李秋根《地球化學(xué)》專題3.2 - 地殼-地幔地球化學(xué)-1

北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院地球化學(xué)研究所?地球化學(xué)?授課老師：李秋根E-mail:Room:新地學(xué)樓35081上一章節(jié)課程回憶：一、元素的起源二、元素的宇宙豐度特征；三、行星的化學(xué)成分特點(diǎn)四、隕石化學(xué)的意義及碳質(zhì)球粒隕石的化學(xué)成分特征2專題三宇宙及層圈地球化學(xué)一、宇宙地球化學(xué)二、地殼與地幔地球化學(xué)三、海洋和大氣圈地球化學(xué)四、生物圈地球化學(xué)3二地殼與地幔地球化學(xué)本章節(jié)教學(xué)目的和教學(xué)要求：一、了解地球的圈層結(jié)構(gòu)和豐度的概念；二、掌握地球的元素豐度的特點(diǎn)三、熟悉地殼的平均化學(xué)成分四、了解地殼和地幔元素豐度確實(shí)定方法五、掌握地幔不均一性及其原因。六、理解地殼與地幔之間的物質(zhì)交換及其演化4本章節(jié)重點(diǎn)內(nèi)容一、地殼元素的豐度特征及偶數(shù)規(guī)那么破壞的原因二、元素克拉克值在地球化學(xué)研究中的意義三、地幔的不均一性四、地殼與地幔的物質(zhì)交換二地殼與地幔地球化學(xué)5

本章內(nèi)容一、地球的圈層結(jié)構(gòu)及化學(xué)成分二、地殼的平均化學(xué)成分三、地幔地球化學(xué)四、地殼地幔的物質(zhì)交換五、地球演化的主要化學(xué)特征二地殼與地幔地球化學(xué)6

一、地球的圈層結(jié)構(gòu)及化學(xué)成分二地殼與地幔地球化學(xué)7一、地球的圈層構(gòu)造及化學(xué)組成地球由地殼、地幔、地核〔固體地球，～100%〕以及水圈和大氣圈〔<0.03%〕組成地球各層圈厚度、體積、平均密度和質(zhì)量分布（White,2013）1.圈層構(gòu)造8一、地球的圈層構(gòu)造及化學(xué)組成劃分依據(jù)：1〕地震波波速：縱波〔P波〕，速度快，能在固、液、氣體中傳播；橫波〔S波〕，速度慢，只能在固體中傳播。M：P、S波速突增；G：P、S波速突減，S波甚至消失。2〕地球物質(zhì)密度等的不均勻分布1.圈層構(gòu)造91.圈層構(gòu)造地殼：大陸地殼：上地殼〔硅鋁層〕下地殼〔硅鎂層〕大洋地殼〔相當(dāng)于玄武巖〕莫霍面地幔：上地幔和下地幔古登堡面地核：外核〔液〕和內(nèi)核〔固〕

HiroseandLay,2021，Elements一、地球的圈層構(gòu)造及化學(xué)組成101.圈層構(gòu)造過渡帶是相變的結(jié)果

橄欖石在400km處礦物結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成尖晶石結(jié)構(gòu)，在近700km轉(zhuǎn)變成鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。Frost2021，Elements一、地球的圈層構(gòu)造及化學(xué)組成111.圈層構(gòu)造液態(tài)鎳核固態(tài)鐵鎳核，含輕元素根據(jù)布倫〔1975〕的地球模型，劃分的主要圈層特征10%10~20%一、地球的圈層構(gòu)造及化學(xué)組成12地球結(jié)構(gòu)概要一、地球的圈層構(gòu)造及化學(xué)組成131〕豐度的概念豐度是指各種化學(xué)元素在地球化學(xué)體系中的平均含量；2.地球化學(xué)的豐度一、地球的圈層構(gòu)造及化學(xué)組成豐度的實(shí)質(zhì)：一種化學(xué)元素在某個自然體系中的重量占這個自然體系的全部化學(xué)元素總重量〔即自然體系的總重量〕的相對份額〔如百分?jǐn)?shù)〕稱為該元素在自然體系的豐度。142〕地球元素豐度地球元素的豐度是在假定的前提下，通過估算方法得到的2.地球化學(xué)的豐度一、地球的圈層構(gòu)造及化學(xué)組成(1)隕石類比法以以下假設(shè)：a.隕石在太陽系內(nèi)形成;b.隕石與小行星帶的物質(zhì)相同；c.隕石是破壞了的星體碎片；d.產(chǎn)生隕石的星體其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和成分分布與地球類似15隕石類比法:各類隕石所占比列不同，結(jié)果是有差異的2.地球化學(xué)的豐度一、地球的圈層構(gòu)造及化學(xué)組成16一、地球的圈層構(gòu)造及化學(xué)組成17〔2〕地球模型-隕石類比法認(rèn)為地球總體成分根本取決于地幔和地核成分的相對含量；按地球的各主要圈層的比例計(jì)算：地核：32.4%，球粒隕石的鎳鐵金屬相+5.3%隕硫鐵〔硫化物相〕代表地幔+地殼：67.6%，球粒隕石的平均硅酸鹽成分2.地球化學(xué)的豐度一、地球的圈層構(gòu)造及化學(xué)組成（White,2013）18192.地球化學(xué)的豐度

地球的平均化學(xué)成分一、地球的圈層構(gòu)造及化學(xué)組成202.地球化學(xué)的豐度地球元素豐度遵循太陽系元素豐度的根本規(guī)律。(3)地球元素豐度的特點(diǎn)1〕是假定的、不確定的半定量地認(rèn)識；2〕90%以上：Si、O、Fe、Mg；3〕>1%：Al、Ca、Ni和S；4〕>0.01%:Na，K，P，Mn，Ti，Cr和Co；5〕其他缺乏0.1%。一、地球的圈層構(gòu)造及化學(xué)組成212.地球化學(xué)的豐度6〕揮發(fā)性元素：缺少一、地球的圈層構(gòu)造及化學(xué)組成22地球豐度中惰性元素缺少的解釋：1〕惰性氣體的性質(zhì)：高的化學(xué)穩(wěn)定性，單獨(dú)呈氣體存在；2〕與地球的成因有關(guān)。3000k以下Allegre(1987)一、地球的圈層構(gòu)造及化學(xué)組成23

二、地殼的平均化學(xué)成分241.克拉克值的概念克拉克值：是地殼的平均化學(xué)成分?！?〕重量克拉克值：地殼中元素的重量平均含量。〔2〕原子克拉克值：地殼中元素的原子平均含量，以原子百分?jǐn)?shù)來表示?！操M(fèi)爾斯曼〕二、地殼的平均化學(xué)成分252.地殼平均化學(xué)成分確實(shí)定方法〔1〕克拉克法〔50種元素，1924〕：巖石平均化學(xué)組成法a.巖石圈：水圈：大氣圈93%7%0.03%b.巖石圈中〔火成巖：5159件；沉積巖：676件〕火成巖：頁巖：砂巖：灰?guī)r95%4%0.75%0.25%二、地殼的平均化學(xué)成分（White,2013）26具體計(jì)算過程：1.分48個地區(qū)計(jì)算平均化學(xué)成分2.合并為9個地區(qū)計(jì)算平均化學(xué)成分3.計(jì)算總平均化學(xué)成分〔地殼上部16km的地殼成分〕二、地殼的平均化學(xué)成分27〔2〕戈?duì)柕率┟芴胤ā布?xì)碎屑巖法〕依據(jù)：天然混合樣品細(xì)碎屑巖中多數(shù)元素，如REE、Th、Sc、Co等幾乎不溶于水特點(diǎn)：細(xì)碎屑巖的源物質(zhì)來自剝蝕區(qū)適合于區(qū)域地殼成分的估計(jì)可用于研究各地質(zhì)歷史時期的地殼成分二、地殼的平均化學(xué)成分28沉積過程中稀土元素沒有發(fā)生明顯的分異，同時太古宙以后沉積巖中REE模式的一致性說明：沉積巖代表了地殼外表大面積平均取樣，然而Ca和Na偏低。TaylorandMcLennan〔1995〕二、地殼的平均化學(xué)成分29〔3〕地殼模型法Taylor和McLennan〔1985〕法：太古代：75%后太古代：25%二、地殼的平均化學(xué)成分302.地殼平均化學(xué)成分確實(shí)定方法

盡管各家計(jì)算方案各異，但所得地殼主要元素豐度的估計(jì)值是接近的。二、地殼的平均化學(xué)成分312.地殼平均化學(xué)成分確實(shí)定方法

盡管各家計(jì)算方案各異，但所得地殼微量元素豐度的估計(jì)值是相似的。RudnickandGao〔2021〕二、地殼的平均化學(xué)成分323.地殼元素豐度特征二、地殼的平均化學(xué)成分333.地殼元素豐度特征地殼同整個地球相比：1〕貧Fe和Mg，2〕富Al、Na、K，因此，地球的原始化學(xué)演化表現(xiàn)為：較易熔的堿金屬鋁硅酸鹽在地球表層富集；而較難熔的鎂鐵硅酸鹽和金屬鐵下沉。二、地殼的平均化學(xué)成分343.地殼元素豐度特征偶數(shù)規(guī)那么：偶數(shù)：86.36%奇數(shù)：13.64%二、地殼的平均化學(xué)成分353.地殼元素豐度特征(1)地殼中各種元素豐度極不均勻Rn為7*10-16,與O相差1017倍82%98%47%二、地殼的平均化學(xué)成分363.地殼元素豐度特征(1)地殼中各種元素豐度極不均勻空間上不均一，上下地殼，陸殼和洋殼，各地塊RudnickandGao〔2003〕二、地殼的平均化學(xué)成分373.地殼元素豐度特征(1)地殼中各種元素豐度極不均勻時間上，演化特點(diǎn)McLennan(2003)二、地殼的平均化學(xué)成分383.地殼元素豐度特征(2)隨原子序數(shù)的增加其豐度降低，但Li,Be,B仍表現(xiàn)為虧損二、地殼的平均化學(xué)成分393.地殼元素豐度特征(3)除了惰性氣體和少數(shù)元素外，根本上質(zhì)量數(shù)為偶數(shù)的元素豐度大于奇數(shù)二、地殼的平均化學(xué)成分40(4)仍符合四倍規(guī)那么〔質(zhì)量數(shù)為四的倍數(shù)〕4A型：12C,16O,24Mg,28Si,32S,40Ca,48Ti,52Cr,56Fe,140Ce,232Th占87%4A+3型：7Li,11B,19F,23Na,27Al,31P,35Cl,39K,51V,55Mn,59Co,63Cu,75As,107Ag占13%4A+2和4A+1型僅占0.n%二、地殼的平均化學(xué)成分41(5)相對于地球整體,地殼最虧親鐵元素,其次親銅元素和少數(shù)親石相容元素;富集親石不相容元素.二、地殼的平均化學(xué)成分42地殼豐度的偶-奇元素豐度的反常的解釋地殼-地幔分異=>2412Mg,5224Cr的虧損核-幔分異=>8034Se,13052Te的虧損在地殼的形成和演化過程中，大量親中、酸性巖元素，如許多I〔Li〕、III〔B、Al、Ga〕、V〔As、Sb〕和VII〔Br、I〕族的奇數(shù)原子序數(shù)的元素，高度富集在地殼的硅鋁層中，導(dǎo)致反偶數(shù)規(guī)那么。偶數(shù)規(guī)那么的破壞反映了地殼元素豐度與元素化學(xué)性質(zhì)的關(guān)系，是地球的化學(xué)演化的結(jié)果，出現(xiàn)違反偶數(shù)規(guī)那么的只是一局部元素。二、地殼的平均化學(xué)成分繼承性分異〔Al增加〕高度富集在地殼43地殼中元素的豐度不僅取決于元素原子核的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性〔決定宇宙中元素豐度的原因〕；同時又受到地球形成前、地球形成時〔原子的化學(xué)穩(wěn)定性，惰性氣體的虧損〕和地球存在時期物質(zhì)演化和分異〔地球化學(xué)分異作用，反偶數(shù)規(guī)那么〕的影響。二、地殼的平均化學(xué)成分3.地殼元素豐度特征444.元素克拉克值的地球化學(xué)意義

克拉克值確定地殼作為一個物理化學(xué)體系的總特征及地殼中各種地球化學(xué)過程的總背景，它既是一種影響元素地球化學(xué)行為的重要因素，又為地球化學(xué)提供了衡量元素集中分散及其程度的尺度。二、地殼的平均化學(xué)成分454.元素克拉克值的地球化學(xué)意義(1)克拉克值支配著元素的地球化學(xué)行為克拉克值高=>形成〔獨(dú)立〕礦物(K,Na)克拉克值低=>類質(zhì)同象(Rb,Cs)二、地殼的平均化學(xué)成分46〔2〕克拉克值可以作為形成礦物的元素供給量的一般量度元素的克拉克值與可形成礦物種數(shù)的關(guān)系二、地殼的平均化學(xué)成分4.元素克拉克值的地球化學(xué)意義47〔2〕克拉克值可以作為形成礦物的元素供給量的一般量度二、地殼的平均化學(xué)成分4.元素克拉克值的地球化學(xué)意義48(3)作為元素集中分散的標(biāo)尺濃度克拉克值的概念濃度克拉克值=觀測值/克拉克值>1，富集或集中<1，貧化或分散二、地殼的平均化學(xué)成分4.元素克拉克值的地球化學(xué)意義49(4)判斷元素在地殼中富集成礦的能力濃集系數(shù)是各種礦產(chǎn)最低可采品位與其克拉克值的比值：礦石邊界品位/克拉克值，反映元素在礦床中的集中程度特點(diǎn)：1.不同元素的“濃集系數(shù)〞相差較大，說明集中的程度很不相同；

2.“濃集系數(shù)〞低的元素，容易富集成礦。二、地殼的平均化學(xué)成分4.元素克拉克值的地球化學(xué)意義50濃集系數(shù)與礦床的形成時代有著密切關(guān)系Si,Al,Fe分別僅需富集，3，6倍即可到達(dá)工業(yè)品位〔礦床主要形成于前寒武紀(jì)〕。Cu,Zn,Ag分別需富集50，600，2000倍才可到達(dá)工業(yè)品位〔礦床主要形成于古生代以后〕。二、地殼的平均化學(xué)成分4.元素克拉克值的地球化學(xué)意義515.巖石中元素分配的一般規(guī)律(1)主要類型巖漿巖中元素的豐度特征超基性巖富集的元素：Mg,Cr,Ni,Co,Fe,Ru,Rh,Pd,Os,Ir,Pt,Au基性巖富集的元素：Ca,Al,V,Ti,Mn,Cu,Sc,P,Zn,Mo,Ag中性巖富集的元素：Sr,Zr,Nb,Ga,Na酸性巖富集的元素：Li,Be,B,F,Si,K,Rb,Y,Sn,Cs,Ba,Zr,Hf,Ta,W,Tl,Pb,Th,U各類巖漿巖中變化不大的元素：Ge,Sb,As二、地殼的平均化學(xué)成分52根本規(guī)律：〔1〕超基性巖富集親鐵元素和親氧元素中的相容元素；〔2〕基性巖富集親銅元素和分配系數(shù)近于1的親氧元素〔Mn和Sc〕；〔3〕酸性巖富集不相容的親氧元素和揮發(fā)性元素5.巖石中元素分配的一般規(guī)律(1)主要類型巖漿巖中元素的豐度特征二、地殼的平均化學(xué)成分53一般規(guī)律：親石元素中同族上部在偏基性巖中含量高，下部酸性巖中含量高。5.巖石中元素分配的一般規(guī)律(1)主要類