GM3礦物的時空分布 (2).ppt

1、Chap.3 礦物的時空分布,3.1 礦物的形成,1. 礦物的形成（ Mineral Formation ）,Crystallization from a magma quartz, feldspar, mica in granite Crystal growth in the solid state mica, garnet, feldspar in schist Precipitation from solution calcite in marine organism shells silica in agate,agate,Mineral Classification,About 3,

2、500 different minerals on Earth! We limit our attention to a few common types - most of Earths composition? Silicates: Si+ & O2-, combined w/ cations. Carbonates: Ca2+, Mg2+, & (CO3 )2- Oxides: O2- & metallic cations Sulfides: S2- & metallic cations Sulfates: (SO4)2- & metallic cations Halides: Cl-,

3、 F-, Br-, I- & cations Hydroxides: (OH)- & cations Native Elements: e.g., Cu, Au, etc.,Important Mineral Groups,OlivineSi, Fe, Mg PyroxeneSi, Fe, Mg, Ca AmphiboleSi, Ca, Mg, Fe, Na, K MicasSi, Al, K, Fe, Mg FeldsparsSi, Al, Ca, Na, K CarbonatesC, Ca, Mg EvaporitesK, Cl, Ca, S,NameImportant constitue

4、nts,(other than O),礦物的形成取決于化學(xué)元素的豐度 和 元素的地球化學(xué)性質(zhì)。,（1） 地殼中化學(xué)元素的豐度 1）元素克拉克值（clarke）：各種化學(xué)元素在地殼中的 平均含量（即元素在地殼中的豐度）之百分?jǐn)?shù)。 質(zhì)量百分?jǐn)?shù)（weight percent）：質(zhì)量克拉克 原子百分?jǐn)?shù)（atom percent）：原子克拉克 2）地殼中化學(xué)元素的分布特征 a）元素分布的極不均勻性 豐度最大者：O46.6% 豐度最小者：Rn710-16 % b）地殼的主要化學(xué)組成為 O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K 、Mg、H、Ti 等十種。,Crust Whole Earth Oxygen (O)

5、46.3 %29.5% Silicon (Si)28.2%15.2% Aluminum (Al)8.2%1.1% Iron (Fe)5.6%34.6% Calcium (Ca)4.1%1.1% Sodium (Na)2.4%0.6% Potassium (K)2.1%0.1% Magnesium (Mg)2.3%12.7% Titanium (Ti)0.5%0.1% Nickel (Ni)trace2.4% All otherstrace2.6%,Abundance of the Elements (wt. %),Others: Hydrogen (H), Carbon (C ), Sulfu

6、r (S), Mangenese (Mn), Lead (Pb), Uranium (U), Argon (Ar), Phosphorous (P), Zirconium (Zr),前表說明： a）前8種元素豐度最高，占地殼成分的99%以上， 是地殼中各類巖石的基本成分。 b）含氧鹽和氧化物礦物分布最廣， 硅酸鹽礦物占總種數(shù)的24%，占地殼總重量的3/4； 氧化物礦物占礦物種總數(shù)14%，占地殼總重量的17%。 c）從原子角度看，地殼由氧陰離子堆積而成， 金屬陽離子充填在其空隙中。,常見8種元素的豐度與礦物種數(shù)關(guān)系,（2）元素的地球化學(xué)性質(zhì) 聚集元素：豐度很低，但趨于集中，形成 獨(dú)立的礦物種，甚

7、至富集成礦床。 如 Sb、Bi、Hg、Ag、Au等。 分散元素：豐度遠(yuǎn)比聚集元素高，但趨于分散，很少能形成獨(dú)立的礦物種，而常常作為微量的類質(zhì)同象混入物賦存于主要由其他元素所組成的礦物中。如 Rb、Cs、Ga、In、Sc等。,不同礦物在地球中就位， 空間位置 溫壓位置 礦物的空間分布與地球內(nèi)部各圈層 的物質(zhì)成分和物理狀態(tài)有密切的關(guān)系。,3.2 礦物的空間分布,地球內(nèi)部溫度（t）、壓力（P）的總體變化是深度（h）的函數(shù)。 在不同的帶內(nèi)，由于物質(zhì)成分和物理狀態(tài)存在明顯差異，因而導(dǎo)致所形成的礦物種類及數(shù)量存在巨大差別。 地球礦物學(xué)模型(E.K.拉扎連柯) 礦物的穩(wěn)定域由礦物反應(yīng)平衡線 限制。,1、地球

8、礦物學(xué)模式 地核：內(nèi)地核：金屬氫化物和碳化物 外地核：金屬、金屬氧化物和碳化物混合 地幔：下地幔：均質(zhì)狀態(tài) 地幔過渡帶：礦物相變 上地幔：地幔巖（Pyrolite） (橄欖石、斜方輝石、透輝石-硬玉、鎂鋁榴石),-Q -Q 科石英形成條件：35108Pa，500-800 斯石英形成條件：125108Pa 1200-1400,金屬及金屬氫化物及碳化物之混合物,地球礦物學(xué)模型,2. 地球礦物在空間分布的一般規(guī)律 迄今已知的礦物有3000多種，大多分布在地殼中。 礦物種的最少數(shù)量分布于高溫和高壓條件下形成的地質(zhì)體中。 地表外生成礦作用所形成的礦物數(shù)量，顯著多于地殼內(nèi)生成礦作用的礦物數(shù)量。 地球從地核

9、 地幔 地殼，礦物種數(shù)及數(shù)量不斷趨向增多；地殼部分從深部到淺部，礦物種數(shù)及數(shù)量亦不斷增多。,3、地殼部分 地殼中礦物在橫向（洋殼和陸殼）上具有區(qū)域性差別， 陸殼在縱向上的分布特征：從玄武巖層花崗巖層 變質(zhì)巖層沉積巖層，礦物種和數(shù)量都不斷增多。 （1）溫壓范圍分布 silicates： 地殼中，按t由低 高， 礦物排列的順序： 蒙脫石 高嶺石 葉蠟石 絹云母 白云母 微斜長石 透長石 滑石 綠泥石 黑云母 普通角閃石 斜方輝石,（ 2）不同巖石類型中的礦物分布 巖漿巖 沉積巖 變質(zhì)巖 Q 石英 12.4 30.0 18.3 Fsp 長石 60.0 9.0 27.5 mica 云母 3.8 23.

10、0 30.9 Am 角閃石 1.7 2.2 Px 輝石 12.0 7.1 高嶺石 12.0 0.7 蒙脫石 5.5 ,玄武巖層： 主要成分相當(dāng)于輝長巖和玄武巖類，主要分布于洋殼和陸殼的底部。 在該層底部，由于溫度和壓力的增高，輝長巖類可能變成麻粒巖。 基性超基性巖中的主要礦物： 橄欖石、輝石、角閃石、石榴石、斜長石、鉻鐵礦、銅鎳硫化物、鉑族元素、金剛石、自然鉻等。,花崗巖層： 主要包括各種長英質(zhì)的巖漿巖和變質(zhì)巖組成。主要分布在陸殼的上層，洋殼則缺乏。 花崗巖類巖石的主要礦物：石英、堿性長石、斜長石、黑云母、鋯石、褐簾石、獨(dú)居石等。 花崗偉晶巖：長石、石英、云母、晶質(zhì)鈾礦、錫石、黃玉、綠柱石、電

11、氣石、鈮鉭鐵礦等。長石以堿性長石為主，包括正長石、微斜長石和鈉長石，廣泛發(fā)育的是條紋長石。云母以2M1型白云母最普遍。,變質(zhì)巖層： 一些巖漿巖和沉積巖在地殼內(nèi)部由于受到溫度、壓力以及化學(xué)活動性流體的作用，往往使其礦物組合和結(jié)構(gòu)構(gòu)造被重新改造，從而轉(zhuǎn)變成在新的地質(zhì)環(huán)境中平衡穩(wěn)定的各種類型的變質(zhì)巖。變質(zhì)巖層約占地殼總體積的27.4%，它們的成分受原巖成分的制約，主要分布在陸殼。 在論述區(qū)域變質(zhì)巖中礦物的分布時，必須結(jié)合物質(zhì)來源、原巖性質(zhì)和變質(zhì)條件來具體分析。,變質(zhì)作用中的礦物共生組合,沉積巖層：富H2O 、CO2有機(jī)質(zhì)、S、Cl、B、F 殘留風(fēng)化殼：主要是含水的氧化物和氫氧化物，如：褐鐵礦、鋁土礦

12、、硬錳礦、高嶺石等。 淋濾形成的次生富集帶：輝銅礦、銅藍(lán)等 機(jī)械沉積砂礦：自然金、自然鉑、金剛石、獨(dú)居石、鋯石等 化學(xué)沉積巖（含鹽層）:石鹽、鉀鹽、芒硝、鉀鹽鎂礬、石膏、硬石膏 濱海淺水沉積巖：硬錳礦、軟錳礦、水錳礦、菱錳礦 海相地層碳酸鹽巖：方解石、白云石,4、地幔部分 壓力 P（或深度）由小 大， 礦物排列的順序： 鐵鋁榴石 Alm 紅柱石 And & 硅線石Sill 藍(lán)晶石 Ky 鎂鋁榴石Pyr 硬玉Jd 石墨Gp 金剛石Dm 科石英Coes 鎂橄欖石Fo 頑火輝石En 似尖晶石Dsp 尖晶橄欖石Rw 斯石英Stis 方鎂石Per,地幔部分： 壓力 P（或深度）由小至大礦物排列的順序：

13、鐵鋁榴石 Alm 紅柱石 And & 硅線石Sill 藍(lán)晶石 Ky 鎂鋁榴石Pyr 硬玉Jd 石墨Gp 金剛石Dm 科石英Coes 鎂橄欖石Fo 頑火輝石En 似尖晶石Dsp 尖晶橄欖石Rw 斯石英Stis 方鎂石Per 在相當(dāng)于4001000km深度的 溫度和壓力條件下，上地幔的主要 礦物如鎂橄欖石、輝石和石榴石等不穩(wěn)定，將轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌某示o密結(jié)構(gòu)的氧化物礦物組合。,在10002900km深度的下地幔范圍內(nèi)，卻沒有相變作用發(fā)生。,F. Birch（1952）認(rèn)為： 在相當(dāng)于4001000km深度的 溫度和壓力條件下，上地幔的主要 礦物如鎂橄欖石、輝石和石榴石等不穩(wěn)定，將轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌某示o密結(jié)構(gòu)的氧化

14、物礦物組合。 而在10002900km深度的下地幔 范圍內(nèi)，卻沒有相變作用發(fā)生。,1960年以來，一些研究者先后通過實(shí)驗(yàn)和來自金伯利巖中深源包體和玄武巖中深源捕虜體的研究，證明了Berch關(guān)于地幔內(nèi)礦物相變規(guī)律的假設(shè)。,（1）上地幔 上地幔的化學(xué)組成為超MgFe質(zhì)的， 地幔巖： 3份橄欖巖 + 1份玄武巖 所組成的混合物,地幔巖的主要造巖礦物： 鎂橄欖石Fo 輝石：頑火輝石、透輝石 上地幔礦物的 石榴石：Pyr（鎂鋁榴石） 9599%,據(jù)統(tǒng)計(jì)，在150350 km深度范圍內(nèi)， 這些穩(wěn)定礦物的質(zhì)量百分比為： 橄欖石Ol (Mg,Fe)2SiO4 57% 斜方輝石OPx (Mg,Fe)SiO3 1

15、7% 單斜輝石CPx：透輝石Di 硬玉Jd CaMgSi2O6-NaAlSi2O6 12% 鎂鋁榴石Pyr (Mg,Fe,Ca)3(Al,Cr)2Si3O12 14%,SiO2 ： -Q與-Q的轉(zhuǎn)變，僅限于 上地幔的上部，從常壓下的573 增至20kb的1100。 -Q -Q,高壓實(shí)驗(yàn)表明，科石英Coes存在于上地幔的下部 ，形成條件為： P = 35kb ， t = 500800 但它隨著P和t的增高而不穩(wěn)定， 最終轉(zhuǎn)變?yōu)樗故tis。 頑火輝石En 鎂橄欖石 Fo +斯石英Stis,（2）地幔過渡帶 主要組成礦物： Mg2SiO4和MgSiO3的高壓同質(zhì)多像 變體。,1）Mg2SiO4同

16、質(zhì)三像,2）MgSiO3同質(zhì)二像,3）SiO2同質(zhì)多像 HP實(shí)驗(yàn)表明，斯石英Stis主要存在于地幔過渡帶，形成條件： P = 125kb ， t = 12001400 Coes Stis,地幔過渡帶內(nèi)，P ，h600km 時， 則： -Mg2SiO4 2 MgO + SiO2 尖晶橄欖石Rw 方鎂石Per 斯石英,在10002900km深度的下地幔范圍內(nèi)，卻沒有相變作用發(fā)生。,5、地核,目前推斷外地核是由金屬氫化物和碳化物的混合物組成。,3.3 地幔水的研究進(jìn)展,最近的30多年來，,以下方面的研究使我們對于 地幔含水狀況的了解大大向前邁進(jìn)了一步: (1)對各類火山活動的觀測與地震層析結(jié)果的綜合

17、研究表明，富含水和揮發(fā)份的玄武巖漿來源于地幔,其中與地幔熱柱有關(guān)的巖漿活動來源較深，最深可達(dá)核幔界面。這說明了地幔含水的深度涉及全地幔范圍。,(2)對上地幔橄欖巖包體礦物譜學(xué)的研究發(fā)現(xiàn),地幔主要造巖礦物橄欖石、輝石、石榴子石等礦物中都不同程度地含有水，它們可能成為地幔水最重要的貯集物。 (3)含水體系的高溫高壓實(shí)驗(yàn)及其產(chǎn)物的譜學(xué)分析所獲得的結(jié)果大大豐富了地幔含水相的種類，提供了更多有關(guān)地幔水存在狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。,這些含水相包括了: 傳統(tǒng)礦物分類中的含水變質(zhì)礦物，如閃石和云母類礦物； 橄欖石和輝石等礦物的高壓相； 傳統(tǒng)礦物分類中不曾報道過的一些新的含水礦物相，它們大多是含水富鎂的硅酸鹽,且具有相

18、當(dāng)高的密度,因而被稱為高密度含水鎂硅酸鹽相。,上地幔中水的存在形式,(1)無水硅酸鹽礦物：根據(jù)地幔礦物學(xué)模型，上地幔的主要礦物成分為橄欖石，其次為輝石和石榴子石。研究表明，在這幾種礦物中，水主要以(OH)- 的形式存在于礦物的結(jié)構(gòu)缺陷中。在橄欖石中，某些缺陷為平面層狀，這些層約幾個10-10 m厚，類似于葉片狀斜硅鎂石的結(jié)構(gòu)。這些缺陷中，(OH)- 可能替代氧離子，與陽離子進(jìn)行電荷平衡。,(2)含水變質(zhì)礦物:在上地幔上部，水還以多種含水變質(zhì)礦物的形式存在。實(shí)驗(yàn)表明, 在100km深度以內(nèi),可能穩(wěn)定存在的含水變質(zhì)礦物有綠泥石、韭閃石、蛇紋石和金云母等。 100200km，蛇紋石和金云母能夠穩(wěn)定存

19、在。 200400km主要的含水變質(zhì)礦物為富鉀閃石、斜硅鎂石和粒硅鎂石類礦物。 如果上地幔局部富Si、Al成分(接近于玄武巖)，那么在100km深度內(nèi)可能有綠泥石、角閃石、硬柱石+硬綠泥石、黝簾石+硬綠泥石存在。200km 之上，只有硬柱石能夠穩(wěn)定存在了。在這些礦物中水大多主要以(OH)- 形式參加礦物晶格，少數(shù)以結(jié)晶水的形式存在(表1)。,(3)高密度含水鎂硅酸鹽相(以下簡稱DHMS): 對高溫高壓實(shí)驗(yàn)合成的多種DHMS的研究已經(jīng)持續(xù)了20多年,已發(fā)現(xiàn)了10種以上的此類礦物相。,(4)硅酸鹽熔體: 硅酸鹽熔體也是地幔中水的貯集物。大多情況下,熔體分散于地幔礦物和巖石的孔隙和裂縫中。在一定的條件下,熔體會發(fā)生聚集并向上遷移,形成巖漿上涌和火山的噴發(fā)。因此,熔體也是地幔中水發(fā)生大規(guī)模遷移的載體。熔體中的水主要以H2O和(OH)- 的形式存在。,地幔過渡帶和下地幔