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微量元素地球化学57709772

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微量元素 地球化学 57709772
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《高等地球化学》之微量元素地球化学张展适 拉乌尔定律拉乌尔定律„ 理想溶液理想溶液 亨利定律亨利定律 s 亨利定律的地球化学表述亨利定律的地球化学表述 -(简单简单 )分配系数分配系数„ 能斯特定律能斯特定律 复合分配系数复合分配系数 微量元素微量元素 :: 量元素:习惯上将各种地质作用中微量元素:元素称为微量元素的元素称为微量元素„ 微迹元素微迹元素 : “微量元素微量元素”是一个相对概念,它们的相是一个相对概念,它们的相对含量单位常为对含量单位常为10它们往往不能形成独立矿物;而被容它们往往不能形成独立矿物;而被容纳在其它组分所形成的矿物固熔体、熔纳在其它组分所形成的矿物固熔体、熔体或流体相中体或流体相中™多数情况下以类质同象形式进入固熔多数情况下以类质同象形式进入固熔体;个别存在于主晶格的间隙缺陷中或体;个别存在于主晶格的间隙缺陷中或陷入吸留带陷入吸留带(量元素地球化学的基本微量元素地球化学的基本理论理论能斯特定律及分配系数能斯特定律及分配系数 拉乌尔定律拉乌尔定律„ 理想溶液理想溶液 亨利定律亨利定律 s 亨利定律的地球化学表述亨利定律的地球化学表述 单简单 )分配系分配系数数„ 能斯特定律能斯特定律 复合分配系数复合分配系数 单简单)分配系数分配系数在一定温度压力条件下,当两个共存地质相在一定温度压力条件下,当两个共存地质相A、、相同形式均匀赋存于其中的平衡时,以相同形式均匀赋存于其中的微量组分微量组分这两相中的浓度比值为一常数:= 1 )中的浓度,为分配系数为分配系数((),也称也称也称也称简单分配简单分配系数系数((或或常规常规分配系数分配系数(斯特定律能斯特定律素两相平衡时,元素有:势相等。即有:µ理想气体的化学势理想气体的化学势µi= µi* (T)++∴∴有有µi*A++i*B++)(µi*A--µi*B)/对数后:µi*B--µi*A)/= (3)如果如果则公式则公式(1) = )式相等,浓度等于活度式相等,浓度等于活度分配系数的测定分配系数的测定) 直接测定法 :™直接测定地质体中两平衡共存相的微量元素浓度,再按能斯特分配定律计算出分配系数。™斑晶最广泛使用的方法:直接测定火山岩中斑晶矿物和基质或现代火山熔岩流中的矿物与玻璃或测定岩石中共存矿物中某元素的含量,斑晶(代表固相)和基质(代表熔体相)中元素的比值就是该元素的分配系数( 关键的问题是天然矿物不纯™ 实验测定法:™ 用化学试剂合成与天然岩浆成分相似的玻璃物质;或者直接采用天然物质作初始物质,实验使一种矿物和熔体(或两种矿物间)达到平衡,并使微量元素在两相中达到平衡,测定两相中的浓度,即得分配系数: 关键的问题是如何判断平衡分配系数的影响因素分配系数的影响因素)C: 体系化学成分:)微量元素在不混熔的基性和酸性熔体中的分配存在较大的 差异)火山岩中斜长石矿物系列对稀土元素分配系数的控制(表 )T: 温度)P: 压力(图 =∂∂)−=∆=∂∂ln)前进主要内容主要内容微量元素地球化学的基本理论微量元素地球化学的基本理论岩浆作用过程中微量元素分配演岩浆作用过程中微量元素分配演化的定量模型化的定量模型微量元素的分类微量元素的分类稀土元素地球化学稀土元素地球化学微量元素的地球化学示踪应用微量元素的地球化学示踪应用二、岩浆作用过程微量元素分配二、岩浆作用过程微量元素分配演化的定量模型演化的定量模型→ 0时(部分熔融很小), o → 1/D,即微量元素在所形成的熔体中的富集或贫化程度最大。随 体中的富集或贫化程度逐渐减小。当岩石全熔时, F→ 1,熔体中元素的浓度与母岩一致1 / [ F + k ( 1]相容元素F→1,不相容元素分离结 晶平衡结晶作用和平衡熔融作用分离熔融作用分离结晶与部分熔融过程中分离结晶与部分熔融过程中微量元素的行为差异微量元素的行为差异) 这两种过程的差别主要在于分配系数在分离这两种过程的差别主要在于分配系数在分离结晶中呈指数形式,而在平衡部分熔融中则结晶中呈指数形式,而在平衡部分熔融中则是分母。因此,结晶分离所产生的元素分异是分母。因此,结晶分离所产生的元素分异程度远比部分熔融大得多。这一差别尤其在程度远比部分熔融大得多。这一差别尤其在强烈不相容元素上表现得特别显著。强烈不相容元素上表现得特别显著。主要内容主要内容微量元素地球化学的基本理论微量元素地球化学的基本理论岩浆作用过程中微量元素分配演岩浆作用过程中微量元素分配演化的定量模型化的定量模型微量元素的分类微量元素的分类稀土元素地球化学稀土元素地球化学微量元素的地球化学示踪应用微量元素的地球化学示踪应用微量元素的分类微量元素的分类以微量元素在固相以微量元素在固相相)间分配特征液相(气相)间分配特征的分类的分类„ 相容元素和不相容元素相容元素和不相容元素以微量元素在熔融过程中挥发与难熔程度的分以微量元素在熔融过程中挥发与难熔程度的分类类„ 挥发和难熔元素挥发和难熔元素以微量元素在地球(地球)形成和演化过程中以微量元素在地球(地球)形成和演化过程中分散和富集特点来分类以微量元素在地球(地分散和富集特点来分类以微量元素在地球(地球)形成和演化过程中分散和富集特点来分类球)形成和演化过程中分散和富集特点来分类„ 向心元素向心元素 、最小离心元素、最小离心元素 、弱离心元素、弱离心元素 、离心元、离心元素素不相容元素的进一步分类不相容元素的进一步分类许 多 不 相 容 元 素 常 具有不寻常的离子半径或许 多 不 相 容 元 素 常 具有不寻常的离子半径或离子电荷(很小或很大),如离子电荷(很小或很大),如K、、W、、有 些 元 素的离子电位有 些 元 素的离子电位3,不溶于水,代表性元素为,,不溶于水,代表性元素为,P、、(简称简称),(1979)(相当于相当于不相容元素和大离子亲石元素),指不相容元素和大离子亲石元素),3==(„ „ ××), ××), ××), ××), 主要内容主要内容微量元素地球化学的基本理论微量元素地球化学的基本理论岩浆作用过程中微量元素分配演岩浆作用过程中微量元素分配演化的定量模型化的定量模型微量元素的分类微量元素的分类稀土元素地球化学稀土元素地球化学微量元素的地球化学示踪应用微量元素的地球化学示踪应用岩浆成岩过程的鉴别岩浆成岩过程的鉴别成岩成矿构造环境的判别成岩成矿构造环境的判别„ 各构造环境玄武岩类微量元素特征各构造环境玄武岩类微量元素特征„ 微量元素对构造环境判别的限定微量元素对构造环境判别的限定成岩成矿物理化学条件的示踪成岩成矿物理化学条件的示踪„ 微量元素地质温度计微量元素地质温度计„ 微量元素地质压力计微量元素地质压力计地球历史中灾变事件的微量元素地球化地球历史中灾变事件的微量元素地球化学证据学证据微量元素的地球化学示踪作用成岩成矿构造环境的判别成岩成矿构造环境的判别微量元素蛛网图微量元素蛛网图::微量元素比值蜘网图微量元素比值蜘网图((or 常用于微量元常用于微量元素成岩意义分析。它的横坐标是等间距排列素成岩意义分析。它的横坐标是等间距排列的各微量元素,排列顺序自左至右基本上按的各微量元素,排列顺序自左至右基本上按分配系数分配系数按离子半径由大变由小变大,或按离子半径由大变小。它的纵坐标是岩石中各不相容微量元素小。它的纵坐标是岩石中各不相容微量元素对于球粒陨石(对于球粒陨石(或原始地幔(或原始地幔(或或洋脊玄武岩(洋脊玄武岩(或洋脊花岗岩(或洋脊花岗岩(各同名元素的比值,并取对数坐标。因此,各同名元素的比值,并取对数坐标。因此,微量元素蜘网图与稀土元素配分曲线的构成微量元素蜘网图与稀土元素配分曲线的构成本质上是相仿的,是元素标准化比值的配分本质上是相仿的,是元素标准化比值的配分型式的图解。型式的图解。标准化多元素图解标准化多元素图解在应用多元素示踪的情况下,为了消除在应用多元素示踪的情况下,为了消除相关元素的奇偶效应和识别它们的相对相关元素的奇偶效应和识别它们的相对分异情况等,往往以球粒陨石或某种物分异情况等,往往以球粒陨石或某种物质(如上地幔、原始地幔、洋中脊玄武质(如上地幔、原始地幔、洋中脊玄武岩等)的相应元素组成作为标准,对岩岩等)的相应元素组成作为标准,对岩石的元素含量作标准化比值的处理。即石的元素含量作标准化比值的处理。即以样品的元素含量除以标准中相应的元以样品的元素含量除以标准中相应的元素含量后,再以元素为横坐标,标准化素含量后,再以元素为横坐标,标准化值为纵坐标作图,这种微量元素的图解值为纵坐标作图,这种微量元素的图解称为称为多元素标准化图解多元素标准化图解。。常见的有常见的有左向右) b a e r P m y Y b ( a 用于玄武岩 )b h U K a r i 用于花岗岩 )b K a r f b (按 于花岗岩,用 常用的标准化数据( s a K b 50 1979 52 1982 20 1983 2 20 245 0 1984 5d P r i 1989 5 300 1979 23 1 526 1982 6 20 1983 120 520 0 992 30 1984 100 9 340 9 70 8俯冲带地壳与地幔的地球化学循环微量元素蜘网图及其意义微量元素蜘网图及其意义蜘网图形上的峰、槽、斜坡和弯曲,有重要蜘网图形上的峰、槽、斜坡和弯曲,有重要的地球化学含义和成岩意义,但作具体解释的地球化学含义和成岩意义,但作具体解释时,必须结合样品的地质背景、岩相学和其时,必须结合样品的地质背景、岩相学和其它地球化学数据,作全面思考。各元素和特它地球化学数据,作全面思考。各元素和特定构造环境下岩石地球化学的一般性规律如定构造环境下岩石地球化学的一般性规律如下:下:槽,是多解的。指示是斜长石分离结晶槽,是多解的。指示是斜长石分离结晶后残余岩浆的地球化学性质。后残余岩浆的地球化学性质。同石中,如同Y、、容于石榴石中,铁矿中。示是有斜长石参与的堆峰,指示是有斜长石参与的堆晶岩,与消减作用有关的岩石。晶岩,与消减作用有关的岩石。微量元素蜘网图及其意义微量元素蜘网图及其意义与与进入含相仿,易进入含矿物,但更易富集于残浆,故K/K/离结晶和分异作用进行而减小,而位,故残浆中贫化。K,,贫化,即槽,指示着与消减作用无关;贫化,即槽,指示着与消减作用无关;而富集则代表是花岗质岩石、岛弧火山岩和而富集则代表是花岗质岩石、岛弧火山岩和与消减作用有关岩石。与消减作用有关岩石。皆富集于残浆,或集中于低部分熔融皆富集于残浆,或集中于低部分熔融熔体。熔体。此在分异的残浆中,稳定,因此在分异的残浆中,比值增加比值增加玄武岩受地壳物质混染后,玄武岩受地壳物质混染后,各元素皆增 。如受上地壳混染,呈如受上地壳混染,呈,上槽,因上地壳富地壳富如受下地壳混染,则如受下地壳混染,则下地壳贫皆呈槽,因下地壳贫洋岛玄武岩,富全部不相容元素,并具洋岛玄武岩,富全部不相容元素,并具明源区富不相容元素。峰,说明源区富不相容元素。岛弧玄武岩的特点是亏损高场强元素岛弧玄武岩的特点是亏损高场强元素Y,,富集大离子亲富集大离子亲石元素石元素U、、K((来自来自亏损地幔楔),还富集亏损地幔楔),还富集来自俯冲板来自俯冲板块)。如出现贫块)。如出现贫板块携带海洋沉积异常,是板块携带海洋沉积物的标志。物的标志。板内玄武岩以富高场强元素板内玄武岩以富高场强元素主要特点。微量元素蜘网图及其意义微量元素蜘网图及其意义量元素地质温度计的应用条件:„ 微量元素在各相间的分配达到平衡微量元素在各相间的分配达到平衡„ 被研究作用的温度范围在微量元素分配系被研究作用的温度范围在微量元素分配系数与温度关系式的适用范围数与温度关系式的适用范围„ 测定微量元素在各相中的含量时一定要注测定微量元素在各相中的含量时一定要注意矿物的纯度意矿物的纯度„ 微量元素在固相中的浓度变化只引起体积微量元素在固相中的浓度变化只引起体积的极小变化,即分配系数受压力的影响可的极小变化,即分配系数受压力的影响可忽略忽略微量元素地质温度计微量元素地质温度计地球历史中灾变事件的微量地球历史中灾变事件的微量元素地球化学证据元素地球化学证据20世纪世纪60年代以来对地球历史中灾变事件问题年代以来对地球历史中灾变事件问题的地学多学科综合研究中,最引人注目的成果的地学多学科综合研究中,最引人注目的成果之一是微量元素和同位素地球化学证据之一是微量元素和同位素地球化学证据白垩系白垩系 地壳铱丰度:地壳铱丰度: 10 地幔铱丰度:地幔铱丰度: 10 意大利亚平宁山脉古比奥镇白垩系意大利亚平宁山脉古比奥镇白垩系 量:10 丹麦白垩系丹麦白垩系 三系剖面地层中铱含量: 10 我国西藏海相白垩系我国西藏海相白垩系 三系界线上报导有铱异常:意大利亚意大利亚平宁山脉平宁山脉古比奥镇古比奥镇白垩系白垩系
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