1、1/65,地球化学 Geochemistry,张春明Mob:18986663123E-mail:,2/65,Review,地球化学Geochemistry? 基本问题？ 基本思路和方法？,3/65,第一章 地球和太阳系的化学组成,第一节 地球的结构和组成 第二节 元素和核素的地壳丰度 第三节 元素在主要岩石类型中的分布 第四节 水圈、大气圈和生物圈的成分 第五节 地球发展历史中的化学演化 第六节 元素的地球化学分类 第七节 太阳系的化学组成,4/65,Have a look at the Earth,5/65,第一节 地球的结构和组成,地球具有圈层结构: 每个圈层都有自己的物质组成、运动特征和
2、物理、化学性质。 对地质作用各有程度不同的、直接或间接的影响。 以地表为界分为内圈和外圈，它们又可再分为几个圈层。,地球的层圈划分,6/65,第一节 地球的结构和组成,一、地球的圈层结构,Earths four spheres Hydrosphere Atmosphere Biosphere Solid Earth,7/65,研究地球内部状况的依据,地球的半径为6371km，目前最深的钻孔-10km左右，只能根据地表附近得到的有关资料进行分析推测地球内部的物质成分和物理特点。 宇宙地质 地质学及地球化学 地球物理,8/65,(一) 宇宙地质的依据,太阳系内其它天体的物质成分可以作为推断地球内部
3、物质成分的参考。最有实际意义的是其它星体的碎块-陨石。三类： 铁陨石:为铁镍的天然合金，是含有相当数量镍的铁的硫化物。相当于地核成份？ 石陨石:主要由橄榄石、辉石等铁镁硅酸盐矿物组成。相当于地壳成份？ 铁石陨石:为上述两种的过渡类型。相当于地幔？,9/65,(二) 地质学及地球化学依据,1、根据地质学研究，来自深源的岩石性质表明，地球深部应是超基性岩或类似的岩石。 超基性岩，常常沿一些深大断裂分布。 含金刚石的金伯利岩，原生的金刚石产于金伯利岩中。金刚石的生成要求：T=11002200，P=5万个大气压，D=150公里。所以金伯利岩肯定源于150公里以下。,10/65,2、一些地球化学标志可以
4、用来证实地质推断。 某些稳定同位素的比值，其中研究较多的是O、S、C、Si和H等。 地球内部物质应当也具有同一比值，地球表层物质则因经历了后来的各种地质作用，可能会产生同位素的分异，使比值改变。,11/65,(三) 地球物理依据最有意义的是重力学和地震学，可以用来推断地球内部结构、状态和物理性质。,12/65,地震波,纵波（P波）振动方向与传播方向一致。 横波（S波）振动方向与传播方向垂直。,13/65,地震波在地球内部的传递,14/65,地球的内部层圈,大量天然地震波传播方向和速度的研究表明，地震波在地球内传播的速度在横向和纵向上都有变化。 地壳或岩石圈里波速的横向变化明显，表明地壳结构复杂
5、和成分不均匀。 更深处横向变化小，纵向变化大，并且在几个深度上波速有较明显的变化，说明地球内部物质呈同心圈层结构。,15/65,地震波传播速度愈深愈大，在某些深度还有突变。 地震波速度变化明显的深度，反映该深度上下的地球物质在成分或/和相态上有改变。 这个深度就可作为上下两种物质的分界面，地球物理学上称之为不连续面或叫界面(discontinuity)。,地球的内部层圈,16/65,地球内部有两个波速变化最明显的界面： 第一个界面 波速变化：VP为6.8 / 8.0km/s， VS为4.0 / 4.4 km/s 深度不一致：大陆区深，达70公里；大洋区较浅，最浅不足5公里 南斯拉夫地球物理学家
6、莫霍罗维契奇于1909年发现的，称(Mohorovicic discontinuity)，简称莫霍面( Moho)。,17/65,地球内部有两个波速变化最明显的界面,第二个界面 波速变化：VP为13.32 / 8.1 km/s，VS为7.11 / 0 km/s 深度：在地表下约2900公里处 是美国地球物理学家古登堡于1914年发现的，称(Gutenberg discontinuity)，简称古登堡面,18/65,根据这两个界面把地球内部分为三大圈，即地壳、地幔和地核。 再根据次一级界面进一步划分： 地壳:上地壳和下地壳 地幔:上地幔和下地幔 地核:分为外核和内核,地球的内部层圈,19/65,
7、Earths Internal Structure: Compositional Layers,Crust: Continental crust Oceanic crust Mantle Upper mantle Lower mantle Core Outer core (liquid) Inner core,20/65,地 球 的 波 速 结 构,地壳、地幔、地核构成了地球的内圈，内圈的划分主要依据地震波在地球内部传播的变化来确定的。,21/65,地球结构-化学组成,22/65,分层原因？ 地球由于早期的熔融和分异，其内部形成了由不同物质组成的分层结构。由于组成地球的物质的物理化学性质不同所
8、造成的。 铁陨石-地核? 铁石陨石-地幔? 石陨石-地壳?,23/65,地壳 地幔 地核,二、地球的化学分带,24/65,地壳(crust),地壳由固体岩石构成,下界为莫霍面,厚度变化很大。 大洋地壳较薄，10-5公里，平均厚8公里； 大陆地壳较厚，最厚可达70公里,平均厚33公里。 地壳下界起伏不平，平均厚度约16公里。,25/65,大陆地壳由上、下两层组成，其间有一个次级的界面叫康拉德面( Conrad D.)，这个界面并不到处都存在。 1、上地壳 2、下地壳,（一）大陆地壳,二、地球的化学分带,26/65,二、地球的化学分带,1上地壳(约0-20km) 地球物理资料显示，上地壳中地震波V
9、p=6.10.3km/s 相当于酸性火成岩和酸性变质岩中P波的速度，并以此推测上地壳相当于“花岗质岩石”的成分。,27/65,上地壳，叫硅铝层(sial) 主要成分是氧、硅、铝等轻元素 主要岩石为酸性的岩浆岩和变质岩，如花岗岩、片麻岩等，也叫花岗质层。 这一层只有大陆壳才有，大洋壳缺少此层，因此呈不连续分布。平均厚度约10公里。,28/65,2下地壳(约20-40km) 下地壳地震Vp=6.90.3km/s，认为下地壳岩石相当于辉长岩的概念曾被广泛接受。然而，这种推测未被对镁铁质岩石高温高压的研究结果所支持。 实验表明，于下地壳无水的热力学条件下，辉长岩的矿物组合是不稳定的，而稳定的岩石更应接
10、近于榴辉岩和石榴子石变粒岩。,29/65,对于下地壳的化学成分和可能存在的岩石类型尚存在较多疑问。 多数人的观点：下地壳的平均化学成分相当于偏铁镁质的中性岩，其存在的岩石类型可能有角闪岩、斜长角闪岩、镁铁质和硅铝质的石榴子石变粒岩、超镁铁质岩石和榴辉岩。,30/65,Cook(1962)指出，在某些具有中等P波波速地区内，还可能有地幔和地壳物质的混合体。 在大多数造山带内，地震波速由下地壳到上地幔表现为连续的变化，因而莫霍面的存在并不明显。,31/65,下地壳，叫硅镁层(sima) 主要成分是氧、硅、铁和镁， 岩石为基性岩，如玄武岩，故又称为玄武质层(basaltic layer)。 大陆下面
11、和大洋下面都有这一层，但陆壳硅镁层的成分不如洋壳硅镁层均匀，而混合有大量变质很深的中酸性岩成分，硅镁层厚度不一致。,32/65,陆壳小结 陆壳由沉积盖层和基底组成，基底或称结晶基底-由岩浆岩、变质岩等组成。 岩浆岩和变质岩是陆壳的主体，其中以花岗质岩石和成分与其相当的片麻岩等为主。 陆壳分上、下两层。 上部陆壳的成分大致相当花岗质岩； 下部陆壳的波速和密度相当于玄武岩或辉长岩。,33/65,陆壳还有以下几个特点： 1、厚度变化较大，莫霍面起伏较剧。 陆壳的正常厚度一般为3040km，山区可达5060km，被称为世界屋脊的青藏高原，是地壳最厚的地方，厚达70km以上。 大陆裂谷的地壳一般较薄，常
12、常只有20km左右。,34/65,2、结构较为复杂，被许多断裂切割，特别在相邻断块上不同波速的分层有时不能相互对应吻合。3、组成陆壳的岩层常发育着程度不同的褶皱，而在洋壳岩石中则尚未发现。4、已知陆壳岩石最老的年龄为38亿年，洋壳仅2亿年。,35/65,(二)大洋地壳现代大洋地壳的厚度约5-lOkm，平均厚度约8km。 由洋壳上部至莫霍面分为三层: 第一层为沉积物 第二层为玄武岩 第三层为辉长岩,二、地球的化学分带,36/65,(二)大洋地壳 第一层为沉积物： 由沉积淤泥、碎屑、页岩和泥灰岩组成，并含有生物遗体。该层的厚度变化很大。 第二层为玄武岩： 铁镁质岩墙发育。该层分布广泛，厚约1-2.
13、5km，Vp=50.5km/s，D=2.55g/cm3,二、地球的化学分带,37/65,(二)大洋地壳 第三层为辉长岩:洋壳的主要岩层。 该层厚度约2.4-7.5km,平均厚度约5km。Vp=6.80.3km/s, D=2.86g/cm3。 该层主要由辉长岩组成，并伴有橄榄岩底辟。这种橄榄岩底辟穿过辉长岩层与第二层的玄武岩直接接触，或进入玄武岩层呈岩墙产出。 洋壳莫霍面以下约17km范围内，Vp=8.1kms。这一地段为上地幔顶部的橄榄岩岩壳,38/65,陆壳-洋壳 陆壳较厚，平均密度较小； 洋壳较薄，平均密度较大。 整个岩石圈也是大陆较厚，海洋较薄。 海洋为5060公里，大陆为100200公
14、里或更深。,39/65,对比大洋地壳与大陆地壳的主要化学成分，可以看出它们之间的差异。 SiO2、碱金属，洋壳低于陆壳 MgO、FeO，洋壳大于陆壳 在元素的分配上，洋壳比陆壳贫硅和碱金属，但较富镁富铁。正是这种原因，大洋沉积物中富含Fe、Mn、Co、Ni等亲铁元素，它们是现代海洋中巨大的潜在资源。,40/65,大洋地壳与大陆地壳之间的过渡带在组成与构造上比较复杂: 例如西太平洋海沟东侧是典型的大洋地壳，由海沟经边缘盆地至大陆坡，洋壳和陆壳交互镶嵌，地壳厚度变化很大； 东太平洋过渡带则比较简单，海沟与大陆坡相邻，不出现边缘盆地，由大陆向海沟方向，上陆壳硅铝层尖灭，地壳厚度变薄。 全球性陆壳与洋
15、壳过渡地带的岩层层序和组成不具有统一的模式,41/65,大陆边缘的地壳在洋壳与陆壳的接触部位，即大陆边缘地区，大陆边缘被海水覆盖。 从地形上分析，应属大陆，不属于海洋。 从地壳特点来看，大陆边缘的地壳也属于陆壳，与大陆的地壳是一个整体，只是上面覆盖一层海洋沉积物。,42/65,（三）地幔和地核,地幔( mantle)：在地壳下面，介于莫霍面和古登堡面之间，厚度2800多公里。,地核（Core）：古登堡面以下，其半径3400多公里。,43/65,（三）地幔和地核,1、地幔 上地幔：莫霍面至400km，三壳层： 上岩壳 低速带 下部带 深地幔：400-2900km 过渡带 下地幔,44/65,地幔
16、另一种划分,根据地震波速变化以1000公里深度为界分为上、下两层。 1、上地幔(upper mantle) 在莫霍面以下至1000公里深度之间，主要成分是超基性岩，证据有三：(l)实验研究表明，橄榄石55+辉石35+石榴子石10，在高温高压下传播地震波的速度和密度与天然地震波速和地幔密度可对比，因此命名为地幔岩( pyrolite)；,45/65,(2) 火山喷出物中有超基性岩，这种岩石在地壳中很少存在，应存在于地幔内；(3) 根据陨石成分比较，陨石有铁陨石、石铁陨石和石陨石三类; 上地幔成分相当于一份玄武岩加三份橄榄岩，主要矿物为辉石和橄榄石。,46/65,在60-250公里间迅速减低 在1
17、00-150公里间波速最低 60-250公里间波速减低的这一带叫低速带( low velocity zone)，其顶界和底界的深度不很确定。,47/65,在400公里处有一次增速, 到650-700公里又有一次较明显增速。 通常把400公里界面做为上地幔 B和 C两层的分界。,48/65,B层以60公里为界分出 B层和B层。 低速带属 B”层，B层为固体岩石，是超基性岩。,49/65,低速带内温度较高，接近岩石熔点 但大多并未熔化，只有局部区域，不传播横波，表明为液态区，可能是岩浆发源地。 B层在成分上与 B层没有差别，只有物态上的不同。,50/65,4001000km为C层。 以650km为
18、界又分为 C和 C”两层。,51/65,400公里上下一厚度不大的带内，波速和密度均迅速增加，这是由相变引起的，橄榄石和辉石在高温高压下发生晶体结构变化(相变)，橄榄石晶体的原子结构由疏堆集结构变成密堆集结构。,52/65,650-700公里的波速又有明显增加，在这个深度的温度压力下，橄榄石和辉石分解成密度很大的简单氧化物，如MgO、 FeO和 SiO2，属于高压型矿物。,53/65,软流圈( asthenosphere)岩石圈(lithosphere),（1） 软流圈的定义软流圈是上地幔中的一个层圈( B”层)，其深度大约为60-400公里左右。地震波在穿过莫霍面后波速突然增高，但到60-4
19、00公里深度区间又有下降，然后逐渐上升至正常。 由于低速带塑性较大，给其上固体岩石的活动创造了条件，因此，构造地质学家把该低速带叫软流圈。,54/65,（2）软流圈的特点 1、最新研究表明，软流圈可能不具全球性。 2、软流圈的边界不清楚，有渐变的性质。 3、软流圈界面不平,有一定起伏,厚度可变。 4、软流圈是个塑性较大的层圈，部分熔融。 5、软流圈虽然是固态,却是液态岩浆的主要发源地。,55/65,（3） 岩石圈的定义 软流圈之上的地壳和上地慢B层合称为岩石圈( lithosphere) ，包括地壳和软流圈以上的地幔部分，厚度变化大。 主要有沉积层、花岗质层、玄武质层和超基性层。,56/65,
20、2、下地幔( Lower mantle) 从1000公里到2900公里深度，波速增加较慢，是压力增加而成分均匀的原故。相变完全停止，矿物仍是MgO、 FeO和 SiO2，铁的含量稍增。 2750公里到2900公里间100多公里范围有波速较低而密度较高的层，是地幔向地核急剧转化的前奏。,57/65,地核以古登堡面与地幔分界，在2900km以下，厚度3471km。地震波速急剧降低，横波中断，表明物质发生巨变。 根据地震波速度变化可把地核分为三层，以4640km和5155km两个二级界面分为：外核、过渡层和内核三个次一级圈层。,（三）地幔和地核,58/65,地 球 的 波 速 结 构,地核的波速特征
21、,4640,5155,59/65,1、外核( outer core),自2900km至4640km深度，由于纵波速度急剧降低至8.18.9km/s,横波不能通过，说明刚性为零，是液体 。 2、过渡层( transition layer), 4640-5155km处的密度和地震波速度变化是连续的。波速变化复杂，测到速度不大的横波，是液态开始向固态过渡的象征。 3、内核( inner core)自5155km至地心，P波速度增至11km/s左右，测得纵波和横波，是固体。,地核,60/65,地核的成分 主要为铁、镍等。 证据一：相当于铁陨石的成分，即主要是铁，含镍520； 证据二：地磁来源于地核，也
22、证明地核应由高磁性的铁镍所组成； 证据三：冲击波的试验成果。瞬时高压下测定铁、镍传播地震波速度和密度类似于地核。,61/65,62/65,化学成分存在着明显的分带性,按元素丰度排列，地球、地幔和地壳中主要的10种元素的分布顺序是(由高到低) ： 地球：Fe、O、Mg、Si、Ni、S、Ca、Al、Co、Na； 地幔：O、Mg、Si、Fe、Ca、Al、Na、Ti、Cr、Mn； 地壳：O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg、Ti、H。,63/65,地球内物质状态认识还存在不同观点: 卡普钦斯基认为原子的电子层结构和化学性质将因地球内部压力的增大而改变 罗多契尼可夫等人也持有类似的观点认为: 地表至1200km:正常的化学作用带 1200至2900km:退化化学作用带 2900km至地核:正常的化学作用完全消失,化学成分存在着明显的分带性,64/65,总结见表1-7,化学成分存在着明显的分带性,65/65,地球固体层圈结构及其主要组成特征?,思考,
