岩石地球化学-郭进辉

中国科学院研究生院中国科学院地质与地球物理研究所岩石地球化学郭敬辉82998541（新办公楼541＃）[e-mail]理解地球内部的方法地质地球物理技术物理化学实验模拟地球化学提纲第一章绪论现代全球构造体系中的岩石成因问题第二章岩石地球化学研究方法的理论基础第三章地壳和上地幔的主要构成岩类及其地球化学1.上地幔的岩石学组成、结构及地球化学特征，地幔的不均一性和地幔端元；2.不同构造环境的地壳结构，下地壳的岩石学组成及地球化学特征；3.上地壳主要岩类的地球化学特征。第四章大洋地壳的形成演化与地球化学过程1.洋中脊、蛇绿岩、大洋地壳的生长机制与地幔对流；2.洋岛、大洋高原的岩石地球化学特征与地幔柱构造；3.岛弧及活动大陆边缘主要岩石组合的地球化学特征，俯冲消减带的岩浆发生机制与地球化学特征的联系。第五章大陆地壳的形成演化与地球化学过程1.大陆岩石圈地幔的基本组成特征，拆沉作用与富集地幔的形成机制；2.埃达克岩，科马提岩、片麻岩的成因与太古宙大陆生长机制；3.大陆碰撞造山带，同碰撞与碰撞后岩浆活动：类型、地球化学及成因机制；4.大陆裂谷带的岩浆活动类型及地球化学特征5.大火成岩省的岩石地球化学特征第六章新全球构造与地球系统中的圈层相互作用第七章研究实例1:太古宙大陆地壳生长机制第八章研究实例2:花岗岩类成因与大地构造第九章研究实例3:中国东部中新生代岩石圈加厚、减薄与转型对《岩石地球化学》的思考框架•要面对哪些特定的科学问题?•主要采用哪些方法、理论和技术？•成功解决了哪些科学问题？•哪些理论、方法、成果可以作为学科发展的标志？1、上地幔的性质和相关过程第三章地壳和上地幔的主要构成岩类及其地球化学地球的圈层结构地球各主要圈层的体积和质量•地壳的厚度是地幔的0.59％；体积是地幔的0.9％；质量是0.6％。•因此，地幔的微小变化会导致地壳的巨大变化地幔的形成地球早期的核幔分离地幔橄榄岩包体太行山南部—鹤壁地幔橄榄岩包体河北张家口大麻坪上地幔的化学和标准矿物组成-地幔包体资料二辉橄榄岩不同深度地幔的矿物组成和密度上地幔下地幔过渡带上地幔矿物相关系亏损地幔的贡献－大洋地壳的形成拉斑玄武岩富集地幔的贡献－大洋岛的形成碱性玄武岩地幔柱构造PlumeTectonics2、不同构造环境的地壳结构，下地壳的岩石学组成及地球化学特征第三章地壳和上地幔的主要构成岩类及其地球化学大陆地壳一般结构地壳结构的类型：1速度结构、2岩石学结构、3成分结构、4流变学结构上部地壳，Uppercrust中部地壳，Middlecrust上部下地壳，Upperlowercrust最下地壳，lowermostcontinentalcrust大陆地壳的9种结构（Vp速度）类型中国不同构造单元地壳的结构(Vp速度)中国东部地壳的平均速度结构（Vp）大别山造山带地壳速度结构（王椿镛等，1997）460km480kmAlpsorogenUralorogen大别山造山带300Km世界著名造山带地壳断面对比图大陆地壳的岩石学结构实例：上部地壳：沉积岩，火山岩中部地壳：变质沉积岩，混合岩，花岗岩上部下地壳：中性麻粒岩，斜长角闪岩最下地壳：基性麻粒岩，辉长岩，辉石岩要区分形成、赋存的不同条件SawyerEW,1998,JPZegers&vanKeken,2001,Geology问题：1.下地壳，什么岩石类型可以稳定存在？2.下地壳，榴辉岩是否可以稳定存在？3.下地壳，可以发生什么地质过程？大陆地壳的流变学结构大陆地壳的成分结构大陆上地壳的组成大陆上地壳的稀土元素组成特征大陆上地壳的稀土元素组成特征大陆中地壳的稀土元素组成特征大陆中地壳的微量元素组成特征大陆下地壳的主元素组成大陆下地壳的稀土元素组成特征大陆下地壳的微量元素组成特征典型地壳的稀土元素组成典型地壳的微量元素组成平均大陆地壳的稀土元素组成平均大陆地壳的微量元素组成大陆下地壳的主元素、微量元素和同位素组成特征问题一第四章地壳和上地幔的主要构成岩类及其地球化学1、洋中脊、蛇绿岩、大洋地壳的生长机制与地幔对流；2、洋岛、大洋高原的岩石地球化学特征与地幔柱构造；3、岛弧的成因：俯冲消减带的岩浆发生机制岛弧及活动大陆边缘主要岩石组合类型及其地球化学特征岩浆发生的机理•所有的岩浆都起源于地壳或上地幔已有岩石的部分熔融•实验岩石学资料，固相线和液相线•部分熔融发生的原因：温度达到了固相线•导致部分熔融发生的主要因素：1温度升高（外来热源使地温线改变，俯冲）2压力降低（地劈上升）3流体加入（地幔楔）岩浆发生的机理：部分熔融发生的条件什么叫固相线？什么叫液相线？岩浆的起源与部分熔融俯冲洋壳温度升高发生部分熔融洋中脊减压熔融地壳深部和上地幔为什么会发生部分熔融？岩浆的起源与部分熔融减压过程为什么会造成部分熔融为什么会发生底劈上升？底劈上升与减压熔融岩浆的起源与部分熔融流体加入与部分熔融流体为什么会引发部分熔融？岩浆的起源与部分熔融部分熔融的发生与岩浆的会聚什么情况下熔体能够会聚排出岩浆发生的构造环境岩浆岩组合与大地构造（简述）板块构造与火成岩成因1.洋中脊玄武岩MORB2.陆内裂谷3.岛弧火山岩IAV、IAB4.活动大陆边缘5.弧后盆地6.洋岛玄武岩OIB7.各种陆内岩浆活动金伯利岩，碳酸盐岩，斜长岩????600km400200kmContinentalCrustOceanicCrustLithosphericMantleSub-lithosphericMantleSourceofMelts1534672大洋玄武岩分类：依据构造环境1MORB(Mid-OceanRidgeBasalts)，洋壳上部的主体，包括熔岩和岩墙，并代表大洋辉长岩的初始岩浆。2BABB(Back-ArcBasinBasalts)，形成于弧后扩张脊。弧后盆地宽度60－1000km。3OPB(OceanPlateauBasalts)，发育于大洋板内环境，形成范围巨大的、厚的海底熔岩堆积。4OIB(OceanIslandBasalts)，形成海山、大洋岛、或岛链5IAB(IslandArcBasalts)，岛弧或Andean型活动大陆边缘*6CTB(ContinentalTholeiiticBasalts)，产生于大陆裂谷早期阶段，或形成溢流玄武岩。这类岩石与MORB相似，但穿过大陆地壳并与之反应。玄武岩分类：依据地幔源区1、洋中脊、蛇绿岩、大洋地壳的生长机制与地幔对流第四章地壳和上地幔的主要构成岩类及其地球化学采用声纳技术，系统调查海底地形。1956年，发现大洋普遍存在中脊，洋中脊实际上是裂谷，提出“全球裂谷系”；1977年绘制的海底地貌图印度洋卡尔斯伯格海岭采用古地磁技术系统研究洋中脊，1963年Vine和Matthews发现洋中脊磁异常条带，确认新洋底沿中脊顶部不断形成和扩张，证实了美国科学家H.Hess1962年提出的海底扩张假说洋中脊是大洋岩石圈生长的地方！洋中脊的岩浆活动海底扩张模式与板块理论有什么差别！大洋的特点年轻，200Ma低速带LVZ位置浅(100km)大洋地壳主体是玄武质的（MORB）大洋地壳的组成相对均匀？大洋地壳源区，尖晶石相地幔(80km)可识别的最早的MORB型大洋地壳2.5Ga洋中脊扩张速率SpreadingRatesSpreadingratesofsomemid-oceanridgesegments.CategoryRidgeLatitudeRate(cm/a)*FastEastPacificRise21-23oN313oN5.311oN5.68-9oN62oN6.320-21oS833oS5.554oS456oS4.6SlowIndianOceanSW1SE3-3.7Central0.9Mid-AtlanticRidge85oN0.645oN1-336oN2.223oN1.348oS1.8FromWilson(1989).DatafromHekinian(1982),Sclateretal.(1976),JacksonandReid(1983).*halfspreading•慢速扩张脊:3cm/a•快速扩张脊:4cm/a•扩张速率可随时间变化谁快？谁慢？大洋地壳和上地幔结构OceanicCrustandUpperMantleStructure•地震波，4层•深海钻探计划(DSDP)•大洋钻探计划(ODP)•破碎带采样Dredgingoffracturezonescarps•蛇绿岩大洋地壳和上地幔结构典型的蛇绿岩?Lithologyandthicknessofatypicalophiolitesequence,basedontheSamialOphioliteinOman.AfterBoudierandNicolas(1985)EarthPlanet.Sci.Lett.,76,84-92.深海沉积物枕状熔岩岩墙杂岩叶理化辉长岩超镁铁质岩层状堆晶辉长岩Layer1？Layer2？Layer3？Layer4？洋中脊的岩浆活动示意图洋中脊的岩浆活动洋中脊的扩张是主动还是被动沉积物熔岩岩墙杂岩辉长岩，正在岩浆房结晶层状堆晶橄榄岩亏损的方辉橄榄岩上升的熔融体洋中脊的结构洋中脊的岩浆活动这个洋中脊结构与蛇绿岩套相同吗？AfterBowen(1915),A.J.Sci.,andMorse(1994),BasaltsandPhaseDiagrams.KriegerPublishers.通常结晶顺序：1.橄榄石(Mg-Cr尖晶石)2.橄榄石+斜长石(Mg-Cr尖晶石)3.橄榄石+斜长石+单斜辉石MORB的主元素特征1)典型的洋中脊玄武岩（MORB/OFB）是橄榄拉斑玄武岩，包括海底熔岩和岩墙群。低K2O(0.2%)，低TiO2(2.0%)2)不同地点的MORB具有很窄的主元素变化范围，表明许多洋中脊玄武岩的岩石成因机制相同（部分熔融+结晶分异）。3)洋中脊玄武岩大部分由亏损地幔部分熔融形成，少部分由富集地幔部分熔融形成。它们分别称为NMORB与EMORB。4)NMORB与EMORB在主元素组成上没有显著差别，在微量元素的组成上有显著差别。EMORB富集不相容元素。MORB主元素特征Table13-2.AverageanalysesandNormsofMORBglasses(BVTPTable1.2.5.2).OxideWt%AllMAREPRIORSiO250.5350.6850.1950.93TiO21.561.491.771.19Al2O315.2715.6014.8615.15FeO*10.469.8511.3310.32MgO7.477.697.107.69CaO11.4911.4411.4411.84Na2O2.622.662.662.32K2O0.160.170.160.14P2O50.130.120.140.10Total99.6999.799.6599.68Mg#(mol)a56585357NormQ0.940.760.931.60or0.951.000.950.83ab22.1722.5122.5119.64an29.4430.1328.1430.53di21.6220.8422.5022.38hy17.1917.3216.5318.62mt4.444.344.743.90il2.962.833.362.26ap0.300.280.320.23All:AvefromAtlantic,PacificandIndianOceanridges.MAR:Ave.fromMid-AtlanticRidge.EPR:Ave.fromEPR.IOR:Ave.IndianOcean.aMin.valuesinceallFeasFeO•MgOandFeO•Al2O3andCaO•SiO2•Na2O,K2O,TiO2,P2O5“Fenner-type”variationdiagramsforbasalticglassesfromtheAfarregionoftheMAR.Notedif