每一变质相内部矿物组合和岩石化学成分之间的关系

15、，结合实验资料，就能确定它们形成时的P-T范围及各相之间P-T条件的变化特点。 各变质相之间的P-T界线一般认为可用特定组合之间的变质反应来标定。,变质相的类型,每一个变质相都是以一个或几个典型地区的一套变质矿物组合为基础，通过广泛的地质和岩石矿物的研究建立起来的。由于影响变质矿物组合的因素很复杂，因此在新变质相的建立及各种变质地区变质相对比等方面，目前仍存在许多分歧意见，以致变质相的总数及其分类方案也很不一致。,变质相的类型,变质相,变质相系,每一个变质相相 当于一定范围的P-T区间及其他外部条件，但在一个变质地区，温度压力的变化范围经常较大，不能用一个变质相来代表。即使在单一变质相的地区内

16、，由于温度的变化也往往形成一系列变质亚相。因此，从外界条件来看，每一变质地区都应有特征的变质相系列，不同地区可有不同的相系 低压型(红柱石夕线石型):以泥质原岩中红柱石、夕线石等出现为特征，其温度梯度为 6025/km。 中压型(蓝晶石夕线石型):以泥质原岩中能出现蓝晶石、十字石及铁铝榴石等为特征，温度梯度2516/km。 高压型(硬玉蓝闪石型) : 以硬玉十石英代替钠长石出现为特征，温度梯度为167/km。,变质相系与板块构造,都城秋穗(1961)指出变质相系是构造环境的函数。进而，他确定了不同相系在不同造山带以及造山带内不同位置的构造背景。板块构造理论提出后不久，很快就查明蓝闪石硬玉高压变质相系变质作用与俯冲带的变质作用有关。Ernst等指出高P丁变质作用研究可以提供俯冲带的动力学及板块构造演化有价值的信息。Ernst(1973，1976)建立了变质相系类型与板块构造的关系图(图12-3)。,变质相系与板块构造,P-T-t轨迹:变质带地壳演化历史的再造,变质作用P-T-t轨迹，是指岩石从变质作用历