微量元素的地球化学分类..共76页
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微量地球化学
Gast(1968)认为，微量元素是指不作为体系 中任何相的主要组分(化学计算)存在的元素。
严格定义:只要元素在所研究的客体(地质体， 岩石，矿物等)中的含量低到可以近似地用 稀溶液定律描述其行为， 即可称为微量元 素。
• 微量元素在矿物中的主要存在形式:
• (1) 表面吸附(surface adsorption)：外来离子被吸附 在晶体表面的扩散层内，与那些化学键不完全饱和 的表面原子呈静电相互作用；
μiα＝μiβ
μiα和μiβ分别为微量元素i在α相和β相中的化学位。
据热力学：
μi()=μi0()+RTlnai()
μi()=μi0()+RTlnai()
μi0()+RTlnai()=μi0()+RTlnai()
整理后得:
ai( ) ai( )
e(i0( ) i0( )〕/ RT
K(T, p)
3）总分配系数
D＝ n
Wi • KDi
(4.10)
i 1
n为含元素i的矿物数， Wi为每种矿物在集合体中所占
的重量百分数， KDi为元素在每种矿物与熔体间的简
单分配系数。
某体系i元素的总分配系数D为元素i在所有矿物中的简 单分配系数加权和。如由60%橄榄石，25%斜方辉石， 10%单斜辉石和5%石榴石组成的假想石榴石橄榄岩， KD(Ce)橄榄石/熔体＝0.001，KD(Ce)斜方辉石/熔体＝0.003，KD(Ce) 单斜辉石/熔体＝0.1，KD(Ce)石榴石/熔体＝0.02，Ce的总分配系 数:
微量元素的行为必将遵守亨利定律， 即在极稀薄
溶液中， 微量元素溶质的活度(ai)正比于其溶质的 摩尔浓度(Xi)， 用下式表示:
高等微量元素地球化学课件：绪论 微量元素的分类
• 因此這九種元素通常被稱為主要元素（常 量元素），其他元素被統稱為次要元素、 微量元素、痕量元素、雜質元素或稀有元 素等
微量元素的分類
• 常量元素（>0.1%）——能形成獨立礦物相，
其分配受相律的控制，遵循相率和化學計量 法則。
• 微量元素（<0.1%）——在自然體系中濃度
極低，往往不能形成以本身為主要成分的獨 立礦物或者只能形成岩石中的副礦物，因此， 微量元素的分配不受相律和化學計量的限制。
微量元素地球化學
Trace Element Geochemistry
緒論
• 微量元素地球化學是地球化學的重要分支 學科之一，是研究微量元素在地球 ( 包括 部分天體)形成、演化中分布、賦存狀態 、 行為方式、分析技術和各類應用的分支學 科
• 人們常常相對於地殼中的主量元素而言， 人為地把地球化學體系中，其元素豐度 （克拉克值）低於0.1%的元素，通常稱為 微量元素
• 低場強元素或離子（Low field strength element） ： 形成大半徑小電荷的離子的元素 ，離子勢<2，它們 又稱為大離子親石元素—LILEs（large ion lithophile elements），包括 Cs、Rb、K、Ba、Sr、Eu和Pb（1-2 價）。
• 相容元素(compatible elements)：趨於在固相中富集的 微量元素。儘管其濃度低,不能形成獨立礦物相，但因 離子半徑、電荷、晶體場等晶體化學性質與構成結晶 礦物的主要元素相近,而易於呈類質同像置換形式進入 有關礦物相。相容元素的固相/液相分配係數顯著大於 1。
微量元素的分類
親氣元素 atmophile
組成地球大氣圈的主要元素,惰性氣體元 素,以及主要呈易揮發化合物存在的元素，如 氫、氮、碳、氧等
微量元素的分類
• 常量元素（>0.1%）——能形成獨立礦物相，
其分配受相律的控制，遵循相率和化學計量 法則。
• 微量元素（<0.1%）——在自然體系中濃度
極低，往往不能形成以本身為主要成分的獨 立礦物或者只能形成岩石中的副礦物，因此， 微量元素的分配不受相律和化學計量的限制。
微量元素地球化學
Trace Element Geochemistry
緒論
• 微量元素地球化學是地球化學的重要分支 學科之一，是研究微量元素在地球 ( 包括 部分天體)形成、演化中分布、賦存狀態 、 行為方式、分析技術和各類應用的分支學 科
• 人們常常相對於地殼中的主量元素而言， 人為地把地球化學體系中，其元素豐度 （克拉克值）低於0.1%的元素，通常稱為 微量元素
• 低場強元素或離子（Low field strength element） ： 形成大半徑小電荷的離子的元素 ，離子勢<2，它們 又稱為大離子親石元素—LILEs（large ion lithophile elements），包括 Cs、Rb、K、Ba、Sr、Eu和Pb（1-2 價）。
• 相容元素(compatible elements)：趨於在固相中富集的 微量元素。儘管其濃度低,不能形成獨立礦物相，但因 離子半徑、電荷、晶體場等晶體化學性質與構成結晶 礦物的主要元素相近,而易於呈類質同像置換形式進入 有關礦物相。相容元素的固相/液相分配係數顯著大於 1。
微量元素的分類
親氣元素 atmophile
組成地球大氣圈的主要元素,惰性氣體元 素,以及主要呈易揮發化合物存在的元素，如 氫、氮、碳、氧等
微量元素的种类及存在形式
微量元素的种类及存在形式
非生物体中的微量元素
岩石中微量元素基于地球化学行为可分为：
稀土元素（REE）：原子序数57-71的镧系元素以及与镧系相关密切的钪和钇共17种元素在地球化学上又称之为稀土元素，包括：La，Ce，Pr，Nd，Pm，Sm，Eu，Gd，Tb，Dy，Ho，Er，Tm，Yb，Lu，Sc，Y。
铂族元素（PGE，原子序数从44至46以及76至78），如果包括金也称之为贵金属元素，包括：Ru，Rh，Pd，Os，Ir，Pt，(Au)。
过渡金属元素（原子序数从21至30），包括：Sc，Ti，V，Cr，Mn，Fe，Co，Ni，Cu，Zn
高场强元素（HFSE）包括镧系元素，Sc和Y，以及Th，U，Pb，Zr，Hf，Ti，Nb，Ta
低场强元素（LFSE）又称大离子亲石元素(LILE)，包括：Cs，Rb，K，Ba，Sr，二价Eu和二价Pb
生物体中的微量元素
植物体
植物体除需要钾、磷、氮等元素作为养料外，还需要吸收极少量的铁、硼、砷、锰、铜、钴、钼等元素作为养料，这些需要量极少的，但是又是生命活动所必须的元素，叫做微量元素。
人体
人体是由60多种元素所组成。
根据元素在人体内的含量不同，可分为宏量元素和微量元素两大类。
凡是占人体总重量的万分之一以上的元素，如碳、氢、氧、氮、钙、磷、镁、钠等，称为常量元素；凡是占人体总重量的万分之一以下的元素，如铁、锌、铜、锰、铬、硒、钼、钴、氟等，称为微量元素（铁又称半微量元素）。
微量元素在人体内的含量真是微乎其微，如锌只占人体总重量的百万分之三十三。
铁也只有百万分之六十。
微量元素地球化学
第一章 微量元素的分类
亲气元素 atmophile
组成地球大气圈的主要元素,惰性气体元 素,以及主要呈易挥发化合物存在的元素，如 氢、氮、碳、氧等
亲铁元素
亲铜பைடு நூலகம்素
在陨石中
在地球中
亲石元素 (在硅酸盐中)
Fe、Cr、 Ni、Co、 Ru、Rh、 Pd、Os、 Ir、Pt、
Au
S、Se、 S、Se、Te、 O、S、P、Si、Ti、 P、As、 As、Sb、Bi、 Zr、Hf、Th、F、Cl、 Cu、Ag、 Ga、In、Tl、 Br、I、Sn、B、Al、 Zn、Cd、 (Ge)、 (Sn)、 Ga、Sc、Y、REE、 (Ti)、V、 Pb、Zn、Cd Li、Na、K、Rb、 Cr、 Mn、 Hg、Cu、Ag、 Cs、Be、Mg、Ca、 Fe、(Ca) (Au)、Ni、Pd、 Sr、Ba、(Fe)、V、
第一章 微量元素的分类
• 地壳主要由O、Si、Al、Fe、Ca、Mg、Na、 K、Ti等九种元素组成，这九种元素占地壳 总重量的99％左右
• 因此这九种元素通常被称为主要元素（常 量元素），其它元素被统称为次要元素、 微量元素、痕量元素、杂质元素或稀有元 素等
第一章 微量元素的分类
• 常量元素（>0.1%）——能形成独立矿物相，
• Schmidt A, Weyer F.John J, Brey GP, 2009. HFSE systematics of rutile-bearing eclogites: New insights into subduction zone processes and implications for the earth’s HFSE budget, Geochimica et Cosmochimica Acta, 73( 2): 455-468
微量元素地球化学参考文档
25
方法存在的问题： ❖ 难以证明是否达到平衡以及难以选纯矿物； ❖ 为了精确测定微量元素，实验过程中元素
的浓度远远高于自然体系。 ❖ 这些都是目前应用于解决实际问题的难题。
迄今以实验方法测得的分配系数数据尚不多 见。
26
2． 实测法：
斑晶-基质法 直接测定天然岩浆岩（火山岩）微 量元素含量。
火山岩中斑晶矿物代表熔体结晶过程中的固相， 基质或淬火熔体代表熔体相—岩浆，两相中微量元素 比值即为该元素的分配系数。
16
放射性产热元素（Radiogenic productheat elements） U、Th、40K(40K占K总量的极小部分)三种 元素，在研究地壳热结构、热状态方面有特 殊意义。 U、Th、40K是放射性元素，在自然蜕变过 程中产生热量，从而限制了岩石圈（地幔、 地壳）的热状态。
17
3．亨利定律：稀溶液定律
23
kDT kD,1 x1 kD,2 x2 kD,n xn
用岩石中所有矿物简单分配系数与岩石中各矿 物含量乘积之和表达：
式中：KjDi 为元素i在j矿物中的简单分配系数， Xj为i在j矿物中的重量百分数;n为与熔浆达到平衡 的矿物总数。
24
分配系数测定
两种方法求得分配系数，为进行实际问题研究的基本理 论参数。 根据能斯特定律，分配系数测定由两部分组成：平衡体 系中固相（结晶相）和液相（基质）的微量元素浓度。 计算分配系数。 1 ．实验法：针对自然地质作用，设计各种给定条件，如 岩浆的酸度进行实验。 初始物质选择： ❖ 化学试剂法-试剂合成玻璃物质； ❖ 天然岩石；使一种矿物和熔体，或者两种矿物达到平 衡，并使微量元素在两相中达到溶解平衡，淬火后产物 分离测定含量，测定该元素在两相中浓度，得出分配系 数。
方法存在的问题： ❖ 难以证明是否达到平衡以及难以选纯矿物； ❖ 为了精确测定微量元素，实验过程中元素
的浓度远远高于自然体系。 ❖ 这些都是目前应用于解决实际问题的难题。
迄今以实验方法测得的分配系数数据尚不多 见。
26
2． 实测法：
斑晶-基质法 直接测定天然岩浆岩（火山岩）微 量元素含量。
火山岩中斑晶矿物代表熔体结晶过程中的固相， 基质或淬火熔体代表熔体相—岩浆，两相中微量元素 比值即为该元素的分配系数。
16
放射性产热元素（Radiogenic productheat elements） U、Th、40K(40K占K总量的极小部分)三种 元素，在研究地壳热结构、热状态方面有特 殊意义。 U、Th、40K是放射性元素，在自然蜕变过 程中产生热量，从而限制了岩石圈（地幔、 地壳）的热状态。
17
3．亨利定律：稀溶液定律
23
kDT kD,1 x1 kD,2 x2 kD,n xn
用岩石中所有矿物简单分配系数与岩石中各矿 物含量乘积之和表达：
式中：KjDi 为元素i在j矿物中的简单分配系数， Xj为i在j矿物中的重量百分数;n为与熔浆达到平衡 的矿物总数。
24
分配系数测定
两种方法求得分配系数，为进行实际问题研究的基本理 论参数。 根据能斯特定律，分配系数测定由两部分组成：平衡体 系中固相（结晶相）和液相（基质）的微量元素浓度。 计算分配系数。 1 ．实验法：针对自然地质作用，设计各种给定条件，如 岩浆的酸度进行实验。 初始物质选择： ❖ 化学试剂法-试剂合成玻璃物质； ❖ 天然岩石；使一种矿物和熔体，或者两种矿物达到平 衡，并使微量元素在两相中达到溶解平衡，淬火后产物 分离测定含量，测定该元素在两相中浓度，得出分配系 数。
微量元素地球化学模板.ppt
1.1 微量元素的定义
❖ Gast（1968）不作为体系中任何相的组分存在的元素
❖ 伯恩斯（晶体场理论的矿物学应用）只要某元素在体系中的 含量低到可以用稀溶液定律来描述其行为，即可称微量元素
❖ 微量元素的概念是相对的
K：花岗岩中常量元素，超基性岩中微量元素 Ni：地壳岩石中微量元素，陨石中常量元素 Li，B：伟晶岩中常量元素
K或D1，倾向于富集在熔体相 0.2
▪ 相容元素(compatible) ：
K或D 1，倾向于富集在结晶相 Ni、Cr、Co
12 34 56 离子电价
1.4 支配微量元素地球化学行为的主要物理化学定律
1.4a Goldschmidt三定律
Goldschmidt定律一
两个离子，如果他们具有相同的电价和离子半径，则易于交 换，并以与他们在整个体系中相同的比例进入固熔体
正因为如此，许多微量元素，会以类质同像替代的方式，和与各自电价
和离子半径相近的常量元素（主元素）一起进入固体相。例如：
Sr、Eu
→ Ca
Rb、Pb、Ba → K
Ni
→ Mg
Goldschmidt定律二
两个离子，如果他们具有相同的电价，和相似的离子半径， 则较小的离子倾向于进入固体相
Mg2+ 比Fe2+ 的离子半径小，因此，在橄榄石与熔体的平衡体系 中，橄榄石中Mg的含量高于熔体 Nb, Ta Zr, Hf
▪ 独立矿物
U、Hf → ZrSiO4
▪ 类质同像替代 !!!!!
Sr、Eu → Ca Pb、Ba → K
▪ 晶格缺陷
▪ 吸附（如胶体）
1.3 微量元素分类
❖ 基本的化学分类 ❖ Goldschmidt分类 ❖ 一般的地球化学分类 ❖ 常用分类 ❖ 对元素分类的说明
9第四章微量元素地球化学1课件
微量元素地球化学的发展历史
微量元素地球化学经历了2个主要发展时期：
①20世纪60年代以前 从微观的角度来认识微量元素的分布及其
在自然界的结合规律，主要通过元素的原子、离
子半径，电荷、极化性质和电负性等特性，研究微量元素 在地球各系统及不同矿物、岩石中的分配和分布。
② 20世纪70年代起
微量元素地球化学的研究从定性向定
量，从微观向宏观发展，进入了建立 定量理论模型的阶段。
微量元素地球化学的研究几乎涉及地学的
所有领域，如地幔不均一性、古构造环境 的判别恢复、成岩成矿物质来源的示踪、 全球及局部环境变化/演化的研究等。
第4章 微量元素地球化学
4.1 基本概念和理论 4.2 岩浆作用过程中微量元素分配演化
溶液中。
推荐定义
只要元素在所研究的客体（地质体、 岩石和矿物等）中的含量低到可以近似地 用稀溶液定律描述其行为时，称之为微量 元素。
2 微量元素存在形式：
①以类质同象形式占据矿物晶格 ②矿物包裹体中 ③吸附于矿物表面或以杂质形式存
在于矿物晶体缺陷的间隙内。
其中类质同像是主要形式。
通常将自然体系中含量低于0.1%的元素称 为微量元素，也叫痕迹元素。
以分散性和低含量为特点。
②Gast（1968）定义
体系中不作为任何相的主要化学组分存
在的元素，即该元素既不能形成独立矿 物相，也不是某矿物相的主要组成部分。 只能以次要组分容纳于其它主要组分形 成的矿物固溶体中。
③物理化学液体理论/热力学定义
根据元素在所研究的地球化学体
系中的浓度低到可以近似服从稀溶 液定律（亨利定律）的范围，则称 该元素为微量元素。
④目前一致认识：
微量元素地球化学中国地质大学4微量元素在不同地质体中的分布与分配幻灯片
Bougault & Hekinian 1974 Villemant et al. 1981 Nikogosian & Sobolev 1997 Villemant et al. 1981 Villemant et al. 1981 McKenzie & O'Nions 1991 Paster et al. 1974 McKenzie & O'Nions 1991 McKenzie & O'Nions 1991 McKenzie & O'Nions 1991 McKenzie & O'Nions 1991 Nikogosian & Sobolev 1997 McKenzie & O'Nions 1991 Frey 1969 Nikogosian & Sobolev 1997 Frey 1969 Villemant et al. 1981 Villemant et al. 1981 Kloeck & Palme 1988
Experimental
6.6
Experimental
0.007
Experimental
0.73
Experimental
1.85
Experimental
3.1
Experimental
12.2
Phenocrysts-Matrix
0.86 0.04 0.009 0.06 0.03 0.0004 0.01 0.0008 0.0013 0.0016 0.0015 0.007 0.0016 0.009 0.021 0.018 0.04 0.03 0.7
Mineral Olivine Olivine Olivine Olivine Olivine Olivine
Experimental
6.6
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0.73
Experimental
1.85
Experimental
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Phenocrysts-Matrix
0.86 0.04 0.009 0.06 0.03 0.0004 0.01 0.0008 0.0013 0.0016 0.0015 0.007 0.0016 0.009 0.021 0.018 0.04 0.03 0.7
Mineral Olivine Olivine Olivine Olivine Olivine Olivine
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36、自己的鞋子，自己知道紧在哪里。——西班牙
37、我们唯一不会改正的缺点是软弱。——拉罗什福科
xiexie! 38、我这个人走得很慢，但是我从不后退。——亚伯拉罕·林肯
1、不要轻言放弃，否则对不起自己。
2、要冒一次险!整个生命就是一场冒险。走得最远的人，常是愿意 去做，并愿意去冒险的人。“稳妥”之船，从未能从岸边走远。-戴尔．卡耐基。
梦 境
3、人生就像一杯没有加糖的咖啡，喝起来是苦涩的，回味起来却有 久久不会退去的余香。
微量元素的地球化学分类.. 4、守业的最好办法就是不断的发展。 5、当爱不能完美，我宁愿选择无悔，不管来生多么美丽，我不愿失 去今生对你的记忆，我不求天长地久的美景，我只要功的秘诀为何，且尽全力做你应该做的事吧。——美华纳
40、学而不思则罔，思而不学则殆。——孔子