地壳与地幔的物质交换

地壳与上地幔的演化不是单一的从地幔物质到地壳物质的化学分异，而是存在着壳幔物质相互作用和交换的复杂过程。太古代形成的地壳主要由英云闪长岩、奥长花岗岩、花岗闪长岩和呈带状分布的玄武岩成分的绿岩系组成，同时有大量的含铁沉积建造，因此那时的地壳是偏中性和富含铁的。而现在的地壳则主要由偏酸性的花岗质岩石组成。这表明地壳物质在向酸性组份方向演化，并由地幔不断地分异出新的地壳物质。这一过程古往今来，经久不息。

现代板块运动的模式对地壳、地幔的物质交换、混合和相互作用过程提

供了很好的证据。地球上各大洋中脊地区不断地喷发出拉斑玄武岩，并将两侧已冷凝的玄武岩不断向外推开，造成海底扩张。K-Ar 年龄和古地磁资料表明，这种扩张速度约为 2～10cm/年。大洋中脊拉斑玄武岩是海洋地幔软流层物质部分熔融的产物，它的同位素组成和大离子亲石元素的比值直接代表了软流圈的特征。已经提过，大洋中脊玄武岩的 87Sr/86Sr 和 207Pb/204Pb 是所有火山岩中最低的，143Nd/144Nd 则是最高的。微量元素资料表明，和原始地幔相比，软流圈地幔亏损了 50％以上的大离子亲石元素。这种玄武岩长期浸泡在海水中，便发生水岩物质的相互作用，海水中的 K，U，Rb，Sr 等进入洋壳，使洋壳玄武岩产生蚀变。因为大洋中 Sr 浓度约为 8ppm，其 87Sr/86Sr～ 0.7095，海水锶的加入使得蚀变洋壳的锶同位素组成明显增高。相比之下， 海水中 Nd 的浓度仅约 3×10-5ppm，因此蚀变洋壳的钕同位素组成不发生变化。当这种扩张的海洋板块到达陆块与大洋板块的会聚边界时，由于大洋板块比重大于陆块，蚀变的海洋板块连同上复的沉积物就会插入陆块之下，俯冲的大洋板块可以一直到达软流圈的底部。由于温度和压力的增加，俯冲板块将依次发生从绿片岩相到角闪岩相、再到榴辉岩相的变质作用。由于温度的升高使板块发生脱水作用，有以下反应产生：

水份分离后加入到上复的地幔楔子中，使地幔楔子的熔融温度下降。与此同时，海洋沉积物和海水所携带的大离子亲石元素（K，U，Th，Rb，P 等）连同水一起形成交代热液也进入地幔楔子，形成含角闪石、钛铁角闪石、金云母、透辉石以及磷灰石等富含微量元素的地幔交代脉。随着俯冲带的加深， 地幔交代作用发育也就愈完全，大离子亲石元素向上富集也愈明显。另外， 俯冲板块由于有高的水压和氧逸度，使得许多矿物如锆石、钛铁矿、榍石、磷灰石、石榴石等处于更稳定状态，而被带到地幔的更深部位，使得榴辉岩相的板块要更富 Ti，Zr，Nb，Y 等元素。

上述富含交代脉的辉石橄榄岩与榴辉岩在地幔中再发生部分熔融，便形成了岛弧地区和大陆边缘的钙碱性岩浆系列，在靠近深海沟一侧主要形成拉斑玄武岩。由于俯冲板块中的钛被带到更深的地方，所以这些玄武岩都是低钛玄武岩。而在岛弧和大陆边缘一侧则形成高铝玄武岩和碱性玄武岩，从日本岛弧到中国大陆东部边缘，就可以看到这种情况。由于岛弧岩浆系列中 K， Rb 等大离子亲石元素随板块俯冲深度加大而增加，Condie 根据这一规律提出了用 K2O 含量（经 SiO2=60％标定后的量）来判断俯冲带深度的经验公式：

H（km）=89.3（K2O）60-14.3（r=0.82）

这个经验公式的精度大约为 30％左右，如果能确认其岛弧环境，利用这个公式还可用来估算古俯冲带的深度。

经过部分熔融提取岩浆、并亏损大离子亲石元素的残留板块，由于地幔对流作用又可返回大洋底部，与大洋软流圈物质混合。这些物质又成为大洋中脊玄武岩的岩浆源区，使得海洋软流圈和洋脊玄武岩越来越亏损大离子亲石元素，这一过程就是地壳和地幔物质相互作用的再循环过程。图 8.8 表示了这一地球化学循环过程的示意。

应用同位素示踪的方法可以清楚地显示这一物质交换过程。海水锶的带入造成岛弧火山岩 87Sr/86Sr 高于洋脊玄武岩，而其 148Nd/144Nd 没有明显变化，这种情况可以反映在 Nd-Sr 相关图上（图 8.9）。图中岛弧火山岩是新布里特恩、马利亚纳和斯科歇地区。由于 Sr 同位素的变化，使它们在水平方向偏离了洋脊、洋岛和大陆火山岩的正常反相关演化线，而近于水平分布。当岛弧火山岩中混入有大洋沉积物时，其铅同位素也会发生明显变化。如北美阿留申岛弧和喀斯喀特山地区火山岩铅同位素值落在北太平洋，脊拉斑玄武岩和北太平洋碎屑沉积岩之间（图 8.10）。还可以利用锶同位素（如87Sr/86Sr～1/Sr 关系）来鉴别大陆火山岩是否遭受地壳物质的加入而引起的同位素变异，因为单纯的结晶分异不会引起同位素组成的变化。

地幔对流活动制约着板块运动，板块运动导致了地壳与地幔物质的相互作用和交换，也造成了地壳的增生和重熔。地球内部的物理运动和它的化学运动两者是不可分割的。一切历史上发生过的运动过程都给地球的化学体系留下了烙印。因此我们可以通过岩石的化学体系特征，来确定地球内部物理运动的时空关系，这就是地球化学工作者所要解决的问题。

最后还应该特别指出，引起地壳与上地幔物质演化的最基本动力是地球的内能，尤其是放射能。可以这样认为，放射能的分布和其运移情况最终决定了地壳与地幔的演化趋势。