地球化学.docx

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地球化学

1.2地球的结构和组成

1.2.1地球的结构和各圈层的组成

地球和地壳是地球化学研究的主要对象，了解地球内部的成分与状态是理解地壳中各类地球化学过程的基本前提。

地球的物质组成是不均一的，我们不能以地表的物质成分代表地球的组成，所以地球的结构模型成为研究地球化学成分的基础。

至今我们对地球内部结构与物质成分和状态的认识还主要依据间接资料。

地球是高度分异的行星，它的多种活动持续形成了多种多样的火山岩沉积岩类。

虽然其它一些地外行星也可能以有限和特殊的方式保持其活动性，但地球仍然“肚子里有火”，且外壳被腐蚀性的水和大气圈中的气所覆盖。

地球大概最初是熔融体，在形成后的很早时期就分异成为化学组成不同的层或壳。

目前对于地球内部结构和组成的了解只能是间接的。

通过地球物理、模拟实验和与天体物质对比的方法，以获得关于地球内部物质的组成、密度、温度和压力等方面的大量数据。

根据压缩地震波（P）（又称纵波－波长与传播方向一致，能通过固体和流体）和剪切地震波（S）（又称横波－波长与传播方向垂直，只能在固体中传播）的反射和折射，表面地球内部物质的密度和弹性是不均一的，在一定深度表现为突变性质。

由此得出了地球内部具有壳层结构的概念。

地球内部由表及里分成地壳、地幔和地核三部分（表1.11,11.12,图1.7）。

1）地壳

地壳为从地表到莫霍面的地球表层。

地壳是不均一的，其厚度各处不同。

特别是大陆同大洋地壳之间存在明显差别。

莫霍面的深度各处不一，在各大洋盆

表1.11包括大陆地壳的地球的物理参数（Faure,1998）

厚度km

体积1027cm3

平均密度g/cm3

质量1027g

质量%

整个地球

6371（半经）

1.083

5.52

5.976

100

地核

3471（半经）

0.175

10.7

1.876

31.5

地幔

2883

0.899

4.5

4.075

68.1

地壳（大陆壳）

40

0.00842

2.8

0.0236

0.4

水圈

3.8

0.00137

1.03

0.00141

0.024

大气圈

－

－

－

0.000005

0.00009

图1.7地球结构模型

地中它位于海平面之下10－13km，而在大陆下面它常常处于海平面之下约35km处，在造山带则下降到最大深度（65km）。

上地壳地震P波速度5.8-6.4km/s，相当于“花岗质岩石”的成分，这种花岗质岩石的平均成分更接近于花岗闪长岩。

相当于硅铝层（富于Si和Al）。

下地壳P波速度介于6.5-7.2km/s，曾被认为下地壳岩石相当于辉长岩。

然而这种推测未被镁铁质岩石高温高压研究成果所支持。

目前多数人倾向于这种观点，

表1.12地球内部圈层结构及各层圈的主要地球物理数据

即：

下地壳的平均化学成分相当于偏镁铁质的中性岩，岩石类型可能有角闪岩、斜长角闪岩、镁铁质和硅铝质的石榴石变粒岩、超镁铁质岩石和榴辉岩。

大洋地壳的大洋盆地中有大约4km厚的水层。

其下洋壳先为0.5－2km厚的未固结的沉积物，然后为玄武岩和辉长质成分的物质（5－8km），直至莫霍面。

现代大洋地壳的岩石层序与产于大陆地壳的蛇绿岩的岩石层序比较一致，因而人们推测由蛇绿岩代表的古洋壳与现代大洋地壳在组成和成因上可能有很大的相似性。

因而大陆上蛇绿岩套的存在和发现，已经成为确定古大洋板块碰撞带的一个重要标志。

目前认为，上地壳主要是由沉积岩、变质岩以及各类侵入岩和火山岩镶嵌而成。

表1.13为现代大洋地壳与大陆地壳氧化为的平均含量，由此可见，大洋地壳SiO2含量约50％，比大陆地壳低10个百分点，碱金属含量低，特别是K2O，洋壳仅为陆壳的1/7，而MgO、FeO和CaO则远高于陆壳。

即大洋地壳比大陆地壳贫硅和碱金属，而富铁镁钙等元素。

因此现代大洋沉积物中富含Fe、Mn、Co、Ni等亲铁元素，使现代海洋成为巨大的潜在资源，如海底铁锰结核矿产资源等。

而就大陆地壳来说，年轻的大陆壳比古大陆壳更为富含Si、K，而贫Fe、Al、Mg、Ca、Na等元素。

中国大陆则又比其它陆壳更富含Th、W、Sn等元素。

表1.13现代大洋地壳与大陆地壳主要氧化为的平均含量（质量百分数）

SiO2

TiO2

Al2O3

Fe2O3

FeO

MnO

MgO

CaO

Na2O

K2O

P2O5

大洋地壳

48.7

1.4

16.5

2.3

6.2

0.2

6.8

12.3

2.6

0.4

0.2

大陆地壳

60.2

0.7

15.2

2.5

3.8

0.1

3.1

5.5

3.0

2.9

0.2

2）地幔

根据布伦（1975）的地球模型，地幔被划分为B、C和D层。

B层包含莫霍面以下的岩石圈部分和软流圈（或低速层），一般深度为40－400km。

B层被称为上地幔，也有人将过渡层（C层，深度范围400－1000km）亦划入上地幔（图1.3）。

D层（约1000－2900km）则为下地幔。

上地幔的成分一般被认为是由镁－铁硅酸盐组成。

由于部分熔融岩浆的形成而是不均一的。

它由橄榄石、辉石、石榴石以及少量的尖晶石、闪石和金云母组成。

过渡层（C）占据了几乎600km的地球厚度。

该层岩石目的和导电性明显增长，地震波速增大到最大值，在此带中部（700km）产生着大量深源地震。

研究表明，在过渡层中发生着物质（硅酸盐矿物）的同质多象转变，由于压力引起Fe和Mg的正硅酸盐发生相转变，从橄榄石结构变为尖晶石结构。

化学成分没有明显变化，只发生着物质（硅酸盐矿物）的同质多相转变：

2MgSiO3（顽火辉石）

Mg2SiO4（镁橄榄石）＋SiO2（斯石英）

Mg2SiO4（斜方晶系）

Mg2SiO4（等轴晶系尖晶石结构）

Mg2SiO4（尖晶石型）＋SiO2（斯石英）

2MgSiO3（钛铁矿型结构）

Mg2SiO4（尖晶石型）

MgSiO3（钛铁矿型）＋MgO（方镁石）

这些同质多相转变已经被实验研究证实，它们在过渡层的温度、压力条件下可以发生。

洋中脊玄武岩的微量元素与同位素研究已经证明，上地幔也具有明显的不均匀性。

表1.10列出的是亏损地幔的平均成分。

下地幔（D）位于1000和2900km深度之间，它似乎是均一的。

设想它是由具有钛铁矿结构的（Mg,Fe）SiO3和方镁石（Mg,Fe）O的混合物所组成。

比上地幔更富铁。

由于地幔的难以达到和成分的不均一性，确定地幔的化学组成很困难。

然而，超基性岩石的包体和石陨石可以提供有用的线索。

此外，在会聚板块边缘的大量的阿尔卑斯型橄揽岩可能源自上地幔。

而对地幔化学组成的估计也表现满足一定的地球物理前提，如密度、地震波速和由于U、Th和K的衰变造成的热产生。

在地幔的物理条件下也能够通过部分熔融形成主要类型的玄武质岩浆。

由林伍德（Ringwood）发明的地幔岩（pyrolite）满足了上述条件，地幔岩是由3份橄揽岩和1份玄武岩混合而成，所形成的地幔岩的化学组成与梅逊（Mason）根据陨石提出的地幔组成类似，也与哈钦森（Hutchison）根据火成岩中超基性二辉橄揽岩包体估计的组成接近。

通过分馏熔融，这种岩石将产生20％～40％的典型玄武岩浆，并留下橄榄岩或纯橄岩的残余体。

在大陆和大洋之下上地幔的地温相差很大，地幔岩的成分也存在区域性差异。

在前寒武纪地盾之下，上地幔在相当大的深度范围内是由含少量榴辉岩析离体的纯橄榄岩或橄榄岩组成的；而在大洋区之下，上地幔上部很薄，且主要由角闪岩（橄榄石和角闪石）组成，在纯橄榄岩-橄榄岩带之下（100~150m）为低密度的地幔岩带，其特征是存在硅酸盐物质通过部分熔融（约1％？

）形成的液体，因此这个带是地震波低速带。

未分异出地壳前的原始地幔的成分见表1.14所示。

而分异出地壳后的亏损地幔的成分见表1.15。

原始地幔成分是基于地球总体成分相当于CI型球粒陨石的观点，用CI型球粒陨石的难熔亲石元素比值为限定计算得出的。

地幔岩模型的不足是，它不能说明火山喷发喷出的大量挥发性组分（H2O、Cl、S等）是如何产生的。

目前榴辉岩和二辉橄榄岩在上地幔中的地位仍是争论中的问题。

这两类岩石中的少量含水矿物（如金云母等）中容纳了多种挥发元素。

3）地核

古登堡面（Gutenberg）以下至地心6371km为地核。

又分为外核（2900至5000km）和内核（5000至地心）。

由于地震S波（横波）不能进入古登堡面以下，表明外核是液体的。

内核密度增至12.7－13.0g/cm3，为地球物质最紧密堆积的固态。

整个地核的密度约为12g/cm3，这种高密度物质只有铁陨石才与之相当，所以认为地核是由Fe和Ni合金组成的。

由于地核密度比处于地核那样的温度和压力下的镍铁合金所具有的密度低10％，所以它应该含有相当数量（10－20％）的轻元素。

地球物理资料可以同S或O两种可供选择的合金元素向协调，目前有更多的人倾向采纳S作为地核的添加剂，即Fe-FeS模型。

表1.14原始地幔成分（wB）

表1.15亏损地幔平均成分（wB）

1.2.2地球元素丰度

1.2.2.1地球元素丰度的研究方法

地球元素丰度的研究方法很多，目前应用得比较广泛的有三种：

①陨石类比法；②地球模型和陨石的类比法；③地球物理类比法。

1.2.2.1.1陨石类比法

直接利用陨石的化学成分，经算术平均求出地球的元素丰度。

计算时假设：

①陨石在太阳系形成；②陨石与小行星带的物质成分相同；③陨石是已破碎了的星体碎片；④产生陨石的星体（母体），其内部结构和成分与地球相似。

1.2.2.1.2地球模型和陨石类比法

在一定的地球模型基础上求出各圈层的质量及比值，然后选择陨石类型或陨石相的化学成分来代表各圈层的元素丰度。

最后用质量加权平均法求整个地球的元素丰度。

华盛顿（1925）首先用这一方法计算了地球的元素丰度，求出了与现代估算值相当接近的铁元素的地球丰度值（31.82%）。

Mason（1966）根据现代地球模型，认为地球的总体成分应基本取决于地幔和地核的成分和相对质量，因为它们共占地球质量的99%。

关于地核和地幔的成分他作出如下假定：

①含有5.3%的陨硫铁的球粒陨石的镍-铁相的平均成分可以代表地核成分；②球粒陨石中硅酸盐相的平均成分能代表地幔和地壳的成分。

然后，他根据地幔和地壳总质量的67.6%，用质量加权法计算了地球的平均化学成分。

因该方法以陨石的硅酸盐相（silicatephase）、金属相（metalphase）和陨硫铁相（torilitephase）的分析资料为基础，因此又称为SMT法。

1.2.2.1.3地球物理类比法

全称为层壳模型地球物理类比法。

黎彤首先采用这种计算方法，他在布伦地球模型的基础上划分出地壳（A）、上地幔（B＋C）、下地幔（D）和地核（E+F+G），并将四个圈层的质量分数分别定为0.4%、27.17%、40.4%和31.5%然后根据地球物理资料选择了四个圈层的物质成分。

其中地壳元素丰度用他和饶纪龙（1965）计算的地壳成分；用林伍德的地幔岩代表上地幔；用超基性岩加20％的铁橄榄岩作为下地幔的成分代表、外核（E层）采用FeS模型，内核（F+G层）用金属铁模型，合称为Fe-FeS模型。

他的地球元素丰度尽可能立足于地球自身物质成分和物性模拟试验的基础，并首先提供了地球内部各圈层的元素丰度数据。

1.2.2.2地球元素丰度及其规律（略）

1.3地壳的元素丰度

任何一种自然体的物质都是由化学元素组成的，那么这个自然体的总质量应当等于组成它的全部化学元素的总质量。

而每一种化学元素在这个自然体中的质量，占这个自然体总质量（或这个自然体中全部化学元素的总质量）的相对份额（如百分数），就叫做该元