第二章 地壳和地幔的元素组成

对比地壳与太阳系元素丰度数据可以发现，它们在元素 丰度的排序上有很大的不同： 太阳系：H﹥He ﹥O﹥Ne﹥N﹥C﹥Si﹥Mg﹥Fe﹥S 地球：Fe﹥O﹥Mg﹥Si﹥Ni﹥S﹥Ca﹥Al﹥Co﹥Ti ﹥Na 地壳：O﹥Si﹥Al﹥Fe﹥Ca﹥Na ﹥K﹥Mg﹥（H）、 Ti
与太阳系相比，地壳和地球都明显地贫H、He、Ne、 N等气体。与地球相比，地壳明显贫Fe和Mg，同时富 集Al，K和Na。
e.亲铜元素主要进入硫化物相
2、主要估算方法
多基于和CI球粒陨石中难熔亲石元素比值的 比较；或者根据地幔包体或地球物理资料确 定原始地幔中某一元素（如TiO2,FeO)含量， 再根据其它元素与难熔亲石元素的比值，算 出其他元素的含量。
（1）地幔模型法（Anderson,1983）： 用球粒陨石中难熔元素比值作为制约条件，计算 出原始地幔相当于以下5种岩石的混合物： 超镁铁质岩（32.6%） 平均地壳岩石（0.56%） 洋中脊玄武岩（6.7%） 金伯利岩（0.11%） 斜方辉石岩（59.8%）
（2）与地球以外的星球进行对比：通过对陨 石、月岩组成的研究，了解地幔的演化及组成。
（3）实验岩石学的方法：模拟地幔的高温高 压条件，进行岩石、矿物相转变的实验。
（4）根据地球物理的资料：了解地幔的密度、 弹性、粘度、热状态等性质，从而更好地限定 地幔的岩石学模型。
第三节 地幔的元素组成
二 原始地幔成分的确定
元素丰度若按克拉克值递减的顺序来排列，其 次 序 为 O 、 Si 、 Al 、 Fe 、 Ca 、 Na 、 K 、 Mg 、 （H）、Ti、C、Cl……等。
（约1%）
3 1
2 (%)
b、空间上，上下地壳分布不均匀，陆壳和洋壳分布 不均匀，陆壳内，各板块、地质体内分布不均一。
以Ri=上地壳元素丰度/下地壳元素丰度 Ri约等于1的有: Ca, Si, Zr, Nd, Pb等。 小于1的有：Mg，Cu，V，Fe，Ni，Cr，Ag，Co， Sr等。 大于1的有：Cl，C，Cs，K，Rb，U，Th，Bi，Tl， Nb等。
大陆地壳（EGT）标准剖面 62%太古宙—元古宙地壳（45.5km 厚） 38%元古宙—显生宙地壳（30km 厚） （大陆地壳总质量：2.13×1019t）
沉积岩（14%上地壳）
长英质侵入岩 （10.4km=50%上地壳）
辉长岩 （1.3km=6%上地壳）
片麻岩，云母片岩 角闪岩、大理岩 （6.3km=30%上地壳）
第二章 地壳和地幔的元素分布
第二节 地壳中化学元素的分布
一. 地壳中化学元素丰度研究意义与方法 二. 地壳中的化学元素的分布特点
1、丰度的研究意义
• 丰度是每一个地球化学体系的基本数据。 近代地球化学正是在探索和了解丰度这一过 程中逐渐形成的。丰度是指元素在地球化学系统（
太阳、行星、陨石、地球、地圈、地壳）中的平均分布 量，任一化学元素在地壳中的平均丰度称克拉克值 。
3）、按照地壳模型加权法 a) 波德瓦尔特和罗诺夫
全球地壳模型。 b) 黎彤
全球地壳模型，将全球划分四个构造单元
3、地壳的化学成分估测的著名方法:
大陆地壳化学组成安山岩模式 （Taylor和Mclennan，1985） 大陆地壳化学组成英云闪长岩模式 （Wedepohl，1995）
大陆地壳化学组成安山岩模式 （Taylor和Mclennan，1985）
35.1
NiO
（2）下地幔成分资料均据地震波数据推断
地幔的主要成份（％）
氧化物
上地幔(1)
地幔岩(2)
未分异的原始地幔(现在 的地幔＋地壳)(1)
SiO2 TiO2 Al2O3 FeO
45
45.1
0.15
0.23.33源自38.08.049.9 0.16 3.64 8.0
MnO
0.13 0.115
MgO
39.8
38.1
1 基本假定
a. 金属与硅酸盐相在行星初期阶段即已分离，其增 生过程中只存在局部平衡。
b.挥发性元素（如K、Rb）相对于难熔元素（如U、 Sr）的亏损发生于地球增生以前。
c.亲石元素全部进入地幔，因此亲石元素之间在地 幔无分异
d.在行星初期阶段不会发生难熔元素之间的分异作 用，因此地球整体的Sm/Nd比值与球粒陨石相同
31.5（地核）
1、地壳
1）大陆地壳 上地壳（硅铝层） 下地壳（硅镁层） 2）大洋地壳 相当于玄武岩
2、地幔
1) 上地幔（铁镁硅酸盐） 2）过渡带地幔 3）下地幔
Spinel （尖晶石） MgAl2O4
Perovskite（钙钛矿）
第二章 地壳和地幔的元素分布
第一节 地球的结构 第二节 地壳中化学元素的分布 第三节 地幔的元素组成 第四节 壳幔演化的元素行为
2）.整个陆壳总的化学成分：
地壳总的化学成分的计算采用大陆地壳生 长模型，大陆地壳总体的化学成分相当于 安山岩模式成分。
Taylor对于陆壳总体成分模式提出如下设想：
（1）陆壳总的物质组成来源于地幔的分异。 （2）75％陆壳形成于25亿a以前太古宙，25％的陆 壳形成于太古宙以后，即大陆地壳的整体化学成分应 该是75％太古宙陆壳成分＋25％岛弧火山岩的安山 岩模式成分。 （3）太古宙陆壳以“双模式”基性岩－长英质火成 岩组合为特征。
长英质麻粒岩 （61.5% 下地壳）
镁铁质麻粒石 （38.5% 下地壳）
沉积岩*
长英质 侵入岩**
44.0% 页岩、粉砂岩（Ronov and Yaroshevskiy, 1968） 20.9% 砂岩、杂砂岩（Ronov and Yaroshevskiy, 1968） 20.3% 镁铁质火山岩（Ronov and Yaroshevskiy, 1968） 14.6% 碳酸岩****（0.8%蒸发岩）（Ronov and Yaroshevski 1968）‥‥ 50% 花岗岩（Whalen et al., 1987; Lemaitre, 1976） 40% 花岗闪长岩（Lemaitre, 1976） 10% 英云闪长岩（Wedepohl 1995）
3）.下部陆壳的成分： 采取大陆地壳总成分减去上地壳的成分得
出了下地壳的化学成分。 假设下地壳占整个大陆地壳厚度的75％，
上地壳占25％。根据质量平衡原则，求出了 大陆下地壳的化学成分。
大陆地壳化学组成英云闪长岩模式 （Wedepohl，1995）
基于欧洲西部3000km长的折射地震剖面 （EGT）。该剖面包括60%的古老地盾和40%较 年青的褶皱带，莫霍面平均深度40km，建立大 陆地壳的标准剖面。 地壳剖面分为上地壳及下地壳。各部分组成的主 要岩石类型、厚度及所占比例如图所示。计算所 用各类岩石的化学成分资料来源见表右侧说明。
c、时间上，地史早期，一些稳定元素富集（如Au， Fe），晚期，活泼元素富集（如W）。
2. 地壳中化学元素的分布量一般随原子序数的增 大而降低。。
图 地壳中元素原子克拉克值相对于原子序数变化 粗线表示偶数原子序数的元素；细线表示奇数原子序数的元素
（1）偶数规则。 （2）四倍规则。
3.地壳中化学元素的分布受宇宙化学元素的形成， 以及太阳系、地球、地壳形成和演化所制约。
E
2,900~4,980 外核
地核
F
4,980~5,120 过渡层
G
5,120~6,371 内核
密度（g/cm3） 2.7~3.0
3.32~3.65 3.65~4.68 4.68~5.69
9.40~11.50 11.50~12.0 12.0~12.3
占地球总质量（%） 0.8
10.4 16.4 41
第三节 地幔的元素组成
三 上地幔和下地幔的化学成分 （1）上地幔的化学成分可通过上地幔的包体研究
获得。但该方法存在以下问题：大多数地幔包体 产于大陆壳下的上地幔，包体只限于200km以 上；地幔包体经历复杂的历史，可能经部分熔融、 地幔交代、地壳混染等作用。 Ringwood(1975)提出上地幔的理论组分是一份 玄武岩+三份橄榄岩混合组成，称为“地幔岩”
长英质 麻粒岩
镁铁质 麻粒岩
50% 太古宙, 50%后太古宙 （Rudnick and Presper, 1990）
（Rudnick and Presper, 1990）
4、大洋地壳的化学组成
大洋地壳的研究是通过海洋钻探、海底取 样及地球物理等方法对大洋玄武岩、海洋 沉积物来进行研究的。洋中脊玄武岩 （MORB）是洋壳的主要组成部分，来自 亏损地幔地球化学源区。以亏损的K2O、
（2）质量平衡法（Taylor，1985）
据地幔密度和地震资料确定原始地幔FeO 含量为8.0%；
难熔主要元素Si,Ti,Al,Mg,Ca之间应具有 CI型碳质球粒陨石的比值；
据地核与地幔的质量比,原始地幔亲石微量 元素丰度是CI球粒陨石的1.5倍。
挥发性元素通过各自途径研究，获得它与 难熔亲石元素之间的比值进行估算。亲铜 和亲铁元素引自Jagoutz等（1979）的研 究成果。
2) 简化方法：
a、戈尔德施密特 采用冰川粘土作为天然的地壳混合样品。
b、维诺格拉多夫 两份酸性岩加一份基性岩的人工混合样品。
C、泰勒 花岗岩和玄武岩1：1 。
上述方法明显存在着以下主要问题：
①采用的地壳概念不一致，均未按照现代地壳 结构模型进行元素丰度的计算；②地壳的计算 厚度采用16km是人为确定的，未考虑莫霍界 面；③忽略了海洋地壳的物质成分，实际上多 数数据只能是大陆地壳的元素丰度。
第二章 地壳和地幔的元素分布
第一节 地球的结构 第二节 地壳中化学元素的分布 第三节 地幔的元素组成 第四节 壳幔演化的元素行为
第三节 地幔的元素组成
一.地幔化学组成的研究方法
（1）地质学方法：直接获取上地幔在地表的 露头，如碱性玄武岩、橄榄拉斑玄武岩、金伯 利岩中的超镁铁质岩的深源包体。