第四章 化学地球动力学及深部过程地球化学示踪

《地球化学》章节笔记第一章：导论一、地球化学概述1. 地球化学的定义：地球化学是应用化学原理和方法，研究地球及其组成部分的化学组成、化学性质、化学作用和化学演化规律的学科。

它是地质学的一个分支，同时与物理学、生物学、大气科学等多个学科有着密切的联系。

2. 地球化学的研究对象：- 地球的固体部分，包括岩石、矿物、土壤等；- 地球的流体部分，包括大气、水体、地下水等；- 地球生物体，包括植物、动物、微生物等；- 地球内部，包括地壳、地幔、地核等。

3. 地球化学的研究内容：- 地球物质的化学组成及其时空变化；- 地球内部和外部的化学过程；- 元素的迁移、富集和分散规律；- 地球化学循环及其与生物圈的相互作用；- 地球化学在资源、环境、生态等领域的应用。

二、地球化学的研究方法与意义1. 地球化学的研究方法：- 野外调查与采样：包括地质填图、钻孔、槽探、岩心采样等；- 实验室分析：包括光学显微镜观察、X射线衍射、电子探针、电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）、原子吸收光谱（AAS）等；- 地球化学数据处理：包括统计学分析、多元回归、聚类分析等；- 地球化学模型：建立地球化学过程的理论模型和数值模型；- 同位素示踪：利用稳定同位素和放射性同位素研究地球化学过程。

2. 地球化学研究的意义：- 揭示地球的形成和演化历史；- 了解地球内部结构、成分和动力学过程；- 探索矿产资源的形成机制和分布规律；- 评估和治理环境污染问题；- 理解地球生物圈的化学循环和生态平衡；- 为可持续发展提供科学依据。

三、地球化学的发展历程与现状1. 地球化学的发展历程：- 起源阶段：19世纪初，地质学家开始关注矿物的化学组成；- 形成阶段：19世纪末至20世纪初，维克托·戈尔德施密特等科学家奠定了地球化学的基础；- 发展阶段：20世纪中叶，地球化学在理论、方法、应用等方面取得显著进展；- 现代阶段：20世纪末至今，地球化学与分子生物学、环境科学等学科交叉，形成新的研究领域。

第一章，化学地球动力学：从同位素到板块构造一，主要研究内容和特点：（1）二，主要研究进展：1，地幔的化学结构（3）2，地幔的化学不均一性（5）3，地球的盒子模式（5）4，大陆增生（6）5，壳-幔相互作用（7）三，地球动力学循环：1，热点和地幔柱（8）2，俯冲（8）3，加热（9）4，大陆岩石圈（10）四，铍同位素示踪板块俯冲：（10）五，结语：（12）第二章，壳-幔深部过程化学地球动力学与大陆岩石圈研究一，固体地球科学发展历史的回顾：1，国际岩石圈计划：板块构造理论发展的必然（15）2，大陆岩石圈的挑战：板块构造理论的辉煌和困境（16）3，大陆动力学和化学地球动力学（16）4，壳-幔深部过程化学动力学研究的意义（17）二，深部壳-幔过程的研究对象：1，深部地壳两种代表性样品：麻粒岩相高级变质地体和麻粒岩捕掳体（17）2，火成岩中幔源捕掳体（18）3，幔源成因火成岩（19）三，深部壳-幔过程的地球化学制约：1，地球化学制约研究的特点和意义：多维制约研究（19）2，地球化学过程制约：过程制约、源区制约、条件制约（20）3，源区制约（21）4，模式年龄（21）5，质量平衡与表观混合作用（22）6，年代学制约和条件制约（22）四，地幔柱与岩石圈演化：1，地幔对流与地幔柱（23）2，从地幔柱到超级地幔柱和大型火成岩省（23）3，地幔柱构造（24）4，地幔柱与非威尔逊旋回：MOMO模式（24）5，地幔柱学说展望（25）五，壳-幔过程动力学研究的新方向：由壳论幔：1，花岗岩类成因与构造背景（25）2，广义地壳存留年龄（Tgc）与岩石源区省研究（26）六，结语：（27）第三章，地球的块体化学不均一性与地球动力学一，不同块体化学不均一性的地球化学证据：1，地幔的主要端元组分：HU,NHRL,DUPAL（31）2，铅同位素的壳-幔耦合性同步变化（31）3，不同块体钕模式年龄的显著性差异（33）4，主元素含量差异的显著性证据（35）5，微量元素丰度与比值的显著性差异（36）二，地球化学边界及其与构造边界及地球物理场的关系：1，中国大陆主要地球化学边界和块体归属性（37）2，全球地球化学边界及主要大陆和大洋同位素省的划分（39）3，地球化学边界与构造边界的差异性（41）4，地球化学边界与岩石圈波速结构及重力异常的关系（41）三，地球化学边界对超大型资源分布的制约：1，中国东部大陆地球化学边界与超大型矿床分布的密切关系（42）2，全球巨型、超巨型资源堆积与地球化学边界的关系（42）四，地球化学边界形成的地球动力学模式：1，地球深部冷热界面说（42）2，地幔对流圈界面说（43）3，地体拼接带与插入造山作用（43）4，块体的化学原始不均一性（43）第四章，Re-Os同位素体系及其在地幔化学地球动力学中的应用一，Re-Os同位素体系的基本特点：1，Re和Os的元素分度（46）2，Re-Os同位素体系（47）3，Re-Os同位素组成的测定方法（47）二，地幔锇同位素组成的演化：1，地球锇同位素组成的原始值（48）2，地幔锇同位素组成的演化（49）3，核-幔分异对地幔锇同位素演化的影响（50）4，壳-幔分异和地壳物质再循环对地幔锇同位素演化的影响（51）三，Re-Os同位素体系和大陆岩石圈地幔定年：1，大陆岩石圈地幔的Re-Os同位素体系定年（52）2，克拉通地区大陆根的年龄（53）3，造山带橄榄岩的年龄（54）4,，碱性玄武岩中橄榄岩包体的年龄及其意义（55）5，我国东部幔源橄榄岩包体的Re-Os同位素体系定年研究（56）五，Re-Os同位素体系在其他方面的应用：1，锇同位素和K/T界面事件（57）2，海水中锇同位素组成的演化（58）3，Pt-Os同位素体系（58）第五章，地幔稳定同位素地球化学一，氧同位素：1，高温氧同位素效应（63）2，橄榄岩包体中的氧同位素（74）3，橄榄岩的氧同位素（77）4，巨晶的氧同位素（80）5，镁铁质熔岩的氧同位素（80）6，地幔氧同位素不均一性（83）二，氢同位素：1，氢同位素分馏（85）2，地幔的氢同位素变化（87）3，玄武岩的氢同位素（88）4，榴辉岩和橄榄岩包体的氢同位素（89）4，地幔矿物结构水的氢同位素（91）三，硫同位素：1，高温分馏作用（92）2，地幔去气作用（93）3，玄武岩（94）4，榴辉岩和橄榄岩包体中的硫（96）四，碳同位素：1，高温碳同位素效应（97）2，地幔的碳同位素变化（99）3，地幔去气作用（102）4，原始地幔的碳同位素均一性问题（104）第六章，拉张环境中的大陆玄武岩浆作用：性质及动力学过程一，基本认识：1，岩石圈、软流圈和地幔的热结构（121）2,上地幔组成（124）3，上地幔部分过程和岩浆起源（124）4，大洋玄武岩-大陆玄武岩研究的重要参照（128）5，四个地幔端元：DMM、HIMU、EM1、EM2(129)二，大陆玄武岩的岩石学和地球化学特征：1，主量元素和岩石类型（133）2，稀土、微量元素（133）3，Sr-Nd同位素体系（135）4，铅同位素体系（137）三，大陆玄武岩浆的成因模式和一些关键问题：1，壳源物质的混染问题：玄武岩遭受地壳混染的证据（139）2，岩石圈/软流圈的地球化学区分（141）3，岩浆起源的深度（141）4，大陆岩石圈地幔是否可以作为玄武岩浆源（143）5，大陆玄武岩成因（145）四，大陆拉张区岩浆作用的动力学意义：1，岩浆的地球化学时空演化和构造演化之间的关系（146）2，岩石圈减薄的地球化学证据（146）3，大陆板内玄武岩浆作用的起因（148）4，根据岩浆的地球化学性质推断β因子的大小（150）5，横穿大陆拉张区的地球化学研究-以Rio Grande裂谷为例（151）五，中国华北地区岩浆作用的时空演化和动力学：1，华北岩石圈的热侵蚀和热演化历史（153）2，岩浆作用的时空演化特征（156）3，岩石圈热状态、厚度和玄武岩性质之间的关系（156）4，玄武岩成因模型：岩石圈-软流圈相互作用（157）5，热-构造演化模型（158）六，主要结论、存在问题和今后的研究方向第七章，大陆地壳深部结构和组成一，研究方法：1，深部地壳样品（169）2，地球物理方法（171）3，壳源岩浆岩源区组成地球化学示踪（177）二，大陆地壳的结构：（178）三，深部地壳组成：1，变质分带（180）2，岩石组成的不均一性（181）3，麻粒岩地质体和麻粒岩包体成分差异及其意义（182）四，深部地壳的化学成分：1，地震波速与岩石类型之间的关系（185）2，麻粒岩的化学成分（186）3，各种地壳结构层成分估计（186）六，拆沉作用与大陆地壳成分的演化：（195）第八章，大陆深部地壳结构的研究与化学地球动力学的应用一，大陆深部地壳结构和性质研究进展：1，大陆地壳结构及重要界面性质（203）2，大陆下地壳物质组成（205）3，深部地壳变质作用和流体包裹体（208）4，深部地壳的流变作用（209）二，大陆深部地壳结构和性质的研究方法：1，地球物理方法（210）2，出露于地表的高级变质地体-探讨深部地壳的窗口（212）3，岩浆岩中的包体-来自深部地壳的样品（213）4，地球化学示踪方法（214）5，全球地学断面（GGT）三，化学地球动力学在研究深部地壳结构和性质方面的应用：1，基本思路和基本原理（216）2，岩浆岩的年代-地球化学岩石圈探针方法及应用（217）四，结语第九章，大陆地壳的形成时间及增生机制一，大陆地壳的基本特征及其化学成分：1，现代意义的大陆地壳的定义（224）2，陆壳的结构分层（225）3，陆壳的化学成分特征（227）二，陆壳的形成时间及增生机制研究的地球化学方法：1，陆壳形成时间的厘定（228）2，显生宙陆壳增长量与陆壳增生速率（230）3，陆壳积累增长曲线及其确定（232）三，大陆地壳的形成时间：1，早期陆壳的形成时间及其性质（233）2，全球大陆的总体形成时代（234）3，地壳历史上陆壳生长率的变化（238）四，大陆地壳的增生机制：1，陆壳的物质来源-盒子模型（238）2，大陆地壳的增长方式（241）3，壳-幔相互作用的方式及陆壳分异（243）4，壳-幔物质再循环的地球化学证据（245）五，中国大陆地壳的形成时间：1，中国大陆各主要块体的陆壳形成时间（247）2，中国北方造山带新元古代-显生宙陆壳增生（248）六，结语。

地球化学绪论1、地球化学的定义：地球化学是研究地球（包括部分天体）的化学组成、化学作用和化学演化的科学2、地球化学的基本问题：【填空】（1）质：地球系统中元素的组成（2）量：元素的共生组合和赋存形式（3）动：元素的迁移和循环（4）史：地球的历史和演化3、地球化学研究思路：【简答】在地质作用过程中，在宏观地质体变化和形成的同时，亦伴有大量肉眼难以辨别的化学组成变化的微观踪迹，它们包含着重要的定性和定量的地质作用信息，应用现代化学分析测试手段，剖析这些微观踪迹，从而揭示宏观地质作用的奥秘。

即“见微而知著”。

第一章地球和太阳系的化学组成第一节地球的结构和组成1、地球的圈层结构、主要界面名称：（1）地震波（P波和S波）在地球内部传播速度的变化，反映出地球内部物质的密度和弹性是不均一的。

这种不均一性在地球的一定深度表现为突变性质。

由此得出，地球内部具有壳层结构的概念，即认为地球由表及里分为地壳、地幔和地核三个部分。

界面分别为：莫霍面和古登堡面。

（2）上地壳和下地壳分界面为康拉德面。

上地壳又叫做硅铝层，下地壳又叫做硅镁层。

大陆地壳由上、下地壳，而大洋地壳只有下地壳。

【填空】2、固体地球各圈层的化学成分特点：（分布顺序）地壳：O、Si、Al、Fe、Ca地幔：O、Mg、Si、Fe、Ca地核：Fe-Ni地球：Fe、O、Mg、Si、Ni第二节元素和核素的地壳丰度1、基本概念：【名词解释】（1）地球化学体系：我们把所要研究的对象看作是一个地球化学体系，有一定的空间，处于特定的物理-化学状态，并且有一定时间的连续（2）丰度：研究体系中被研究元素的相对含量（3）克拉克值：地壳中元素的平均含量（4）质量克拉克值：以质量计算表示的克拉克值（5）原子克拉克值：以原子数之比表示的元素相对含量。

它是指某元素在某地质体全部元素的原子总数中所占原子个数的百分数。

（6）浓度克拉克值：某一元素在地质体中的平均含量与克拉克值的比值2、克拉克值的变化规律：（1）递减：元素的克拉克值大体上随原子序数的增大而减小。

《地球化学》课程笔记第一章：地球化学概述一、地球化学的定义与范畴1. 定义地球化学是研究地球及其组成部分的化学组成、化学作用、化学演化规律以及这些过程与地球其他物理、生物过程的相互关系的学科。

2. 范畴地球化学的研究范畴包括但不限于以下几个方面：- 地球的物质组成和结构- 元素在地球各圈层中的分布、迁移和循环- 岩石和矿物的形成、演化和分类- 生物与地球化学过程的相互作用- 地球表面环境的化学演化- 自然资源和能源的地球化学特征- 环境污染和生态破坏的地球化学机制二、地球化学的研究内容1. 地球的物质组成- 地壳：研究地壳的化学成分、岩石类型、矿物组成及其变化规律。

- 地幔：探讨地幔的化学结构、岩石类型、矿物组成和地球化学动力学过程。

- 地核：分析地核的物质组成、物理状态和地球化学性质。

- 地球表面流体：研究大气、水圈和生物圈的化学组成和演化。

2. 元素地球化学- 元素的丰度：研究元素在地壳、地幔、地核中的丰度分布。

- 元素的分布：分析元素在地球各圈层中的分布规律和影响因素。

- 元素的迁移与富集：探讨元素在地质过程中的迁移机制和富集条件。

- 元素循环：研究元素在地球系统中的循环路径和循环速率。

3. 岩石地球化学- 岩石成因分类：根据岩石的化学成分、矿物组成和形成环境对岩石进行分类。

- 岩浆岩地球化学：研究岩浆的起源、演化、结晶过程和岩浆岩的地球化学特征。

- 沉积岩地球化学：分析沉积物的来源、沉积环境和沉积岩的地球化学特点。

- 变质岩地球化学：探讨变质作用过程中岩石的化学变化和变质岩的地球化学特征。

4. 矿物地球化学- 矿物的化学成分：研究矿物的化学组成、晶体结构和化学键合。

- 矿物的形成与变化：探讨矿物的形成条件、变化过程和稳定性。

- 矿物物理性质与地球化学：分析矿物的物理性质与地球化学环境的关系。

- 矿物化学分类：根据矿物的化学成分和结构特点进行分类。

5. 生物地球化学- 生物地球化学循环：研究元素在生物体内的循环过程和生物地球化学循环的模式。

第四章地球化学动力学基础4.1 引言在地球化学研究领域中，热力学理论和方法的运用已经取得了丰富的成果，平衡热力学方法已经成为人们认识地球的化学结构和化学演化的重要手段之一。

然而，地球化学过程通常极其缓慢，以致一些自然体系可能没有达到平衡。

大量的野外观察资料和新的实验结果都充分地证明了这一观点。

例如下述这些自然体系的研究结果：（1）单一物相内部化学成分的变化；（2）矿物晶体中的成分分带；（3）矿物组合中的反应边结构；（4）不平衡的矿物组合；（5）矿物晶体的出溶作用；（6）晶体的有序—无序结构和晶体缺陷等等。

这些自然体系均显示对热力学平衡态的偏离。

如何解释这些自然体系并且准确地描述这些自然体系的演化过程便成为地球化学研究的重要课题。

平衡热力学理论方法之所以不能完全解决这些问题，是因为上述自然体系的演化过程是路径相关的，因而也是时间相关的。

而平衡热力学方法仅考虑体系的状态参量和状态函数，由此讨论体系的演化方向，是路径无关的。

研究自然体系的化学演化具有两个含义：（1）研究体系由平衡的起始状态Ⅰ演变到新的条件下的平衡的终了状态Ⅱ，其结果用状态函数的变化量△H，△S，△G等来表示；（2）研究体系演化的路径，这是时间相关的问题。

如果自然体系均是平衡的，则我们无法确定体系演化的路径，即自然体系的演化过程被平衡的终了态掩蔽了。

反之，大量自然体系的不平衡特征恰好成为自然体系演化路径的记录，有助于我们探讨自然体系化学演化的历程。

例如对于晶体生长过程的认识正是来自晶体的各种缺陷，火成岩中某些矿物相出现顺序的颠倒、一些矿物组合中相律的不适用性等现象都将成为这些体系演化过程的记录。

因此，为了解决这些路径相关的自然体系演化的问题，则必然要在讨论体系演化过程的时候引入速率的概念，进行演化过程的动力学研究。

由于自然体系演化过程的复杂性，在引入速率概念的同时还必须具体分析体系演化的实际过程，包括：化学反应过程——反应速率，质量传输（迁移）——扩散速率，等等。

地球化学绪论1、地球化学的定义：地球化学是研究地球（包括部分天体）的化学组成、化学作用和化学演化的科学2、地球化学的基本问题：【填空】（1）质：地球系统中元素的组成（2）量：元素的共生组合和赋存形式（3）动：元素的迁移和循环（4）史：地球的历史和演化3、地球化学研究思路：【简答】在地质作用过程中，在宏观地质体变化和形成的同时，亦伴有大量肉眼难以辨别的化学组成变化的微观踪迹，它们包含着重要的定性和定量的地质作用信息，应用现代化学分析测试手段，剖析这些微观踪迹，从而揭示宏观地质作用的奥秘。

即“见微而知著”。

第一章地球和太阳系的化学组成第一节地球的结构和组成1、地球的圈层结构、主要界面名称：（1）地震波（P波和S波）在地球内部传播速度的变化，反映出地球内部物质的密度和弹性是不均一的。

这种不均一性在地球的一定深度表现为突变性质。

由此得出，地球内部具有壳层结构的概念，即认为地球由表及里分为地壳、地幔和地核三个部分。

界面分别为：莫霍面和古登堡面。

（2）上地壳和下地壳分界面为康拉德面。

上地壳又叫做硅铝层，下地壳又叫做硅镁层。

大陆地壳由上、下地壳，而大洋地壳只有下地壳。

【填空】2、固体地球各圈层的化学成分特点：（分布顺序）地壳：O、Si、Al、Fe、Ca地幔：O、Mg、Si、Fe、Ca地核：Fe-Ni地球：Fe、O、Mg、Si、Ni第二节元素和核素的地壳丰度1、基本概念：【名词解释】（1）地球化学体系：我们把所要研究的对象看作是一个地球化学体系，有一定的空间，处于特定的物理-化学状态，并且有一定时间的连续（2）丰度：研究体系中被研究元素的相对含量（3）克拉克值：地壳中元素的平均含量（4）质量克拉克值：以质量计算表示的克拉克值（5）原子克拉克值：以原子数之比表示的元素相对含量。

它是指某元素在某地质体全部元素的原子总数中所占原子个数的百分数。

（6）浓度克拉克值：某一元素在地质体中的平均含量与克拉克值的比值2、克拉克值的变化规律：（1）递减：元素的克拉克值大体上随原子序数的增大而减小。

可编辑修改精选全文完整版绪论1地球化学学科特点：1．地球化学研究的主要物质系统是地球、地壳、地幔及地质作用体系, 因此它是地球科学的一部分。

2．地球化学着重研究地球系统中的化学运动3．地球化学以化学类科学理论为基础（无机化学、有机化学、物理化学、热力学等）；4．综合性边缘科学，与其它学科相互渗透，已形成三十个分支学科。

5．理论与应用并重：在矿产资源开发与利用、全球环境与气候变化、污染与治理、地方病防治、农牧业生产等需要应用地球化学知识；6 . 地球化学是年青学科,发展迅速。

3地球化学的研究思路：那就是在地质作用过程中形成宏观地质体的同时，还形成大量肉眼难以辨别的常量元素、微量元素及同位素成分的组合的微观踪迹，它们包含着重要的定性和定量的地质作用信息，只要应用现代分析测试手段观察这些微观踪迹以及宏观的地球化学现象，便可深入地揭示地质作用的奥秘。

概括一句话那就是见微而知著（即通过观察原子之微，以求认识地球和地质作用之著）5地球化学研究方法及其的特点研究方法：一）野外阶段：1)宏观地质调研。

明确研究目标和任务，制定计划；2)运用地球化学思维观察认识地质现象；3)采集各种类型的地球化学样品。

二）室内阶段：1)“量”的研究，应用精密灵敏的分析测试方法，以取得元素在各种地质体中的分配量。

元素量的研究是地球化学的基础和起点，为此，对分析方法的研究的要求：首先是准确；其次是高灵敏度；第三是快速、成本低；2)“质”的研究，即元素的结合形式和赋存状态的鉴定和研究；3)地球化学作用的物理化学条件的测定和计算；4)归纳、讨论：针对目标和任务进行归纳、结合已有研究成果进行讨论。

特点第一个特点：由于地球化学是隶属于地球科学的，为此，首先要遵循地质学的思维方法和工作途径。

归纳起来有以下几个方面：♠第一手实际资料来自对自然地质现象的详细观察和研♠在地学的时空结构中整理和综合资料；♠确信事实规律的统计性特征；♠反序追踪历史；♠结论的推断性和多解性，以及认识的反复深化。