微量元素地球化学原理
.微量元素地球化学

分配系数
Ba Opx Cpx Hbl Bi Plag Ksp 0.003 0.131 0.044 6.360 0.360 6.120 Sr 0.009 0.516 0.022 0.120 2.840 3.870
5.构造环境的地球化学识别
不同构造环境沉积盆地杂砂岩的微量元素判别图 A.大洋岛弧;B.大陆岛弧;C.活动大陆边缘;D.被动大陆 边缘
1.5 1 0.5 0 Ce Nd Sm Eu Gd ª Ë Ô Ø Dy Er Yb Lu
• 氧逸度影响 仅对变价元素产生影响
稀土元素在斜长石与玄武岩浆之间的分配系数与 氧逸度的关系
微量元素地球化学原理
(三)岩浆过程微量元素的定量模型
1.岩浆结晶作用模型 Cl/C0=F(D-1) ClH = C0H /F, ClM = C0M /F ClH/ ClM = CoH/ CoM =常数 2.岩石部分熔融模型(批次部分熔融模型) Cl/C0 = 1/[D(1-F)+F ] ClH = C0H /F, ClM = C0M /(F +DoM) ClH/ ClM :不等于常数
Sm Gd Eu Eu EuN / ( ) Eu * 2 La Pr Ce Ce CeN / ( ) Ce * 2
N
N
稀土元素中Eu异常值的计算原理
微量元素地球化学原理
(三)稀土元素地球化学的应用 1.岩浆岩成因模拟
利用稀土元素研究岩浆的部分熔融程度
微量元素地球化学原理
概述 1. 地球化学的手段(宏观性质) 2. 研究意义: • 示踪 • 物理化学条件 • 地球化学过程(结合年龄数据)
微量元素地球化学原理
元素含量与热力学量之间的关系问题 (ΔG,ΔH, ΔS等): • μ= μo +RT lnƒ • μ= μo +RT lnα 即 ƒ、α与组分(摩尔分数)之间的关系可否描 述?
第三章微量元素沉积地球化学

一、微量元素的概念及分类
• 5、在宇宙化学以及地球的形成和演化过程中, Ringwood(1966)和Anders(1972)等将微量元 素分为难熔元素、亲铁元素、挥发性元素和仅在球粒 陨石中挥发的元素。难熔元素是Sr,Ba,Ti,Zr,Hf 等,挥发元素是Rb,Sr,Cu,Zn,Hg,Tl,Sn, Pb等,前者是指在行星形成演化过程中、在1300— 1500℃的适度还原条件下仍不挥发的元素,后者则是 指在那种条件下能从硅酸盐熔体中挥发出来的元素。 亲铁元素是Co,Ni,Ru,Rh,Pd,Os,Ir,Pt, Au等。Na,K为仅在球粒陨石中挥发的元素。这种分 类主要用于行星和陨石的研究.
•
定量研究微量元素之间、微量元素和主元素之间的相关性是微量元素组合的另一类统 计分析方法。最简单的就是相关系数的计算,它反映了元素之间关系的密切程度。但 在复杂的地质、地球化学过程中,单纯的相关系数不能反映元素之间的客观关系,因 而就出现了逐步回归分析,群分析和因子分析等复杂统计分析。逐步回归分析帮助人 们在数目众多的变量中找出关系最密切的元素,并给出定量关系表达式。群分析和因 子分析则是将元素含量或样品数等作为一个多维空间进行含量投影,关系最密切的元 素或标本,其投影点将最靠近。回归分析、因子分析和群分析是微量元素数据处理中 最常用的统计方法。
•
一、微量元素的概念及分类
• 3、根据分配系数:从分配系数(这里总是指固相对液相的分配)概念 出发,相容元素的总分配系数大于1,而不相容元素的总分配系数小于1, 这是从热力学元素分配对元素不相容和相容性的定义。为了研究工作的 方便、常将不相容元素进一步分为强不相容元素,中等不相容元素和弱 不相容元素。前者总分配系数大致小于或等于0.05,后者则小于1,互 相间无严格界限。有的学者提出,当总分配系数与1比较可忽略不计时, 可称为岩浆元素,而总分配系数小到与0.2-0.5相比可忽略不计时,可 称为超岩浆元素。应该指出,元素的总分配系数是随着体系的化学组成、 温压条件的变化而发生明显变化,如稀土元素在多数情况下是不相容元 素,但在酸性岩浆体系中,由于岩浆结构等的变化,大部分稀土元素进 入到富稀土的付矿物中,而成为相容元素。因此元素的相容和不相容程 度是随体系不同而变的,具有相对性。
微量元素地球化学原理(第二版)(赵振华)PPT模板

01
一、亨利定 律
02
二、亨利定 律的适用范
围
第二章微量元素 地球化学基本概 念及有关理论问 题
第三节能斯特定律和分配系 数
二、分配系 数的测定
一、分配系 数
三、影响分 配系数的因 素
第二章微量元素地球化 学基本概念及有关理论 问题
第四节岩浆形成和演化过程的微 量元素地球化学模型
一、部分熔融 模型
三、结晶作用 模型
五、围岩混染 和分离结晶联 合作用(afc) 的模型
01
03
05
02
二、分离熔融 模型
04 四、混合模型
06
六、能量限制 分离结晶混染 (ec afc)模 型
第二章微量元素 地球化学基本概 念及有关理论问 题
第四节岩浆形成和演化过程 的微量元素地球化学模型
七、与时间相关 的分离结晶混染
ow)
08
第五章地球形成演化过程中的微量 元素
第五章地球形成演化过程中的微量元素
第一节太阳系星云、 陨石与地球成分
第二节月球的形成与 演化
第三节玻璃陨石的成 因
第四节地壳与大气圈 地球化学与演化
第五节地幔化学组成 及地球化学演化的微
统计分析法
04
四、元素丰度 与矿产储量和
资源潜力
07
第四章微量元素与构造背景判别
第四章微量元素与构 造背景判别
第一节微量元素识别板块 构造背景的地球化学依据
第二节不同类型岩石的构 造背景判别
第三节一些特殊类型构造 背景的识别
第四节微量元素用于构造 背景判别的限制
第四章微量元素 与构造背景判别
第一节微量元素识别板块构造 背景的地球化学依据
第四章 微量元素地球化学原理

(2)表征REE组成的参数 ① 稀土元素总含量∑REE:各稀土元素的总和,常以 10-6 为单位。能明显反映出各类岩石的特征,如: 一般在超基性岩,基性岩中∑REE较低,在酸性岩 和碱性岩中∑ REE 较高;沉积岩中砂岩和页岩的 ∑REE较高,碳酸盐岩的较低。因此∑REE对于判 断岩石的源岩特征和区分岩石类型有意义。
第三节 稀土元素地球化学及应用
(2)表征REE组成的参数 异 常 系 数 —— 某 些 特 பைடு நூலகம் 元 素 比 值 , 如 Eu [ω(Eu)/ω(Eu*)] 、 Ce[ω(Ce)/ω(Ce *)] 等,它们能灵敏 地反映体系的某些地球化学特征。 Eu,反映Eu异常的程度。Eu属变价元素,在一般情 况下呈 Eu3+ ,在还原条件下部分 Eu3+还原为 Eu2+ ,因 Eu2+碱性度与REE整体差别较大将发生分离,造成在 REE3+ 球粒陨石标准化图解中铕的位置上出现‘峰’ ( Eu 过剩,正异常)或‘谷’( Eu 的亏损,负异常)
第三节 稀土元素地球化学及应用
(2)表征REE组成的参数 ② ω(LREE)/ω(HREE)或∑ ω(Ce)/ ∑ ω (Y) 为轻,重稀土元素的比值,这一参数能较好的反映 REE的分异程度和指示部分熔融残留体或岩浆早期 结晶矿物的特征。 ∑ Ce碱性较 ∑ Y强,随岩浆作 用的演化, ∑ ω(Ce)/ ∑ ω (Y)比值逐渐增大 ,即在岩浆作用晚期富集。
第三节 稀土元素地球化学及应用
峰或谷偏离曲线的程度反映了异常的强度。
Eu*由标准化曲线上Sm和Gd丰度值以内插法求得。
第三节 稀土元素地球化学及应用
(2)表征REE组成的参数 ③ 单 元 素 比 值 [ω(La)/ω(Yb)]N 、 [ω(La)/ω(Lu)]N 、 [ω(Ce)/ω(Yb)]N 、 [ω(La)/ω(Sm)]N [ω(Gd)/ω(Lu))]N 、 小标N为标准化,这些都是轻,重稀土元素分别对 球粒陨石标准化后比值。 意义:表征LREE和HREE元素间分异程度。 例如[ω(La)/ω(Sm)]N 比值越大,反映LREE越富集。
微量元素地球化学

0.582 1.940 0.023 2.024 1
0.583 4.700 0.020 1.740 1.5
0.542 6.167 0.023 1.642 1.4
0.506 6.950 0.019 1.563
* Eu3+/Eu2+ Italics are estimated
石榴石地幔橄榄岩 = 60% Ol+25% Opx+10% Cpx+5% Gar (wt%)
Er
0.026 0.23
Yb
0.049 0.34
Lu
0.045 0.42
Data from Rollinson (1993).
Cpx Garnet Plag Amph Magnetite
0.031 0.042 0.071 0.29
0.060 0.012 1.830 0.46
0.026 0.023
0.23 0.42
元素分配系数
KD 或者 D=
—C固—相— C液相
按照元素在岩浆作用中行为分类
相容元素:——D>>1, 优先进入矿物相,或残留相 例如:Ni, Co, V, Cr
不相容元素:——D<<1,优先进入熔体相, D<0.1为强不相容元素,
例如:大离子亲石元素——K,Rb,Cs,Sr,Ba 高场强元素——Nb,Ta,Zr,Hf
其中:μⅠ、μⅡ分别是该元素在Ⅰ、Ⅱ相中的化学位, μⅠ、μⅡ分别是该元素在Ⅰ、Ⅱ相中标准状态
下的化学位, R是气体常数,T是绝对温度,
αⅠ、αⅡ是该元素分别在Ⅰ、Ⅱ相中的活度,
根据热力学原理,当各相处于平衡时,任一组分在 各相中的化学位应该相等:
μⅠ=μⅡ
µⅠ 0 + R T ln (Ⅰ )=µⅡ 0 + R T ln ( Ⅱ )
第四章 微量元素地球化学-3

能斯特分配系数。
8
在一定浓度范围内,KD与i的浓度无关,只与 温度、压力有关。 根据稀溶液定律(亨利定律),微量元素i的活 动正比于其摩尔浓度,即ai = K bi 所以,KD= aiA/aiB= biA/biB 能斯特分配系数( KD )仅适用于服从稀溶液 定律的微量元素,其他元素需采用该元素在两 相中的活度比值作为分配系数。
28
b 平衡部分熔融过程的定量模型
o 假设,产生的全部熔体与残留相保持平衡
ci l
岩浆 F
源岩
1-F
残留相
ci o
ci s
o 考虑源岩中微量元素i的量和岩浆+残留相中的量相等, 可得下列方程:
ห้องสมุดไป่ตู้29
我们设:F为固相部分熔融的程度(百分数) CS为固相中某微量元素的初始平均浓度 CL为固相熔融到F时熔体相中该微量元素的平均浓度 CRS为固相熔融到F时残余固相中该元素的浓度 DRS为残余固相和熔体相之间的总分配系数 这里XRS,α为残余固相中α相(矿物)的重量分数
结晶作用是岩浆演化的基本过程; 结晶过程倾向于导致岩浆全部结晶,即100%变成结晶相; 矿物结晶过程中,矿物表面与残余岩浆之间可以一直保持 平衡;但是,矿物内部与残余岩浆脱离接触,难以继续保持 平衡。因此,平衡结晶过程很少实现。实际的结晶过程是一 种保持表面平衡的过程,接近分离结晶过程。 在岩浆结晶过程中存在矿物结晶次序的差别,一些矿物先 结晶,一些矿物后结晶,如鲍文反应序列所示。由于重力等 作用,先结晶的矿物可能发生堆积,与残余岩浆分离。这也 会造成分离结晶作用。 岩浆分离结晶的程度,取决于岩浆的类型和粘度、结晶的 速度等条件。
22
B 温度对分配系数的影响
• 由能斯特定律可导出: lnKD = - (△H/RT) + B △H表示微量元素在两相中的热焓变化; B是积分常数; R是气体常数 ——分配系数的自然对数与体系温度的倒 数呈线性关系!
第五章微量元素地球化学2011

第四章微量元素地球化学第一节微量元素地球化学基本原理一、微量元素概念(是相对的概念)主量元素(主要元素、常量元素):岩石的主要组成部分,含量>0.1wt%,通常用氧化物的重量百分数来表示(wt%);微量元素(痕量元素、痕迹元素):难以形成独立矿物,浓度<0.1%,通常用ppm或ppt表示。
Gast(1968)对微量元素的定义是:不作为体系中任何相的主要化学计量组分存在的元素。
微量元素的另一定义为,在所研究的地球化学体系中,其地球化学行为服从稀溶液定律(亨利定律,Henry’s Law)的元素。
常(主)量和微量元素在自然界中是相对的概念,常因所处的体系不同而相互转化。
如Cr在大多数地壳岩石中为微量元素,但在超基性岩中可呈常量元素;Fe在岩石中是常量元素,但在有机物中多为微量元素;Zr在岩石中是微量元素,但在锆石中为常量元素;K在地壳整体中是主量元素,但它在陨石中却被视为微量元素。
在自然界中,主要的常量元素的含量变化范围有限(多小于1个数量级),而微量元素的变化范围较大(常达2个数量级),明显超过常量元素。
例如:SiO2在基性、中基性、中酸性和酸性岩浆的平均含量分别约为45、52、65和75 (wt%),其相对变化量为1.7;Rb在基性、中基性、中酸性和酸性岩浆的平均含量分别约为0.2、4.5、100和200 ppm,相对变化量为1000。
二、微量元素的特点1、微量元素的概念难以用严格的定义进行描述;2、自然界“微量”元素的概念是相对的,应基于所研究的体系;3、低浓度(活度)是微量元素的核心特征,在宏观上表现常为不能形成自己的独立矿物(相),近似服从稀溶液定律(亨利定律)。
三、微量元素在共存相中的分配规律地球化学过程中元素的地球化学行为在实质上表现为,当所在的介质条件发生变化时,其在相关共存的各相(液—固、固—固等)之间发生重新分配过程。
自然过程总量趋向于达到不同尺度的平衡,元素在平衡条件下,相互共存各相之间的分配取决于元素及矿物的晶体化学性质(内因)及物理化学条件(外因)。
微量元素地球化学

0
2 He
H
3 4
ⅢB ⅣB ⅤB Ⅵ B ⅦB
Ⅷ
ⅠB
ⅡB
5
6
7
8
9
10 Ne
18
Li
11
Be
12
B
13
C
14
N
51
O
16
F
17
Na
19
Mg
20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
Al
31
Si
32
P
33
S
34
Cl
35
Ar
36
K
37
Ca
38
Sc
39
Ti
40
V
41
Cr
42
Mn
43
三套分类系统
在固相-液相(气相)间的分配特征; 在熔融过程中挥发与难熔程度; 在地球(地壳)形成和演化过程中分散 与富集特点。
以微量元素在固相-液相(气相)间 的分配特征分类
分为: 1.不相容元素(Incompatible
elements) 2.相容元素( Compatible elements ) 以总分配系数( D0)度量: 不相容元素, D0<1 相容元素, D0>1
10 流纹岩 英安岩
分 配 系 数
1.0 玄武质安山岩
玄武岩
La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
分配系数和温度的关系
H ln k d ( ) T B R
不同压力和SiO2状态下 单斜辉石/熔体 间Ho的分配系数随温度的变化
lnDHo
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元素
ECA(1) PAAS(2) NASC(3) ES(4)
页 岩 中 的 稀
La
50
Ce
88
Pr
9.8
Nd
40
Sm 7.2
土
Eu
1.4
平
Gd 6.2
均
Tb
1.0
含
Dy
5.8
量
Ho
1.2
Er
3.2
38.2 79.6 8.83 33.09
5.55 1.08 4.66 0.774 4.68 0.991 2.85
10-12m
半衰期不超过5年
稀土元素的离子半径
稀土元素的分类: 轻稀土(LREE):La~Sm; 重稀土(HREE):Gd~Lu; 有时将Sm~Ho称为中稀土(MREE) 稀土元素都能形成+3价离子。虽然部分稀土元素在化学上也能形成
+2和/或+4价离子,但在地球化学研究中只有Ce4+ 和Eu2+ 有意 义。它们分别形成比+3价氧化态更小和更大的离子
1.5
1
0.5
0 Ce Nd Sm Eu Gd Dy Er Yb Lu Ôª ËØ
µ¥ бԻ ʯ
2.5
2
1.5
Á÷ÆÎ ÑÒ ½¬
1
Ðþ Îä ÑÒ ½¬
0.5
0 Ce Nd Sm Eu Gd Dy Er Yb Lu Ôª ËØ
(三)微量元素分配系数的应用 1.地质温度计
2.研究地球化学过程的平 衡程度
0.0356
Yb
0.2200
0.2090
0.2480
Lu
0.0339
0.0322
0.0381
Y
2.1000
(1)球粒陨石标准化
洋中脊玄武岩的稀土元素分配模式(Saunders,1984) A:N-型(正常型)洋中脊玄武岩,实线为采自太平洋的样 品,虚线为大西洋样品;B:E-型(富集型)洋中脊玄武岩
1、稀土元素和镧系收缩
因为f 层核的屏蔽常数较小,所以有效核电荷对 内层(f)电子的吸引力增大。由此造成随原子序
数增加,即核电荷增大使镧系元素的离子半径减 小。同样有锕系收缩。
Ǻ 1.09 1.08 1.06 1.04 1.04 1.03 1.02 1.00 0.99 0.98 0.97 0.96 0.95 0.94
微量元素地球化学原理
提纲
一、微量元素的概念和稀溶液的性质 二、微量元素的分配系数 三、稀土元素地球化学
一、微量元素的概念和稀溶液的性质
微量元素的概念:<0.1%。是一个相对于主要元素 而言。主量元素、次要元素、微量元素。
理想溶液:ai=Xi
1.溶质、溶剂和稀溶液 溶质:含量较少的部分 溶液:较多的部分 稀溶液:溶质与溶质之间的相互作用可以忽略 2.稀溶液的性质(=>理想溶液)
(1)溶剂性质遵守拉乌尔定律: 溶剂的活度等于纯溶剂的活度与其摩尔分数的乘积: aj = aoj • Xj
(2)稀溶液性质遵守亨利定律: 即溶质的活度与溶质的摩尔分数成正比: ai = i • Xi
为什么?
二、微量元素的分配系数 (一)分配系数的测定 1.天然样品: 利用地质体中两种平衡相中元素(如火山岩中斑晶
114.
The continental crust: its composition and evolu-tion, Blackwell Sci. Publ., pp.298.
石
La
0.3290
0.3100
0.3670
Ce
0.8650
0.8080
0.9570
稀
Pr
0.1220
0.1370
土
Nd
0.6300
稀土元素在表生作用、热液作用和低级变质作用中具有相对稳定 的地球化学性质。因此,能更有效地排除各种岩浆期后作用的 影响;
相邻的稀土元素可能指示岩浆物质来源;而相隔较远的稀土元素 比值或轻稀土(LREE)/重稀土(HREE)比值则可能指示岩浆的分 异作用;
Ce和Eu的变价(Ce和Eu的异常)可用于指示氧化还原条件。
0.88(4+)
1.25(2+)
Ǻ 1.09 1.08 1.06 1.04 1.04 1.03 1.02 1.00 0.99 0.98 0.97 0.96 0.95 0.94
在表生作用中稀土分异较弱;
在 岩 浆 作 用 中 , 尤 其 在 玄 武 质 岩 浆 中 稀 土 分 异 较 弱 , LREE— HREE相容性增强;
32 73
7.9 33 5.7
1.24 5.2 0.85 5.8 1.04 3.4
41.1 81.3 10.4 40.1 7.3 1.52 6.03 1.05
根据两中相,如矿物与矿 物、矿物与熔体(玻璃 )等之间微量元素的分 配特征
3.研究地质作用过程 沉积盆地演化历史的研究 海相石盐Br=0.11-0.44 例:德国司塔斯福特的策克斯泰因岩系中盐层的成
因。实测获得:
K NaCl / 海水 Br
[Br ]NaCl
/[Br ]海水
0.15
三、稀土元素地球化学
0.6000
0.7110
平
Sm
0.2030
0.1650
0.2310
Eu
0.0770
0.0735
0.0870
均
Gd
0.2760
0.2590
0.3060
含
Tb
0.0474
0.0580
量
Dy
0.3430
0.3220
0.3810
Ho
0.0718
0.0851
Er
0.2250
0.2100
0.2490
Tm
0.0324
2、标准化
消除因原子数奇偶变化造成的含量影响; 确定样品相对于标准所产生的分异程度; (1)球粒陨石标准化 球粒陨石被认为代表了太阳系最初元素核合成过程以来相对未分异的原始 物质。 (2)页岩标准化 化学元素在细粒沉积岩中被充分混合,从而使其含量变得相当均匀。这种 “平均沉积岩”经常用来作为对稀土标准化的参照值。 (3)对其它特定岩石的标准化 研究岩套的演化和分配系数。
作者
Nakamura, 1974
Boynton, 1984
Taylor & McLennan, 1985
球 粒 陨
参考文献
Geochim. Cosmochim. Acta, v38, 757-
775.
Rare earth element geochemistry, Elsevier, pp. 63-
和玻璃) 2.人工实验:
(二)分配系数的影响因素 1.温度
(
ln KD T
)
P
H RT 2
ln
KD
H RT
B
2.压力的影响:
(
ln K P
)
T
V o RT
3.熔体(溶剂)成分的影响
Ö·äÅ µÏ ýÊ Ö·äÅ µÏ ýÊ
б¤³ ¯Ê
2.5
Á÷ÆÎ ÑÒ ½¬
2
Ðþ Îä ÑÒ ½¬