第二章 地壳中化学元素的分布

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1、第二章地壳及地幔中化学元素的分布 第一节地壳中化学元素的分布第二节地幔的结构及组成第三节地壳与地幔的相互作用及物质交换 第二章地壳及地幔中化学元素的分布 第一节地壳中化学元素的分布一 地壳中化学元素的分布与分配二 地壳中化学元素的丰度 克拉克值三 地壳中化学元素丰度研究四 地壳中的化学元素的分布特点 一 地壳中化学元素的分布与分配1 分布与分配的概念元素的分布与分配都是有关元素含量的概念 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 第

2、一节地壳中化学元素的分布 化学元素在地壳中的分布 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 第一节地壳中化学元素的分布 一 地壳中化学元素的分布与分配2 元素在岩石和矿物中分配1 各类岩石中元素的平均含量涂里干和魏德波 TurekianKandWedepohlK 1961 首先发表了火成岩 沉积岩和深海沉积物等主要岩石类型的元素平均含量 其后 前苏联地球化学家维诺格拉多夫 Vinogradov 1962 发表了各类岩浆岩和沉积岩的元素平均含量 第一节地壳中化学元素的分布 2 岩石中元素在各组成矿

3、物中的分配 富集矿物及荷载矿物在确定不同类型岩石中元素丰度的基础上 进一步查明元素在组成各类岩石的矿物中的含量 单矿物在岩石及矿石中所占的百分比 进行岩石或矿石中元素分配的平衡计算 是研究元素地球化学迁移与富集 矿石综合利用 矿石冶炼工艺 环境治理的基础 具有重要理论及实际意义 分配的平衡计算 可以查明元素赋存的 荷载矿物 和 富集矿物 2 岩石中元素在各组成矿物中的分配 富集矿物及荷载矿物所谓 荷载矿物 是指岩石中某元素的总含量主要部分分配在这种矿物之中 而单矿物中某元素的含量不一定很高 富集矿物 是指矿物中明显富集某元素 含量高于岩石中的平均含量 对该元素在该矿物中的分配量不一定最多 表铍

4、在花岗岩各造岩矿物中的分配 形成独立矿物 呈类质同像状态 由于元素与矿物中主要元素地球化学性质相近 加入矿物晶格 以超显微的微粒包体 呈细分散状非结构混入物存在 不占据主矿物晶格位置 呈离子吸附状态 元素以离子或离子团被胶体颗粒表面吸附 如粘土矿物 铁锰氢氧化物胶体及有机质吸附 与有机质结合 形成金属有机化合物 络合物或螯合物 3 地球化学研究确定元素的赋存状态 第二章地壳及地幔中化学元素的分布 第一节地壳中化学元素的分布一 地壳中化学元素的分布与分配二 地壳中化学元素的丰度 克拉克值三 地壳中化学元素丰度研究四 地壳中的化学元素的分布特点 二 地壳中化学元素的丰度 克拉克值 1 地壳中化学元

5、素的丰度 是指化学元素在地球化学系统中的平均分布量 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 二 地壳中化学元素的丰度 克拉克值 元素的 克拉克 或 克拉克值 是指任一化学元素在地壳中的平均丰度 为了表彰克拉克 ClarkFW 在这一研究领域的卓越贡献 苏联地球化学家费尔斯曼建议将地壳的平均化学成分 或地壳的元素丰度 命名为 克拉克值 这个术语已为地球化学界采用至今 原子克拉克值 费尔斯曼提出地壳中化学元素的丰度以元素的原子百分数表示 即以元素的重量克拉克值 元素

6、的原子量 元素的原子克拉克值 地壳中元素丰度常用重量单位表示 主量元素常以重量百分含量 wt 表示 常用克 吨 g t或10 6 即百万分之一表示微量元素的丰度 以毫克 吨 mg t或10 9 即十亿分之一的重量单位表示超微量元素的丰度 二 地壳中化学元素的丰度 克拉克值 三 地壳中化学元素丰度研究 1 克拉克 19最早开始计算地壳的平均化学成分 采用包括岩石圈 水圈和大气圈的广义地壳 它们的质量比分别是93 7 0 03 其计算的地壳平均化学成分实际上是这三个地圈化学组成的综合2 戈尔德施密特采用挪威南部古老片麻岩地区的冰川粘土3 维诺格拉多夫根据粘土和页岩的平均化学成分 1 地壳中化学元素

7、丰度研究历史 三 地壳中化学元素丰度研究 4 泰勒采用花岗岩和玄武岩的质量比为1 1进行计算 并简单地用花岗岩和玄武岩的标样来代替5 波德瓦尔特和罗诺夫等采用符合现代地壳结构的全球地壳模型6 黎彤在计算中国岩浆岩平均化学成分的基础上 采用波德瓦尔特的全球地壳模型 将全球划分成地盾区 褶皱区 浅洋区和深洋区四个构造单元 研究初期确定地壳元素丰度的各种方法 明显存在着以下主要问题 采用的地壳概念不一致 均未按照现代地壳结构模型进行元素丰度的计算 地壳的计算厚度采用16km是人为确定的 未考虑莫霍界面 忽略了海洋地壳的物质成分 实际上多数数据只能是大陆地壳的元素丰度 三 地壳中化学元素丰度研究 2

8、地壳中元素丰度的研究基本步骤 首先建立地壳的理论模式 选择有代表性地区 根据地质学及地球物理剖面 建立标准地壳剖面 确定地壳的构造单元范围 面积 百分比 确定上地壳 下地壳的厚度及各类岩石的组成百分比 三 地壳中化学元素丰度研究方法 选择各类岩石代表性的 精确度较高的分析数据 包括常量元素 稀土元素及微量元素的含量 作为计算的基本数据 用面积或质量加权平均或简单的算术平均法求得各构造单元的元素平均丰度 进而计算地壳的平均化学成分 对计算时采用的地壳模型及所得的克拉克值数据进行检验 三 地壳中化学元素丰度研究方法 大陆地壳化学组成安山岩模式 Taylor和Mclennan 1985 地壳的化学成

9、分估测的著名方法 大陆地壳化学组成英云闪长岩模式 Wedepohl 1995 大陆地壳化学组成安山岩模式 Taylor和Mclennan 1985 1 上地壳 Taylor和Mclennan 1985 提出的上地壳成分主要数据是采用澳大利亚后太古宙页岩 PAAS 化学元素的平均含量减去20 后作为上地壳的成分 他们根据保存在沉积岩中稀土元素REE RareEarthElement 地球化学记录 探讨大陆地壳的成分及演化 大陆地壳化学组成安山岩模式 Taylor和Mclennan 1985 1 上地壳 Taylor和Mclennan 1985 提出的上地壳成分主要数据是采用澳大利亚后太古宙页岩

10、PAAS 化学元素的平均含量减去20 后作为上地壳的成分 他们根据保存在沉积岩中稀土元素REE RareEarthElement 地球化学记录 探讨大陆地壳的成分及演化 沉积岩中REE研究表明 大陆地壳化学组成安山岩模式 Taylor和Mclennan 1985 沉积岩中REE研究表明 1 在沉积过程中稀土元素没有发生明显的分异 Taylor等 1985 研究现代沉积环境REE的分布与世界各地后太古宙页岩的REE分布模式十分相近 后者包括后太古宙平均澳大利亚页岩 PAAS 北美页岩组成 NASC 欧洲页岩组成 ES 大陆地壳化学组成安山岩模式 Taylor和Mclennan 1985 大陆地壳

11、化学组成安山岩模式 Taylor和Mclennan 1985 沉积岩中REE研究表明 2 太古宙和太古宙以后沉积岩稀土组成明显不同 太古宙沉积岩以富集Eu或无Eu亏损为特征 太古宙以后沉积岩以Eu亏损为特征 不同时代沉积岩稀土元素组成模式相互平行 区别仅在于稀土总含量不同 大陆地壳化学组成安山岩模式 Taylor和Mclennan 1985 3 太古宙以后沉积岩REE模式的一致性表明 沉积岩代表了地壳表面大面积平均取样 Taylor等计算并确定了上地壳的REE丰度值 认为上地壳的REE标准化模式应该平行于页岩 但由于沉积岩中砂岩 碳酸岩 蒸发岩REE丰度较低 上地壳的REE绝对值应低于平均页岩

12、值 从上地壳各类沉积岩REE质量平衡计算表明 上地壳的REE的丰度与后太古宙澳大利亚页岩平均值减去20 数值相当 沉积岩中REE质量平衡计算 上地壳的REE质量平衡计算时 采用页岩 砂岩 碳酸岩 蒸发岩 72 11 15 2 上地壳的REE采用PAAS减去20 大陆地壳化学组成安山岩模式 Taylor和Mclennan 1985 大陆地壳化学组成安山岩模式 Taylor和Mclennan 1985 上地壳REE丰度值的确定 提供了估算其他元素丰度的途径 如利用n La n Th n La n U n K n U 等比值 可以计算出Th U K的丰度 进而利用其他元素与U Th K的比值估算其他

13、元素含量 大陆地壳化学组成安山岩模式 Taylor和Mclennan 1985 2 整个陆壳总的化学成分 他们对地壳总的化学成分的计算采用的是大陆地壳生长模型 大陆地壳总体的化学成分相当于安山岩模式成分 大陆地壳化学组成安山岩模式 Taylor和Mclennan 1985 大陆地壳化学组成安山岩模式 Taylor和Mclennan 1985 Taylor对于陆壳总体成分模式提出如下设想 1 陆壳总的物质组成来源于地幔的分异 总陆壳经部分熔融应能产生花岗闪长岩质上陆壳 2 根据大陆地壳形成及演化历史 75 陆壳形成于25亿a以前太古宙 来自太古宙形式火成作用 25 的陆壳形成于太古宙以后 应具岛

14、弧安山岩成分 即大陆地壳的整体化学成分应该是75 太古宙陆壳成分 25 岛弧火山岩的安山岩模式成分 大陆地壳化学组成安山岩模式 Taylor和Mclennan 1985 大陆地壳化学组成安山岩模式 Taylor和Mclennan 1985 Taylor对于陆壳总体成分模式提出如下设想 3 太古宙陆壳以 双模式 基性岩 长英质火成岩组合为特征 基性岩为地幔部分熔融形成的玄武岩 科马提岩等 长英质火成岩为富钠的深成岩 TTG岩套的英云闪长岩 奥长花岗岩 或喷出岩 大陆地壳化学组成安山岩模式 Taylor和Mclennan 1985 3 下部陆壳的成分 采取大陆地壳总成分减去上地壳的成分得出了下地壳

15、的化学成分 他们认为 原始地壳部分熔融产生花岗岩浆 上侵形成上地壳 而残余体形成下地壳 从而造成大陆地壳内部的分异作用 他们假设下地壳占整个大陆地壳厚度的75 上地壳占25 根据质量平衡原则 他们由地壳总体组成减去上地壳的相应质量 求出了大陆下地壳的化学成分 大陆地壳化学组成英云闪长岩模式 Wedepohl 1995 他的计算基于通过欧洲西部3000km长的折射地震剖面 EGT 该剖面包括60 的古老地盾和40 较年青的褶皱带 莫霍面平均深度40km 据此 他建立了大陆地壳的标准剖面 地壳剖面分为上地壳及下地壳 各部分组成的主要岩石类型 厚度及所占比例如图所示 计算所用各类岩石的化学成分资料来

16、源见表右侧说明 大洋地壳的化学组成 大洋地壳的研究是通过海洋钻探 海底取样及地球物理等方法对大洋玄武岩 海洋沉积物来进行研究的 洋中脊玄武岩 MORB 是洋壳的主要组成部分 来自亏损地幔地球化学源区 以亏损的K2O LREE等不相容元素及低的n Rb n Sr 值和低的87Sr 86Sr初始值为特征 第二章地壳及地幔中化学元素的分布 第一节地壳中化学元素的分布一 地壳中化学元素的分布与分配二 地壳中化学元素的丰度 克拉克值三 地壳中化学元素丰度研究四 地壳中的化学元素的分布特点 四 地壳中的化学元素的分布特点 1 地壳中化学元素分布具有明显的不均匀性 分布最大的和分布最小的元素之间克拉克值差别很大 如氧的克拉克值为47 是分布量最小的元素之一镤的1 5 1015倍 元素丰度若按克拉克值递减的顺序来排列 其次序为O Si Al Fe Ca Na K Mg H Ti C Cl 等 四 地壳中的化学元素的分布特点 2 地壳中化学元素的分布量一般随原子序数的增大而降低 如将元素的原子克拉克值取对数后 对应于原子序数作图 由图可见分布量大的元素一般位于周期表的开始部分 随着原子序数的增大 元素的