微量元素地球化學1

微量元素地球化學劉軍鋒

長安大學地球科學與資源學院一.

導言二.

相關(guān)基本概念三.

俯沖碰撞帶中微量元素地球化學四.垂向殼幔相互作用中的微量元素地球化學五.地殼的形成與演化六.微量元素的活動性七.巖漿巖源區(qū)物質(zhì)類型及成巖過程的識別微量元素地球化學研究中值得注意的幾個問題提綱地球化學是根據(jù)原子和離子的性質(zhì)，研究化學元素在礦物、礦石、巖石、土壤、水及大氣圈中的分布和含量，以及這些元素在自然界中的遷移

——戈爾德施密特（1954）地球化學是研究整個地球中化學元素及其同位素分布的規(guī)律性

——Wedepohl(1969)地球化學就是地球的化學，它是研究地球（也包括部分天體）的化學組成、化學作用及化學演化的學科

——涂光熾（1984）地球化學科學地研究化學元素，即研究地殼的原子，在可能的范圍內(nèi)也研究整個地球的原子。研究原子的歷史、原子在空間及時間上分配與運動的情形，以及它們在地球上的相互成因關(guān)系

——維爾納斯基（1924）地球化學經(jīng)歷了

從宏觀→微觀→宏觀的發(fā)展歷程一、導言初期：宏觀——元素豐度（各種巖石、地殼、地球）微觀——元素地球化學行為：類質(zhì)同象、分配系數(shù)、成巖定量模型（部分熔融、分離結(jié)晶、混合作用）宏觀——化學地球動力學（地幔不均一性、殼幔相互作用、殼幔地球化學演化）地球演化的行為具有整體性，其不同的圈層通過多種途徑發(fā)生相互作用，導致了“地球系統(tǒng)科學”思想的產(chǎn)生和發(fā)展?！暗厍蛳到y(tǒng)科學”強調(diào)地球不同圈層、不同單元相互作用的整體性和關(guān)聯(lián)性。長期以來地球化學強調(diào)的是元素、同位素的分布、遷移;

今天應強調(diào)它們的示蹤作用。地球化學是一門示蹤的科學！

事物的大小和價值之間并沒有必然的聯(lián)系，…盡管描述的對象十分微小，但所獲得的結(jié)論卻相當重大。-SorbyG一、導言Pearce和Cann（1971，1973）最先提出根據(jù)化學成分限定巖漿起源的大地構(gòu)造背景。Ti-Zr，Ti-Zr-Y,Ti-Zr-Sr判別圖解(tectonic-magmaticdiscriminationdiagram)。至今已識別出20多種巖石的大地構(gòu)造環(huán)境。判別分析的統(tǒng)計學技術(shù)+不活潑微量元素+已知大地構(gòu)造環(huán)境一、導言新災變論的提出

1980年，Alvarez在意大利亞平寧山脈的Gubbio鎮(zhèn)的白堊-第三紀海相地層內(nèi)約2cm粘土層中，測得Ir:9.1×10-9,

高出其下層石灰?guī)r30倍，與球粒隕石相近，

10±4km的小行星沖擊地球(65Ma)造成恐龍、有孔蟲大量滅絕一、導言意大利幾個剖面上K-R界線附近樣品中銥的含量變化圖例說明：1和2：Gubia地區(qū)

1.Bottaccione區(qū)

2.Contessa區(qū)3-5:Gubia地區(qū)以北

3.Acqualagna區(qū)

4.Petriccio區(qū)

5.GorgoaCarbara區(qū)(樣點上縱向線表示取樣厚度,

橫向線為測量的標準偏差;R/K粘土混合大樣為四個剖面上四條界線粘土樣品銥的平均值)月球的形成——來自地球-月球體系的Nb/Ta系統(tǒng)證據(jù)流行模式：巨大的，火星大小的撞擊體與原始地球相撞問題：撞擊物質(zhì)對月球總質(zhì)量的貢獻撞擊事件與地核形成相對時間Nb-Ta難熔，親巖石圈Nb/Ta在類地行星比值應與球粒隕石相同一、導言Munker(2003)用MC-ICPMS精確測定球粒隕石Nb、Ta,Nb/Ta高出已有數(shù)據(jù)13%，整個太陽系（球粒隕石）19.9±0.6OIB,CFB太古代綠巖，大陸殼

Nb/Ta6-19地球低于球粒隕石Nb/Ta14.0±0.3月球KREEP巖高于球粒隕石

17.0±0.8月球玄武巖低于球粒隕石Nb為中等親Fe元素，進入地核一、導言撞擊地球的天體對月球的貢獻:

51±13%，<65%地球物理>70%地核形成與撞擊事件可能同時巨型天體撞擊地球形成月球最低年齡

(4.533±2)×109

(Hf-W)二.

相關(guān)基本概念1.動力學2.造山作用3.微量元素分類4.分配系數(shù)5.地幔不均一性與地幔端元1.動力學動力學：一個系統(tǒng)的性能是如何隨時間變化Dynamics-

廣義的,宏觀的Kinetics-狹義的,微觀的;研究化學反應的速率和歷程大陸動力學-研究大陸形成、演化有關(guān)的地球內(nèi)部各種過程及控制要素之間的制約機制化學地球動力學：Chemicalgeodynamics

應用地球化學方法示蹤地幔和地殼的形成過程和歷史，探索固體地球的化學結(jié)構(gòu)與層圈之間的相互作用2．造山作用匯聚板塊邊緣進行的大地構(gòu)造作用稱為造山作用。這種大地構(gòu)造作用形成的地質(zhì)體稱為造山帶（Seng?r,1990）(阿爾卑斯，喜馬拉雅型；阿爾泰型)Liegeors(1998)將造山過程劃分為：

造山，后造山和非造山造山包括：活動邊緣、碰撞和后碰撞后造山和非造山屬于板內(nèi)過程（intraplate）二.

相關(guān)基本概念（之2）造山（活動陸緣-碰撞-后碰撞）后造山非造山二.

相關(guān)基本概念（之2）大量巖漿作用發(fā)生在主碰撞期后、板內(nèi)時期之前后碰撞（postcollision）發(fā)生在主碰撞期之后，主要海洋已關(guān)閉，但伴有沿剪切帶的大規(guī)模水平運動，其巖漿作用的標志是：鉀質(zhì)的,特別是高鉀鈣堿性的巖漿作用、強過鋁的和堿性過堿性花崗巖，少量橄欖玄粗巖系。2．造山作用微量元素分類

a.不相容元素:(incomptibleelement)

相容元素:(comptibleelement)b.高場強元素:HFSE(HighFieldStrengthElements)

c.不活動元素二.

相關(guān)基本概念（之3）3．微量元素分類a.不相容元素(incomptibleelement)在巖漿結(jié)晶過程(或由固相部分熔融)中不易進入固相,而保留在與固相共存的熔體或熔液中的元素,即它們的固/液分配系數(shù)小于1,Li、Rb、Cs、Be、B、REE、U、Th、W、Sn、Pb、Zn等,許多不相容元素具有較大的離子半徑，稱為大離子親石元素LIL(LargeIonLithophileelement)3．微量元素分類

b.高場強元素:HFSE(HighEieldStrengthElements)電價高(離子電位高)(>3),不易溶于水,如Th、Nb、Ta、P、Zr、Hf、HREEc.不活動元素:在變質(zhì)或交代、蝕變作用過程中化學性質(zhì)表現(xiàn)為隋性的微量元素。離子電位低（<3）或很高(>12)。微量元素分類圖Grant(1986)提出了識別元素活動性的Isocon圖解Maclean(1987)提出了用雙變量投影分析：在一直角坐標中，用一相容元素對一不相容元素作圖，當它們都是不活動元素時，就會構(gòu)成一條相關(guān)線，即它們的濃度保持恒定比值，這條相關(guān)線通過總成分點和原點?！邎鰪娫豊b、Ta、Zr、Hf、Th-REE一般是不活動的3．微量元素分類?活動和不活動元素的蝕變趨勢(Mackean

等,1987)分配系數(shù)：恒溫恒壓下,微量元素在兩相(多數(shù)情況下是晶體相-礦物和液相-熔體)之間的平衡濃度比總分配系數(shù)：一體系中所有礦物相的簡單分配系數(shù)加權(quán)和4.分配系數(shù)微量元素分配系數(shù)在火成巖體系的表述：微量元素分配系數(shù)及其意義上式也稱為Nernstpartitioncoefficient

假如元素i在各相中具有稀溶液性質(zhì)，則它在兩相之間分配達到平衡時，其含量比值為一常數(shù)，我們稱微量元素這種行為服從Henry’sLaw。電子探針（EMP）:優(yōu)點：1μm；缺點：高檢測限（0.1%級）每次實驗時加入1-2個微量元素；同時用不同含量的實驗證明服從Henry’sLaw微束分析方法：

優(yōu)點：低檢測限（ppm）,能同時測定多個天然豐度微量元素；缺點：20-30μm束斑。質(zhì)子探針（PIXE）:Ni,Cu,Zn,Ga,Ge,Pb,Rb,Nb,Sr,Zr,Y離子探針（SIMS）：24個微量元素激光熔樣電感耦合等離子體質(zhì)譜（LAM-ICP-MS）：27個(LILE,HFSE,REE,TE)5．地幔不均一性與地幔端元橫向：幾百公里（地體級），小到幾公里，甚至幾米，幾厘米縱向：巖石圈地幔，軟流圈地幔地幔端元：end-member;mantlecomponent;flavor;(white,1985)(1)

在地幔中互相分離的儲源(2)

它們僅是地幔中巖石連續(xù)的同位素組成的極端二.

相關(guān)基本概念（之5）DMM：虧損的洋中脊玄武巖地幔（DepletedMORBMantle），源自軟流圈143Nd/144Nd0.5131-0.513387Sr/86Sr0.7020-0.7024206Pb/204Pb17.0-17.8176Hf/177Hf0.2831-0.2835

HIMU:高U/Pb地幔，來源于再循環(huán)洋殼，俯沖前的洋底熱液液作用，或俯沖期間的脫水失去部分Pb而形成高μ值

143Nd/144Nd0.5128

87Sr/86Sr0.7026-0.7030206Pb/204Pb21-22176Hf/177Hf0.28295．地幔不均一性與地幔端元EMⅠ：Ⅰ型富集地幔,為地幔本身分異相聯(lián)系的交代富集地幔,多數(shù)人認為存在于巖石圈地幔中軟流圈來源的和小體積富K、揮發(fā)分的熔體交代下插板片脫水釋放富LIL，HFSE的流體交代143Nd/144Nd0.5123-0.5124;87Sr/86Sr0.7045-0.7060206Pb/204Pb16.5-17.5;

176Hf/177Hf0.2826-0.2827Rb/Sr低EMⅡ：Ⅱ型富集地幔,為殼-幔再循環(huán)相聯(lián)系的交代成因富集由循環(huán)的洋殼和少量俯沖的沉積物混合而成，或地幔巖漿受沉積物混染。87Sr/86Sr高，207Pb/204Pb高,Rb/Sr高

143Nd/144Nd0.5126

87Sr/86Sr0.707206Pb/204Pb18.5-19.5176Hf/177Hf0.2828FOZO：地幔集中帶（focalzone），代表深部地幔成分，可能是下地幔，由起源于核-幔邊界層的地幔柱捕獲。在EMⅠ-EMⅡ-DM-HIMU圖中，位于DM-EMⅠ-HIMU三角平面底部。

低87Sr/86Sr，高143Nd/144Nd和

206Pb/204Pb，

143Nd/144Nd0.5131-0.5132,εNd(+3~+7);

87Sr/86Sr0.7025，

206Pb/204Pb19.07-19.65;

此外還有PREMA（Prevalentmantle）稱為流行地幔，近年來已被“FOZO”C型(“Common”Component)和PHEM(promitiveheliummantle)代替地幔端元圖不同端元Sr-Nd-Pb同位素圖（Hofmann，2003）不同地幔端元微量元素組成表

Zr/NbLa/NbBa/NbBa/ThRb/NbK/NbTh/NbTh/LaBa/La原始地幔14.80.949.0770.913230.1170.1259.6N-MORB301.071.7~8.0600.36210~3500.025~0.0710.0674.0E-MORB

4.9~8.5

205~2300.06~0.08

大陸地殼16.22.2541244.713410.440.20425HIMUOIB3.2~5.00.66~0.774.9~6.949~770.35~0.3877~1790.078~0.1010.107~0.1336.8~8.7EMIOIB4.2~11.50.86~1.1911.4~17.8103~1540.88~1.17213~4320.105~0.1220.107~0.12813.2~16.9EMIIOIB4.5~7.30.89~1.097.3~13.367~84