李秋根《地球化学》专题三2-地壳-地幔地球化学-3-1

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,北京大学地球与空间科学学院,地球化学研究所,?地球化学?,授课老师： 李 秋 根,E-mail:,Room:,新地学楼,3508,1,二 地壳与地幔地球化学,上节课内容回忆,1. 地幔的结构、地幔模型和低速层,2. 原始地幔组成的估算方法,3. 地幔不均一性及其原因,上地幔,下地幔,过渡带,软流圈：地震波速在此明显下降；温度,1300,o,C,左右，压力,3,万个大气压，塑性体,2,本,章,内,容,一、地球的圈层结构及化学成分,二、地壳的平均化学成分,三、地幔地球化学,四、,地壳地幔的物质交换,五、,地球演化的主要化学特征,二 地壳与地幔地球化学,3,4. 地幔的化学不均一性,4地幔地球化学类型：,三、地幔化学,4,4. 地幔的化学不均一性,4地幔地球化学类型：,三、地幔化学,5,4. 地幔的化学不均一性,4地幔地球化学类型：,三、地幔化学,6,4. 地幔的化学不均一性,4地幔地球化学类型：,三、地幔化学,Other OIB,HIMU,EM-2,EM-1,地幔的化学不均一性：主要由洋岛和海山玄武岩确认出；,OIB,MORB,Hofmann (2021),7,4. 地幔的化学不均一性,4地幔地球化学类型：,a. BSE (Bulk Silicate Earth),总体硅酸盐地球或原始均一库 ： CHUR,b. PREMA流行或主体地幔,c. DMM(亏损型),d. EMI富集I型，再循环下地壳参加,e. EMII富集II型，壳源沉积物参加,f. HIMU(富Pb或高型)，地幔与再循环洋壳的混合，由于洋低热液作用或俯冲带的脱水作用，造成Pb的流失和Rb的丧失，具 238U204Pb值升高，低的87Sr/86Sr.,三、地幔化学,White (2001),8,After,Wilson (1989) Igneous Petrogenesis. Kluwer.,4. 地幔的化学不均一性,4地幔地球化学类型：,三、地幔化学,White (2001),9,4. 地幔的化学不均一性,4地幔地球化学类型：,三、地幔化学,White (2001),10,4. 地幔的化学不均一性,4地幔地球化学类型：,三、地幔化学,White (2021),11,三、地幔化学,12,4. 地幔的化学不均一性,4地幔地球化学类型：,Hart1992将570个大洋玄武岩OIB和MORB样品数据投影到Sr-Nd-Pb三维空间。FOZO,FOZO：地幔集中带，它在DMM-HIMU-EMI所构成三角形底部，不同洋岛玄武岩大致呈互相平行的列阵排布，暗示混合，可能源于下地幔，其起源于核-幔边界层的地幔热柱捕获，具高3He/4He,亏损Sr-Nd.,三、地幔化学,Hofmann (2021),13,4. 地幔的化学不均一性,4地幔地球化学类型：,三、地幔化学,Hofmann (2021),Weaver (1991),高 LILE/HFSE 和 LILE/LREE，富集 Ba 大洋沉积物,富集 Nb、Ta,大洋岩石圈和交代上地幔,高 LILE/HFSE 和 LILE/LREE，富集 Ba不明显 大陆沉积物，基性下地壳,14,Loubet et al. (1988),三、地幔化学,4. 地幔的化学不均一性,4地幔地球化学类型：,15,4. 地幔的化学不均一性,4地幔地球化学类型：,EMI,、,EMII,、,HIMU,端元成因示意图,三、地幔化学,16,4. 地幔的化学不均一性,4地幔地球化学类型：,三、地幔化学,17,4. 地幔的化学不均一性,5全球的各大区域地幔地球化学类型：,三、地幔化学,Hofmann (2021),18,4. 地幔的化学不均一性,5全球的各大区域地幔地球化学类型：,三、地幔化学,Hofmann (2021),19,6北半球与南半球的同位素异常,4.,地幔的化学不均一性,Dupal异常：上世纪80年代初有Dupre和Allegre发现的南半球大规模地幔Pb、Sr同位素异常；就现代大洋玄武岩而言，该异常在南半球广泛出现，以南纬30o为中心并几乎连续的环球分布。,Hart1984将鉴别出来的北半球大洋玄武岩趋势线作为判别Dupal异常的北半球参考线NHRL，向上偏离NHRL线，异常Sr同位素比值，EMI和EMII主要出现在南半球。,三、地幔化学,实例：印度洋,Kerguelen,岛,印度洋,Kerguelen,岛,20,6北半球与南半球的同位素异常,4.,地幔的化学不均一性,同太平洋和大西洋相比，印度洋,MORB,的,87,Sr/,86,Sr,和,208,Pb/,204,Pb,更高,三、地幔化学,Hofmann (2021),21,4. 地幔的化学不均一性,8地幔不均一的原因：,研究说明地幔存在垂向及侧向的不均一，产生的原因比较复杂，归纳起来主要存在以下几种因素：,在地球形成过程中就存在化学组成的不均一，原始地幔不均一欧阳自远，1994；1995；,地球形成以后的壳幔分异，地幔局部熔融及岩浆析出；,地幔交代及地壳及岩石圈物质重新进入地幔对流，岩石圈拆沉和再循环。,三、地幔化学,Willbold and Stracke (2021),22,地幔与地壳的物质交换,二 地壳与地幔地球化学,23,地质过程最终是地球热演化的结果；,地球内部总能量随时间的减少是不连续的，和时存在突变。,四、地幔与地壳的物质交换,板块构造：俯冲是冷却地幔热的有效机制，地幔对流；,地幔柱构造：板内，地球内部热冷却的又一机制。,24,四、地幔与地壳的物质交换,25,Tatsumi and Stern (2006),四、地幔与地壳的物质交换,26,1. 地幔向地壳的物质输送岩浆作用,四、地幔与地壳的物质交换,27,1. 地幔向地壳的物质输送岩浆作用,Global distribution of Large Igneous Provinces (LIPs),Coffin & Eldholm (1992),四、地幔与地壳的物质交换,28,1. 地幔向地壳的物质输送岩浆作用,四、地幔与地壳的物质交换,29,Bebout (2007),四、地幔与地壳的物质交换,2.,地壳物质返回到地幔的作用,30,地壳的增长在中晚元古宙时期到达顶峰，,此后，地壳的质量根本没有明显的增长,2.,地壳物质返回到地幔的作用,四、地幔与地壳的物质交换,31,2.,地壳物质返回到地幔的作用,The loss of continental crust can occur as (1),recycling of crustal materials back into the mantle,and/or (2),reworking of the pre-existing crust to form a new crust,.,Reworking of crustal,material in this case includes,partial melting of pre-existing,crust and,assimilation of older crust,by younger, juvenile materials from the mantle.,四、地幔与地壳的物质交换,32,2. 地壳物质返回到地幔的作用,1Pb, Sr, Nd同位素证据,与洋中脊玄武岩相比，,岛弧玄武岩的,206,Pb/,204,Pb,和,207,Pb/,204,Pb,明显较高，明显具有富放射性成因铅的特征，并且，在,MORB,和沉积物的混合线上,四、地幔与地壳的物质交换,33,2. 地壳物质返回到地幔的作用,1Pb, Sr, Nd同位素证据,四、地幔与地壳的物质交换,White (2001),34,2. 地壳物质返回到地幔的作用,1Pb, Sr, Nd同位素证据,四、地幔与地壳的物质交换,White (2001),35,2. 地壳物质返回到地幔的作用,1Pb, Sr, Nd同位素证据,四、地幔与地壳的物质交换,36,2. 地壳物质返回到地幔的作用,1Pb, Sr, Nd同位素证据,New Britain, Marianas, Aleutians, and South Sandwich volcanics plot within a surprisingly limited range of DM similar to,MORB,;,Banda, New Zealand, and Lesser Antilles show,enrichment trends extending beyond the OIB field,: explaining by partial melting of a depleted mantle source with the addition of the type of,sediment,that,exists on the appropriate subducting plate,.,四、地幔与地壳的物质交换,White (2001),37,2. 地壳物质返回到地幔的作用,1Pb, Sr, Nd同位素证据,四、地幔与地壳的物质交换,38,Scholl and Huene. (2021),四、地幔与地壳的物质交换,39,2 10Be的证据,10Be的性质：,半衰期：1.5 my,现代10Be的形成：,147N = 104Be + + p,168O = 104Be + + 2p,四、地幔与地壳的物质交换,2.,地壳物质返回到地幔的作用,40,2 10Be的证据,四、地幔与地壳的物质交换,2.,地壳物质返回到地幔的作用,41,2 10Be的证据,四、地幔与地壳的物质交换,2.,地壳物质返回到地幔的作用,42,3微量元素证据,岛弧火山岩的特征蛛网图,富集低场强元素Sr、K、Ba、Rb等,原因：俯冲洋壳的去水作用对上覆地幔的交代作用,Kamber et al. (2002),四、地幔与地壳的物质交换,43,f (immobility/mobility),Action of,aqueous fluids,四、地幔与地壳的物质交换,3微量元素证据,岛弧火山岩的特征蛛网图,富集低场强元素Sr、K、Ba、Rb等,原因：俯冲洋壳的去水作用对上覆地幔的交代作用,四、地幔与地壳的物质交换,44,3微量元素证据,岛弧火山岩的特征蛛网图,亏损高场强元素Ta、Nb、Zr、Hf、Ti等,原因：,地幔源区存在少量金云母、金红石及磷灰石;,四、地幔与地壳的物质交换,45,1.,地壳的化学演化,Hofmann (2021),五、地球演化的主要化学特征,46,五、地球演化的主要化学特征,1.,地壳的化学演化,47,1. 地壳的化学演化,1 地球的初始地壳,硅铝质模式硅铝质地壳直接来自地幔的局部熔融或后来进一步的岩浆结晶分异作用,安山质模式(岛弧式大陆增长),斜长岩模式类似于月球外表的高地斜长岩,玄武岩模式 初始地壳的成分是玄武质的，其中可能有一些超镁铁质和斜长岩：被较多研究者接受,五、地球演化的主要化学特征,48,1. 地壳的化学演化,2 大陆地壳增长模式,陆壳随时间呈指数增长50%形成于显生宙,早期陆壳快速增长，以后发生地壳-地幔再循环,陆壳呈线性增长并存在壳内再循环,地壳呈现幕式增长,五、地球演化的主要化学特征,49,2. 地壳演化的沉积地球化学证据,1主要元素证据,Boggas (2021),五、地球演化的主要化学特征,50,2. 地壳演化的沉积地球化学证据,1主要元素证据,太古代：沉积物来源于地幔较高程度局部熔融作用形成的基性岩及其侵入岩；,太古代后：较低程度局部熔融的结果。,沉积再旋回: Si和K；Mg和Na,五、地球演化的主要化学特征,51,2. 地壳演化的沉积地球化学证据,2微量元素证据,五、地球演化的主要化学特征,52,2. 地壳演化的沉积地球化学证据,2微量元素证据,五、地球演化的主要化学特征,53,2. 地壳演化的沉积地球化学证据,2微量元素证据,五、地球演化的主要化学特征,54,2. 地壳演化的沉积地球化学证据,2微量元素证据,五、地球演化的主要化学特征,55,2. 地壳演化的沉积地球化学证据,2微量元素证据,五、地球演化的主要化学特征,56,2. 地壳演化的沉积地球化学证据,2微量元素证据,五、地球演化的主要化学特征,57,2. 地壳演化的沉积地球化学证据,2微量元素证据,五、地球演化的主要化学特征,58,2. 地壳演化的沉积地球化学证据,3Sr同位素证据 碳酸盐岩,Patchett (2003),沉积作用的结果产生两类在,Rb,-,Sr,体系下的岩石类型：,碳酸盐岩：高,Sr,和可忽略的,Rb,；,页岩：高的,Rb,/,Sr,，高于母岩。,五、地球演化的主要化学特征,59,2. 地壳演化的沉积地球化学证据,4Nd-Hf同位素模式年龄证据,太古代：源于地幔新的地壳物质；,元古代等较年轻沉积物：有局部地壳内的再旋回物质。,五、地球演化的主要化学特征,60,2.,地壳演化的沉积地球化学证据,五、地球演化的主要化学特征,61,3.,矿床的时代分布证据,Pb,、,U,、,W,、,Sn,矿床,五、地球演化的主要化学特征,62,3.,矿床的时代分布证据,Groves et al. 2005,五、地球演化的主要化学特征,63,4.,地壳化学组成演化的原因,地球内部热源的突变,=,分异程度的变化,约,2.22.5 Ga,期间的地球化学突变与地球内部总能量演化存在的突变相当一致，,说明：地球能量对地球物质演化的控制,五、地球演化的主要化学特征,64,4.,地壳化学组成演化的原因,地球内部热源的突变,=,分异程度的变化,五、地球演化的主要化学特征,65,5. 地幔的化学演化,1核-幔别离的时代,Allegre (1987),按照Ringwood1977的观点，大约在地球形成的最初100Ma时，地核开始由硅酸盐、氧化物和金属铁的混合物别离出来。,在该过程中，大量的亲铁元素和几乎所有的贵金属元素都进入到地核内。,五、地球演化的主要化学特征,66,5. 地幔的化学演化,1 核-幔别离的时代,如果后来的地幔对流不明显，一些亲氧元素与亲铁元素的比值，Ti/P, Al/Ga, Si/Ge, U/Pb的变化范围很大，可能是地球不均一增长或核-幔仍在发生分异作用造成的。,Sun 1984在镁铁质岩和超镁铁质岩中的Ti/P 比值不变，核-幔别离在前已经完成。,五、地球演化的主要化学特征,67,2 核-幔别离后陨石物质参加的影响,1%的陨石参加到地幔可以造成现在地幔中贵金属元素的丰度，影响地球各层圈。,五、地球演化的主要化学特征,Rubie et al. (2021),68,3太古代与太古代后地幔成分的比照,太古代地幔更富集不相容元素,五、地球演化的主要化学特征,69,总结,1.,地壳*，地幔*，地核,2.,地壳成分,克拉克值及其意义,地壳元素丰度特征,主要岩石类型中元素的分配,名词概念：载体矿物，富集矿物,浓度克拉克值、浓集系数等,二 地壳与地幔地球化学,70,3.,地幔化学,地幔成分的估计方法,地幔化学不均一性的研究方法,壳,-,幔交换,岩石圈的演化,二 地壳与地幔地球化学,71,思考题：,克拉克值及其意义。,地壳和地幔的成分及其不均一性的地球化学研究方法及其意义。,地壳元素丰度与宇宙丰度的差异及其原因。,地层中,Ir,等亲铁元素为什么可以作为地外物质撞击地球的证据？,二 地壳与地幔地球化学,72,