第一章元素分布的基本規(guī)律

1、第一章 元素分布的基本規(guī)律 第一節(jié) 地球化學(xué)旋回與元素分布 第二節(jié) 元素的共生組合 第三節(jié) 元素的空間分布 第四節(jié) 元素含量的概率分布 本章基本要求： 1、了解元素地球化學(xué)旋回的含義 2、掌握常量組分、微量組分的分布特征 3、理解元素的共生組合概念 4、掌握元素的時(shí)空分布概念 5、掌握元素含量的概率分布形式 應(yīng)用地球化學(xué)主要是通過(guò)調(diào) 查地球表層系統(tǒng)中化學(xué)元素的分 布特征來(lái)研究它對(duì)人類產(chǎn)生的直 接或間接利害關(guān)系。 理解元素分布、分配有兩重含義， 一是元素在地球各圈層的分布，特別是 地殼表層各地質(zhì)體間及各類巖石、礦物 間的分布、分配，即了解空間上、宏觀 上的分布、分配。二是元素在各地質(zhì)作 用過(guò)程中

2、的分布、分配，即元素活動(dòng)演 化過(guò)程中的分布、分配。前者是后者的 結(jié)果，是應(yīng)用地球化學(xué)研究的主要內(nèi)容。 而后者是理論地球化學(xué)研究的主要內(nèi)容。 第一節(jié) 地球化學(xué)旋 回與元素分布 一、地球化學(xué)旋回 地球化學(xué)旋回的方 式可以重復(fù)，但其物質(zhì) 成分的演化趨勢(shì)是不可 逆的，從而引起了化學(xué) 元素的分異和演化，這 種分異和演化是有規(guī)律 的。 二、常量組分分布特征 豐度值一般均在10-2以上元素稱之 為“常量元素”。由于它們的含量變化 幅度相對(duì)平均含量基數(shù)是很小的，故地 球化學(xué)中稱作“常量元素”。它們組成 了地幔、地殼的各種巖石，各種巖石的 性質(zhì)由它們決定。所以稱這些元素為 “造巖元素”。造巖元素的豐度一般用 重

3、量百分率（）來(lái)表示。 地幔與地殼成分特征地幔與地殼成分特征 不同學(xué)者計(jì)算地幔、地殼的模 型不同。但由于地幔發(fā)展演化形成 了地殼，二者在成分上差異規(guī)律是 一致的，即地殼中易熔的硅鋁長(zhǎng)英 質(zhì)成分（Si、A1、Ca）和K、Na、水 增加，而難熔組分（Mg、Fe、Ni、 Co、Cr）比例減少。 巖石圈中十余種常量元素占總量的 絕大部分，如地殼中Si、O、A1、Fe、Na、 K、Ca、Mg、Ti九種元素占總量的99以 上，它們是巖石圈成分的主體。由于這 些元素含量高，它們遵循化學(xué)計(jì)量原則 形成自然礦物，結(jié)果造成地幔中以鐵鎂 暗色礦物為主、地殼中以長(zhǎng)英質(zhì)淺色礦 物為主。上述規(guī)律反應(yīng)了地幔與地殼在 巖石礦物

4、組成上的規(guī)律差異，這種差異 正是地幔熔融、分異演化的結(jié)果。 三、微量元素的分布規(guī)律 豐度均在10-2以下，故稱之為“微量元素”。 微量元素的含量不影響地殼各部分基本物理、 化學(xué)性質(zhì)，但是在特定的條件下，可以富集而形成 礦床。微量元素由于豐度低，其在地殼以及各種地 質(zhì)體中，一般以重量百萬(wàn)分率(10-4)來(lái)表示，常用 ppm(part per million)或10-6表示。 lppm110-6 110-4=0.0001=1g/g ppm單位相當(dāng)于g/g。對(duì)于超微量元素，由于豐度 極低，通常以十億分率(10-7)表示，用ppb(part per billion)表示。 lppb=110-9110-

5、70.0000001=1ng/g 微量元素的分布規(guī)律： 微觀上受元素類質(zhì)同象置換條件制約， 以固熔體混合物形式分布于巖石中。 宏觀上，受元素分配系數(shù)制約以某種統(tǒng) 計(jì)規(guī)律反應(yīng)富集貧化趨勢(shì)。微量元素在造巖 礦物中多以類質(zhì)同象混入物形式存在，服從 概率分布規(guī)律，既有隨機(jī)性，又有統(tǒng)計(jì)性。 少量微量元素的分布不是類質(zhì)同象混 入物形式，它們是超顯微非結(jié)構(gòu)混入物， 是在礦物結(jié)晶生長(zhǎng)時(shí)，混入晶格缺陷或 機(jī)械包裹形成。 如硅酸鹽巖漿中，像黃鐵礦、閃鋅 礦、方鉛礦、輝鉬礦和Ti、V、Mn、U、 Th的氧化物，以及Au、Ag、pb、Bi、Hg 的原子態(tài)單元素自然礦物。 從地核到地殼的垂直方向上， 分散在結(jié)晶礦物中的

6、微量元素產(chǎn)生 了分異作用。 謝爾巴科夫用元素的向心力和 離心力描述這種向地球外圈貧化或 富集的趨勢(shì)。 他將隕石成分（）當(dāng)作地球的 平均成分，代表地球的原始濃度， 玄武巖作為地幔平均成分，將玄武 巖元素豐度（）作為元素離心的基 本參數(shù)；頁(yè)巖是地殼中廣泛分布的 沉積巖，是地球表部各類巖石的平 均成分代表（c）。從而根據(jù)、 c三個(gè)參數(shù)的比值特征將元素分為四 組。 （1）向心元素 /1 c/1 Mg、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Rn、Rh、Pt、Os、 Ir、Pd、Au （2）最弱離心元素 /1 c/1 P、Na、Ca、Sc、Ti、V、Mn、Zn、C、N、Cl、 Br、I （3）弱離心元素 /1 c

7、1 Ga、Ge、As、Se、Sn、Te、Bi、Re、Mo （4）離心元素 /1 c1 Li、Rb、Cs、Sr、Ba、Y、REE、Zn、Hf、Nb、 Ta、B、Al、In、Tl、Si、Pb、Sb、U、F、O 最強(qiáng)的離心元素是在水圈、生物 圈和大氣圈中富集的元素，如H、C、 0、N及惰性氣體。 巖漿結(jié)晶過(guò)程中，某些元素并不 進(jìn)入造巖礦物晶格，它們傾向于在 富含水的流體相中富集。地球化學(xué) 家用元素相容性來(lái)描述在結(jié)晶相或 流體相富集的特征。 不相容元素(incompatib1e elments)是 指那些在結(jié)晶分異過(guò)程中傾向于殘余流 體相中聚集的元素。 相容元素(compatib1e elements

8、)則是 指容易進(jìn)入結(jié)晶相而在殘余流體相中迅 速降低的元素。 地球化學(xué)家用分配系數(shù)(KD)來(lái)定量刻 劃微量元素在兩相中的分配特征。 KD為元素在兩相間的分配系數(shù)， 為在礦 物晶體中濃度分?jǐn)?shù)， 為元素在熔體相中的濃 度分?jǐn)?shù)。 根據(jù)分配系數(shù)KD的大小把微量元素分為弱 不相容元素（KD=0.11），如Zr、Nb、Th、 HREE；不相容元素（KD0.1），如K、Rb、U、 Th、Pb、LREE；把其中KD0.01的稱為強(qiáng)不相 容元素，即99聚集于流體相中，如Rb、Cs、 K、U、Th、Ta、Nb、Ba、La、Ce等。 i X i X 第二節(jié) 元素的共生組合 一、元素的親合性 地殼是一個(gè)包含92種天然元

9、素組成的自 然體系。在其特定的溫度、壓力和酸堿環(huán)境 中，這些元素互相組合，形成了特定的共生 結(jié)合規(guī)律。 天然礦物一般按陰離子分類，地殼中常 見(jiàn)的是含氧化合物、硫化物、鹵化物及天然 元素等。地球化學(xué)上把陽(yáng)離子有選擇地與陰 離子結(jié)合的傾向性，稱為元素的親合性。并 按這種親合性進(jìn)行元素分類。 戈?duì)柕率┟芴胤治褰M： 親鐵元素： 自然界傾向于以自然元素產(chǎn)出，價(jià)電子 不易丟失，與氧、硫親合力均弱，集中于鐵- 鎳核中的元素，如Au、Ge、Sn、（Pb）、C、 P、（As）、Mo、（W）、Re、Fe、Cr、Co、 Ni、Ru、I、Rh、Pd、0s、Ir、Pt。 親硫元素： 與硫親合力強(qiáng)，是因?yàn)檫@些元素的 金屬

10、離子具有818過(guò)渡型結(jié)構(gòu)，易于極 化而與易極化的硫離子形成共價(jià)鍵，易 熔于硫化鐵熔體的元素，如Cu、Ag、Zn、 Cd、Hg、In、Tl、（Ge）、（Sn）、 （Pb）、As、Sb、Bi、Se、Te、Fe。 親氧元素（又稱親石元素）： 離子外層電子云為8個(gè)電子的隋性氣 體型穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，與氧形成穩(wěn)定的離子鍵 化合物，易熔于硅酸鹽熔體的元素，如 Li、Na、K、Rb、Cs、Fr、Be、Mg、Ca、 Sr、Ba、Ra、B、Al、Sc、Y、TR、C、Si、 Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、P、As、0、W、 Mn、H、F、Cl、Bi、I。 親氣元素： 原子外層電子為8個(gè)電子型，原子容積最 大，具有揮發(fā)

11、性或易形成揮發(fā)性化合物，主 要集中在氣體中，如H、C、N、0、I、Hg、He、 Ne、Ar、Rr、Xe、Rn。 親生物元素： 生物圈中富集于有機(jī)物中的元素，如H、 N、0、P、S、Cl、（R）、（Ca）、（Fe）、 （Ca）、（Fe）、(B)、（F）、(Si)、（Mn）、 （Cu）、I。 氫族；造巖元素族(Li、Be、Na、Mg、Al、 Si、K、Ca、Rb、Sr、Cs和Ba)；惰性氣體族 (He、Ne、Ar、Kr、Xe、Rn)；揮發(fā)分元素族 (B、C、N、O、F、P、S、Cl)；鐵族(Ti、V、 Cr、Mn、Fe、Co、Ni);稀土稀有元素族 (Sc、 Y、Zr、Nb、TR、Hf、Ta等)；

12、放射性元素族 (Fr、Ra、Ac、Th、Pa、U等）；鎢鉬族 (Mo、 Tc、W、Re)；鉑族(Ru、Rh、Pd、Os、Ir、 Pt)；硫化礦床成礦元素族 (Cu、Zn、Ge、 Ag、Cd、In、Sn、Au、Hg、Tl、Pb等)；半 金屬元素族(As、Sb、Bi、Se、Te、Po)； 重鹵素元素族(Br、I、At)。 二、成巖成礦 作用的典型元 素組合 表1-3列出了 不同巖漿巖和沉 積巖中的元素一 般組合特征及常 見(jiàn)礦石類型的元 素組合特征。 各類巖石中的微量元素組合，主要反 映了該巖石中主要造巖礦物的類質(zhì)同象 元素。 如超基性巖主要由橄欖石和輝石組 成，與鐵、鎂類質(zhì)同象置換的鈷、鎳、 鉻、

13、銅便是該類巖石的典型元素組合。 成礦主要元素為親硫元素、親鐵 元素，不易進(jìn)入硅酸鹽晶體而富集 在殘余流體或后期熱液中，雖然同 為親硫元素，但由于成礦流體本身 成分的差異性，不同礦床類型僅有 一種或多種金屬元素為主形成主要 獨(dú)立礦物，其他元素則以次要礦物 或雜質(zhì)元素出現(xiàn)，形成了上表中不 同礦石類型的特有的元素組合，這 為找礦確定指示元素提供了依據(jù)。 第三節(jié) 元素的空間分布 一、正常分布與異常分布 地球化學(xué)的正常分布，是某一空間 中多數(shù)位置上元素含量所具有的相對(duì)波 動(dòng)不大的特征。 地球化學(xué)中的異常，最早使 用于勘查地球化學(xué)中，是指礦化 區(qū)段的地球化學(xué)特征（如某些元 素含量的高低，元素含量分布的 均

14、勻性，元素賦存形式的差異） 明顯不同于周圍無(wú)礦背景區(qū)的現(xiàn) 象。 地球化學(xué)異常包含了三個(gè)方面的 含義：地球化學(xué)特征不同，具有一 定的空間范圍，元素含量或地球化 學(xué)指標(biāo)值偏離背景值。簡(jiǎn)言之，由 異?，F(xiàn)象、異常范圍、異常值三層 含義構(gòu)成了完整的地球化學(xué)異常概 念。由此可知，異常是相對(duì)于地球 化學(xué)背景而存在，相對(duì)于背景的 “正?！倍缘?。因此了解背景的 正常分布，更有助于理解異常分布。 不同級(jí)次的背景與異常 二、元素的時(shí)空分布地球化學(xué)場(chǎng) 如果把地球化學(xué)背景和發(fā)育在 其中的地球化學(xué)異常當(dāng)作一個(gè)整體 來(lái)看待的話，元素在這一體系中的 分布便構(gòu)成地球化學(xué)場(chǎng)。除了元素 外，一切地球化學(xué)指標(biāo)，都具有自 己的地球化

15、學(xué)場(chǎng)。 地球化學(xué)指標(biāo)是指一切能提供 找礦信息或其他地質(zhì)信息的、能夠 直接或間接測(cè)量的地球化學(xué)變量。 地球化學(xué)指標(biāo)可分為參數(shù)性與非 參數(shù)性兩大類。前者為定量數(shù)值， 后者為定性表述（如有、無(wú)；大、 中、小；強(qiáng)、中、弱；深、淺等）。 地球化學(xué)指標(biāo) 將地殼或者地球表層系統(tǒng)中 某一點(diǎn)放在直角坐標(biāo)系（x，y，z） 中，該點(diǎn)任一時(shí)刻t，存在著j個(gè) 相，每個(gè)相有i個(gè)地球化學(xué)指標(biāo)， 該點(diǎn)指標(biāo)i可表示為： 我們把地球化學(xué)指標(biāo)i在三度空間和 時(shí)間上的分布與演化稱為地球化學(xué)場(chǎng)， 即具體某一時(shí)刻定位于三度空間上的地 球化學(xué)指標(biāo)值。 地球化學(xué)指標(biāo)應(yīng)用最多的是元素含 量，其次是地球化學(xué)環(huán)境標(biāo)志，如pH、 Eh、T、P等，地

16、球化學(xué)場(chǎng)研究最多的是 元素的分布。 地球化學(xué)場(chǎng)有以下特征： （1）與地球物理場(chǎng)相比，它沒(méi)有 嚴(yán)格的數(shù)學(xué)公式或化學(xué)定律進(jìn)行準(zhǔn)確地 描述、推斷或延拓，它是具體點(diǎn)上地球 化學(xué)環(huán)境（化學(xué)、熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)）綜 合制約的結(jié)果，可以定性推測(cè)而不能準(zhǔn) 確計(jì)算。地球物理場(chǎng)則可以嚴(yán)格按照物 理定律進(jìn)行計(jì)算和推演。 （2）地球化學(xué)場(chǎng)是一個(gè)連續(xù)的非 均勻場(chǎng)。三度空間中任何一點(diǎn)，都 有相應(yīng)的地球化學(xué)指標(biāo)值，從這一 含義上講是連續(xù)的，但是此點(diǎn)與彼 點(diǎn)既有結(jié)構(gòu)上的連續(xù)性，又有指標(biāo) 值的隨機(jī)性、波動(dòng)性、不確定性， 是一個(gè)非均勻場(chǎng)。 （3）地球化學(xué)場(chǎng)是一個(gè)不可逆動(dòng)態(tài) 演化的非穩(wěn)定場(chǎng)。地殼體系中，元素主 要以固態(tài)存在。但這種存在

17、形式是暫時(shí) 的。在一定條件下要發(fā)生轉(zhuǎn)移，參加地 球化學(xué)旋回，只能是某一時(shí)刻的分布特 征。所以，只可以有某一地區(qū)某一時(shí)期 的地球化學(xué)場(chǎng)，如晚太古地球化學(xué)場(chǎng)、 寒武紀(jì)地球化學(xué)場(chǎng)等。而水系沉積物測(cè) 量，則是當(dāng)代表層疏松物質(zhì)的地球化學(xué) 場(chǎng)，它是各個(gè)水系沉積物樣點(diǎn)的匯水盆 地內(nèi)表層基巖風(fēng)化物的平均值。 （4）地球化學(xué)場(chǎng)的指標(biāo)不具有傳遞 性，這與地球物理場(chǎng)顯然不同。地球物 理場(chǎng)中物質(zhì)的物理性質(zhì)，如磁性、重力、 放射性等，是依靠場(chǎng)來(lái)傳遞的。而地球 化學(xué)場(chǎng)中，只有氣態(tài)物質(zhì)可呈分子狀態(tài) 垂直向上或向壓力降低方向穿透性傳輸， 部分可溶于水的元素或化合物被水介質(zhì) 緩慢傳輸。以固體物質(zhì)存在的元素，不 能由深部直接傳輸

18、到地表，元素含量的 變化只能通過(guò)元素賦存物質(zhì)的相態(tài)改變、 活化遷移、再沉淀固結(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 第四節(jié) 元素含量的概率分布 由于任何一種巖石中元素的正常 含量都是在一定幅度內(nèi)變化的一系 列數(shù)值，是一個(gè)隨機(jī)變量，各種含 量的出現(xiàn)總是對(duì)應(yīng)于一定的概率。 研究地質(zhì)體中元素含量的概率分布 形式得出，主要呈正態(tài)分布或?qū)?shù) 正態(tài)分布。 所謂正態(tài)分布是指元素含量的概率滿足 下列概率函數(shù)和概率分布函數(shù)： 概率密度函數(shù)： 概率分布函數(shù)： 式中：母體的標(biāo)準(zhǔn)離差； m數(shù)學(xué)期望（或母體的平均值） 為樣品值 對(duì)數(shù)正態(tài)分布是指元 素含量對(duì)數(shù)值的概率滿足 于概率密度函數(shù)和概率分 布函數(shù)： 概率密度函數(shù) 概率分布函數(shù) 正態(tài)分布有以下特點(diǎn)：正態(tài)分布有以下特點(diǎn)： 。，對(duì)稱軸兩邊是對(duì)稱的概率密度有對(duì)稱軸mx 時(shí)有極大值且當(dāng)曲線只有一個(gè)高峰，并mx 。，和，0)( 4 . 0 2 1 )(xfxxmf 點(diǎn)越遠(yuǎn)，隨機(jī)變量的概率最大，離開(kāi)這說(shuō)明在點(diǎn)mm 出現(xiàn)的可能性越小。x 。的概率為，的概率為 ，的距離為值與它與曲線的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng) 軸的橫線，倍處作一平行于曲線最大值 。即在時(shí)，當(dāng) %40.952%1 .84 607. 0 607. 0)( 2 1 mm mx x eFmxfmx 5 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 1 507 506 00