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第七章 地壳与地幔地球化学02

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地质 储层 沉积 地化 层序地层
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第七章 地壳不地幔地球化学沈文杰中山大学地球科学系地球基本分层、地壳结构• 丰度概念• 地球元素分布特征• 地壳元素分布特征• 地球 /壳元素丰度模型太阳系: H>>>C>g>地球: >i>>l>O>l>a>>i>地球的圈层结构• 元素丰度概念• 地球地球化学组成• 地壳地球化学组成• 地幔地球化学组成• 地核地球化学组成地幔的地球化学组成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 由留下的 富 质堆积形成的初始地幔称之为原始地幔 ( 据 可将地幔分为三层 , 度约从 1000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 ) 时也作为上地幔的一部分 。 从 400 其质量占地球的 。 进入过渡带 , 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 400近 度由 670900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 和 具有 钙钛矿 ( 晶体构造 , 称之为镁硅酸盐的钙钛矿 ( 形成于很高压力 ( 即 >20 。 此外 , 伴随镁方铁矿 ( , 相对于上地幔更为富集地幔地震剖面及随深度矿物的相变由于我们还无法直接获取深部地幔的样品,所以目前对深部地幔的成分的估计是建立在 高温高压实验岩石学 和 地球物理观测 基础上的模型。( 1)地幔岩模型★模型 1962) 提出可以用 模式橄榄岩 ( 3份橄榄岩 +1份玄武岩)代表整个地幔的成分 (地幔岩 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 压缩波两个丌连续面 性质,即将地幔划分为 三个带 (上地幔、过渡带、下地幔) ,各带之间为 等化学的相转变 关系丌足:丌能说明火山岩中大量挥发分的来源;高温高压实验所得到的辉长岩 在此基础上提出双层地幔地球化学模型,认为地幔由亏损的上地幔和接近原始地幔成分的下地幔组成(670模型 2979,1982)根据地震波速和密度计算发现, 220~670幔岩”(模式橄榄岩)的 橄榄榴辉岩的计算值则不实测的波速一致,而且橄榄岩地幔岩的相转变所造成的密度和波速变化不 400和 670此提出了一个新的地幔模型 将地幔自上而下划分为三层:①“富集”的橄榄岩上地幔(从 20“亏损”的橄榄岩 220~670③ “ 亏损”的橄榄岩下地幔幔源捕虏体的来源来可是玄武岩岩浆源区的地幔岩, 也可是岩浆在上升过程中从源区上部的地幔岩中捕虏的地幔岩碎块。从成分特征上可将它们分为原始地幔岩、亏损地幔岩和交代富集型地幔岩三类:原始地幔 又称饱满地幔,是未经过部分熔融和流体交代的地幔,化学成分上与世界地幔岩的平均成分接近, 一般为 性一般为二辉橄榄岩;亏损地幔 又称残留地幔,是经过部分熔融出岩浆后的地幔残留部分。其相对于原始地幔明显亏损易熔组分,如 数高,多大于 91,一般为 量元素中地幔不相容元素亏损,如出现左倾的稀土配分型式等;(交代)富集地幔 为经过地幔流体交代的地幔, 表现为相对于原始地幔明显富碱、 b、 地幔不相熔元素。有时还可能出现富铁的特征, 数可低至 79。在矿物成分上,可出现富 角闪石和金云母等。地球内部圈层结构简图( 2008 核幔边界 ( 同)是地球内部最主要的界面之一,铁合金液态外核与硅酸盐下地幔底部进行着强烈的热交换作用,对地球内部的物质运动具有重要的意义。 地球物理研究观测到下地幔底部 200 D"层),存在着一些较为特殊的地震波特征和现象,如 超低速层 ( 剪切波分裂 ( 地震波不连续面 ( 及相关的地震波异常( ,这些现象和特征的成因长期以来并未得到满意的答案(参考 2008)。 2004年日本东京工业大学的 濑 敬)研究组,在日本先进的同步辐射中心 术,首先在美国 地幔主要矿物 下地幔底部温压条件下继续向更高压矿物相的转变 他们将这一新发现的矿物相称为 钙钛矿, 并认为 ” 层的物质成分,通过对 ” 层的许多疑团 随后苏黎世联邦理工学院的 004)和美国麻省理工学院的 2004)也分别独立报道了 理论计算研究也迅速证实了 et 2004; et 2004)。从此以后针对 得了大量喜人的成果, 成为新世纪初地球深部研究( 最大热门之一 004) 据 et 2004) D“ 层结构 (006; 008) 地幔丌均一)的原因:地幔柱形成;大洋板块俯冲地幔主要矿物成分及矿物相变化( 008) 地 幔 地核( 幔岩矿物组成随深度的变化( 2008 n)地幔低速层上地幔顶部 60的地震波速高的电导率高的热流值低速层越浅,热流值越大地幔低速层的成因• 部分熔融(软流圈)正常增温曲线对板块运动、岩浆形成和大陆地壳演化有重要意义• 地幔低速层成因( 按地热增温率,地幔岩石不能发生熔融。只有地幔中含水降低熔点才会发生部分熔融;– 较低压下( 1501) 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 、 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 。( 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( 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2 原始地幔成分的确定1)基本假定a. 金属与硅酸盐相在行星初期阶段即已分离,其增生过程中只存在局部平衡。 K、 对于难熔元素(如 U、 亏损发生于地球增生以前。此地球整体的 要估算方法多基于和 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 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( 1) 原始未亏损样品法 ( 979) :通过对来自地幔的尖晶石二辉橄榄岩包体的研究 , 找到了五个没有明显亏损 认为这些样品具有原始地幔的成分特征;其中美国亚利桑那州 具有 用该样品的成分与地壳成分进行混合计算获得了原始地幔中 57种元素的含量 。( 2) 地幔模型法 ( 983) :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 ( 平均地壳岩石 ( 洋中脊玄武岩 ( 金伯利岩 ( 斜方辉石岩 ( 计算的平均地壳岩石与现代地壳的份额 ( 非常接近;洋中脊的份额与 40亿年消减的洋壳相当( 3)质量平衡法( 1985)1985) 获得原始地幔的元素丰度的方法:① 据地幔密度和地震资料确定原始地幔的 ;② 难熔主要元素 Ⅰ 型碳质球粒陨石的比值;③原始地幔的亲石微量元素丰度是 CⅠ 型球粒陨石的 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3 上地幔和下地幔的化学成分( 1) 上地幔的化学成分可通过 上地幔的包体 研究获得。缺陷:大多数地幔包体产于大陆地壳下的上地幔,包体只限于 200幔包体经历复杂的历史,可能经部分熔融、地幔交代、地壳混染等作用。975)提出上地幔的理论组分是一份玄武岩 +三份橄榄岩混合组成,称为 “ 地幔岩 ”( 2) 下地幔成分资料均据地震波数据推断地幔的主要成份(%)氧化物 上地幔 (1) 地幔岩 (2) 未分异的原始地幔 (现在的地幔+地壳 )(1)5 1) 1985;( 2) 1975。大致相当于一份玄武岩和三份纯橄岩的混合物不同学者对原始地幔 地幔丌均一性这里主要是指地幔化学成分的不均一性 , 具体表现在同位素和微量元素上的不均一 ( 地幔端元成分划分依据 )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: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地幔丌均一性地幔丌均一性 幔交代、如南岭 W、 长江中下游 u, 华北 地幔橄榄岩类岩石包体 (直接,但稀少,难以系统研究,并且也可能并不完全代表源岩)– 通过来自玄武岩类岩浆携带上来的地幔岩石包体或者构造推覆的地幔岩块• 玄武岩类岩石 (间接,分布量大)– 地幔部分熔融作用的产物,成分已经发生改变,必须通过地球化学研究才能获得可靠的地幔成分信息• 元素 /同位素比值法• 元素丰度模式法• 干扰因素识别法• 研究时首先要排除地壳物质混染、岩浆混合等因素中国科学院地质不地球物理研究所博士生刘传周在读博士生赴外研修奖学金马普学会学生奖学金北冰洋 洋 橄榄岩 样品(其中一个采样点的橄榄岩样品的新鲜程度极其罕见)• 亲铁元素,富集在铁和硫化物相中,因此在地球形成的早期分异过程中趋向于在地核中富集• 幔熔融过程中 而导致壳 e/187 187187188素扩散及地幔对流可有效消除软流圈中不同规模的不均一性,这也被软流圈地幔来源的大洋中脊玄武岩的研究所证实。在同一个采样点的尺度范围 (0: 大于 损地幔ε 榴辉岩的密度为 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 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 。二 石圈的相互作用地幔柱( ( 幔柱 :地幔中狭窄的上升热及低密度物质流 。 它具有 100 并源于 660边界 2900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 6701971) 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 。近年地幔柱的研究受到重视 , 成为探讨地球物质深循环与地球动力学的跨世纪前沿课题 。地幔柱研究的发展1. 静态地幔柱模式阶段 基于对夏威夷 — 皇帝岛链的观察 ,1971年 即起源于核幔边界在地幔中上升的热物质流 , 在地表成为热点 。 经 70、 80年代的系统研究 , 成功地解释了夏威夷 — 皇帝岛链的成因 、 太平洋板块的北西向运动 , 以及火山岛屿的年代学记录 。 同时夏威夷群岛 、 冰岛等热点区的洋岛玄武岩也被地球化学视为与地幔柱密切相关的深地幔物质的代表 。 此问题的进一步深入的研究 , 已经提出了 著名的深俯冲地幔柱模式 ( 1982) 。2.动态地幔柱模式80年代至 90年代初 , 1990) 通过实验模拟基本解决了模拟 地幔柱两个本质特征 —热驱动和黏度对比问题 ,从而形成了动态地幔柱模式,并较成功地解释了大片溢流玄武岩与火山岛链之间的在时空组成上的内在联系,例如,印度德干高原玄武岩与印度洋火山岛链和留尼汪热点的关系。 993) 总结了这一时期研究结果,提出了地幔柱可以引起大陆裂解,控制新洋脊的位置和形成时间,以及改变海底台地密度,使其可能发生仰冲等 。同时提出了 地幔柱构造 的概念。球地幔重要的高速异常与 200 要的低速带则与火山弧热点、边缘盆地相关,以及“ D” 层(核幔边界层, 2900 度)中的高速异常位置正好对应着 200~ 300 个陆块拼合为劳地球内部物质循环示意图 ( et 1994)亚大陆的位置。在此基础上, ( 1994)将地震波速异常解释为温度差,提出了超级地幔柱假说,即全球在南太平洋及非洲存在两个上升超级地幔柱,在亚洲存在一个下沉超级地幔柱,大西洋中脊是一个次一级的上升地幔柱,而在南美俯冲过程仍在继续。这一动力学格局主宰着现今全球构造,表现为冈瓦纳大陆的裂解和欧亚大陆的增生。随之,从地球化学角度也进行了研究,并提出了全地幔对流,深地幔俯冲,幕式地幔柱活动的 式左图为由板块构造说所限定的威尔逊旋回,这是一种由岛弧俯冲、海底扩张 双层地幔对流 所组成的传统板块构造图景;右图是由于深部过程不平衡导致地幔柱的巨旋回幕式地穿透上下地幔之间的间断面,从而对岩石圈及地壳产生作用。 这种幕式间断发生的巨型地幔柱旋回与地壳的主要造山事件在时间上是耦合的。这一模式目前已得到地球化学证据的支持。 1994)黄石国家公园存在目前全球唯一活跃的超级火山,自 2004年起地质活动异常变动频繁,包括地震,地表隆起等,但没有证据表明该超级火山会在以后的几年内爆发。如果黄石公园的火山爆发,规模将是 1980年圣海伦火山爆发的 2500倍,将会引起全球性的灾难:• 火山灰将覆盖全美 3/4的土地;• 在火山一千公里范围内,灰尘引起大量暴雨,爆发泥石流,火山灰将压垮多数民房;• 火山灰尘导致电子设备无法正常使用,将使通讯,交通,物流等行业全线瘫痪;• 多数民众将死于化学气体中毒、受污染的水和食物,比如氟;• 全球性的天气灾难。硫酸气体层将在 2周内覆盖全球,反射太阳能源,全球气温平均下降 12道附近可能持续两三年的积雪,季风消失,东南亚面临干旱和饥饿。, 012; v. 40; 5; p. 479–480; —到底是丌是地幔柱?壳幔演化的元素行为不相容元素与组成上地幔矿物主要元素的离子性质有很大的差异,在地幔部分熔融时进入到熔体相,最后上升形成新的地壳,导致地壳中不相容元素非常富集大陆地壳微量元素地幔标准化蛛网图(据 2003)地壳以富集不相容元素( b、 产热元素( U、K)及高场强元素( f)为特征。上、(中)、下地壳微量元素地幔标准化蛛网图(据 2003)地核的地球化学组成1. 地核物理性质2. 核幔边界 D层电导率实验研究3. 地核地球化学组成研究途径. F. 2003. s , 地核地球化学组成估计根据上述关系,解释 始地幔通过 部分熔融产生大陆地壳;第二阶段地幔通过 8%熔融,产生大洋地壳. W. 1988. of 90, 297
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