地球化学课件3第1章二、地球的结构和化学成分1、2-谢财富.ppt

第一章太阳系和地球系统元素的丰度 二 地球的结构和化学成分 先讲两个概念 1 abundance distribution 丰度 分布 欧美这两个词混用 我国前者译丰度 后者译分布 指元素在宇宙体或较大的地球化学系统中的平均含量 本书 或者说元素在较大自然体系中的平均含量 如太阳 行星 陨石 地球 地壳等 强调整体 母体 大的地球化学系统丰度的类型 重量丰度 WB 原子丰度 相对丰度 宇宙丰度 元素常用含量单位 以重量丰度 WB 为例10 2 百分含量 10 6 partspermillion 1 百万 ppm g t g g 10 9 partsperbillion ppb 1 10亿 mg t ng g 10 12 partspertrillion ppt 1 万亿 g t pg g 二 地球的结构和化学成分 2 分配 partition distribution 元素在构成该宇宙体或地质体内各个部分或各区段 子体 中的含量 分配强调整体中的一部分 母体中各子体 一般用于岩石 矿物等小地质体丰度 分布 与分配是相对的概念如地球上元素的平均含量 相对于太阳系是分配 而相对于地壳 地幔 地核等是丰度 两个基本知识 1 地球在天体分级体系中的位置 宇宙 超星系团 星系团 银河系 太阳系 地球 上下四方曰宇 古往今来曰宙 宇宙是包容了一切时空范围的自然体系 是最高级别的体系 在宇观尺度上 三维空间在任何时刻都是均匀各向同性的 所有星系经历了相似的演化历程 都具有均匀的物质分布 所以从太阳系的化学组成可推知宇宙的物质分布 2 与其它类地行星一样 地球内部的物质组成不均一 具有壳 幔 核层圈构造地球成因 46亿年前诞生 由形成太阳和其他行星的同样物质所构成 形成方式有两种假说 炽热的气态星云凝聚 均一增生再熔融分异 冷的固态质点逐渐吸积 非均一增生说 地球轻气体H He等及重气体Kr Xe等都强亏损有利该说 目前 星子连续吸积说较流行 太阳星云自转加速 星云盘 原太阳 温度增高引起星云盘内的物质分馏 靠近原太阳的星子主要由难熔的金属Fe Ni及其氧化物所组成 与原太阳距离的增加 星子的化学组成逐渐被Mg和Fe的硅酸盐以及水 甲烷 CH4 氨 NH3 以及其他的挥发组分的冰所组成 一 地球的结构和元素丰度1 地球的内部结构认为由地壳 地幔 地核等不同层圈组成主要依据 地震波传播速度的变化及地球内物质密度的不均匀分布等地球物理资料 间接资料 纵波 压缩波 P横波 剪切波 S 1 地球的内部结构 布伦 1975 B层包括岩石圈地幔和软流圈 注意 400 1000Km划分较混乱 650 670 Km下地幔 400 1000Km过渡层 转变区 先分壳幔核三层 布伦模型 A B C D E F G 地球结构概要 引自Anderson 1993 2 地球元素丰度 1 地球元素丰度的研究方法 陨石类比法 依据 a 陨石在太阳系形成 b 陨石与小行星成分相同 c 陨石是破坏了的星体碎片 d 产生陨石的星体 其内部结构和成分与地球相似 各类陨石平均 如Clarke 1924 问题 陨石比例确定 发现的铁陨石多 而实际陨落的石陨石多 所以结果Fe高O Mg Si低 球粒陨石单类陨石平均 如Ahrens 1965 问题 Fe低 凝聚形成地球的星子靠近太阳 发生过分异 富难熔元素 与球粒陨石有差异 与地球中Fe的现代估算值 百分之三十几 比较 1 地球元素丰度的研究方法 地球模型 陨石类比法 华盛顿 1925 Mason 1966 按地球的各主要圈层的比例计算 地核 32 4 以球粒陨石的镍铁金属相 总量27 1 陨硫铁 硫化物相 占5 3 代表地幔 地壳 67 6 以球粒陨石的平均硅酸盐成分代表又叫SMT法 硅酸盐相S 金属相M 硫化物相T 1 地球元素丰度的研究方法 地球物理类比法 黎彤 1976 在布伦模型A B C D E F G 层 基础上 提出各层圈 地壳 上地幔 下地幔 外核 内核 质量分数和物质成分 再加权平均计算获得地球元素丰度 2 地球元素丰度及其规律 请与书上的 因特网上国际地球化学参考模型数据 1998 对比 华盛顿 1925 Mason 1966 地球模型 陨石类比法黎彤 1976 地球物理类比法 2 地球元素丰度及其规律 Fe O Si Mg 90 含量大于1 的元素 Ni Ca Al S 含量介于0 01 1 的元素Na K Cr Co P Mn Ti 地球元素丰度遵循太阳系元素丰度的基本规则 如奇偶规律 递减规律等 但地球中亲气元素含量低 原因 相似是因为有相同的起源 不同是地球物质遭受过分异 如太阳风对挥发性组分的驱赶 欧阳自远 1983 Kr 二 地壳的组成和元素的丰度1 地壳的组成 1 大陆地壳 由沉积岩 变质岩 侵入岩和火山岩组成 平均厚37 40Km 占地壳质量的79 地球质量的0 35 其高演化的化学成分在太阳系独一无二 近地表 深部 辉长岩质 花岗质 上地壳 下地壳 偏酸性火成岩和沉积岩 长英质麻粒岩镁铁质麻粒岩 1 大陆地壳 据出露地表剖面 大陆地壳地球物理分层的结构模型 据折射地震测深资料 上 中 下地壳平均厚度12 11 14 17 Km地壳 拉张带薄 挤压造山带厚 已去根者也薄 1 大陆地壳 据欧洲3000Km地质 地球物理剖面确定 上部地壳深成岩体的体积比例 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 1 大陆地壳 海洋沉积物 1 2Km 洋底玄武岩 席状岩墙群 辉长岩 超镁铁堆积岩 以上为洋壳 上地幔变形橄榄岩 2 洋壳主要由洋中脊玄武岩组成 以低的K2O TiO2 LREE Rb Sr和ISr为特征 厚0 10Km 占地球质量0 1 现今洋壳年龄 200Ma J以后 洋壳总成分相当于苦橄质玄武岩 二 地壳的组成和元素丰度 2 地壳的平均化学成分与元素克拉克值1 克拉克值的概念元素在地壳中的丰度 平均含量 叫 两种表示方法a 重量克拉克值 地壳中元素的重量平均含量b 原子克拉克值 地壳中元素的原子平均含量 原子百分数 重量克拉克值 元素的原子量 元素的原子克拉克值 二 地壳的组成和元素丰度 2 大陆地壳化学组成的研究方法 岩石平均化学组成法如克拉克和华盛顿 1924 维诺格拉多夫 1962 1基性岩 2酸性岩 泰勒 1964 1花岗岩 1基性岩 二 地壳的组成和元素丰度 克拉克法 1924 8602个火成岩数据中选5159样品 50元素 a 岩石圈 水圈 大气圈93 7 0 03 b 岩石圈中 地壳 岩浆岩 页岩 砂岩 灰岩95 4 0 75 0 25 具体计算过程 1 分48个地区计算平均化学成分2 合并为9个地区计算平均化学成分3 计算总平均化学成分 该方法没有考虑岩石组成随深度和构造单元的变化 也即未考虑地壳结构模型 计算厚度采用16km是人为确定 未考虑莫霍面 虽然考虑了洋岛但忽略了海洋地壳的物质成分 所以实际上代表的是大陆 上 地壳的元素丰度 二 地壳的组成和元素丰度 细粒碎屑沉积岩法最早戈尔德施密特 77件冰川黏土 TaylorandMcLenan 1985 发展了这一方法特点 细碎屑岩的源物质来自剥蚀区 源区出露岩石天然平均样品经济 快速适合于区域地壳成分的估计缺点 Na Ca Sr Ba等一些易溶元素不准 细碎屑岩REE组成模式与现今大陆上地壳一致但含量略高 降20 30 则一致 因后者含稀土量少的碳酸盐岩 石英砂岩等 二 地壳的组成和元素丰度 大陆地壳生长历史法泰勒和麦克伦南 1985 现今大陆地壳质量75 形成于太古宙 2镁铁质 1长英质 安山质 25 形成于后太古宙 后太古宙大陆生长主要发生在岛弧地区 代表性物质是岛弧安山岩 提出大陆地壳 总体 化学组成安山岩模式另外 其下部陆壳成分的计算 假设下地壳占陆壳厚度75 上地壳占25 据质量平衡 由地壳总体减上地壳得到下地壳成分 问题 a 大陆地壳生长历史认识不同 再循环 b 不同时期大陆壳原始物质性质的认识不同 二 地壳的组成和元素丰度 区域大规模取样和分析 地表或上地壳 Shawetal 1967 1986 1994 对加拿大地盾8448样 高山等 1992 1998 中国东部 大陆地壳剖面法 选择合适的剖面 如意大利Ivrea 有5条标志 地球物理法 主要地震波速与化学组成关系 火山岩中的深部地壳包体研究法 主要碱性玄武岩中的麻粒岩包体 大陆地壳组成模型法 据大陆地壳剖面 深部地壳包体 实验岩石学 地球物理学等 大陆地壳化学组成英云闪长岩模式 Wedepohl 1995 大陆地壳化学组成英云闪长岩模式 Wedepohl 1995 3 地壳元素丰度特征 3 地壳元素丰度特征 规律 比较 太阳系 地球 地壳中前10种元素太阳系 H He O Ne N C Si Mg Fe S地球 Fe O Mg Si Ni S Ca Al Co Na地壳 O Si Al Fe Ca Na K Mg Ti H 含水圈大气圈 P 不含水气圈 2 地壳的平均化学成分与元素克拉克值 3 地壳元素丰度特征 规律 各种元素丰度极不均匀O Si Al占82 O Si Al Fe Ca Na K Mg占 98 前13种元素占地壳总重量的99 7 其余只占0 3 O与Rn相差1017倍 随原子序数的增加其丰度降低 例外 Li Be B 232Th 238U 235U 贵金属 Se Te等 Li Be B与太阳系一样仍表现为亏损 3 地壳元素丰度特征 除了惰性气体和少数元素外 质量数为偶数的元素丰度大于奇数 偶数的元素含量占86 但有反偶数规则 如 3Li 4Be16S 23V 24Cr 25Mn 四倍规则 质量数为四的倍数 4A型 12C 16O 24Mg 28Si 32S 40Ca 48Ti 52Cr 56Fe 140Ce 232Th 238U占87 4A 3型 7Li 11B 19F 23Na 27Al 31P 35Cl 39K 51V 55Mn 59Co 63Cu 75As 107Ag占13 4A 2 如238U等 和4q 1型 如9Be 仅占0 n 3 地壳元素丰度特征 差六规则 偶 奇数元素丰度对数曲线上出现高峰的元素原子序数之差为6或6的倍数 如偶数的8O 14Si 20Ca 26Fe 38Sr 50Sn 56Ba 74W 82Pb 90Th 偶数规则之特例 原子核质子数与中子数关系为偶 偶型的元素丰度最高 60 偶 奇型次之 偶 奇和奇 偶 35 奇 奇 5 核壳层规则 幻数 质子数2 8 14 20 28 50 82和中子数为2 8 14 20 28 50 82 126的核稳定性高 核壳层被核子充满 原子核最稳定 分布量大 放射性蜕变 U238 U235 K40 Rb87随时间减少 Pb206 Pb207 Pb208 Ar40 Sr87随时间增多 地壳元素丰度特征与太阳系及地球元素特征相一致是因相同的起源 表现出不同是因分异和地球化学作用 宇宙中元素丰度的分布与元素的化学性质无关 而主要受原子核的结构控制 但地壳元素丰度还受地球形成前分异和形成后地球化学演化的控制 从而与化学性质有关 2 地壳的平均化学成分与元素克拉克值 4 元素克拉克值的地球化学意义 大陆地壳化学组成对壳幔分异的指示 元素的地球化学行为与克拉克值的关系克拉克值高 独立矿物 K Na 克拉克值低 类质同象 Rb Cs 元素的克拉克值与可形成矿物种数的关系 4 元素克拉克值的地球化学意义 作为元素集中分散的标尺浓度克拉克值的概念浓度克拉克值 观测值 克拉克值 4 元素克拉克值的地球化学意义 判断元素在地壳中富集成矿的能力浓集系数 矿石边界品位 克拉克值一些元素的浓集系数值 4 元素克拉克值的地球化学意义 浓集系数低的较容易富集成矿 但也不是绝对的 有的元素集中能力强 Si Al Fe分别仅需富集1 5 3 6倍即可达到工业品位 矿主要形成于前寒武纪 Cu Zn Ag分别需富集50 600 2000倍才可达到工业品位 矿主要形成于古生代以后 计算资源潜力 美国矿产储量R 吨 A 10 6 106 McKelvey 1960 地壳质量按1公里