GM3矿物的时空分布

1、 不同矿物矿物在地球地球中就位就位， 空间位置空间位置 温压位置温压位置 矿物的空间分布与地球内部各圈层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的物质成分和物理状态有密切的关系。 地球内部地球内部温度温度（t）、压力压力（P）的总体变化总体变化是深度深度（h）的函数函数。在不同的带内，由于在不同的带内，由于物质成分物质成分和和物理状态物理状态存在明存在明显差异，因而导致所形成的显差异，因而导致所形成的矿物种类矿物种类及数量的巨及数量的巨大差别。大差别。 地球矿物学模型地球矿物学模型(E.K.拉扎连柯拉扎连柯) 矿物的稳定域稳定域由矿物反应平衡线矿物反应平衡线 限制。 地

2、球矿物学模式地球矿物学模式 地核：内地核：金属氢化物和碳化物地核：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：下地幔：均质状态 地幔过渡带：矿物相变地幔过渡带：矿物相变 上地幔：上地幔：地幔岩（Pyrolite） (橄榄石、斜方辉石、透辉石橄榄石、斜方辉石、透辉石-硬玉、镁铝榴石硬玉、镁铝榴石)地壳：地壳：迄今已知的矿物有迄今已知的矿物有3000多种，大多分布在地壳中。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。矿物的形成与元素的丰度密切相关。 -Q -Q科石英形成条件：科石英形成条件：3510

3、8Pa，500-800斯石英形成条件：斯石英形成条件：125108Pa 1200-1400金属及金属氢化物及碳化物之混合物地球矿物学模型地球矿物学模型 一一、地壳部分地壳部分 地壳中矿物在横向上具有区域性差别，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：从玄武岩层在纵向上的分布特征：从玄武岩层花岗岩层花岗岩层变质岩层变质岩层沉积岩层，矿物种和数量都不断增沉积岩层，矿物种和数量都不断增多。多。 1温压范围分布温压范围分布 silicates： 地壳地壳中，按t由低低 高高， 矿物排列矿物排列的顺序顺序： 蒙脱石蒙脱石 高岭石高岭石 叶蜡石叶蜡石 绢云母绢云母 白云母白云母 微斜长石微

4、斜长石 透长石透长石 滑石滑石 绿泥石绿泥石 黑云母黑云母 普通角闪石普通角闪石 斜方辉石斜方辉石 2不同岩石类型中的矿物分布不同岩石类型中的矿物分布 岩浆岩岩浆岩 沉积岩沉积岩 变质岩变质岩 Q 石英石英 12.4 30.0 18.3 Fsp 长石长石 60.0 9.0 27.5 mica 云母云母 3.8 23.0 30.9 Am 角闪石角闪石 1.7 2.2 Px 辉石辉石 12.0 7.1 高岭石高岭石 12.0 0.7 蒙脱石蒙脱石 5.5 玄武岩层玄武岩层：主要成分相当于辉长岩和玄武岩类，主要分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。布于洋壳和陆壳的底部。在该层

5、底部，由于温度和压力的增高，辉长在该层底部，由于温度和压力的增高，辉长岩类可能变成麻粒岩。岩类可能变成麻粒岩。基性超基性岩中的主要矿物：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、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、铬铁矿、铜鎳硫化物、铂族元素、金刚石、自然铬等。自然铬等。花岗岩层花岗岩层：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。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、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

6、、褐帘石、独居石等。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、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。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。云母石和钠长石，广泛发育的是条纹长石。云母以以2M1型白云母最普遍。型白云母最普遍。变质岩层：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，往往使其矿物组合力以及化学活动性流体的作用，往往使

7、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地壳总体积的27.4%，它们的成分受原岩成分的制，它们的成分受原岩成分的制约，主要分布在陆壳。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。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变质作用中的矿物共生组合相相系系变质变质岩类岩类型型低绿片岩低绿片岩相相高绿片高绿片岩相岩相低角闪低角闪

8、岩相岩相高角闪岩高角闪岩相相麻粒岩相麻粒岩相低低压压相相系系变质变质泥质泥质岩岩红柱石、红柱石、黑云母、黑云母、锰铁铝榴锰铁铝榴石、绿泥石、绿泥石石红柱石、红柱石、锰铁铝锰铁铝榴石榴石红柱石、红柱石、锰铁铝锰铁铝榴石、榴石、堇青石堇青石矽线石、矽线石、堇青石、堇青石、锰铁铝榴锰铁铝榴石石矽线石、斜矽线石、斜方辉石、堇方辉石、堇青石、锰铁青石、锰铁铝榴石铝榴石变质变质基性基性岩岩阳起石、阳起石、黑云母、黑云母、绿帘石、绿帘石、白云母、白云母、绿泥石绿泥石普通角普通角闪石、闪石、黑云母黑云母普通角普通角闪石、闪石、透辉石、透辉石、黑云母黑云母普通角闪普通角闪石、黑云石、黑云母、镁铁母、镁铁闪石、透

9、闪石、透辉石辉石斜方辉石、斜方辉石、硅灰石、单硅灰石、单斜辉石、镁斜辉石、镁橄榄石、斜橄榄石、斜长石长石低绿片岩低绿片岩相相高绿片岩高绿片岩相相低角闪低角闪岩相岩相高角闪高角闪岩相岩相麻粒岩麻粒岩相相中中压压相相系系变变泥泥质质岩岩锰铝榴石、锰铝榴石、绿泥石、绿泥石、硬绿泥石、硬绿泥石、黑绿泥石黑绿泥石硬绿泥石、硬绿泥石、铁铝榴石铁铝榴石蓝晶石、蓝晶石、十字石十字石矽线石、矽线石、铁铝榴铁铝榴石石矽线石、矽线石、斜方辉斜方辉石、铁石、铁镁铝榴镁铝榴石石变变质质基基性性岩岩阳起石、阳起石、多硅白云多硅白云母、绿帘母、绿帘石、黑云石、黑云母、黑硬母、黑硬绿泥石、绿泥石、绿泥石绿泥石普通角闪普通角闪

10、石、黑云石、黑云母、绿帘母、绿帘石、铁铝石、铁铝榴石榴石普通角普通角闪石、闪石、黑云母、黑云母、透辉石、透辉石、铁铝榴铁铝榴石石普通角普通角闪石、闪石、黑云母、黑云母、透辉石、透辉石、铁铝榴铁铝榴石石斜方辉斜方辉石、斜石、斜长石、长石、单斜辉单斜辉石、铁石、铁镁铝榴镁铝榴石石低绿片岩相低绿片岩相 高绿片高绿片岩相岩相低角闪低角闪岩相岩相高角高角闪岩闪岩相相麻粒麻粒岩相岩相低绿低绿片岩片岩相相高高压压相相系系硬柱石、黑硬柱石、黑硬绿泥石、硬绿泥石、硬玉、石英、硬玉、石英、多硅白云母、多硅白云母、文石、红帘文石、红帘石、硬绿泥石、硬绿泥石石普通角闪普通角闪石、绿帘石、绿帘石、铁铝石、铁铝帘石帘石蓝

11、晶石、蓝晶石、十字石、十字石、铁铝榴铁铝榴石石矽线石、矽线石、铁铝榴铁铝榴石石矽线石、矽线石、铁铝榴铁铝榴石石矽线石、矽线石、斜方辉斜方辉石、蓝石、蓝晶石、晶石、铁镁铝铁镁铝榴石榴石蓝闪石、绿蓝闪石、绿纤石、青绿纤石、青绿闪石、多硅闪石、多硅白云母、阳白云母、阳起石、黑硬起石、黑硬绿泥石、绿绿泥石、绿帘石帘石普通角闪普通角闪石、铁铝石、铁铝榴石、黑榴石、黑云母、绿云母、绿帘石、白帘石、白云母、透云母、透辉石辉石普通角普通角闪石、闪石、白云母、白云母、单斜辉单斜辉石、黑石、黑云母云母普通角普通角闪石、闪石、白云母、白云母、单斜辉单斜辉石、黑石、黑云母云母普通角普通角闪石、闪石、单斜辉单斜辉石、黑

12、石、黑云母云母单斜辉单斜辉石、石石、石榴石、榴石、斜方辉斜方辉石石沉积岩层：富沉积岩层：富H2O 、CO2有机质、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：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。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、机械沉积砂矿：自然金、自然铂、金刚石、独居石、锆石等锆石等化学沉积岩（含盐层）化学沉积岩（含盐层）:石盐、钾盐、芒硝、钾盐石盐、钾盐、芒硝、钾盐镁矾、石膏、硬石膏镁矾、石膏、硬石膏滨海

13、浅水沉积岩：硬锰矿、软锰矿、水锰矿、菱锰滨海浅水沉积岩：硬锰矿、软锰矿、水锰矿、菱锰矿矿海相地层碳酸盐岩：方解石、白云石海相地层碳酸盐岩：方解石、白云石 二二、地幔部分地幔部分压力 P（或深度深度）由小小 大大， 矿物排列矿物排列的顺序顺序： 铁铝榴石铁铝榴石 Alm 红柱石红柱石 And & 硅线石Sill 蓝晶石蓝晶石 Ky 镁铝榴石Pyr 硬玉Jd 石墨石墨Gp 金刚石金刚石Dm 科石英科石英Coes 镁橄榄石镁橄榄石Fo 顽火辉石顽火辉石En 似尖晶石似尖晶石Dsp 尖晶橄榄石尖晶橄榄石Rw 斯石英斯石英Stis 方镁石方镁石Per 压力 P（或深度深度）由小至小至大矿物排列大

14、矿物排列的顺序顺序： 铁铝榴石铁铝榴石 Alm 红柱石红柱石 And & 硅线石Sill 蓝蓝晶石晶石 Ky 镁铝榴石Pyr 硬玉Jd 石墨石墨Gp 金刚石金刚石Dm 科石英科石英Coes 镁橄榄石镁橄榄石Fo 顽火辉石顽火辉石En 似尖晶石似尖晶石Dsp 尖晶橄榄石尖晶橄榄石Rw 斯石英斯石英Stis 方镁石方镁石Per在相当于4001000km深度的 温度温度和压力压力条件下，上地幔上地幔的主要主要 矿物矿物如镁橄榄石镁橄榄石、辉石辉石和石榴石石榴石等不稳定不稳定，将转变为新的呈紧紧密结构密结构的氧化物氧化物矿矿物组合物组合。在在10002900km深度的深度的下地幔下地幔范围内，

15、却没有范围内，却没有相变相变作作用发生。用发生。 F. Birch（1952）认为： 在相当于4001000km深度的 温度温度和压力压力条件下，上地幔上地幔的主要主要 矿物矿物如镁橄榄石镁橄榄石、辉石辉石和石榴石石榴石等不稳不稳定定，将转变为新的呈紧密结构紧密结构的氧化物氧化物矿矿物组合物组合。 而在10002900km深度深度的下地幔下地幔 范围内，却没有相变相变作用发生。19601960年以来，一些研究者先后通年以来，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，体和玄武岩中深源捕虏体的研究，证明了证明了BerchBerch关于地幔

16、内矿物相关于地幔内矿物相变规律的假设。变规律的假设。 1上地幔上地幔 上地幔上地幔的化学组成化学组成为超超MgFe质质的， 地幔岩地幔岩： 3份份橄榄岩橄榄岩 + 1份份玄武岩玄武岩 所组成的所组成的混合物混合物 地幔岩地幔岩的主要造岩矿物主要造岩矿物： 镁橄榄石镁橄榄石Fo 辉石辉石：顽火辉石顽火辉石、透辉石透辉石 上地幔上地幔矿物矿物的 石榴石石榴石：Pyr（镁铝榴石）（镁铝榴石） 9599% 据统计，在150350 km深度深度范围内， 这些稳定矿物稳定矿物的质量百分比质量百分比为： 橄榄石Ol (Mg,Fe)2SiO4 57% 斜方辉石OPx (Mg,Fe)SiO3 17% 单 斜 辉

17、 石单 斜 辉 石C P x ： 透 辉 石透 辉 石 D i 硬 玉硬 玉J d CaMgSi2O6- -NaAlSi2O6 12% 镁铝榴石镁铝榴石Pyr (Mg,Fe,Ca)3(Al,Cr)2Si3O12 14% SiO2 ： -Q与 -Q的转变转变，仅限于 上地幔上地幔的上部上部，从常压常压下的573 增至20kb的1100。 -Q -Q C573C110020Kb , , 常压常压高压高压实验实验表明，科石英Coes存在于上上地幔地幔的下部下部 ，形成条件形成条件为： P = 35kb ， t = 500800 但它随着P和t的增高增高而不稳定不稳定， 最终转变为斯石英Stis。 顽

18、火辉石顽火辉石En 镁橄榄石镁橄榄石 Fo +斯石英Stis P 2地幔过渡带地幔过渡带 主要组成矿物主要组成矿物： Mg2SiO4和MgSiO3的高压高压同质多像同质多像 变体变体。 1）Mg2SiO4同质三像同质三像矿物相矿物相化学式化学式 晶体结构晶体结构 相对密度相对密度（g/cm3） 形成形成深度深度 镁橄榄石镁橄榄石： Fo(Mg1.6Fe0.4)2SiO4Mg2SiO4 - -Mg2SiO4Ol型结构型结构斜方晶系斜方晶系3.21浅部浅部 深部深部 畸变尖晶石畸变尖晶石 或 似尖晶石似尖晶石： DSp - -Mg2SiO4似似Sp结构结构介于斜方斜方等轴等轴晶系晶系之间3.47

19、尖晶橄榄石尖晶橄榄石 Rw 或 硅尖晶石硅尖晶石 Si-Sp - -Mg2SiO4Sp型结构型结构等轴晶系等轴晶系3.56 2）MgSiO3同质二像同质二像 矿矿 物物 相相结结 构构 相对密度相对密度（g/cm3） 产产 状状 顽火辉石顽火辉石： En正辉石型正辉石型结构结构，斜方晶系斜方晶系3.10上地幔上地幔硅钛铁矿硅钛铁矿： Si- -Ilm Ilm（刚玉型刚玉型）结构结构，三方晶系三方晶系 3.82 地幔地幔过渡带过渡带 下地幔下地幔 3）SiO2同质多像同质多像HP实验实验表明，斯石英斯石英Stis主要存在于地地幔过渡带幔过渡带，形成条件形成条件： P = 125kb ， t =

20、12001400 Coes Stis矿物相矿物相 相对密度相对密度（g/cm3） QCoesStis 2.65 4.35 地幔过渡带地幔过渡带内，P ，h600km 时， 则： -Mg2SiO4 2 MgO + SiO2尖晶橄榄石Rw 方镁石Per 斯石英 在在10002900km深度的深度的下地幔下地幔范围内，却范围内，却没有没有相变相变作用发生。作用发生。三、地核三、地核目前推断外地核是由目前推断外地核是由金属氢化物金属氢化物和和碳化物碳化物的混合物组成。的混合物组成。地球矿物空间分布的一般规律：地球矿物空间分布的一般规律：地核地核 地幔地幔 地壳深部地壳深部 地壳浅部地壳浅部 矿物种的最

21、少数量分布于矿物种的最少数量分布于高温和高压条件高温和高压条件下下形成的地质体中。形成的地质体中。地表地表外生成矿作用外生成矿作用所形成的矿物数量，显著所形成的矿物数量，显著多于地壳多于地壳内生成矿作用内生成矿作用的矿物数量。的矿物数量。实质上，矿物的形成取决于实质上，矿物的形成取决于元素的丰度元素的丰度和和元元素的地球化学性质。素的地球化学性质。最近的最近的30多年来，多年来，,以下方面的研究使我们对于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对各类火山活动的观测与地震层析结果的综合研究表明，

22、富含水和挥发份的玄武岩浆来源合研究表明，富含水和挥发份的玄武岩浆来源于地幔于地幔,其中与地幔热柱有关的岩浆活动来源较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，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。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对上地幔橄榄岩包体矿物谱学的研究发现发现,地幔主要造岩矿物地幔主要造岩矿物橄榄石、辉橄榄石、辉石、石榴子石等矿物中都不同程度地含石、石榴子石等矿物中都不同程度地含有水有水，它们可能成为地幔水最重要的贮，它们可能成为地幔水最重要的贮集物。集物。(3)含水体系的高温高压实验及其产物的含水体系的高

23、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。存在状态的实验证据。这些含水相包括了这些含水相包括了:传统矿物分类中的传统矿物分类中的含水变质矿物含水变质矿物，如，如闪石和闪石和云母类云母类矿物；矿物；橄榄石和辉石等矿物的高压相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传统矿物分类中不曾报道过的一些新的含水新的含水矿物相矿物相，它们大多是，它们大多是含水富镁的硅酸盐含水富镁的硅酸盐,且且具有相当高的密度具有相当高的密度,因而被称为因而被称为高密度含水高

24、密度含水镁硅酸盐相镁硅酸盐相。上地幔中水的存在形式(1)无水硅酸盐矿物无水硅酸盐矿物：根据地幔矿物学模型，上：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，水主石榴子石。研究表明，在这几种矿物中，水主要以要以(OH)- 的形式的形式存在于矿物的结构缺陷中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，这些层约在橄榄石中，某些缺陷为平面层状，这些层约几个几个10-10 m厚，类似于叶片状斜硅镁石的结构。厚，类似于叶片状斜硅镁石的结构。这些缺陷中，这些缺陷中，(OH)- 可能替代氧离子，与阳离可能替

25、代氧离子，与阳离子进行电荷平衡。子进行电荷平衡。(2)含水变质矿物含水变质矿物:在上地幔上部，水还以多种含水变质矿在上地幔上部，水还以多种含水变质矿物的形式存在。实验表明物的形式存在。实验表明,在在100km深度深度以内以内,可能稳定存在的可能稳定存在的含水变质矿物有绿泥石、含水变质矿物有绿泥石、韭闪石、蛇纹石和金云母韭闪石、蛇纹石和金云母等。等。100200km，蛇纹石和金云母蛇纹石和金云母能够稳定存在。能够稳定存在。200400km主要的含水变质矿物为主要的含水变质矿物为富钾闪石、斜硅镁石和富钾闪石、斜硅镁石和粒硅镁石类粒硅镁石类矿物。矿物。如果上地幔局部如果上地幔局部富富Si、Al成分成

26、分(接近于玄武岩接近于玄武岩)，那么在，那么在100km深度内可能有深度内可能有绿泥石、角闪石、硬柱石绿泥石、角闪石、硬柱石+硬绿泥石、硬绿泥石、黝帘石黝帘石+硬绿泥石硬绿泥石存在。存在。200km 之上之上，只有，只有硬柱石硬柱石能够稳定能够稳定存在了。在这些矿物中水大多主要以存在了。在这些矿物中水大多主要以(OH)- 形式参加矿物晶形式参加矿物晶格格，少数以结晶水的形式存在少数以结晶水的形式存在(表表1)。(3)高密度含水镁硅酸盐相高密度含水镁硅酸盐相(以下简称以下简称DHMS): 对高温高压实验合成的多种对高温高压实验合成的多种DHMS的研究已经的研究已经持续了持续了20多年多年,已发现

27、了已发现了10种以上的此类矿物相。种以上的此类矿物相。(4)硅酸盐熔体硅酸盐熔体:硅酸盐熔体也是地幔中水的贮集物。大硅酸盐熔体也是地幔中水的贮集物。大多情况下多情况下,熔体分散于地幔矿物和岩石的熔体分散于地幔矿物和岩石的孔隙和裂缝中。在一定的条件下孔隙和裂缝中。在一定的条件下,熔体会熔体会发生聚集并向上迁移发生聚集并向上迁移,形成岩浆上涌和火形成岩浆上涌和火山的喷发。因此山的喷发。因此,熔体也是地幔中水发生熔体也是地幔中水发生大规模迁移的载体。大规模迁移的载体。熔体中的水主要以熔体中的水主要以H2O和和(OH)- 的形式存在的形式存在。地幔过渡带和下地幔中水的存在形式地幔过渡带：地幔过渡带：410670km下地幔的深度范围：下地幔的深度范围：6702900km在过渡带和下地幔中水应该在过渡带和下地幔中水应该主要存在于无水硅酸盐主要存在于无水硅酸盐矿物矿物(橄榄石、辉石等橄榄石、辉石等)的