地球化学原理5
地球科学中的地球化学与地球动力学
地球科学中的地球化学与地球动力学地球科学是研究地球上自然界各种现象和规律的学科。
在地球科学的研究领域中，地球化学和地球动力学是两个重要的分支学科。
地球化学研究地球物质的组成、结构、性质和变化规律；地球动力学则研究地球内外部分的运动和变形。
一、地球化学的概念与研究内容地球化学是研究地球物质元素组成、地球化学过程和演化规律的学科。
地球化学研究的对象包括地壳、岩石、矿物、地下水和大气等，通过分析采集的样品中元素和同位素的含量及其分布，揭示地球物质的成因和变化过程。
地球化学的研究方法包括野外调查、采样、室内分析和实验模拟等。
地球化学的研究成果可以为资源勘探、环境监测和地质灾害预测提供科学依据。
二、地球化学的应用领域地球化学在各个领域都有广泛的应用。
在矿产资源研究中，地球化学可以通过分析矿石中的元素含量，判断矿石成因和找寻潜在矿床。
在环境地球化学研究中，地球化学可以通过分析大气中的污染物和土壤中的重金属元素，评估环境污染程度。
在地质灾害研究中，地球化学可以通过分析地下水中的元素含量，预测地震和火山喷发等灾害的发生。
三、地球动力学的概念与研究内容地球动力学是研究地球内外部分的运动和变形的学科。
地球动力学研究的对象包括板块运动、地震、火山活动等地球运动现象。
地球动力学主要通过地震仪和其他地球观测设备来获得地球运动的数据，通过数学模型和计算机模拟来解释地球运动的原理和机制。
四、地球动力学的应用领域地球动力学的研究成果在地震预测、资源勘探和地质灾害预测等领域有重要应用价值。
在地震预测中，地球动力学可以通过监测地表和地下的变形和应力分布，预测和评估地震的可能性和危险程度。
在资源勘探中，地球动力学可以通过研究地下构造和地壳应力，发现矿产和能源资源的分布规律。
在地质灾害预测中，地球动力学可以通过模拟地下构造和地震活动，预测和评估地质灾害的潜在风险。
综上所述，地球化学和地球动力学在地球科学中起着重要的作用。
地球化学通过研究地球物质的化学组成，为资源勘探和环境保护提供科学依据；地球动力学通过研究地球运动的原理和机制，为地震预测和地质灾害预测提供科学支持。
第5章3-Sm-Nd
mineral isochron ages the metamorphic age at an early stage
Sm-Nd geochronology of the Guichicovi metamorphic basement near the western edge of the Maya terrane in southern Mexico
CHUR Model can be used to date rock of the continental crust by determining the time at which the Nd they contain seperated from the “chondritic reservoir”.
实
例
Whole-rock Sm-Nd geochronology on Late-Archaean Lewisian complex of Northwestern Scotland
whole-rock isochron ages the age of the magmatic protolith
Sm-Nd定年学原理
Nd 143 Nd 147 Sm t 144 (e 1) 144 144 Nd Nd 0 Nd
143
其中：
Sm Sm at.wt.Nd Ab147 Sm 144 144 Nd Nd c at.wt.Sm Ab Nd
(tholeiite, basalt, grabbro, ultramafic rocks)的 Sm/Nd比值;
Sm,Nd地球化学行为
3. Nd is preferentially concentrated in the liquid phase during partial melting of silicate minerals, whereas Sm remains in the residual solids (解释大 陆地壳低的Sm/Nd比值)； 4. 磷酸盐矿物(phosphate minerals)(例如：apatite 和 monazite)、碳酸盐岩(carbonatites)的Sm, Nd含量 较高，但Sm/Nd比值小于0.32； 5. 石榴石(garnet)具有较高的Sm/Nd比值0.54，但其 含量不高：Sm(1.17ppm)， Nd(2.17ppm)； 6. 钾长石(K-feldspar)，黑云母(biotite)， 角闪石 (amphibole)，单斜辉石(clinophyroxene)具有较低 Sm/Nd比值0.32，但其含量较高；
第五章甾萜烷地球化学PPT课件
二、甾类化合物结构、系列与检测
规则甾烷
重排甾烷
甾烷类化合物在碳环上5，14，17碳位H原子具有α ， β构型；侧链 20碳位为手性中心，具有R、S两种构型；因而每个碳数化合物5个 异构体。
10、20R - 14α(H), 17α(H) - 胆甾烷 11、20R - 24 - 乙基 - 13β(H),17α(H) - 重排胆甾烷 12、20S - 24 - 乙基 - 13α(H),17β(H) - 重排胆甾烷 13、20S - 24 - 甲基 - 14α(H), 17α(H) - 胆甾烷 14、20R - 24 - 甲基 - 14β(H), 17β(H) - 胆甾烷
第五章 甾、萜烷生物标志物地球化学
• 气相色谱-质谱（GC/MS）分析原理 • GC/MS谱图类型与意义 • 萜烷类型及其GC/MS谱图解析方法 • 甾烷类型及其GC/MS谱图解析方法 • 甾、萜烷的来源、演化及其地球化学应用
生物标志物（Biomarker）是指沉积有机质中那些来源于生物 体，在成岩演化过程中，基本保存原始生物先质物碳骨架的有 机化合物。包括正构烷烃、类异戊二烯烃、甾烷、萜烷等。
二、质谱图（棒图）
相对强度
90000 85000 80000 75000 70000 65000 60000 55000 50000 45000 40000 35000 30000 25000 20000 15000 10000 5000
217
特征离子峰
149 95 55
123
175 290
50
100
m/z 质荷比
藿烷化合物用m/z 191质量色谱图进行检测； 其碳数分布：C27~C35
武理化学知识点总结
武理化学知识点总结武理化学是地球化学中的一个重要领域，它研究的是地球中物质的组成、性质和变化规律。
在这个领域中，有许多重要的知识点，包括地球化学元素、地球化学物质循环、地球化学地球历史和地球化学分析方法等。
下面我们来对这些知识点进行总结。
1. 地球化学元素地球化学元素是构成地球的基本物质，它们包括地壳元素、地幔元素和核心元素。
地壳元素主要分布在地壳中，包括氧、硅、铝、铁、钙等元素；地幔元素主要分布在地幔中，包括镁、铁、硅、铝等元素；核心元素主要分布在地球核心中，包括铁、镍等元素。
地球化学元素的分布和演化对地球的结构和性质有重要影响。
2. 地球化学物质循环地球化学物质循环是指地球中物质的流动和演化过程，它包括了岩石圈、大气圈、水圈和生物圈。
岩石圈是地球上岩石的层，它对地球和其他圈层起着重要作用；大气圈是地球上大气层，它对地球气候和环境起着重要作用；水圈是地球上水的层，它对地球生态环境和人类生活起着重要作用；生物圈是地球上生物的层，它对地球生态环境和生物多样性起着重要作用。
地球化学物质循环对地球和生物圈的演化和变化有重要影响。
3. 地球化学地球历史地球化学地球历史是指地球历史演化的地球化学过程，它包括地球演化、生命起源和生态演化等过程。
地球演化是指地球形成和演化的过程，它包括地球的起源和地球的结构演化；生命起源是指生物的起源和演化过程，它包括生命的起源和生物的演化；生态演化是指生物和环境的演化过程，它包括生态环境的变化和生物多样性的演化。
地球化学地球历史对地球演化和生态环境的演化有重要影响。
4. 地球化学分析方法地球化学分析方法是研究地球中物质组成和性质的分析方法，它包括了化学分析、物理分析和仪器分析等方法。
化学分析是通过化学反应和化学性质来分析物质的组成和性质；物理分析是通过物理性质和物理过程来分析物质的组成和性质；仪器分析是通过仪器和设备来分析物质的组成和性质。
地球化学分析方法对地球化学研究和应用有重要意义。
第五章 地壳地幔演化
岩石圈是各种岩石组成的地圈，其上界是地球固态表明，下界位于上地幔B层的软流圈顶面。
由于软流圈顶部界面深度变化较大，使得岩石圈厚度的变化也较大。
岩石圈是跨越地壳和上地幔的固态地圈，在莫霍面以上为上岩石圈，在莫霍面一下为下岩石圈。
+板块（大纲）板块构造理论，地球表面是由漂浮在软流圈之上的岩石圈板块镶嵌而成的，全球总共有七大板块（欧亚板块、南极板块、北美板块、南美板块、太平洋板块、非洲板块和澳洲板块）。
板块的边缘是由洋脊、俯冲带、转换断层或内陆挤压带等连结起来。
板块的面积处于变化中，扩散边界（如洋脊）导致大洋岩石圈生长，聚合边界（如以海沟为标志的俯冲带）则导致大洋岩石圈消减。
+地壳类型（大纲）1定义：指具有相似地质特征和地球物理特征的地壳区段2主要划分：1 地盾地壳稳定部分2 克拉通地壳稳定部分，有沉积岩3 古生代造山带代表中等稳定的构造活动条件4 中生代~新生代造山带具有不稳定构造活动条件5 大陆裂谷系以断层为边界的谷底6 火山岛火山成因，与俯冲带无关7 岛弧以地震和火山作用为特征，与俯冲带有关8 海沟俯冲带开始的标志9 大洋盆地地壳稳定部分，有深海沉积物10 洋脊构造不稳定11 边缘海盆沉积物来自大陆或岛弧12 内陆海盆与岛弧无关+岩浆系列（07考）1定义：指一系列侵位于地壳之内或喷出于地表之上的一组密切相关的岩浆类型，而岩系往往指具有某些共同化学属性的所有火山岩组成。
2划分：其划分可根据岩石的碱性程度划分为碱性系列、非碱性系列（拉斑玄武岩系列、钙-碱性系列）。
每一岩浆系列中可以形成不同的岩石，它主要取决于原岩的不同程度的部分熔融和岩浆形成之后的晶体、流体的分离作用等。
如果在一个系类中同时出现长英质和镁铁质占优势的岩石，则称为双峰系类（双峰模式）。
3三种基本岩浆系列特征拉斑玄武岩系列一种分布最广、含少量或不含橄榄石的玄武岩钙-碱性系列火山岩地体中以安山石为主，深层岩地体中以花岗闪长岩占优势，以及少量的拉斑玄武岩、流纹英安岩（或它们相同成分的侵入岩石）碱性系列一种含橄榄石的玄武岩，相对富碱性元素原始地壳指地球上主要由岩浆作用生成的最初的固态表面。
同位素地球化学5
5.3.1
5.3.2 5.3.3 5.3.4
稳定同位素基础及分馏机理
氢、氧同位素地球化学 硫同位素地球化学 碳同位素地球化学
5.3.2 氢、氧同位素地球化学
➢ 5.3.2.1
➢5.3.2.2 ➢5.3.2.3 ➢5.3.2.4
自然界氢氧同位素的分馏 各种自然产状水的氢氧同位素组成 岩石中的氢氧同位素组成 氢氧同位素地球化学应用
3、封存水 大气降水和海水深循环后长期封存（不 流动）的产物，以高温和高矿化度为特征。 ❖ δD=－120‰~ － 25‰； ❖ δ18O=－16‰~+25‰
4、变质水
❖ δD=－140‰~ － 20‰； ❖ δ18O=－16‰~+25‰ ❖ 高温变质水与岩石达到同位素交换平衡，
因此，变质热液的同位素组成指示变质环 境、原岩性质和流体来源。
实验测试25℃时液相（l）和气相（v）间 氢氧同位素分馏系数为：
αl-v= (18O / 16O)l/ (18O / 16O)v=1.0029 αl-v= (D/H)l/ (D/H)v =1.017
➢由于水分子经过反复多次蒸发~凝聚过程，
使得内陆及高纬度两极地区的蒸气相（雨、 雪）中集中了最轻的水（ δ18O 、δD趋向更 大负值）；
5、原生水及岩浆水☆
❖ 来自地幔的与铁、镁超基性岩平衡的水称 为原生水；
❖
δD=－85‰~ －50‰；
δ18O=5‰~+9‰
❖ 岩浆水指的是高温硅酸盐熔体所含的水及 其分异作用形成的水 ：
❖
δD=－80‰~ －50‰；
δ18O=6‰~+10‰
5.3.2.3 岩石中的氢氧同位素组成
1、岩浆岩 2、沉积岩 3、变质岩
5CO2地质埋存类型与机理PPT课件
➢ 远期储量 >1000年，矿物捕获出现。
各种埋存机理的安全性
➢随着时间尺度的延 伸，CO2地质埋存 的安全性越来越高
(Adapted from: 2005 IPCC Special Report on Carbon Dioxide Capture and Storage）
各种埋存机理的安全性
➢ CO2在岩石孔隙中运移并与地层水或原油接触后 就会溶解在其中
➢ CO2在地层流体中溶解量与溶解速度主要取决于 地层水/原油的化学成分、CO2与未饱和地层流体 的接触率
➢ CO2在地层水中溶解，一旦（在几百年乃至几千 年内）发生这种情况，充满CO2的水就变得越来 越稠密，因此沉落在储层构造中（而不再向地面 浮升），减少CO2气体快速返回大气层的可能性 。
CO2地质埋存类型与机理
CO2减排措施
➢提高能源使用效率 ➢发展新能源与可再生能源 ➢捕获和埋存CO2--CCUS
海洋埋存 地质埋存
CO2地质埋存
➢地下地质岩层由颗粒(如石英)或矿石(如碳 酸钙)组成。在颗粒或矿石之间孔隙性空间 充有流体(如水、油、气)。开口的断层和洞 穴也会充满流体。
➢向浸透性岩层的孔隙性空间和断层注入的 CO2，能够替代原有位置的流体，或者 CO2可以溶解在流体中，或者与矿石颗粒 发生反应，或可能出现这些过程中某些组 合。
➢ 当捕获程度高并且CO2被注入到厚岩层的底部时，甚 至在达到盖岩(岩层顶部)以前，所有的CO2都可以通 过这种机理被捕获。
➢ “残留气体饱和值”是与岩层密切相关的，对于许多典 型的存储岩层，残留气体饱和值可以高达15%～25% 。随着时间的推移，所捕获的大部分CO2可以溶解在 岩层水中。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
第5章 主要生源要素的生物地球化学循环
h
15
• 氨离子以NH4+ 和NH3两种形态存在，二者存 在如下平衡：
NH4 + ←⎯→NH3 + H +
pH=8.1时，95%的氨以NH4+形态存在， 仅5%以NH3形态存在。
• 海洋中有机氮均以-3价存在，其中最重要的组
分是腐殖质，其次包括氨基酸、核酸、氨基糖、
尿素以及它们的聚合物（如DNA、RNA、甲壳
hLeabharlann 39第3节 磷的生物地球化学循环
• 一、海洋磷循环研究的重要性
• 磷是地壳中丰度排在第11的元素;
• 1669年首先由德国炼金术士Henning Brand所发 现;
• 1800s，人类开发出通过磷灰石与硫酸反应合 成磷化肥的技术;
• “挑战者”号航行全球期间（1873-1876），在海 底首次发现磷灰石的存在，此后在世界许多海 域海底中均发现磷灰石;
吸收更多大气
CO2
h
10
• 假说三：海洋反硝化作用机制（Ganeshram等，
Nature, 1995；Altabet等，Nature, 1995；Ganeshram等， Paleoceanogr., 2000）
冰期时海洋反硝化作用降低 增加海洋结
合态氮储库
激发生物生产力
有机碳输出通量增加 吸收更多大气
h
32
• 初始时，PON降解产生NH4+，它激发了亚硝基单 孢菌）的生长，这些细菌将NH4+氧化成NO2-。 此导致水体NH4+浓度降低，而NO2-浓度升高。
• 高浓度的NO2-激发硝化细菌的生长，硝化细菌将 NO2-氧化成NO3-。最终，所有DON均被转化为 NO3-。
• 未被降解的残余PON主要由较为惰性的组分构成 ，它们无法被好氧海洋细菌降解。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
基本原理
◆元素的地球化学活动性导致了它们在自然界不同 地质体中分布的差异性和变动性，是元素地球化 学示踪原理的核心。
◆放射性同位素的自发衰变和稳定同位素的分馏作 用是自然界同位素变化的主要动力，放射性同位 素的自发衰变规律和稳定同位素的分馏作用是同 位素地球化学示踪的基本原理。
微量元素地球化学示踪
高场强元素地球化学示踪
Nb、Ta、Zr 、 Hf 、 (Th) 源区性质判别 构造环境判别
地球内部结构
洋—陆俯冲作用
大洋内及大洋与大陆相互作用过程的成矿作用
红海中脊玄武岩的Th/Ta对Th/Tb的双变量图解 （据Hugh R. Rollison, 2000）
Th/Ta对Th/Tb的比值存在0.25, 0.5和0.8等三个趋势，表明有三个不同的地幔源区
微量元素地球化学示踪
元素比值
• 根据研究目的构建元素对 • 一般原则：
◆物质来源判别和原岩恢复：采用相对稳定、地球 化学性质相近的元素构建比值。 ◆地质作用过程示踪：可用活动元素和相对稳定的 元素构建比值。
微量元素地球化学示踪
• 岩浆形成机制和过程鉴别：选择分配性质相同或相反的元 素对，如Ba/Nb，Nb/Th，以及Ce/Ni，Cr/Ta等。
Ta-Yb构造岩浆环境判别图
Rb-Yb+Ta构造岩浆环境判别图
1.粗面岩; 2.正长斑岩; 3.石英正长斑岩; 4.辉长岩; 5.辉石
Syn-COLG 同碰撞花岗岩； VAG 火山弧花岗岩； WPG 板内花岗岩； ORG:洋脊花岗岩
峨眉山玄武岩Th-Hf/3-Ta图
A-正常洋中脊玄武岩；B-富集型洋中 脊玄武岩和板内玄武岩；C-板内玄武 岩；D-岛弧拉斑玄武岩。
微量元素地球化学示踪
元素比值
两个元素比值 多个元素比值 为了加强元素对比值的指示意义，所 选择的往往不是二个元素的比值，而是二组元素含量 和的比值、或含量积的比值。如（Li＋Rb＋Cs）/ （Sc＋Zn）或（Li×Rb×Cs）/（Sc×Zn），也可 以是一个元素对与第三个元素的比值，如K/Rb－Ti等。
地球化学示踪
概念
◆地球化学示踪是指利用某些元素或同位素的特殊性质（物理、化学性质） 来判断与其相关的物质来源、形成环境、变化过程等，是揭示地球化学 作用机理和过程的重要途径和有效手段。
◆地球化学示踪是现代地球化学的核心，广泛利用于地球化学的各个领域。 在矿床地球化学、流体地球化学、环境地球化学、同位素地球化学、天 体地球化学等地球化学分支学科中都发挥了极大的作用，为学科的发展 起到了巨大的推动作用。
峨眉山玄武岩岩浆源区
大地构造环境判别
Ⅰ—大洋板块发散边缘 Ⅱ—板块汇聚边缘(Ⅱ1:大洋岛弧玄
武岩区；Ⅱ2:陆缘岛弧及陆缘火 山弧玄武岩区)； Ⅲ—大洋板内(洋岛、海山玄武岩 区、T-MORB、E-MORB区)； Ⅳ—大陆板内(Ⅳ1:陆内裂谷及陆缘 裂谷拉斑玄武岩区；Ⅳ2:大陆拉 张带(或初始裂谷)玄武岩区； Ⅳ3:陆-陆碰撞带玄武岩区)； Ⅴ—地幔热柱玄武岩区。
微量元素在地质作用过程中的地球化学行为只 与元素的地球化学性质有关，而与其含量高低无关。
微量元素地球化学示踪
微量元素地球化学示踪方法 岩石微量元素 矿物微量元素 流体包裹体微量元素 ………………
微量元素地球化学示踪
微量元素地球化学示踪方法 元素比值 元素组合图 元素数据统计 地球化学反演 ………………
峨眉山玄武岩Zr/4-2Nb-Y图
A1-板内碱性玄武岩；A2-板内碱性玄武岩和板 内拉斑玄武岩；B-富集型洋中脊玄武岩和板内 玄武岩；C-板内拉斑玄武岩和火山弧玄武岩； D-富集型洋中脊玄武岩和火山弧玄武岩。
峨眉大火成岩省构造环境判别图 MORB—洋中脊玄武岩；OIB—洋岛玄武岩；IAB—岛弧玄武岩
• 氧化还原作用判别：选择变价元素对，如Fe2+/Fe3+， V3+/V5+，Eu2+/Eu3+，Ce4+-/Ce3+以及Mn/Mg等。
• 岩体剥蚀深度判别，选择元素浓度随深变而增减的，如 Li/Sc，Rb/Bi，Sb/Bi等。
• 变质岩原岩恢复：选择对变质作用较稳定的元素，如Zr/Ti， Zr/Ni，Cr/Ti，Zr/Mg等等。
微量元素地球化学示踪是近代地球化学中 发展最快、成果最丰、最具活力的研究领域，已 广泛用于恢复变质岩原岩，探讨成岩成矿物质来 源与物理化学条件、成岩成矿构造环境等。近年 来，在环境地球化学领域也得到了的应用。
微量元素地球化学示踪
微量元素在不同相之间的分配可用能斯特分配 定律描述，是其作为地球化学示踪剂及建立定量模 型的基础。
• REE进入方解石晶体中，除了晶体溶解之外，其他过程是 不可能破坏方解石稀土配分模式这个地质记录密码的。石 英对包括稀土元素在内的大多数元素缺乏选择性,石英中 微量元素、稀土元素的组成可以代表流体的元素组成特征, 能够用于流体地球化学示踪。
原始地幔标准化的微量元素蜘网图 （据Hugh R. Rollison, 2000）
峨眉山玄武岩微量元素配分模式
华南某地早白垩纪辉绿岩微量元素蛛网图解
不同类型花岗岩的微量元素蜘网图 （据李献华等，2002）
稀土元素地球化学示踪
• 稀土元素由于其特殊的地球化学性质，在地球化学示踪中 得到了广泛地应用。近年来，利用矿床中热液矿物方解石、 石英等矿物的REE在示踪成矿流体Th/Nb图 DMM—亏损地幔; PM—原始地幔; SDC—俯冲带平均成分; RSC—俯冲带残留体平 均成分; GLOSS—远洋沉积物平均成分; N-MORB—正常洋中脊玄武岩; E-MORB— 富集型洋中脊玄武岩; OIB—洋岛玄武岩.
•
峨眉大火成岩省Th／Yb——Ta/Yb图
微量元素地球化学示踪
元素比值
• 用于构建比值的元素，一般是地球化学性质相近的 元素。Nb/Ta，Zr/Hf，Sr/Ba，Th/U，Cr/Ni，Cl/Br 等。也可以采用常量元素与性质相似的微量元素构 成比值，如K/Rb，Mg/Li，Ca/Sr，Fe/V，Al/Ga， S/Se等。稀土元素由于地球化学性质相近，也可以 构建元素比值，如La/Ce等。