Загальна геохімічна характеристика планети Земля

та її геосфер:Земна кора.

Кларки елементів та методи їх визначення

ОСНОВИ ГЕОХІМІЇ С. Є. Шнюков

Лекція 11-12

Френк Уиглсуорт Кларк (Frank Wigglesworth Clarke )

Видатний американский геохимик, член Академии искусств и наук (1911).

1867 р. — закінчив Гарвардський університет 1874-1883 рр. — профессор университета в

Цинциннати. 1883-1924 рр. — головний хімік Геологічної

Служби США (USGS). Головні праці присвятив дослідженню хімічного

складу різноманітних геологічних утворень. Вперше коректно оцінив середній склад земної кори (визначив кларки елементів). 

19.03.1847, Бостон — 23.05.1931, Вашингтон

Владимир Иванович Вернадский

Владимир Иванович Вернадский родился в Санкт-Петербурге. В 1885 окончил физико-математический факультет Петербурского университета. В 1898 — 1911 профессор Московского университета.

В круг его интересов входили геология и кристаллография, минералогия и геохимия, радиогеология и биология, биогеохимия и философия.

Деятельность Вернадского оказала огромное влияние на развитие наук о Земле, на становление и рост АН СССР, на мировоззрение многих людей.

В 1915 — 1930 председатель Комиссии по изучению естественных производственных сил России, был одним из создателей плана ГОЭЛРО. Комиссия внесла огромный вклад в геологическое изучение Советского Союза и создание его независимой минерально-сырьевой базы.

С 1912 академик РАН (позже АН СССР ). Один из основателей и первый президент ( 27 октября 1918) Украинской АН.

С 1922 по 1939 директор организованного им Радиевого института. В период 1922 — 1926 работал за границей в Праге и Париже.

Опубликовано более 700 научных трудов. Основал новую науку — биогеохимию, и сделал огромный

вклад в геохимию. С 1927 до самой смерти занимал должность директора Биогеохимической лаборатории при АН СССР. Был учителем целой плеяды советских геохимиков. Наибольшую известность принесло учение о ноосфере.

Создал закон о повсеместной распространенности х. э. Первым широко применял спектральный анализ.

28.02.1863, СПб 28.02.1863, СПб — — 6.01.1945, Москва6.01.1945, Москва

Виктор Мориц Гольдшмидт (Victor Moritz Goldschmidt)

Виктор Мориц Гольдшмидт родился в Цюрихе. Его родители, Генрих Д. Гольдшмидт (Heinrich J. Goldschmidt) и Амели Коэн (Amelie Koehne) назвали своего сына в честь учителя отца, Виктора Майера. Семья Гольдшмидта переехала в Норвегию в 1901 году, когда Генрих Гольдшмидт получил должность профессора химии в Кристиании (старое название Осло).

Первая научная работа Гольдшмидта называлась «Контактовый метаморфизм в окрестностях Кристиании». В ней он впервые применил термодинамическое правило фаз Гиббса к геологическим объектам.

Серия его работ под названием «Геохимия элементов» (Geochemische Verteilungsgesetze der Elemente) считается началом геохимии. Работы Гольдшмидта о атомных и ионных радиусах оказали большое влияние на кристаллохимию.

Гольдшмидт предложил геохимическую классификации элементов, закон изоморфизма названый его именем. Выдвинул одну из первых теорий относительно состава и строения глубин Земли, причем предсказания Гольдшмидта подтвердились в наибольшей степени. Одним из первых рассчитал состав верхней континентальной коры.

Во время немецкой оккупации Гольдшмидт был арестован, но незадолго до запланированной отправки в концентрационный лагерь был похищен Норвежским Сопротивлением, и переправлен в Швецию. Затем он перебрался в Англию, где жили его родственники.

После войны он вернулся в Осло, и умер там в возрасте 59 лет. Его главный труд — «Геохимия» — был отредактирован и издан посмертно в Англии в 1954 году.

27.01.1888, Цюрих 27.01.1888, Цюрих — — 20.03.1947, Осло20.03.1947, Осло

Ферсман Олександр Євгенович

• Навчався: Новоросійський та Московський ун-ти, учень В.І.Вернадського , який керував його першими роботами.

• Аспірантура — Германія (рук. — В.М.Гольдшмидт), присвячена дослідженню кристалів алмазу (монография «Алмаз»).

• У 1912 р. О.Є. Ферсман стає професором Московського університету, де читає перший у світі курс геохімії.

• 1917-1945 рр. — директор Мінералогічного музею РАН, який зараз носить його ім’я.

• 1920 р. — інициатор створення першого у СРСР Ільменського державного наукового заповідника.

• 1920-30-ті рр. — відкриття унікальних родовищ світового класу — Мончегорського мідно-нікелевого та Хибинського апатитового.

• 1930-ті рр. — фундаментальна праця «Геохімія» (4 т.), праці в області геохімії космосу та прикладної (пошукової) геохімї, детальне, класичне дослідження пегматитів (монографія «Мінералогія гранітних пегматитів»).

• Академік СПб Імператорської Академії Наук з 1912 р., академік АН СРСР (РАН) з 1919 р. Віце-президент АН СРСР (1926-1929 рр.).

(1883, СПб – 1945(1883, СПб – 1945, Сочі), Сочі)

Александр Павлович Виноградов

• Ученик и ближайший сотрудник В. И. Вернадского. • Окончил Военно-медицинскую академию и

химический факультет Ленинградского университета в 1924г.

• Академик АН СССР (1953), вице-президент АН СССР (1967-1975).

• Ддиректор института геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского АН СССР с 1947г. Основатель его прецизионной аналитической базы.

• В 1953г. основал и возглавил кафедру геохимии геологического факультета МГУ, зав. кафедрой геохимии МГУ (1953-1975 гг.)

• Геохимии: проводил идею создания физико-химической теории геологических процессов. Оопределил средний состав главных пород Земли. Предложил гипотезу универсального механизма образования оболочек планет на основе зонного плавления силикатной фазы и разработал представление о химической эволюции Земли. Развил в СССР геохимию изотопов и геохимию океана и методы изотопной геохронологии.Биогеохимия: ввёл понятие «биогеохимические провинции», развил биогеохимический метод поисков полезных ископаемых.

• Космохимия: хим. состав метеоритов, планет (Луна, Венера).

9.08.1895, СПб 9.08.1895, СПб — — 16.11.1975, Москва16.11.1975, Москва

Два типа кори – континентальна та океанічна

Основные геотектонические обстановки: 1. Срединно-океанические хребты 2. Внутриплитные рифты 3. Островные дуги 4. Активные континентальные окраины 5. Задуговые бассейны 6. Океанические острова  7. Зоны внутриплитной активизации.

Континентальна земна кора

Скорость распространения сейсмических волн в континентальной

земной коре и наиболее

распространенных горных породах

Склад за сейсмічними даними

[Ярошевский]

R = 0,895y = 1,6048x + 21,887

0

50

100

150

200

0 25 50 75 100terr , мас.%

Кларк ВКЗК

Кларк ОКП

N = 97

Zr, ppm

а

0

200

400

600

0 200 400 600

Zr

Sr

LREE

Ba

Y

terr, ppm (оценка)

Кларк ВКЗК, ppm

б

Представительность терригенного стока рек относительно крупных участков континентов

Реставрация петрофонда питающих провинций на основе геохимической типизации зерен терригенного циркона

(на примере песчаников таврической серии Крыма):

1000

10000

100000

10 100 1000 10000 100000

Hf, ppm

Y, ppm

VIII II

IIIIV

VI

V

Hf/Y=40 Hf/Y=8 Hf/Y=3,6

Hf/Y=0,75

Hf/Y=4,8

N = 509

• «Дальняя провинция» (выборка окатанных зерен)

1000

10000

100000

10 100 1000 10000 100000

Hf, ppm

Y, ppm

VII

I

II

III

IV

VI

V

Hf/Y=40 Hf/Y=8 Hf/Y=3,6

Hf/Y=0,75

Hf/Y=4,8

N = 553

• Выборка неокатанных зерен циркона

«Ближняя» питающая провинция:

0

1

2

3

4

5

6

7

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

Возраст (млрд. лет)

Ck (%)

3,2-3,4

3,4-3,7

2,6-3,22,2-2,6

1,9-2,2

1,6-1,9

1,3-1,6

1,0-1,3

0,7-1,0

<0,6-0,7

Реставрация положения областей питания осадочного бассейна:

<0.6-0.7

0.7-1.3

1.3-1.6

1.6-2.2

2.2-2.6

2.6-3.2

>3.2

0

2

4

6

8

10

12

Этапы эволюции (млрд. лет)

Ck (%)

SiO2

a

Типы пород

N = 509

Характеристика питающих провинций«Дальняя» провинция

<0.6-0.7

0.7-1.3

1.3-1.6

1.6-2.2

2.2-2.6

2.6-3.2

>3.2

0

2

4

6

8

10

12

Этапы эволюции (млрд. лет)

Ck (%)

SiO2

б

Типы пород

N = 553

Характеристика питающих провинций«Ближняя» провинция

Зміна джерел постачання уламкового матеріалу за розрізом

Петрохімічні спектри: а – неокатані, б – окатані зерна циркону

Зміна джерел постачання уламкового матеріалу за розрізом

Возрастні спектри: а – неокатані, б – окатані зерна циркону

Вікові спектри монацитів з різних осадових утворень Східно Європейської платформи.

Океанічна кора

Основные геотектонические обстановки: 1. Срединно-океанические хребты 2. Внутриплитные рифты 3. Островные дуги 4. Активные континентальные окраины 5. Задуговые бассейны 6. Океанические острова  7. Зоны внутриплитной активизации.

Схема, иллюстрирующая основные геотектонические обстановки и типы границ плит. •Дивергентные (раздвигающиеся) границы - места, в которых  образуется новая кора за счет отползания одной плиты от другой. •Конвергентные границы - места, в которых кора изчезает за счет поддвига одной плиты под другую. •Трансформные границы - границы, в которых кора не появляется и не разрушается, поскольку плиты скользят горизонтально одна относительно другой. •Зоны границы плит - широкие пояса в которых границы нечетко определены и эффекты взаимодействия плиты неясны.  Автор José F. Vigil, иллюстрация взята с сайта USGS.

Океанічна кора

Океанічна кора

Задуговий спрединг, астеносферна конвекція, магмогенерація

Глибоководна западина (“trench”, “жолоб”)

Field investigators:Vladimir Ivanov, Igor Lomakin,

Valery Morozenko, Alexander Omelchuk

Океанічна кора: безпосередні методи дослідження

Океанічна корабезпосередні методи дослідження Росія: :два типа "Мир" с глубиной

погружения до 6 км, два типа "Пайсис", способные опускаться на 2 км, и аппарат "Аргус" для работ на глубине до 600 м. Глубоководные обитаемые аппараты (ГОА) "МИР-1" и "МИР-2" были построены в Финляндии на фирме "Rauma-Repola" в 1987 году. Аппараты создавались под научно-техническим руководством ученых и инженеров Института Океанологии РАН им.П.П.Ширшова. Создание аппаратов было начато в мае 1985 года и закончено в ноябре 1987 года. В декабре 1987 года были проведены глубоководные испытания аппаратов в Атлантике на глубины 6170м ("МИР-1 ") и 6120м ("МИР-2"). Аппараты установлены на судне обеспечения "Академик Мстислав Келдыш", построенном в 1981 году в Финляндии и переоборудованном в 1987 году для проведения работ с ГОА "МИР". Проведено 35 экспедиции в Атлантический, Тихий и Индийский океаны с применением ГОА «Мир-1» и «Мир-2» (1987-2005 гг.), а также 16 экспедиций с применением ГОА «Пайсис VII» и «Пайсис XI» (1977-1991 )

Океанічна кора: безпосередні методи дослідження

Океанічна кора

Океанічна кора

Провідні зони спредингу: 2 типа СОХ - медленного спрединга (Срединно-Атлантический Хребет - 1.5-7 см/год, узкие хребты) и быстрого спрединга (Восточно-Тихоокеанское поднятие - 12-16 см/год, широкие хребты). Величина желтых стрелок пропорциональна скорости спрединга. (< 3 и >4 см/год).

Океанічна кора

Океанічна кора

Провідні зони субдукції

Океанічна кора

Вік, млн. р.Провідні зони спредингу: закономірне зростання віку океанічної кори з віддаленням від рифтів за палеомагнітними даними. Чітко виділяються зони повільного та швидкого спредингу.

Океанічна кора

Серединно-Атлантична зона спредингу:

закономірне зростання віку океанічної кори (0-180 млн.р.) з віддаленням від рифту за палеомагнітними даними.

Океанічна кора

Більш детальне зображення палеомагнітних зон, що встановлені для океанічної кори Атлантичного океану. Відкриття цього басейну було нерівномірним. Початок та швидкість спредингу були різними в різних ділянках басейну.

Океанічна кора

Океанічна кора

Океанические острова (Гавайи, Рабида, Таити, Гран-Канария). Приурочены к горячим точкам, представленных на этом рисунке (по различным данным - от 16 до 122 горячих точек, но на данной схеме показана 41).

Океанічна кора

Океанічна кора

Некоторые противоречия существуюшей геотектонической интерпретации.

• Переходы СОХ на континент• Океанические плиты - равнины (котловины), холмы, поднятия, хребты (вулканические), плато, асейсмичные хребты, океанические вулканические горы.• Континентальные блоки. В Атлантическом океане (Фолклендские острова, Сан-Паулу, Ян-Майен, Фареро-Исландский порог), В Индийском океане (поднятие Шатского, Хесса, плато Кэмпбелл, плато Манихики, Новая Зеландия, Онтонг-Джава (Ява), Сейшелы).• Неравномерность и унаследованность рельефа разных океанов• Глубинное строение океана: тепловой поток. Мантия плотная, под СОХ - мантийные диапиры. Наблюдается подъем поверхности ядра. Ксенолиты барофобные (Ol-An). высокая эндогенная активность.

Океанічна кора

Схематический разрез океанической коры  [White, 2001]. •Средняя мощность океанической коры 6 км ( у континентальной - 35 км). •Океаническая кора более основного состава и содержит больше Mg и Fe.•Океаническая кора временная - среднее время, проходящее от образования океанической коры до ее исчезновения в зонах субдукции менее 100 миллионов лет. •Практически вся океаническая кора формируется в срединно-океанических хребтах (происхождение континентальной коры до сих пор неясно).

•По [Brown&Mussett,1993]. Взято из [Winter,2001].

Океанічна кора

Океанічна кора

Строение слоев и мощности классической офиолитовой последовательности офиолитов Самиал (Оман) по [Boudier&Nicolas, 1985].

Слой 1 - глубоководные осадки

Слой 2 - подушечные лавы и дайковый комплекс

Слой 3 - габброиды

Слой 4 - ультрамафиты

Строение слоев и мощности классической офиолитовой последовательности офиолитов Самиал (Оман) по [Boudier&Nicolas, 1985].  Бескорневые диориты и тоналиты (на рисунке plagiogranite) скорее всего являются поздними дифференциатами.Основание третьего слоя сложено расслоенными кумуляционными верлитами и габбро. Верлиты часто проникают в расслоеные габбро.Ниже отмечаются расслоенные перидотиты с кумулятивными структурами.Еще ниже - тектонизированные дуниты и гарцбургиты (нерасплавленный остаток исходной магмы)

Океанічна кора

Причины плавления мантии:(1) Плавление за счет прогрева (HotSpot)

(2) Плавление за счет адиабатической декомпрессии (MORB)

(3) Плавление, вызванное флюидом ( Fluid-induced melting)

Рассмотрим:а) Плавление путем нагревания при постоянном давлении: 1 - твердое вещество, 2 - частично расплавленное.

(б) Плавление путем адиабатического (почти изотермического) подъема: 1 - твердое вещество, 2 - частично расплавленное.

(в) Плавление при дегидратации гидроксил-содержащего минерала: S1 - солидус при отсутствии воды, S2 - солидус насыщенного водой расплава; D - кривая дегидратации минерала. При нагревании на уровне р1 в точке d происходит разложение минерала с выделением воды, которая растворяется в насыщенном водой расплаве в точке 2. Если нагревание осуществляется на уровне р2, то дегидратация происходит в точке 2', и при этой температуре образуется расплав, содержащий растворенную воду, но не насыщенный ею. В обоих случаях наличие воды значительно понижает температуру плавления по сравнению с "сухим" солидусом S1.

Океанічна кора

Причины плавления мантии:(1) Плавление за счет прогрева (HotSpot)

(2) Плавление за счет адиабатической декомпрессии (MORB)

(3) Плавление, вызванное флюидом ( Fluid-induced melting)

Диаграмма полей устойчивости фаз алюминия для лерцолитов с интервалом плавления, субсолидусными переходами и геотермическими градиентами (по Wyllie, 1981)

Плагиоклаз < 50 км

Шпинель 50-80 км

Гранат 80-400 км

Si  -> (VI)>400 (440 - рингвудит)

Океанічна кора

Базальты MORB:< 0.2 % K2O и < 2 % TiO2

Океанічна кора

Решает проблему отсутствия по геофизическим данным крупных магматических очагов под СОХ - лишь линзы расплава всего несколько сот метров мощностью и шириной менее 2 км на глубине 1-2 км.

Схема магматического очага под быстрыми спрейдинговыми зонами по Perfit et al., 1994.

Океанічна кора

Общая модель плавления мантии под срединно-океаническими хребтами [Zindler et al., 1984] и [Wilson, 1989]

Схема из [Langmuir et al., 1992], показывающая зависимость степени плавления мантии под срединно-океаническими хребтами от температуры и давления при адиабатическом подъме мантии. Две стрелки обозначают два пути плавления, зависящих от стартовой температуры мантии.

Океанічна кора

Низкокалиевые и низкотитанистые высокомагнезиальные расплавы должны соответствовать большой степени плавления или деплетированному источнику.Расплавы высокотитанистые и с повышенным калием могут быть производными менее деплетированного источника.

Океанічна кора

Спектры редкоземельных компонентов для нормальных и обогащенных базальтов MORB.

Океанічна кора

Разделение MORB по La/Sm отношению. Отношение ниже 1 характерно для N-MORB, выше 2 -

для E-MORB (обогащенных), от 1 до 2 - промежуточные, transitional (T-MORB) - показаны зелеными кружочками.

Океанічна кора