素在地球各圈层中的分布.ppt

第二章元素在地球各圈层中的分布 第四节地球的化学演化 第四节地球的化学演化 根据地质和地球化学综合研究成果 已知迄今46亿年的地球历史中经历了几个重大的地质时期 1 37亿年前 冥古宙 原始地球和太阳系其它行星都是由气体和尘埃组成 气体主要是H2 Ne和少量CH4 尘埃由硅酸盐 铁化合物以及水和NH3组成 这些原始物质经过重力聚集产生吸积作用 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核 地幔和地壳 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H2 H2O CH4NH3 N2 CO CO2 H2S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 40亿年左右 地球遭受了强烈的陨石冲击火山活动加强 扩大了原始的水圈和大气圈 原始水圈中因含有HF H3BO4和SiO2 估计当时地表水的PH值接近于l 2 地球的化学演化 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 2 37 25亿年 太古宙 内动力地质作用 太古宙地壳广泛分布着玄武岩 科马提岩 橄榄岩岩浆 岩石已发生浅变质 并与花岗岩组成绿岩 花岗岩地体 奥长花岗岩 英云闪长岩 与石英二长岩 酸性花岗岩两种组合 地球的化学演化 橄榄质岩浆广泛出现 表明地球早期地幔和地壳温度比现今高得多 化学沉积作用 条带状硅 铁建造 变质磁铁石英岩 钙 镁化学沉积的缺失指示水圈具有较低的PH值 约2 5之间 地球的化学演化 地球的化学演化 成矿作用 沉积变质铁矿是地球演化历史中铁的最重要的成矿期 内生成矿作用 与绿岩 花岗岩建造有关 主要矿产 与科马提岩有关的Cu Ni硫化物矿床与绿岩 花岗岩有关的超大型金矿床 主要成矿元素有 CrNiCoCuAuAgZn和铂族元素等 早期水圈 大气圈的性质 强烈的火山活动 伴随巨量火山气体的排放 大气中CO2 H2S等酸性气体不断浓集 使早期水圈具有酸性强和相对还原性质 3 25 16亿年 古元古代 世界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 广泛发育层状基性侵入体和基性岩墙群 伴有Cr Ni Co Cu Fe P和铂族元素的富集成矿 地球的化学演化 地壳演化的总趋势是KSiRbThPb的含量递增 AlFeMgCa的含量递减 生物作用 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 地球的化学演化 成矿作用 出现层控超大型热水沉积Pb Zn矿床层控型Cu矿床 产于白云岩内 出现超大型泻湖蒸发型矿床 MgCO3 菱镁矿 CaCO3FeCO3MnCO3 菱锰矿 超大型沉积变质改造的硼镁铁矿床等 地球的化学演化 元古宙水圈的性质发生了重大变化 突出特征是PH值增大 导致CO2在水中溶解度增大 降低了MgCO3CaCO3FeCO3开始沉淀的浓度 由此引发碳酸岩的暴发性沉积 地球的化学演化 海水PH值增大的因素 水圈PH值的增大需要从水圈 岩石圈的相互作用方面去思考 Ca Mg Fe碳酸盐和氧化物25 溶度积 沉淀的PH范围10 2M10 5M CO2 Mg2 H2OMgCO3 2H 1 10 5 CO2 Ca2 H2OCaCO3 2H 3 8 10 9 CO2 Fe2 H2OFeCO3 2H 3 2 10 11 Fe2 H2OFe OH 2 2H 8 10 16 5 5 7 2Fe3 H2OFe OH 3 2H 3 10 39 2 2 3 2Mn2 H2OMn OH 2 2H 1 9 10 13 8 5 10Ca OH 2 5 5 10 6 Mg OH 2 1 8 10 11 8 5 11 5 水圈PH值的变化 表生含水矿物的形成 释放出 HO 离子4K AlSi3O8 10H2O Al4 Si4O10 OH 8 4H2O 8SiO2 4K OH 岩石圈与水圈中发生的氧化还原反应对水圈的PH值也产生重要影响 4Fe 2 4H O2 4Fe 3 2H2O氧化反应消耗大量H 使溶液向碱性方向演化 大气圈O2的主要来源 1 火山排气作用 2 早期大气电离作用 3 生物作用 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 表明当时海水具有较低的PH值 碳酸岩的大规模沉淀标志海水PH值发生由酸性向碱性方向的变化 正是水圈PH值的变化导致大气圈中的CO2快速向固体岩石圈的转化 使大气圈由CO2型向富氮氧型转化 地球的化学演化 PH值的变化使水圈不断向氯化物 碳酸盐水圈转化 4 16 5 7亿年 中 新元古代 克拉通不断扩大 分裂 聚合 再扩大 地壳相对稳定 幔源岩浆活动强度减弱 全球范围内出现与基性 超基性岩有关的Cu Ni Co铂族 Fe和P的成矿作用 地球的化学演化 5 5 7亿年 现在 显生宙 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 晚古生代出现了陆生动植物 显生宙早期的大气圈为N2 CO2 O2型 陆生植物出现以后转化为N2 O2型 地球的化学演化 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 盐类矿床的形成也是显生宙内表生成矿作用的一个重要特征 海水的性质已变成氯化物一硫酸盐型 PH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 地球的化学演化 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素如W Sn Bi Mo Hg Sb等的广泛成矿作用 地壳的分异作用进一步增强 约46亿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地球的温度允许地表水以液态存在 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 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 在整个表生作用中对元素的迁移和分配具有重大的影响 除了太阳辐射的能量以外 地球演化的巨大动力来自地球的内部 地球内部能量主要是放射性同位素衰变析出的热量 计算表明30亿年前放射性同位素衰变析出的热量要比现在大四倍 地球的化学演化 在地质演化过程中 化学性质活泼 亲氧与亲气元素向地球表部迁移 如碱金属 碱土金属 铝和硅等 它们是大陆地壳的主要组成部分 从而产生了元素在地球中具有壳层分布的基本格局 地球的化学演化 思考题 1 元素在地壳 地幔和地核中的分布特征 解释其原因2 研究克拉克值有何地球化学意义 3 对比水圈 大气圈 生物圈和岩石圈元素分布特点解释其原因 4 陨石对研究地球的形成与演化有何意义 5 以不同地质时期重大地质事件为例 阐明大气圈 水圈和岩石圈演化的基本规律 6 简述CO2在大气圈 水圈和岩石圈之间的循环作用