地球的化学演化.ppt
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1、1,第九章 地球的化学演化,本章内容,地球的形成和早期分异地壳的形成与演化大气圈和水圈的演化生物圈的演化与生物地球化学循环全球性变化,2,一、地球的形成和早期分异,地球形成的两种观点:1、炽热气态星云物质凝聚而成;2、冷的宇宙尘星云中的固态质点星子通过吸积作用形成。(星子积吸形成假说),3,康德-拉普拉斯星云说 太阳系的星球的物质,在初时都为大量基本微粒,充满整个的宇宙空间,现在已形成的星体就在这空间中运转”。他认为是万有引力的作用,使这些原始弥漫的星云物质逐渐分别凝聚,形成了包括地球在内的太阳系的各天体。,4,康德-拉普拉斯星云说 太阳系的星球的物质,在初时都为大量基本微粒,充满整个的宇宙空
2、间,现在已形成的星体就在这空间中运转”。他认为是万有引力的作用,使这些原始弥漫的星云物质逐渐分别凝聚,形成了包括地球在内的太阳系的各天体。,5,康德-拉普拉斯星云说 太阳系的星球的物质,在初时都为大量基本微粒,充满整个的宇宙空间,现在已形成的星体就在这空间中运转”。他认为是万有引力的作用,使这些原始弥漫的星云物质逐渐分别凝聚,形成了包括地球在内的太阳系的各天体。,6,斯密特俘获说 原始太阳随银河系公转,在经过有大量星际物质弥漫的空间时,将它们吸引在周围,成为行星的物质来源的,用外来物质形成包括地球在内的九大行星。,7,布逢碰撞说 银河系中一颗快速运动的恒星撞击原始太阳,溅起大量物质成为行星的物
3、质来源的,积聚形成包括地球在内的九大行星。,8,金斯潮汐说 在另一颗恒星经过太阳旁边时,把太阳物质吸引出来形成一条状星云,后来此条状星云在环绕太阳旋转中,分裂凝聚增大密度而成行星。,9,原始地球化学分异重力能+撞击动能+放射性热能使原始地球熔融(位能)40K 26Al Fe的熔化温度在地球形成后 600Ma于几百公里深度即可达到。原始地球金属铁熔融后逐渐汇聚成“巨滴”由于重力原因,向地心沉没,同时产生大量的位能转化的热能,使地球内部温度高达2000。巨滴熔铁沉没时间约需105年。与此同时,较轻的硅酸盐上浮、形成地幔;地幔部分熔融,又分异出玄武质岩浆、岩浆结晶分异,形成中酸性岩以上的地壳岩石,故
4、地壳中岩石最大年龄不超过40亿年。在分异中,元素分配受其密度和原子量的影响较小,主要是受其硅酸盐、硫化物、金属相的影响。,10,尘埃向中心聚集的过程中,由于引力的作用,体积收缩,压力加大,会释放出大量的热量。放射性元素的蜕变和陨石的撞击,也都要放出热能。地球物质处于热的熔融状态。,地球内部圈层的形成,11,重力的作用与高温的影响,地球里面的物质发生部分熔融,使重者下沉,轻者上浮,出现了大规模的物质分异和迁移,形成了从里向外,物质密度从大到小的圈层结构。铁和镍比较重,向中心聚集地核。较轻的硅酸盐物质形成地幔和地幔之上的地壳。,地球内部圈层的形成,12,最初大气圈的成分主要是水蒸汽,还有一些二氧化
5、碳、甲烷、硫化氢和氯化氢等。直到距今38亿年前,地球上的大气仍是缺氧和呈酸性的随着时间的流逝,地球上的温度逐渐降低(低于100C),大气中的水蒸汽陆续凝结出来,形成广阔的海洋(水圈)。,地球外部圈层的形成,13,最初大气圈的成分主要是水蒸汽,还有一些二氧化碳、甲烷、硫化氢和氯化氢等。直到距今38亿年前,地球上的大气仍是缺氧和呈酸性的随着时间的流逝,地球上的温度逐渐降低(低于100C),大气中的水蒸汽陆续凝结出来,形成广阔的海洋(水圈)。,地球外部圈层的形成,14,大约到27亿年前,游离氧在海洋中出现。绿色植物的大量繁殖,更加快了大气和海洋环境的变化,使其有利于高等喜氧生物的发展。到27亿年前生
6、命加速发展,海洋中的生物迅速繁荣起来(化石证据较多)。,地球外部圈层的形成,15,二、地壳的形成和演化,壳幔相互作用的方式主要表现为通过地幔部分熔融形成的岩浆构成新生地壳,再由地壳通过不同方式(俯冲、拆沉等)回返,地幔并且有一部分回返地幔的地壳物质可经部分熔融岩浆再循环进入地壳。地壳内部的物质分异和演化主要涉及下地壳岩石变质脱水形成的溶液和部分熔融产生的岩浆向上地壳的运移,以及上地壳物质(沉积物、火山岩和长英质侵入岩)通过深埋和深构造运动向地壳深部的回返。,16,二、地壳的形成和演化,地壳的成因有三大假说:地球不均匀积吸说、撞击成因说和地球成因说。地球成因说的支持证据:(1)月球表面古老岩石的
7、化学成分和结构构造证明早期的月壳是岩浆作用的产物,原始地壳应有相似的成因;(2)在积吸过程晚阶段或其后,地球上有足够的能量可使上地幔发生部分或整体熔融,当时地壳出现的范围取决于发生熔融的地幔的规模;(3)已发现的最古老地壳的年龄为42亿年,它主要由英云闪长质片麻岩组成,已发现这些片麻岩中含有科马提岩和玄武岩(角闪岩)的碎片,其中一些可能是洋壳的残留体。,1、原始地壳的成因,17,二、地壳的形成和演化,2、原始地壳的成分,至今未发现原始地壳残留体,通过与月球和行星类比,借鉴太古宙早期的地质记录及地球地热梯度,并通过岩石部分熔融实验研究等间接途径来进行推断。长英质岩石模型、钙长石模型、科马提岩玄武
8、岩模型Taylor和Mclennan(1985)提出行星早期成壳的两种模型。一种类型:早期行星内部大规模熔融(全熔)形成岩浆洋,随后岩浆发生分异结晶,橄榄石和斜方辉石晶出并在岩浆中下沉(成为堆积岩)中这些钙长石上浮将形成钙长岩质的原始地壳。另一类型:早期的壳是通过行星幔的部分熔融所派生的岩浆固结形成的。,18,二、地壳的形成和演化,2、原始地壳的成分,Taylor和Mclennan(1985)提出科马提岩玄武岩模型的主要依据:(1)地幔部分熔融形成的岩浆是含水的,在这种岩浆中结晶出的钙长石不肯能上浮形成地壳,同时,在地球条件下斜长石的稳定线约在40Km深度上,因此发生于该深度以下岩浆中的任何对
9、流都会阻止钙长石的形成;(2)地球早期具有的高热量状态可使地幔发生较高程度的部分熔融,产生科马提岩或玄武质岩浆,地球上已发现的最古老的玄武岩的Sm-Nd同位素组成显示岩浆来自亏损地幔源区,表明很早就有亏损地幔存在,并暗示此前已有大量玄武岩浆来自地幔进入地壳。,19,二、地壳的形成和演化,3、洋壳的形成,地球在积吸过程后的第1个50Ma内就发生脱气,则大洋在很早时期就广泛分布地表。早期洋壳必定通过某种方式快速形成或快速再循环返回地幔,是一种合理的和有一定根据的设想。如:中国华北克拉通太古宙玄武岩的Nd(t)值3.52.5Ga长达10亿年的期间一直稳定在3左右。对于太古宙长期稳定的Sm-Nd体系的
10、最可能解释是:由于太古宙地壳及时再循环返回地幔,从而抑制了亏损地幔Nd(t)随时间的增长。,20,二、地壳的形成和演化,4、陆壳的形成与早期发展,富水是地球上能大量产生花岗岩质陆壳的基本原因。板块构造洋壳向地幔回返消减的机制。主要证据:(1)太古宙早期(3.83.9Ga)的陆壳主要由长英质片麻岩组成,属于英云闪长岩、奥长花岗岩和花岗闪长岩的变质产物(TTG片麻岩),含科马提岩和玄武岩(角闪岩)等表壳岩的残留体。(2)在地质记录中真正意义的花岗岩在3.0Ga之后才出现,在 2.6Ga之后才广泛分布和具有重要意义;(3)太古宙英云闪长岩和花岗闪长岩在多数不相容元素分配上,尤其在原始地幔标准化微量元
11、素的组成模式图中现实负Ta-Nb异常,这与太古宙形成与板块会聚带的同类岩石十分相似;,21,二、地壳的形成和演化,4、陆壳的形成与早期发展,主要证据:(4)太古宙英云闪长岩是在富水条件下通过沉降板块中角闪岩或榴辉岩的部分熔融形成的,而后太古宙长英质岩是在相对干的条件下玄武岩岩浆经分异结晶的产物;(5)地温梯度在4.0Ga之前是绝热的,地球产热量随时间减少;(6)地幔对流大概在行星吸积过程的晚期阶段就开始了;(7)大陆地壳于2.73.0Ga期间曾发生快速增生,此后克拉通化成为重要地质事件;(8)在2.7Ga前后,大陆可能通过微陆块的碰撞聚集成几个超大陆。,22,二、地壳的形成和演化,4、陆壳的形
12、成与早期发展,科马提岩、玄武岩、英云闪长岩和花岗岩,Condie提出了太古宙陆壳的发展模式,(1)地球最初的50-100Ma期间,地幔发生强烈地熔融,逐渐形成了地核,由于绝热地温梯度的建立,以及地幔大规模脱气,从而产生了大气圈和海洋。,23,二、地壳的形成和演化,4、陆壳的形成与早期发展,(2)大约于4.0Ga前,洋壳和岩石圈由一系列洋脊和沉降消减带构成,并且板块被科马提岩向地幔沉降所驱动,这就是早期的地壳快速与地幔发生的物质再循环。,24,二、地壳的形成和演化,4、陆壳的形成与早期发展,大约于3.0Ga前,沉降带的冷却导致了玄武岩高原根部向榴辉岩转变,并引发灾变性地向地幔拆沉。,大约于2.5
13、Ga前,岩浆弧通过碰撞拼合成几个较大的陆块。2.42.6Ga期间,伴随着这些大陆克拉通化,大陆下地壳(主体为TTG片麻岩)的部分熔融产生了大量花岗岩岩浆,向上侵入形成以英云闪长岩为主体的上地壳。这标志着首批克拉通的形成,克拉通化的实质是:下地壳和岩石圈的脱挥发分作用及壳内的熔融作用。,25,二、地壳的形成和演化,5、地壳的化学演化,(1)上地壳的成分,第一种方法:对出露不同时代的各种陆壳岩石进行广泛取样,估计各时代地壳平均成分。第二种方法:利用克拉通区的泥岩样品代表各时代地壳平均成分。实际只能获得代表上地壳的平均成分。,26,二、地壳的形成和演化,5、地壳的化学演化,(2)全球沉积岩总体成分的
14、变化,太古宙富Ni和Gr,低W(K)/(Na)和W(87Sr)/W(86Sr),27,三、大气圈和水圈的演化,1、大气圈和大洋的成因,大气圈成因的三种假说:(1)积吸形成后的地球留住了残留宇宙气体;(2)地球外来气体,如彗星带入;(3)地球脱气形成。,主要证据:40Ar的宇宙丰度相对于39Ar的宇宙丰度是极小的,地球的40Ar全部是地球岩石中40K放射性衰变的产物。39Ar代表了原始宇宙气体的残留部分,40Ar代表了地球脱气产生的部分。,28,三、大气圈和水圈的演化,1、大气圈和大洋的成因,大气圈成因存在的问题:(1)地球脱气前是否存在一个原始的大气圈?(2)原始大气圈是如何丧失的?,撞击诱发
15、脱气形成原始大气圈模型:星子积吸形成地球的过程中,星子高速撞击使星子和成长着的地球双方温度和压力增高,导致两者的脱气,从而形成一个由撞击诱发的“蒸汽”大气圈。积吸过程结束时,由于温度降低,这种“蒸汽”大气圈凝聚形成原始大洋,其规模接近现代大洋。,29,三、大气圈和水圈的演化,2、早期大气圈的成分,火山作用是最重要的方式。过剩挥发分:通过质量平衡计算,将大气圈、水圈、生物圈和沉积物中挥发分的总和中超过地壳风化作用所能提供的部分称之为“过剩挥发分”。,30,三、大气圈和水圈的演化,2、早期大气圈的成分,金属铁对早期脱气的影响:(1)如果早期地幔存在金属铁,则应有大量H2、CO和CH4及少量CO2、
16、H2O、H2S和N2。(2)如果不存在金属铁,则大量放出CO2、H2O和N2及少量H2、HCl和SO2。有证据表明地核形成于积吸过程的晚期阶段,最初的大气圈很可能主要由CO2、H2O和N2组成。,撞击诱发成因者认为:最初大气圈主要由H2、CO、N2组成,与金星现代大气成分相似。,可以肯定的是:地球早期大气富CO2和H2O。证据:当时存在流动的水和导致温室效应的CO2,以及金星和火星大气圈主要由CO2组成等等。,31,三、大气圈和水圈的演化,3、早期的大洋,水蒸汽凝聚而成早期含有酸性物质,pH7,由于Na、Mg、Ca、Fe等离子加入,变为近中性(pH为89)。,早期大洋演化历史的证据(1)太古宙
17、早期绿岩系主要由镁铁质火山岩和火山碎屑岩组成;(2)太古宙化学沉积岩和矿石在类型和组合上可同现代海底热液成岩成矿相对比;(3)太古宙海相碳酸盐(方解石)与新生代海相方解石相比,显示出富Mn2和Fe2,贫w(18O)w(16O),以及低的w(87Sr)w(86Sr)比值(接近地幔)的特征。受到幔源的影响,32,三、大气圈和水圈的演化,4、大气圈海洋系统的演化,4.1 年轻昏暗太阳的难题,4.5Ga前太阳亮度较弱,只相当于现今的2530,按照这样的太阳亮度变化,如果地球历史中的大气圈与现今大气圈的特征相似,则地表的平均温度应该一直保持在冰点之下,直到2Ga前为止。实际上,3.8Ga前形成了沉积岩证
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