地球化學(xué)課件第七講2

第一節(jié)

地球的圈層構(gòu)造及化學(xué)組成一、地球的圈層結(jié)構(gòu)地殼、地幔、地核?二.地球元素豐度研究方法：1、隕石類(lèi)比法：

認(rèn)為與隕石同源，現(xiàn)今為分異結(jié)果，但總成分仍與隕石化學(xué)成分相同。假設(shè)：a.隕石在太陽(yáng)系形成；b.隕石與小行星成分相同；c.隕石是破壞了的星體碎片；d.產(chǎn)生隕石的星體，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和成分與地球相似。

但各類(lèi)隕石比例如何確定？2、地球模型和隕石類(lèi)比法:

按地球的各主要圈層的比例計(jì)算：a.地核(32.4%)—23.1%球粒隕石的鎳鐵金屬相+5.3%隕硫鐵(硫化物相)代表；b.地幔+地殼(67.6%)--球粒隕石的平均硅酸鹽成分。3、地球物理類(lèi)比法(黎丹):

A+B+C+D+E+F+G(層)結(jié)合地球物理資料。A：地殼；BCD分別為上地幔、中地幔和下地幔；EFG為外核、過(guò)渡層和內(nèi)核。第二節(jié)

地殼平均化學(xué)成分幾個(gè)概念：克拉克值：地殼的平均化學(xué)成分。重量克拉克值：地殼中元素的重量平均含量。原子克拉克值：地殼中元素的原子平均含量。2、細(xì)粒碎屑巖法碎屑巖是多種巖石混合，代有物源區(qū)地殼成分。2）TaylorandMclennan(1985)發(fā)現(xiàn)泥質(zhì)巖（如黃土、深海沉積物）稀土分配模式與現(xiàn)代大陸上地殼幾乎一致，用之估算。3、地殼模型法TaylorandMclennan(1985)認(rèn)為：地殼由75%太古宙+25%后太古宙。后太古宙發(fā)生在島孤地區(qū)（島孤安山巖）。局限：大陸地殼生長(zhǎng)過(guò)程中不同時(shí)期原始物質(zhì)認(rèn)識(shí)不相同，結(jié)果不一致。二、地殼元素豐度特征2、原子序數(shù)增加，豐度降低，但Li、Be、B豐度仍虧損，但規(guī)律不如太陽(yáng)系元素特征規(guī)律強(qiáng)，表明兩者相似但有區(qū)別。3、除少數(shù)惰性氣體和少數(shù)元素外，質(zhì)量數(shù)為偶數(shù)的元素豐度大于奇數(shù)。4、質(zhì)量數(shù)為4倍數(shù)的元素占主導(dǎo)地位。4A（87%），4A+3（13%），4A+1和4A+2（0.1n%)5、地殼虧親鐵元素，富集親氣不相容元素。三、元素克拉克值在地球化學(xué)研究中的意義2、作為元素集中分散的標(biāo)尺濃度克拉克值=觀測(cè)值/克拉克值大于1，元素富集或集中，小于1，元素貧化或分散。3、標(biāo)示地殼元素富集和成礦能力濃集系數(shù)=礦石邊界品位/克拉克值，表明元素富集成礦能力，即元素成為可開(kāi)采利用礦石需富集倍數(shù)4、地殼豐度對(duì)地球能源限制地殼能源來(lái)源：太陽(yáng)能和放射性衰變。地球形成45億年來(lái)，235U已衰變95%，238U已衰變50%，232Th已衰變20%。地殼元素衰變影響地殼物質(zhì)流。如18億前，衰變強(qiáng)，地球內(nèi)部活動(dòng)強(qiáng)，物質(zhì)垂直分流分異明顯。而18億年后（古元古-中元古），隨235U衰變量減小，地球能量低，導(dǎo)致上地幔頂部和地殼合成統(tǒng)一的巖石圈，剛性增強(qiáng)，導(dǎo)致板塊水平運(yùn)動(dòng)。第三節(jié)

地幔地球化學(xué)一、地幔結(jié)構(gòu)及低速帶由Ringwood提出的橄欖巖地幔模型和Anderson提出的橄欖巖-榴輝巖互層地幔模型。1.橄欖巖地幔巖模型Pyrolitemodel:

Ringwood(1962)提出可以用模式橄欖巖代表整個(gè)地幔的成分，并根據(jù)高溫高壓實(shí)驗(yàn)成果提出一個(gè)完整的橄欖巖相轉(zhuǎn)變系列可以解釋地幔中主要地震波（剪切波Shear、壓縮波Pressure）不連續(xù)面性質(zhì)，即將地幔劃分為三個(gè)帶，各帶之間均為等化學(xué)的相轉(zhuǎn)變關(guān)系：理由：橄欖石平均零壓密度與上地幔密度相等。輝長(zhǎng)巖-榴輝巖相變線與莫霍面不吻合，即在該深度不可能發(fā)生輝長(zhǎng)巖-榴輝巖相變。地幔包裹體中橄欖石數(shù)量遠(yuǎn)大于榴輝巖。①上地幔（從Mohorovic面到350km深度）由橄欖石olivine→斜方輝石enstenite→單斜輝石clinopyroxene→石榴子石garnet組成。②過(guò)渡帶transitionzone(350～900km)：地幔巖Pyrolite

發(fā)生相轉(zhuǎn)變，伴隨密度改變，引起地震波的不連續(xù)，350～400km的地震波不連續(xù)面與橄欖石→β相（類(lèi)尖晶石結(jié)構(gòu)）、輝石→石榴子石復(fù)雜固熔體的相變帶對(duì)應(yīng)。670km深處地震波不連續(xù)則與輝石、橄欖石轉(zhuǎn)變?yōu)殁佽F礦ilmenite結(jié)構(gòu)和鈣鈦礦perovskite結(jié)構(gòu)的相變相吻合。③下地幔(900～2700km)是結(jié)構(gòu)極為緊密的Mg、Fe硅酸鹽礦物組合（如鈣鈦礦結(jié)構(gòu)等）。鈣鈦礦結(jié)構(gòu)四面體四面體和八面體八面體2.榴輝巖橄欖巖互層地幔模型

Anderson(1979,1982)根據(jù)計(jì)算發(fā)現(xiàn)：a、在220-270Km（壓縮波速）Vp、（剪切波速）Vs值比純橄欖巖高4-5%和3-7%，該速度與橄欖-榴輝巖相近。b、400km和670km地震波波速變化與Ringwood提出的相變不吻合。將地幔自上而下劃分為三層：①“富集”的橄欖巖上地幔（從Moho面到220km深度）enricheduppermantle；

②“虧損”的橄欖巖-榴輝巖過(guò)渡帶(220~670km)depletedtransitionalzone；

③“虧損”的橄欖巖下地幔depletedlowermantle。3、地幔低速帶在巖石圈下部存在低速帶，地震波波帶低，熱流值大，高的電導(dǎo)率，稱(chēng)為地幔低速帶（軟流圈）。地幔低速帶對(duì)于板塊運(yùn)動(dòng)、巖漿形成及大陸演化具有重要意義。Ringwood對(duì)地幔低速帶解釋?zhuān)?）按照現(xiàn)代地?zé)嵩鰷芈剩蒯：档蛶r石熔點(diǎn)才可能使地幔巖部分熔融。2）低壓下（<75km)，水存在于含水礦物，無(wú)自由水。3）75-150km壓下內(nèi)礦物脫水（如角閃石）而存在自由水，大大降低地幔巖石熔點(diǎn)而發(fā)生熔融。4）大于150km形成更高壓含水礦物，缺乏自由水而不發(fā)生熔融。4、地幔柱理論是Wilson(1963)和Morgan(1971,1972)提出。地幔柱是來(lái)自地球深部的物質(zhì)，由于其中的放射性元素衰變釋放出的熱能而形成的圓筒狀物質(zhì)流。如夏威夷活火山熱點(diǎn)，是地幔柱和太平洋板塊西移造成的，其西部為4000萬(wàn)年，東為7500萬(wàn)年。大洋中的熱點(diǎn)形成夏威夷群島二、地?；瘜W(xué)成分確定方法（自學(xué)）1、上地幔成分確定方法

a、幔源玄武巖及包裹體；b、構(gòu)造推覆上來(lái)的地幔巖塊（一般較少，如加利福尼亞大學(xué)Collerson在拉布拉多北部發(fā)現(xiàn)兩塊地幔巖塊）。2、下地幔成分確定方法（間接法）a、地震波：實(shí)測(cè)的地震波波速與高溫高壓下巖石原位聲速擬合。b、宇宙化學(xué)資料（如隕石）獲取。如0-400km橄欖石聲速與實(shí)測(cè)地震波速相吻合；600-1000km鈣鈦結(jié)構(gòu)的輝石與實(shí)際聲速吻合。3、原始地幔確定方法原始地幔指地球增生及核幔分離（金屬相與硅酸鹽相分離）后，但還沒(méi)有分離出地殼時(shí)的地幔。是地球成因及巖石圈演化研究的基礎(chǔ)?！飵追N不同的估算方法（介紹3種）

多基于和CI球粒隕石中難熔親石元素比值的比較；或者根據(jù)地幔包體或地球物理資料確定原始地幔中某一元素（如TiO2,FeO)含量，再根據(jù)其它元素與難熔親石元素的比值，算出其他元素的含量。（CI型球粒隕石代表太陽(yáng)系早期原始物質(zhì)狀態(tài)，核幔分離后比值應(yīng)該與CI球粒隕石相同，為什么？）①原始未虧損樣品法(Jagoutz,1979)：用地幔尖晶石二輝橄欖巖包體中中沒(méi)明顯虧損Ca、Al樣品代表地幔；美國(guó)亞利桑那州SCI樣品具有CI球粒隕石親氧元素和同位素比值一致，該樣品與與地殼平均成分混合計(jì)算。

②地幔模型法（Anderson,1983）：用球粒隕石中難熔元素比值作為制約條件，計(jì)算出原始地幔相當(dāng)于以下5種巖石的混合物：超鎂鐵質(zhì)巖（32.6%）平均地殼巖石（0.56%）（與實(shí)際地殼比例0.59%相當(dāng)）洋中脊玄武巖（6.7%）（與40億年來(lái)產(chǎn)生和消減的洋殼量相當(dāng)）金伯利巖（0.11%）斜方輝石巖（59.8%）③質(zhì)量平衡法（Taylor，1985）據(jù)地核與地幔的質(zhì)量比，原始地幔親氧元素豐度是CI球粒隕石的1.5倍。因?yàn)镃地球=XC地幔+（1-X）C地核，而地核/地幔=31：69（由地球物理方法獲得），所以X=0.69，而親氧元素全部進(jìn)入地幔，即C地核=0，則有：C地幔=C地球/0.69=1.5C地球。三、地幔不均一性（自學(xué)）1、樣品

a、地幔橄欖巖類(lèi)巖石（較少）；b、玄武巖類(lèi)巖石（地幔部分熔融作用的產(chǎn)物）。2、地?；瘜W(xué)不均一性表現(xiàn)a、大陸地幔和大洋地幔明顯不同，大洋地幔虧K、U、Th。b、各大洋地幔之間特征不同，如大西洋、印度洋87Sr/86Sr比太平洋高。c、洋脊、洋島、島孤地區(qū)巖石地球化學(xué)特征不一致。3、地?；瘜W(xué)端元

a、PREMA（PrevalentMantle):原始地幔，核幔分離但殼幔未分異。

b、DMM（DepletedMoreMantle):虧損型地幔，地幔熔融作用使不相容元素向地殼遷移而造成虧損不相容元素。

c、EMⅠ：富集I型地幔：由于再循環(huán)下地殼物質(zhì)加入地幔而造成不相容元素富集地幔。

d、EMⅡ：殼源沉積物加入到地幔而造成不相容元素富集（如俯沖）。4、地?；瘜W(xué)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?；瘜W(xué)不均一成因

a、地球形成的行星吸積過(guò)程中變存在化學(xué)組成的不均一性。

b、地球分異時(shí)，地球演化早期大陸地殼形成時(shí)，引起大陸地幔和海洋地幔區(qū)域不均一性。

c、由于大陸漂移，地殼和地幔重新組合。由于溫壓條件不一樣，大陸混入地幔比例不一致。第四節(jié)

地幔與地殼物質(zhì)交換證據(jù)：1、Pb,Sr,Nd同位素證據(jù)2、10Be的證據(jù)3、微量元素證據(jù)地殼是地幔通過(guò)長(zhǎng)期分異作用形成，大量研究表明：地殼的增長(zhǎng)在中晚元古宙時(shí)期達(dá)到高峰，此后地殼質(zhì)量沒(méi)有明顯的增長(zhǎng)，這意味著一部分地殼物質(zhì)一定以某種途徑返回到地幔中去了。島弧火山巖介于洋脊玄武巖和沉積物之間，發(fā)生了源區(qū)混合（2）

10Be的證據(jù)10Be的性質(zhì)：半衰期短：1.5Ma,年輕沉積物中具有明顯比古代沉積物或地殼高的10Be含量，是研究現(xiàn)代島弧火山巖中是否有俯沖洋殼物質(zhì)的有效指示劑?，F(xiàn)代10Be的形成：大氣層頂部宇宙射線作用產(chǎn)物147N=>104Be++p168O=>104Be++2p島弧火山巖10Be介于沉積物和火山巖之間。表明島孤火山巖中10Be是來(lái)自再循環(huán)的產(chǎn)物。沉積物中10Be高，混入少量到地幔中就有明顯反映（3）微量元素證據(jù)以島弧火山巖為例富集低場(chǎng)強(qiáng)（大離子親石）元素：Sr、K