地球化學(xué)課件專(zhuān)題三2-地殼-地幔地球化學(xué)-3-1

北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院地球化學(xué)研究所《地球化學(xué)》授課老師：李秋根E-mail:qgli@PhoneMP)Room:新地學(xué)樓35081二地殼與地幔地球化學(xué)上節(jié)課內(nèi)容回顧1.地幔的結(jié)構(gòu)、地幔模型和低速層2.原始地幔組成的估算方法3.地幔不均一性及其原因上地幔下地幔過(guò)渡帶軟流圈：地震波速在此明顯下降；溫度1300oC左右，壓力3萬(wàn)個(gè)大氣壓，塑性體2

本

章

內(nèi)

容一、地球的圈層結(jié)構(gòu)及化學(xué)成分二、地殼的平均化學(xué)成分三、地幔地球化學(xué)四、地殼地幔的物質(zhì)交換五、地球演化的主要化學(xué)特征二地殼與地幔地球化學(xué)34.地幔的化學(xué)不均一性（4）地幔地球化學(xué)類(lèi)型：三、地?；瘜W(xué)44.地幔的化學(xué)不均一性（4）地幔地球化學(xué)類(lèi)型：三、地幔化學(xué)54.地幔的化學(xué)不均一性（4）地幔地球化學(xué)類(lèi)型：三、地?；瘜W(xué)64.地幔的化學(xué)不均一性（4）地幔地球化學(xué)類(lèi)型：三、地幔化學(xué)OtherOIBHIMUEM-2EM-1地幔的化學(xué)不均一性：主要由洋島和海山玄武巖確認(rèn)出；OIB

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MORBHofmann(2014)74.地幔的化學(xué)不均一性（4）地幔地球化學(xué)類(lèi)型：a.BSE(BulkSilicateEarth)總體硅酸鹽地球或原始均一庫(kù)：

CHURb.PREMA（流行或主體地幔）c.DMM(虧損型)d.EMI（富集I型，再循環(huán)下地殼加入）e.EMII（富集II型，殼源沉積物加入）f.HIMU(富Pb或高μ型)，地幔與再循環(huán)洋殼的混合，由于洋低熱液作用或俯沖帶的脫水作用，造成Pb的流失和Rb的丟失，具μ

（238U／204Pb）值升高，低的87Sr/86Sr.三、地?；瘜W(xué)White(2001)8AfterWilson(1989)IgneousPetrogenesis.Kluwer.4.地幔的化學(xué)不均一性（4）地幔地球化學(xué)類(lèi)型：三、地?；瘜W(xué)White(2001)94.地幔的化學(xué)不均一性（4）地幔地球化學(xué)類(lèi)型：三、地?；瘜W(xué)White(2001)104.地幔的化學(xué)不均一性（4）地幔地球化學(xué)類(lèi)型：三、地?；瘜W(xué)White(2013)11三、地?；瘜W(xué)124.地幔的化學(xué)不均一性（4）地幔地球化學(xué)類(lèi)型：Hart（1992）將570個(gè)大洋玄武巖（OIB和MORB）樣品數(shù)據(jù)投影到Sr-Nd-Pb三維空間。FOZOFOZO：地幔集中帶，它在DMM-HIMU-EMI所構(gòu)成三角形底部，不同洋島玄武巖大致呈互相平行的列陣排布，暗示混合，可能源于下地幔，其起源于核-幔邊界層的地幔熱柱捕獲，具高3He/4He,虧損Sr-Nd.三、地?；瘜W(xué)Hofmann(2014)134.地幔的化學(xué)不均一性（4）地幔地球化學(xué)類(lèi)型：三、地?；瘜W(xué)Hofmann(2014)Weaver(1991)高LILE/HFSE和LILE/LREE，富集Ba（大洋沉積物）富集Nb、Ta（大洋巖石圈和交代上地幔）高LILE/HFSE和LILE/LREE，富集Ba不明顯

（大陸沉積物，基性下地殼）14Loubetetal.(1988)三、地幔化學(xué)4.地幔的化學(xué)不均一性（4）地幔地球化學(xué)類(lèi)型：154.地幔的化學(xué)不均一性（4）地幔地球化學(xué)類(lèi)型：EMI、EMII、HIMU端元成因示意圖三、地?；瘜W(xué)164.地幔的化學(xué)不均一性（4）地幔地球化學(xué)類(lèi)型：三、地?；瘜W(xué)174.地幔的化學(xué)不均一性（5）全球的各大區(qū)域地幔地球化學(xué)類(lèi)型：三、地?；瘜W(xué)Hofmann(2014)184.地幔的化學(xué)不均一性（5）全球的各大區(qū)域地幔地球化學(xué)類(lèi)型：三、地?；瘜W(xué)Hofmann(2014)19（6）北半球與南半球的同位素異常4.地幔的化學(xué)不均一性Dupal異常：上世紀(jì)80年代初有Dupre和Allegre發(fā)現(xiàn)的南半球大規(guī)模地幔Pb、Sr同位素異常；就現(xiàn)代大洋玄武巖而言，該異常在南半球廣泛出現(xiàn)，以南緯30o為中心并幾乎連續(xù)的環(huán)球分布。Hart（1984）將鑒別出來(lái)的北半球大洋玄武巖趨勢(shì)線作為判別Dupal異常的北半球參考線（NHRL），向上偏離NHRL線，異常Sr同位素比值，EMI和EMII主要出現(xiàn)在南半球。三、地?；瘜W(xué)實(shí)例：印度洋Kerguelen島印度洋Kerguelen島20（6）北半球與南半球的同位素異常4.地幔的化學(xué)不均一性同太平洋和大西洋相比，印度洋MORB的87Sr/86Sr和208Pb/204Pb更高三、地?；瘜W(xué)Hofmann(2014)214.地幔的化學(xué)不均一性（8）地幔不均一的原因：研究表明地幔存在垂向及側(cè)向的不均一，產(chǎn)生的原因比較復(fù)雜，歸納起來(lái)主要存在下列幾種因素：在地球形成過(guò)程中就存在化學(xué)組成的不均一，原始地幔不均一（歐陽(yáng)自遠(yuǎn)，1994；1995）；地球形成以后的殼幔分異，地幔部分熔融及巖漿析出；地幔交代及地殼及巖石圈物質(zhì)重新進(jìn)入地幔對(duì)流，巖石圈拆沉和再循環(huán)。三、地?；瘜W(xué)WillboldandStracke(2010)22

地幔與地殼的物質(zhì)交換二地殼與地幔地球化學(xué)23

地質(zhì)過(guò)程最終是地球熱演化的結(jié)果；地球內(nèi)部總能量隨時(shí)間的減少是不連續(xù)的，4.5和2.3~2.6時(shí)存在突變。四、地幔與地殼的物質(zhì)交換

板塊構(gòu)造：俯沖是冷卻地幔熱的有效機(jī)制，地幔對(duì)流；地幔柱構(gòu)造：板內(nèi)，地球內(nèi)部熱冷卻的又一機(jī)制。24四、地幔與地殼的物質(zhì)交換25TatsumiandStern(2006)四、地幔與地殼的物質(zhì)交換261.地幔向地殼的物質(zhì)輸送（巖漿作用）四、地幔與地殼的物質(zhì)交換271.地幔向地殼的物質(zhì)輸送（巖漿作用）GlobaldistributionofLargeIgneousProvinces(LIPs)Coffin&Eldholm(1992)四、地幔與地殼的物質(zhì)交換281.地幔向地殼的物質(zhì)輸送（巖漿作用）四、地幔與地殼的物質(zhì)交換29Bebout(2007)四、地幔與地殼的物質(zhì)交換2.地殼物質(zhì)返回到地幔的作用30

地殼的增長(zhǎng)在中晚元古宙時(shí)期達(dá)到高峰，此后，地殼的質(zhì)量基本沒(méi)有明顯的增長(zhǎng)2.地殼物質(zhì)返回到地幔的作用四、地幔與地殼的物質(zhì)交換312.地殼物質(zhì)返回到地幔的作用

Thelossofcontinentalcrustcanoccuras(1)recyclingofcrustalmaterialsbackintothemantleand/or(2)reworkingofthepre-existingcrusttoformanewcrust.

Reworkingofcrustalmaterialinthiscaseincludespartialmeltingofpre-existingcrustandassimilationofoldercrustbyyounger,juvenilematerialsfromthemantle.四、地幔與地殼的物質(zhì)交換322.地殼物質(zhì)返回到地幔的作用（1）Pb,Sr,Nd同位素證據(jù)與洋中脊玄武巖相比，島弧玄武巖的206Pb/204Pb和207Pb/204Pb明顯較高，明顯具有富放射性成因鉛的特征，并且，在MORB和沉積物的混合線上四、地幔與地殼的物質(zhì)交換332.地殼物質(zhì)返回到地幔的作用（1）Pb,Sr,Nd同位素證據(jù)四、地幔與地殼的物質(zhì)交換White(2001)342.地殼物質(zhì)返回到地幔的作用（1）Pb,Sr,Nd同位素證據(jù)四、地幔與地殼的物質(zhì)交換White(2001)352.地殼物質(zhì)返回到地幔的作用（1）Pb,Sr,Nd同位素證據(jù)四、地幔與地殼的物質(zhì)交換362.地殼物質(zhì)返回到地幔的作用（1）Pb,Sr,Nd同位素證據(jù)NewBritain,Marianas,Aleutians,andSouthSandwichvolcanicsplotwithinasurprisinglylimitedrangeofDMsimilarto

MORB;Banda,NewZealand,andLesserAntillesshowenrichmenttrendsextendingbeyondtheOIBfield:explainingbypartialmeltingofadepletedmantlesourcewiththeadditionofthetypeofsedimentthatexistsontheappropriatesubductingplate.四、地幔與地殼的物質(zhì)交換White(2001)372.地殼物質(zhì)返回到地幔的作用（1）Pb,Sr,Nd同位素證據(jù)四、地幔與地殼的物質(zhì)交換38SchollandHuene.(2009)四、地幔與地殼的物質(zhì)交換39（2）10Be的證據(jù)10Be的性質(zhì)：半衰期：1.5my現(xiàn)代10Be的形成：147N=>104Be++p168O=>104Be++2p四、地幔與地殼的物質(zhì)交換2.地殼物質(zhì)返回到地幔的作用40（2）10Be的證據(jù)四、地幔與地殼的物質(zhì)交換2.地殼物質(zhì)返回到地幔的作用41（2）10Be的證據(jù)四、地幔與地殼的物質(zhì)交換2.地殼物質(zhì)返回到地幔的作用42（3）微量元素證據(jù)島弧火山巖的特征（蛛網(wǎng)圖）富集低場(chǎng)強(qiáng)元素Sr、K、Ba、Rb等原因：俯沖洋殼的去水作用對(duì)上覆地幔的交代作用Kamberetal.(2002)四、地幔與地殼的物質(zhì)交換43f(immobility/mobility)Actionofaqueousfluids

四、地幔與地殼的物質(zhì)交換（3）微量元素證據(jù)島弧火山巖的特征（蛛網(wǎng)圖）富集低場(chǎng)強(qiáng)元素Sr、K、Ba、Rb等原因：俯沖洋殼的去水作用對(duì)上覆地幔的交代作用四、地幔與地殼的物質(zhì)交換44（3）微量元素證據(jù)島弧火山巖的特征（蛛網(wǎng)圖）虧損高場(chǎng)強(qiáng)元素Ta、Nb、Zr、Hf、Ti等原因：地幔源區(qū)存在少量金云母、金紅石及磷灰石;四、地幔與地殼的物質(zhì)交換451.地殼的化學(xué)演化Hofmann(2014)五、地球演化的主要化學(xué)特征46五、地球演化的主要化學(xué)特征1.地殼的化學(xué)演化471.地殼的化學(xué)演化1）

地球的初始地殼硅鋁質(zhì)模式（硅鋁質(zhì)地殼直接來(lái)自地幔的部分熔融或后來(lái)進(jìn)一步的巖漿結(jié)晶分異作用）安山質(zhì)模式(島弧式大陸增長(zhǎng))斜長(zhǎng)巖模式（類(lèi)似于月球表面的高地斜長(zhǎng)巖）玄武巖模式（初始地殼的成分是玄武質(zhì)的，其中可能有一些超鎂鐵質(zhì)和斜長(zhǎng)巖）：被較多研究者接受五、地球演化的主要化學(xué)特征481.地殼的化學(xué)演化2）

大陸地殼增長(zhǎng)模式陸殼隨時(shí)間呈指數(shù)增長(zhǎng)（50%形成于顯生宙）早期陸殼快速增長(zhǎng)，以后發(fā)生地殼-地幔再循環(huán)陸殼呈線性增長(zhǎng)并存在殼內(nèi)再循環(huán)地殼呈現(xiàn)幕式增長(zhǎng)五、地球演化的主要化學(xué)特征492.地殼演化的沉積地球化學(xué)證據(jù)1）主要元素證據(jù)Boggas(2009)五、地球演化的主要化學(xué)特征502.地殼演化的沉積地球化學(xué)證據(jù)1）主要元素證據(jù)太古代：沉積物來(lái)源于地幔較高程度部分熔融作用形成的基性巖及其侵入巖；太古代后：較低程度部分熔融的結(jié)果。沉積再旋回:Si和K；Mg和Na五、地球演化的主要化學(xué)特征512.地殼演化的沉積地球化學(xué)證據(jù)2）微量元素證據(jù)五、地球演化的主要化學(xué)特征522.地殼演化的沉積地球化學(xué)證據(jù)2）微量元素證據(jù)五、地球演化的主要化學(xué)特征532.地殼演化的沉積地球化學(xué)證據(jù)2）微量元素證據(jù)五、地球演化的主要化學(xué)特征542.地殼演化的沉積地球化學(xué)證據(jù)2）微量元素證據(jù)五、地球演化的主要化學(xué)特征552.地殼演化的沉積地球化學(xué)證據(jù)2）微量元素證據(jù)五、地球演化的主要化學(xué)特征562.地殼演化的沉積地球化學(xué)證據(jù)2）微量元素證據(jù)五、地球演化的主要化學(xué)特征572.地殼演化的沉積地球化學(xué)證據(jù)2）微量元素證據(jù)五、地球演化的主要化學(xué)特征582.地殼演化的沉積地球化學(xué)證據(jù)3）Sr同位素證據(jù)碳酸鹽巖Patchett(2003)沉積作用的結(jié)果產(chǎn)生兩類(lèi)在Rb-Sr體系下的巖石類(lèi)型：碳酸鹽巖：高Sr和可忽略的Rb；頁(yè)巖：高的Rb/Sr，高于母巖。五、地球演化的主要化學(xué)特征592.地殼演化的沉積地球化學(xué)證據(jù)4）Nd-Hf同位素模式年齡證據(jù)太古代：源于地幔新的地殼物質(zhì)；元古代等較年輕沉積物：有部分地殼內(nèi)的再旋回物質(zhì)。五、地球演化的主要化學(xué)特征602.地殼演化的沉積地球化學(xué)證據(jù)五、地球演化的主要化學(xué)特征613.礦床的時(shí)代分布證據(jù)Pb、U、W、Sn礦床五、地球演化的主要化學(xué)特征623.礦床的時(shí)代分布證據(jù)Grovesetal.2005五、地球演化的主要化學(xué)特征634.地殼化學(xué)組成演化的原因地球內(nèi)部熱源的突變=>分異程度的變化約2.2~2.5Ga期間的地球化學(xué)突變與地球內(nèi)部總能量演化存在的突變相當(dāng)一致，說(shuō)明：地球能量對(duì)地球物質(zhì)演化的控制五、地球演化的主要化學(xué)特征644.地殼化學(xué)組成演化的原因地球內(nèi)部熱源的突變=>分異程度的變化五、地球演化的主要化學(xué)特征655.地幔的化學(xué)演化1）核-幔分離的時(shí)代Allegre(1987)按照Ringwood（1977）的觀點(diǎn)，大約在地球形成的最初100Ma時(shí)，地核開(kāi)始由硅酸