高等微量元素地球化學（第三章北大）

1、微量元素地球化學第三章 分配系數及其影響因素主講教師：劉樹文2015.10第一節(jié) 分配系數分配系數是微量元素地球化學研究中極重要的參數,沒有分配系數值,微量元素定量模型就無法建立地球化學文獻中一般討論的都是能斯特分配系數,即簡單分配系數在實際應用中往往還需引入各種復雜條件下相應的分配系數(巖石的分配系數、復合分配系數等)第三章 分配系數及其影響因素達到平衡時:第一節(jié) 分配系數第一節(jié) 分配系數KD稱為分配系數, or 能斯特分配系數對于稀溶液來說,活度系數為1，所以分配系數KD為該微量元素在兩相中濃度比值： KD=X/X第一節(jié) 分配系數第一節(jié) 分配系數 KD=X/X1 該微量元素更多地進入相 K

2、D=X/X = 1 該微量元素在兩相中濃度相等 第一節(jié) 分配系數巖石的分配系數(Di)：用于研究微量元素在礦物集合體(巖石)及與之平衡的熔體之間的分配關系,常用巖石中所有礦物的分配系數與巖石中各礦物含量乘積之和表達:第一節(jié) 分配系數式中:n為含微量元素i的礦物數; Wj為第j種礦物的質量百分數（%） KDi為第j種礦物對微量元素i的簡單分配系數。Di 亦稱總體分配系數第一節(jié) 分配系數復合分配系數:亦稱交換分配系數,或亨德森(Henderson)分配系數.它既考慮微量元素在兩相中的比例,也考慮與微量元素置換的常量元素在兩相中的濃度比例,能較真實地反映兩者之間類質同象交換對微量元素分配的影響第一節(jié)

3、 分配系數復合分配系數表達式為:Dtr/cr=(cstr/cscr)/(cltr/clcr)式中:s、l分別代表固相(晶體)和液相(熔體);tr為微量元素;cr為被置換的常量元素;c為濃度第一節(jié) 分配系數例如Ni2+在橄欖石和熔體之間的分配系數可用被置換的常量元素Mg2+的復合分配系數來表示, 其交換反應為:Mg2SiO4+ Ni2Si04 = Ni2Si04 + Mg2Si04 橄欖石(大量) 熔體 橄欖石 熔體其復合分配系數:DNi/Mg=(CNi/CMg)橄欖石/(CNi/CMg)熔體 分配系數的確定 以巖漿作用過程中微量元素在結晶相（固相）和熔體相（液相）中的分配系數目前有兩種測定方法

4、：1. 直接測定法：直接測定地質體中兩平衡共存相如火山 巖中的斑晶和基質中微量元素濃度， 再按分配定律進行計算。斑晶代表熔體 結晶過程中形成礦物，基質代表熔體相第一節(jié) 分配系數2. 實驗測定法：用化學試劑合成與天然巖漿成分相似的 玻璃物質，實驗使一種礦物與之達到微 量元素的分配平衡，然后測定元素在兩 相中的濃度，計算得到分配系數一、體系組分的影響-巖漿巖化學成分的變化在很大程度上取決于硅酸鹽熔體的結構，一個礦物與不同硅酸鹽熔體共存時，微量元素分配情況明顯不同，如斜長石中鈣長石含量增多，稀土元素Eu在斜長石與熔體間的分配系數趨于減小, 即Eu在斜長石與熔體間的分配系數隨著體系中SiO2 的增加而

5、增大。第二節(jié) 分配系數的影響因素第二節(jié) 分配系數的影響因素2、玄武質巖漿二、主要造巖礦物和副礦物對巖漿微量元素含量的影響 第二節(jié) 分配系數的影響因素1. 玄武質巖漿2007更可靠的分配系數2、花崗質巖漿第二節(jié) 分配系數的影響因素二、主要造巖礦物和副礦物對巖漿微量元素含量的影響 微量元素作為巖石成因指示Ni, Co, Cr強相容元素. Ni (和 Co) 主要分布在橄欖石中, Cr 主要分布在尖晶石、輝石中巖石中這些元素濃度高指示巖漿起源于地幔源.V, Ti主要分布在 Fe-Ti 氧化物中 (鈦鐵礦或者鈦磁鐵礦. 如果它們之間行為不一致Ti 最有可能進入到榍石或者金紅石中Zr, Hf極不相容元素

6、，主要集中在鋯石、獨居石等副礦物相，但是可以替換Ti,進入到鈦鐵礦、榍石和金紅石相Ba, Rb不相容元素，主要在鉀長石、云母和角閃石中替代K，在角閃石中Rb 少于在鉀長石和云母，因此，Rb/Ba和 K/Ba 可以區(qū)分這些相Sr主要分布在斜長石中替代Ca，但是不能替代輝石中的Ca ，少量替代鉀長石中的K。低壓下在斜長石穩(wěn)定范圍內是相容元素，在高壓下，斜長石不能穩(wěn)定存在時是不相容元素REEs石榴石中非常富集HREEs，而 LREEs相對較少, 輝石和角閃石同樣富集HREEs，而 LREEs相對較少但是富集程度沒有石榴石高。而榍石和斜長石主要富集LREEs，Eu+2主要富集在斜長石中Y通常與 HRE

7、Es行為一致，主要富集在石榴石、輝石和角閃石中，副礦物榍石和磷灰石也富集Y，因此，這些礦物和副礦物存在時對Y的行為有明顯影響 據 Green (1980). Tectonophys., 63, 367-385. 第二節(jié) 分配系數的影響因素 通常所說的相容元素和不相容元素總體上是針對鐵鎂質巖漿而言，其中LILEs和HFSEs，通常是不相容元素，但是對于長英質巖漿它們是對某些礦物是相容的，而對其它礦物不相容 ，例如石榴石中的HREEs斜長石中的Sr2+ 、Eu2+鉀長石中的Ba2+ 第二節(jié) 分配系數的影響因素二、主要造巖礦物和副礦物對巖漿微量元素含量的影響 在玄武質巖漿中，因為Lu在石榴子石中的分

8、配系數是La的三個數量級（DLu=39.755，DLa=0.390），所以重稀土相對于輕稀土會產生極端的虧損第二節(jié) 分配系數的影響因素1、玄武質巖漿二、主要造巖礦物和副礦物對巖漿微量元素含量的影響 鉀長石：鉀長石有高的Sr、Ba分配系數和低REE（Eu除外）分配系數（DSr3.87，DEu=1.13，DREE=0.00n)，與斜長石相似。DRb=0.38，但它的Ba分配系數則比斜長石高得多（DBa6.12）。鉀長石會造成熔體的Sr/Ba比值增加，并且使熔體中的Rb/Sr大幅度增加。鉀長石的分離也將使熔體的K/Rb比值明顯降低鉀長石分離結晶導致熔體強烈負Eu異常第二節(jié) 分配系數的影響因素2. 花

9、崗質巖漿二、主要造巖礦物和副礦物對巖漿微量元素含量的影響 斜長石：鍶是相容元素（D4.4），銣是不相容元素（D=0.04），斜長石的分離使熔體中Sr貧化，Rb增高；鍶和銣的分配系數在斜長石中相差兩個數量級，所以斜長石的不斷分離使熔體Rb/Sr比值急劇增大。斜長石的高Eu正異常（D=2.15）造成熔體的Eu負異常第二節(jié) 微量元素地球化學模型的應用2. 花崗質巖漿二、主要造巖礦物和副礦物對巖漿微量元素含量的影響 黑云母：它具有比較平緩的稀土分配系數變化，因此，對熔體的REE濃度影響不大黑云母與鉀長石是花崗巖類中主要的兩種富鉀礦物。黑云母的分離將使熔體的Rb/Sr比值降低，Sr/Ba比值增加。DRb

10、=3.26，DSr=0.12，DBa=6.36第二節(jié) 微量元素地球化學模型的應用2. 花崗質巖漿二、主要造巖礦物和副礦物對巖漿微量元素含量的影響 角閃石：對熔體Rb、Sr、Ba和K含量影響不大，K和Rb在角閃石中的分配系數都很小（DK=0.081，DRb=0.014），所以它的分離雖然能使熔體的K/Rb比值有所減少，但幅度不大角閃石的結晶主要對熔體的稀土分配有影響。在中、酸性巖漿中，REE對角閃石是相容元素，并且在GdEr之間有最高的分配系數因此，能使熔體的中稀土降低。重稀土也有較小幅度降低，并產生銪正異常。當巖石含較高的角閃石時（2030），對巖石的稀土元素含量有重要影響。第二節(jié) 微量元素地

11、球化學模型的應用2. 花崗質巖漿二、主要造巖礦物和副礦物對巖漿微量元素含量的影響 輝石：對熔體微量元素的影響類似于角閃石。但因為其中稀土元素的分配系數相對較低，尤其是紫蘇輝石，所以對REE的影響比角閃石更小紫蘇輝石的分離能使熔體略富集輕稀土和造成銪正異常；單斜輝石將造成熔體的重稀土虧損，較小程度的重稀土虧損，和弱的銪正異常第二節(jié) 微量元素地球化學模型的應用2. 花崗質巖漿二、主要造巖礦物和副礦物對巖漿微量元素含量的影響 紫蘇花崗質巖石中紫蘇輝石的稀土圖譜石榴子石：具有極低的Rb、Sr、Ba、K和輕稀土分配系數，以及高的重稀土分配系數當它以顯著的量與熔體分離時，造成熔體明顯的重稀土虧損，并產生銪

12、正異常REE在石榴子石中的分配系數變化極大。因此，當石榴子石作為與熔體平衡的殘留礦物存在于巖漿源區(qū)時，火成巖中的重稀土相對于輕稀土會產生明顯的虧損第二節(jié) 微量元素地球化學模型的應用2. 花崗質巖漿二、主要造巖礦物和副礦物對巖漿微量元素含量的影響 其它副礦物：即使它們的含量較低，但因為在中酸性巖漿中都有較高的REE分配系數，如鋯石、磷灰石、榍石等，因此會對稀土元素分配有較大影響鋯石產生重稀土虧損，磷灰石主要形成中稀土虧損，兩者都產生銪正異常榍石也形成中稀土虧損而獨居石和褐簾石則造成輕稀土虧損第二節(jié) 分配系數的影響因素2. 花崗質巖漿二、主要造巖礦物和副礦物對巖漿微量元素含量的影響 三、體系溫度的影響-由兩相平衡條件可以導出：- =RTlnKD G = - =-RTlnKD lnKD=- G /RT=-(H /RT)+B式中：H表示微量元素在兩相中的熱焓變化，B是積分常數?？梢姺峙湎禂蹬c體系溫度的倒數呈線性關系，這也就是微量元素溫度計的基本原理。第二節(jié) 分配系數的影響因素四、體系壓力的影響-目前對壓力影響的研究報道甚少，但有一點已通過實驗證實：在相當上地幔的壓力條件下，稀土元素在富水的蒸汽和石榴子石、單斜輝石、斜方輝石、橄欖石之間的分配系數為1-200之間，分配系數隨壓力（PH2O）的增大而迅速地增加。第二節(jié) 分