地壳和地幔的元素组成

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1、地球化学Geochemistry第二章 地壳和地幔的元素分布l第一节 地球的结构 l第二节 地壳中化学元素的分布l第三节 地幔的元素组成 l第四节 地壳与地幔的相互作用及物 质交换 地球内部主要壳层特征1、地壳莫霍面以上，其厚度变化大，5km-80km，最厚的喜 马拉雅山地区可达80km，而洋壳的厚度通常不足 10km。最老的大陆地壳年龄为3.84.2Ga。现有的大 洋地壳都是小于200Ma的中生代以来的产物。 大陆地壳的岩石组成模型 1)上地壳（硅铝层），上部由未变质的岩石和绿片岩 相岩石组成，如沉积岩和花岗质侵入体；上地壳的下 部（由英云闪长岩奥长花岗岩花岗片麻岩为主的 角闪岩相岩石组成，

2、富Si、K、Rb、U、Th等）下地壳（硅镁层）则由成分不同的麻粒岩相岩石组成 。 2)大洋地壳大洋地壳的结构：洋壳总成分相当于玄 武岩，它由玄武岩、辉长岩加上不厚的 （12km）的海洋沉积物构成。2、地幔地幔是地球最大的层圈，它从莫霍面到核幔 边界，体积占地球的83，质量占67。原始地幔形成于地球增生的最初几百万年，当 Fe-Ni分异形成地核时，由留下的富Fe、Mg的 硅酸盐物质堆积形成的初始地幔称为原始地幔 。地幔的岩石组成模型 1)上地幔（铁镁硅酸盐）深度约从10km到 400km，其质量约占地球的10，主要由橄榄 石及辉石组成，相当于橄榄岩和榴辉岩。2）、过渡带地幔有时也作为上地幔的一部

3、分。从400km到670km深处 ，其质量占地球的7.5。硅酸盐的矿物结构产生相变 ，橄榄石在400km处矿物结构转变为尖晶石结构；近 700km时又从尖晶石结构转变为钙钛矿结构。3）、下地幔深度由670km至2900km，其质量约占地球的49。 矿物物理实验支持下地幔可能由Mg、Si、O和Fe组成 ，具有钙钛矿（CaTiO3）晶体构造，称之为镁硅酸盐 的钙钛矿（Mg、Fe）SiO3结构，形成于很高压力（ 即20 GPa）。此外，伴随镁方铁矿（Mg、Fe）O， Si、Fe及O相对于上地幔更为富集。Spinel （尖晶石） MgAl2O4Perovskite（钙钛矿 ）第二章 地壳和地幔的元素分

4、布l第一节 地球的结构 l第二节 地壳中化学元素的分布l第三节 地幔的元素组成 l第四节 地壳与地幔的相互作用及物 质交换 第二章 地壳和地幔的元素分布 第二节 地壳中化学元素的分布一. 地壳中化学元素丰度研究意义与方法二. 地壳中的化学元素的分布特点.丰度的研究意义 丰度是每一个地球化学体系的基本数据。 近代地球化学正是在探索和了解丰度这一过程中逐渐形成的。 一些重要的地球化学基本理论问题都离不开地球化学体系中元素 丰度分布特征和规律研究。1、地壳元素丰度（克拉克值）研究的意义a、控制元素的地球化学行为 克拉克值可以支配元素的地球化学行为，如同属碱金属元素，K、 Na等常形成独立的盐类矿床，

5、而Rb和Cs等呈分散状态。 元素克拉克值限定矿物种类及种属 限定了自然体系的状态。 对元素的结合状态有影响。 b、克拉克值是判断元素集中和分散及其程度的标尺。 查明区域的特征元素对于地球化学省的划分，确定地质体的含矿专 属性，对矿床的找寻及评价等关系十分密切。在环境研究方面，对 于污染源的追溯及治理、地方病防治，都有重要作用。全国范围内 区域地球化学测量及填图将对农业规划及环境规划等起着重要的指 导作用。 d、可以阐明地壳的形成及演化以及板块构造运动有关的动力学问 题。1) 克拉克方法（最早开始计算地壳的平均化学成分，1924年他和 华盛顿（Clarke F W and Washington

6、H S）发表了“地球的化学 组成”，首次提出了元素的地壳平均含量。其方法：假设地壳的 厚度为16km，即最高的山脉及最深的海洋的高差。并采用包括 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%。又假定岩石圈中火成岩占95%、沉积岩占5%（ 其中页岩4%、砂岩0.75%、石灰岩0.25%），而这5%的沉积岩 是火成岩派生的，因此认为火成岩的平均化学成分代表地壳的 平均化学成分。根据世界上8602个火成岩的岩石化学数据（53 种元素），从中选择了分析质量较好的5159个数据作为岩石圈 中大陆和海洋火成岩平均化学成分计算的基础。其计算的地壳 平均化学成分实际上是这三个地

7、圈化学组成的综合。按48个地 理区域用算术平均法求得各区平均值，再归纳为9个大洲和大洋 岛屿区域的平均值，最终求出整个地壳的平均值。2. 地壳中化学元素丰度研究方法克拉克方法意义：1、开创性的工作，而地球化学发展 打下了良好的基础。2、代表大陆地壳岩石圈成分 。后来，费尔斯曼（19281938）又基本遵循克拉克的 方法，利用自己的研究成果汇编了地壳元素丰度表 ，并进行了地壳中元素的原子百分数即元素“原子 克拉克值”的计算。2) 简化方法：a、戈尔德施密特戈尔德施密特（Goldschmidt，1954）采用挪威南部广 泛分布的冰川粘土作为天然的地壳混合样品。分析了 77个这种物质的样品，计算了地

8、壳化学元素含量的平 均值。他认为这种冰川粘土可以做为一种平均样品， 代表着大面积分布的结晶岩石的平均化学成分。其分 析结果除了Na2O和CaO偏低外，其它组分的含量值都 同克拉克和华盛顿的数据相当一致。2. 地壳中化学元素丰度研究方法2) 简化方法：b、维诺格拉多夫（Vinogradov，1962）根据地壳中出露 岩石的比例进行样品组合，用两份酸性岩加一份基性 岩的人工混合样品，获得的化学成分的平均值代表地 壳的元素丰度值。 c) 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。 2. 地壳中化学元素丰度研究方法研究初期确定地壳元素丰度的各种方法，明显存

9、 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。3）、按照地壳模型加权法 a) 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。 b) 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 3. 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

10、、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。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。 大陆地壳化学组成安山岩模式 （Taylor和Mclennan，1985） 4、地壳的化学成分估测的著名方法: 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

11、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 （Rare Earth Element）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

12、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

13、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

14、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

15、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

16、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 学成分资料来源见表右侧说明。 5、大洋地壳的化学组成