地球化學課件專題三2-地殼-地幔地球化學-3-1

北京大學地球與空間科學學院地球化學研究所《地球化學》授課老師：李秋根E-mail:qgli@PhoneMP)Room:新地學樓35081二地殼與地幔地球化學上節(jié)課內容回顧1.地幔的結構、地幔模型和低速層2.原始地幔組成的估算方法3.地幔不均一性及其原因上地幔下地幔過渡帶軟流圈：地震波速在此明顯下降；溫度1300oC左右，壓力3萬個大氣壓，塑性體2

本

章

內

容一、地球的圈層結構及化學成分二、地殼的平均化學成分三、地幔地球化學四、地殼地幔的物質交換五、地球演化的主要化學特征二地殼與地幔地球化學34.地幔的化學不均一性（4）地幔地球化學類型：三、地幔化學44.地幔的化學不均一性（4）地幔地球化學類型：三、地?；瘜W54.地幔的化學不均一性（4）地幔地球化學類型：三、地?；瘜W64.地幔的化學不均一性（4）地幔地球化學類型：三、地?；瘜WOtherOIBHIMUEM-2EM-1地幔的化學不均一性：主要由洋島和海山玄武巖確認出；OIB

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MORBHofmann(2014)74.地幔的化學不均一性（4）地幔地球化學類型：a.BSE(BulkSilicateEarth)總體硅酸鹽地球或原始均一庫：

CHURb.PREMA（流行或主體地幔）c.DMM(虧損型)d.EMI（富集I型，再循環(huán)下地殼加入）e.EMII（富集II型，殼源沉積物加入）f.HIMU(富Pb或高μ型)，地幔與再循環(huán)洋殼的混合，由于洋低熱液作用或俯沖帶的脫水作用，造成Pb的流失和Rb的丟失，具μ

（238U／204Pb）值升高，低的87Sr/86Sr.三、地幔化學White(2001)8AfterWilson(1989)IgneousPetrogenesis.Kluwer.4.地幔的化學不均一性（4）地幔地球化學類型：三、地?；瘜WWhite(2001)94.地幔的化學不均一性（4）地幔地球化學類型：三、地?；瘜WWhite(2001)104.地幔的化學不均一性（4）地幔地球化學類型：三、地?；瘜WWhite(2013)11三、地幔化學124.地幔的化學不均一性（4）地幔地球化學類型：Hart（1992）將570個大洋玄武巖（OIB和MORB）樣品數據投影到Sr-Nd-Pb三維空間。FOZOFOZO：地幔集中帶，它在DMM-HIMU-EMI所構成三角形底部，不同洋島玄武巖大致呈互相平行的列陣排布，暗示混合，可能源于下地幔，其起源于核-幔邊界層的地幔熱柱捕獲，具高3He/4He,虧損Sr-Nd.三、地?；瘜WHofmann(2014)134.地幔的化學不均一性（4）地幔地球化學類型：三、地?；瘜WHofmann(2014)Weaver(1991)高LILE/HFSE和LILE/LREE，富集Ba（大洋沉積物）富集Nb、Ta（大洋巖石圈和交代上地幔）高LILE/HFSE和LILE/LREE，富集Ba不明顯

（大陸沉積物，基性下地殼）14Loubetetal.(1988)三、地?；瘜W4.地幔的化學不均一性（4）地幔地球化學類型：154.地幔的化學不均一性（4）地幔地球化學類型：EMI、EMII、HIMU端元成因示意圖三、地?；瘜W164.地幔的化學不均一性（4）地幔地球化學類型：三、地幔化學174.地幔的化學不均一性（5）全球的各大區(qū)域地幔地球化學類型：三、地幔化學Hofmann(2014)184.地幔的化學不均一性（5）全球的各大區(qū)域地幔地球化學類型：三、地?；瘜WHofmann(2014)19（6）北半球與南半球的同位素異常4.地幔的化學不均一性Dupal異常：上世紀80年代初有Dupre和Allegre發(fā)現的南半球大規(guī)模地幔Pb、Sr同位素異常；就現代大洋玄武巖而言，該異常在南半球廣泛出現，以南緯30o為中心并幾乎連續(xù)的環(huán)球分布。Hart（1984）將鑒別出來的北半球大洋玄武巖趨勢線作為判別Dupal異常的北半球參考線（NHRL），向上偏離NHRL線，異常Sr同位素比值，EMI和EMII主要出現在南半球。三、地?；瘜W實例：印度洋Kerguelen島印度洋Kerguelen島20（6）北半球與南半球的同位素異常4.地幔的化學不均一性同太平洋和大西洋相比，印度洋MORB的87Sr/86Sr和208Pb/204Pb更高三、地?；瘜WHofmann(2014)214.地幔的化學不均一性（8）地幔不均一的原因：研究表明地幔存在垂向及側向的不均一，產生的原因比較復雜，歸納起來主要存在下列幾種因素：在地球形成過程中就存在化學組成的不均一，原始地幔不均一（歐陽自遠，1994；1995）；地球形成以后的殼幔分異，地幔部分熔融及巖漿析出；地幔交代及地殼及巖石圈物質重新進入地幔對流，巖石圈拆沉和再循環(huán)。三、地?；瘜WWillboldandStracke(2010)22

地幔與地殼的物質交換二地殼與地幔地球化學23

地質過程最終是地球熱演化的結果；地球內部總能量隨時間的減少是不連續(xù)的，4.5和2.3~2.6時存在突變。四、地幔與地殼的物質交換

板塊構造：俯沖是冷卻地幔熱的有效機制，地幔對流；地幔柱構造：板內，地球內部熱冷卻的又一機制。24四、地幔與地殼的物質交換25TatsumiandStern(2006)四、地幔與地殼的物質交換261.地幔向地殼的物質輸送（巖漿作用）四、地幔與地殼的物質交換271.地幔向地殼的物質輸送（巖漿作用）GlobaldistributionofLargeIgneousProvinces(LIPs)Coffin&Eldholm(1992)四、地幔與地殼的物質交換281.地幔向地殼的物質輸送（巖漿作用）四、地幔與地殼的物質交換29Bebout(2007)四、地幔與地殼的物質交換2.地殼物質返回到地幔的作用30

地殼的增長在中晚元古宙時期達到高峰，此后，地殼的質量基本沒有明顯的增長2.地殼物質返回到地幔的作用四、地幔與地殼的物質交換312.地殼物質返回到地幔的作用

Thelossofcontinentalcrustcanoccuras(1)recyclingofcrustalmaterialsbackintothemantleand/or(2)reworkingofthepre-existingcrusttoformanewcrust.

Reworkingofcrustalmaterialinthiscaseincludespartialmeltingofpre-existingcrustandassimilationofoldercrustbyyounger,juvenilematerialsfromthemantle.四、地幔與地殼的物質交換322.地殼物質返回到地幔的作用（1）Pb,Sr,Nd同位素證據與洋中脊玄武巖相比，島弧玄武巖的206Pb/204Pb和207Pb/204Pb明顯較高，明顯具有富放射性成因鉛的特征，并且，在MORB和沉積物的混合線上四、地幔與地殼的物質交換332.地殼物質返回到地幔的作用（1）Pb,Sr,Nd同位素證據四、地幔與地殼的物質交換White(2001)342.地殼物質返回到地幔的作用（1）Pb,Sr,Nd同位素證據四、地幔與地殼的物質交換White(2001)352.地殼物質返回到地幔的作用（1）Pb,Sr,Nd同位素證據四、地幔與地殼的物質交換362.地殼物質返回到地幔的作用（1）Pb,Sr,Nd同位素證據NewBritain,Marianas,Aleutians,andSouthSandwichvolcanicsplotwithinasurprisinglylimitedrangeofDMsimilarto

MORB;Banda,NewZealand,andLesserAntillesshowenrichmenttrendsextendingbeyondtheOIBfield:explainingbypartialmeltingofadepletedmantlesourcewiththeadditionofthetypeofsedimentthatexistsontheappropriatesubductingplate.四、地幔與地殼的物質交換White(2001)372.地殼物質返回到地幔的作用（1）Pb,Sr,Nd同位素證據四、地幔與地殼的物質交換38SchollandHuene.(2009)四、地幔與地殼的物質交換39（2）10Be的證據10Be的性質：半衰期：1.5my現代10Be的形成：147N=>104Be++p168O=>104Be++2p四、地幔與地殼的物質交換2.地殼物質返回到地幔的作用40（2）10Be的證據四、地幔與地殼的物質交換2.地殼物質返回到地幔的作用41（2）10Be的證據四、地幔與地殼的物質交換2.地殼物質返回到地幔的作用42（3）微量元素證據島弧火山巖的特征（蛛網圖）富集低場強元素Sr、K、Ba、Rb等原因：俯沖洋殼的去水作用對上覆地幔的交代作用Kamberetal.(2002)四、地幔與地殼的物質交換43f(immobility/mobility)Actionofaqueousfluids

四、地幔與地殼的物質交換（3）微量元素證據島弧火山巖的特征（蛛網圖）富集低場強元素Sr、K、Ba、Rb等原因：俯沖洋殼的去水作用對上覆地幔的交代作用四、地幔與地殼的物質交換44（3）微量元素證據島弧火山巖的特征（蛛網圖）虧損高場強元素Ta、Nb、Zr、Hf、Ti等原因：地幔源區(qū)存在少量金云母、金紅石及磷灰石;四、地幔與地殼的物質交換451.地殼的化學演化Hofmann(2014)五、地球演化的主要化學特征46五、地球演化的主要化學特征1.地殼的化學演化471.地殼的化學演化1）

地球的初始地殼硅鋁質模式（硅鋁質地殼直接來自地幔的部分熔融或后來進一步的巖漿結晶分異作用）安山質模式(島弧式大陸增長)斜長巖模式（類似于月球表面的高地斜長巖）玄武巖模式（初始地殼的成分是玄武質的，其中可能有一些超鎂鐵質和斜長巖）：被較多研究者接受五、地球演化的主要化學特征481.地殼的化學演化2）

大陸地殼增長模式陸殼隨時間呈指數增長（50%形成于顯生宙）早期陸殼快速增長，以后發(fā)生地殼-地幔再循環(huán)陸殼呈線性增長并存在殼內再循環(huán)地殼呈現幕式增長五、地球演化的主要化學特征492.地殼演化的沉積地球化學證據1）主要元素證據Boggas(2009)五、地球演化的主要化學特征502.地殼演化的沉積地球化學證據1）主要元素證據太古代：沉積物來源于地幔較高程度部分熔融作用形成的基性巖及其侵入巖；太古代后：較低程度部分熔融的結果。沉積再旋回:Si和K；Mg和Na五、地球演化的主要化學特征512.地殼演化的沉積地球化學證據2）微量元素證據五、地球演化的主要化學特征522.地殼演化的沉積地球化學證據2）微量元素證據五、地球演化的主要化學特征532.地殼演化的沉積地球化學證據2）微量元素證據五、地球演化的主要化學特征542.地殼演化的沉積地球化學證據2）微量元素證據五、地球演化的主要化學特征552.地殼演化的沉積地球化學證據2）微量元素證據五、地球演化的主要化學特征562.地殼演化的沉積地球化學證據2）微量元素證據五、地球演化的主要化學特征572.地殼演化的沉積地球化學證據2）微量元素證據五、地球演化的主要化學特征582.地殼演化的沉積地球化學證據3）Sr同位素證據碳酸鹽巖Patchett(2003)沉積作用的結果產生兩類在Rb-Sr體系下的巖石類型：碳酸鹽巖：高Sr和可忽略的Rb；頁巖：高的Rb/Sr，高于母巖。五、地球演化的主要化學特征592.地殼演化的沉積地球化學證據4）Nd-Hf同位素模式年齡證據太古代：源于地幔新的地殼物質；元古代等較年輕沉積物：有部分地殼內的再旋回物質。五、地球演化的主要化學特征602.地殼演化的沉積地球化學證據五、地球演化的主要化學特征613.礦床的時代分布證據Pb、U、W、Sn礦床五、地球演化的主要化學特征623.礦床的時代分布證據Grovesetal.2005五、地球演化的主要化學特征634.地殼化學組成演化的原因地球內部熱源的突變=>分異程度的變化約2.2~2.5Ga期間的地球化學突變與地球內部總能量演化存在的突變相當一致，說明：地球能量對地球物質演化的控制五、地球演化的主要化學特征644.地殼化學組成演化的原因地球內部熱源的突變=>分異程度的變化五、地球演化的主要化學特征655.地幔的化學演化1）核-幔分離的時代Allegre(1987)按照Ringwood（1977）的觀點，大約在地球形成的最初100Ma時，地核開始由硅酸