微量元素的地球化学分类.

微量元素地球化学TraceElementGeochemistry感谢中国地质大学（武汉）刘勇胜老师部分课件岩浆岩中主要造岩矿物和副矿物的分子式Q/Qtz石英QuartzSiO2Kf钾长石OrthoclaseKAlSi3O8Ab钠长石AlbiteNaAlSi3O8An钙长石AnorthiteCaAl2Si2O8Ne霞石NephelineNaAlSiO4Bi黑云母BiotiteK2Fe6Si6Al2O20(OH)2Hb/Amp角闪石Hornblende(Ca,Na)2~3(Mg,Fe2+,Fe3+,Al)5[(Al,Si)4O11]2(OH)2Cpx透辉石DioriteCaMgSi2O6Opx紫苏辉石Orthopyroxene(Mg,Fe)2Si2O6Ol橄榄石Olivine(Mg,Fe)2SiO4Mt磁铁矿MagnetiteFe3O4Ilm钛铁矿IlmaniteFeTiO3Ap磷灰石ApatiteCa5[PO4]3(F,Cl,OH)Sph/Ti榍石TitaniteCaTi[SiO4](O,OH,Cl,F)Sp尖晶石SpinelMgAl2O4Grt石榴石Garnet(Fe,Mg,Ca)3Al2Si3O12Zr锆石ZirconZrSiO4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对于地壳，O，Si，Al，Fe，Mg，Ca，Na，K，Ti常量元素，其他是微量元素（1）Si，酸度，基性－中性－酸性，岩石分类（2）K,Na，碱度，岩浆系列（3）Mg,Fe,Mn，（4）Al，（5）Ca1.微量元素的定义独立矿物U→ZrSiO4类质同像替代!!!!!Sr、Eu→CaPb、Ba→K1.2.微量元素在地质体中的赋存型式MgNi晶格缺陷吸附2.微量元素的基本地球化学理论及其分类2.微量元素的基本地球化学理论及其分类2.1微量元素地球化学的基本理论2.2微量元素的地球化学分类2.3稀土元素2.4大离子亲石元素vs高场强元素2.1微量元素地球化学的基本理论Geochemicalreservoir/地球化学储库Partitioncoefficient/分配系数Incompatibleelement/不相容元素Compatibleelement/相容元素Geochemicalreservoir地球化学储库Forexample:CoreBulksilicateearth/硅酸岩地球–Depletedmantle/亏损地幔–Bulkcontinentalcrust(CC)/大陆总地壳–Oceaniccrust/大洋壳Middleoceanridgebasalt(MORB)/洋中脊玄武岩Islandarcbasalt(IAB)/岛弧玄武岩Hotspotbasalt/热点玄武岩……地球化学储库的形成ii1.地球化学演化过程的实质是元素在不同地球化学储库形成过程中的各共存相（液相-固相、固相-固相）（或者）之间的分配过程.2.一切自然过程均趋向于局部平衡，元素在平衡条件下，在各共存相之间的分配取决于元素及矿物的晶体化学性质及物理化学条件。问题元素在不同地球化学储库形成过程中具有什么样的地球化学行为？控制不同元素地球化学行为差异的因素是什么？微量元素地球化学的基本理论GeochemicalAffinity•IntheclassificationschemeofGoldschmidt,elementsaredividedaccordingtohowtheypartitionbetweencoexistingsilicateliquid,sulfideliquid,metallicliquid,andgasphase…definedbyexaminingoresmeltingslagsandmeteorites硫化物流体金属流体气相亲铁元素亲铜/硫元素亲石元素亲气元素H,He,N,NoblegasesAlkalis,AlkalineEarths,Halogens,B,O,Al,Si,Sc,Ti,V,Cr,Mn,Y,Zr,Nb,Lanthanides,Hf,Ta,Th,UCu,Zn,Ga,Ag,Cd,In,Hg,Tl,As,S,Sb,Se,Pb,Bi,TeFe,Co,Ni,Ru,Rh,Pd,Os,Ir,Pt,Mo,Re,Au,C,P,Ge,Sn•Meltingachondritegives3immiscibleliquidsplusvapor:硅酸盐流体GeochemicalAffinityandElectronicChemistryWhatmakesanelementsiderophileorlithophile?Notably,theGoldschmidtcategoriesarewell-groupedintheperiodictableoftheelements:HLiNaKRbCsFrBeMgCaSrBaRaScYTiZrHfRfVNbTaDbCrMoWSgMnTcReBhFeRuOsHsCoRhIrMtNiPdPtCuAgAuZnCdHgGaInTlGeSnPbAsSbBiSeTePoBrIAtKrXeRnBAlCSiNPOSFClNeArHeLaAcCeThPrPaNdUPmNpSmPuEuAmGdCmTbBkDyCfHoEsErFmTmMdYbNoLuLr1234567IAIIAIIIAIVAVAVIAVIIAVIIIAIIIBIVBVBVIBVIIBVIIIBIBIIBLanthanidesActinides131119375587412203856882139224072104234173105244274106254375107264476108274577109284678294779304880513314981614325082715335183816345284917355385101836548625789589059916092619362946395649665976698679968100691017010271103AtmophileLithophileChalcophileSiderophileArtificial1.Goldschmist类质同像法则、Ringwood电负性法则都是对微量元素分配规律的定性描述，而不能定量。2.近二十年来，地球化学应用“伯塞洛—能斯特”分配定律来定量地处理微量元素在共存相中的分配问题，并取得了巨大进展。元素的分配特点1.常量元素能形成独立矿物相，其分配受相律的控制，遵循化学计量法则。2.微量元素在自然体系中浓度极低，其分配不受相律和化学计量限制;3.微量元素的分配近似服从稀溶液定律（Henry定律)。元素的分配特点1.常量元素能形成独立矿物相，其分配受相律的控制，遵循化学计量法则。2.微量元素在自然体系中浓度极低，其分配不受相律和化学计量限制;3.微量元素的分配近似服从稀溶液定律（Henry定律)。分配达平衡时微量元素i在各相间的化学势相等，其活度（ai）正比于其摩尔浓度(bi)，即ai=KbiiiB.PartialmeltingA.Coexistingphasesiiabab微量元素分馏(离)作用一种元素的离子在共存的（平衡或不平衡）两相之间的不平等分布。能斯特定律(描述微量元素在平衡共存两相之间的分配关系)当一种矿物（α相）与一种溶液（β相）处于化学交换平衡时，微量元素i在两相之间的化学势相等，即iiDDRT/)(iiiiiiiiiiiiiiaaK)P,T(KebbRTlnbRTlnbRTlnbRTlnbii当某组分(如某元素)i在两相(a和b)之间交换达平衡时：ia=ib（化学势相等）K==K=equilibriumconstantaiaaibiXiaiXibPartitioncoefficient分配系数FordilutesolutionscansubstituteDforKD:KD=D=CS/CLCS和CL分别是某元素在固相和液相中的浓度。分配系数的影响因素?？？？？？……分配系数的影响因素——内因、外因不同元素同一元素–成分/含量–温度–压力–氧逸度微量元素地质温度计和地质压力计在1400oC、1个大气压下，Nb在金红石和熔体之间的分配系数对K*的依赖性以及与Nb含量之间的关系。K*=K2O/(K2O+Al2O3)摩尔数之比HorngW.S.andHessP.S.,CMP,(2000)138:176-185温度因素Seitzetal.(1999),GCA,63:3967–3982,橄榄岩中过渡元素在cpx和opx之间的分配系数随温度的变化K=Dcpx/Dopx=Ccpx/Copx压力因素NimisP.,TaylorW.R.,2000.CMP,139:541-554.单斜辉石中Cr的分配系数随压力的变化微量元素地质温度计和地质压力计(TraceElementGeothermometersandGeobarometers)石榴石（YAG）-磷钇矿中的Y温度计(PyleandSpear，2000)独居石-磷钇矿温度计(AndrehsandHeinrich，1998)石榴石中的Ni温度计(Canil，1999)石榴石中的REE压力计(Beaetal.,1997)氧逸度的影响微量元素氧逸度计(Leeetal.,2003,GCA,67:3045-3064)总分配系数AB12nijjiDiKD理想的石榴石二辉橄榄岩=60%ol+25%opx+10%cpx+5%grt（重量百分数）DEr=(0.6·0.026)+(0.25·0.23)+(0.10·0.583)+(0.05·4.7)=0.366OlivineOpxCpxGarnetPlagAmphMagnetiteRb0.0100.0220.0310.0420.0710.29Sr0.0140.0400.0600.0121.8300.46Ba0.0100.0130.0260.0230.230.42Ni14570.9550.016.829Cr0.7010341.3450.012.007.4La0.0070.030.0560.0010.1480.5442Ce0.0060.020.0920.0070.0820.8432Nd0.0060.030.2300.0260.0551.3402Sm0.0070.050.4450.1020.0391.8041Eu0.0070.050.4740.2430.1/1.5*1.5571Dy0.0130.150.5821.9400.0232.0241Er0.0260.230.5834.7000.0201.7401.5Yb0.0490.340.5426.1670.0231.6421.4Lu0.0450.420.5066.9500.0191.563DatafromRollinson(1993).*Eu3+/Eu2+ItalicsareestimatedRareEarthElements分配系数在实际研究中的应用Figure9-1a.NiHarkerDiagramforCraterLake.FromdatacompiledbyRickConrey.FromWinter(2001)AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology.PrenticeHall.微量元素在火成岩研究中的应用利用一套岩石研究部分熔融作用、分馏（离）结晶作用、同化混染作用等。在这些作用进行过程中微量元素比常量元素变化更敏感，因此变化幅度更大。应用实例MORB标准化元素分布图（蛛网图/Spiderdiagrams）上