1、二、地球的结构和化学成分,(三).地幔的组成与化学成分 地幔是地球最大的层圈，体积占地球83%，质量占67%.地幔地球化学自20世纪70年代以来有了长足发展，特别是90年代后地球动力学研究的兴起，使地幔及壳幔相互作用研究成为当前地学的前缘与热点。,(三).地幔的组成与化学成分,1.地幔的结构与岩石矿物组成,上地幔B（10-400）、过渡层C（400-1000）、下地幔D三层,布伦（1975）,地壳：密度2.8 -3.3 g/cc；组成矿物 石英，长石，辉石，60-65 SiO2,地幔：3-5 g/cc 橄榄石，辉石， 尖晶石，45SiO2,软流圈：50250 km,2890 km,5120 k
2、m,地核：10-13 g/cc Fe-Ni合金，1SiO2,1.地幔的结构与岩石矿物组成,（1）地幔岩模型（两个模型）(2)地幔低速层 （1）地幔岩模型 模型1-橄榄岩地幔岩模型Pyrolite model:Ringwood(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Pyrolite”），并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Shear 、压缩波Pressure）两个不连续面性质，即将地幔划分为三个带（上地幔、过渡带、下地幔） ，各带之间均为等化学的相转变关系,（1）地幔岩模型-模型1,上地幔（从Moho
3、rovic面到350km深度）由橄榄石olivine+斜方辉石enstenite+ 单斜辉石clinopyroxene+ 石榴子石garnet组成。过渡带transition zone(350900km)：地幔岩Pyrolite 发生相转变，伴随密度改变，引起地震波的不连续，350400km的地震波不连续面与（-）橄榄石相- Mg2SiO4 （类尖晶石结构）、 -橄榄石（尖晶石结构），辉石石榴子石复杂固熔体的相变带对应。 670km深处地震波不连续则与辉石、-橄榄石（尖晶石结构）转变为钛铁矿ilmenite结构和钙钛矿perovskite结构的相变相吻合。 下地幔(9002700km)是结构极
4、为紧密的Mg、Fe硅酸盐矿物组合（如钙钛矿结构CaTiO3等）。 (Mg、Fe) SiO3,MgSiO3顽火辉石（斜方晶系），钙钛矿结构CaTiO3 （等轴晶系） Mg2SiO4镁橄榄石（斜方晶系）,尖晶石结构Mg2AlO4（等轴晶系）,钙钛矿结构,四面体,四面体 和八面体,八面体,（3）高温高压实验所得到的辉长岩-榴辉岩相转变线与莫霍面深度不吻合。,该模型已被许多研究者接受，并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（670km为分界面）,不足：不能说明火山岩中大量挥发分的来源（没涉及交代富集的问题）,（1）地幔岩模型,模型2-榴辉岩橄榄岩互
5、层地幔模型eclogite peridotite modelAnderson(1979,1982)根据地震波速和密度计算发现，220670km深度之间“地幔岩”（模式橄榄岩）的Vp、Vs计算值与实际的地震波Vp、Vs不一致，而橄榄榴辉岩的计算值则与实测Vp、Vs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与400和670km处两个地震波不连续面的实际变化不吻合，因此他提出了一个新的地幔模型-榴辉岩橄榄岩互层模型，将地幔自上而下划分为三层：“富集”的橄榄岩上地幔（从Moho面到220km深度）；“亏损”的橄榄岩-榴辉岩过渡带(220670km) ；“亏损”的橄榄岩下地幔。,1.地幔的结构
6、与岩石矿物组成,(2)地幔低速层 低速层的性质和特点 低的地震波速 高的电导率 高的热流值 低速层越浅，热流值越大,TNA与ATL可能反了,高导层深度与热流值的关系,(2)地幔低速层,地幔低速层 的成因部分熔融,正常增温曲线,(三).地幔的组成与化学成分,2. 地幔的化学成分 （1）地幔物质组成的研究方法(2)原始地幔成分的确定(3)上地幔和下地幔的化学成分,(三).地幔的组成与化学成分,2. 地幔的化学成分 （1）地幔物质组成的研究方法火山岩管中地幔岩包体或蛇绿岩中的变质橄榄岩 高温高压下矿物岩石地震波速和密度的测量、相变及熔融实验 地球物理资料：了解地幔密度、弹性、粘度、热状态等性质，更好
7、限定地幔的岩石学模型 （与橄榄岩、榴辉岩正好相符） 岩浆地幔源区地球化学示踪研究 与陨石及天体（如月球）对比法,(三).地幔的组成与化学成分,(2)原始地幔成分的确定 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（地核、地幔关系） b.挥发性元素（如K、Rb）相对于难熔元素（如U、Sr）的亏损发生于地球增生以前。 c.亲石元素全部进入地幔，因此亲石元素之间在地幔无分异 d.在行星初期阶段不会发生难熔元素之间的分异作用，因此地球整体的Sm/Nd比值与球粒陨石相同 e.亲铜元素主要进入硫化物相,(三).地幔的组成与化学成分,几种不同的估算方法（介绍3种）多基于和
8、CI球粒陨石中难熔亲石元素比值的比较；或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TiO2,FeO)含量，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。原始未亏损样品法(Jagoutz,1979)：用地幔尖晶石二辉橄榄岩包体中亲石元素(Al,Ca,Nd同位素等)之间的比值与CI球粒陨石一致的样品，与地壳平均成分混合计算。,(三).地幔的组成与化学成分,地幔模型法（Anderson,1983）： 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（32.6%） 平均地壳岩石（0.56%）（与实际地壳比例0.59%相当） 洋中脊玄武岩
9、（6.7%）（与40亿年来产生和消减的洋壳量相当） 金伯利岩（0.11%） 斜方辉石岩（59.8%）,(三).地幔的组成与化学成分,质量平衡法（Taylor，1985） 据地幔密度和地震资料确定原始地幔FeO含量为8.0%； 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； 据地核与地幔的质量比,原始地幔亲石微量元素丰度是CI球粒陨石的1.5倍。因为C地球= X C地幔 + （1- X）C地核，而地核/地幔 = 31：69（由地球物理方法获得），所以X=0.69 挥发性元素通过各自途径研究，获得它与难熔亲石元素之间的比值进行估算。亲铜和亲铁元素引自Jagoutz等（
10、1979）的研究成果。,(3)上地幔和下地幔的化学成分 上地幔的化学成分可通过上地幔的包体研究获得。但该方法存在以下问题：大多数地幔包体产于大陆壳下的上地幔，包体只限于200km以上；地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。 Ringwood(1975)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”下地幔成分资料均据地震波数据推断,(三).地幔的组成与化学成分,(三).地幔的组成与化学成分,3.地幔化学不均一性20世纪80年代地幔地球化学研究表明地幔存在垂向及侧向不均一性 （1）研究意义(2)样品 （3）不均一性的证据 （4）地幔的端员组成 （5
11、）地幔化学不均一性的原因,(三).地幔的组成与化学成分,3.地幔化学不均一性20世纪80年代地幔地球化学研究表明地幔存在垂向及侧向不均一性 （1）研究意义 a.大地构造分区 b.示踪壳幔相互作用、地幔交代、地幔熔融等动力学演化史 c.矿产分布(如南岭W、Sn、Nb、Ta, 长江中下游Fe、Cu, 华北Mo、Au d.构造环境与动力学 e.地壳不均一性的原因之一,(三).地幔的组成与化学成分,(2)样品 地幔橄榄岩类岩石包体（直接，但稀少，并且也可能并不完全代表源岩） 玄武岩类岩石（间接，分布量大）,（3）不均一性的证据,首先要排除地壳物质混 染、岩浆混合等因素,南非侏罗系（190Ma）幔源岩
12、样品（Erlank等，1980）， 很离散，表明上地幔同位素组成 不均匀,印度洋，太平洋和大西洋玄武岩的同位素组成。 1印度洋：实心三角和加圈实心圆 2大西洋和太平洋：实心圆和实心三角,Bougault(1980)发现大西洋北纬22-63度玄武岩的La/Ta值可分为 北纬22-25度与北纬36-63度两个组合（18和9）,MORB代表亏损地幔；OIB-1靠近原始地球组成（P），代表了原始 未亏损的地幔，OIB-2位于OIB-1与CC（大陆壳）之间，表明其源区 地幔受到大陆地壳物质混染。,中国东部的地幔不均一性,(三).地幔的组成与化学成分,（4）地幔的端员组成20世纪80年代地幔地球化学研究的
13、主要成果是地幔端元成分的发现。a.DMM(亏损型)b.EMI（富集I型，再循环下地壳加入或地幔流体交代）c.EMII（富集II型，壳源沉积物加入）d.HIMU(高值地幔，俯冲洋壳加入）e. FOZO(核幔边界，高3He/4He）（最近的新发现） （PREMA原始地幔是端元吗？）,（5）地幔化学不均一性的原因 地幔部分熔融及岩浆的析出 地幔交代作用 地壳及岩石圈物质重新进入地幔对流 陨石的加入核-幔分离（3.8Ga已完成)后陨石物质加入的影响（1%的陨石加入到地幔可以造成现在地幔中贵金属元素的丰度）,(三).地幔的组成与化学成分,(四).地幔与地壳的相互作用与物质交换,1.证据 2.壳幔相互作用
14、的方式 （1）Pb, Sr, Nd同位素证据,(四).地幔与地壳的相互作用与物质交换,1.证据 （1）Pb, Sr, Nd同位素证据 （2） 10Be的证据 （3） 微量元素证据,岛弧火山岩 介于洋脊玄武岩 和沉积物之间， 发生了源区混合,由Sr,Nd同位素质量平衡估计大约有12%的大洋沉积物加入 岛弧火山岩源区,（2） 10Be的证据 10Be的性质：半衰期短：1.5my, 年轻沉积物中具有明显比古代沉积物或地壳高的10Be含量，是研究现代岛弧火山岩中是否有俯冲洋壳物质的有效指示剂 现代10Be的形成： 大气层顶部宇宙射线作用产物 147N = 104Be + + p 168O = 104B
15、e + + 2p,(四).地幔与地壳的相互作用与物质交换,(四).地幔与地壳的相互作用与物质交换,沉积物中10Be高，混入少量到地幔中就有明显反映,（3） 微量元素证据 以岛弧火山岩为例,富集低场强（ 大离子亲石）元素 Sr、K、Ba、Rb等,亏损高场强元素Ta、Nb、 Ti等,（3） 微量元素证据 岛弧火山岩的特征 富集低场强元素Sr、K、Ba、Rb等 原因：俯冲洋壳的去水作用对上覆地幔的交代作用 亏损高场强元素Ta、Nb、 Ti 、 Zr、Hf等（TNT异常） 原因：a.地幔楔源区存在少量金红石、榍石、锆石及磷灰石;b.俯冲物质部分熔融或析出流体过程中角闪石、金红石作为残留相；c.从俯冲沉
16、积物中继承了低的Ta/Th和Nb/Th比值；d.地壳混染,(四).地幔与地壳的相互作用与物质交换,2.壳幔相互作用的方式 （1)板块俯冲作用（2）拆沉作用（3）板片断离（4）地幔柱,(四).地幔与地壳的相互作用与物质交换,板片断离,地幔柱理论 是Wilson(1963)和Morgan(1971,1972)提出的。证据： 热点（洋岛火山，洋岛火山长链，如夏威夷-皇帝岛链） 大陆和大洋泛（溢）流玄武岩（大火成岩省） 巨大的镁铁质岩墙群和大陆板内碱性杂岩（经济价值巨大）,超级地幔柱与全球构造新概念,超级地幔柱形成模式,地幔对流的几种模式,二、地球的结构和化学成分,(五).地核的组成 1.外核(E层，
17、28904980km)液态铁镍合金（地震S横波消失，P波速度剧降) 2.内核(G层，51206371km）主要为固态铁镍合金（ P波速 度又增大） 3.内核和外核间为过渡层（F层，49805120km）,地核除Fe、Ni外，可能还有10% 20%的轻元素如Si 、S、C、O等。（因实测的密度比地核温压下纯铁或铁镍合金密度低10%，而波速高）,(六).地球外部圈层的组成（大气圈、水圈） 1.大气圈 对流层017km， N2、O2、Ar、CO2、H2O，15 -56 平流层（同温层）1755km，O3（水平运动） 中层5585km， O2+，NO+（垂直运动） 热层（电离层）：85500km ,O
18、2+， O+ NO+ （800km散逸层，外层）troposphere。 从地表到60km高空的大气成分是近于均匀的，主要由N2、O2和Ar组成。随着离开地面距离增加，大气圈变得稀薄了，但仍然以氮和氧为主。 次要组分中臭氧和二氧化碳很重要。臭氧主要集中在平流层内（1535Km），它吸收紫外线辐射；二氧化碳对地球的碳循环很重要，是主要的温室气体之一，对气候有重要影响。,二、地球的结构和化学成分,大气圈总质量估计为5.01021克,主 要 成 分,微 量 成 分,次要 成分,上为干燥清洁大气成分，一般大气含0.15%水,2.水圈Hydrosphere 水圈的总质量为1.41018吨，海洋仅占地球总质量的0.02。如果地球是由CI球粒陨石和顽火辉石球粒陨石的混合物组成的，则应含有大约2的H2O。 水圈可分为地表水圈和地下水圈。地下水圈中只有上部很小一薄层为冷水，下层为热水。根据地热增温率和水的临界温度推算，地下水圈的下界在稳定的古老结晶岩地区约为35公里；在有沉积岩盖层的古老结晶岩地区约2025公里；而在近代沉降地区和年轻造山带则为15公里左右。,二、地球的结构和化学成分,水 圈,地球表面98 %左右的水分布于海洋。因此，海水的平均组成可视为水圈的平均组成。,地球上水的分布（1015m3）,作业1,太阳系、地球、地壳的元素丰度特征及其原因,
