GM3矿物的时空分布.ppt

Chap 3矿物的时空分布 不同矿物在地球中就位 空间位置温压位置矿物的空间分布与地球内部各圈层的物质成分和物理状态有密切的关系 1矿物的空间分布 地球内部温度 t 压力 P 的总体变化是深度 h 的函数 在不同的带内 由于物质成分和物理状态存在明显差异 因而导致所形成的矿物种类及数量的巨大差别 地球矿物学模型 E K 拉扎连柯 矿物的稳定域由矿物反应平衡线限制 地球矿物学模式地核 内地核 金属氢化物和碳化物外地核 金属 金属氧化物和碳化物混合地幔 下地幔 均质状态地幔过渡带 矿物相变上地幔 地幔岩 Pyrolite 橄榄石 斜方辉石 透辉石 硬玉 镁铝榴石 地壳 迄今已知的矿物有3000多种 大多分布在地壳中 矿物的形成与元素的丰度密切相关 Q Q科石英形成条件 35 108Pa 500 800 斯石英形成条件 125 108Pa1200 1400 金属及金属氢化物及碳化物之混合物 地球矿物学模型 一 地壳部分地壳中矿物在横向上具有区域性差别 在纵向上的分布特征 从玄武岩层 花岗岩层 变质岩层 沉积岩层 矿物种和数量都不断增多 1 温压范围分布silicates 地壳中 按t 由低高 矿物排列的顺序 蒙脱石 高岭石 叶蜡石 绢云母 白云母 微斜长石 透长石 滑石 绿泥石 黑云母 普通角闪石 斜方辉石 2 不同岩石类型中的矿物分布岩浆岩沉积岩变质岩Q石英12 430 018 3Fsp长石60 09 027 5mica云母3 823 030 9Am角闪石1 7 2 2Px辉石12 0 7 1高岭石 12 00 7蒙脱石 5 5 玄武岩层 主要成分相当于辉长岩和玄武岩类 主要分布于洋壳和陆壳的底部 在该层底部 由于温度和压力的增高 辉长岩类可能变成麻粒岩 基性 超基性岩中的主要矿物 橄榄石 辉石 角闪石 石榴石 斜长石 铬铁矿 铜鎳硫化物 铂族元素 金刚石 自然铬等 花岗岩层 主要包括各种长英质的岩浆岩和变质岩组成 主要分布在陆壳的上层 洋壳则缺乏 花岗岩类岩石的主要矿物 石英 碱性长石 斜长石 黑云母 锆石 褐帘石 独居石等 花岗伟晶岩 长石 石英 云母 晶质铀矿 锡石 黄玉 绿柱石 电气石 铌钽铁矿等 长石以碱性长石为主 包括正长石 微斜长石和钠长石 广泛发育的是条纹长石 云母以2M1型白云母最普遍 变质岩层 一些岩浆岩和沉积岩在地壳内部由于受到温度 压力以及化学活动性流体的作用 往往使其矿物组合和结构构造被重新改造 从而转变成在新的地质环境中平衡稳定的各种类型的变质岩 变质岩层约占地壳总体积的27 4 它们的成分受原岩成分的制约 主要分布在陆壳 在论述区域变质岩中矿物的分布时 必须结合物质来源 原岩性质和变质条件来具体分析 变质作用中的矿物共生组合 沉积岩层 富H2O CO2有机质 S Cl B F残留风化壳 主要是含水的氧化物和氢氧化物 如 褐铁矿 铝土矿 硬锰矿 高岭石等 淋滤形成的次生富集带 辉铜矿 铜蓝等机械沉积砂矿 自然金 自然铂 金刚石 独居石 锆石等化学沉积岩 含盐层 石盐 钾盐 芒硝 钾盐镁矾 石膏 硬石膏滨海浅水沉积岩 硬锰矿 软锰矿 水锰矿 菱锰矿海相地层碳酸盐岩 方解石 白云石 二 地幔部分压力P 或深度 由小大 矿物排列的顺序 铁铝榴石Alm 红柱石And 硅线石Sill 蓝晶石Ky 镁铝榴石Pyr 硬玉Jd 石墨Gp 金刚石Dm 科石英Coes 镁橄榄石Fo 顽火辉石En 似尖晶石Dsp 尖晶橄榄石Rw 斯石英Stis 方镁石Per 压力P 或深度 由小至大矿物排列的顺序 铁铝榴石Alm 红柱石And 硅线石Sill 蓝晶石Ky 镁铝榴石Pyr 硬玉Jd 石墨Gp 金刚石Dm 科石英Coes 镁橄榄石Fo 顽火辉石En 似尖晶石Dsp 尖晶橄榄石Rw 斯石英Stis 方镁石Per在相当于400 1000km深度的温度和压力条件下 上地幔的主要矿物如镁橄榄石 辉石和石榴石等不稳定 将转变为新的呈紧密结构的氧化物矿物组合 在1000 2900km深度的下地幔范围内 却没有相变作用发生 F Birch 1952 认为 在相当于400 1000km深度的温度和压力条件下 上地幔的主要矿物如镁橄榄石 辉石和石榴石等不稳定 将转变为新的呈紧密结构的氧化物矿物组合 而在1000 2900km深度的下地幔范围内 却没有相变作用发生 1960年以来 一些研究者先后通过实验和来自金伯利岩中深源包体和玄武岩中深源捕虏体的研究 证明了Berch关于地幔内矿物相变规律的假设 1 上地幔上地幔的化学组成为超MgFe质的 地幔岩 3份橄榄岩 1份玄武岩所组成的混合物 地幔岩的主要造岩矿物 镁橄榄石Fo辉石 顽火辉石 透辉石上地幔矿物的石榴石 Pyr 镁铝榴石 95 99 据统计 在150 350km深度范围内 这些稳定矿物的质量百分比为 橄榄石Ol Mg Fe 2 SiO4 57 斜方辉石OPx Mg Fe SiO3 17 单斜辉石CPx 透辉石Di 硬玉JdCaMg Si2O6 NaAl Si2O6 12 镁铝榴石Pyr Mg Fe Ca 3 Al Cr 2 Si3O12 14 SiO2 Q与 Q的转变 仅限于上地幔的上部 从常压下的573 增至20kb的1100 Q Q 高压实验表明 科石英Coes存在于上地幔的下部 形成条件为 P 35kb t 500 800 但它随着P和t的增高而不稳定 最终转变为斯石英Stis 顽火辉石En镁橄榄石Fo 斯石英Stis 2 地幔过渡带主要组成矿物 Mg2SiO4和MgSiO3的高压同质多像变体 1 Mg2SiO4同质三像 2 MgSiO3同质二像 3 SiO2同质多像HP实验表明 斯石英Stis主要存在于地幔过渡带 形成条件 P 125kb t 1200 1400 CoesStis 地幔过渡带内 P h 600km时 则 Mg2SiO42MgO SiO2尖晶橄榄石Rw方镁石Per斯石英 在1000 2900km深度的下地幔范围内 却没有相变作用发生 三 地核 目前推断外地核是由金属氢化物和碳化物的混合物组成 地球矿物空间分布的一般规律 地核地幔地壳深部地壳浅部矿物种的最少数量分布于高温和高压条件下形成的地质体中 地表外生成矿作用所形成的矿物数量 显著多于地壳内生成矿作用的矿物数量 实质上 矿物的形成取决于元素的丰度和元素的地球化学性质 2地幔水的研究进展 最近的30多年来 以下方面的研究使我们对于地幔含水状况的了解大大向前迈进了一步 1 对各类火山活动的观测与地震层析结果的综合研究表明 富含水和挥发份的玄武岩浆来源于地幔 其中与地幔热柱有关的岩浆活动来源较深 最深可达核幔界面 这说明了地幔含水的深度涉及全地幔范围 2 对上地幔橄榄岩包体矿物谱学的研究发现 地幔主要造岩矿物 橄榄石 辉石 石榴子石等矿物中都不同程度地含有水 它们可能成为地幔水最重要的贮集物 3 含水体系的高温高压实验及其产物的谱学分析所获得的结果大大丰富了地幔含水相的种类 提供了更多有关地幔水存在状态的实验证据 这些含水相包括了 传统矿物分类中的含水变质矿物 如闪石和云母类矿物 橄榄石和辉石等矿物的高压相 传统矿物分类中不曾报道过的一些新的含水矿物相 它们大多是含水富镁的硅酸盐 且具有相当高的密度 因而被称为高密度含水镁硅酸盐相 上地幔中水的存在形式 1 无水硅酸盐矿物 根据地幔矿物学模型 上地幔的主要矿物成分为橄榄石 其次为辉石和石榴子石 研究表明 在这几种矿物中 水主要以 OH 的形式存在于矿物的结构缺陷中 在橄榄石中 某些缺陷为平面层状 这些层约几个10 10m厚 类似于叶片状斜硅镁石的结构 这些缺陷中 OH 可能替代氧离子 与阳离子进行电荷平衡 2 含水变质矿物 在上地幔上部 水还以多种含水变质矿物的形式存在 实验表明 在100km深度以内 可能稳定存在的含水变质矿物有绿泥石 韭闪石 蛇纹石和金云母等 100 200km 蛇纹石和金云母能够稳定存在 200 400km主要的含水变质矿物为富钾闪石 斜硅镁石和粒硅镁石类矿物 如果上地幔局部富Si Al成分 接近于玄武岩 那么在100km深度内可能有绿泥石 角闪石 硬柱石 硬绿泥石 黝帘石 硬绿泥石存在 200km之上 只有硬柱石能够稳定存在了 在这些矿物中水大多主要以 OH 形式参加矿物晶格 少数以结晶水的形式存在 表1 3 高密度含水镁硅酸盐相 以下简称DHMS 对高温高压实验合成的多种DHMS的研究已经持续了20多年 已发现了10种以上的此类矿物相 4 硅酸盐熔体 硅酸盐熔体也是地幔中水的贮集物 大多情况下 熔体分散于地幔矿物和岩石的孔隙和裂缝中 在一定的条件下 熔体会发生聚集并向上迁移 形成岩浆上涌和火山的喷发 因此 熔体也是地幔中水发生大规模迁移的载体 熔体中的水主要以H2O和 OH 的形式存在 地幔过渡带和下地幔中水的存在形式 地幔过渡带 410 670km下地幔的深度范围 670 2900km在过渡带和下地幔中水应该主要存在于无水硅酸盐矿物 橄榄石 辉石等 的高压相中 橄榄石 橄榄石 钙钛矿相 方镁铁矿 单斜顽火辉石 钛铁矿相 斯石英 贫铝榴石 majorite 研究表明 这些高压相中水均以 OH 形式存在于晶体结构缺陷中 过渡带和下地幔的上部 410 1000km 中的主要含水相为 橄榄石和 橄榄石 下地幔下部 1000 2900km 中的主要含水相是钙钛矿和方镁铁矿 一 含氧盐矿物的时间分布从早晚的大致顺序为 3矿物的时间分布 内生硅酸盐 外生硅酸盐 4500Ma3500Ma内 外生碳酸盐 内生磷酸盐 2500Ma2500Ma外生磷酸盐 内生硼酸盐 2000Ma1900Ma外生硼酸盐 内生硫酸盐 1450Ma1400Ma外生硫酸盐