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第十章沉积-成岩-变质作用地球化学

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地质 储层 沉积 地化 层序地层
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南京大学表生地球化学研究所第十章 沉积-成岩 积作用地球化学第二节 成岩作用地球化学第三节 变质作用地球化学南京大学表生地球化学研究所第十章 沉积-成岩 积作用地球化学一、沉积作用的主要搬运介质二、元素的表生迁移形式三、元素的表生地球化学活动性及其度量南京大学表生地球化学研究所沉积作用地球化学 : 主要是研究在沉积作用过程中元素的迁移及富集规律、元素及化合物搬运形式、影响元素及化合物搬运及沉积的因素以及沉积岩中元素的富集规律等。南京大学表生地球化学研究所1、沉积过程的重要性设大陆地壳平均密度为 度为 40么地壳的质量,包括大陆架,为 1024克,仅为地幔质量的 地球总质量的 沉积物的质量大致为 1024g,仅占地壳的十分之一强。其中大陆沉积物约占 70% (1024g),其余为远洋和大陆架沉积物。由此可见,沉积作用的产物仅占地球总质量的很少一部分。南京大学表生地球化学研究所( 1) 大陆 70 %以上被沉积岩覆盖,而大洋底部则几乎全部被覆盖。因此,沉积岩是我们最常见的岩石。已知最古老的沉积岩 — 36亿年(前苏联科拉半岛)。( 2) 在上部地壳中,深成岩体的体积比例大致如下: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 %组成上部地壳的火成岩中花岗岩类和花岗闪长岩类占一大半。这些岩石与沉积作用有密切的成因关系。南京大学表生地球化学研究所( 3) 20多种元素在沉积岩(主要是页岩)中丰度最高。如果包括粘土,则约 50多种元素在沉积物中丰度最高。其中有许多是重要的成矿元素,如 W、 n、 有许多是重要矿化剂元素,如 F、 I、 S、 外,还有许多元素,如 、 能形成有工业价值的矿床。南京大学表生地球化学研究所( 4) 沉积旋回中形成的矿床是人类最重要的原材料来源 。 世界矿产资源总量 75~ 85 %属沉积和沉积变质成因尤其是可燃性矿产和非金属矿产。金属矿产中,绝大部分的 0~ 50 % 的 25~30 %的 已发现原来认为与岩浆 — 热液有关的矿床,实际上与沉积或火山沉积作用有密切的成因关系。1965年孟宪民根据我国 240份普查勘探储量报告统计 , 各种层控矿床在全国储量百分比占有额中分别为: , , , , , , 。 它们都直接或间接地与沉积作用有关 , 或被沉积因素所控制 。 80年代提出的含矿建造理论认为 , 沉积旋回在提供成矿物质来源方面曾起到了关键的作用 。( 5) 认识地球系统演化的重要窗口 , 能反映含氧大气的形成 , 生命的形成和演化及有关重大突发事件 。南京大学表生地球化学研究所第一节 沉积作用地球化学沉积作用是人类最早认识的岩石成因过程。200多年前,德国弗莱堡矿业学院教师维尔纳( A G 1750~ 1817)注意到,岩石是有层序的 —— 一层层的砂岩、页岩叠加在结晶岩石,即我们现在所称的花岗岩、片麻岩及片岩之上。南京大学表生地球化学研究所原始的地球当初完全被含悬浮物和化学溶解物的水所覆盖。化学溶解物先从水中结晶沉淀,形成底部的结晶岩石;然后是悬浮物和化学溶解物的混合物沉淀,形成以悬浮物为主的,成层叠置的岩层,即我们今天所说的沉积岩。这是地质研究史上第一个根据系统观察而提出的岩石成因理论。按照维尔纳的理解,地壳岩石都是以这种方式形成的,以至于我们今天将他尊称为 “ 水成论 ”的鼻祖。水成论南京大学表生地球化学研究所一、沉积作用的主要搬运介质大陆剥蚀及物质搬运的主要营力是 水力 (河流和地下水)、 风力 、 冰川作用 和 重力海洋则是各种风化剥蚀产物的最终归宿。海洋中约88%的无机沉积物是由河流搬运的。其他来源所占比例很小。如大气降尘和火山作用带入海洋的物质进占其输入总量的约 1983)水是地球表面化学元素迁移的最主要搬运介质南京大学表生地球化学研究所图 地球表面的水文循环及水通量南京大学表生地球化学研究所水在储库中的停留时间( τw)被定义为:τw = 储库中的水量 (g)/进入储库的通量 (g/时间 )南京大学表生地球化学研究所水在海洋储库中的停留时间为:南京大学表生地球化学研究所对于大气圈储库而言,水的停留时间为:南京大学表生地球化学研究所世界地下水的平均停留时间:南京大学表生地球化学研究所二、 元素的表生迁移形式元素在地表的迁移可分为溶解的、胶体的和机械的三种形式水是沉积作用中化学元素及其同位素最重要的搬运介质和反应溶剂。表生水溶液和沉积物(岩)之间的水/岩分配系数南京大学表生地球化学研究所海洋中 70% 的沉积物通过河流以机械搬运的方式来自大陆 。 岩石及矿物碎屑的表生迁移主要依赖于流体运动 。 颗粒的迁移距离和沉降速率取决于流体动力条件 ( 密度 、 粘度 、 流速和雷诺数 —— 决定其是层流还是紊流 ) 和颗粒物理性质 ( 比重 、 形状及大小等 ) 。1. 机械迁移 —— 悬浮物二、 元素的表生迁移形式南京大学表生地球化学研究所图 10水深约 1屑颗粒被搬运、沉积和剥蚀的尤斯特罗姆图解南京大学表生地球化学研究所1. 机械迁移 —— 悬浮物 水悬浮颗粒:直径大致从 10- 6~ 10- 53们与碎屑和岩块一起以机械方式被搬运。其中粒径小于 10- 5于广义的胶体系统。二、 元素的表生迁移形式南京大学表生地球化学研究所 元素在水中呈各种 无机络合物 (如 、、 等)、 低分子有机络合物 (各种可溶有机质 )*、 中性分子 ( 简单离子 (如 K+、 其粒子的直径大多 小于 1010种溶液系统称为(低分子)真溶液 。2. 溶液迁移 —— 水化络合物二、 元素的表生迁移形式南京大学表生地球化学研究所在水溶液中 , 大多数阳离子和配位基组成水合络合物 。 其配位基既可以是阴离子 , 也可以是中性分子 。 实际上 , 许多在成矿和环境研究中有重要意义的一价以上阳离子 , 在水溶液中都以水合络合物 , 而不是以自由离子形式存在 ,2. 溶液迁移 —— 水化络合物二、 元素的表生迁移形式南京大学表生地球化学研究所元素在水或大气中呈粒径约 1010胶体聚合物和各种成分的颗粒 , 或被吸附在这些粒子上被搬运 , 称之为胶体 ( 水溶胶或气溶胶 )迁移形式 。3. 胶体迁移 —— 吸附作用和表面反应二、 元素的表生迁移形式南京大学表生地球化学研究所元素及化合物的真溶液及胶体溶液的搬运形式在沉积过程中起着重要作用。难溶的元素及化合物一般呈胶体溶液搬运,如 V、 难溶的硅酸盐及磷酸盐既可以通过胶体又可以通过真溶液方式进行搬运和沉淀;易溶的 干旱的条件下可以形成胶体溶液;溶解度最大的 京大学表生地球化学研究所以胶体方式搬运的元素及化合物一般以胶凝的方式沉淀下来。 引起胶凝的因素 有: 1)不同性质的胶体相遇; 2)加入电解质; 3)胶体溶液的蒸发等。南京大学表生地球化学研究所三、元素的表生地球化学活动性及其度量水是表生作用过程中最重要的搬运介质 。 化学元素在地球表面的迁移主要是由水溶液对地表岩石和沉积物的侵蚀淋滤造成的 。 因此 , 可以通过对比共存的地表固体 ( 岩石 、 沉积物 ) 与水溶液中的元素相对含量 ,即计算 水迁移系数和水/岩分配系数 , 来度量元素在表生条件下的相对活动性或迁移强度 。南京大学表生地球化学研究所1. 水迁移系数元素的水迁移系数 即 ( ) , 素 %, ) 。 元素的迁移能力越强 。三、元素的表生地球化学活动性及其度量南京大学表生地球化学研究所强活动性元素 活动性元素n× 10~ n× 100 n B, a, F*K, P, n~ 强还原环境中呈惰性的( 素潜育还原环境中活动( n~ 氧化环境中呈惰性的( 素多数环境中难迁移的元素酸性、弱酸性水酸、碱性水Y, W, ΣV, U, 元素的水/岩分配系数和海洋停留时间水/岩分配系数是元素 式中 为元素 为元素 由于海洋是大多数溶解物质的最终归宿 , 因此 , 海水和上部大陆地壳的水/岩分配系数 是衡量表生条件下元素活动性的重要参数 。三、元素的表生地球化学活动性及其度量南京大学表生地球化学研究所2. 元素的水/岩分配系数和海洋停留时间某元素在海洋中滞留的时间 τ 称为其停留时间( τy 。 如果将海洋视为一个输入与输出相平衡的稳态系统 , 则有τy = 、元素的表生地球化学活动性及其度量南京大学表生地球化学研究所根据停留时间和水/岩分配系数的定义不难看出 ,表生过程中活动性较强的元素显然应有较高的 τ 即元素活动性越强 , 它在海洋中的停留时间就越长 , 在海水中相对于上部地壳的浓度也越高 。根据这两个参数可定量地将化学元素的表生活动性分为以下三类 。三、元素的表生地球化学活动性及其度量南京大学表生地球化学研究所( 1) 强活动性元素 :其 y > 6, 包括K、 I、 大多属碱金属 、 碱土金属和卤素元素 , 强烈趋于在水溶液中富集 。 它们在海水中均匀分布 , 有上百万年的停留时间 , 在海水中的含量明显高于河水几十倍以上 , 甚至达千倍以上 , 如 是海水的主要成分 。惟一例外的是铼 。 但由于 其数据有很大的不确定性 。三、元素的表生地球化学活动性及其度量南京大学表生地球化学研究所( 2) 低活动性元素: 其 g/高分散微粒( φ3时,就要形成 H)3的沉淀,所以铁的化合物易于在滨海地区发生聚集,被搬运到海洋中的铁大多呈悬浮状态出现。面锰却能在离子溶液中比较稳定地存在,在海水中呈 京大学表生地球化学研究所黄土高原南海南京大学表生地球化学研究所E 5 / 8 8 6I n d i a n O c e a 4 67 2 2P a c i f i c O c e a nS o u t h C h i n aS e i b e t a n P l a t e a uL o e s sD e s e r tN o r t h e r n w e s t e r l yI n d i a n m o n s o o nE a s t A s i a n s u m m e r m o n s o o nE a s t A s i a n w i n t e r m o n s o o E 8 0 E 1 0 0 E 1 2 0 E 1 4 0 E 1 6 0 E 1 8 0 古土壤旋回南京大学表生地球化学研究所 12 75- 130 130- 195 195- 255 5580土壤序列南京大学表生地球化学研究所黄土与古气候一、 黄土沉积的古气候指标二、黄土沉积的时间标尺三、黄土沉积的古气候记录南京大学表生地球化学研究所黄土的古气候指标1、物理指标:磁化率、粒度2、 化学指标:元素比值、同位素3、矿物指标:碳酸盐矿物、粘土矿物、铁氧化物4、生物指标:孢粉、硅酸体、蜗牛等5、沉积指标:土壤形态南京大学表生地球化学研究所替代性指标的信息叠加 风力分选和风化成壤作用叠加,冬季风和夏季风信息叠加 粒度 : 原始粉尘受到 成壤作用的影响 气候意义明确的指标需要区分这两种作用南京大学表生地球化学研究所中 积物及矿物 0 钙长石 50更新世冰碛物(基质) 50~ 55 0更新世冰川黏土 60~ 65 白云母 75黄土 55~ 70 伊利石 75~ 85平均页岩 70~ 75 蒙脱石 75~ 85亚马逊河冲积锥 80~ 90 贝得石 75~ 85残留黏土 85~ 100 绿泥石 100钠长石 50 高岭石 100各种沉积物和有关矿物的化学风化指数南京大学表生地球化学研究所风尘演化与大陆化学风化1.黄土酸不溶物; 2.古土壤酸不溶物;3.上部陆壳平均值; 4. 陆源页岩;5. 全球河流平均值南京大学表生地球化学研究所元素分为四类:( 1)富集在粗颗粒中、风化成壤作用中稳定的元素,如 2)富集在粗颗粒中,风化成壤作用中活动的元素,如 3)富集在细颗粒中、风化成壤作用中稳定的元素,如 K, 4)富集在细颗粒中、风化成壤作用中活动的元素,如 京大学表生地球化学研究所一般来说,第( 1)类和第( 3)类元素的比值反映了风力分选作用,几乎或很少受风化成壤作用影响,可以用来指示原始粉尘的粒度变化,而第( 1)类和第( 2)类元素的比值以及第( 3)类和第( 4)类元素的比值可以消除风力分选作用的影响,用来指示风化成壤强度。南京大学表生地球化学研究所 表生环境中稳定,富集在风尘的粗粒部分 矿物如粘土矿物中,在表生环境中稳定,富集在风尘的细粒部分 以代表原始风尘的粗 /细粒径比值南京大学表生地球化学研究所05010015001002003004000县西峰洛川01234> 3 2 3 2 - 2 0 2 0 - 8 8 - 2 < 2粒级 /  0 1 00M S ( 5 6M e a n ( 2 . 02. 63 . 2Z r/ R L L 1L 1S S 1L 1L L 2e p t h(m )南京大学表生地球化学研究所研究剖面的地理位置南京大学表生地球化学研究所0510152025H u a n x i a nP r o f i l e 5 6M e a n (  )0510152025234Z r/ R m)061218X i f e n gP r o f i l 8 6 . 8M e a n (  )0612181 . 82 . 43Z r/ R m)0510L i n g t a iP r o f i l e 6 . 3 6 . 7 7 . 1M e a n (  )05101 . 722 . 3Z r/ R m)B a o j iP r o f i l 4 7M e a n (  )0481 . 622 . 4Z r/ R m)048i n g l i a n gP r o f i l e 5 . 8 6 . 8M e a n (  )0612181 . 82 . 32 . 8Z r/ R m)0102030Z h e n y u a nP r o f i l 8 6 . 8M e a n (  )01020301 . 82 . 32 . 8Z r/ R m)L u o c h u a nP r o f i l 6 6 . 2 6 . 8M e a n (  )0481 . 82 . 32 . 8Z r/ R m)= - 1 . 1 4 9 2 x + 8 . 8 9 3 8 0 . 8 4 7 35672 2 . 5 3 3 . 5)6781 . 6 2 2 . 4 2 . 8Z r / R 6 2 2 . 4 2 . 800 岩 质作用地球化学一、变质作用和类型二、地质温度计和压力计三、 P- T- t 四、变质岩原岩恢复的地球化学方法南京大学表生地球化学研究所一、变质作用和类型变质作用是自然界早期形成的岩石,当外界物理化学条件产生变化后,形成了新的岩石结构构造及矿物组合。第三节 变质作用地球化学南京大学表生地球化学研究所一、变质作用和类型1.区域变质作用2.接触变质作用3.动力(高应变)变质作用4.冲击变质作用第三节 变质作用地球化学南京大学表生地球化学研究所二、地质温度计和压力计确定变质岩形成时的 P- 以通过变质带岩石中标志性矿物的出现或消失来确定,也可通过不同的矿物组合来判断,然而某些矿物的化学组分能够非常灵敏的指示变质条件,可以作为 P- 物化学成分演化的研究可以为 P- 三节 变质作用地球化学南京大学表生地球化学研究所地质温度计和地质压力计基本原理第三节 变质作用地球化学1. 变质相平衡的基本方程中 , 压力 ( P) 、 温度 ( T) 、 组成 ( X) 间热力学关系可以下式表示:  d pC p d 298)),,( (   )(南京大学表生地球化学研究所地质温度计和地质压力计基本原理第三节 变质作用地球化学2. 交换反应的平衡常数与分配系数:现以橄榄石 — 单斜辉石矿物对 , 榄榄 42单 斜 辉 石 62橄 榄榄 42单 斜 辉 石 62a a M g 单 斜 辉 石 OC a M g S 榄 S i 榄 S i 辉 石 OC a F e S 2 南京大学表生地球化学研究所地质温度计和地质压力计基本原理第三节 变质作用地球化学 橄 榄榄S i 辉 石OC a M g S 榄S i 辉 石OC a F e S a(a)a(橄 榄榄S i 辉 石OC a M g S 榄S i 辉 石OC a F e S )(质作用地球化学图 12榴子石 12)的投影图南京大学表生地球化学研究所图 12示 P- 质带地壳演化历史的再造第三节 变质作用地球化学变质作用 是指岩石从变质作用历史的起点到结束被剥蚀露于地表所经历的 P- 一概念是由 1977)首次提出, 1984)正式确定的。南京大学表生地球化学研究所三、 质带地壳演化历史的再造第三节 变质作用地球化学变质作用 将变质作用演化与地球动力学过程有机地结合起来,为变质作用地球化学研究开辟了一条新途径。其主要意义在于能反映与特定地球动力学过程有关的温度和压力变化的态势,并用以探讨和解决岩石圈的构造演化过程。南京大学表生地球化学研究所三、 质带地壳演化历史的再造第三节 变质作用地球化学 P- 物学及地球化学研究来确定的。 例如标志性矿物的出现及消失的条件;不同的变质相及变质相系矿物组合;地质温度计及地质压力计的应用变质相平衡的计算;矿物包裹体温压的测定以及稳定同位素方法等。南京大学表生地球化学研究所三、 质带地壳演化历史的再造第三节 变质作用地球化学T-时间的确定,是以往建立 P- T- 着测年技术的发展,离子探针和激光探针技术的应用,使测定环带状矿物不同部位的年龄成为可能,使得 P- T- 京大学表生地球化学研究所第三节 变质作用地球化学图 12冲带变质作用 G, 1988)1.西 2. 质带地壳演化历史的再造第三节 变质作用地球化学通过近年的研究,已初步建立了不同地球动力学过程的 要有以下三类:( 1)大陆碰撞带: 高峰期常滞后于压力高峰期,并常以出现近等热减压为特征。这类 另一类高压、超高压岩石,在压力到达高峰之后常未经加热,直接出现降温减压的轨迹。南京大学表生地球化学研究所三、 质带地壳演化历史的再造第三节 变质作用地球化学( 2)岛弧和大陆边缘造山带: 始阶段以增温为主,接着以增压为主,温度压力同时到达高峰,而后以近等压冷却为特征。这类 京大学表生地球化学研究所三、 质带地壳演化历史的再造第三节 变质作用地球化学( 3)大陆拉张环境: 期拉张阶段以减压同时增温为主,有时为等温减压,拉张停止后的晚期阶段则以近等压冷却为特征。许多低压麻粒岩相变质作用可能形成于这种构造环境。南京大学表生地球化学研究所四、变质岩原岩恢复的地球化学方法第三节 变质作用地球化学变质作用过程中各种岩石经历了重大改变,原有岩石的矿物组合及结构构造变得面目全非,因而恢复其变质前原岩及了解其构造环境,成为重塑该区地壳演化的重要问题。南京大学表生地球化学研究所四、变质岩原岩恢复和成因研究的地球化学方法第三节 变质作用地球化学变质岩原岩恢复地球化学研究的基本原理,基于变质作用一般是在固体条件下进行的,是在相对封闭条件下的 “ 等化学变质作用 ” ,除 与外界发生物质交换。南京大学表生地球化学研究所第三节 变质作用地球化学一、利用岩石的稀土元素判别岩石成因稀土元素在变质作用中较为稳定,活动性较低,因而能反映原岩的特征。稀土元素应用于原岩恢复及构造背景的判别方面,除了稀土元素总量 Σδ用球粒陨石标准化值作图,对于沉积岩常用北美页岩的稀土元素成分( 为标准化数据。近来也有用欧洲页岩( 太古界后平均澳大利亚沉积岩成分( 替( 南京大学表生地球化学研究所第三节 变质作用地球化学各种成因角闪岩的稀土元素判别图Ⅰ Ⅱ Ⅳ 质作用地球化学二、运用岩石地球化学数据判别大地构造环境1971, 1973)最早提出依据岩石化学成分来判定岩浆起源的大地构造背景。他们利用地球化学方法区别了产于不同构造背景的玄武岩,并建立了构造 — 岩浆判别图。根据岩石化学成分,在地球化学协变图上能够区别产生于不同构造背景的岩浆。研究成果简明适用,得到了很快的发展。南京大学表生地球化学研究所第三节 变质作用地球化学( 1).多元素标准化图解法 (或不相容元素图解法)是研究变质玄武岩及安山岩的原岩及板块构造背景一种新的地球化学研究方法。它是基于一组对地幔矿物是不相容的元素为基础。也可视作球粒陨石标准化图解的扩张,把其它微量元素加到传统的 种图解对于描述玄武岩的地球化学特征特别有用。这类图解在文献中常被称为 “ 蛛网图解 ”或 “ 蜘蛛图解 ” ( 南京大学表生地球化学研究所第三节 变质作用地球化学图 12始地幔标准化的微量元素蛛网图解元素从左到右的排列顺序按照它们在地幔的小程度熔体中的相容性增加的次序。标准化数据引自 et 1992)的数据;平均 et 1984), 1980)。南京大学表生地球化学研究所第三节 变质作用地球化学2. 利用 “ 不活动的 ” 痕量元素判别构造环境:1971, 1973) 研究发现 , 、 在热水溶液 、海底风化及中级变质条件下相对稳定 , 用于判别玄武岩喷出的构造环境十分有效 。南京大学表生地球化学研究所图 12 1971)弧拉斑玄武岩位于弧拉斑玄武岩和钙碱性玄武岩碱性玄武岩南京大学表生地球化学研究所图 12( a)硬砂岩形成构造环境的 b)硬砂岩形成构造环境的 色页岩往往富含多种微量元素,甚至富集成为矿体。分析在黑色页岩中可能有哪些地球化学障对元素的富集起重要作用。2、经常发现一些亲铜元素易于在土壤中产生高的地球化学背景,并可能形成污染。讨论分析其形成的各种可能原因。
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