海洋地質(zhì)學(xué)-第三章-地球結(jié)構(gòu)與海底巖石圈

海洋地質(zhì)學(xué)導(dǎo)論翟世奎主講(第五講）上講作業(yè)與思考題1、海底熱液活動的熱液水源在哪里？2、海底熱液活動的機(jī)制或模式是什么？3、海底熱液生態(tài)系統(tǒng)的機(jī)制？（生命起源？生物鏈及其結(jié)構(gòu)？耐高溫和“毒性”的機(jī)制？）4、熱液中豐富的金屬元素（成礦元素）來自哪里？富集機(jī)制？第三章地球結(jié)構(gòu)與海底巖石圈海洋地質(zhì)學(xué)第三章地球結(jié)構(gòu)與海底巖石圈3.1地球結(jié)構(gòu)與基本組成3.2地殼3.3地幔和地核3.4低速層（軟流層）3.5巖石圈3.1地球結(jié)構(gòu)與基本組成

1、地球的誕生——關(guān)于地球的生成眾說紛紜，迄今最為經(jīng)典或被大多數(shù)人接受的當(dāng)屬18世紀(jì)德國哲學(xué)家康德提出的“星云假說”。太陽系在形成之前，是一片由熾熱氣體組成的星云。在大約46億年前，由于氣體冷卻引起收縮，使得星云旋轉(zhuǎn)起來。由于氣體收縮和萬有引力（重力）作用，旋轉(zhuǎn)速度逐漸加快，星云成為圓盤狀。當(dāng)旋轉(zhuǎn)的星云邊收縮邊旋轉(zhuǎn)，周圍物質(zhì)的離心力大于等于中心對它的引力時，就分離了一個圓環(huán)來。一個又一個圓環(huán)逐步產(chǎn)生。最后，中心部分變成太陽，周圍的圓環(huán)變成了行星，其中一顆就是地球。因此，地球是在四十多億年前產(chǎn)生的。3.1地球結(jié)構(gòu)與基本組成

1、地球的誕生——早期的大約1100Ma（距今4600Ma－3500Ma，天文時期）沒有在現(xiàn)今的地球上保留有任何地質(zhì)證據(jù)。當(dāng)時的地質(zhì)情況主要是根據(jù)對月球及其它天體（隕石）的研究，結(jié)合“將今論古”的原則推斷的。3.1地球結(jié)構(gòu)與基本組成3.1地球結(jié)構(gòu)與基本組成

2、發(fā)展演化——地球圈層構(gòu)造的初步形成（歷時500-600Ma）：冰冷的星云物質(zhì)機(jī)械碰撞及地球內(nèi)部放射性元素衰變產(chǎn)生大量的熱能，使原始地球內(nèi)部某深度發(fā)生物質(zhì)重熔。高溫地球在旋轉(zhuǎn)過程中，重熔物質(zhì)發(fā)生重力分異。重的物質(zhì)，如鐵鎳沉到地心，形成原始地核；輕的物質(zhì)，如鐵鎂硅酸鹽物質(zhì)則上浮，圍繞地核形成原始地幔和原始地殼。后者失熱而變硬。3.1地球結(jié)構(gòu)與基本組成

2、發(fā)展演化——地球形成之初溫度相對較低，各種物質(zhì)混雜一起，經(jīng)歷了一段“安穩(wěn)”期。后來，由于地球內(nèi)部的鐳、鈾等放射性物質(zhì)衰變而產(chǎn)生大量的熱，聚集在地球內(nèi)部，最終通過火山爆發(fā)與強(qiáng)烈地震釋放出來。3.1地球結(jié)構(gòu)與基本組成

2、發(fā)展演化——受地球上火山活動和地外物質(zhì)撞擊等的影響，在地球長期的發(fā)展演化過程中，相對較輕的硅鋁物質(zhì)逐漸向外層移動，而重的鐵鎳等物質(zhì)在地核處集中，地球形成圈層結(jié)構(gòu)。3.1地球結(jié)構(gòu)與基本組成

2、發(fā)展演化——由于太陽的照射，使地球溫度慢慢升高，地球內(nèi)部物質(zhì)的化學(xué)作用，地殼放出大量二氧化碳、甲烷、氮氣、水蒸汽等。這些氣體上升到地球外部，形成大氣層。水蒸汽在高空遇到冷氣流后，便形成降雨。地球受大量雨水沖擊，在低洼處匯成海洋、湖泊、河流，于是也就有了植物、動物和人類。經(jīng)歷幾十億年的演變，地球終于成為今天這個樣子。3.1地球結(jié)構(gòu)與基本組成

2、發(fā)展演化——由于地球內(nèi)部放射熱的積蓄和內(nèi)部各圈層物質(zhì)與能量交換，導(dǎo)致地球最外層的巖石圈破裂解體、碰撞拼合、升降移位等復(fù)雜的構(gòu)造運動，形成地球表面上的高山峻嶺、丘陵平原、江海湖泊、裂谷斷澗。3.1地球結(jié)構(gòu)與基本組成2、發(fā)展演化3.1地球結(jié)構(gòu)與基本組成地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要通過地震信號研究推斷的。3、地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)3.1地球結(jié)構(gòu)與基本組成地球內(nèi)部在垂向上，分為三個一級層圈，即：地殼、地幔和地核。3、地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)3.1地球結(jié)構(gòu)與基本組成3、地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)——成分分層和流變學(xué)分層

3.1地球結(jié)構(gòu)與基本組成3、地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)——成分分層和流變學(xué)分層

第三章地球結(jié)構(gòu)與海底巖石圈3.1地球結(jié)構(gòu)與基本組成3.2地殼

3.3地幔和地核3.4低速層（軟流層）3.5巖石圈大陸地殼首先由南斯拉夫的莫霍洛維奇(Mohorovicic)在1909年發(fā)現(xiàn)的。但是，直到1955年，地殼才被明確地限定在M面(莫霍面）以上的巖石部分。3.2地殼地殼厚度變化很大，最小不足5km（大洋中脊），最大可超過70km（喜馬拉雅山脈），全球平均厚度15km（大陸地殼平均厚度35km左右)。是一個非常不均一的地球外表圈層。根據(jù)物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)的不同，通常將地殼分為大洋型地殼和大陸型地殼。3.2地殼3.2.1大洋地殼利用鉆探采樣，對大洋地殼上部的物質(zhì)組成已有了較為清晰的認(rèn)識，但對于洋殼深部的結(jié)構(gòu)與物質(zhì)組成，仍然還是主要依據(jù)地震探測法，其次是根據(jù)對海底巖漿巖的研究結(jié)果所推斷。20世紀(jì)50年代以來，盡管發(fā)現(xiàn)不同洋區(qū)及同一洋區(qū)中不同的構(gòu)造單元，其洋殼結(jié)構(gòu)都有明顯的變化，但深地震探測確認(rèn)了洋殼在全球大洋盆地中總體很薄，并且普遍具三層結(jié)構(gòu)。在此所謂的洋殼結(jié)構(gòu)是指理想的大洋地殼結(jié)構(gòu)。3.2地殼3.2.1大洋地殼層I為沉積層——區(qū)域性差別相當(dāng)大，厚度為0～2km，平均厚度約0.4km；地震縱波速度(Vp)為1.6～2.5km/s。沉積物主要是由濁流搬運到深海的陸源、生物、自生和火山等成因的未固結(jié)沉積物，深海沉積物的分布通常受底流和等深流的再搬運。沉積層通常在大洋中脊軸部缺失或極薄，隨著遠(yuǎn)離洋中脊而逐漸增厚，洋盆邊緣最厚可達(dá)2km。3.2地殼3.2.1大洋地殼層II為基底層——火山巖層，是以玄武巖為主，夾有已固結(jié)的沉積巖，層面極不平坦，厚度變化較大，介于1.0－2.5Km之間，平均約1.4km；Vp為3.4～6.2km/s。上部多為低鉀拉斑玄武巖（即大洋拉斑玄武巖）、夾雜有深海沉積物的枕狀熔巖及玻璃質(zhì)碎屑巖。越往下沉積物越少，以至消失；下部多為呈巖脈或巖床形式的輝綠巖；底部為席狀巖墻群。3.2地殼3.2.1大洋地殼層III為大洋層——是大洋地殼的主體。Vp為6.4～7.0km/s，由此推測可能是輝長巖、角閃巖或蛇紋石化橄欖巖等。其厚度相對變化不大，平均厚約5.0km。3.2地殼沉積物（層I）基底層（層II）枕狀玄武巖（脈）席狀巖墻層輝長巖殼幔過渡層大洋層（層III）3.2.1大洋地殼需要說明的是，人類迄今的取樣能力，只鉆取到了洋殼第二層的部分樣品（ODP504B孔）。各層的進(jìn)一步細(xì)分是隨著地球物理探測精度的不斷提高和研究目的的不同而提出的，但仍多屬推斷。3.2地殼3.2.1大洋地殼3.2地殼沉積物3.2.1大洋地殼洋殼的橫向變化——不同洋區(qū)及同一洋區(qū)中不同構(gòu)造單元，地殼結(jié)構(gòu)都有明顯變化。例如，大洋中脊或海底火山上往往缺失層I，在局部熱點或洋中脊處有時沒有層III，取而代之的是殼?；旌蠈?。殼?；旌蠈悠鸪跏侵冈谥屑馆S部年輕洋殼地震速度剖面上發(fā)現(xiàn)的低速層或異常地幔，頂面埋深從海底之下數(shù)百米至2.0～4.0km。低速洋殼層一般產(chǎn)出于年齡小于1.5Ma的洋底之下，與洋中脊軸部之下巖漿房局部熔融作用有關(guān)。3.2地殼3.2.2大陸地殼3.2地殼大陸地殼覆蓋地球表面的45％，主要分布在大陸和大陸邊緣的大陸架海區(qū)。大陸地殼平均厚度35km，但很不均一。在構(gòu)造穩(wěn)定地區(qū)厚度較小，而在構(gòu)造活動地區(qū)厚度則急劇增大。高山區(qū)最厚，可達(dá)60-70km，如我國西藏地區(qū)。地殼的化學(xué)組成以硅鋁質(zhì)為特點，可分為上陸殼和下陸殼。3.2.2大陸地殼3.2地殼

上陸殼——由相對未變形的沉積巖或火山巖組成，化學(xué)組成總體上相當(dāng)于花崗閃長巖，因此又稱為“硅鋁層”；

下陸殼——是由已經(jīng)變形變質(zhì)的沉積巖、火成巖和變質(zhì)巖組成。早先的理論認(rèn)為下陸殼為玄武質(zhì)成分，也稱為硅鎂層。最近的研究表明：如果下地殼是干的，它應(yīng)該是由花崗閃長巖到閃長巖成分的高壓相巖石組成，如果下地殼是濕的，下陸殼應(yīng)該是由相當(dāng)于玄武質(zhì)巖化學(xué)成分的斜長角閃巖組成。3.2.2大陸地殼3.2地殼需要說明的是：（1）陸殼的上下分層并不十分明顯，其界限并不具有全球性；（2）人類目前鉆探也只能取到陸殼最上部的巖石樣品，更深部陸殼的成分都是間接獲得的，主要手段是依據(jù)地震波速變化和巖漿“俘虜體”分析所獲得的；（3）地殼承受了板塊構(gòu)造運動中的強(qiáng)烈改造，目前所找到的地殼最古老的巖石是38億年。（1）物質(zhì)組成——洋殼主要由玄武質(zhì)巖及超鎂鐵巖石組成，陸殼則以巨厚花崗巖質(zhì)巖為主。相對洋殼，陸殼富集Si和K，而貧Fe，Mg和Ca。如，洋殼SiO2含量不足50%，而陸殼則在60%以上；K2O的含量，洋殼僅為陸殼的1/7左右。3.2.3洋殼與陸殼的主要區(qū)別3.2地殼（２）厚度——洋殼平均厚度僅7km左右，而大陸型地殼厚度一般在35～40km之間。陸殼厚度變化較大，通常地勢越高厚度越大，如青藏高原(>70km)，而裂谷下可能只有幾公里。在海底，洋殼厚度總體相對穩(wěn)定在7km左右。但是，大洋地殼厚度與地勢的關(guān)系也有復(fù)雜的情況，如貫穿四大洋的洋中脊體系，雖是洋底最突出的隆起地形，其洋殼厚度比正常洋盆還小，僅2～5km；而海底山脈——無震海嶺（如夏威夷海嶺），地殼厚度卻可達(dá)20km以上。3.2地殼3.2.3洋殼與陸殼的主要區(qū)別（３）地球物理特征——洋殼雖薄，卻以正重力異常值為特點，大洋盆地的布格異常值可達(dá)＋500mGal；陸殼雖厚，其重力異常值卻主要表現(xiàn)為負(fù)值，高山地區(qū)布格異常值一般為-500～-300mCal。這種情況表明，構(gòu)成陸殼的巖石密度較洋殼小，而洋殼密度要大得多，這就是通常所說的地殼均衡現(xiàn)象。3.2地殼3.2.3洋殼與陸殼的主要區(qū)別（4）年齡——陸殼上最古老的巖石或礦物可達(dá)39×108a；而洋殼巖石一般都小于1.6×108a，最古老的洋殼也沒有超過1.8×108a，而且50％的大洋表面積形成于最近65Ma，這意味著30％的地球表面是在地質(zhì)歷史的最近1.5％的時間內(nèi)形成的。因此，洋殼要比陸殼年輕得多。3.2地殼3.2.3洋殼與陸殼的主要區(qū)別（5）火山活動——大部分陸地上很少有巖漿或火山活動，而大洋內(nèi)火山活動相對普遍得多，尤以大洋中脊和大洋邊緣的島弧為火山與侵入活動最盛；大洋以玄武巖和橄欖玄武巖等基性玄武質(zhì)巖漿活動為主，大陸邊緣則以安山巖、英安巖和流紋巖等中酸性火山巖為主。3.2地殼3.2.3洋殼與陸殼的主要區(qū)別（6）構(gòu)造活動——陸殼的褶皺和斷裂構(gòu)造都很發(fā)育，大部分山脈是由花崗巖質(zhì)巖漿巖或（和）變形變質(zhì)巖或（和）未變形變質(zhì)的沉積巖組成；洋殼構(gòu)造除大洋邊緣溝—弧體系外，洋底是以斷裂構(gòu)造為主，特別是沿中脊軸分布的中央裂谷以及與之垂直的橫向大斷裂，是地球表面規(guī)模最大的兩大斷裂系統(tǒng)。3.2地殼3.2.3洋殼與陸殼的主要區(qū)別（7）結(jié)構(gòu)分層——陸殼的分層不明顯難以確定，變化較大，反映了其復(fù)雜的演化歷史。盡管在有些地方可以分出上部的硅質(zhì)陸殼和下部的鎂鐵質(zhì)陸殼，但兩層界面并不清晰連續(xù)，不具有全球性。相反，洋殼垂向上的三分結(jié)構(gòu)在世界各大洋非常明顯，盡管這些層（特別是層II和層III）的性質(zhì)（巖性和厚度）在不同洋區(qū)隨深度有明顯變化，這只是反映了演化過程上的差異。3.2地殼3.2.3洋殼與陸殼的主要區(qū)別3.1地球結(jié)構(gòu)與基本組成3.2地殼3.3地幔和地核

3.4低速層（軟流層）3.5巖石圈第三章地球結(jié)構(gòu)與海底巖石圈3.3.1地幔（Mantle)指地殼下面（M面）直到地核（古登堡不連續(xù)面）的中間層，厚度約2865公里，占地球總體積的83.2％，這是地球內(nèi)部體積和質(zhì)量都最大的一層。地幔又可分成上地幔和下地幔兩層。上地幔頂部存在一個地震波傳播速度減慢的層(古登堡低速層)，一般又稱為軟流層，推測是巖石高溫軟化，并局部熔融造成的，很可能是巖漿的發(fā)源地。3.3地幔和地核3.3.1地幔需要說明的是:(1)人類迄今還無法確切地知道地幔的結(jié)構(gòu)和物質(zhì)組成，現(xiàn)有的知識是來自對地震波傳播速度、隕石和深部巖漿源物質(zhì)的研究所推斷的；(2）地幔的性質(zhì)在水平與垂直方向上都是不均一的。3.3地幔和地核3.3.1地幔上地幔的物質(zhì)組成接近于超基性巖，即二輝橄欖巖。其礦物組成主要包括：橄欖石、輝石、石榴子石和尖晶石。3.3地幔和地核礦物密度（g/cm3）Vp（km/s）Vs(km/s）橄欖石3.318.424.89斜方輝石3.347.854.76單斜輝石3.288.064.77尖晶石4.009.205.10石榴石3.709.005.00上地幔橄欖石相過渡帶尖晶石相（二輝橄欖巖）下地幔640～670km400Km鈣鈦礦結(jié)構(gòu)3.3.1地幔3.3地幔和地核上地幔理想的化學(xué)組成SiO245.16%TiO20.71%Al2O33.54%Fe2O30.46%

FeO8.04%

MnO0.14%

MgO37.47%

CaO3.08%Na2O0.51%K2O0.13%P2O50.06%Cr2O30.43%NiO20.20%。上地幔是由原始地幔發(fā)生部分熔融，產(chǎn)生玄武質(zhì)巖漿分離析出后的剩余的產(chǎn)物。出露于阿爾卑斯山的橄欖巖被認(rèn)為是其典型代表。林伍德（Ringwood）認(rèn)為上地幔的化學(xué)成分相當(dāng)于由3份阿爾卑斯型橄欖巖（橄欖石79%、斜方輝石20%和尖晶石1%）和一份夏威夷型拉斑玄武巖組成。3.3.1地幔3.3地幔和地核據(jù)同位素和微量元素組成，在地球化學(xué)上已劃分出6種地幔端元或儲源（Reservoirs）,通過這些地幔端員廣泛的混合作用可以解釋所有觀察到的各種幔源巖漿巖的同位素和微量元素組成。3.3.1地幔3.3地幔和地核（1）虧損型地幔（DM）——又稱殘留地幔，是經(jīng)過部分熔融并分離出巖漿后的地幔殘留部分。相對于原始地幔明顯虧損易熔組分，如K2O、Na2O、CaO、Al2O3、TiO2等，Mg含量高，87Sr/86Sr比值低，是洋中脊玄武巖的主要源區(qū)。3.3.1地幔3.3地幔和地核（2）富集型地幔I型（EMI）——富集地幔的一種，其Nd-Sr-Pb同位素系統(tǒng)中放射性成因的Nd、Sr和Pb的比率均明顯低于Ⅱ型富集地幔。87Sr/86Sr比值變化大。（3）富集型地幔II型（EMII）——EMII被認(rèn)為是殼幔交代成因，可能代表了陸源沉積巖、蝕變的大洋地殼或洋島玄武巖的再循環(huán)作用，也可能是大陸巖石圈進(jìn)入地幔后混合作用的產(chǎn)物，其突出特點是87Sr/86Sr比值高。3.3.1地幔3.3地幔和地核（4）高μ地幔（HIMU）——high-μmantle，以高U/Pb比值、高206Pb/204Pb（≈215）比值為特征，推斷是蝕變大洋地殼進(jìn)入地幔并與之混合后的產(chǎn)物。3.3.1地幔3.3地幔和地核（5）PREMA——Prevalentmantle的縮寫，稱為流行或普遍地幔，即普通地幔。特點是206Pb/204Pb在18.2-18.5之間，高于DM和EMI，低于EMII和HIMU地幔；87Sr/86Sr低于EMI和EMII，高于DM；143Nd/144Nd高于EMI和EMII，低于DM。3.3.1地幔3.3地幔和地核（6）FOZO——地幔集中帶。它在DM-EMI-HIMU所構(gòu)成三角形底部，是DM和HIMU的混合物，可能源于下地幔，由起源于核—幔邊界的地幔熱柱上升時捕獲的下地幔物質(zhì)?？偠灾?，地幔物質(zhì)是極