元素在地球各圈层中的分布.pptx

第四节第四节 地球的化学演化地球的化学演化 u根据地质和地球化学综合研究成果，已知迄今根据地质和地球化学综合研究成果，已知迄今46亿年的地球历史中经历了几个重大的地质时期：亿年的地球历史中经历了几个重大的地质时期：1、37亿年前（冥古宙）亿年前（冥古宙）原始地球和太阳系其它行星都是由气体和尘埃组原始地球和太阳系其它行星都是由气体和尘埃组成。气体主要是成。气体主要是H2、Ne和少量和少量CH4。尘埃由硅酸。尘埃由硅酸盐、铁化合物以及水和盐、铁化合物以及水和NH3组成。这些原始物质组成。这些原始物质经过重力聚集产生吸积作用，逐步形成了密度较经过重力聚集产生吸积作用，逐步形成了密度较大的星体。地球在早期的吸积过程中逐渐形成了大的星体。地球在早期的吸积过程中逐渐形成了原始的地核、地幔和地壳。原始的地核、地幔和地壳。n 由于地球的去气作用，产生了地球外部的大气由于地球的去气作用，产生了地球外部的大气圈。原始大气圈的成分主要是圈。原始大气圈的成分主要是H H2 2、H H2 2OO、CHCH4 4 NHNH3 3、N N2 2、COCO、COCO2 2、H H2 2S S以及少量的惰性气以及少量的惰性气体。由于游离氧很少，所以大气圈具有还原性质。体。由于游离氧很少，所以大气圈具有还原性质。n4040亿年左右，地球遭受了强烈的陨石冲击亿年左右，地球遭受了强烈的陨石冲击 火山火山活动加强，扩大了原始的水圈和大气圈。活动加强，扩大了原始的水圈和大气圈。原始水圈中因含有原始水圈中因含有HFHF、H H3 3BOBO4 4和和SiOSiO2 2，估计当，估计当时地表水的时地表水的PHPH值接近于值接近于l-2l-2 地球的化学演化地球的化学演化 n这一时期地壳的组成和性质尚无确切地质记录，这一时期地壳的组成和性质尚无确切地质记录，认识主要来自类地行星的对比分析。认识主要来自类地行星的对比分析。2、3725亿年（太古宙）亿年（太古宙）内动力地质作用内动力地质作用：太古宙地壳广泛分布着玄武岩、太古宙地壳广泛分布着玄武岩、科马提岩（橄榄岩岩浆），岩石已发生浅变质，科马提岩（橄榄岩岩浆），岩石已发生浅变质，并与花岗岩组成绿岩并与花岗岩组成绿岩-花岗岩地体。（奥长花岗岩花岗岩地体。（奥长花岗岩-英云闪长岩、与石英二长岩英云闪长岩、与石英二长岩-酸性花岗岩两种组酸性花岗岩两种组合）。合）。地球的化学演化地球的化学演化 橄榄质岩浆广泛出现：橄榄质岩浆广泛出现：表明地球早期地幔和地壳温度比现今高得多。表明地球早期地幔和地壳温度比现今高得多。化学沉积作用：化学沉积作用：条带状硅条带状硅-铁建造（变质磁铁石英岩）铁建造（变质磁铁石英岩）钙、镁化学沉积的缺失指示水圈具有较低的钙、镁化学沉积的缺失指示水圈具有较低的PHPH值（约值（约2-52-5之间）之间）地球的化学演化地球的化学演化 地球的化学演化地球的化学演化成矿作用成矿作用：沉积变质铁矿是地球演化历史中：沉积变质铁矿是地球演化历史中铁的最重要的成矿期。铁的最重要的成矿期。内生成矿作用内生成矿作用：与绿岩与绿岩-花岗岩建造有关，主要矿产：花岗岩建造有关，主要矿产：与科马提岩有关的与科马提岩有关的Cu-NiCu-Ni硫化物矿床硫化物矿床与绿岩与绿岩-花岗岩有关的超大型金矿床。花岗岩有关的超大型金矿床。主要成矿元素有：主要成矿元素有：Cr Ni Co Cu Au Ag ZnCr Ni Co Cu Au Ag Zn和铂族元素等和铂族元素等早期水圈、大气圈的性质：早期水圈、大气圈的性质：强烈的火山活动，伴随巨量火山气体的排强烈的火山活动，伴随巨量火山气体的排放，大气中放，大气中CO2、H2S等酸性气体不断浓等酸性气体不断浓集，使早期水圈具有酸性强和相对还原性集，使早期水圈具有酸性强和相对还原性质。质。3、2516亿年（古元古代）亿年（古元古代）世界主要克拉通基本形成，地壳趋于稳定，世界主要克拉通基本形成，地壳趋于稳定，火山活动减弱，裂谷发育。火山活动减弱，裂谷发育。广泛发育层状基性侵入体和基性岩墙群，广泛发育层状基性侵入体和基性岩墙群，伴有伴有CrCr、NiNi、CoCo、CuCu、FeFe、P P 和铂族元素和铂族元素的富集成矿。的富集成矿。地球的化学演化地球的化学演化 地壳演化的总趋势是地壳演化的总趋势是 K Si Rb Th Pb K Si Rb Th Pb 的含的含量递增，量递增，Al Fe Mg Ca Al Fe Mg Ca 的含量递减。的含量递减。生物作用生物作用：这一时期藻类生物大量繁殖，光合作用增强这一时期藻类生物大量繁殖，光合作用增强大气游离氧增加。大气游离氧增加。地球的化学演化地球的化学演化 n成矿作用成矿作用：出现层控超大型热水沉积出现层控超大型热水沉积Pb-ZnPb-Zn矿床矿床 层控型层控型CuCu矿床（产于白云岩内）矿床（产于白云岩内）出现超大型泻湖蒸发型矿床出现超大型泻湖蒸发型矿床:MgCO:MgCO3 3(菱镁菱镁矿矿)CaCO)CaCO3 3 FeCO FeCO3 3 MnCO MnCO3 3 （菱锰矿）（菱锰矿）超大型沉积变质改造的硼镁铁矿床等。超大型沉积变质改造的硼镁铁矿床等。地球的化学演化地球的化学演化 元古宙水圈的性质发生了重大变化，元古宙水圈的性质发生了重大变化，突出特征是突出特征是PHPH值增大，导致值增大，导致COCO2 2在水中溶在水中溶解度增大，降低了解度增大，降低了MgCOMgCO3 3 CaCO CaCO3 3 FeCO FeCO3 3 开始沉淀的浓度，由此引发碳酸岩的暴发性开始沉淀的浓度，由此引发碳酸岩的暴发性沉积。沉积。地球的化学演化地球的化学演化海水海水PHPH值增大的因素：值增大的因素：水圈水圈PHPH值的增大需要从水圈、岩石圈的值的增大需要从水圈、岩石圈的相互作用方面去思考相互作用方面去思考 。CaCa、MgMg、FeFe碳酸盐和氧化物碳酸盐和氧化物2525溶度积溶度积沉淀的沉淀的PH范围范围 10-2M 10-5M nCO2+Mg2+H2O MgCO3+2H+（110-5)nCO2+Ca2+H2O CaCO3+2H+（3.810-9)nCO2+Fe2+H2O FeCO3+2H+(3.210-11)nFe2+H2O Fe(OH)2+2H+(810-16)5.5 7.2nFe3+H2O Fe(OH)3+2H+(310-39)2.2 3.2nMn2+H2O Mn(OH)2+2H+(1.910-13)8.5 10 Ca(OH)2 (5.510-6)Mg(OH)2 (1.810-11)8.5 11.5 水圈水圈PHPH值的变化值的变化:表生含水矿物的形成表生含水矿物的形成,释放出释放出(HO)(HO)-离子离子4KAlSi4KAlSi3 3O O8 8+10H+10H2 2O=AlO=Al4 4SiSi4 4O O1010(OH)(OH)8 8 4 4HH2 2OO+8 8SiOSiO2 2+4K(OH)+4K(OH)岩石圈与水圈中发生的氧化还原反应对水圈的岩石圈与水圈中发生的氧化还原反应对水圈的PHPH值值也产生重要影响也产生重要影响:4Fe 4Fe+2+2+4H+4H+O+O2 2-4Fe-4Fe+3+3+2H+2H2 2OO氧化反应消耗大量氧化反应消耗大量H H+，使溶液向碱性方向演化。，使溶液向碱性方向演化。n大气圈大气圈O O2 2 的主要来源的主要来源；(1)(1)火山排气作用火山排气作用 (2)(2)早期大气电离作用早期大气电离作用 (3)(3)生物作用生物作用n由上述反应和溶度积大小，可以看出，地由上述反应和溶度积大小，可以看出，地球早期硅铁建造，与碳酸岩的缺失，表明球早期硅铁建造，与碳酸岩的缺失，表明当时海水具有较低的当时海水具有较低的PHPH值，碳酸岩的大规值，碳酸岩的大规模沉淀标志海水模沉淀标志海水PHPH值发生由酸性向碱性方值发生由酸性向碱性方向的变化。正是水圈向的变化。正是水圈PHPH值的变化导致大气值的变化导致大气圈中的圈中的COCO2 2快速向固体岩石圈的转化，使快速向固体岩石圈的转化，使大气圈由大气圈由COCO2 2型向富氮氧型转化。型向富氮氧型转化。地球的化学演化地球的化学演化nPH值的变化使水圈不断向氯化物值的变化使水圈不断向氯化物碳酸盐碳酸盐水圈转化水圈转化。4、165.7亿年（中、新元古代）亿年（中、新元古代）n克拉通不断扩大、分裂、聚合、再扩大，地克拉通不断扩大、分裂、聚合、再扩大，地壳相对稳定，幔源岩浆活动强度减弱。全球壳相对稳定，幔源岩浆活动强度减弱。全球范围内出现与基性范围内出现与基性-超基性岩有关的超基性岩有关的CuCu、NiNi、CoCo铂族、铂族、FeFe和和P P的成矿作用。的成矿作用。地球的化学演化地球的化学演化5、5.7亿年亿年现在（显生宙）现在（显生宙）n显生宙海生腔肠动物、软体动物、蠕虫动物、显生宙海生腔肠动物、软体动物、蠕虫动物、腕足类和节肢动物开始出现，晚古生代出现腕足类和节肢动物开始出现，晚古生代出现了陆生动植物。显生宙早期的大气圈为了陆生动植物。显生宙早期的大气圈为N N2 2COCO2 2OO2 2型，陆生植物出现以后转化为型，陆生植物出现以后转化为N N2 2-O-O2 2型。型。地球的化学演化地球的化学演化n动植物遗体的堆积和改造形成了煤、石油、动植物遗体的堆积和改造形成了煤、石油、天然气和磷等有机矿产。盐类矿床的形成天然气和磷等有机矿产。盐类矿床的形成也是显生宙内表生成矿作用的一个重要特也是显生宙内表生成矿作用的一个重要特征。征。n海水的性质已变成氯化物一硫酸盐型，海水的性质已变成氯化物一硫酸盐型，PHPH值持续增大，海水呈碱性。元古代碳酸锰值持续增大，海水呈碱性。元古代碳酸锰沉淀被广泛的现代大洋锰结核沉淀所替代。沉淀被广泛的现代大洋锰结核沉淀所替代。地球的化学演化地球的化学演化n内生成矿作用以多种多样和多期活动为特点，内生成矿作用以多种多样和多期活动为特点，出现金刚石和一些克拉克值较低的元出现金刚石和一些克拉克值较低的元 素如素如WW、SnSn、BiBi、MoMo、HgHg、SbSb等的广泛等的广泛 成矿作用成矿作用,地壳的分异作用进一步增强。地壳的分异作用进一步增强。u约约4646亿年的地球演化历史表明，地球是亿年的地球演化历史表明，地球是太阳系中物质运动非常活跃的星体。内太阳系中物质运动非常活跃的星体。内生和表生作用都很强烈。造成这种特点生和表生作用都很强烈。造成这种特点的原因之一，是它与太阳保持了适当的的原因之一，是它与太阳保持了适当的距离，地球从太阳吸收的热量与地球辐距离，地球从太阳吸收的热量与地球辐射到宇宙中去的热量的平衡程度恰好使射到宇宙中去的热量的平衡程度恰好使地球的温度允许地表水以液态存在。地球的温度允许地表水以液态存在。地球的化学演化地球的化学演化 液态水对生物的产生和发展是必不可少的，液态水对生物的产生和发展是必不可少的，而生物的作用一直控制着大气和地表水的成而生物的作用一直控制着大气和地表水的成分变化。水和由生物光合作用产生的氧气，分变化。水和由生物光合作用产生的氧气，在整个表生作用中对元素的迁移和分配具有在整个表生作用中对元素的迁移和分配具有重大的影响。重大的影响。n除了太阳辐射的能量以外，地球演化的巨大除了太阳辐射的能量以外，地球演化的巨大动力来自地球的内部。地球内部能量主要是动力来自地球的内部。地球内部能量主要是放射性同位素衰变析出的热量。计算表明放射性同位素衰变析出的热量。计算表明3030亿年前放射性同位素衰变析出的热量要亿年前放射性同位素衰变析出的热量要比现在大四倍。比现在大四倍。地球的化学演化地球的化学演化n在地质演化过程中化学性质活泼、亲氧与在地质演化过程中化学性质活泼、亲氧与亲气元素向地球表部迁移（如碱金属、碱土亲气元素向地球表部迁移（如碱金属、碱土金属、铝和硅等），它们是大陆地壳的主要金属、铝和硅等），它们是大陆地壳的主要组成部分。从而产生了元素在地球中具有壳组成部分。从而产生了元素在地球中具有壳层分布的基本格局层分布的基本格局地球的化学演化地球的化学演化思考题：思考题：1、元素在地壳、地幔和地核中的分布特征，解释其原因、元素在地壳、地幔和地核中的分布特征，解释其原因2、研究克拉克值有何地球化学意义。、研究克拉克值有何地球化学意义。3、对比水圈、大气圈、生物圈和岩石圈元素分布特点、对比水圈、大气圈、生物圈和岩石圈元素分布特点 解释其原因。解释其原因。4、陨石对研究地球的形成与演化有何意义。、陨石对研究地球的形成与演化有何意义。5、以不同地质时期重大地质事件为例，阐明大气圈、水、以不同地质时期重大地质事件为例，阐明大气圈、水 圈和岩石圈演化的基本规律。圈和岩石圈演化的基本规律。6、简述、简述CO2在大气圈、水圈和岩石圈之间的循环作用。在大气圈、水圈和岩石圈之间的循环作用。