岩石地球化学主量处理
赵志丹岩石地球化学微量处理精品PPT课件
孙贤鉥 (1943-2005)
孙贤鉥博士(哥伦比亚大学, 1973)
孙贤鉥
(1943-2005)
(哥伦比亚大学, 1973)
国内设立了—孙贤鉥地球化学青年科学家奖
第一届，2006, 徐义刚； 第二届，2007, 王 强； 第三届，2008, 杨进辉； 第四届，2009, 赵子福; 第五届，2010, 袁洪林； 第六届，2011, 朱弟成；
Sun S-S & MacDonough WF , 1989
Sun S-S, McDonough WF. 1989. Chemical and isotopic systematics of oceanic basalts: implications for mantle composition and processes. In: Saunders, A.D., Norry, M.J. (Eds.), Magmatism in the Ocean Basins. Geological Society London. Special Publications, vol. 42, pp. 313–345.
Trace element concentrations normalized to chondrite (primitive mantle) of ……
浅谈岩石矿物分析的基本流程
浅谈岩石矿物分析的基本流程岩石矿物分析是地球科学中重要的研究手段，通过对岩石和矿物样品的化学和物理性质的分析，可以揭示地壳和地球内部的组成、演化历史和构造过程。
以下是岩石矿物分析的基本流程。
野外采样是岩石矿物分析的第一步。
采样地点应根据研究目的和地质背景选择，通常包括岩石表面和深度样品。
采样过程中需要考虑到样品的均匀性和代表性，避免被外来物质污染。
然后，样品的准备与处理是岩石矿物分析的重要环节。
样品需要进行物理破碎和粉碎成适当的颗粒度，以便于后续分析。
对于不同类型的分析，样品有时还需要进行特殊处理，如磨片、制薄片、腐蚀去脏等。
接下来，进行化学分析。
化学分析是岩石矿物分析中最常用的手段之一。
化学分析可以揭示样品中各种元素的含量和组成，常见的包括岩石主量元素（Si、Al、Fe等）和微量元素（Mg、Ca、K、Na等），以及一些稀有元素（如REE等）。
常用的化学分析方法包括电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）、电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）等。
在化学分析的基础上，可以进行岩石矿物的定性和定量分析。
定性分析可以鉴定岩石矿物的种类和存在状态，常用的手段包括X射线衍射分析（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱仪（EDS）等。
定量分析可以测定岩石中各个矿物的含量和比例，常见的方法有全岩岩石矿物分析、显微镜下定量测定和图像分析等。
物理分析是岩石矿物分析中的另一个重要环节。
物理分析可以测定岩石和矿物的物理性质，如密度、磁性、热性等。
常用的物理分析方法包括比重计、振动样品磨砂仪、磁定向仪等。
物理分析可以辅助判断岩石的成因、变质作用和构造特征等。
将分析结果进行整理和解释。
根据化学和物理分析的结果，可以推断岩石的成因类型、含矿性和背景物质来源等。
结合地质背景资料和地球模型，可以进一步解释和推断岩石和矿物样品的演化历史和成因机制。
主量元素地球化学
《高等地球化学》之主量元素地球化学张展适139********zhszhang@主要内容¾地球化学数据的获得¾岩石主量元素（Major elements）¾CIPW标准矿物计算¾主量元素化学成分的利用Î分类：岩石的分类命名、岩石系列的划分、不同花岗岩类的主量元素Î追踪成岩过程Î岩石形成构造背景的判别地球化学数据的获得¾常量元素：Î湿化学分析法（Wet Chemistry）ÎX射线荧光光谱（XRF）Î电子探针（EMPA）¾微量元素：ÎX射线荧光光谱(XRF): 主量元素和Rb, Sr, Ba, Zr, Nb, Y, Sc, V, Cr, Co, Ni, Ga, Zn, (La, Ce, Nd, Sm)Î中子活化分析(INAA): Sc, Cr, Co, Ni, REE, noble metal, Hf, TaÎ等离子光谱(ICP-AES): 大多数主量元素和微量元素, (Hf, Ta, Pb, Th, U)Î等离子光谱质谱(ICP-MS): 绝大多数微量元素Î离子探针(IMPA): 大部分微量元素送样前的准备¾送样分析的目的要明确，为什么要做这些分析？¾分析方法选择，了解不同方法的适用范围，分析精度；¾样品的选择，新鲜，均匀，有代表性；¾样品的处理，避免污染；¾样品重量，碎样重量和送样重量，与样品的结构，分析的元素和方法相关；¾样品的系统和统一，主量元素、微量元素、矿物探针分析、同位素等应配套岩石主量元素（Major elements）¾主量元素是指在任何岩石中都占绝对多量的元素，实际上是地壳以及岩石圈地幔中丰度最高的那些元素，通常包括Si, Ti, Al, Fe, Mn, Mg, Ca, Na, K, P这9个元素（的氧化物形式），有时还包括H（H2O）和C（CO2）。
赵志丹岩石地球化学6-同位素定年
A. 确定地质体的年龄 ——称为同位素地质年代学 Isotopic geochronology
B. 探讨岩石成因 ——称为同位素地质学/地球化学 Isotope geology / Isotope geochemistry
同位素地球化学及其研究思路
同位素地球化学——
同位素地球化学是研究地球及其他星 体中核素的形成、丰度及在自然作用 中分馏和衰变规律的科学。
N= N0e-λt， N与t为指数函数。
N或D*的原子数
1 20 No
1 00
80
D*= No(1 -e- t)
60
40
20
Do= 0
0
0
1
N= Noe- t
2
3
时间/ 以半衰期为单位
设衰变产物子体的原子数为
D*，当t=0时，D*=0，经时
间t的衰变反应，则：
D*=N0-N 将上式分别代入N=N0e-λt ，得
P.J.Patchett等 ， 1981 Godw in， 1962
Rb-Sr法
Rb－Sr体系
Rb衰变
3877Rb3887Sr E
衰变常数值1.42×10-11y-1 (Steiger和Jager,1977)，
属于β—衰变：
原子核中一个中子分裂为一个质子和一个电子（即β—质点），β—质点 被射出核外，同时放出中微子ν。如果以X代表母核，Y代表子核，β衰 变的反应通式为： AZX→AZ+1Y+β—+ν+E (Z：原子序数；A：原子量；ν：中微子；E：能量) 衰变后核内减少一个中子，增加1个质子，新核的质量数不变，核电荷 数加1，变为周期表右侧的相邻元素。如：上述的8737Rb→8738Sr 衰变前后原子核的总质量不变，因此8737Rb与8738Sr又被称为同量异位 素
专家讲解—岩石地球化学5-微量处理
元素 原始地幔
P 95
Sm 0.444
Zr 11.2
Hf
Eu
Ti 1300
Gd
Tb
Dy
Ho
Y 4.55
Er 0.48
Tm
Yb
0.309 0.168
0.596 0.108 0.737 0.164
0.074 0.493
多元素蜘蛛图的原始文献 和标准化数据 (Spider diagram)
Sun S-S & W F MacDonough, 1989
B. 过渡金属元素（Transition metal)
第三章、岩石地球化学数据的处理与解释
三、微量元素处理和解释 1. 微量元素处理方法
（1）多元素标准化图解
（2）元素或者元素比值投点图
（2）元素或者元素运算后投点图
包括： 二元或者三角图 元素对元素
V ppm 600
IAT
MORB OIB
元素比值对元素
元素比值对元素比值
元素运算后
0
0
Ti ppm
18000
（2）元素或者元素运算后投点图
包括： 二元或者三角图 元素对元素
元素比值对元素
元素比值对元素比值
元素运算后
（2）元素或者元素运算后投点图
包括： 二元或者三角图 元素对元素
元素比值对元素
元素比值对元素比值
元素运算后
2. 微量元素图解研究用途
（1）进行岩石分类 （2）研究岩石成因
Sun & MacDonough, 1989
标准化顺 序和数值 球粒陨石 原始地幔
其中有些不用， 例如Tl，Sc，W ，Sn，F等
作图Cs= 0.0079
岩石地球化学分析技术的发展与应用
岩石地球化学分析技术的发展与应用在地质学领域，岩石地球化学分析技术是我们了解地球内部奥秘的重要手段。
它如同一位无声的讲述者，通过对岩石中各种化学元素和同位素的分析，为我们揭示地球漫长演化历史中的诸多故事。
岩石地球化学分析技术的发展可以追溯到很久以前。
早期的分析方法相对简单，主要依赖于传统的化学分析手段，如重量法和容量法。
这些方法虽然能够提供一些基本的化学信息，但存在着精度低、分析元素有限等诸多不足。
随着科学技术的不断进步，尤其是在 20 世纪中叶以后，各种先进的分析仪器和技术如雨后春笋般涌现。
其中，X 射线荧光光谱分析（XRF）成为了岩石地球化学分析中的重要工具。
它利用 X 射线激发样品，然后测量样品产生的荧光光谱，从而快速、准确地测定多种元素的含量。
相比传统方法，XRF 大大提高了分析效率和精度，并且能够同时分析多个元素。
电感耦合等离子体质谱（ICPMS）技术的出现更是岩石地球化学分析领域的一次重大突破。
ICPMS 具有极高的灵敏度，可以检测到极低浓度的元素，甚至能够测定一些在岩石中含量极其微量的稀土元素和同位素。
这使得我们能够更加精细地研究岩石的成因、演化以及地质过程中的物质迁移和交换。
除了上述技术，电子探针微区分析（EPMA）在岩石地球化学研究中也发挥着重要作用。
它能够对岩石中的微小区域进行化学成分的分析，为我们了解岩石的微观结构和成分变化提供了关键信息。
这些先进的分析技术在地质学的各个领域都有着广泛的应用。
在矿产勘查方面，通过对岩石地球化学特征的分析，可以有效地圈定成矿远景区，预测矿产的类型和规模。
例如，在寻找金矿时，通过分析岩石中与金成矿相关的元素，如砷、汞等的含量和分布特征，可以为找矿工作提供重要的线索。
在研究地球的演化历史方面，岩石地球化学分析技术更是功不可没。
通过对不同地质时期形成的岩石进行化学分析，我们可以了解地球在漫长岁月中的化学组成变化，进而推断出地球内部的热状态、构造运动等重要信息。
地球化学考点整理
一、主量元素：把研究体系（矿物、岩石）中元素含量大于1%的元素称为主量元素。
微量元素：研究体系中浓度低到可以近似地服从稀溶液定律的元素称为微量元素。
二、放射性同位素：原子核不稳定，它们以一定方式自发地衰变成其他核素的同位素。
放射性成因同位素：由放射性元素衰变而形成的同位素。
三、能斯特分配系数：在一定的温度、压力条件下，当两个共存地质相A、B平衡时，以相同形式均匀赋存于其中的微量组分i在两相中的浓度比值为一常数，该常数称为能斯特分配系数。
四、元素的地球化学亲和性：在自然体系中元素形成阳离子的能力和所显示出来的有选择地与某种阴离子结合的特性，称为元素的地球化学亲和性。
五、高场强元素：离子半径小，离子电荷高，离子电位>3，难溶于水，化学性质稳定，为非活动性元素。
如：Th、Nb、Ta、Zr。
大离子亲石元素：离子半径大，离子电荷低，离子电位<3，易溶于水，化学性质活泼，地球化学活动性强。
如：Rb，K，Cs，Ba。
六、亲铁元素：在自然体系中，特别是在O、S丰度低的情况下，一些金属元素不能形成阳离子，只能以自然金属形式存在，它们常常与金属铁共生，以金属键性相互结合，这些元素具有亲铁性，属于亲铁元素。
七、放射性同位素的衰变方式：（1）β-衰变：原子核中一个中子分裂为一个质子和一个电子，β-质点被射出核外，同时放出中微子v。
（2）电子捕获：原子核自发地从K或L层电子轨道上吸取一个电子（多数为K层，故又称K层捕获），与一个质子结合变成一个中子。
（3）α衰变：重核通过放射出由两个质子和两个中子组成的α质点而转变成稳定核。
（4）重核裂变：重同位素自发地分裂成2或3个原子量大致相同的碎片。
八、盐效应：当溶液中存在易溶盐类（强电解质）时，溶液的含盐度对化合物的溶解度会产生影响，表现为随溶液中易溶电解质浓度的增大将导致其他难溶化合物的溶解度增大，称盐效应。
电负性：电负性等于电离能（I）与电子亲和性（E）之和X=I+E，可用于度量中性原子得失电子的难易程度。
岩石地球化学
Nd同位素地球化学 ——特征和意义
Nd同位素地球化学——特征和意义
① Sm、Nd这对母子体具有相似的地球化学性质，除岩浆作用 过程Sm/Nd比值能发生一定变化外，一般地质作用很难使Sm、 Nd分离，特别是在地质体形成之后的风化、蚀变与变质作用 过程，Sm、Nd同位素通常不会发生变化；
②一些太古代样品的143Nd /144Nd的初 始比值均落在Sm/Nd比值相当于球粒陨 石的143Nd /144Nd演化线上，这表明地 球早期演化阶段的Nd同位素初始比值与 球粒陨石Nd同位素初始比值非常一致， 这使我们获得了有关Nd同位素演化起点 的重要参数；
例2：各个大洋的MORB
(87Sr/86Sr)0也不同（右图），印度 洋MORB明显区别于大西洋和东太 平洋（Faure，2001，fig.2.63）。
Sr同位素识别岩石源区
From Faure, 1986,fig.10.63
除了用于研究成岩和成矿物质来 源外，(87Sr/86Sr)0还可用来划分岩石 的成因类型。如花岗岩分类，
如何获得？近似于球粒陨石CHUR
地壳分异——大约3.0 Ga 分异出大陆地壳， 之后开始出现亏损地幔演化线
O.50677
Nd同位素初始比值计算
Nd同位素初始比值（143Nd /144Nd）0是Nd同位素的地球化学 示踪的重要基础，该比值可以通过等时线法获得；
对 于 一 个 已 知 年 龄 的 样 品 ， 也 可 以 通 过 实 测 该 样 品 的 143Nd /144Nd和147Sm /144Nd比值，代入下边第2式获得。
Sr同位素演化——何获得？
（1）地球形成时的岩石样品难以获得。 （2）由于地球和陨石是在大致相同的时间由太 阳星云的凝聚相通过重力凝聚作用形成的，因 此陨石可以代表地球的(87Sr/86Sr)0比值。 （3）目前公认玄武质无球粒陨石的(87Sr/86Sr)0 比值为0.69897±0.00003 (Faure,1977)，代 表地球形成时的初始比值，以BABI表示。
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Rocks. Chapman Hall.
第三章、岩石地球化学数据的处理与解释
第一节、主量元素数据处理与解释
一、岩石化学的主要指标 二、主量元素数据直接用于岩石分类和系列划分 三、CIPW计算后用于岩石分类和系列划分 四、主量元素用于判别岩浆（地球化学）作用过程 五、主量元素应用于实验岩石学
1. 火山岩的TAS图解 (Total Alkalis-Silica diagram)
关于岩石化学/显微结构英文参考书 （可供）
(1) MacKenzie W. S. and Adams A. E. A color atlas of rocks and minerals in thin section. John Wiley & Sons, Inc. New York, 1993, 192p (2) MacKenzie W. S., Donaldson C. H., and Guilford C. Atlas of igneous rocks and their textures. John Wiley & Sons, Inc. New York, 1982 (3) Best M. G. Igneous and metamorphic petrology. 2nd edition. Blackwell Science Ltd, 2019 (有扫描件) (4) Le Maitre (ed), Igneous Rocks: A classification and Glossary of Terms (2nd edition). Cambridge University Press, 2019. 【书号360/L46/2】
碱性 中性岩 53-66 <5%
酸性岩 >66 >20%
斜长石为 斜长石为 钾长石为 钾长石>
主
主
主
斜长石
主要为辉
石，可有
黑云母为
角闪石， 角闪石为主，次为黑 主，次为
黑云母， 云母，辉石，15-40% 角闪石，
橄榄石，
10-15 %
<90%
辉长岩 闪长岩 正长岩 花岗岩
辉绿岩 闪长玢岩 正长斑岩 花岗斑岩
Total
98.75 99.06
99.3 99.50 99.23
(引自Winter, 2019)
一、岩石化学的主要指标
1. SiO2与岩石分类
Sample SiO 2 TiO 2 Al2O 3 Fe2O 3 FeO MnO MgO CaO N a2O K2O P2O 5 LO I TO TAL DS-1 4 1 .5 9 4 .4 0 9 .7 8 1 2 .9 0 5 .0 8 0 .1 7 9 .2 6 1 2 .4 9 2 .9 9 3 .1 4 0 .9 8 2 .0 1 9 9 .7 1
Press, 2019. 【书号360/L46/2】
火山岩的TAS图解使用方法
1. 适用于新鲜的、无蚀变和未变质的火山岩（因为K和Na活泼 易于带入带出），不适合于高Mg岩石（另外图）。
2. 计算投图：主量元素数据中，先剔除H2O，CO2，LOI。再 重新计算到100％，之后投图。
3. TAS图中，有些是2个岩石 类型，成分一致，但是根据 特征矿物细分，例如是粗面 岩还是粗面英安岩，需要根 据CIPW计算结果，确定Q含 量，若Q<20为粗面岩，若 Q>20为粗面英安岩 。
【为什么?若有Q存在会发生反应（见下页）】
(3) SiO2饱和矿物： SiO2含量充足（刚好），则形 成辉石、角闪石、斜长石，钾长石，云母等—— ——不含Q，也不含SiO2不饱和矿物。
SiO2过饱 和岩石 SiO2不饱 和岩石 SiO2饱和 岩石
特别强调：似长石类矿物
不能与SiO2共存，属于SiO2不饱和矿物 1. 霞石
Na2O-2.0 < K2O 钾质粗面玄武岩 橄榄玄武粗安岩 安粗岩
原因：在TAS图解中，仅仅是
Na2O与K2O的加和，没有考虑 它们相对的含量不同，岩石类
霞石Na[AlSiO4]——钾霞石K[AlSiO4], 高温时为连续固溶体系列 产于富含Na2O而SiO2不饱和岩浆岩中， 六方短柱，厚板状
2. 白榴石，K[AlSi2O6],
正方晶系（假等轴晶系） 自形晶，四角三八面体
白榴石
西藏白榴石斑岩
霞石
霞石----似长石类矿物
Na3K(SiAlO4)4
六方短柱，厚板状
(N2O aK2O2)
Si2O 43
(w% t)
大小与岩石系列划分=
<3.3 =3.3-9 >9
钙碱性岩 碱性岩 过碱性岩
岩浆岩的分类（考虑全碱含量）
岩石大类 （酸度）
超基性岩
基性岩
中性岩
酸性岩
岩石系列 （碱度）
钙碱 偏碱 性性
过碱性
钙碱 性
碱性
过碱 性
钙碱 性
钙碱性－碱性 过碱性 钙碱性 碱性
岩石类型
（引自La Maitre等，1989）
火山岩的TAS图解
是国际地科联（IUGS）岩浆岩分类学分会推 荐的火山岩分类图解, 参见新书
Le Maitre (ed), Igneous Rocks: A Classification and Glossary of Terms (2nd edition). Cambridge University
安山岩 57.94
0.87 17.02
3.27 4.04 0.14 3.33 6.79 3.48 1.62 0.83
流纹岩 72.82
0.28 13.27
1.48 1.11 0.06 0.39 1.14 3.55 4.30 1.10
响岩 56.19
0.62 19.04
2.79 2.03 0.17 1.07 2.72 7.79 5.24 1.57
火山岩的TAS图解使用： ——注意高镁岩石分类
TAS投点之前需要先剔 除高镁的样品，如果是 高镁的，用右边的图解。 强调： MgO和TiO2含量
火山岩的TAS图解使用：
——注意Na2O与K2O的相对含量
成分\名称
粗面玄武岩
玄武粗安岩
粗安岩
Na2O-2.0 > K2O 夏威夷岩
橄榄粗安岩 歪长粗面岩
岩浆岩分类表
岩石系列 岩石类型 Si O2含 量 (%) 石英含量
长石种类和含量
超基性岩 <45 无
一般无长 石
橄榄石， 暗色矿物种类和含量 辉石，
>90%
深成岩 浅成岩 喷出岩
中粗粒/似 橄榄岩 斑状结构 辉岩 细粒/斑状 苦橄玢岩
结构 金伯利岩 班状/玻璃 苦橄岩 质/隐晶质 科马提岩
钙 基性岩 45-53 无或很少
>9 <3.3 3.3-9
Na2O+K2O <3.5
>3.5 平均3.6 平均4.6 平均7 平均5.5
平均9
平 均 14
平 均 6-8
(N2O aK2O2)
Si2O 43
(w% t)
碱质(Na2O+K2O)与矿物组合
<3
钙碱性
3.3-9 碱性
>9 过碱性
碱性长石
较酸性岩 石
普遍出现
斜长石
普遍
偏酸性岩石
岩石地球化学主量处理
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第三章、岩石地球化学数据的处理与解释
第一节、主量元素数据处理与解释 第二节、微量元素数据处理与解释 第三节、同位素数据处理与解释
推荐软件和参考书
1. 计算CIPW的软件，Norm3 2. A TEXTURAL ATLAS OF MINERALS IN THIN
(K2O+Na2O)>Al2O3
特征矿物 白云母、黄玉、电气石 、刚玉、矽线石、红柱
石 铝硅酸盐矿物：黑云母
、角闪石、黄长石等
长石类、似长石
碱性镁铁质矿物类：霓 辉石、霓石、钠闪石、
碱锰闪石等
Figure 18-2. Alumina saturation classes based on the molar proportions of Al2O3/(CaO+Na2O+K2O) (“A/CNK”) after Shand (1927). Common non-quartzo-feldspathic minerals for each type are included. After Clarke (1992). Granitoid
SiO2在主要元素中含量最高，变化范围:34-80 %，
意义: 1. 对岩浆及岩浆岩的物理化学性质及矿物组成的影响最大，因
此是火成岩中最重要的一种氧化物。 2. 用SiO2含量是岩浆岩4大类划分的依据 3. 酸性程度就是指SiO2含量高低 4. SiO2饱和度决定矿物组合
SiO2用于岩浆岩的4大类划分
玄武岩 安山岩 粗面岩 流纹岩
碱性 碱性岩 53-66
无 钾长石为 主，含似
长石
碱性辉石 和碱性角
闪石， <40%
霞石正长 岩