地球化学课件第七讲2

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1、,College of geological science & engineering, Shandong university of science & technology,Geochemistry,第七部分 地壳与地幔地球化学,第一节 地球的圈层构造及化学组成,一、地球的圈层结构,地壳、地幔、地核,?,二.地球元素丰度研究方法： 1、陨石类比法： 认为与陨石同源，现今为分异结果，但总成分仍与陨石化学成分相同。 假设：a.陨石在太阳系形成；b.陨石与小行星成分相同；c.陨石是破坏了的星体碎片；d.产生陨石的星体，其内部结构和成分与地球相似。 但各类陨石比例如何确定？,2、地球模型和陨石类

2、比法: 按地球的各主要圈层的比例计算：a.地核(32.4%)23.1%球粒陨石的镍铁金属相+5.3%陨硫铁(硫化物相)代表；b.地幔+地壳(67.6%)-球粒陨石的平均硅酸盐成分。 3、地球物理类比法(黎丹): A+B+C+D+E+F+G(层)结合地球物理资料。 A：地壳；BCD分别为上地幔、中地幔和下地幔；EFG为外核、过渡层和内核。,第二节 地壳平均化学成分,几个概念： 克拉克值：地壳的平均化学成分。 重量克拉克值：地壳中元素的重量平均含量。 原子克拉克值：地壳中元素的原子平均含量。,2、细粒碎屑岩法 碎屑岩是多种岩石混合，代有物源区地壳成分。,2）Taylor and Mclennan(

3、1985)发现泥质岩（如黄土、深海沉积物）稀土分配模式与现代大陆上地壳几乎一致，用之估算。,3、地壳模型法 Taylor and Mclennan(1985)认为：地壳由75%太古宙+25%后太古宙。 后太古宙发生在岛孤地区（岛孤安山岩）。 局限：大陆地壳生长过程中不同时期原始物质认识不相同，结果不一致。,二、地壳元素丰度特征,2、原子序数增加，丰度降低，但Li、Be、B丰度仍亏损，但规律不如太阳系元素特征规律强，表明两者相似但有区别。 3、除少数惰性气体和少数元素外，质量数为偶数的元素丰度大于奇数。 4、质量数为4倍数的元素占主导地位。4A（87%），4A+3（13%），4A+1和4A+2（

4、0.1n%) 5、地壳亏亲铁元素，富集亲气不相容元素。,三、元素克拉克值在地球化学研究中的意义,2、作为元素集中分散的标尺 浓度克拉克值=观测值/克拉克值 大于1，元素富集或集中，小于1，元素贫化或分散。,3、标示地壳元素富集和成矿能力 浓集系数=矿石边界品位/克拉克值，表明元素富集成矿能力，即元素成为可开采利用矿石需富集倍数,4、地壳丰度对地球能源限制 地壳能源来源：太阳能和放射性衰变。 地球形成45亿年来，235U已衰变95%，238U已衰变50%，232Th已衰变20%。 地壳元素衰变影响地壳物质流。如18亿前，衰变强，地球内部活动强，物质垂直分流分异明显。而18亿年后（古元古-中元古）

5、，随235U衰变量减小，地球能量低，导致上地幔顶部和地壳合成统一的岩石圈，刚性增强，导致板块水平运动。,第三节 地幔地球化学,一、地幔结构及低速带 由Ringwood提出的橄榄岩地幔模型和Anderson提出的橄榄岩-榴辉岩互层地幔模型。 1.橄榄岩地幔岩模型Pyrolite model: Ringwood(1962) 提出可以用模式橄榄岩代表整个地幔的成分，并根据高温高压实验成果提出一个完整的橄榄岩相转变系列可以解释地幔中主要地震波（剪切波Shear 、压缩波Pressure）不连续面性质，即将地幔划分为三个带，各带之间均为等化学的相转变关系：,理由： 橄榄石平均零压密度与上地幔密度相等。

6、辉长岩-榴辉岩相变线与莫霍面不吻合，即在该深度不可能发生辉长岩-榴辉岩相变。 地幔包裹体中橄榄石数量远大于榴辉岩。,上地幔（从Mohorovic面到350km深度）由橄榄石olivine斜方辉石enstenite单斜辉石clinopyroxene石榴子石garnet组成。 过渡带transition zone(350900km)：地幔岩Pyrolite 发生相转变，伴随密度改变，引起地震波的不连续，350400km的地震波不连续面与橄榄石相（类尖晶石结构）、辉石石榴子石复杂固熔体的相变带对应。,670km深处地震波不连续则与辉石、橄榄石转变为钛铁矿ilmenite结构和钙钛矿perovskit

7、e结构的相变相吻合。 下地幔(9002700km)是结构极为紧密的Mg、Fe硅酸盐矿物组合（如钙钛矿结构等）。,钙钛矿结构,四面体,四面体 和八面体,八面体,2.榴辉岩橄榄岩互层地幔模型 Anderson(1979,1982)根据计算发现： a、在220-270Km（压缩波速）Vp、（剪切波速）Vs值比纯橄榄岩高4-5%和3-7%，该速度与橄榄-榴辉岩相近。 b、400km和670km地震波波速变化与Ringwood提出的相变不吻合。,将地幔自上而下划分为三层： “富集”的橄榄岩上地幔（从Moho面到220km深度）enriched upper mantle ； “亏损”的橄榄岩-榴辉岩过渡带

8、(220670km)depleted transitional zone ； “亏损”的橄榄岩下地幔depleted lower mantle。,3、地幔低速带 在岩石圈下部存在低速带，地震波波带低，热流值大，高的电导率，称为地幔低速带（软流圈）。 地幔低速带对于板块运动、岩浆形成及大陆演化具有重要意义。,Ringwood对地幔低速带解释： 1）按照现代地热增温率，地幔含水降低岩石熔点才可能使地幔岩部分熔融。 2）低压下（75km)，水存在于含水矿物，无自由水。 3）75-150km压下内矿物脱水（如角闪石）而存在自由水，大大降低地幔岩石熔点而发生熔融。 4）大于150km形成更高压含水矿物，

9、缺乏自由水而不发生熔融。,4、地幔柱理论 是Wilson(1963)和Morgan(1971,1972)提出。 地幔柱是来自地球深部的物质，由于其中的放射性元素衰变释放出的热能而形成的圆筒状物质流。,如夏威夷活火山热点，是地幔柱和太平洋板块西移造成的，其西部为4000万年，东为7500万年。,大洋中的热点形成夏威夷群岛,二、地幔化学成分确定方法（自学） 1、上地幔成分确定方法 a、幔源玄武岩及包裹体；b、构造推覆上来的地幔岩块（一般较少，如加利福尼亚大学Collerson在拉布拉多北部发现两块地幔岩块）。 2、下地幔成分确定方法（间接法） a、地震波：实测的地震波波速与高温高压下岩石原位声速拟

10、合。 b、宇宙化学资料（如陨石）获取。,如0-400km橄榄石声速与实测地震波速相吻合； 600-1000km钙钛结构的辉石与实际声速吻合。,3、原始地幔确定方法 原始地幔指地球增生及核幔分离（金属相与硅酸盐相分离）后，但还没有分离出地壳时的地幔。是地球成因及岩石圈演化研究的基础。,几种不同的估算方法（介绍3种） 多基于和CI球粒陨石中难熔亲石元素比值的比较；或者根据地幔包体或地球物理资料确定原始地幔中某一元素（如TiO2,FeO)含量，再根据其它元素与难熔亲石元素的比值，算出其他元素的含量。（CI型球粒陨石代表太阳系早期原始物质状态，核幔分离后比值应该与CI球粒陨石相同，为什么？） 原始未亏

11、损样品法(Jagoutz,1979)： 用地幔尖晶石二辉橄榄岩包体中中没明显亏损Ca、Al样品代表地幔； 美国亚利桑那州SCI样品具有CI球粒陨石亲氧元素和同位素比值一致，该样品与与地壳平均成分混合计算。,地幔模型法（Anderson,1983）： 用球粒陨石中难熔元素比值作为制约条件，计算出原始地幔相当于以下5种岩石的混合物： 超镁铁质岩（32.6%） 平均地壳岩石（0.56%）（与实际地壳比例0.59%相当） 洋中脊玄武岩（6.7%）（与40亿年来产生和消减的洋壳量相当） 金伯利岩（0.11%） 斜方辉石岩（59.8%）,质量平衡法（Taylor，1985） 据地核与地幔的质量比，原始地幔

12、亲氧元素丰度是CI球粒陨石的1.5倍。 因为C地球= X C地幔 + （1- X）C地核， 而地核/地幔 = 31：69（由地球物理方法获得），所以X=0.69，而亲氧元素全部进入地幔，即C地核=0，则有： C地幔=C地球/0.69=1.5C地球。,三、地幔不均一性（自学） 1、样品 a、地幔橄榄岩类岩石（较少）；b、玄武岩类岩石（地幔部分熔融作用的产物）。 2、地幔化学不均一性表现 a、大陆地幔和大洋地幔明显不同，大洋地幔亏K、U、Th。 b、各大洋地幔之间特征不同，如大西洋、印度洋87Sr/86Sr比太平洋高。 c、洋脊、洋岛、岛孤地区岩石地球化学特征不一致。,3、地幔化学端元 a、PRE

13、MA（Prevalent Mantle):原始地幔，核幔分离但壳幔未分异。 b、DMM（Depleted More Mantle):亏损型地幔，地幔熔融作用使不相容元素向地壳迁移而造成亏损不相容元素。 c、EM：富集I型地幔：由于再循环下地壳物质加入地幔而造成不相容元素富集地幔。 d、EM：壳源沉积物加入到地幔而造成不相容元素富集（如俯冲）。,4、地幔化学不均一 a、地幔同位素不均一（如Sr、Pb、Nd)。,b、地幔微量元素不均一。,5、地幔化学不均一成因 a、地球形成的行星吸积过程中变存在化学组成的不均一性。 b、地球分异时，地球演化早期大陆地壳形成时，引起大陆地幔和海洋地幔区域不均一性。

14、c、由于大陆漂移，地壳和地幔重新组合。由于温压条件不一样，大陆混入地幔比例不一致。,第四节 地幔与地壳物质交换,证据： 1、Pb, Sr, Nd同位素证据 2、 10Be的证据 3、 微量元素证据,地壳是地幔通过长期分异作用形成，大量研究表明：地壳的增长在中晚元古宙时期达到高峰，此后地壳质量没有明显的增长，这意味着一部分地壳物质一定以某种途径返回到地幔中去了。,岛弧火山岩 介于洋脊玄武岩 和沉积物之间， 发生了源区混合,（2） 10Be的证据 10Be的性质： 半衰期短：1.5Ma, 年轻沉积物中具有明显比古代沉积物或地壳高的10Be含量，是研究现代岛弧火山岩中是否有俯冲洋壳物质的有效指示剂。

15、 现代10Be的形成： 大气层顶部宇宙射线作用产物 147N = 104Be + + p 168O = 104Be + + 2p,岛弧火山岩10Be 介于沉积物和火山岩之间。 表明岛孤火山岩中10Be是来自再循环的产物。,沉积物中10Be高，混入少量到地幔中就有明显反映,（3） 微量元素证据 以岛弧火山岩为例,富集低场强（ 大离子亲石）元素：Sr、K、Ba、Rb等,亏损高场强元素Ta、Nb、 Ti等,岛弧火山岩微量元素的解释： 富集低场强元素Sr、K、Ba、Rb等 原因：俯冲洋壳的去水作用对上覆地幔的交代作用 亏损高场强元素Ta、Nb、 Ti 、 Zr、Hf等 原因：a.地幔楔源区存在少量金红石、榍石、锆石及磷灰石;b.俯冲物质部分熔融或析出流体过程中角闪石、金红石作为残留相；c.从俯冲沉积物中继承了低的Ta/Th和Nb/Th比值；d.地壳混染,