元素分布的基本規(guī)律

元素分布的基本規(guī)律第一頁，共三十三頁，2022年，8月28日第一章元素分布的基本規(guī)律

應用地球化學主要是通過調(diào)查地球表層系統(tǒng)中化學元素的分布特征來研究它對人類產(chǎn)生的直接或間接利害關系。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)作用過程中的分布、分配，即元素活動演化過程中的分布、分配。前者是后者的結果，是應用地球化學研究的主要內(nèi)容。而后者是理論地球化學研究的主要內(nèi)容。第二頁，共三十三頁，2022年，8月28日

第一節(jié)地球化學旋回與元素分布

一、地球化學旋回

地球化學旋回的方式可以重復，但其物質(zhì)成分的演化趨勢是不可逆的，從而引起了化學元素的分異和演化，這種分異和演化是有規(guī)律的。第三頁，共三十三頁，2022年，8月28日

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平均含量基數(shù)是很小的，故地球化學中稱作“常量元素”。它們是組成了地幔、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量百分率（％）來表示。第四頁，共三十三頁，2022年，8月28日地幔與地殼成分特征成分地幔（梅森，1966）地幔（林伍德，1975）地殼（羅諾夫，1969）地殼（黎彤，1965）SiO243.0645.1657.6460.74MgO31.3237.473.873.47FeO6.668.044.303.51Fe2O31.660.462.432.80CaO2.653.087.015.61Al2O33.993.5415.4515.35Na2O0.610.572.873.30Cr2O30.420.43MnO0.130.140.150.13P2O30.080.060.230.27K2O0.220.132.322.36TiO20.580.710.880.86NiO0.390.20H2O0.211.331.22第五頁，共三十三頁，2022年，8月28日

雖然不同學者計算地幔、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、0、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，它們遵循化學計量原則形成自然礦物，結果造成地幔中以鐵鎂暗色礦物為主、地殼中以長英質(zhì)淺色礦物為主。上述規(guī)律反應了地幔與地殼在巖石礦物組成上的規(guī)律差異，這種差異正是地幔熔融、分異演化的結果。

第六頁，共三十三頁，2022年，8月28日

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，一般以重量百萬分率（10-4％）來表示，為書寫方便用ppm（partpermillion）代表。

lppm＝1×10-6＝1×10-4％=0.0001％≈1μg/gppm單位相當于μg/g。對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（partperbillion）代表。

lppb=1×10-9＝1×10-7％＝0.0000001％≈1ng/g第七頁，共三十三頁，2022年，8月28日微量元素的分布規(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)計規(guī)律反應富集貧化趨勢。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，既有隨機性，又有統(tǒng)計性。

少量微量元素的分布不是類質(zhì)同象混入物形式，它們是超顯微非結構混入物，是在礦物結晶生長時，混入晶格缺陷或機械包裹。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。

第八頁，共三十三頁，2022年，8月28日

從地核到地殼的垂直方向上，分散在結晶礦物中的微量元素產(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。他將隕石成分（μ）當作地球的平均成分，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（ν）作為元素離心的基本參數(shù)；頁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)μ、ν、c三個參數(shù)的比值特征將元素分為四組。

第九頁，共三十三頁，2022年，8月28日（1）向心元素

ν/μ＜1c/ν＜1Mg、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Rn、Rh、Pt、Os、Ir、Pd、Au（2）最弱離心元素

ν/μ＞1c/ν＜1P、Na、Ca、Sc、Ti、V、Mn、Zn、C、N、Cl、Br、I（3）弱離心元素

ν/μ＜1c／ν＞1

Ga、Ge、As、Se、Sn、Te、Bi、Re、Mo（4）離心元素

ν/μ＞1c／ν＞1

Li、Rb、Cs、Sr、Ba、Y、REE、Zn、Hf、Nb、Ta、B、Al、In、Tl、Si、Pb、Sb、U、F、O第十頁，共三十三頁，2022年，8月28日

地球及各圈層部分元素分布表(10-6)及特征DistributionandcharacteristicsofPartialelementintheEarthanditsdifferentlayer元

素

特

征符號比重(g/cm3)熔點(℃)沸點(℃)地

殼上

地

幔下

地

幔地

核地

球稀

堿金

屬鋰(Li)銣(Rb)銫(Cs)0.5341.5321.878517938.8928.5131768869021781.44.12.60.30.52.00.1---1.41.80.09堿

土金

屬鍶(Sr)鋇(Ba)2.63.517697251384163848039012076101--4023稀

土元

素釔(Y)鑭(La)鈰(Ce)鐠(Pr)釹(Nd)4.4696.1466.7706.7737.00815229187989311021333834643433352030742439435.7265.00.71.11.05.00.50.40.70.10.8-----1.70.50.80.31.7稀

有元

素鈮(Nb)鉭(Ta)8.6617.12468299649275425191.66.00.11.00.010.10.0062.10.06放射性元

素鈾(U)釷(Th)19.0511.71132.3~1700413.51.04.00.0140.0560.0030.013鐵

族元

素鉻(Cr)錳(Mn)鐵(F)鈷(Co)鎳(Ni)7.207.207.868.908.80~!8.901890124415351495145224842097300029003075110130058000258916001600950001601500200015009800020020006603608200042048000150012003200026016000鉑

族元

素釕(Ru)銠(Rh)鈀(Pd)鋨(Os)銥(Ir)鉑(Pt)12.4512.4112.0222.6122.6521.452310196015523050244317680.0010.0010.010.0010.0010.050.10.020.090.050.050.200.100.020.120.050.050.201635.582.613511.82.60.84.2有

色金

屬銅(Cu)鉛(Pb)鋅(Zn)8.50~9.0011.347.141083327.3419.4025951744907551294402.16014013180貴金屬金(Au)銀(Ag)19.310.51063960.8296622120.0040.0750.0050.060.0050.052.6103.2鹵

族元

素氟(F)氯(Cl)溴(Br)碘(I)1.69(g/L)3.214(0°)3.119(g/L)4.93(g/L)-219.62-100.98-7.2113.5-118.14-34.6-58.78184.354502804.40.617051.10.110050.50.0190350.60.0439020420.1680300.8第十一頁，共三十三頁，2022年，8月28日

最強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。

巖漿結晶過程中，某些元素并不進入造巖礦物晶格，它們傾向于在富含水的流體相中富集。地球化學家用元素相容性來描述在結晶相或流體相富集的特征。不相容元素(incompatib1eelments)是指那些在結晶分異過程中傾向于殘余流體相中聚集的元素。相容元素(compatib1eelements)則是指容易進入結晶相而在殘余流體相中迅速降低的元素。地球化學家用分配系數(shù)(KD)來定量刻劃微跡元素在兩相中的分配特征。

第十二頁，共三十三頁，2022年，8月28日KD為元素在兩相間的分配系數(shù)，為在礦物晶體中濃度分數(shù)，為元素在熔體相中的濃度分數(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=0.1～1），如Zr、Nb、Th、HREE；不相容元素（KD＜0.1），如K、Rb、U、Th、Pb、LREE；把其中KD＜0.01的稱為強不相容元素，即99％聚集于流體相中，如Rb、Cs、K、U、Th、Ta、Nb、Ba、La、Ce等。

第十三頁，共三十三頁，2022年，8月28日

第二節(jié)元素的共生組合

一、元素的親合性地殼是一個包含92種天然元素組成的自然體系。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合規(guī)律。

天然礦物一般按陰離子分類，地殼中常見的是含氧化合物、硫化物、鹵化物及天然元素等。地球化學上把陽離子有選擇地與陰離子結合的傾向性，稱為元素的親合性。并按這種親合性進行元素分類。

第十四頁，共三十三頁，2022年，8月28日戈爾德施密特分五組：

親鐵元素：自然界傾向于以自然元素產(chǎn)出，價電子不易丟失，與氧、硫親合力均弱，集中于鐵一鎳核中的元素，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，是因為這些元素的金屬離子具有8～18過渡型結構，易于極化而與易極化的硫離子形成共價鍵，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個電子的隋性氣體型穩(wěn)定結構，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個電子型，原子容積最大，具有揮發(fā)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物中的元素，如H、N、0、P、S、Cl、（R）、（Ca）、（Fe）、（Ca）、（Fe）、(B)、（F）、(Si)、（Mn）、（Cu）、I。

第十五頁，共三十三頁，2022年，8月28日第十六頁，共三十三頁，2022年，8月28日:①氫族；②造巖元素族(Li、Be、Na、Mg、Al、Si、K、Ca、Rb、Sr、Cs和Ba)；③惰性氣體族(He、Ne、Ar、Kr、Xe、Rn)；④揮發(fā)分元素族(B、C、N、O、F、P、S、Cl)；⑤鐵族(Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni);⑥稀土稀有元素族(Sc、Y、Zr、Nb、TR、Hf、Ta等)；⑦放射性元素族(Fr、Ra、Ac、Th、Pa、U等）；⑧鎢鉬族(Mo、Tc、W、Re)；⑨鉑族(Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt)；⑩硫化礦床成礦元素族(Cu、Zn、Ge、Ag、Cd、In、Sn、Au、Hg、Tl、Pb等)；⑾半金屬元素族(As、Sb、Bi、Se、Te、Po)；

⑿重鹵素元素族(Br、I、At)。第十七頁，共三十三頁，2022年，8月28日

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礦石類型的元素組合特征。

第十八頁，共三十三頁，2022年，8月28日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、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)。

第十九頁，共三十三頁，2022年，8月28日

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波動不大的特征。

地球化學中的異常，最早使用于勘查地球化學中，是指礦化區(qū)段的地球化學特征（如某些元素含量的高低，元素含量分布的均勻性，元素賦存形式的差異）明顯不同于周圍無礦背景區(qū)的現(xiàn)象。地球化學異常包含了三個方面的含義：地球化學特征不同，具有一定的空間范圍，元素含量或地球化學指標值偏離背景值。簡言之，由異?，F(xiàn)象、異常范圍、異常值三層含義構成了完整的地球化學異常概念。由此可知，異常是相對于地球化學背景而存在，相對于背景的“正?！倍缘?。因此了解背景的正常分布，更有助于理解異常分布。

第二十頁，共三十三頁，2022年，8月28日不同級次的背景與異常第二十一頁，共三十三頁，2022年，8月28日二、元素的時空分布——地球化學場

如果把地球化學背景和發(fā)育在其中的地球化學異常當作一個整體來看待的話，元素在這一體系中的分布便構成地球化學場。除了元素外，一切地球化學指標，都具有自己的地球化學場。地球化學指標是指一切能提供找礦信息或其他地質(zhì)信息的、能夠直接或間接測量的地球化學變量。

地球化學指標可分為參數(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；大、中、小；強、中、弱；深、淺等）。第二十二頁，共三十三頁，2022年，8月28日地球化學指標化學元素含量成礦元素、伴生元素、造巖元素特征存在形式水溶性、可交換形式、次生礦物、硫化物、硅酸鹽各種組合關系元素對的比值、各種統(tǒng)計特征值同位素C、H、O、S、Pb、He等同位素物理化學參數(shù)pH值、Eh值、溫度、壓力等第二十三頁，共三十三頁，2022年，8月28日將地殼或者地球表層系統(tǒng)中某一點放在直角坐標系（x，y，z）中，該點任一時刻t，存在著j個相，每個相有i個地球化學指標，該點指標i可表示為：我們把地球化學指標i在三度空間和時間上的分布與演化稱為地球化學場，即具體某一時刻定位于三度空間上的地球化學指標值。

地球化學指標應用最多的是元素含量，其次是地球化學環(huán)境標志，如pH、Eh、T、P等，地球化學場研究最多的是元素的分布。

第二十四頁，共三十三頁，2022年，8月28日

地球化學場有以下特征：

（1）與地球物理場相比，它沒有嚴格的數(shù)學公式或化學定律進行準確地描述、推斷或延拓，它是具體點上地球化學環(huán)境（化學、熱力學、動力學）綜合制約的結果，可以定性推測而不能準確計算。地球物理場則可以嚴格按照物理定律進行計算和推演。（2）地球化學場是一個連續(xù)的非均勻場。三度空間中任何一點，都有相應的地球化學指標值，從這一含義上講是連續(xù)的，但是此點與彼點既有結構上的連續(xù)性，又有指標值的隨機性、波動性、不確定性，是一個非均勻場。

第二十五頁，共三十三頁，2022年，8月28日（3）地球化學場是一個不可逆動態(tài)演化的非穩(wěn)定場。地殼體系中，元素主要以固態(tài)存在。但這種存在形式是暫時的。在一定條件下要發(fā)生轉移，參加地球化學旋回，只能是某一時刻的分布特征。所以，只可以有某一地區(qū)某一時期的地球化學場，如晚太古地球化學場、寒武紀地球化學場等。而水系沉積物測量，則是當代表層疏松物質(zhì)的地球化學場，它是各