中国科学技术大学地球和空间科学学院2012年 11月 29日

地球化学－ Geochemistry

第一节地球化学概论

什么是地球化学？地球化学研究什么？如何表征化学成分：丰度。代表性的储库：太阳系，球粒陨石，地球，水圈，陆壳（上中下），各类玄武岩，硅酸盐地球（原始地幔），地核

课程提要

什么是地球化学？•利用化学方法来研究地球的学科。•包括两方面的内容：（ 1 ）地球的化学是什么？例如元素的含量和性质。（ 2 ）地球的化学能做什么？科学意义。

元素周期表

地球化学的研究样品陨石：天体化学。岩石和矿物：岩石地球化学。低温样品：环境地球化学。有机物：有机地球化学。实验样品：实验地球化学。

地球化学的研究方法• 关键是理解科学问题。• 测量自然样品的化学组成。• 实验模拟地球温压条件下的化学变化。• 理论计算元素和同位素的化学性质。• 多学科结合来制约地球科学问题。

http://airandspace.si.edu/webimages/highres/WEB10627-2006h.jpg

定义：元素或者物质在较大体系中所占的相对份额。

为什么要研究元素的丰度？

丰度（ abundance ）

丰度的地球化学意义• 地球化学的首要任务：太阳系和地球的化学组成• 元素丰度为地球化学研究提供背景基础• 丰度变化反映地质过程中的物质循环和分异• 简化复杂的科学问题

• 主要元素（ major element ）： >1 wt%

• 次要元素 (minor element) ： 1 － 0.1 wt%

• 微量元素 (trace element) ： <0.1 wt%.

岩石样品中元素的行为由相容性控制• 分配系数：最常见的定义－某元素在热力学平衡的两相之间含量的比值，矿物 / 熔体 DM ＝ [M] 矿物 /[M] 熔

体• 矿物 / 熔体 DM>1 ，相容元素• 矿物 / 熔体 DM<1 ，不相容元素• 矿物 / 熔体 DM 是温度、压力、矿物成分、熔体成分、氧逸度等的复杂函数

高度挥发（ <600oK ），中度挥发 (600-1240oK) ，难挥发 (>1240oK)

天体样品中由元素的挥发性控制

太阳系的元素丰度

太阳系的主要组成是 H 和 He ，最重要的金属是 Fe 、Ni 。

太阳成份的测量• 绝大部分元素含量可以通过测量太阳的光球谱图获得• 太阳色球、日冕、太阳高能粒子、太阳风、宇宙射线有助于测量含量低或者吸收谱图不明显的元素• 碳质球粒陨石的测量－非挥发性元素

陨石的分类• 石质陨石（ 94% ）－ stony meteorite球粒陨石（ 86%,chondrite ）和非球粒陨石（ 8%,achondrite ）• 铁质陨石

(iron meteorite)• 石铁陨石

(stony-iron meteorite)

Allende chondrite － CV 碳质球粒陨石

CI 型球粒陨石和太阳光球的元素丰度对比

一些重要参考文献和数据库CI 球粒陨石，原始地幔，洋中脊玄武岩，洋岛玄武岩： Sun and McDonough, 1989, Journal Geol. Society London

全地球： McDonough and Sun 1995, Chemical Geology

地核： McDonough, 2003, Treatise on Geochemistry

陆壳： Rudnick and Gao, 2003, Treatise on Geochemistry

岛弧玄武岩： http://georoc.mpch-mainz.gwdg.de/georoc/

从硅酸盐地球丰度制约地球的形成和演化

星云物质 地球岩浆海

月球 大气和海洋

原始地幔

地核

大气和海洋

地壳

不均一 的地幔

外核 内核

如果假设地球来自 CI 球粒陨石，则元素在地球各个储库中的加权平均应该和球粒陨石一致，因此利用丰度反演地质过程中的物质循环和分异。

• 地震波速资料• 大规模测量出露的样品• 细粒沉积岩• 地热，中微子

如何获得陆壳平均成分

上地壳的稀土元素特征：轻稀土富集，重稀土亏损， Eu负异常。问题：上地壳在什么温度压力下形成？

第二节地幔的地球化学

课程提要• 地幔的结构• 重要的地球化学问题• 用来研究地幔的样品

地球的内部结构

http://zebu.uoregon.edu/~soper/Earth/earthstructure.html

• 地幔的范围：莫霍界面到核幔边界。• 岩石圈：岩石圈地幔 + 地壳。• 软流圈地幔：过渡带以上，可以塑性流动的地幔。• 岩石圈地幔：软流圈和地壳之间刚性的地幔。• 过渡带： 410km － 660km 两个不连续面之间的部分。• 下地幔：过渡带到核幔边界。• D’’层：核幔边界上 200km厚的部分。

浅部上地幔的矿物组合

http://www3.mpch-mainz.mpg.de/~jesnow/Ozeanboden/1997/Week3/Fo-Di-Qz.html

斜长石二辉橄榄岩－尖晶石二辉橄榄岩－石榴子石二辉橄榄岩

地幔的主要矿物组合

Frost 2008 Elements

关键：理解矿物组合如何随温度和压力变化。

地幔地球化学的重要问题• 地幔的形成和演化• 地幔的均一和不均一• 地幔的化学和物理结构• 地幔熔融和幔源岩浆作用

研究方法• 直接样品：橄榄岩包体和橄榄岩地体• 间接样品：幔源岩浆岩• 实验岩石学和矿物学：利用实验室模拟地幔的温度和压力条件• 地球物理：利用地震波、地磁、地电等物理手段来制约地幔的矿物化学组成• 天体化学：利用地球和太阳系物质的成因联系• 动力学模拟计算：地幔对流和地壳俯冲

橄榄岩地体

大规模的地幔样品由于构造运动而出露地表，例如 Oman橄榄岩。由于橄榄岩极易风化，其表面经常形成碳酸岩盖层。地质意义：直接研究地幔的矿物组成、熔 - 岩作用、地球化学和岩石学特征，可以减少大气中的 CO2 。http://www.msnbc.msn.com

橄榄岩包体

橄榄岩包体：幔源岩浆上升的过程中捕获的橄榄岩碎片。地质意义：地幔的矿物组成、熔 - 岩作用、地球化学和岩石学特征。http://www.msnbc.msn.com

幔源岩浆岩

洋中脊玄武岩，洋岛玄武岩，岛弧岩浆岩，溢流玄武岩。重点理解：这些玄武岩的形成环境和地质意义。

洋底的枕状玄武岩

洋中脊总长度为 65000 公里。

洋中脊玄武岩 -MORB

http://www.le.ac.uk/geology/art/gl209/lecture2/lecture2.html

MORB 的地质意义：上地幔的地球化学组成，地幔的温度、压力和动力学，熔融过程

洋岛玄武岩－ OIB

http://faculty.weber.edu/bdattilo/parks/parks_t2_review.html

洋岛玄武岩：地幔的地球化学性质，地球动力学，地幔熔融，地壳再循环

http://www.tulane.edu/~sanelson/geol212/ocean_basins.htm

岛弧玄武岩 -IAB

http://www.soest.hawaii.edu/expeditions/mariana/

http://www.le.ac.uk/geology/art/gl209/lecture6/lecture6.html

岛弧玄武岩：地幔的地球化学性质，地球动力学，地幔加水熔融，地壳再循环和壳幔相互作用，陆壳生长，火山爆发

溢流玄武岩 -flood basalt

美国 CENTRAL WASHINGTON 的熔岩流

http://www.thegreatstory.org/scablands.html

溢流玄武岩：超大规模的玄武岩岩浆喷发的产物，覆盖了大面积的陆地或者海洋 。可能来自地幔热柱。地质意义：陆壳增生的贡献，地幔熔融，俯冲物质再循环，地幔的温度演化，生物大灭绝，成矿等等。

科马提岩和金伯利岩

科马提岩：高 Mg 、低 Si-Al-K 的超基性岩浆岩，具有刺状结构，快速冷却。地质意义：地幔高温下高度熔融的产物，可以反演地幔的微量元素和同位素特征，地温梯度演化。

http://leggeo.unc.edu/Petunia/IgMetAtlas/volcanic-micro/komatiite.X.html

金伯利岩：碱性或偏碱性的超基性岩，具有斑状 +/-角砾结构。地质意义：碳酸岩的交代和碳循环，深部(~200km) 地幔的矿物化学特征，金刚石矿。

http://mineralstamps.com/news/diamond-kimberlite-volcano-lesotho-1976

安山岩

安山岩：中性的火山岩，由基性岩浆的分离结晶，陆壳物质再熔融，或者基性和酸性岩浆混合形成。地质意义：地幔对陆壳增生的贡献，地幔熔融，俯冲物质再循环，地幔的温度演化等等。

• 地幔的主、微量元素和同位素• 地幔端元和不均一性

地球化学指标 - 主要元素

太古代、元古代和显生宙橄榄岩中橄榄石比例和 Mg/Fe 的对比。问题：为什么随时间变化，橄榄石中的 Fo逐渐降低？

问题：从主要元素可以得到哪些信息？主要元素：温度、压力、熔融比例和温压历史，以及地幔和地球某些元素的总成分。

Griffin et al. 2003

二辉橄榄岩－方辉橄榄岩－纯橄岩

Griffin et al. 2003

问题：橄榄岩全岩 CaO 和 Al2O3 关系说明什么过程？ CaO和 Na2O 什么关系？和 Mg#呢？

回顾相容元素和不相容元素的概念。哪些元素在橄榄岩熔融时相容，哪些不相容？

O 同位素基本原理：橄榄岩或者玄武岩异常的 18O说明地幔或者岩浆受到曾出露于地表浅层的物质的改造。

Eiler 2001

EMI 和 HIMU ：不可能由大洋沉积物循环形成，可能由正常 18O 的熔体交代形成。EMII ：可能有大洋沉积物加入。高 3He/4He ：没有去气的原始地幔，有争议。低 3He/4He ：经过去气的地幔，可能是水热相互作用，有争议。

洋岛玄武岩的氧同位素组成

放射成因同位素和地幔不均一• 87Rb-87Sr, 87Sr/88Sr• 147Sm-143Nd, 143Nd/144Nd• 238U-206Pb, 206Pb/204Pb• 235U-207Pb, 207Pb/204Pb• 232Th-208Pb, 208Pb/204Pb• 176Lu-176Hf, 176Hf/177Hf• 187Re-187Os, 187Os/188Os为什么放射成因同位素比值发生变化？母子体分异 +长时间的衰变。母子体如何分异？熔融，脱水，扩散。

放射成因同位素

来自大西洋洋中脊的玄武岩的 Sr-Nd 同位素组成有明显变化，其不均一的空间尺度从洋盆大小到公里甚至到几米。一般来说，对地幔橄榄岩的直接测量发现了比玄武岩大得多的不均一性，表明玄武岩可能有一个小尺度的均一化的过程。Hofmann 2003

地幔不均一性

原因：其源区中富集和亏损的组分同时共存。Hofmann 2003

问题：为什么 MORB 的 La/Sm 有变化？

地幔端元

Hofmann 2003

• DMM ： Depleted MORB mantle ，高 Nd, 低放射成因 Sr和 Pb 同位素。• HIMU ：高端元，高 Nd 低

87Sr/86Sr ，高放射成因 Pb 同位素• EMI ：富集地幔端元 1 ，高 87Sr/

86Sr ，低 Nd ，低放射成因 Pb• EMII ：富集地幔端元 2 ，高

207Pb ，高 87Sr/86Sr ，低 Nd

多维地幔端元图解释：地幔中存在一些特殊的地球化学端元， MORB 和OIB 的同位素特征反映了这些端元的混合。意义：反映了地幔演化过程中由于地球循环、交代和熔融反应产生的不均一。缺陷：地幔端元缺乏合理的岩石学和矿物学联系，多是为了解释同位素数据。

大理石花纹蛋糕模型

Allègre and Turcotte 1986 Nature

Marble-cake mantle

橄榄岩中杂有几厘米到几十厘米厚度的辉石岩层，辉石岩相对富集，含有各种富集组分。地幔熔融时，橄榄岩和辉石岩熔体相互混合。更多石榴子石和辉石参与熔融，则形成 OIB ，更多橄榄石参与熔融，则形成MORB 。

俯冲的洋壳可以穿过或者停留在过渡带上，地幔的流动可以产生地幔的不均一性。http://accessscience.com/content/Mantle-transition-zone-water-filter/YB051110

• 地球化学可以研究地球的现在和历史，但是很难看到地球深部的信息。• 地球物理可以研究地球的现在和深部，但是比较缺乏对历史的制约。• 地球物理和地球化学相结合，可以更好地理解地球的问题。

总 结