第二章 地幔中化学元素的分布

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二节地幔的结构及组成一．地幔的结构二．地幔的化学组成三.地幔的端元组成第二节地幔的结构及组成一．地幔的结构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时的最初的几百万年，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之为原始地幔。第二节地幔的结构及组成一．地幔的结构根据Vp及Vs波速分布，可将地幔分为三层）,，这是原始地幔进一步分异演化的结果。1.上地幔：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。根据地震剖面，上地幔又可分为坚硬的外壳（岩石圈的下部）及下伏的部分熔融的软流圈。上地幔的地质样品是由构造作用如洋壳（蛇绿岩）仰冲或特殊的火山作用（如金伯利岩和碱性玄武岩喷发）带至地表。第二节地幔的结构及组成一．地幔的结构2.过渡带：有时也作为上地幔的一部分。从400km到670km深处，其质量占地球的7.5％。进入过渡带，P波及S波的波速显著增加，岩石密度及导电性明显增长，显示该层范围内地幔物质的性质发生明显改变。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。地幔地震剖面及随深度矿物的相变第二节地幔的结构及组成一．地幔的结构3.下地幔：深度由670km至2900km，其质量约占地球的49％。根据地震波速较规则，显示下地幔的组成较上地幔均一。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20GPa）。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。第二节地幔的结构及组成二.地幔的化学组成1.地幔化学组成的研究方法（1）地质学方法：直接获取上地幔在地表的露头，这些天然露头有碱性玄武岩、碧玄岩、玻基辉橄岩、橄榄拉斑玄武岩、金伯利岩中的超镁铁质岩的深源包体。上述火山作用象一座座天然的超深钻，把地幔中的岩石标本携带到地表，成为“天然的地幔信史”。此外，以固态构造侵位的阿尔卑斯型镁铁质岩侵入体也是上地幔在地表的露头，但他们常常也遭受蛇纹石化，新鲜程度不如深源包体。第二节地幔的结构及组成二.地幔的化学组成1.地幔化学组成的研究方法（2）与地球以外的星球进行对比：通过对陨石、月岩组成的研究，了解地幔的演化及组成。（3）实验岩石学的方法：模拟地幔的高温高压条件，进行岩石、矿物相转变的实验；以及在各种不同的温压条件下对不同组成的上地幔物质进行熔融实验，从而了解各类岩浆起源的条件。第二节地幔的结构及组成二.地幔的化学组成1.地幔化学组成的研究方法（4）根据地球物理的资料：了解地幔的密度、弹性、粘度、热状态等性质，从而更好地限定地幔的岩石学模型。第二节地幔的结构及组成二.地幔的化学组成2.原始地幔的化学成分Taylor（1985）获得原始地幔的元素丰度的方法：①根据地幔的密度和地震资料确定原始地幔的FeO含量为8.0％；②难熔主要元素Si、Ti、Al、Mg、Ca之间应具有CⅠ型碳质球粒陨石的比值；第二节地幔的结构及组成③原始地幔的亲石微量元素丰度是CⅠ型球粒陨石的1.5倍；④挥发性元素通过各种途径研究，获得它与难熔亲石元素之间的比值进行估算。第二节地幔的结构及组成三．地幔的端元组成80年代地幔地球化学研究的主要成果是地幔不均一性和地幔端元成分的发现。研究表明地幔存在垂向及侧向的不均一性。地幔不均一性的产生可能有三种途径：第二节地幔的结构及组成三．地幔的端元组成①地幔部分熔融及岩浆的析出；②地幔交代作用；③地壳及岩石圈物质重新进入地幔对流。第二节地幔的结构及组成三．地幔的端元组成根据幔源岩石洋中脊玄武岩及洋岛玄武岩的Sr、Nd、Pb同位素及微量元素研究，地幔中存在亏损地幔（Depleted）及富集地幔。地幔中相对于原始地幔亏损（或富集）不相容元素的区域（或地幔）。第二节地幔的结构及组成三．地幔的端元组成不相容元素是指容易由地幔固体矿物中析出而进入有利的熔体相的那些化学元素。不相容性包括大离子半径亲岩元素（LILE），不适合进入地幔矿物的晶体构造。不相容元素具低的分配系数，经常D≤0.1。第二节地幔的结构及组成三．地幔的端元组成HartSR（1988）提出了4种地幔端元组成（图2-22）：亏损地幔DDM及高μ值地幔HIMU、富集地幔1EM1、富集地幔2EM2。后三者是洋岛玄武岩三种端元组分，主要来自再循环大洋岩石圈。根据Nd-Sr同位素划分的四种地幔端元组分图（据Hofmann，1997）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三节地壳与地幔的相互作用及物质交换一、岩石圈物质的循环二、地幔柱－岩石圈的相互作用第三节地壳与地幔的相互作用及物质交换一、岩石圈物质的循环岩石圈是刚性的、冷的圈层，它由地幔的最上部和上覆的大陆壳及海洋下的洋壳构成。岩石圈在大洋区厚约100km，大陆地区厚约100～400km，它是由海底扩张而移动的构造板块组成。岩石圈之下为软流圈，岩石圈板块好似漂浮在塑状的软流圈之上移动。岩石圈物质的再循环主要有二种形式：第三节地壳与地幔的相互作用及物质交换一、岩石圈物质的循环①大洋地壳或大陆地壳或岩石圈由于俯冲（消减）作用被软流圈传导进入地幔；②拆沉作用（delamination）地壳或岩石圈经底部侵蚀，其碎片沉入并集储在地幔。一、岩石圈物质的循环1.板块俯冲作用产生的物质再循环俯冲（消减）作用：由于岩石圈漂浮在软流圈之上，被传到至海沟，俯冲下滑回到岛弧之下地幔中去，经常呈45°角俯冲并达到600km以下的深处。地壳或岩石圈板片加入地幔，造成地幔成分的不均一性，往往是富集地幔及高μ值地幔端员组分形成的原因。一、岩石圈物质的循环2.拆沉作用以往人们认为陆源洋壳沉积物俯冲作用是大陆地壳再循环的唯一机制。目前拆沉作用的提出，引起地质、地球化学和地球物理学者普遍重视。它是造成下地壳及相应大陆地壳成分演化和壳－幔物质交换的重要机制之一。一、岩石圈物质的循环2.拆沉作用拆沉作用：系泛指由于重力的不稳定性导致高密度的岩石圈地幔或大陆下地壳沉入下伏软流圈或地幔的过程。典型的地区发生在安第斯山脉，阿尔卑斯山脉和我国的青藏高原。拆沉作用模型图（据Nelson，1991）短线区域代表上地壳和中地壳，浅灰色区域代表镁铁质下地壳，黑色区域表示转变为榴辉岩的镁铁质下地壳或洋壳一、岩石圈物质的循环2.拆沉作用造山过程中由于地壳加厚，40km的地壳下部将形成榴辉岩。榴辉岩的密度为3.43明显大于地幔岩石3.29g/cm3。此外，基性岩浆底侵于下地壳底部和下地壳部分熔融产生的残余体，经过麻粒岩相变质作用同样会获得较高的密度3.3～3.6g/cm3。因此由榴辉岩及镁铁质麻粒岩组成的下地壳在重力上是不稳定的，可以使大陆下地壳发生拆沉作用。第二章地壳及地幔中化学元素的分布第三节地壳与地幔的相互作用及物质交换一、岩石圈物质的循环二、地幔柱－岩石圈的相互作用二.地幔柱－岩石圈的相互作用地幔柱（Mantleplume）/热点（Hotspot）地幔柱：地幔中狭窄的上升热及低密度物质流。它具有100km级直径，并源于660km地震不连续面或近核－幔边界2900km深处热及低密度边界层。现行的地幔柱概念是“狭窄的上升的热流”或“狭窄的圆柱形热的管道”。低密度的物质起源于核幔边界，或者来自上地幔底部670km的间断面向上经过地幔达到地表。Morgan（1971）确定了20个深源地幔柱，并提出了地幔柱假说。地幔柱将热及相对原始的物质带至软流圈，当幔柱到达岩石圈底部时，地壳产生隆起及表面火山活动，这一隆起及伴随的火山称为“热点”。热点：是地幔柱在地表的“露头”，其出露点形成洋岛火山。热点对于活动的岩石圈板块保持相对稳定。典型的与热点有关的洋岛火山作用的轨迹，形成洋岛火山长链（如夏威夷－皇帝岛链）。这个链的时代由老向现代出露点逐渐变新。