微量元素地球化學(xué)

1、中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所中國(guó)科學(xué)院研究生院中國(guó)科學(xué)院研究生院現(xiàn)代地球化學(xué)現(xiàn)代地球化學(xué)微量元素地球化學(xué)郭敬輝，2005年巖漿巖中主要造巖礦物和副礦物的分子式巖漿巖中主要造巖礦物和副礦物的分子式Q/Qtz石 英 QuartzSiO2Kf 鉀長(zhǎng)石 OrthoclaseKAlSi3O8Ab鈉長(zhǎng)石 AlbiteNaAlSi3O8An鈣長(zhǎng)石 AnorthiteCaAl2Si2O8Ne霞 石 Nepheline NaAlSiO4Bi黑云母 BiotiteK2Fe6Si6Al2O20(OH)2Hb/Amp角閃石 Hornblende(Ca,Na)23(Mg,Fe2+,Fe3

2、+,Al)5(Al,Si)4O112(OH)2Cpx透輝石 DioriteCaMgSi2O6Opx紫蘇輝石Orthopyroxene (Mg,Fe)2Si2O6Ol橄欖石 Olivine(Mg,Fe)2SiO4Mt磁鐵礦 MagnetiteFe3O4Ilm鈦鐵礦 IlmaniteFeTiO3Ap磷灰石 ApatiteCa5PO43(F,Cl,OH)Sph/Ti榍 石 TitaniteCaTiSiO4(O,OH,Cl,F)Sp尖晶石 SpinelMgAl2O4Grt石榴石 Garnet(Fe,Mg,Ca)3Al2Si3O12Zr鋯 石 Zircon ZrSiO4提綱提綱1 1 微量元素地球化學(xué)的

3、一些基本理論問(wèn)題微量元素地球化學(xué)的一些基本理論問(wèn)題2 2 巖漿過(guò)程的微量元素定量模型巖漿過(guò)程的微量元素定量模型3 3 稀土元素地球化學(xué)稀土元素地球化學(xué)4 4 微量元素地球化學(xué)研究的主要思路和方法綜述微量元素地球化學(xué)研究的主要思路和方法綜述5 5 微量元素地球化學(xué)方法在現(xiàn)代地球科學(xué)研究中的微量元素地球化學(xué)方法在現(xiàn)代地球科學(xué)研究中的應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例6 6 微量元素的測(cè)試方法微量元素的測(cè)試方法 1.1 1.1 微量元素的定義微量元素的定義1.2 1.2 微量元素在地質(zhì)體中的賦存型式微量元素在地質(zhì)體中的賦存型式1.3 1.3 微量元素分類(lèi)微量元素分類(lèi)1.4 1.4 支配微量元素地球化學(xué)行為的主要物理化

4、學(xué)定律支配微量元素地球化學(xué)行為的主要物理化學(xué)定律 a. a. Goldschmidt三定律三定律 b. 化學(xué)勢(shì)、逸度、活度化學(xué)勢(shì)、逸度、活度 c. c. 固熔體、稀溶液與亨利定律固熔體、稀溶液與亨利定律 d. Nernstd. Nernst分配定律與分配系數(shù)（分配定律與分配系數(shù)（k ki i= = ci is/ /ci il） e. e. 分配系數(shù)的含義分配系數(shù)的含義 f. f. 影響分配系數(shù)的主要因素影響分配系數(shù)的主要因素 g. g. 分配系數(shù)的測(cè)定分配系數(shù)的測(cè)定v Gast（1968）不作為體系中任何相的組分存在的元素）不作為體系中任何相的組分存在的元素v 伯恩斯（晶體場(chǎng)理論的礦物學(xué)應(yīng)用）

5、只要某元素在體系中的伯恩斯（晶體場(chǎng)理論的礦物學(xué)應(yīng)用）只要某元素在體系中的含量低到可以用稀溶液定律來(lái)描述其行為，即可稱(chēng)微量元素含量低到可以用稀溶液定律來(lái)描述其行為，即可稱(chēng)微量元素v 微量元素的概念是相對(duì)的微量元素的概念是相對(duì)的 K：花崗巖中常量元素，超基性巖中微量元素：花崗巖中常量元素，超基性巖中微量元素 Ni：地殼巖石中微量元素，隕石中常量元素：地殼巖石中微量元素，隕石中常量元素 Li，B：偉晶巖中常量元素：偉晶巖中常量元素v 對(duì)于地殼，對(duì)于地殼，O，Si，Al，F(xiàn)e，Mg，Ca，Na，K，Ti常量元素，常量元素，其他是微量元素其他是微量元素獨(dú)立礦物獨(dú)立礦物 U ZrSiO4類(lèi)質(zhì)同像替代類(lèi)質(zhì)同

6、像替代 Sr、Eu Ca Pb、Ba KMgNi晶格缺陷晶格缺陷吸附吸附v 基本的化學(xué)分類(lèi)基本的化學(xué)分類(lèi)v Goldschmidt分類(lèi)分類(lèi)v 一般的地球化學(xué)分類(lèi)一般的地球化學(xué)分類(lèi)v 常用分類(lèi)常用分類(lèi)v 對(duì)元素分類(lèi)的說(shuō)明對(duì)元素分類(lèi)的說(shuō)明v 基本的化學(xué)分類(lèi)基本的化學(xué)分類(lèi)v Goldschmidt分類(lèi)分類(lèi)親石親石 親鐵親鐵 親銅親銅 親氣親氣v 一般的地球化學(xué)分類(lèi)一般的地球化學(xué)分類(lèi)v 常用分類(lèi)常用分類(lèi)過(guò)渡過(guò)渡(族族)元素元素稀土元素稀土元素(REE)鉑族元素鉑族元素(PGE)惰性氣體元素惰性氣體元素高場(chǎng)強(qiáng)元素高場(chǎng)強(qiáng)元素(HFS) 離子半徑小，電價(jià)高 Zr、Hf、Nb、Ta、Ti大離子親石元素大離子親

7、石元素(LIL) 離子半徑大，電價(jià)底 K、Rb、Sr、Ba、Pb不相容元素：不相容元素： K或D1，傾向于富集在熔體相相容元素：相容元素： K或D 1，傾向于富集在結(jié)晶相 Ni、Cr、Co1 2 3 4 5 6離子電價(jià)離子半徑離子半徑10-10m1.00.21.80.61.4v 對(duì)元素分類(lèi)的說(shuō)明對(duì)元素分類(lèi)的說(shuō)明主要考慮元素在巖漿過(guò)程中的特點(diǎn)主要考慮元素在巖漿過(guò)程中的特點(diǎn)各種分類(lèi)之間不一定有對(duì)應(yīng)關(guān)系各種分類(lèi)之間不一定有對(duì)應(yīng)關(guān)系兩個(gè)離子，如果他們具有相同的兩個(gè)離子，如果他們具有相同的價(jià)價(jià)和和，則易于交，則易于交換，并以與他們?cè)谡麄€(gè)體系中相同的比例進(jìn)入固熔體換，并以與他們?cè)谡麄€(gè)體系中相同的比例進(jìn)入固

8、熔體正因?yàn)槿绱?，許多微量元素，會(huì)以類(lèi)質(zhì)同像替代的方式，和正因?yàn)槿绱耍S多微量元素，會(huì)以類(lèi)質(zhì)同像替代的方式，和與各自與各自電價(jià)電價(jià)和和離子半徑離子半徑相近的常量元素（主元素）一起進(jìn)入相近的常量元素（主元素）一起進(jìn)入固體相。例如：固體相。例如：Sr、Eu CaRb、Pb、Ba KNi MgFo20406080Fa13001500170018901205T oC 1900鎂橄欖石 wt%兩個(gè)離子，如果他們具有相同的兩個(gè)離子，如果他們具有相同的價(jià)，價(jià)，和相似的和相似的，則較小的離子傾向于進(jìn)入固體相則較小的離子傾向于進(jìn)入固體相Mg2+ 比Fe2+ 的離子半徑小，因此，在橄欖石與熔體的平衡體系中，橄欖石中

9、Mg的含量高于熔體兩個(gè)離子，如果他們具有相似的兩個(gè)離子，如果他們具有相似的價(jià)價(jià)不同，不同，那么，那么，電價(jià)電價(jià)高的離子傾向于進(jìn)入固體相高的離子傾向于進(jìn)入固體相如，如，Cr3+、Ti4+總是傾向于進(jìn)入固體相總是傾向于進(jìn)入固體相固熔體固熔體：一般采用研究溶液體系發(fā)展出來(lái)的理論模型來(lái)處理固體：一般采用研究溶液體系發(fā)展出來(lái)的理論模型來(lái)處理固體aa亨利定律亨利定律aa 元素j在相有a 元素j在相有a 達(dá)到兩相平衡 則有： aa得到： aaaaaKD(P，T) = xj / xj v 能斯特能斯特(Nernst)(Nernst)分配定律分配定律例如，假設(shè)：體系中 C(Ni) = 20 ppm 橄欖石中C(

10、Ni) 100 ppm 斜長(zhǎng)石中C(Ni) 1 ppm 熔體中C(Ni) 10 ppm 如果：體系中C(Ni) 40 ppm，則： 橄欖石中C(Ni) 200 ppm 斜長(zhǎng)石中C(Ni) 2 ppm 熔體中C(Ni) 20 ppm分配系數(shù)分配系數(shù)i 用C而不用X來(lái)代表組分i在固相s和液相l(xiāng)中的濃度。因?yàn)閷?duì)于熱力學(xué)的目的，mol比值方便；而對(duì)于地球化學(xué)，重量比值更簡(jiǎn)便DDii Di = ii 分配系數(shù)可以淺略理解成在晶體/溶體的體系中，元素進(jìn)入晶體的能力不相容元素：不相容元素： K或D1，傾向于富集在結(jié)晶相相容元素：相容元素： K或D 1，傾向于富集在熔體相v 不相容元素可以分為不相容元素可以分

11、為2組組高場(chǎng)強(qiáng)高場(chǎng)強(qiáng)元素元素(HFSE)，有：，有：REE, Th, U, Ce, Pb4+, Zr, Hf, Ti, Nb, Ta等等大離子親石大離子親石元素元素(LILE)，有：，有：K, Rb, Cs, Ba, Pb2+, Sr, Eu2+等。等。LILE活動(dòng)性更強(qiáng)，特別是有流體參與的系統(tǒng)活動(dòng)性更強(qiáng)，特別是有流體參與的系統(tǒng)Table 9-1. Partition Coefficients (CS/CL) for Some Commonly Used Trace Elements in Basaltic and Andesitic RocksOlivineOpxCpxGarnetPlagA

12、mphMagnetiteRb0.0100.0220.0310.0420.0710.29 Sr0.0140.0400.0600.0121.8300.46 Ba0.0100.0130.0260.0230.230.42 Ni14570.9550.016.829Cr0.7010341.3450.012.007.4La0.0070.030.0560.0010.1480.5442Ce0.0060.020.0920.0070.0820.8432Nd0.0060.030.2300.0260.0551.3402Sm0.0070.050.4450.1020.0391.8041Eu0.0070.050.4740.2

13、43 0.1/1.5*1.5571Dy0.0130.150.5821.9400.0232.0241Er0.0260.230.5834.7000.0201.7401.5Yb0.0490.340.5426.1670.0231.6421.4Lu0.0450.420.5066.9500.0191.563Data from Rollinson (1993).* Eu3+/Eu2+Italics are estimatedRare Earth Elements微量元素的相容或不相容，取決于所涉及的體系，取決于微量元素的相容或不相容，取決于所涉及的體系，取決于礦物與熔體的類(lèi)型。礦物與熔體的類(lèi)型。 看看下面這

14、些微量元素，哪些相容元素，哪些不相容元素 試試，正確寫(xiě)出分配系數(shù)i單斜輝石/玄武質(zhì)巖漿之間的KREE單斜輝石/玄武質(zhì)巖漿各類(lèi)巖漿中，角閃石REE的分配系數(shù)LnDSm榍石LnDSm榍石LnDHo輝石斜長(zhǎng)石/玄武質(zhì)巖漿間的KEuKEu斜長(zhǎng)石/玄武質(zhì)巖漿第二部分第二部分巖漿過(guò)程的微量元素定量模型巖漿過(guò)程的微量元素定量模型2.1 部分熔融過(guò)程部分熔融過(guò)程2.2 結(jié)晶過(guò)程：分離結(jié)晶過(guò)程，結(jié)晶過(guò)程：分離結(jié)晶過(guò)程，Rayligh分餾定律分餾定律2.3 分離部分熔融模型分離部分熔融模型2.4 其他模型：其他模型： a. 同化混染和分離結(jié)晶作用聯(lián)合模型同化混染和分離結(jié)晶作用聯(lián)合模型(AFC) b. 混合模型混合

15、模型2.5 巖漿過(guò)程的鑒別（部分熔融、分離結(jié)晶）巖漿過(guò)程的鑒別（部分熔融、分離結(jié)晶） 2.1a 對(duì)部分熔融過(guò)程的理解對(duì)部分熔融過(guò)程的理解o 部分熔融過(guò)程很重要。地球的圈層分異，地殼的生長(zhǎng)和演變，在物質(zhì)上，主要是通過(guò)巖漿作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的。巖漿發(fā)生的唯一方式，是先存巖石的部分熔融。o 如果熔體一直在熔融區(qū)滯留，產(chǎn)生的全部熔體就會(huì)作為一個(gè)整體，與殘留相保持某種程度的平衡，從而接近；o 如果熔體一產(chǎn)生就很快離開(kāi)熔融區(qū)，而移至別處匯聚，那么，在熔融區(qū)，與殘留相平衡共存的熔體始終只是剛剛產(chǎn)生那一小部分。這樣的過(guò)程，稱(chēng)為?，F(xiàn)在的上地幔接近分離部分熔融的殘留相。o 如果隨著部分熔融的發(fā)展，產(chǎn)生熔體的量，每達(dá)到一定

16、程度，就離開(kāi)熔融區(qū)，而移至別處匯聚。這樣的過(guò)程，稱(chēng)為(batch partial melting)。這樣的過(guò)程，接近地質(zhì)實(shí)際。2.1b 平衡部分熔融過(guò)程的定量模型平衡部分熔融過(guò)程的定量模型o 假設(shè)，產(chǎn)生的全部熔體與殘留相保持平衡源巖源巖殘留相殘留相巖漿巖漿F1-Fo 考慮源巖中微量元素i的量和巖漿+殘留相中的量相等，可得下列方程：變換方程：除方程兩邊，得： Di因此得到： Di講方程兩邊上下掉換，得到： Di DiDi DiPi Di是微量元素i在源巖與熔體間的分配系數(shù) Pi是微量元素i在殘留相與熔體間的分配系數(shù) Di DiDi DiDi2.1c 平衡部分熔融過(guò)程微量元素的變化規(guī)律平衡部分熔融

17、過(guò)程微量元素的變化規(guī)律 DiDiDi0.010.111010000.20.40.60.810.010.111010000.20.40.60.81 Di0.01FF 0.10.525D = 1020.10.5D = 0.015D = 10v 不相容元素在溶體中富集，不相容元素在溶體中富集，分配系數(shù)越小，富集程度越高；分配系數(shù)越小，富集程度越高；部分熔融程度越低，富集程度越高部分熔融程度越低，富集程度越高v 不相容元素在殘留體中虧損不相容元素在殘留體中虧損分配系數(shù)越小，虧損程度越高；分配系數(shù)越小，虧損程度越高；v 相容元素在溶體中的含量低于源巖相容元素在溶體中的含量低于源巖分配系數(shù)越大，虧損程度越

18、高分配系數(shù)越大，虧損程度越高2.2a 對(duì)結(jié)晶過(guò)程的理解對(duì)結(jié)晶過(guò)程的理解o 結(jié)晶作用是巖漿演化的基本過(guò)程；o 結(jié)晶過(guò)程傾向于導(dǎo)致巖漿全部結(jié)晶，即100變成結(jié)晶相；o 礦物結(jié)晶過(guò)程中，礦物表面與殘余巖漿之間可以一直保持平衡；但是，礦物內(nèi)部與殘余巖漿脫離接觸，難以繼續(xù)保持平衡。因此，平衡結(jié)晶過(guò)程很少實(shí)現(xiàn)。實(shí)際的結(jié)晶過(guò)程是一種保持表面平衡的過(guò)程，接近。o 在巖漿結(jié)晶過(guò)程中存在礦物結(jié)晶次序的差別，一些礦物先結(jié)晶，一些礦物后結(jié)晶，如鮑文反應(yīng)序列所示。由于重力等作用，先結(jié)晶的礦物可能發(fā)生堆積，與殘余巖漿分離。這也會(huì)造成。o 巖漿分離結(jié)晶的程度，取決于巖漿的類(lèi)型和粘度、結(jié)晶的速度等條件。o 巖漿噴出地表之前，

19、結(jié)晶作用已經(jīng)在進(jìn)行，可以形成斑晶o 斑晶礦物的環(huán)帶指示了表面平衡過(guò)程角閃石斑晶角閃石斑晶斜長(zhǎng)石斑晶斜長(zhǎng)石斑晶o 斜長(zhǎng)石先結(jié)晶，輝石晚結(jié)晶斜長(zhǎng)石先結(jié)晶，輝石晚結(jié)晶o 巖漿比重、礦物比重的差別，以及重力、巖漿動(dòng)力等因素造成分離結(jié)晶作用輝石巖方輝橄欖巖純橄欖巖2.2b 分離結(jié)晶過(guò)程的定量模型分離結(jié)晶過(guò)程的定量模型o 設(shè)結(jié)晶的礦物與殘余巖漿保持表面平衡，因此，結(jié)晶過(guò)程符合Rayligh分餾定律。分餾定律。殘余巖漿殘余巖漿原始巖漿原始巖漿F瞬時(shí)結(jié)晶相瞬時(shí)結(jié)晶相1-F平均結(jié)晶相平均結(jié)晶相o 微量元素i在殘余巖漿、瞬時(shí)結(jié)晶相，平均結(jié)晶相中的濃度分別記為： 、。 根據(jù)Rayligh分餾定律，得到下列方程：0.

20、010.111010000.20.40.60.812.2c 分離結(jié)晶過(guò)程微量元素的變化規(guī)律分離結(jié)晶過(guò)程微量元素的變化規(guī)律0.010.111010000.20.40.60.810.010.111010000.20.40.60.81FFF0.010.10.5D = 10520.010.10.510520.010.10.51052 分離結(jié)晶作用的早期分離結(jié)晶作用的早期殘余巖漿殘余巖漿瞬時(shí)結(jié)晶相瞬時(shí)結(jié)晶相 平均結(jié)晶相平均結(jié)晶相D D1 1迅速降低迅速降低迅速降低迅速降低，緩慢降低緩慢降低D D1 1略升略升極低極低極低極低 分離結(jié)晶作用的晚期分離結(jié)晶作用的晚期D D1 1幾無(wú)幾無(wú)幾無(wú)幾無(wú)緩降至緩降至1

21、 1D D1 1緩升至緩升至1 1分離結(jié)晶過(guò)程中微量元素變化的主要特征分離結(jié)晶過(guò)程中微量元素變化的主要特征o 當(dāng)D1 1，這樣的元素稱(chēng)為H。上式變?yōu)椋撼瑤r漿元素H在殘余巖漿中的濃度主要與結(jié)晶程度有關(guān)，可以作為結(jié)晶分異程度的指示： o 如果D 1 1，上式變?yōu)椋?即元素i在巖漿中和結(jié)晶相中的濃度都沒(méi)有大的變化。o 當(dāng)D 0.2-0.5，元素在巖漿結(jié)晶的大部分階段（除了巖漿結(jié)晶的最晚期）的變化都非常平穩(wěn)，也可以用來(lái)指示巖漿演化的進(jìn)程。o 熔體一產(chǎn)生就很快離開(kāi)熔融區(qū)，而移至別處匯聚。在熔融區(qū)，與殘留相平衡共存的熔體始終只是新近產(chǎn)生小部分。這樣的過(guò)程，稱(chēng)為?，F(xiàn)在的上地幔接近分離部分熔融的殘留相。o 對(duì)

22、于這一過(guò)程，微量元素i在新生成溶體中的濃度與部分熔融程度F的關(guān)系，采用微分方程的方法，得到下列方程：o 當(dāng)，上式簡(jiǎn)化為：0.010.111010000.20.40.60.81o 對(duì)這一方程所揭示的過(guò)程作簡(jiǎn)單的分析：D=0.10.0510520.010.250.50.75Fo 對(duì)于不相容元素i，如果D1，例如在0.01以下，即使部分熔融程度較低，例如F0.1，元素i在新生溶體中的含量也急劇下降。o 地幔在地質(zhì)歷史上經(jīng)歷了普遍的部分熔融，因此，現(xiàn)在的地幔應(yīng)該主要是虧損地幔， D1的不相容元素含量極低。o 如果地幔的哪個(gè)部位強(qiáng)不相容元素含量高，則該區(qū)地幔一定經(jīng)歷了另外的過(guò)程，如流體交代、地殼混染，等

23、。a. 同化混染和分離結(jié)晶作用聯(lián)合模型同化混染和分離結(jié)晶作用聯(lián)合模型(AFC)b. 混合模型混合模型上述兩個(gè)模型是復(fù)雜的實(shí)用模型！上述兩個(gè)模型是復(fù)雜的實(shí)用模型！針對(duì)火山巖，鑒別其巖漿演化是部分熔融主導(dǎo)，還是分離結(jié)針對(duì)火山巖，鑒別其巖漿演化是部分熔融主導(dǎo)，還是分離結(jié)晶為主導(dǎo)，這是非常重要的研究。晶為主導(dǎo)，這是非常重要的研究。注意：注意：巖漿噴出后，結(jié)晶分異非常有限，故多考慮巖漿噴出后，結(jié)晶分異非常有限，故多考慮的變化的變化(1) 將微量元素分為將微量元素分為3類(lèi)，其行為存在明顯差別：類(lèi)，其行為存在明顯差別：相容元素相容元素 ， D 1 1。NiNi、CrCr、PGEPGE、HREEHREE（某些

24、情況下，如存在石榴石）（某些情況下，如存在石榴石）分離結(jié)晶過(guò)程中，濃度變化大部分熔融過(guò)程中，濃度變化小超巖漿元素超巖漿元素 (親濕巖漿元素親濕巖漿元素)，高不相容，高不相容，D1 1。ZrZr、HfHf、TaTa、ThTh、LREELREE分離結(jié)晶過(guò)程中，濃度變化大部分熔融過(guò)程中，濃度變化小巖漿元素巖漿元素，中等到弱不相容，中等到弱不相容，D 0.20.50.20.5。HREE是典是典型型兩類(lèi)過(guò)程中，濃度變化都比較平緩(2) 相容元素相容元素 與超巖漿元素與超巖漿元素 的關(guān)系的關(guān)系(3) 超巖漿元素對(duì)結(jié)晶超巖漿元素對(duì)結(jié)晶作用過(guò)程的指示作用作用過(guò)程的指示作用考慮結(jié)晶作用，對(duì)于某個(gè)微量元素i， 有

25、：如果有某個(gè)超巖漿元素存在，考慮到： 有： 取對(duì)數(shù)： 如果 基本不變，這就是一個(gè)直線方程：Lncil = A+B LncHl其中： A= B= LncHlLncil 1 11,B1考察方程： Lncil = A+B LncHl A= B= 如果 1 1，斜率為負(fù)值如果 1 1，斜率為正值如果 1 1，斜率接近1 1LncHl 1 1(4) 分離結(jié)晶和部分熔融過(guò)程中，巖漿分離結(jié)晶和部分熔融過(guò)程中，巖漿元素元素和超巖漿和超巖漿元素元素的關(guān)系的關(guān)系超巖漿元素D1，與0.20.5相比可以不計(jì)；巖漿元素，D0.20.5，與1 相比，可以不計(jì)。， 有：故：變換得到：常數(shù)如果選擇H = La, M = Sm

26、 則有右圖顯示的關(guān)系， 有： DH DMDM DM DM 可以變?yōu)椋?和 DM兩式合并可得：兩邊同乘以 ，得到： DM這一方程實(shí)際上是一個(gè)斜率B 的直線方程： DM如果選擇H = La, M = Sm 則有右圖顯示的關(guān)系3.1 3.1 稀土元素的基本地球化學(xué)性質(zhì)稀土元素的基本地球化學(xué)性質(zhì)3.2 3.2 稀土元素在巖石和礦物中的分布稀土元素在巖石和礦物中的分布3.3 3.3 稀土元素的地球化學(xué)應(yīng)用稀土元素的地球化學(xué)應(yīng)用v REE化學(xué)性質(zhì)相似，地質(zhì)過(guò)程中，表現(xiàn)出整體運(yùn)移特征化學(xué)性質(zhì)相似，地質(zhì)過(guò)程中，表現(xiàn)出整體運(yùn)移特征地幔 基性地殼 中酸性地殼，REE總量漸次增加v REE之間性質(zhì)存在有規(guī)律的微小差

27、別，地質(zhì)過(guò)程中，富之間性質(zhì)存在有規(guī)律的微小差別，地質(zhì)過(guò)程中，富集和虧損的程度呈有規(guī)律的變化，可以用來(lái)精細(xì)刻劃地集和虧損的程度呈有規(guī)律的變化，可以用來(lái)精細(xì)刻劃地質(zhì)過(guò)程質(zhì)過(guò)程v 稀土元素：稀土元素：La系系 + Yv 稀土元素在元素周期表中占一個(gè)格，化學(xué)性質(zhì)基本相似。但是，稀土元素在元素周期表中占一個(gè)格，化學(xué)性質(zhì)基本相似。但是，隨著原子序數(shù)的增加，電子充填次外層隨著原子序數(shù)的增加，電子充填次外層(4f)，其余各層不變。，其余各層不變。v La系收縮：系收縮：這樣的結(jié)構(gòu)造成電子層之間的引力連續(xù)的增加，造這樣的結(jié)構(gòu)造成電子層之間的引力連續(xù)的增加，造成原子成原子/離子半徑漸次減?。弘x子半徑漸次減小：RE

28、3+ = 1.14 0.85v REE的結(jié)構(gòu)決定，離子一般呈的結(jié)構(gòu)決定，離子一般呈+3價(jià)，但是，價(jià)，但是，Ce4+、Eu2+除外。除外。 REE分為兩組：分為兩組：LREE：LaEu HREE：Gd Lu1. 地球上，地球上，REE的豐度并不低，也不稀，比許多貴金屬高；的豐度并不低，也不稀，比許多貴金屬高；2. 一般說(shuō)來(lái)，一般說(shuō)來(lái)，REE傾向于富集于含傾向于富集于含Ca的礦物中的礦物中3. 超基性巖超基性巖基性巖基性巖中性巖中性巖中酸性巖中酸性巖酸性巖酸性巖堿性巖堿性巖 在巖石的上述變化序列中，稀土元素總量升高；超基性巖相在巖石的上述變化序列中，稀土元素總量升高；超基性巖相對(duì)富集對(duì)富集HREE

29、，而堿性巖相對(duì)富集，而堿性巖相對(duì)富集LREE4. REE可形成的獨(dú)立礦物主要有：可形成的獨(dú)立礦物主要有： 獨(dú)居石獨(dú)居石 (Ce,La,Nd,Th)PO4 磷釔礦磷釔礦 YPO45. LREE一般富集在配位數(shù)高的礦物中，如一般富集在配位數(shù)高的礦物中，如PL、Cpx、Kf HREE一般富集在配位數(shù)低的礦物中，如一般富集在配位數(shù)低的礦物中，如Grt、Zr、Ol、Opx6. LREE一般富集在含一般富集在含Ca、K、Th、Sr的礦物中的礦物中 HREE一般富集在含一般富集在含F(xiàn)e、Mn、Sc、Zr、U的礦物中的礦物中7. LREE一般富集在吸附能力強(qiáng)的沉積物中，如粘土、有機(jī)物一般富集在吸附能力強(qiáng)的沉積

30、物中，如粘土、有機(jī)物 HREE一般富集在絡(luò)合能力強(qiáng)的高溫?zé)嵋后w系中，如偉晶巖一般富集在絡(luò)合能力強(qiáng)的高溫?zé)嵋后w系中，如偉晶巖LaCe PrNdSmEuGdTbDyHoErTmYbLuLaCe PrNdSmEuGdTbDyHoErTmYbLuLaCe PrNdSmEuGdTbDyHoErTmYbLuLaCe PrNdSmEuGdTbDyHoErTmYbLu巖石巖石/ /球粒隕石球粒隕石巖石巖石/ /球粒隕石球粒隕石巖石巖石/ /球粒隕石球粒隕石巖石巖石/ /球粒隕石球粒隕石富集型富集型虧損型虧損型平坦型平坦型EuEu虧損型虧損型EuEu富集型富集型錳結(jié)核錳結(jié)核海水海水巖石巖石/ /球粒隕石球粒隕石

31、巖石巖石/ /球粒隕石球粒隕石巖石巖石/ /球粒隕石球粒隕石典型地殼的稀土元素配分型式典型地殼的稀土元素配分型式同一巖漿系列的同一巖漿系列的REEREE配分型配分型式相似式相似，高度不同，起因于Ol, Plag, Pyx結(jié)晶分離作用島弧巖漿系列起源于不均一不均一的地幔源區(qū)的地幔源區(qū)HREE 平坦，源區(qū)無(wú)石榴石源區(qū)無(wú)石榴石典型島弧火山巖的典型島弧火山巖的稀土元素配分型式稀土元素配分型式活動(dòng)大陸邊緣巖漿巖活動(dòng)大陸邊緣巖漿巖的稀土元素配分型式的稀土元素配分型式大陸堿性巖漿巖的大陸堿性巖漿巖的稀土元素配分型式稀土元素配分型式v 源巖含源巖含80%橄欖石、橄欖石、10%斜長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石、10%單斜輝石單斜

32、輝石溶體溶體殘留體殘留體源巖源巖Fv 石榴石二輝橄石榴石二輝橄欖巖部分熔融欖巖部分熔融微量元素地球化學(xué)研究微量元素地球化學(xué)研究的主要思路和方法綜述的主要思路和方法綜述微量元素地球化學(xué)研究的主要思路和方法綜述微量元素地球化學(xué)研究的主要思路和方法綜述4.1 4.1 微量元素的活動(dòng)性和變質(zhì)作用對(duì)微量元素組成的影響微量元素的活動(dòng)性和變質(zhì)作用對(duì)微量元素組成的影響 4.2 4.2 元素協(xié)變圖元素協(xié)變圖4.3 4.3 元素比值及其變化元素比值及其變化4.4 4.4 虧損與富集虧損與富集4.5 4.5 元素變化矢量圖元素變化矢量圖4.6 4.6 標(biāo)準(zhǔn)化圖，稀土元素的配分和多離子配分圖標(biāo)準(zhǔn)化圖，稀土元素的配分和

33、多離子配分圖4.7 4.7 構(gòu)造判別圖構(gòu)造判別圖4.8 4.8 地質(zhì)過(guò)程的模擬計(jì)算地質(zhì)過(guò)程的模擬計(jì)算4.9 4.9 剖面圖剖面圖4.1 4.1 微量元素的活動(dòng)性和變質(zhì)作用對(duì)微量元素組成的影響微量元素的活動(dòng)性和變質(zhì)作用對(duì)微量元素組成的影響 4.2 4.2 元素協(xié)變圖元素協(xié)變圖121722Al2O30510MgO0510FeO*0246Na2O051015CaO4550556065707501234K2OSiO245505560657075SiO240506070800100200300NiSiO20100200300Zrppmwt. %4.34.3元素比值及其變化元素比值及其變化v K/Rb 經(jīng)

34、常用來(lái)指示巖漿體系中角閃石的作用 K和Rb行為相似，所以K/Rb一般變化很小 但是，如果角閃石存在，情況就改變了 在角閃石和溶體的平衡體系中，K的分配系數(shù)約為1，Rb的分配系數(shù)約為0.3Table 9-1. Partition Coefficients (CS/CL) for Some Commonly Used Trace Elements in Basaltic and Andesitic RocksOlivineOpxCpxGarnetPlagAmphMagnetiteRb0.0100.0220.0310.0420.0710.29 Sr0.0140.0400.0600.0121.8300

35、.46 Ba0.0100.0130.0260.0230.230.42 Ni14570.9550.016.829Cr0.7010341.3450.012.007.4La0.0070.030.0560.0010.1480.5442Ce0.0060.020.0920.0070.0820.8432Nd0.0060.030.2300.0260.0551.3402Sm0.0070.050.4450.1020.0391.8041Eu0.0070.050.4740.243 0.1/1.5*1.5571Dy0.0130.150.5821.9400.0232.0241Er0.0260.230.5834.7000.

36、0201.7401.5Yb0.0490.340.5426.1670.0231.6421.4Lu0.0450.420.5066.9500.0191.563Data from Rollinson (1993).* Eu3+/Eu2+Italics are estimatedRare Earth Elements在巖漿結(jié)晶演化過(guò)程中，如果有角閃石結(jié)晶，則殘余巖漿中K/Rb比值減小Sr/Ba比值比值v Sr傾向于進(jìn)入傾向于進(jìn)入斜長(zhǎng)石斜長(zhǎng)石，此外難以進(jìn)入其他主要造巖礦物，此外難以進(jìn)入其他主要造巖礦物v Ba傾向于進(jìn)入傾向于進(jìn)入鉀長(zhǎng)石鉀長(zhǎng)石，此外難以進(jìn)入其他主要造巖礦物，此外難以進(jìn)入其他主要造巖礦物Tab

37、le 9-1. Partition Coefficients (CS/CL) for Some Commonly Used Trace Elements in Basaltic and Andesitic RocksOlivineOpxCpxGarnetPlagAmphMagnetiteRb0.0100.0220.0310.0420.0710.29 Sr0.0140.0400.0600.0121.8300.46 Ba0.0100.0130.0260.0230.230.42 Ni14570.9550.016.829Cr0.7010341.3450.012.007.4La0.0070.030.05

38、60.0010.1480.5442Ce0.0060.020.0920.0070.0820.8432Nd0.0060.030.2300.0260.0551.3402Sm0.0070.050.4450.1020.0391.8041Eu0.0070.050.4740.243 0.1/1.5*1.5571Dy0.0130.150.5821.9400.0232.0241Er0.0260.230.5834.7000.0201.7401.5Yb0.0490.340.5426.1670.0231.6421.4Lu0.0450.420.5066.9500.0191.563Data from Rollinson

39、(1993).* Eu3+/Eu2+Italics are estimatedRare Earth Elements如果如果Pl結(jié)晶：結(jié)晶：堆晶相中堆晶相中Sr/Ba高高殘漿中殘漿中 Sr/Ba低低如果如果Kf結(jié)晶：結(jié)晶：堆晶相中堆晶相中Sr/Ba低低殘漿中殘漿中 Sr/Ba高高Ni/Cr比值比值 Ni強(qiáng)烈傾向于進(jìn)入橄欖石強(qiáng)烈傾向于進(jìn)入橄欖石 單斜輝石單斜輝石 斜方輝石斜方輝石 Cr強(qiáng)烈傾向于進(jìn)入單斜輝石強(qiáng)烈傾向于進(jìn)入單斜輝石 斜方輝石斜方輝石 橄欖石橄欖石 Ni/Cr可以用來(lái)區(qū)分部分熔融和結(jié)晶分異過(guò)程中橄可以用來(lái)區(qū)分部分熔融和結(jié)晶分異過(guò)程中橄欖石和輝石的相對(duì)影響欖石和輝石的相對(duì)影響Table

40、 9-1. Partition Coefficients (CS/CL) for Some Commonly Used Trace Elements in Basaltic and Andesitic RocksOlivineOpxCpxGarnetPlagAmphMagnetiteRb0.0100.0220.0310.0420.0710.29 Sr0.0140.0400.0600.0121.8300.46 Ba0.0100.0130.0260.0230.230.42 Ni14570.9550.016.829Cr0.7010341.3450.012.007.4La0.0070.030.0560

41、.0010.1480.5442Ce0.0060.020.0920.0070.0820.8432Nd0.0060.030.2300.0260.0551.3402Sm0.0070.050.4450.1020.0391.8041Eu0.0070.050.4740.243 0.1/1.5*1.5571Dy0.0130.150.5821.9400.0232.0241Er0.0260.230.5834.7000.0201.7401.5Yb0.0490.340.5426.1670.0231.6421.4Lu0.0450.420.5066.9500.0191.563Data from Rollinson (1

42、993).* Eu3+/Eu2+Italics are estimatedRare Earth ElementsTable 9-1. Partition Coefficients for some commonly used trace elements in basaltic and andesitic rocksBulk D calculationOlivineOpxCpxGarnetPlagAmphRb0.0060.020.040.0010.10.3Sr0.010.010.140.0011.80.57Ba0.0060.120.070.0020.230.31Ni1452.60.40.013

43、Cr2.1108.40.17101.6La0.0070.020.080.050.140.27Ce0.0090.020.340.050.140.34Nd0.0090.050.60.070.080.19Sm0.0090.050.90.060.080.91Eu0.0080.050.90.9 0.1/1.5*1.01Tb0.010.0515.60.031.4Er0.0130.311180.080.48Yb0.0140.340.2300.070.97Lu0.0160.110.82350.080.89data from Henderson (1982)* Eu3+/Eu2+Italics are esti

44、matedRare Earth Elements4.4 4.4 虧損與富集虧損與富集石榴石強(qiáng)烈富集HREE，斜長(zhǎng)石富集Euv在部分熔融過(guò)程中，如果源區(qū)的殘留相中有石榴石，則部分熔融形成的溶體具有陡傾的REE配分型式，虧損HREE。v如果源區(qū)的殘留相中有斜長(zhǎng)石，則部分熔融形成的溶體虧損Eu，顯示Eu負(fù)異常。0.002.004.006.008.0010.00565860626466687072sample/chondrite La Ce Nd Sm Eu Tb Er Yb Lu67% Ol 17% Opx 17% Cpx0.002.004.006.008.0010.0056586062646668

45、7072sample/chondrite La Ce Nd Sm Eu Tb Er Yb Lu57% Ol 14% Opx 14% Cpx 14% Grt石榴石和斜長(zhǎng)石的影響石榴石和斜長(zhǎng)石的影響0.002.004.006.008.0010.00sample/chondrite60% Ol 15% Opx 15% Cpx 10%Plag La Ce Nd Sm Eu Tb Er Yb Lu4.5 4.5 元素變化矢量圖元素變化矢量圖Ni11010010001101001000CrOlCpxOpxMtHb1101001000101001000VCrOlCpxOpxMtHb輝長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖類(lèi)閃長(zhǎng)玢巖類(lèi)二長(zhǎng)斑巖類(lèi)石英二長(zhǎng)斑巖類(lèi)早期橄欖石結(jié)晶為主，早期橄欖石結(jié)晶為主，中晚期角閃石結(jié)晶為主中晚期角閃石結(jié)晶為主.1110110100YbSmCpxPlKfGrtHb.1110.1110YbEuGrtCpxHbPlKf輝長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖類(lèi)閃長(zhǎng)玢巖類(lèi)二長(zhǎng)斑巖類(lèi)石英二長(zhǎng)斑巖類(lèi)中晚期角閃石結(jié)晶為主中晚期角閃石結(jié)晶為主4.6 4.6