地球的化学演化

1、第二章第二章 元素在地球各圈层中的分布元素在地球各圈层中的分布 第四节第四节 地球的化学演化地球的化学演化 第四节第四节 地球的化学演化地球的化学演化 u根据地质和地球化学综合研究成果，已知根据地质和地球化学综合研究成果，已知迄今迄今46亿年的地球历史中经历了几个重大亿年的地球历史中经历了几个重大的地质时期：的地质时期： 1、37亿年前（冥古宙）亿年前（冥古宙） 太阳系原始星云物质经重力聚集产生吸积太阳系原始星云物质经重力聚集产生吸积作用，逐步形成了密度较大的星体。地球作用，逐步形成了密度较大的星体。地球在早期的吸积过程中逐渐形成了原始的地在早期的吸积过程中逐渐形成了原始的地核、地幔和地壳。核

2、、地幔和地壳。n 由于地球的去气作用，产生了地球外部的大气由于地球的去气作用，产生了地球外部的大气圈。原始大气圈的成分主要是圈。原始大气圈的成分主要是HH2 2、H H2 2O O、CHCH4 4 NHNH3 3、N N2 2、COCO、COCO2 2、HH2 2S S以及少量的惰性气以及少量的惰性气体。由于游离氧很少，所以大气圈具有还原性质。体。由于游离氧很少，所以大气圈具有还原性质。n4040亿年左右，地球遭受了强烈的陨石冲击亿年左右，地球遭受了强烈的陨石冲击 火山火山活动加强，扩大了原始的水圈和大气圈。活动加强，扩大了原始的水圈和大气圈。 原始水圈中因含有原始水圈中因含有HFHF、HH3

3、 3BOBO4 4和和SiOSiO2 2，估计当，估计当时地表水的时地表水的PHPH值接近于值接近于l-2l-2 地球的化学演化地球的化学演化 n这一时期地壳的组成和性质尚无确切地质这一时期地壳的组成和性质尚无确切地质记录，认识主要来自类地行星的对比分析。记录，认识主要来自类地行星的对比分析。2、3725亿年（太古宙）亿年（太古宙） 内动力地质作用内动力地质作用：太古宙地壳广泛分布着太古宙地壳广泛分布着玄武岩、科马提岩（橄榄岩岩浆），与花玄武岩、科马提岩（橄榄岩岩浆），与花岗岩组成绿岩岗岩组成绿岩-花岗岩地体。花岗岩地体。 化学沉积作用化学沉积作用：以条带状硅：以条带状硅- -铁建造最为特铁建

4、造最为特征征 这一时期的水圈具有较低的这一时期的水圈具有较低的PHPH值（约值（约在在2-52-5之间）和较高的温度，之间）和较高的温度，地球的化学演化地球的化学演化 橄榄质岩浆和花岗质岩浆的广泛出现表明橄榄质岩浆和花岗质岩浆的广泛出现表明这一时期上地幔和地壳温度远比现今高得这一时期上地幔和地壳温度远比现今高得多。多。n关于原始地壳化学组成的基本观点：关于原始地壳化学组成的基本观点：(1) (1) 最早的地壳可能是玄武质的，地壳再熔融最早的地壳可能是玄武质的，地壳再熔融形成花岗岩，使地壳不断演化。形成花岗岩，使地壳不断演化。(2) (2) 最早的地壳可能是酸性或中酸性的最早的地壳可能是酸性或中

5、酸性的, ,是早期是早期地幔分异形成的。地幔分异形成的。地球的化学演化地球的化学演化 地表玄武质岩石在酸性介质作用下，大量地表玄武质岩石在酸性介质作用下，大量CaCa、MgMg、FeFe被溶解带入海洋，为这一时期被溶解带入海洋，为这一时期特大型沉积铁矿的形成奠定了物质基础。铁特大型沉积铁矿的形成奠定了物质基础。铁的沉积使海水中的的沉积使海水中的CaCa、MgMg浓度不断增大，浓度不断增大，但并无钙、镁的广泛沉积，指示当时水圈具但并无钙、镁的广泛沉积，指示当时水圈具有弱酸性。有弱酸性。 地球的化学演化地球的化学演化 地球的化学演化地球的化学演化成矿作用成矿作用：表生沉积矿产以铁矿为特征，：表生沉

6、积矿产以铁矿为特征，也是地球演化历史中铁的最重要的成矿期。也是地球演化历史中铁的最重要的成矿期。内生成矿作用内生成矿作用：主要与绿岩主要与绿岩- -花岗岩有关，主要矿产：与科马花岗岩有关，主要矿产：与科马提岩有关的提岩有关的Cu-NiCu-Ni硫化物矿床、与绿岩硫化物矿床、与绿岩- -花岗花岗岩有关的超大型金矿床。主要成矿元素有：岩有关的超大型金矿床。主要成矿元素有：Cr Ni Co Cu Au Ag ZnCr Ni Co Cu Au Ag Zn和铂族元素等，和铂族元素等，ZnZn与与CuCu共生。共生。 3、2516亿年（古元古代）亿年（古元古代） 世界主要克拉通基本形成，地壳趋于稳定，世界

7、主要克拉通基本形成，地壳趋于稳定，火山活动减弱，裂谷发育。火山活动减弱，裂谷发育。 幔源基性岩浆侵人地壳形成广泛的层状侵入幔源基性岩浆侵人地壳形成广泛的层状侵入体和基性岩墙群，并伴有体和基性岩墙群，并伴有CrCr、NiNi、CoCo、CuCu、FeFe、P P 和铂族元素的富集成矿。和铂族元素的富集成矿。 地球的化学演化地球的化学演化 生物作用生物作用： 这一时期藻类生物大量繁殖，光合作用增这一时期藻类生物大量繁殖，光合作用增强，大气游离氧增加。大气中强，大气游离氧增加。大气中COCO和和CHCH4 4的的氧化，使氧化，使COCO2 2含量显著增加含量显著增加 地球的化学演化地球的化学演化 n

8、成矿作用成矿作用：n出现层控超大型热水沉积出现层控超大型热水沉积PbPb-Zn-Zn矿床矿床, , 开始开始出现层控型出现层控型CuCu矿床（产于白云岩内）、出矿床（产于白云岩内）、出现超大型泻湖蒸发型矿床现超大型泻湖蒸发型矿床: MgCO: MgCO3 3 ( (菱镁矿菱镁矿) ) CaCOCaCO3 3 FeCO FeCO3 3 MnCO MnCO3 3 （菱锰矿）和超（菱锰矿）和超大型沉积变质改造的硼镁铁矿床等。大型沉积变质改造的硼镁铁矿床等。地球的化学演化地球的化学演化 元古宙水圈的性质发生了重大变化，突出元古宙水圈的性质发生了重大变化，突出特征是特征是PHPH值增大，它导致值增大，它

9、导致COCO2 2在水中溶解在水中溶解度增大度增大 降低了降低了MgCOMgCO3 3 CaCO CaCO3 3 FeCO FeCO3 3 开始沉淀的浓度，由此引发了大规模碳酸岩开始沉淀的浓度，由此引发了大规模碳酸岩的沉积。的沉积。 地球的化学演化地球的化学演化n什么因素使海水什么因素使海水PHPH值增大：值增大：n早期水圈体积相对较小，酸性水圈的形成是早期水圈体积相对较小，酸性水圈的形成是强烈火山活动作用的结果，火山气体的持续强烈火山活动作用的结果，火山气体的持续排放使大气中排放使大气中COCO2 2、HH2 2S S等酸性气体不断浓等酸性气体不断浓集，大气与水圈的气体溶解平衡，决定了早集，

10、大气与水圈的气体溶解平衡，决定了早期水圈具有酸性强和相对还原性质。期水圈具有酸性强和相对还原性质。n水圈水圈PHPH值的增大需要从水圈、岩石圈的相值的增大需要从水圈、岩石圈的相互作用方面去思考互作用方面去思考 。n大气大气CO2与海洋间的平衡与海洋间的平衡： 25溶度积溶度积nCO2+Mg2+H2O MgCO3+2H+ MgCO3（110-5) nCO2+Ca2+H2O CaCO3+2H+ CaCO3（3.810-9) nCO2+ Fe2+H2O FeCO3+2H+ FeCO3 (3.210-11) nFe2+H2O Fe(OH)2+2H+ Fe(OH)2 (810-16) 5.5 7.2nF

11、e3+H2O Fe(OH)3+2H+ Fe(OH)3 (310-39) 2.2 3.2nMn2+H2O Mn(OH)2+2H+ Mn(OH)2 (1.910-13) 8.5 10 Ca(OH)2 (5.510-6) Mg(OH)2 (1.810-11) 8.5 11.5沉淀的沉淀的PH范围范围 10-2M 10-5M n大气大气CO2与海洋间的平衡与海洋间的平衡： 25溶度积溶度积nCO2+Mg2+H2O MgCO3+2H+ MgCO3（110-5) nCO2+Ca2+H2O CaCO3+2H+ CaCO3（3.810-9) nCO2+ Fe2+H2O FeCO3+2H+ FeCO3 (3.2

12、10-11) nFe2+H2O Fe(OH)2+2H+ Fe(OH)2 (810-16) 5.5 7.2nFe3+H2O Fe(OH)3+2H+ Fe(OH)3 (310-39) 2.2 3.2nMn2+H2O Mn(OH)2+2H+ Mn(OH)2 (1.910-13) 8.5 10 Ca(OH)2 (5.510-6) Mg(OH)2 (1.810-11) 8.5 11.5水圈水圈PHPH值的变化值的变化: :地球固体表面为一个强氧化壳地球固体表面为一个强氧化壳, , 这是月球不具备的这是月球不具备的. .岩石圈与水圈中发生的氧化还原反应对水圈的岩石圈与水圈中发生的氧化还原反应对水圈的PHP

13、H值值将产生重要影响将产生重要影响: : 4Fe 4Fe+2+2+4H+4H+ +O+O2 2 - 4Fe - 4Fe+3+3+2H+2H2 2O O氧化反应将消耗大量氧化反应将消耗大量HH+ +，使溶液向碱性方向演化。，使溶液向碱性方向演化。表生含水矿物的形成表生含水矿物的形成, ,释放出释放出(HO)(HO)- - 离子离子4KAlSi4KAlSi3 3OO8 8+10H+10H2 2O=AlO=Al4 4SiSi4 4OO1010(OH)(OH)8 8 4H4H2 2O O+ + 8SiO8SiO2 2+4K(OH)+4K(OH)n大气圈大气圈OO2 2 的主要来源的主要来源； (1)

14、(1) 火山排气作用火山排气作用 (2) (2) 早期大气电离作用早期大气电离作用 (3) (3) 生物作用生物作用n由上述反应和溶度积大小，可以看出，地由上述反应和溶度积大小，可以看出，地球早期硅铁建造，与碳酸岩的缺失，表明球早期硅铁建造，与碳酸岩的缺失，表明当时海水具有较低的当时海水具有较低的PHPH值，碳酸岩的大规值，碳酸岩的大规模沉淀标志海水模沉淀标志海水PHPH值发生由酸性向碱性方值发生由酸性向碱性方向的变化。正是水圈向的变化。正是水圈PHPH值的变化导致大气值的变化导致大气圈中的圈中的COCO2 2快速向固体岩石圈的转化，使快速向固体岩石圈的转化，使大气圈由大气圈由COCO2 2型

15、向富氮氧型转化。型向富氮氧型转化。 地球的化学演化地球的化学演化nPH值的变化使水圈不断向氯化物值的变化使水圈不断向氯化物碳酸盐水圈转碳酸盐水圈转化化 。4、165.7亿年（中、新元古代）亿年（中、新元古代）n 中新元古代以来，延续了早元古代的基本特征，中新元古代以来，延续了早元古代的基本特征，克拉通经过扩大、分裂、聚合、再扩大，地壳相克拉通经过扩大、分裂、聚合、再扩大，地壳相对稳定，幔源岩浆活动减弱。全球范围内出现与对稳定，幔源岩浆活动减弱。全球范围内出现与基性基性- -超基性岩有关的超基性岩有关的CuCu、NiNi、CoCo铂族、铂族、FeFe和和P P的成矿作用。中元古代之后的基性的成矿

16、作用。中元古代之后的基性- -超基性岩的成超基性岩的成矿作用表现出矿作用表现出CrCr与与CuCu、NiNi与与V V、TiTi成矿的分化。成矿的分化。 地球的化学演化地球的化学演化 CrCr主要出现在蛇绿岩内，主要出现在蛇绿岩内，CuCu、NiNi成矿主要成矿主要与偏基性的橄榄岩侵入体有关，而与偏基性的橄榄岩侵入体有关，而V V、TiTi与与基性侵入体关系密切。内生成矿作用中成矿基性侵入体关系密切。内生成矿作用中成矿元素种类与元素组合进一步复杂化。元素种类与元素组合进一步复杂化。 地球的化学演化地球的化学演化5、 5.7亿年亿年现在（显生宙）现在（显生宙）n到显生宙海生腔肠动物、软体动物、蠕

17、虫动到显生宙海生腔肠动物、软体动物、蠕虫动物、腕足类和节肢动物开始出现，晚古生代物、腕足类和节肢动物开始出现，晚古生代出现了陆生动植物。显生宙早期的大气圈为出现了陆生动植物。显生宙早期的大气圈为N N2 2COCO2 2OO2 2型，陆生植物出现以后转化型，陆生植物出现以后转化为为N N2 2-O-O2 2型。型。 地球的化学演化地球的化学演化n动植物遗体的堆积和改造形成了煤、石油、动植物遗体的堆积和改造形成了煤、石油、天然气和磷等有机矿产。盐类矿床的形成天然气和磷等有机矿产。盐类矿床的形成也是显生宙内表生成矿作用的一个重要特也是显生宙内表生成矿作用的一个重要特征。征。n海水的性质已变成氯化物

18、一硫酸盐型，海水的性质已变成氯化物一硫酸盐型，PHPH值持续增大，海水呈碱性。元古代碳酸锰值持续增大，海水呈碱性。元古代碳酸锰沉淀被广泛的现代大洋锰结核沉淀所替代。沉淀被广泛的现代大洋锰结核沉淀所替代。 地球的化学演化地球的化学演化n内生成矿作用以多种多样和多期活动为特点，内生成矿作用以多种多样和多期活动为特点，出现金刚石和一些克拉克值较低的元出现金刚石和一些克拉克值较低的元 素如素如WW、SnSn、BiBi、MoMo、HgHg、SbSb等的广泛等的广泛 成矿作用。地壳的分异作用进一步增强，成矿作用。地壳的分异作用进一步增强， 其中其中WW、SnSn的成矿常与元古代的沉积建造的成矿常与元古代的

19、沉积建造 有着密切关系。有着密切关系。u约约4646亿年的地球演化历史表明，地球是亿年的地球演化历史表明，地球是太阳系中物质运动非常活跃的星体。内太阳系中物质运动非常活跃的星体。内生和表生作用都很强烈。造成这种特点生和表生作用都很强烈。造成这种特点的原因之一，是它与太阳保持了适当的的原因之一，是它与太阳保持了适当的距离，地球从太阳吸收的热量与地球辐距离，地球从太阳吸收的热量与地球辐射到宇宙中去的热量的平衡程度恰好使射到宇宙中去的热量的平衡程度恰好使地球的温度允许地表水以液态存在。地球的温度允许地表水以液态存在。 地球的化学演化地球的化学演化 液态水对生物的产生和发展是必不可少的，液态水对生物的产生和发展是必不可少的，而生物的作用一直控制着大气和地表水的成而生物的作用一直控制着大气和地表水的成分变化。水和由生物光合作用产生的氧气，分变化。水和由生物光合作用产生的氧气，在整个表生作用中对元素的迁移和分配具有在整个表生作用中对元素的迁移和分配具有