地球化学-东华理工大学地球化学课件3---TJH

第三章地球的化学组成本章内容1、地球的结构2、大陆地壳的结构和组成特征3、大洋地壳4、地壳的元素丰度5、地幔的组成6、地核的组成7、地球外部圈层的组成8、地球的化学组成地震横波：在固态中传播，在液态中不能传播。传播速度慢。地震纵波：在固态、液态中均可以传播，传播速度快。1、地球的结构根据地震波的传播速度，将地球分为地壳、地幔、地核等不同圈层。地球表面还有水圈、大气圈。1、地球的结构地球由地壳、地幔、地核以及水圈和大气圈组成地壳、地幔、地核统称为固体地球地核：液态的外核和固态的内核两部分组成地幔、地核、地壳分别占地球质量的67.2%、32.4%和0.4%，分别占体积的83％、16％、0.7％大气圈和水圈所占地球质量不足0.03%2、大陆地壳的结构和组成特征地壳可分为大陆地壳和大洋地壳。大陆占地球表面的41%，大陆地壳的质量占整个地壳质量79%，加之大陆是人们生活和获取资源的主要场所，因此大陆地壳是地球化学组成的研究中心。大陆地壳的化学组成和演化机制是认识地球总体成分、分异演化和地球动力学过程的基本地球化学前提。因此，大陆地壳的化学组成自地球化学科学诞生以来一直是地球化学研究的中心问题之一。人们已获得对大陆地壳研究的认识1.大多数地区地壳由上、中、下地壳三层组成。2.随深度增加，温度和压力增大，变质程度升高，因此不同深度的岩石对应不同的变质相。上地壳：未变质相至绿片岩相岩石和花岗岩侵入体组成（花岗质）中地壳：英云闪长岩-奥长花岗岩-花岗闪长质片麻岩为主的角闪岩相岩石组成（英云闪长质）下地壳：成分不同的麻粒岩相岩石组成（玄武质）3.从上地壳至中地壳至下地壳，随着深度增加，岩石逐渐变得更基性，即SiO2含量逐渐降低。2.1大陆上地壳化学组成的研究方法（1）岩石平均化学组成法是由美国F.W.Clarke和H.S.Washington于1924年发表的地球化学资料中计算出来的。他们的思路是：在地壳上部16公里范围内（最高的山脉和最深海洋深度接近16公里）分布着95%的岩浆岩，4%的页岩，0.75%的砂岩，0.25%的灰岩，而这5%沉积岩也是岩浆岩派生的，因此认为岩浆岩的平均化学成分实际上可以代表地壳的平均化学成分。其作法如下①在世界各大洲和大洋岛屿采集了5159个不同岩浆岩样品和676件沉积岩样品；②对53种元素进行了定量的化学分析；③其样品的数量相当于这些样品在地球表面分布面积的比例;④计算时用算术平均求出整个地壳的平均值。他们的工作具有重大的意义：①开创性的工作，为地球化学发展打下了良好的基础；②代表陆地区域岩石圈成分，其数据至今仍有参考价值。（2）通过对大区域出露的不同岩石进行系统取样和分析.在区域内采集不同时代的不同类型岩石的代表性样品，对所获得的样品进行分析测试，然后按照各类岩石在区域内所占的比例，求出该区域的元素丰度。世界上迄今为止只有加拿大地盾和中国东部两个地区。优点：1、是上地壳元素丰度研究的最可靠办法；2、可以同时研究所有主量元素和微量元素的唯一方法。缺点：费时、费力、费钱。（3）细粒碎屑沉积岩法1）哥尔德斯密斯（Goldschmidt）采集了挪威南部冰川成因粘土（77个样）用其成分代表岩石圈平均化学成分，其结果与克拉克的结果相似，但对微量元素的丰度做了大量补充和修订，Na2O和CaO含量偏低（这与表生条件下，Na和Ca容易淋滤沉淀有关）。2）泰勒和麦克伦南（Taylor和McLennan,1985）提出细粒碎屑沉积岩，特别是泥质岩，可作为源岩出露区上地壳岩石的天然混合样品，用后太古宙页岩平均值扣除20%计算上部陆壳元素丰度。（3）细粒碎屑沉积岩法缺点：不能给出大陆上地壳主量元素的丰度，对微量元素的研究也仅限于不溶元素和中等程度的不溶元素。（4）大陆地壳生长历史法泰勒和麦克伦南（Taylor和McLennan,1985）提出：现今大陆地壳质量的75%形成于太古宙，25%形成于后太古宙。后太古宙的大陆生长主要发生在岛弧地区，代表性物质是岛弧安山岩。他们根据上述认识计算了现代大陆地壳的化学组成。存在问题：目前对于大陆地壳生长历史的认识差异较大，对不同地质时期大陆地壳的原始物质的性质认识也不尽相同。上部地壳深成岩体的体积比例花岗岩类和花岗闪长岩类77%石英闪长岩类8%闪长岩类1%辉长岩类13%正长岩类、斜长岩类、橄榄岩类1%总量100%（1）大陆上地壳主要具有花岗质的总体成分。大陆上地壳成分（2）大陆上地壳在微量元素蛛网图上具有明显的Eu负异常。2.2大陆深部地壳化学组成的研究方法（1）出露地表的大陆地壳剖面法造山作用可使下地壳甚至上地幔的岩石大规模暴露到地表，出露地表的大陆地壳剖面（exposedcrustalcross-section）是研究大陆地壳元素丰度的良好样品。这样的剖面仅分布在少量地区：意大利北部的Ivrea带、意大利南部的Calabria带、加拿大的Kapuskasing隆起、南非的Vredefort构造带、我国的登封-鲁山、五台-兴和、怀安-尚义。图1.2出露地表的大陆地壳剖面的一般模式（据Percival等，1992）鉴别大陆地壳剖面的标志为（FountainandSalisbury,1981）:（1）有规律的变质分带，由于不同深度条件下形成的岩石均连续出露地表，大陆地壳剖面应展示出由低至高的规律性变质分带；（2）剖面中分布的麻粒岩形成于下地壳条件（600~1400MPa)（3）由于下地壳岩石密度较大，磁性较强，因此向着地表出露的下地壳岩石方向应表现出明显的重力和磁性异常。鉴别大陆地壳剖面的标志为（FountainandSalisbury,1981）:（4）地表出露的被确认为下地壳的岩石可直接延伸至地壳深部。根据地震波速与岩石类型和化学成分之间的关系，可由地震测深结构推测深部岩石组成。（5）产热率自上地壳向下地壳降低。（2）火山岩中的深部地壳包体研究即与橄榄岩等一同产于玄武质火山岩中的深部地壳包体，主要是来自下地壳的麻粒岩相包体，来自中地壳的角闪岩相包体通常少见。（3）地球物理法地震波：主要利用地震波速与岩石的矿物和化学组成密切相关，通过对地震折射测深获得的地震波速，结合在模拟深部温度压力条件下实验测定深部可能组成岩石的地震波速，来推测深部地壳组成。地表热流：由于地表热流取决于地壳岩石的生热率，而生热率是岩石中放射性生热元素U、Th、K的函数，因此，地表热流也可用来制约地壳成分。下地壳的成分是不确定性最大，争议最多的领域，主要原因有：（1）出露地表的麻粒岩地体和产于火山岩中的麻粒岩包体在形成条件和成分上存在重大差异；（2）下地壳在不同尺度上成分都是很不均一的；（3）地球物理对深部的探测是间接的，其解释不是唯一的，具有多解性。大陆中地壳成分大陆中地壳具有花岗闪长—英云闪长质的总体成分，SiO2含量介于62.4%~69.4%之间。与大陆上地壳的重要区别：在REE分配模式图上仅显示弱的负Eu异常或没有Eu异常。大陆下地壳成分下地壳成分估计值变化从基性至中性：SiO2=49.6%~62.9%.相对于上地壳亏损K、U，不具Eu异常或具Eu正异常。下地壳样品：麻粒岩包体和麻粒岩地体。二者存在一系列的差异。（1）分布：麻粒岩地体：51%属太古宙，32%属元古宙，17%属显生宙麻粒岩包体：14%属太古宙，52%属元古宙，34%属显生宙（2）成分：麻粒岩地体：以中性—长英质为主，SiO2含量主要介于55%~75%之间麻粒岩包体：以镁铁质-超镁铁质为主，SiO2含量主要介于40%~55%之间科学问题：底侵作用仅限于后太古宙时期？包体主要产于后太古宙；下地壳反射面被认为主要由基性岩浆底侵物质引起，下地壳反射面主要发育在后太古宙地区，在太古宙克拉通地区较少见；太古宙下地壳高速层的厚度明显小于元古宙地壳。另一种可能：先前存在于太古宙下地壳的基性岩浆底侵物质已被拆沉。Yaoetal.,2019.Lithos麻粒岩地体和包体差异的原因分析：（1）麻粒岩包体经历酸性成分部分熔融作用。（2）麻粒岩地体和麻粒岩包体分别代表了下地壳不同深度层次的，其中麻粒岩地体可能代表下地壳的中上部，而麻粒岩包体则可能代表下地壳底部至壳-幔过渡带；（3）地壳成分和地壳生长机制是随时间演化的。镁铁质麻粒岩包体被认为是玄武质岩浆底侵在壳-幔边界的产物。对大陆地壳整体成分研究的认识：（1）大陆地壳总体成分是安山质的或花岗闪长质的，SiO2含量范围为57%~63%（2）上、中、下地壳整体均以明显亏损Nb、Ta等高场强元素和富集Pb为特征，在原始地幔标准化蛛网图上分别呈现明显的负异常和正异常，而显著区别于洋壳。这种特征与岛弧岩浆岩的特征相同，而不同于板内岩浆岩，说明现今大陆地壳主体形成于岛弧环境。对大陆地壳整体成分研究的认识：（3）对应于地震波速随深度增加，大陆地壳成分存在明显垂向分层，从上地壳至下地壳随着SiO2含量逐渐降低，不相容元素含量亦逐渐减低，而相容元素含量逐渐升高。（4）大陆上地壳具有明显的Eu负异常，大陆下地壳通常具Eu正异常，大陆地壳整体具有弱的Eu负异常。Eu/Eu*=0.93。（课本P55图2.8）3、大洋地壳相对于大陆地壳，大洋地壳厚度较薄，平均为10km，且垂向是均一的。大洋地壳剖面：沉积岩枕状玄武岩席状岩墙群块状辉长岩上←下除沉积层外，其余三层均是玄武质的。因此，大洋地壳总体成分是玄武质的。3、大洋地壳蛇绿岩套(ophiolitesuit)简单称为蛇绿岩(ophiolite)蛇绿岩的代表层序自下而上是：橄榄岩、辉长岩、席状基性岩墙和基性熔岩以及海相沉积物，其中橄榄岩和辉长岩在层序上可以重复多次。三位一体：一组由蛇纹石化超镁铁岩、基性侵入杂岩和基性熔岩以及海相沉积物构成的岩套。蛇绿岩一般是灰绿色，其中普遍伴生蛇纹石。意义：它代表地史时期存在一个广阔的大洋。Wilson,19893、大洋地壳3、大洋地壳大洋玄武岩可分为两类：第一类：来自洋中脊（Mid-OceanRidge）,代表亏损地幔的洋中脊玄武岩（MORB)包括正常型（N-MORB）和富集型（E-MORB）两类。第二类：来自大洋盆地，代表富集地幔的洋岛玄武岩（OIB）包括富集地幔Ⅰ型（EM-1）、富集地幔Ⅱ型（EM-2）以及高μ值型（HIMU）。在微量元素特征上，相对于大陆地壳，大洋地壳在蛛网图上显示Pb负异常，Nb正异常。N-MORB和E-MORBE-MORBN-MORBOIBN-MORB和E-MORBN-MORBE-MORB3、大洋地壳Wilson,1989地壳厚度Wilson,1989地壳元素分布的不均一性地壳元素的分布不论在空间上及时间上都是不均一的:(1)空间上分布的不均一性；(2)时间上地壳元素分布的不均一性。4、地壳的元素丰度空间上地壳元素分布的不均一性垂向深度（陆壳）：上下地壳元素丰度的不均匀性：上地壳：0-8~12km偏酸性火成岩、沉积岩；下地壳：8~12km-莫霍面麻粒岩、玄武岩。Ri=上地壳元素丰度/下地壳元素丰度：Ri约等于1:Ca,Si,Zr,Nd,Pb等；Ri1:Mg,Cu,V,Fe,Ni,Cr,Ag,Co,Sr等；Ri1:Cl,C,Cs,K,Rb,U,Th,Bi,Tl,Nb等。反映了地壳物质在分异调整过程中的宏观趋势。空间上地壳元素分布的不均一性横向分布：大陆地壳和海洋地壳的不均一性洋壳：占地球表面55%以上，厚5-16km，它们的化学成分与地幔物质相似，以镁、铁硅酸盐为主，主要分布着Cr,Fe,Ni,Pt等亲铁元素。陆壳：占地球表面41%，厚30-50km，它们的化学成分由铝、钾硅酸盐组成，主要分布着亲氧及亲硫元素W，Sn，Mo,Cu,Pb,Zn,Ag等。陆壳内：板块间、区域间、地质体间、岩石间、矿物间元素分布不均一性。时间上地壳元素分布的不均一性随着地质历史的发展，元素的活动与分布有着明显的规律性。地史早期：一些稳定元素在地史早期富集。Au元素：主要产在前寒武纪；Fe元素:主要产在前寒武纪元古代（前寒武纪变质铁矿占世界铁矿储量60%）。地史晚期：一些活泼的不稳定元素向着地史晚期富集。Sn,Nb,Ta