地壳与地幔地球化学课件

1、地壳与地幔地球化学,第七章 地壳与地幔地球化学,地壳与地幔地球化学,上节课内容要点,地球基本分层、地壳结构 丰度概念 地球元素分布特征 地壳元素分布特征 地球/壳元素丰度模型,太阳系：HHeONeNCSiMgFeS 地球： FeOMgSiNiSCaAlCoNa 地壳： OSiAlFeCaNaKMgTiH,地壳与地幔地球化学,内容提纲,地球的圈层结构 元素丰度概念 地球地球化学组成 地壳地球化学组成 地幔地球化学组成 地核地球化学组成,地壳与地幔地球化学,地幔的地球化学组成,地壳与地幔地球化学,地幔的结构,地幔是地球最大的层圈，它从莫霍面到核幔边界，体积占地球的83，质量占67 原始地幔形成于地

2、球增生时的最初的几百万年，当FeNi分异形成地核时，由留下的富Fe、Mg的硅酸盐物质堆积形成的初始地幔称之为原始地幔（PM：Primitive Mantle）,地壳与地幔地球化学,根据Vp及Vs波速分布，可将地幔分为三层，这是原始地幔进一步分异演化的结果 1.上地幔：深度约从10km到400km，其质量约占地球的10，主要由橄榄石及辉石组成。根据地震剖面，上地幔又可分为坚硬的外壳（岩石圈的下部）及下伏的部分熔融的软流圈。上地幔的地质样品是由构造作用如洋壳（蛇绿岩）仰冲或特殊的火山作用（如金伯利岩和碱性玄武岩喷发）带至地表,地壳与地幔地球化学,2.过渡带：有时也作为上地幔的一部分。从400km到

3、670km深处，其质量占地球的7.5。进入过渡带，P波及S波的波速显著增加，岩石密度及导电性明显增长，显示该层范围内地幔物质的性质发生明显改变。硅酸盐的矿物结构产生相变，橄榄石在400km处矿物结构转变为尖晶石结构；近700km时又从尖晶石结构转变为钙钛矿结构,地壳与地幔地球化学,3.下地幔：深度由670km至2900km，其质量约占地球的49。根据地震波速较规则，显示下地幔的组成较上地幔均一。矿物物理实验支持下地幔可能由Mg、Si、O和Fe组成，具有钙钛矿（CaTiO3）晶体构造，称之为镁硅酸盐的钙钛矿（Mg、Fe）SiO3结构，形成于很高压力（即20 GPa）。此外，伴随镁方铁矿（Mg、F

4、e）O，Si、Fe及O相对于上地幔更为富集,地壳与地幔地球化学,地 幔 地 震 剖 面 及 随 深 度 矿 物 的 相 变,地壳与地幔地球化学,由于我们还无法直接获取深部地幔的样品，所以目前对深部地幔的成分的估计是建立在高温高压实验岩石学和地球物理观测基础上的模型。,地壳与地幔地球化学,（1）地幔岩模型 模型1-橄榄岩地幔岩模型Pyrolite model: Ringwood(1962) 提出可以用模式橄榄岩（3份橄榄岩+1份玄武岩）代表整个地幔的成分（地幔岩Pyrolite），根据高温高压实验成果提出一个完整的橄榄岩相转变系列，可以解释地幔中主要地震波（剪切波Shear 、压缩波Pressu

5、re）两个不连续面性质，即将地幔划分为三个带（上地幔、过渡带、下地幔） ，各带之间为等化学的相转变关系,地壳与地幔地球化学,不足：不能说明火山岩中大量挥发分的来源；高温高压实验所得到的辉长岩-榴辉岩相转变线与莫霍面深度不吻合 该模型已被许多研究者接受，并在此基础上提出双层地幔地球化学模型，认为地幔由亏损的上地幔和接近原始地幔成分的下地幔组成（670km为分界面）,地壳与地幔地球化学,模型2-榴辉岩橄榄岩互层地幔模型eclogite peridotite model Anderson(1979,1982)根据地震波速和密度计算发现，220670km深度之间“地幔岩”（模式橄榄岩）的Vp、Vs计算

6、值与实际的地震波波速不一致，而橄榄榴辉岩的计算值则与实测的波速一致，而且橄榄岩地幔岩的相转变所造成的密度和波速变化与400和670km处两个地震波不连续面的实际变化不吻合，因此提出了一个新的地幔模型-榴辉岩橄榄岩互层模型，将地幔自上而下划分为三层： “富集”的橄榄岩上地幔（从Moho面到220km深度） “亏损”的橄榄岩-榴辉岩过渡带(220670km) “亏损”的橄榄岩下地幔,地壳与地幔地球化学,幔源捕虏体的来源来可是玄武岩岩浆源区的地幔岩， 也可是岩浆在上升过程中从源区上部的地幔岩中捕虏的地幔岩碎块。从成分特征上可将它们分为原始地幔岩、亏损地幔岩和交代富集型地幔岩三类： 原始地幔 又称饱满

7、地幔，是未经过部分熔融和流体交代的地幔，化学成分上与世界地幔岩的平均成分接近，Mg一般为 87.4-89.3，岩性一般为二辉橄榄岩； 亏损地幔 又称残留地幔，是经过部分熔融出岩浆后的地幔残留部分。其相对于原始地幔明显亏损易熔组分，如 K2O、Na2O、CaO、Al2O3、TiO2等，Mg#指数高，多大于 91，一般为 91.5-93.5。微量元素中地幔不相容元素亏损，如出现左倾的稀土配分型式等； （交代）富集地幔 为经过地幔流体交代的地幔， 表现为相对于原始地幔明显富碱、 LREE及 Rb、Sr、Ba 等地幔不相熔元素。有时还可能出现富铁的特征，Mg#指数可低至 79。在矿物成分上，可出现富

8、K的矿物，如角闪石和金云母等。,地壳与地幔地球化学,地球内部圈层结构简图（Hirose and Lay, 2008 Elements）,地壳与地幔地球化学,核幔边界（core-mantle boundary,CMB,下同）是地球内部最主要的界面之一，铁合金液态外核与硅酸盐下地幔底部进行着强烈的热交换作用，对地球内部的物质运动具有重要的意义。 地球物理研究观测到下地幔底部200-400km范围内（即D层），存在着一些较为特殊的地震波特征和现象，如超低速层（ultralow velocity zone, ULVZ），剪切波分裂（shear wave spliting），地震波不连续面（veloci

9、ty discontinuities）以及相关的地震波异常（velocity anomalies）等，这些现象和特征的成因长期以来并未得到满意的答案（参考Shim，2008）。,地壳与地幔地球化学,2004年日本东京工业大学的Kei Hirose（广濑 敬）研究组，在日本先进的同步辐射中心SPring-8利用金刚石压砧（LHDAC）技术，首先在美国Science上报道了下地幔主要矿物MgSiO3钙钛矿(perovskite,pv)在下地幔底部温压条件下继续向更高压矿物相的转变 他们将这一新发现的矿物相称为post-perovskite（后钙钛矿，ppv），并认为ppv可能是下地幔底部、CMB之

10、上D”层的物质成分，通过对ppv的后续研究将有望揭开D”层的许多疑团 随后苏黎世联邦理工学院的Oganov小组（Oganov Tsuchiya et al.,2004）。从此以后针对ppv的各种研究相继广泛展开，获得了大量喜人的成果，成为新世纪初地球深部研究（SEDI）的最大热门之一,地壳与地幔地球化学,P-T相图（Oganov Hirose and Lay,2008),PPV不连续（下地幔不均一）的原因： 地幔柱形成；大洋板块俯冲,地壳与地幔地球化学,地幔主要矿物成分及矿物相变化（Bass and parise,2008）,地壳与地幔地球化学,地幔岩矿物组成随深度的变化（Ono, 2008

11、Phys Earth Planet In）,地壳与地幔地球化学,地幔低速层 上地幔顶部 60-250km Low-velocity zone 低速层的性质和特点 低的地震波速 高的电导率 高的热流值 低速层越浅，热流值越大,地壳与地幔地球化学,地幔低速层的成因 部分熔融（软流圈）,正常增温曲线,对板块运动、岩浆形成和大陆地壳演化有重要意义,地壳与地幔地球化学,地幔低速层成因（Ringwood） 按地热增温率，地幔岩石不能发生熔融。只有地幔中含水降低熔点才会发生部分熔融； 较低压下（150km深度压力形成更高压的含水矿物而缺少自由水，因此地幔不能发生熔融作用,地壳与地幔地球化学,地幔的化学组成,

12、1.地幔化学组成的研究方法 （1）地质学方法：直接获取上地幔在地表的露头，这些天然露头有碱性玄武岩、辉橄岩、橄榄拉斑玄武岩、金伯利岩中的超镁铁质岩的深源包体。 上述火山作用象一座座天然的超深钻，把地幔中的岩石标本携带到地表，成为“天然的地幔信史”。此外，以固态构造侵位的阿尔卑斯型镁铁质岩侵入体也是上地幔在地表的露头，但他们常常也遭受蛇纹石化，新鲜程度不如深源包体。,地壳与地幔地球化学,（2）与地球以外的星球进行对比：通过对陨石、月岩组成的研究，了解地幔的演化及组成 （3）实验岩石学的方法：模拟地幔的高温高压条件，进行岩石、矿物相转变的实验；以及在各种不同的温压条件下对不同组成的上地幔物质进行熔

13、融实验，从而了解各类岩浆起源的条件 （4）根据地球物理的资料：了解地幔的密度、弹性、粘度、热状态等性质，从而更好地限定地幔的岩石学模型,地壳与地幔地球化学,2 原始地幔成分的确定 1）基本假定 a. 金属与硅酸盐相在行星初期阶段即已分离，其增生过程中只存在局部平衡。 b.挥发性元素（如K、Rb）相对于难熔元素（如U、Sr）的亏损发生于地球增生以前。 c.亲石元素全部进入地幔，因此亲石元素之间在地幔无分异 d.在行星初期阶段不会发生难熔元素之间的分异作用，因此地球整体的Sm/Nd比值与球粒陨石相同 e.亲铜元素主要进入硫化物相,地壳与地幔地球化学,2）主要估算方法 多基于和CI球粒陨石中难熔亲石

14、元素比值的比较；或者根据地幔包体或地球物理资料确定原始地幔中某一元素（如TiO2,FeO)含量，再根据其它元素与难熔亲石元素的比值，算出其他元素的含量,地壳与地幔地球化学,（1）原始未亏损样品法（Jagoutz,1979）： 通过对来自地幔的尖晶石二辉橄榄岩包体的研究，找到了五个没有明显亏损Ca和Al的样品，认为这些样品具有原始地幔的成分特征； 其中美国亚利桑那州San Carlos的样品（SCI）具有CI球粒陨石的亲氧元素和同位素比值，用该样品的成分与地壳成分进行混合计算获得了原始地幔中57种元素的含量。,地壳与地幔地球化学,（2）地幔模型法（Anderson,1983）： 用球粒陨石中难熔

15、元素比值作为制约条件，计算出原始地 幔相当于以下5种岩石的混合物： 超镁铁质岩（32.6%） 平均地壳岩石（0.56%） 洋中脊玄武岩（6.7%） 金伯利岩（0.11%） 斜方辉石岩（59.8%） 计算的平均地壳岩石与现代地壳的份额（0.6%）非常接近；洋中脊的份额与40亿年消减的洋壳相当,地壳与地幔地球化学,（3）质量平衡法（Taylor，1985） Taylor（1985）获得原始地幔的元素丰度的方法： 据地幔密度和地震资料确定原始地幔的FeO含量为8.0； 难熔主要元素Si、Ti、Al、Mg、Ca之间应具有C型碳质球粒陨石的比值； 原始地幔的亲石微量元素丰度是C型球粒陨石的1.5倍； 挥

16、发性元素通过各种途径研究，获得它与难熔亲石元素之间的比值进行估算,地壳与地幔地球化学,3 上地幔和下地幔的化学成分 （1）上地幔的化学成分可通过上地幔的包体研究获得。缺陷：大多数地幔包体产于大陆地壳下的上地幔，包体只限于200km以上；地幔包体经历复杂的历史，可能经部分熔融、地幔交代、地壳混染等作用。 Ringwood(1975)提出上地幔的理论组分是一份玄武岩+三份橄榄岩混合组成，称为“地幔岩” （2）下地幔成分资料均据地震波数据推断,地壳与地幔地球化学,大致相当于一份玄武岩和三份纯橄岩的混合物,地壳与地幔地球化学,不同学者对原始地幔PM成分的估计,地壳与地幔地球化学,地壳与地幔地球化学,地

17、幔的端元组成,80年代地幔地球化学研究的主要成果: 地幔不均一性 这里主要是指地幔化学成分的不均一性，具体表现在同位素和微量元素上的不均一（地幔端元成分划分依据）,地壳与地幔地球化学,研究表明地幔存在垂向及侧向的不均一性。地幔不均一性的产生可能有三种途径： 地幔部分熔融及岩浆的析出； 地幔交代作用； 地壳及岩石圈物质重新进入地幔对流,地幔不均一性,地壳与地幔地球化学,地幔不均一性的研究意义 a.大地构造分区 b.示踪壳幔相互作用、地幔交代、地幔熔融等动力学演化史 c.矿产分布(如南岭W、Sn、Nb、Ta, 长江中下游Fe、Cu, 华北Mo、Au d.构造环境与动力学 e.地壳不均一性的原因之一

18、,地壳与地幔地球化学,研究对象 地幔橄榄岩类岩石包体（直接，但稀少，难以系统研究，并且也可能并不完全代表源岩） 通过来自玄武岩类岩浆携带上来的地幔岩石包体或者构造推覆的地幔岩块 玄武岩类岩石（间接，分布量大） 地幔部分熔融作用的产物，成分已经发生改变，必须通过地球化学研究才能获得可靠的地幔成分信息 元素/同位素比值法 元素丰度模式法 干扰因素识别法 研究时首先要排除地壳物质混染、岩浆混合等因素,地壳与地幔地球化学,中国科学院地质与地球物理研究所博士生 刘传周,地壳与地幔地球化学,在读博士生赴外研修奖学金 马普学会学生奖学金 北冰洋Gakkel洋脊两个采样点，大洋橄榄岩样品（其中一个采样点的橄榄

19、岩样品的新鲜程度极其罕见）,地壳与地幔地球化学,Re、Os是亲铜-亲铁元素，富集在铁和硫化物相中，因此在地球形成的早期分异过程中趋向于在地核中富集 Os是高度相容元素，Re是中等不相容元素，地幔熔融过程中Os倾向富集在地幔残留相中，Re富集在熔体相中，从而导致壳-幔Re/Os比值发生较大的变化 187Os 187Re 187Os/ 188Os,地壳与地幔地球化学,学术界普遍认为：元素扩散及地幔对流可有效消除软流圈中不同规模的不均一性，这也被软流圈地幔来源的大洋中脊玄武岩的研究所证实。 在同一个采样点的尺度范围 (0： 大于Sm/NdCHUR比值的地幔源区，亏损地幔 Nd40km的地壳下部将形成

20、榴辉岩。榴辉岩的密度为3.43明显大于地幔岩石3.29g/cm3。此外，基性岩浆底侵于下地壳底部和下地壳部分熔融产生的残余体，经过麻粒岩相变质作用同样会获得较高的密度3.33.6g/cm3。因此由榴辉岩及镁铁质麻粒岩组成的下地壳在重力上是不稳定的，可以使大陆下地壳发生拆沉作用。,地壳与地幔地球化学,地壳与地幔地球化学,二.地幔柱岩石圈的相互作用 地幔柱（Mantle plume）/热点（Hotspot） 地幔柱：地幔中狭窄的上升热及低密度物质流。它具有100km级直径，并源于660km地震不连续面或近核幔边界2900km深处热及低密度边界层。 现行的地幔柱概念是“狭窄的上升的热流”或“狭窄的圆

21、柱形热的管道”。低密度的物质起源于核幔边界，或者来自上地幔底部670km的间断面向上经过地幔达到地表。,地壳与地幔地球化学,Morgan（1971）确定了20个深源地幔柱，并提出了地幔柱假说。地幔柱将热及相对原始的物质带至软流圈，当幔柱到达岩石圈底部时，地壳产生隆起及表面火山活动，这一隆起及伴随的火山称为“热点”。 热点：是地幔柱在地表的“露头”，其出露点形成洋岛火山。热点对于活动的岩石圈板块保持相对稳定。典型的与热点有关的洋岛火山作用的轨迹，形成洋岛火山长链（如夏威夷皇帝岛链）。这个链的时代由老向现代出露点逐渐变新。,地壳与地幔地球化学,近年地幔柱的研究受到重视，成为探讨地球物质深循环与地球

22、动力学的跨世纪前沿课题。 地幔柱研究的发展 1静态地幔柱模式阶段 基于对夏威夷皇帝岛链的观察，1971年Morgan首次提出了地幔柱假说，即起源于核幔边界在地幔中上升的热物质流，在地表成为热点。经70、80年代的系统研究，成功地解释了夏威夷皇帝岛链的成因、太平洋板块的北西向运动，以及火山岛屿的年代学记录。同时夏威夷群岛、冰岛等热点区的洋岛玄武岩也被地球化学视为与地幔柱密切相关的深地幔物质的代表。此问题的进一步深入的研究，已经提出了著名的深俯冲地幔柱模式（Hofmann v. 40; no. 5; p. 479480; doi: 10.1130/focus052012.1,美国黄石热点到底是不是地幔柱？,地壳与地幔地球化学,壳幔演化的元素行为,不相容元素与组成上地幔矿物主要元素的离子性质有很大的差异，在地幔部分熔融时进入到熔体相，最后上升形成新的地壳，导致地壳中不相容元素非常富集,地壳与地幔地球化学,