地球化学课件4第1章二、地球的结构和化学成分3-谢财富

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1、二、地球的结构和化学成分(三).地幔的组成与化学成分地幔是地球最大的层圈，体积占地球83%，质量占67%.地幔地球化学自20世纪70年代以来有了长足发展，特别是90年代后地球动力学研究的兴起，使地幔及壳幔相互作用研究成为当前地学的前缘与热点。(三).地幔的组成与化学成分1.地幔的结构与岩石矿物组成上地幔B（10-400）、过渡层C（400-1000）、下地幔D三层布伦（1975）地壳：密度ρ2.8-3.3g/cc；组成矿物石英，长石，辉石，60-65％SiO2地幔：ρ3-5g/cc橄榄石，辉石，尖晶石，45％SiO2软流圈：50～2

2、50km2890km5120km地核：ρ10-13g/ccFe-Ni合金，1％SiO21.地幔的结构与岩石矿物组成（1）地幔岩模型（两个模型）(2)地幔低速层（1）地幔岩模型★模型1-橄榄岩地幔岩模型Pyrolitemodel:Ringwood(1962)提出可以用模式橄榄岩（3份橄榄岩+1份玄武岩）代表整个地幔的成分（“地幔岩Pyrolite”），并根据高温高压实验成果提出一个完整的橄榄岩相转变系列可以解释地幔中主要地震波（剪切波Shear、压缩波Pressure）两个不连续面性质，即将地幔划分为三个带（上地幔、过渡带、下地幔），

3、各带之间均为等化学的相转变关系（1）地幔岩模型-模型1①上地幔（从Mohorovic面到350km深度）由橄榄石olivine+斜方辉石enstenite+单斜辉石clinopyroxene+石榴子石garnet组成。②过渡带transitionzone(350~900km)：地幔岩Pyrolite发生相转变，伴随密度改变，引起地震波的不连续，350~400km的地震波不连续面与（α-）橄榄石→β相-Mg2SiO4（类尖晶石结构）、γ-橄榄石（尖晶石结构），辉石→石榴子石复杂固熔体的相变带对应。670km深处地震波不连续则与辉石、γ

4、-橄榄石（尖晶石结构）转变为钛铁矿ilmenite结构和钙钛矿perovskite结构的相变相吻合。③下地幔(900~2700km)是结构极为紧密的Mg、Fe硅酸盐矿物组合（如钙钛矿结构CaTiO3等）。(Mg、Fe)SiO3MgSiO3顽火辉石（斜方晶系），钙钛矿结构CaTiO3（等轴晶系）Mg2SiO4镁橄榄石（斜方晶系）,尖晶石结构Mg2AlO4（等轴晶系）钙钛矿结构四面体四面体和八面体八面体（3）高温高压实验所得到的辉长岩-榴辉岩相转变线与莫霍面深度不吻合。该模型已被许多研究者接受，并在此基础上提出双层地幔地球化学模型，认为

5、地幔由亏损的上地幔和接近原始地幔成分的下地幔组成（670km为分界面）不足：不能说明火山岩中大量挥发分的来源（没涉及交代富集的问题）（1）地幔岩模型★模型2-榴辉岩橄榄岩互层地幔模型eclogite–peridotitemodelAnderson(1979,1982)根据地震波速和密度计算发现，220~670km深度之间“地幔岩”（模式橄榄岩）的Vp、Vs计算值与实际的地震波Vp、Vs不一致，而橄榄榴辉岩的计算值则与实测Vp、Vs一致，而且橄榄岩地幔岩的相转变所造成的密度和波速变化与400和670km处两个地震波不连续面的实际变化不

6、吻合，因此他提出了一个新的地幔模型--榴辉岩橄榄岩互层模型，将地幔自上而下划分为三层：①“富集”的橄榄岩上地幔（从Moho面到220km深度）；②“亏损”的橄榄岩-榴辉岩过渡带(220~670km)；③“亏损”的橄榄岩下地幔。1.地幔的结构与岩石矿物组成(2)地幔低速层①低速层的性质和特点低的地震波速高的电导率高的热流值低速层越浅，热流值越大TNA与ATL可能反了高导层深度与热流值的关系(2)地幔低速层②地幔低速层的成因部分熔融正常增温曲线(三).地幔的组成与化学成分2.地幔的化学成分（1）地幔物质组成的研究方法(2)原始地

7、幔成分的确定(3)上地幔和下地幔的化学成分(三).地幔的组成与化学成分2.地幔的化学成分（1）地幔物质组成的研究方法①火山岩管中地幔岩包体或蛇绿岩中的变质橄榄岩②高温高压下矿物岩石地震波速和密度的测量、相变及熔融实验③地球物理资料：了解地幔密度、弹性、粘度、热状态等性质，更好限定地幔的岩石学模型（与橄榄岩、榴辉岩正好相符）④岩浆地幔源区地球化学示踪研究⑤与陨石及天体（如月球）对比法(三).地幔的组成与化学成分(2)原始地幔成分的确定★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（地核、地幔关系）b.挥

8、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e.亲铜元素