大陸地殼化學(xué)組成的研究方法 研究中下地殼組成的意義
(一)巖石平均化學(xué)組成法
首先估計(jì)各類巖石在上地殼中的體積,然后根據(jù)每類或典型巖石類型的平均化學(xué)組成估算整體組成。由于火成巖占大陸地殼的大部分,其次是變質(zhì)巖和沉積巖,且變質(zhì)巖和沉積巖的原巖都是火成巖,因此這種方法主要依據(jù)火成巖的平均化學(xué)成分。克拉克和華盛頓(1924)首先用這種方法計(jì)算了地殼元素豐度,他們選用世界各地5159個(gè)火成巖巖石化學(xué)全分析資料和 676個(gè)沉積巖組合樣化學(xué)全分析資料,將這些巖石樣品按其所代表的地區(qū)求出全球火成巖和沉積巖的平均成分,然后按火成巖加變質(zhì)巖占95%,沉積巖占5%(其中頁巖占4%、砂巖占0.75%、灰?guī)r占0.25%)的比例計(jì)算了地殼上部16km的地殼成分,因?yàn)楫?dāng)時(shí)所知的世界最高山峰和最深海溝的高差約為此值。類似地,維諾格拉多夫(1962)采用1份基性巖加2份酸性巖計(jì)算了大陸地殼成分。泰勒 (1964)則采用1份花崗巖加1份基性巖計(jì)算了全部地殼成分,其中花崗巖和基性巖的成分分別取自G-1花崗巖和W-1輝綠巖國際標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)的成分。表1-30給出上地殼中各類火成巖和沉積巖的相對體積。由于沒有考慮巖石組成隨深度和構(gòu)造單元的變化,這種方法基本限于20世紀(jì)70年代以前的研究。
表1-30 上地殼中火成巖和沉積巖的相對體積
(據(jù)Taylor et al.,1985)
(二)細(xì)粒碎屑沉積巖法
該方法也稱為戈?duì)柕率┟芴厮惴āＥ餐喜繌V泛分布著由冰川融化后沉淀出的細(xì)粒冰川黏土。戈?duì)柕率┟芴卣J(rèn)為,這些冰川黏土是冰川所經(jīng)過地區(qū)出露巖石的天然平均樣品,代表著大面積分布的結(jié)晶巖石的平均化學(xué)成分。他分析了77個(gè)這種物質(zhì)的樣品,計(jì)算了平均值,大部分元素的含量與克拉克和華盛頓的研究結(jié)果相當(dāng)一致。但 Na2 O 和CaO含量偏低,Taylor et al.(1985)大大發(fā)展了戈?duì)柕率┟芴氐姆椒?提出細(xì)粒碎屑沉積巖特別是泥質(zhì)巖,可以作為源巖出露區(qū)上地殼巖石的天然混合樣品,這類巖石對研究大陸地殼元素豐度具有特殊的意義。另一種與之相似的方法是使用黃土——一種更新世形成的細(xì)粒風(fēng)成物質(zhì)。對這兩種方法可行性最有力的證明是:后太古宙泥質(zhì)巖、深海沉積物和黃土的稀土元素 (REE)組成模式與現(xiàn)今大陸上地殼組成相當(dāng),若將泥質(zhì)巖稀土元素含量降低20%～30%,結(jié)果與現(xiàn)今大陸上地殼的稀土元素含量完全一致 (圖1-15,圖1-16)。大陸上地殼稀土元素含量之所以比泥質(zhì)巖低,是因?yàn)榇箨懮系貧み€有一定量的稀土元素含量十分低的碳酸鹽巖和蒸發(fā)巖。
圖1-15 大陸上地殼與后太古宙頁巖和黃土REE組成模式的對比
(據(jù)高山,2005)
Loess所示陰影區(qū)為黃土組成范圍;PAAS-澳大利亞后太古宙頁巖 (平均);NASC-北美頁巖 (組合);ES-歐洲頁巖 (組合);ECPAS-中國東部后太古宙頁巖 (平均)
圖1-16 大陸上地殼稀土元素組成模式對比
(據(jù)韓吟文等,2003)
圖中數(shù)據(jù)來源:Taylor et al.(1985,1995),Shaw et al.,(1986),Wedepohl (1995),Gao et al.,(1998)
上述方法的優(yōu)點(diǎn)是不言而喻的,但是存在的問題就是在由母體形成沉積物的過程中曾發(fā)生過化學(xué)分異作用。Taylor 和McLennan指出,細(xì)粒碎屑沉積巖中的REE、Th、Sc和Co等元素的水-巖分配系數(shù)很小,它們幾乎不溶于水,能基本以碎屑沉積物的形式被帶至沉積盆地,這些元素的相對含量能夠定量反映它們在大陸上地殼中的組成 (圖1-17)。這些元素既包括不相容元素REE和Th,又包括了相容元素Sc和Co。對于形成穩(wěn)定礦物或水-巖分配系數(shù)較大的元素,就會出現(xiàn)問題,如與上地殼元素豐度相比,黃土相對富集 SiO2、Hf和Zr,反映出機(jī)械和化學(xué)上穩(wěn)定的礦物如石英和鋯石等在黃土中富集。而黃土中虧損常量元素Na和Ca等,表明這些元素在遷移過程中最易被淋濾。因此細(xì)粒碎屑沉積巖方法的最大缺點(diǎn)就是不能給出大陸上地殼主量元素的豐度,對微量元素也只限于 REE、Y、Th、Sc、Co等水-巖分配系數(shù)較低的不相容元素和中等程度的不溶元素。
圖1-17 平均頁巖/上地殼豐度比值對海水/上地殼豐度比值圖
標(biāo)示出根據(jù)頁巖數(shù)據(jù)來估算上地殼元素豐度最有用的元素
(據(jù)Taylor et al.,1995)
除Co (可能還有Ti)以外,平均頁巖/上地殼豐度比值變化范圍為1.5倍因子的元素,在地質(zhì)過程中進(jìn)入水體 (海水/上地殼<10-5 )。受氧化還原控制的Fe、Mn和在重砂礦物中富集的Zr等元素與之不同,這些元素在頁巖中的豐度最好地反映了上地殼元素的豐度,特別是REE、Th和Sc等。與此對比,平均頁巖/上地殼比值變化因子>1.5 的元素分配進(jìn)入天然水體 (海水/上地殼>10-3)。它們易溶于天然水體,在化學(xué)沉積物中富集(如Ca、Na和Sr)或者在以后的風(fēng)化、成巖、熱液蝕變等過程中被活化 (如Mg、U和B)。
大量的研究表明,當(dāng)巖石風(fēng)化形成沉積物時(shí),由于所有稀土元素都集中于黏土沉積物中,母體的稀土模式通常被保存在黏土即最終形成的頁巖中。風(fēng)化過程中Sc、Y和Th的行為與REE相似。圖1-15 表明不同頁巖中的稀土元素分配模式十分相似,頁巖確實(shí)是地殼組成很好的平均。因此澳大利亞國立大學(xué)的 S.R.Taylor和他的科研伙伴使用稀土元素作為估算大陸上地殼組成的出發(fā)點(diǎn)。細(xì)粒碎屑沉積巖不僅能夠用來研究現(xiàn)今大陸上地殼的成分,還可研究大陸上地殼組成隨時(shí)間的變化。
(三)大陸地殼生長歷史法
Taylor和McLennan (1985)提出:現(xiàn)今大陸地殼質(zhì)量的 75%形成于太古宙,25%形成于后太古宙。后太古宙的大陸生長主要發(fā)生在島弧地區(qū),代表性物質(zhì)是島弧安山巖。他們根據(jù)上述認(rèn)識計(jì)算了現(xiàn)代大陸地殼的化學(xué)組成。
本方法存在的問題是,目前對于大陸地殼生長歷史的認(rèn)識差異較大,對不同地質(zhì)時(shí)期大陸地殼的原始物質(zhì)性質(zhì)的認(rèn)識也不盡相同。
(四)大陸地殼剖面法
20 世紀(jì) 70年代中期人們對阿爾卑斯造山帶等地的研究表明,造山作用可以使下地殼甚至上地幔的巖石大規(guī)模暴露到地表。出露地表的大陸地殼剖面是研究大陸地殼元素豐度的良好樣品。意大利的伊夫利亞 (Ivrea)帶是提出這一思想的發(fā)源地,也是大陸地殼剖面研究最詳細(xì)和最經(jīng)典的地區(qū)。人們對意大利南部的 Calabria帶、加拿大的 Kapuskasing隆起和南非Vredefort構(gòu)造帶等大陸地殼剖面也進(jìn)行了較深入的研究。
使深部大陸地殼剖面抬升至地表的機(jī)制仍不十分清楚,早期主要認(rèn)為與碰撞造山過程有關(guān),現(xiàn)在認(rèn)為抬升機(jī)制具有多樣性。如擠壓抬升 (compressional uplift):由逆沖斷層將深部地殼推至地表,是使深部地殼抬升的最常見機(jī)制,其一般模式見圖1-18。此外還有壓扭抬升 (transpressional uplift)和隕石撞擊抬升 (impactogenic uplift)等。
圖1-18 出露地表的大陸地殼剖面的一般模式
(據(jù)韓吟文等,2003)
大陸地殼剖面主要產(chǎn)生于碰撞造山帶 (如 Ivrea 帶和 Calabria 帶)、克拉通內(nèi)部 (如Kapuskasing隆起和我國華北克拉通的五臺-興和斷面)和島弧區(qū) (如Kohistan島弧)。
大陸地殼的角閃巖相—麻粒巖相巖石是不同地質(zhì)時(shí)期在中-下地殼條件下形成的,但不是所有出露的角閃巖相—麻粒巖相地體都能代表現(xiàn)今的中-下地殼。鑒別大陸地殼剖面的標(biāo)志為:
1)有規(guī)律的變質(zhì)分帶,由于不同深度條件下形成的巖石均連續(xù)出露地表,大陸地殼剖面應(yīng)展示出由低至高的規(guī)律性變質(zhì)分帶。
2)剖面中分布的麻粒巖形成于下地殼條件 (600～1400MPa)下。
3)由于下地殼巖石密度較大,磁性較強(qiáng),因此向著地表出露的下地殼巖石方向應(yīng)表現(xiàn)出明顯的重力和磁性異常。
4)地表出露的被確認(rèn)為下地殼的巖石可以直接延深至地殼深部 (圖1-18)。不同類型火成巖與地震波速之間的關(guān)系見圖1-19。根據(jù)地震波速與巖石類型和化學(xué)成分之間的關(guān)系,可由地震測深結(jié)果推測深部巖石組成。
5)產(chǎn)熱率自上地殼向下地殼降低。
已知地殼剖面中僅Ivrea帶和Kapuskasing隆起能夠滿足上述所有條件。
圖1-19 150MPa 壓力下侵入巖縱波 (v P )速度隨成分的變化
(據(jù)韓吟文等,2003)
(五)區(qū)域大規(guī)模取樣分析
在區(qū)域內(nèi)采集不同時(shí)代和不同類型巖石的代表性樣品,對所獲得的樣品進(jìn)行分析測試,然后按照各類巖石在區(qū)域內(nèi)所占的比例,求出該區(qū)域的元素豐度。由于是在地表采樣,嚴(yán)格說這種方法獲得的結(jié)果只代表地表或上地殼的元素豐度。本方法在基底巖石大規(guī)模出露區(qū)適用,在沉積蓋層發(fā)育區(qū)只能給出沉積蓋層的元素豐度。D.M.肖 (1967, 1986,1994)對8448 件樣品的研究,獲得了加拿大地盾的元素豐度。高山等 (1992, 1998)及鄢明才和遲清華 (1997)對大量樣品的研究,獲得了中國東部地殼的元素豐度。
(六)火山巖中深部地殼包體研究法
與地幔巖包體一起產(chǎn)于堿性玄武質(zhì)火山巖中的麻粒巖或角閃巖相包體來自地殼深處,如澳大利亞東部、美國亞利桑那州 Geronimo、德國 Eifel、法國 Massif Central 火山巖區(qū)以及我國女山和漢諾壩玄武巖中的麻粒巖包體。麻粒巖包體大多產(chǎn)于非克拉通地區(qū),其中許多產(chǎn)于顯生宙造山帶或裂谷區(qū)。
來自下地殼包體的鑒別標(biāo)志為:①包體形成于下地殼溫壓條件;②寄生火山巖具有原始巖漿成分,并含有二輝橄欖巖包體,說明寄主火山巖是從深部快速上升噴發(fā)的。反之,如果不存在二輝橄欖巖包體,寄主巖漿是演化的,說明巖漿曾在中-上地殼停留,可能發(fā)生分異;③各種減壓結(jié)構(gòu),鎂鐵相的優(yōu)先熔融和在石榴子石邊緣和裂隙中形成次生邊,指示包體是從地殼深處快速上升的。
包體來自下地殼最有力的證據(jù)是礦物同位素組成的均一化,使包體的年齡與寄主火山巖相同。然而,如果地溫較低,礦物在下地殼無法達(dá)到同位素均一化,此時(shí)若礦物變質(zhì)年齡與噴發(fā)年齡相同,也可以認(rèn)定包體是火山噴發(fā)時(shí)自下地殼帶來的。
(七)地球物理法
大陸地殼剖面和麻粒巖包體為研究下地殼提供了直接樣品,然而這兩類樣品的分布十分局限。地球物理測深是目前探測大區(qū)域地殼深部特別是中下地殼性質(zhì)最主要的方法。可以分為兩種方法:熱流法和地震波法。
1.熱流法
大陸地殼中的熱由兩部分組成,一是來自地幔的傳導(dǎo)熱 (約為 20mW·m-2 );二是大陸內(nèi)部由于放射性衰變產(chǎn)生的熱。
熱流以熱傳導(dǎo)的方式穿過巖石圈,其數(shù)值可以通過測量如鉆孔和礦井中的地溫梯度通過計(jì)算得出。大陸地殼的平均熱流為 60mW·m-2。控制熱產(chǎn)生的方程等同于控制擴(kuò)散化學(xué)遷移方程 (Fick's First Law)
地球化學(xué)
式中:Q為處在一定深度z的熱流;
大陸地殼的一部分熱流產(chǎn)生于地殼中K、U和Th的放射性衰變,其他放射性元素因其放射性衰變元素的含量很低對地殼的熱產(chǎn)生貢獻(xiàn)很小。根據(jù)地殼中K、U、Th 豐度計(jì)算它們產(chǎn)生的熱量,其值大于從地殼表面觀察這些元素在整個(gè)地殼中均勻分布而留在地殼中的熱量值,表明這些元素的豐度必定隨深度的增大而降低,加之K、U、Th 等元素的豐度與巖石類型有關(guān) (表1-31),且由于地幔熱流的變化,使得該問題復(fù)雜化。另外,熱流隨大地構(gòu)造年代變化極大 (圖1-20)。研究表明,大陸地殼是由巖漿作用形成的,它最初是熱的,然后逐漸變冷,以后周期性的巖漿作用也會加熱地殼。此外,圖1-20中所見熱流的變化也可以代表不同厚度的巖石圈。巖石圈就是一個(gè)熱傳導(dǎo)邊界層,所以巖石圈厚度越大,來自于地幔頂部的熱流越少。Nyblade & Pollack (1993)指出,老的太古宙地殼下伏的巖石圈厚度特別大,這一觀點(diǎn)也得到地幔包體地質(zhì)年代學(xué)和溫度壓力計(jì)研究的支持。
表1-31 各種巖石中的U、Th 和K的豐度和熱產(chǎn)生
(據(jù) White,2013)
圖1-20 作為構(gòu)造年齡函數(shù)熱流的變化
(據(jù) White,2013)
曲線Ⅰ為地殼中放射性元素產(chǎn)生的熱;曲線Ⅱ?yàn)闃?gòu)造作用伴隨的熱擾動(dòng);曲線Ⅲ為源自深部的背景熱
圖1-21 測量的地震波速 (v P )與SiO2 含量的關(guān)系
(據(jù)Rudnick et al.,1995)
在已知地表熱流的情況下,通過對產(chǎn)熱元素分布和熱結(jié)構(gòu)的模擬研究可以制約地殼物質(zhì)組成。Guillou et al.(1994)正是根據(jù)這一方法研究了加拿大 Abitibi 帶的地殼結(jié)構(gòu)和巖石組成。
2.地震法
地震波的縱波速度 (vP)和橫波速度 (vs )與巖石化學(xué)組成之間存在對應(yīng)關(guān)系,折射(refraction)地震法能給出不同深度的地震縱波和橫波速度,因此比其他地球物理方法更直接,是研究深部地殼物質(zhì)組成的主要手段。由圖1-21所示,隨著SiO2 含量降低,巖漿巖由酸性巖至超基性巖縱波速度逐漸增大,鎂鐵質(zhì)礦物比長英質(zhì)礦物具有更高的波速。
如同地殼厚度一樣,地震波速剖面因地而異變化很大。Rudnick & Fountian (1995)考察了全球剖面數(shù)據(jù)庫,可以將地殼分為3層,速率結(jié)構(gòu)分為9種類型(圖1-22)。
圖1-22 大陸地殼的地震速率結(jié)構(gòu)圖
(據(jù)Rudnick et al.,1995)
n為構(gòu)筑該類結(jié)構(gòu)圖所使用的剖面數(shù)目
由于地震速度的變化與巖石的組成有關(guān),為估算地殼的組成,Rudnick and Fountian (1995)對于剖面指定了一個(gè)平均巖性,然后使用下地殼包體組成的數(shù)據(jù)庫作為每種巖性的組成。通過考察每類地殼剖面的范圍,做出了中下地殼元素豐度的估算。表明中地殼的組成相當(dāng)于安山巖,在中地殼的溫度壓力下這種巖石可能是主要由角閃石和斜長石組成的角閃巖。而下地殼組成相當(dāng)于拉斑玄武巖,在變質(zhì)術(shù)語上稱為鎂鐵質(zhì)麻粒巖。
然而,巖石的地震波速不僅受礦物和巖石化學(xué)組成的影響,同時(shí)還受溫度、壓力、礦物的各向異性、巖石組構(gòu)和流體等多方面因素制約,因而地震測深資料的解釋是多解的。深部巖石高溫高壓下物理性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)研究及地球化學(xué)示蹤研究是進(jìn)一步約束深部地球物理測深解釋的主要方法。
組成地殼的主要物質(zhì)是什么?
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地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為哪三層
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疏勒縣精鏜： ______ 大陸地殼厚度大,有硅鋁層和硅鎂層組成.大洋地殼厚度小,由硅鎂層組成. 地球是由:地殼、地幔、外地核、內(nèi)地核組成的. 40km屬地殼40~2890km屬地幔2890~5150km屬外地核5150~6378km屬內(nèi)地核 海洋的地表上面很深都是水,比起陸地,它缺失了很深的一部分地殼元素,加上地球是個(gè)球體,它本身就不能“失重”,它應(yīng)該維持平衡才對,陸地上沒有的,海洋用水來填補(bǔ).
疏勒縣精鏜： ______ 從18世紀(jì)開始科學(xué)考察深入地下,通過地震波記錄獲得的地球物理資料揭示固體地球是由不同圈層構(gòu)成的.人們認(rèn)識到地球不是一個(gè)均質(zhì)體,地球在其曲折動(dòng)蕩的46億年里形成了一套包括地核、地幔和地殼在內(nèi)的復(fù)雜系統(tǒng).地球圈層分為地球外...
疏勒縣精鏜： ______[答案] 殼根據(jù)厚度和組構(gòu)分為大陸地殼和大洋地殼.平均厚度為16公里,體積為地球體積的0.8%.根據(jù)成分分為上地殼(硅鋁層)和下地殼(硅鎂層),硅鋁層亦叫花崗質(zhì)層,主要組成元素為O、SI、AI等,只分布在大陸地殼上.硅鎂層亦叫玄武質(zhì)層,組成元...
疏勒縣精鏜： ______ 由數(shù)以億計(jì)的隕石組成的
疏勒縣精鏜： ______ 地球內(nèi)部狀況,我們無法直接觀察.但人類可以根據(jù)地震波在地球內(nèi)部介質(zhì)傳播過程中的規(guī)律進(jìn)行推測和分析. 地球的外層是地殼,地殼之下由外向里分別為地幔和地核.他們的分層結(jié)構(gòu)就象雞蛋的蛋殼、蛋清和蛋黃.地核又分為內(nèi)地核和外地核.外地核呈液體熔融狀態(tài),主要由鐵、鎳及一些輕元素組成,它們可以流動(dòng)(對流),這層液態(tài)外核為內(nèi)核的旋轉(zhuǎn)提供了條件.內(nèi)核呈固態(tài),成分以鐵為主,內(nèi)部壓力極大,溫度極高. 地殼的平均厚度30-40公里 地幔的厚度約2900公里 地核的半徑約3400公里
疏勒縣精鏜： ______ 固態(tài)的地殼厚度變化頗大,海洋地區(qū)的地殼較薄,平均約7公里厚;而大陸地殼就厚得多,平均約40公里厚; 地函也是固態(tài),不過在它上部有一層極小部分熔融的區(qū)域,稱為軟流圈 ,其上的地函最頂部及整個(gè)地殼則稱為巖石圈 ;至于外地核是...
