中国科学技术大学 地球和空间科学学院 2012年11月29日

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中国科学技术大学 地球和空间科学学院 2012年11月29日 地球化学-Geochemistry 中国科学技术大学 地球和空间科学学院 2012年11月29日

第一节 地球化学概论

课程提要 什么是地球化学?地球化学研究什么? 如何表征化学成分:丰度。 代表性的储库:太阳系,球粒陨石,地球,水圈,陆壳(上中下),各类玄武岩,硅酸盐地球(原始地幔),地核

什么是地球化学? 利用化学方法来研究地球的学科。 包括两方面的内容: (1)地球的化学是什么?例如元素的含量和性质。 (2)地球的化学能做什么?科学意义。

元素周期表

地球化学的研究样品 陨石:天体化学。 岩石和矿物:岩石地球化学。 低温样品:环境地球化学。 有机物:有机地球化学。 实验样品:实验地球化学。

地球化学的研究方法 关键是理解科学问题。 测量自然样品的化学组成。 实验模拟地球温压条件下的化学变化。 理论计算元素和同位素的化学性质。 多学科结合来制约地球科学问题。

http://airandspace.si.edu/webimages/highres/WEB10627-2006h.jpg

丰度(abundance) 定义: 元素或者物质在较大体系中所占的相对份额。 为什么要研究元素的丰度?

丰度的地球化学意义 地球化学的首要任务: 太阳系和地球的化学组成 元素丰度为地球化学研究提供背景基础 丰度变化反映地质过程中的物质循环和分异 简化复杂的科学问题

主要元素(major element):>1 wt% 次要元素(minor element): 1-0.1 wt% 微量元素(trace element):<0.1 wt%.

岩石样品中元素的行为由相容性控制 分配系数: 最常见的定义-某元素在热力学平衡的两相之间含量的比值,矿物/熔体DM=[M]矿物/[M]熔体

高度挥发(<600oK),中度挥发(600-1240oK),难挥发(>1240oK) 天体样品中由元素的挥发性控制 高度挥发(<600oK),中度挥发(600-1240oK),难挥发(>1240oK)

太阳系的元素丰度 太阳系的主要组成是H和He,最重要的金属是Fe、Ni。

太阳成份的测量 绝大部分元素含量可以通过测量太阳的光球谱图获得 太阳色球、日冕、太阳高能粒子、太阳风、宇宙射线有助于测量含量低或者吸收谱图不明显的元素 碳质球粒陨石的测量-非挥发性元素

陨石的分类 石质陨石(94%)-stony meteorite 球粒陨石(86%,chondrite)和非球粒陨石(8%,achondrite) 铁质陨石 (iron meteorite) 石铁陨石 (stony-iron meteorite) Allende chondrite-CV碳质球粒陨石

CI型球粒陨石和太阳光球的元素丰度对比

一些重要参考文献和数据库 CI球粒陨石,原始地幔,洋中脊玄武岩,洋岛玄武岩:Sun and McDonough, 1989, Journal Geol. Society London 全地球:McDonough and Sun 1995, Chemical Geology 地核:McDonough, 2003, Treatise on Geochemistry 陆壳:Rudnick and Gao, 2003, Treatise on Geochemistry 岛弧玄武岩: http://georoc.mpch-mainz.gwdg.de/georoc/

从硅酸盐地球丰度制约地球的形成和演化

如果假设地球来自CI球粒陨石,则元素在地球各个储库中的加权平均应该和球粒陨石一致,因此利用丰度反演地质过程中的物质循环和分异。 月球 大气和海洋 地壳 不均一 的地幔 外核 内核 大气和海洋 原始 地幔 地核 星云物质 地球 岩浆海 如果假设地球来自CI球粒陨石,则元素在地球各个储库中的加权平均应该和球粒陨石一致,因此利用丰度反演地质过程中的物质循环和分异。

如何获得陆壳平均成分 地震波速资料 大规模测量出露的样品 细粒沉积岩 地热,中微子

上地壳的稀土元素特征: 轻稀土富集,重稀土亏损,Eu负异常。 问题:上地壳在什么温度压力下形成?

第二节 地幔的地球化学

课程提要 地幔的结构 重要的地球化学问题 用来研究地幔的样品

地球的内部结构 地幔的范围:莫霍界面到核幔边界。 岩石圈:岩石圈地幔+地壳。 软流圈地幔:过渡带以上,可以塑性流动的地幔。 岩石圈地幔:软流圈和地壳之间刚性的地幔。 过渡带:410km-660km两个不连续面之间的部分。 下地幔:过渡带到核幔边界。 D’’层:核幔边界上200km厚的部分。 http://zebu.uoregon.edu/~soper/Earth/earthstructure.html

浅部上地幔的矿物组合 斜长石二辉橄榄岩-尖晶石二辉橄榄岩-石榴子石二辉橄榄岩 http://www3.mpch-mainz.mpg.de/~jesnow/Ozeanboden/1997/Week3/Fo-Di-Qz.html

地幔的主要矿物组合 关键:理解矿物组合如何随温度和压力变化。 Frost 2008 Elements

地幔地球化学的重要问题 地幔的形成和演化 地幔的均一和不均一 地幔的化学和物理结构 地幔熔融和幔源岩浆作用

研究方法 直接样品:橄榄岩包体和橄榄岩地体 间接样品:幔源岩浆岩 实验岩石学和矿物学:利用实验室模拟地幔的温度和压力条件 地球物理:利用地震波、地磁、地电等物理手段来制约地幔的矿物化学组成 天体化学:利用地球和太阳系物质的成因联系 动力学模拟计算:地幔对流和地壳俯冲

橄榄岩地体 大规模的地幔样品由于构造运动而出露地表,例如Oman橄榄岩。由于橄榄岩极易风化,其表面经常形成碳酸岩盖层。 地质意义:直接研究地幔的矿物组成、熔-岩作用、地球化学和岩石学特征,可以减少大气中的CO2。 http://www.msnbc.msn.com

橄榄岩包体 橄榄岩包体:幔源岩浆上升的过程中捕获的橄榄岩碎片。 地质意义:地幔的矿物组成、熔-岩作用、地球化学和岩石学特征。 http://www.msnbc.msn.com

幔源岩浆岩 洋中脊玄武岩,洋岛玄武岩,岛弧岩浆岩,溢流玄武岩。 重点理解:这些玄武岩的形成环境和地质意义。

洋中脊玄武岩-MORB 洋中脊总长度为65000公里。 MORB的地质意义:上地幔的地球化学组成,地幔的温度、压力和动力学,熔融过程 洋底的枕状玄武岩 http://www.le.ac.uk/geology/art/gl209/lecture2/lecture2.html

洋岛玄武岩-OIB 洋岛玄武岩:地幔的地球化学性质,地球动力学,地幔熔融,地壳再循环 http://www.tulane.edu/~sanelson/geol212/ocean_basins.htm http://faculty.weber.edu/bdattilo/parks/parks_t2_review.html

岛弧玄武岩-IAB 岛弧玄武岩:地幔的地球化学性质,地球动力学,地幔加水熔融,地壳再循环和壳幔相互作用,陆壳生长,火山爆发 http://www.soest.hawaii.edu/expeditions/mariana/ 岛弧玄武岩:地幔的地球化学性质,地球动力学,地幔加水熔融,地壳再循环和壳幔相互作用,陆壳生长,火山爆发 http://www.le.ac.uk/geology/art/gl209/lecture6/lecture6.html

溢流玄武岩-flood basalt 溢流玄武岩:超大规模的玄武岩岩浆喷发的产物,覆盖了大面积的陆地或者海洋 。可能来自地幔热柱。 美国CENTRAL WASHINGTON的熔岩流 溢流玄武岩:超大规模的玄武岩岩浆喷发的产物,覆盖了大面积的陆地或者海洋 。可能来自地幔热柱。 地质意义:陆壳增生的贡献,地幔熔融,俯冲物质再循环,地幔的温度演化,生物大灭绝,成矿等等。 http://www.thegreatstory.org/scablands.html

科马提岩和金伯利岩 金伯利岩:碱性或偏碱性的超基性岩,具有斑状+/-角砾结构。 地质意义:碳酸岩的交代和碳循环,深部(~200km)地幔的矿物化学特征,金刚石矿。 科马提岩:高Mg、低Si-Al-K的超基性岩浆岩,具有刺状结构,快速冷却。 地质意义:地幔高温下高度熔融的产物,可以反演地幔的微量元素和同位素特征,地温梯度演化。 http://leggeo.unc.edu/Petunia/IgMetAtlas/volcanic-micro/komatiite.X.html http://mineralstamps.com/news/diamond-kimberlite-volcano-lesotho-1976

安山岩 安山岩:中性的火山岩,由基性岩浆的分离结晶,陆壳物质再熔融,或者基性和酸性岩浆混合形成。 地质意义:地幔对陆壳增生的贡献,地幔熔融,俯冲物质再循环,地幔的温度演化等等。

地幔的主、微量元素和同位素 地幔端元和不均一性

地球化学指标-主要元素 太古代、元古代和显生宙橄榄岩中橄榄石比例和Mg/Fe的对比。 问题:为什么随时间变化,橄榄石中的Fo逐渐降低? 问题:从主要元素可以得到哪些信息? 主要元素:温度、压力、熔融比例和温压历史,以及地幔和地球某些元素的总成分。 太古代、元古代和显生宙橄榄岩中橄榄石比例和Mg/Fe的对比。 问题:为什么随时间变化,橄榄石中的Fo逐渐降低? Griffin et al. 2003

二辉橄榄岩-方辉橄榄岩-纯橄岩 回顾相容元素和不相容元素的概念。 哪些元素在橄榄岩熔融时相容,哪些不相容? 问题:橄榄岩全岩CaO和Al2O3关系说明什么过程?CaO和Na2O什么关系?和Mg#呢? Griffin et al. 2003

O同位素 基本原理:橄榄岩或者玄武岩异常的18O说明地幔或者岩浆受到曾出露于地表浅层的物质的改造。 EMI和HIMU:不可能由大洋沉积物循环形成,可能由正常18O的熔体交代形成。 EMII:可能有大洋沉积物加入。 高3He/4He:没有去气的原始地幔,有争议。 低3He/4He:经过去气的地幔,可能是水热相互作用,有争议。 洋岛玄武岩的氧同位素组成 Eiler 2001

放射成因同位素和地幔不均一 87Rb-87Sr, 87Sr/88Sr 147Sm-143Nd, 143Nd/144Nd 238U-206Pb, 206Pb/204Pb 235U-207Pb, 207Pb/204Pb 232Th-208Pb, 208Pb/204Pb 176Lu-176Hf, 176Hf/177Hf 187Re-187Os, 187Os/188Os 为什么放射成因同位素比值发生变化? 母子体分异+长时间的衰变。 母子体如何分异?熔融,脱水,扩散。

放射成因同位素 来自大西洋洋中脊的玄武岩的Sr-Nd同位素组成有明显变化,其不均一的空间尺度从洋盆大小到公里甚至到几米。一般来说,对地幔橄榄岩的直接测量发现了比玄武岩大得多的不均一性,表明玄武岩可能有一个小尺度的均一化的过程。 Hofmann 2003

地幔不均一性 问题:为什么MORB的La/Sm有变化? 原因:其源区中富集和亏损的组分同时共存。 Hofmann 2003

地幔端元 DMM:Depleted MORB mantle,高Nd, 低放射成因Sr和Pb同位素。 HIMU:高端元,高Nd 低87Sr/86Sr,高放射成因Pb同位素 EMI:富集地幔端元1,高87Sr/86Sr,低Nd ,低放射成因Pb EMII:富集地幔端元2,高207Pb,高87Sr/86Sr,低Nd Hofmann 2003

多维地幔端元图 解释:地幔中存在一些特殊的地球化学端元,MORB和OIB的同位素特征反映了这些端元的混合。 意义:反映了地幔演化过程中由于地球循环、交代和熔融反应产生的不均一。 缺陷:地幔端元缺乏合理的岩石学和矿物学联系,多是为了解释同位素数据。

大理石花纹蛋糕模型 Marble-cake mantle 橄榄岩中杂有几厘米到几十厘米厚度的辉石岩层,辉石岩相对富集,含有各种富集组分。地幔熔融时,橄榄岩和辉石岩熔体相互混合。更多石榴子石和辉石参与熔融,则形成OIB,更多橄榄石参与熔融,则形成MORB。 Allègre and Turcotte 1986 Nature

俯冲的洋壳可以穿过或者停留在过渡带上,地幔的流动可以产生地幔的不均一性。 http://accessscience.com/content/Mantle-transition-zone-water-filter/YB051110

总 结 地球化学可以研究地球的现在和历史,但是很难看到地球深部的信息。 地球物理可以研究地球的现在和深部,但是比较缺乏对历史的制约。 总 结 地球化学可以研究地球的现在和历史,但是很难看到地球深部的信息。 地球物理可以研究地球的现在和深部,但是比较缺乏对历史的制约。 地球物理和地球化学相结合,可以更好地理解地球的问题。