第二章 地球的化学组成

1、分布和丰度丰度丰度：泛指任何宇宙体或地质体中元素的平均泛指任何宇宙体或地质体中元素的平均含量。含量。元素丰度元素丰度：是指元素在所研对象中的平均含量。是指元素在所研对象中的平均含量。 人们只有了解到元素在各种地质体中的丰人们只有了解到元素在各种地质体中的丰度及丰度规律后，才有可能进一步探讨各种地度及丰度规律后，才有可能进一步探讨各种地质作用过程中元素的地球化学行为及演化规律。质作用过程中元素的地球化学行为及演化规律。地球化学体系 按照地球化学的观点，我们把所要研究的对象按照地球化学的观点，我们把所要研究的对象看作是看作是，每个地球化学体系都有，每个地球化学体系都有一定的空间，都处于特定的物理化

2、学状态（一定的空间，都处于特定的物理化学状态（C C、T T、P P等），并且有一定的时间连续。等），并且有一定的时间连续。 太阳系的组成 大家都知道我们地球所在的太阳系是由大家都知道我们地球所在的太阳系是由太阳、太阳、八大行星、行星的卫星、大量行星物体八大行星、行星的卫星、大量行星物体( (宇宙尘、宇宙尘、彗星、小行星）组成。彗星、小行星）组成。 行星分为两类：内行星、外行星（类木行星）行星分为两类：内行星、外行星（类木行星） 火星和木星之间存在小行星带火星和木星之间存在小行星带 其中太阳的质量占太阳系总质量的其中太阳的质量占太阳系总质量的99.8%99.8%，其他成员的总和仅为其他成员的总

3、和仅为0.2%0.2%。所以。所以太阳的成分是研太阳的成分是研究太阳系成分的关键究太阳系成分的关键。陨石类型铁陨石铁陨石石陨石石陨石 陨石可划分为：陨石可划分为： 球粒陨石质陨石球粒陨石质陨石 非球粒陨石质陨石非球粒陨石质陨石 地球圈层地球圈层固体地球：固体地球： 地壳（地壳（0.4%0.4%） 地幔（地幔（67.2%67.2%） 地核（地核（32.4%32.4%）水圈和大气圈（水圈和大气圈（0.03%0.03%）地球圈层地球圈层固体地球：固体地球： 地壳（地壳（0.4%0.4%） 地幔（地幔（67.2%67.2%） 地核（地核（32.4%32.4%）水圈和大气圈（水圈和大气圈（0.03%0.

4、03%）地球的化学组成地球的化学组成2.1 2.1 大陆地壳的化学组成大陆地壳的化学组成2.2 2.2 大洋地壳的化学组成大洋地壳的化学组成2.3 2.3 地幔的化学组成地幔的化学组成2.4 2.4 地核的化学组成地核的化学组成2.5 2.5 地球的化学组成地球的化学组成大陆地壳大陆地壳 大陆地壳由大陆地壳由演化的、低密度演化的、低密度的岩石组成，高的岩石组成，高于海平面。占地球表面于海平面。占地球表面41%41%，明显区别于洋壳和地，明显区别于洋壳和地幔幔 平均厚度平均厚度3740km3740km，喜马拉雅山地区可达，喜马拉雅山地区可达80km80km 目前最古老的大陆地壳年龄记录为目前最古

5、老的大陆地壳年龄记录为4444亿年亿年 大陆一般分为花岗质的大陆一般分为花岗质的上地壳上地壳、英云闪长质、英云闪长质的的中地壳中地壳和玄武质的和玄武质的下地壳下地壳 大陆地壳是矿床的主要产地大陆地壳是矿床的主要产地大陆地壳大陆地壳 大陆地壳由大陆地壳由演化的、低密度演化的、低密度的岩石组成，高的岩石组成，高于海平面。占地球表面于海平面。占地球表面41%41%，明显区别于洋壳和地，明显区别于洋壳和地幔幔 平均厚度平均厚度3740km3740km，喜马拉雅山地区可达，喜马拉雅山地区可达80km80km 目前最古老的大陆地壳年龄记录为目前最古老的大陆地壳年龄记录为4444亿年亿年 大陆一般分为花岗质

6、的大陆一般分为花岗质的上地壳上地壳、英云闪长质、英云闪长质的的中地壳中地壳和玄武质的和玄武质的下地壳下地壳 大陆地壳是矿床的主要产地大陆地壳是矿床的主要产地大陆地壳的化学组成大陆地壳的化学组成2.1.1 2.1.1 大陆上地壳大陆上地壳2.1.2 2.1.2 大陆深部地壳大陆深部地壳2.1.3 2.1.3 大陆地壳组成大陆地壳组成2.1.4 2.1.4 大陆地壳组成对壳幔交换作用大陆地壳组成对壳幔交换作用 的指示的指示大陆上地壳大陆上地壳 大陆上地壳是人们能够进行大陆上地壳是人们能够进行大规模直接取样大规模直接取样的地球部分，相对于下地壳，其成分与地幔源区的地球部分，相对于下地壳，其成分与地幔

7、源区差异更为明显差异更为明显 大陆上地壳元素丰度是进行成矿预测和环大陆上地壳元素丰度是进行成矿预测和环境评价、区域环境地球化学和农业地球化学评价境评价、区域环境地球化学和农业地球化学评价的的主要地球化学依据主要地球化学依据 地壳克拉克值（未变质的火成岩）实际上地壳克拉克值（未变质的火成岩）实际上是大陆上地壳元素丰度是大陆上地壳元素丰度大陆上地壳元素丰度的研究方法大陆上地壳元素丰度的研究方法 早期克拉克计算法早期克拉克计算法 是由美国是由美国F.W.ClarkeF.W.Clarke和和H.S.WashingtonH.S.Washington于于19241924年发表的地球化学资料中计算出来的。年

8、发表的地球化学资料中计算出来的。 他们的他们的思路思路是在地壳上部是在地壳上部1616公里范围内分布着公里范围内分布着95%95%的岩浆岩，的岩浆岩，4%4%的页岩，的页岩，0.75%0.75%的砂岩，的砂岩，0.25%0.25%的的灰岩，而这灰岩，而这5%5%沉积岩也是岩浆岩派生的，因此认为沉积岩也是岩浆岩派生的，因此认为岩浆岩的平均化学成分实际上可以代表地壳的平均岩浆岩的平均化学成分实际上可以代表地壳的平均化学成分化学成分。其作法如下：其作法如下： 在世界各大洲和大洋岛屿采集了在世界各大洲和大洋岛屿采集了51595159个不同岩浆岩样品个不同岩浆岩样品和和676676件沉积岩样品；件沉积岩

9、样品； 对对5353种元素进行了定量的化学分析；种元素进行了定量的化学分析； 其样品的数量相当于这些样品在地球表面分布面积的其样品的数量相当于这些样品在地球表面分布面积的比例比例; ; 计算时用算术平均求出整个地壳的平均值。计算时用算术平均求出整个地壳的平均值。 他们的工作具有重大的意义：他们的工作具有重大的意义： 开创性的工作，为地球化学发展打下了良好的基础；开创性的工作，为地球化学发展打下了良好的基础； 代表陆地区域岩石圈成分，其数据至今仍有参考价代表陆地区域岩石圈成分，其数据至今仍有参考价值。值。 大陆上地壳元素丰度的研究方法大陆上地壳元素丰度的研究方法 主要研究方法：主要研究方法： 通

10、过对大区域出露的不同岩石进通过对大区域出露的不同岩石进行系统取样和分析行系统取样和分析 对细粒碎屑沉积岩进行研究对细粒碎屑沉积岩进行研究大陆上地壳元素丰度的研究方法大陆上地壳元素丰度的研究方法 世界上其仅在大区域范围内进行过系世界上其仅在大区域范围内进行过系统取样和主量与微量元素分析的地区只有统取样和主量与微量元素分析的地区只有加拿大地盾加拿大地盾和和中国东部（秦岭造山带和华中国东部（秦岭造山带和华北克拉通与扬子克拉通）北克拉通与扬子克拉通）两个地区两个地区大陆上地壳元素丰度的研究方法大陆上地壳元素丰度的研究方法 大规模区域岩石取样和分析方法是大规模区域岩石取样和分析方法是上地壳元素丰度研究的

11、最可靠的方法，上地壳元素丰度研究的最可靠的方法，可是同时研究所有主量和微量元素的可是同时研究所有主量和微量元素的唯唯一方法一方法，缺点缺点是费时、费力、费钱。是费时、费力、费钱。大陆上地壳元素丰度的研究方法大陆上地壳元素丰度的研究方法 大量研究证明，大量研究证明，细粒碎屑沉积岩或沉积物细粒碎屑沉积岩或沉积物（如页岩、（如页岩、泥岩、粉砂岩、杂砂岩、冰积岩、浊积岩、黄土）代表了泥岩、粉砂岩、杂砂岩、冰积岩、浊积岩、黄土）代表了大大陆上地壳的天然平均样品陆上地壳的天然平均样品，所以，细粒碎屑沉积岩方法已被，所以，细粒碎屑沉积岩方法已被广泛用于研究现今和地质历史上大陆上地壳的成分和演化，广泛用于研究

12、现今和地质历史上大陆上地壳的成分和演化，并通过对源区组成的研究指示构造环境的变迁并通过对源区组成的研究指示构造环境的变迁 最大的缺点最大的缺点，不能给出大陆上地壳主量元素的丰度，对，不能给出大陆上地壳主量元素的丰度，对微量元素的研究也一般只限于不溶元素微量元素的研究也一般只限于不溶元素大陆地壳的化学组成大陆地壳的化学组成2.1.1 2.1.1 大陆上地壳大陆上地壳2.1.2 2.1.2 大陆深部地壳大陆深部地壳2.1.3 2.1.3 大陆地壳组成大陆地壳组成2.1.4 2.1.4 大陆地壳组成对壳幔交换作用大陆地壳组成对壳幔交换作用 的指示的指示大陆深部地壳大陆深部地壳 大陆深部地壳大陆深部地

13、壳包括大陆中地壳和下地壳包括大陆中地壳和下地壳 深部地壳深部地壳一般难以直接观察和取样，不确定性大，一般难以直接观察和取样，不确定性大，尤其是下地壳尤其是下地壳 中地壳中地壳一般由角闪岩相岩石组成一般由角闪岩相岩石组成 下地壳（地表下下地壳（地表下2025km2025km）通常认为由麻粒岩相变通常认为由麻粒岩相变质岩组成，是联系地幔和深部地壳的纽带，是大陆生长、质岩组成，是联系地幔和深部地壳的纽带，是大陆生长、壳壳幔物质交换和壳内物质分异的关键场所幔物质交换和壳内物质分异的关键场所研究方法研究方法 世界上最深的科拉半岛大陆超深钻深度仅有世界上最深的科拉半岛大陆超深钻深度仅有12km12km大陆

14、深部地壳研究方法主要有三种：大陆深部地壳研究方法主要有三种：出露地表的大陆地壳剖面出露地表的大陆地壳剖面产于火山岩中的深部地壳包体产于火山岩中的深部地壳包体地球物理方法地球物理方法出露地表的大陆地壳剖面的一般模式（据出露地表的大陆地壳剖面的一般模式（据Percival等，等，1992）共识共识 地壳垂向存在明显的地壳垂向存在明显的变质分层变质分层 上地壳上地壳主要由未变质相至绿片岩相岩石和花岗主要由未变质相至绿片岩相岩石和花岗质侵入体组成，质侵入体组成，中地壳中地壳主要由角闪岩相岩石组成，主要由角闪岩相岩石组成，下地壳下地壳主要由麻粒岩相岩石组成主要由麻粒岩相岩石组成 上地壳至中地壳至下地壳，

15、随着上地壳至中地壳至下地壳，随着深度增加深度增加，岩岩石变得更基性石变得更基性，即，即SiOSiO2 2含量降低（地球物理）含量降低（地球物理）大陆中地壳成分大陆中地壳成分 大陆中地壳具有花岗闪长大陆中地壳具有花岗闪长云英闪长质总体成分，云英闪长质总体成分，SiOSiO2 2含量介于含量介于62.469.4%62.469.4%之间之间 SiO SiO2 2和和K K2 2O O估计值估计值明显低于明显低于大陆上地壳，大陆上地壳，MgOMgO、FeOFeO和和CaOCaO的的估值高于估值高于上地壳上地壳 弱的负弱的负EuEu异常或没有异常或没有EuEu异常，区别于大陆上地壳异常，区别于大陆上地壳

16、大陆中地壳成分大陆中地壳成分大陆下地壳成分大陆下地壳成分 不同地区及相同地区的下地壳样品不同地区及相同地区的下地壳样品存在明显差异存在明显差异，是有关大陆地壳形成和演化研究中未解决的问题是有关大陆地壳形成和演化研究中未解决的问题 下 地 壳 成 分 估 值 变 化 从 基 性 到 中 性下 地 壳 成 分 估 值 变 化 从 基 性 到 中 性（49.6%62.9%49.6%62.9%），证明下地壳组成不均一），证明下地壳组成不均一 相对于上地壳，下地壳相对于上地壳，下地壳明显亏损明显亏损K K和和U U，不具不具EuEu异异常或常或EuEu正正异常异常大陆下地壳成分大陆下地壳成分大陆地壳的化

17、学组成大陆地壳的化学组成2.1.1 2.1.1 大陆上地壳大陆上地壳2.1.2 2.1.2 大陆深部地壳大陆深部地壳2.1.3 2.1.3 大陆地壳组成大陆地壳组成2.1.4 2.1.4 大陆地壳组成对壳幔交换作用大陆地壳组成对壳幔交换作用 的指示的指示大陆地壳组成大陆地壳组成 经过地球化学家们经过地球化学家们100100余年的努力和分析测试技术的不余年的努力和分析测试技术的不断更新，主要进展和共识如下：断更新，主要进展和共识如下： 1 1） 大陆地壳总体成分大陆地壳总体成分均是安山质的或花岗闪长质的，均是安山质的或花岗闪长质的，SiOSiO2 2含量范围含量范围5763%5763% 2 2）

18、 微量元素方面，无论是上地壳、中地壳、下地壳或地微量元素方面，无论是上地壳、中地壳、下地壳或地壳壳整体均明显亏损整体均明显亏损NbNb、TaTa等高场强元素和等高场强元素和富集富集PbPb，明显区别，明显区别于洋壳，说明现今于洋壳，说明现今大陆地壳主体形成于岛弧环境大陆地壳主体形成于岛弧环境大陆地壳组成大陆地壳组成 3 3） 大陆地壳成分存在大陆地壳成分存在明显垂向分层明显垂向分层，从上地壳至下地，从上地壳至下地壳随壳随SiO2SiO2含量含量逐渐降低逐渐降低，不相容元素亦，不相容元素亦逐渐降低逐渐降低，相容元，相容元素含量素含量逐渐升高逐渐升高 4 4） 大陆上地壳大陆上地壳具有明显的具有明

19、显的EuEu负异常，负异常，大陆下地壳大陆下地壳通常通常具具EuEu正异常，大陆上地壳和下地壳正异常，大陆上地壳和下地壳EuEu异常不平衡，异常不平衡，大陆地大陆地壳整体具有弱的壳整体具有弱的EuEu负异常负异常大陆地壳组成大陆地壳组成大陆地壳的化学组成大陆地壳的化学组成2.1.1 2.1.1 大陆上地壳大陆上地壳2.1.2 2.1.2 大陆深部地壳大陆深部地壳2.1.3 2.1.3 大陆地壳组成大陆地壳组成2.1.4 2.1.4 大陆地壳组成对壳幔交换作用大陆地壳组成对壳幔交换作用 的指示的指示大陆地壳组成对壳幔交换作用的指示大陆地壳组成对壳幔交换作用的指示 大陆地壳是由地幔通过岩浆作用大陆

20、地壳是由地幔通过岩浆作用生长而来的生长而来的 生长机制？生长机制？ 板块俯冲板块俯冲 底侵作用底侵作用 拆沉作用拆沉作用大陆地壳组成对壳幔交换作用的指示大陆地壳组成对壳幔交换作用的指示板块俯冲 产生物质再循环。1.拆沉作用 重力不稳定，导致高密度岩石圈地幔或大陆下地壳沉入下伏软流圈或地幔的过程。2.地幔柱 “狭窄的上升的热流”、“狭窄的圆柱形热的管道”，地幔柱将热及相对原始的物质带至软流圈，到达岩石圈底部，地壳产生隆起及表面火山活动。地面柱地表露头热点。 地幔柱与岩石圈作用，物质交换，岩浆活动，成矿作用，气圈，水圈，全球环境变化。大陆地壳组成对壳幔交换作用的指示大陆地壳组成对壳幔交换作用的指示

21、 地质学和实验岩石学已经证明，无论在任何地质学和实验岩石学已经证明，无论在任何构造环境和任何时代，原生幔源岩浆绝大多数是玄构造环境和任何时代，原生幔源岩浆绝大多数是玄武质的，即新生大陆地壳应该是玄武质的，而现今武质的，即新生大陆地壳应该是玄武质的，而现今大陆地壳却具有独特的安山质总体成分大陆地壳却具有独特的安山质总体成分 TTG TTG（英云闪长（英云闪长奥长花岗奥长花岗花岗闪长质侵入花岗闪长质侵入岩）形成机制岩）形成机制 对解释区域地球化学省和成矿区域性分布有重要意义。地球的化学组成地球的化学组成2.1 2.1 大陆地壳的化学组成大陆地壳的化学组成2.2 2.2 大洋地壳的化学组成大洋地壳的

22、化学组成2.3 2.3 地幔的化学组成地幔的化学组成2.4 2.4 地核的化学组成地核的化学组成2.5 2.5 地球的化学组成地球的化学组成大洋地壳的化学组成大洋地壳的化学组成 大洋地壳厚度较薄，平均为大洋地壳厚度较薄，平均为10km10km，且垂向组成相对均，且垂向组成相对均一一 大洋剖面由下至上大洋剖面由下至上主要由块状辉长岩、席状岩墙、枕主要由块状辉长岩、席状岩墙、枕状玄武岩和沉积岩四层组成状玄武岩和沉积岩四层组成 大洋玄武岩分为两类大洋玄武岩分为两类：一类来自洋中脊，代表亏损地：一类来自洋中脊，代表亏损地幔的洋中脊玄武岩（幔的洋中脊玄武岩（MORBMORB）；一类来自大洋盆地，代表富）

23、；一类来自大洋盆地，代表富集地幔的洋岛玄武岩（集地幔的洋岛玄武岩（OIBOIB） 大洋玄武岩在大洋玄武岩在微量元素方面表现微量元素方面表现出出PbPb亏损（负异常）亏损（负异常）和和NbNb富集（正异常），和大陆地壳及来自大陆地壳的俯冲富集（正异常），和大陆地壳及来自大陆地壳的俯冲沉积物正好相反沉积物正好相反地球的化学组成地球的化学组成2.1 2.1 大陆地壳的化学组成大陆地壳的化学组成2.2 2.2 大洋地壳的化学组成大洋地壳的化学组成2.3 2.3 地幔的化学组成地幔的化学组成2.4 2.4 地核的化学组成地核的化学组成2.5 2.5 地球的化学组成地球的化学组成地幔的化学组成地幔的化学组

24、成 地球之所以分为核、幔、壳三层，主要是地球之所以分为核、幔、壳三层，主要是受两受两个过程控制个过程控制，第一第一是地球历史的非常早期金属地是地球历史的非常早期金属地核的形成，核的形成，第二第二是地质历史时期由地幔部分熔融是地质历史时期由地幔部分熔融形成地壳的过程，形成地壳的过程，对应形成两种地幔类型：对应形成两种地幔类型：原始原始地幔；亏损地幔地幔；亏损地幔 此外，由于板块俯冲作用将地壳物质再循环此外，由于板块俯冲作用将地壳物质再循环范围地幔后还可形成范围地幔后还可形成富集地幔富集地幔地幔的研究方法地幔的研究方法 地幔化学组成的研究方法主要包括：地幔化学组成的研究方法主要包括：a)a) 宇宙地球化学方法宇宙地球化学方法b)b) 来自地幔火山岩中的地幔包体来自地幔火山岩中的地幔包体c)c) 产于造山带来自地幔的阿尔卑斯型橄榄岩产于造山带来自地幔的阿尔卑斯型橄榄岩d)d) 代