微量元素地球化学

《微量元素地球化学》由会员分享，可在线阅读，更多相关《微量元素地球化学（100页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、 现 代 地 球 化 学 微 量 元 素 地 球 化 学 岩 浆 岩 中 主 要 造 岩 矿 物 和 副 矿 物 的 分 子 式Q/Qtz 石 英 Quartz SiO2Kf 钾 长 石 Orthoclase KAlSi3O8Ab 钠 长 石 Albite NaAlSi3O8An 钙 长 石 Anorthite CaAl2Si2O8Ne 霞 石 Nepheline NaAlSiO4Bi 黑 云 母 Biotite K(Mg,Fe)3AlSi3O10(OH,F)2Hb/Amp角 闪 石 Hornblende(Ca,Na)23(Mg,Fe2+,Fe3+,Al)5(Al,Si)4O112(OH)2C

2、px 透 辉 石 Diorite CaMgSi2O6Opx 紫 苏 辉 石 Orthopyroxene (Mg,Fe) 2Si2O6Ol 橄 榄 石 Olivine (Mg,Fe)2SiO4Mt 磁 铁 矿 Magnetite Fe3O4Ilm 钛 铁 矿 Ilmanite FeTiO3Ap 磷 灰 石 Apatite Ca5PO43(F,Cl,OH)Sph/Ti 榍 石 Titanite CaTiSiO4(O,OH,Cl,F)Sp 尖 晶 石 Spinel MgAl2O4Grt 石 榴 石 Garnet (Fe,Mg,Ca)3Al2SiO43Zr 锆 石 Zircon ZrSiO4 1.1

3、微 量 元 素 的 定 义1.2 微 量 元 素 在 地 质 体 中 的 赋 存 型 式1.3 微 量 元 素 分 类1.4 支 配 微 量 元 素 地 球 化 学 行 为 的 主 要 物 理 化 学 定 律 a. Goldschmidt三 定 律 b. 化 学 势 、 逸 度 、 活 度 c. 固 熔 体 、 稀 溶 液 与 亨 利 定 律 d. Nernst分 配 定 律 与 分 配 系 数 （ ki= cis/cil） e. 分 配 系 数 的 含 义 f. 影 响 分 配 系 数 的 主 要 因 素 g. 分 配 系 数 的 测 定 v Gast（ 1968） 不 作 为 体 系 中

4、任 何 相 的 组 分 存 在 的 元 素v 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v 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v 对 于 地 壳 ， O， Si， Al， Fe， Mg， Ca， Na， K， Ti常 量 元 素

5、，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 :拉 斑 、 钙 碱 、 高 钾 钙 碱 、 橄 榄 安 粗 /钾 玄 （ 3） Mg, Fe, Mn， 镁 铁 /超 镁 铁 （ 4） Al， 花 岗 岩 类 铝 饱 和 度 （ 5） Ca 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 ） v 基 本 的 化 学 分 类v Goldschmidt分 类v 一 般 的 地 球 化 学 分

6、类v 常 用 分 类v 对 元 素 分 类 的 说 明 主 要 考 虑 元 素 在 岩 浆 过 程 中 的 特 点 各 种 分 类 之 间 不 一 定 有 对 应 关 系 v 基 本 的 化 学 分 类 v Goldschmidt分 类 亲 石 亲 铁 亲 铜 亲 气 地 球 的 组 分 分 异 ， 由 元 素 的性 质 决 定 。元 素 在 周 期 表 中 的 位 置 ：亲 铁 元 素 : 地 核亲 石 元 素 : 地 幔 与 地 壳亲 气 元 素 : 大 气 圈 和 水 圈 v 一 般 的 地 球 化 学 分 类 v 常 用 分 类主 元 素 （ major elements）过 渡 (族

7、 )元 素 （ transition elements）稀 土 元 素 (REE)铂 族 元 素 (PGE)惰 性 气 体 元 素 (Noble gas)高 场 强 元 素 (HFS) 离 子 半 径 小 ， 电 价 高 Zr、 Hf、 Nb、 Ta、 Ti大 离 子 亲 石 元 素 (LIL) 离 子 半 径 大 ， 电 价 低 K、 Rb、 Sr、 Ba、 Pb不 相 容 元 素 (uncompatible)： K或 D1， 倾 向 于 富 集 在 熔 体相相 容 元 素 (compatible) ： K或 D 1， 倾 向 于 富 集 在 结晶 相 Ni、 Cr、 Co 1 2 3 4

8、5 6离 子 电 价离子半径10-10 m 1.00.21.80.61.4 两 个 离 子 ， 如 果 他 们 具 有 相 同 的 价 和 ， 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 CaRb、 Pb、 Ba KNi Mg 两 个 离 子 ， 如 果 他 们 具 有 相 同 的 价 ， 和

9、 相 似 的 ，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, TaZr, Hf两 个 离 子 ， 如 果 他 们 具 有 相 似 的 价 不 同 ，那 么 ， 电 价 高 的 离 子 倾 向 于 进 入 固 体 相如 ， 相 对 于 Fe 2+、 Mg2+， Cr3+、 Ti4+总 是 倾 向 于 进 入 固 体 相 固 熔 体 ： 一 般 采 用 研 究 溶 液 体 系 发 展 出 来 的 理 论 模 型 来 处

10、理 固 体aa亨 利 定 律 aa 元 素 j在 相 有 a 元 素 j在 相 有 a 达 到 两 相 平 衡 则 有 ： a a得 到 ： a aa a aKD(P， T) v 能 斯 特 (Nernst)分 配 定 律 分 配 系 数i 用 C而 不 用 X来 代 表 组 分 i在 固 相 s和 液 相 l中 的 浓 度 。 因 为 对 于 热 力 学的 目 的 ， mol比 值 方 便 ； 而 对 于 地 球 化 学 ， 重 量 比 值 更 简 便D D ii Di = ii 分 配 系 数 可 以 浅 略 理 解 成 在 晶 体 /溶 体 的 体 系 中 ， 元 素 进 入 晶 体 的

11、 能 力不 相 容 元 素 ： K或 D1， 倾 向 于 富 集 在 熔 体 相相 容 元 素 ： K或 D 1， 倾 向 于 富 集 在 结 晶 相v 不 相 容 元 素 可 以 分 为 2组 高 场 强 元 素 (HFSE)， 有 ： REE, Th, U, Ce, Pb4+, Zr, Hf, Ti, Nb, Ta等 大 离 子 亲 石 元 素 (LILE)， 有 ： K, Rb, Cs, Ba, Pb 2+, Sr, Eu2+等 。 LILE活 动 性 更 强 ， 特 别 是 有 流 体 参 与 的 系 统微 量 元 素 的 相 容 或 不 相 容 ， 取 决 于 所 涉 及 的 体 系

12、 ， 取 决 于矿 物 与 熔 体 的 类 型 。 离 子 半 径 递 减 ， 相 应 的单 斜 辉 石 /玄 武 质 岩 浆 之 间 的 分 配 系 数 递 增KREE单 斜 辉 石 /玄 武 质 岩 浆i 各 类 岩 浆 中 ， 角 闪石 REE的 分 配 系 数 LnDSm榍石 LnDSm榍石 LnDHo辉石 斜 长 石 /玄 武 质 岩 浆 间 的 KEuKEu斜长石/玄武质岩浆 第 二 部 分岩 浆 过 程 的 微 量 元 素 定 量 模 型2.1 部 分 熔 融 过 程2.2 结 晶 过 程 ： 分 离 结 晶 过 程 ， Rayligh分 馏 定 律2.3 分 离 部 分 熔 融

13、 模 型2.4 混 合 模 型2.5 其 他 模 型 ： 同 化 混 染 和 分 离 结 晶 作 用 联 合 模 型 (AFC)2.6 岩 浆 过 程 的 鉴 别 （ 部 分 熔 融 、 分 离 结 晶 ） 2.1a 对 部 分 熔 融 过 程 的 理 解o 部 分 熔 融 过 程 很 重 要 。 地 球的 圈 层 分 异 ， 地 壳 的 生 长 和演 变 ， 在 物 质 上 ， 主 要 是 通过 岩 浆 作 用 来 实 现 的 。 岩 浆发 生 的 唯 一 方 式 ， 是 先 存 岩石 的 部 分 熔 融 。o 如 果 熔 体 一 直 在 熔 融 区 滞 留 ，产 生 的 全 部 熔 体 就

14、 会 作 为 一个 整 体 ， 与 残 留 相 保 持 某 种程 度 的 平 衡 ， 从 而 接 近； o 如 果 熔 体 一 产 生 就 很 快 离 开 熔 融 区 ， 而 移 至 别 处 汇 聚 ，那 么 ， 在 熔 融 区 ， 与 残 留 相 平 衡 共 存 的 熔 体 始 终 只 是刚 刚 产 生 那 一 小 部 分 。 这 样 的 过 程 ， 称 为。 现 在 的 上 地 幔 接 近 分 离 部 分 熔 融 的 残 留 相 。o 如 果 随 着 部 分 熔 融 的 发 展 ， 产 生 熔 体 的 量 ， 每 达 到 一定 程 度 ， 就 离 开 熔 融 区 ， 而 移 至 别 处 汇

15、 聚 。 这 样 的 过程 ， 称 为 (batch partial melting)。这 样 的 过 程 ， 接 近 地 质 实 际 。 2.1b 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 衡源 岩 残 留 相岩 浆F1-Fo 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 ： 变 换 方 程 ：除 方 程 两 边 ， 得 ： Di 因 此 得 到 ： Di将 方 程 两 边 上 下 对 换 ， 得 到 ： Di Di Di Di Pi Di是

16、 微 量 元 素 i在 源 岩 与 熔 体 间 的 分 配 系 数 Pi是 微 量 元 素 i在 残 留 相 与 熔 体 间 的 分 配 系 数 Di Di Di DiDi 2.1c 平 衡 部 分 熔 融 过 程 微 量 元 素 的 变 化 规 律 DiDiDi 0.01 0.1 1 10 100 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0.01 0.1 1 10 100 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Di0.01F F 0.10.525D = 10 20.1 0.5D = 0.01 5D = 10 v 不 相 容 元 素 在 溶 体 中 富 集 ，分 配 系 数 越 小 ， 富

17、集 程 度 越 高 ；部 分 熔 融 程 度 越 低 ， 富 集 程 度 越 高v 不 相 容 元 素 在 残 留 体 中 亏 损分 配 系 数 越 小 ， 亏 损 程 度 越 高 ；v 相 容 元 素 在 溶 体 中 的 含 量 低 于 源 岩分 配 系 数 越 大 ， 亏 损 程 度 越 高 2.2a 对 结 晶 过 程 的 理 解o 结 晶 作 用 是 岩 浆 演 化 的 基 本 过 程 ；o 结 晶 过 程 倾 向 于 导 致 岩 浆 全 部 结 晶 ， 即 100 变 成 结 晶 相 ；o 矿 物 结 晶 过 程 中 ， 矿 物 表 面 与 残 余 岩 浆 之 间 可 以 一 直 保

18、 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 。o 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 。o 岩 浆 分 离

19、 结 晶 的 程 度 ， 取 决 于 岩 浆 的 类 型 和 粘 度 、 结 晶 的速 度 等 条 件 。 o岩 浆 喷 出 地 表 之 前 ， 结 晶 作 用 已 经 在 进 行 ， 可形 成 斑 晶 （ A）o斑 晶 矿 物 的 环 带 指 示 了 表 面 平 衡 过 程 (B)o斜 长 石 先 结 晶 ， 辉 石 晚 结 晶 (C) 角 闪 石 斑 晶 斜 长 石 斑 晶A B C o 岩 浆 比 重 、 矿 物 比 重 的 差 别 ， 以 及 重 力 、 岩 浆 动 力 等 因 素造 成 分 离 结 晶 作 用辉 石 岩方 辉 橄 榄 岩纯 橄 榄 岩 2.2b 分 离 结 晶 过 程

20、 的 定 量 模 型o 设 结 晶 的 矿 物 与 残 余 岩 浆 保 持 表 面 平 衡 ， 因 此 ， 结 晶过 程 符 合 Rayligh分 馏 定 律 。 残 余 岩 浆原 始 岩 浆 F瞬 时 结 晶 相 1-F平 均 结 晶 相 o 微 量 元 素 i在 残 余 岩 浆 、 瞬 时 结 晶 相 ， 平 均 结 晶 相 中 的浓 度 分 别 记 为 ： 、 、 。 根 据 Rayligh分 馏 定 律 ，得 到 下 列 方 程 ： 0.01 0.1 1 10 100 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 2.2c 分 离 结 晶 过 程 微 量 元 素 的 变 化 规 律 0.01

21、 0.1 1 10 100 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0.01 0.1 1 10 100 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1F F F 0.010.10.5 D = 1052 0.010.10.51052 0.01 0.10.5 1052 分 离 结 晶 作 用 的 早 期残 余 岩 浆 瞬 时 结 晶 相 平 均 结 晶 相D1 迅 速 降 低 迅 速 降 低 ，缓 慢 降 低D1 略 升 极 低 极 低 分 离 结 晶 作 用 的 晚 期D1 几 无 几 无 缓 降 至 1D1 缓 升 至 1分 离 结 晶 过 程 中 微 量 元 素 变 化 的 主 要 特 征 o 当

22、D1， 这 样 的 元 素 称 为 H。 上 式 变 为 ：超 岩 浆 元 素 H在 残 余 岩 浆 中 的 浓 度 主要 与 结 晶 程 度 有 关 ， 可 以 作 为 结 晶 分 异 程 度 的 指 示 ： o 如 果 D 1， 上 式 变 为 ： 即 元 素 i在 岩 浆 中 和 结 晶 相 中 的 浓 度 都 没 有 大 的 变 化 。o 当 D 0.2-0.5， 元 素 在 岩 浆 结 晶 的 大 部 分 阶 段 （ 除 了岩 浆 结 晶 的 最 晚 期 ） 的 变 化 都 非 常 平 稳 ， 也 可 以 用 来指 示 岩 浆 演 化 的 进 程 。 o 熔 体 一 产 生 就 很

23、快 离 开 熔 融 区 ， 而 移 至 别 处 汇 聚 。 在 熔融 区 ， 与 残 留 相 平 衡 共 存 的 熔 体 始 终 只 是 新 近 产 生 小 部分 。 这 样 的 过 程 ， 称 为 。 现 在 的 上 地幔 接 近 分 离 部 分 熔 融 的 残 留 相 。o 对 于 这 一 过 程 ， 微 量 元 素 i在 新 生 成 溶 体 中 的 浓 度 与 部分 熔 融 程 度 F的 关 系 ， 采 用 微 分 方 程 的 方 法 ， 得 到 下 列方 程 ：o 当 ， 上 式 简 化 为 ： 0.01 0.1 1 10 100 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 o 对 这 一

24、 方 程 所 揭 示 的 过 程 作 简 单 的 分 析 ： D=0.10.0510520.01 0.250.50.75Fo 对 于 不 相 容 元 素 i， 如 果 D1，例 如 在 0.01以 下 ， 即 使 部 分 熔融 程 度 较 低 ， 例 如 F0.1， 元素 i在 新 生 溶 体 中 的 含 量 也 急 剧下 降 。o 地 幔 在 地 质 历 史 上 经 历 了 普 遍的 部 分 熔 融 ， 因 此 ， 现 在 的 地幔 应 该 主 要 是 亏 损 地 幔 ， D1的 不 相 容 元 素 含 量 极 低 。o 如 果 地 幔 的 哪 个 部 位 强 不 相 容元 素 含 量 高

25、， 则 该 区 地 幔 一 定经 历 了 另 外 的 过 程 ， 如 流 体 交代 、 地 壳 混 染 ， 等 。 o 在 岩 石 圈 （ 壳 幔 ） 体 系 中 ， 岩 浆 的 发 生 和 演 化 过 程 ， 都有 可 能 存 在 不 同 来 源 物 质 的 混 合 。 最 常 见 的 ， 就 是 幔 源岩 浆 与 地 壳 物 质 的 混 合 。二 元 混 合 三 元 混 合 混 合 作 用 Sr-Nd同 位 素 混 合 作 用 同 位 素 和 微 量 元 素 混 合 作 用 通 用 的 数 学 表 达 同 化 混 染 和 分 离 结 晶 作 用 联 合 模 型 (AFC) 复 杂 ， 实

26、用 模 型 ！针 对 火 山 岩 ， 鉴 别 其 岩 浆 演 化 是 部 分 熔 融 主 导 ， 还 是 分 离 结晶 为 主 导 ， 这 是 非 常 重 要 的 研 究 。注 意 ：岩 浆 喷 出 后 ， 结 晶 分 异 非 常 有 限 ， 故 多 考 虑 的 变 化 (1) 将 微 量 元 素 分 为 3类 ， 其 行 为 存 在 明 显 差 别 ：相 容 元 素 ， D1。Ni、 Cr、 PGE、 HREE（ 某 些 情 况 下 ， 如 存 在 石 榴 石 ）分 离 结 晶 过 程 中 ， 浓 度 变 化 大部 分 熔 融 过 程 中 ， 浓 度 变 化 小超 岩 浆 元 素 (亲 湿

27、岩 浆 元 素 )， 高 不 相 容 ， D1。Zr、 Hf、 Ta、 Th、 LREE分 离 结 晶 过 程 中 ， 浓 度 变 化 小部 分 熔 融 过 程 中 ， 浓 度 变 化 大岩 浆 元 素 ， 中 等 到 弱 不 相 容 ， D0.2 0.5。 HREE是 典型 两 类 过 程 中 ， 浓 度 变 化 都 比 较 平 缓 (2) 相 容 元 素 与 超 岩 浆 元 素 的 关 系 (3) 超 岩 浆 元 素 对 结 晶 作 用 过 程 的 指 示 作 用考 虑 结 晶 作 用 ， 对 于 某 个 微 量 元 素 i， 有 ：如 果 有 某 个 超 岩 浆 元 素 存 在 ， 考

28、虑 到 ： 有 ： 取 对 数 ： 如 果 基 本 不 变 ， 这 就 是 一 个 直 线 方 程 ：Lncil = A+B LncHl其 中 ： A= B= LncHlLncil 11,B1考 察 方 程 ： Lncil = A+B LncHl A= B= 如 果 1， 斜 率 为 负 值如 果 1， 斜 率 为 正 值如 果 1， 斜 率 接 近 1LncHl1 ， 有 ：故 ：变 换 得 到 ： 常 数如 果 选 择 H = La, M = Sm 则 有 右 图 显 示 的 关 系(4) 分 离 结 晶 和 部 分 熔 融 过 程 中 ， 岩 浆 元 素 和 超 岩 浆元 素 的 关 系

29、超 岩 浆 元 素 D1， 与 0.2 0.5相 比 可 以 不 计 ；岩 浆 元 素 ， D0.2 0.5， 与 1 相 比 ， 可 以 不 计 。 ， 有 ： DH DM DM DM DM 可 以 变 为 ： 和 DM两 式 合 并 可 得 ：两 边 同 乘 以 ， 得 到 ： DM这 一 方 程 实 际 上 是 一 个 斜 率 B 的 直 线 方 程 ： DM如 果 选 择 H = La, M = Sm 则 有 右 图 显 示 的 关 系 3.1 稀 土 元 素 的 基 本 地 球 化 学 性 质3.2 稀 土 元 素 在 岩 石 和 矿 物 中 的 分 布3.3 稀 土 元 素 的 地

30、 球 化 学 应 用 v REE化 学 性 质 相 似 ， 地 质 过 程 中 ， 表 现 出 整 体 运 移 特 征地 幔 基 性 地 壳 中 酸 性 地 壳 ， REE总 量 渐 次 增 加v REE之 间 性 质 存 在 有 规 律 的 微 小 差 别 ， 地 质 过 程 中 ， 富集 和 亏 损 的 程 度 呈 有 规 律 的 变 化 ， 可 以 用 来 精 细 刻 划 地质 过 程v 稀 土 元 素 ： La系 + Y v 稀 土 元 素 在 元 素 周 期 表 中 占 一 个 格 ， 化 学 性 质 基 本 相 似 。 但 是 ，随 着 原 子 序 数 的 增 加 ， 电 子 充

31、填 次 外 层 (4f)， 其 余 各 层 不 变 。 v La系 收 缩 ： 这 样 的 结 构 造 成 电 子 层 之 间 的 引 力 连 续 的 增 加 ， 造成 原 子 /离 子 半 径 渐 次 减 小 ： RE3+ = 1.14 0.85v REE的 结 构 决 定 ， 离 子 一 般 呈 +3价 ， 但 是 ， Ce4+、 Eu2+除 外 。v 稀 土 元 素 在 Gd之 后 ， 由 于 2f电 子 自 旋 方 向 的 改 变 ， 造 成 地 球 化 学 性 质 的 差 别 。 这 是 造 成 REE分 异 的 重 要 原 因 。 REE分 为 两 组 ： LREE： LaEu H

32、REE： Gd Lu 1. 地 球 上 ， REE的 丰 度 并 不 低 ， 也 不 稀 ， 比 许 多 贵 金 属 高 ；2. 一 般 说 来 ， REE倾 向 于 富 集 于 含 Ca的 矿 物 中3. 超 基 性 岩 基 性 岩 中 性 岩 中 酸 性 岩 酸 性 岩 碱 性 岩 在 岩 石 的 上 述 变 化 序 列 中 ， 稀 土 元 素 总 量 升 高 ； 超 基 性 岩 相对 富 集 HREE， 而 碱 性 岩 相 对 富 集 LREE4. REE可 形 成 的 独 立 矿 物 主 要 有 ： 独 居 石 (Ce,La,Nd,Th)PO4 磷 钇 矿 YPO45. LREE一 般

33、 富 集 在 配 位 数 高 的 矿 物 中 ， 如 PL、 Cpx、 Kf HREE一 般 富 集 在 配 位 数 低 的 矿 物 中 ， 如 Grt、 Zr、 Ol、 Opx6. LREE一 般 富 集 在 含 Ca、 K、 Th、 Sr的 矿 物 中 HREE一 般 富 集 在 含 Fe、 Mn、 Sc、 Zr、 U的 矿 物 中7. LREE一 般 富 集 在 吸 附 能 力 强 的 沉 积 物 中 ， 如 粘 土 、 有 机 物 HREE一 般 富 集 在 络 合 能 力 强 的 高 温 热 液 体 系 中 ， 如 伟 晶 岩 La Ce Pr Nd SmEuGdTbDyHoErTm

34、YbLu La Ce Pr Nd SmEuGdTbDyHoErTmYbLuLa Ce Pr Nd SmEuGdTbDyHoErTmYbLu La Ce Pr Nd SmEuGdTbDyHoErTmYbLu岩 石/球粒陨石 岩石/球粒陨石岩石/球粒陨石岩石/球粒陨石 富 集 型亏 损 型 平 坦 型Eu亏 损 型 Eu富 集 型锰 结 核海 水 岩石/球粒陨石 岩石/球粒陨石 岩石/球粒陨石 典 型 地 壳 的 稀 土 元 素 配 分 型 式 同 一 岩 浆 系 列 的 REE配 分 型式 相 似 ， 高 度 不 同 ， 起 因 于Ol, Plag, Pyx结 晶 分 离 作 用岛 弧 岩 浆

35、系 列 起 源 于 不 均 一的 地 幔 源 区HREE 平 坦 ， 源 区 无 石 榴 石典 型 岛 弧 火 山 岩 的稀 土 元 素 配 分 型 式 活 动 大 陆 边 缘 岩 浆 岩的 稀 土 元 素 配 分 型 式 大 陆 碱 性 岩 浆 岩 的稀 土 元 素 配 分 型 式 v 源 岩 含 80%橄 榄 石 、10%斜 长 石 、 10%单 斜 辉 石 溶 体残 留 体源 岩F v 石 榴 石 二 辉 橄榄 岩 部 分 熔 融 微 量 元 素 地 球 化 学 研 究 的 主 要 思 路 和方 法 综 述4.1 微 量 元 素 的 活 动 性 和 变 质 作 用 对 微 量 元 素 组

36、 成 的 影 响 4.2 元 素 协 变 图4.3 元 素 比 值 及 其 变 化4.4 亏 损 与 富 集4.5 元 素 变 化 矢 量 图4.6 标 准 化 图 ， 稀 土 元 素 的 配 分 和 多 离 子 配 分 图4.7 构 造 判 别 图4.8 地 质 过 程 的 模 拟 计 算4.9 剖 面 图 4.1 微 量 元 素 的 活 动 性 和 变 质 作 用 对 微 量 元 素 组 成 的 影 响 4.1 微 量 元 素 的 活 泼 性 和 变 质 作 用 对 微 量 元 素 组 成 的 影 响 变 质 作 用 对 活 泼 元 素 影 响 大 4.1 微 量 元 素 的 活 泼 性

37、和 变 质 作 用 对 微 量 元 素 组 成 的 影 响 但 有 时 候 对 不 活 泼 的 微 量 元 素 影 响 很 小 4.1 微 量 元 素 的 活 泼 性 和 变 质 作 用 对 微 量 元 素 组 成 的 影 响 l 以 下 四 种 情 况 , 可 以 断 定 ， 岩 石 的 原 始 微 量 元 素 组 成 ， 受 到变 质 作 用 不 同 程 度 的 影 响 ：1. 在 Zr和 不 活 泼 元 素 二 元 相 关 图 上 ， 相 关 系 数 (R ) 0.75 2. 在 微 量 元 素 蜘 蛛 网 图 上 ， 存 在 明 显 的 Ce异 常 ； 或 者 样 品 的 Ce/Ce

38、比 值 不 在 合 适 的 范 围 , 即 0.9 Ce/Ce 2% )4. 样 品 烧 失 量 异 常 高 ， 例 如 ： Loi 6 wt% 如 果 存 在 上 述 情 况 ， 应 用 微 量 元 素 数 据 ， 要 非 常 小 心 ！ A. Polat & A.W. Hofmanna Precambrian Research 126 (2003) 197218 4.2 元 素 协 变 图 121722Al2O3 0510 MgO 0510FeO* 0246Na2O 051015 CaO45 50 55 60 65 70 75 01234 K2OSiO 2 45 50 55 60 65 7

39、0 75SiO2 40 50 60 70 800100 200300 Ni SiO20100200300 Zrppm wt. % 4.3元 素 比 值 及 其 变 化 v K/Rb 经 常 用 来 指 示 岩 浆 体 系 中 角 闪 石 的 作 用 K和 Rb行 为 相 似 ， 所 以 K/Rb一 般 变 化 很 小 但 是 ， 如 果 角 闪 石 存 在 ， 情 况 就 改 变 了 在 角 闪 石 和 溶 体 的 平 衡 体 系 中 ， K的 分 配系 数 约 为 1， Rb的 分 配 系 数 约 为 0.3 Table 9-1. Partition Coefficients (CS/CL)

40、 for Some Commonly Used Trace Elements in Basaltic and Andesitic Rocks Olivine Opx Cpx Garnet Plag Amph Magnetite Rb 0.010 0.022 0.031 0.042 0.071 0.29 Sr 0.014 0.040 0.060 0.012 1.830 0.46 Ba 0.010 0.013 0.026 0.023 0.23 0.42 Ni 14 5 7 0.955 0.01 6.8 29 Cr 0.70 10 34 1.345 0.01 2.00 7.4 La 0.007 0.

41、03 0.056 0.001 0.148 0.544 2 Ce 0.006 0.02 0.092 0.007 0.082 0.843 2 Nd 0.006 0.03 0.230 0.026 0.055 1.340 2 Sm 0.007 0.05 0.445 0.102 0.039 1.804 1 Eu 0.007 0.05 0.474 0.243 0.1/1.5* 1.557 1 Dy 0.013 0.15 0.582 1.940 0.023 2.024 1 Er 0.026 0.23 0.583 4.700 0.020 1.740 1.5 Yb 0.049 0.34 0.542 6.167

42、0.023 1.642 1.4 Lu 0.045 0.42 0.506 6.950 0.019 1.563 Data from Rollinson (1993). * Eu3+/Eu2+ Italics are estimated Ra re Ea rth El em en ts 在 岩 浆 结 晶 演 化过 程 中 ， 如 果 有角 闪 石 结 晶 ， 则残 余 岩 浆 中 K/Rb比 值 减 小 Sr/Ba比 值v Sr倾 向 于 进 入 斜 长 石 ， 此 外 难 以 进 入 其 他 主 要 造 岩 矿 物v Ba倾 向 于 进 入 钾 长 石 ， 此 外 难 以 进 入 其 他 主 要

43、 造 岩 矿 物 Table 9-1. Partition Coefficients (CS/CL) for Some Commonly Used Trace Elements in Basaltic and Andesitic Rocks Olivine Opx Cpx Garnet Plag Amph Magnetite Rb 0.010 0.022 0.031 0.042 0.071 0.29 Sr 0.014 0.040 0.060 0.012 1.830 0.46 Ba 0.010 0.013 0.026 0.023 0.23 0.42 Ni 14 5 7 0.955 0.01 6.

44、8 29 Cr 0.70 10 34 1.345 0.01 2.00 7.4 La 0.007 0.03 0.056 0.001 0.148 0.544 2 Ce 0.006 0.02 0.092 0.007 0.082 0.843 2 Nd 0.006 0.03 0.230 0.026 0.055 1.340 2 Sm 0.007 0.05 0.445 0.102 0.039 1.804 1 Eu 0.007 0.05 0.474 0.243 0.1/1.5* 1.557 1 Dy 0.013 0.15 0.582 1.940 0.023 2.024 1 Er 0.026 0.23 0.58

45、3 4.700 0.020 1.740 1.5 Yb 0.049 0.34 0.542 6.167 0.023 1.642 1.4 Lu 0.045 0.42 0.506 6.950 0.019 1.563 Data from Rollinson (1993). * Eu3+/Eu2+ Italics are estimated Ra re Ea rth Ele me nts 如 果 Pl结 晶 ：堆 晶 相 中 Sr/Ba高残 浆 中 Sr/Ba低如 果 Kf结 晶 ：堆 晶 相 中 Sr/Ba低残 浆 中 Sr/Ba高 Ni/Cr比 值 Ni强 烈 倾 向 于 进 入 橄 榄 石 单 斜

46、辉 石 斜 方 辉 石 Cr强 烈 倾 向 于 进 入 单 斜 辉 石 斜 方 辉 石 橄 榄 石 Ni/Cr可 以 用 来 区 分 部 分 熔 融 和 结 晶 分 异 过 程 中 橄榄 石 和 辉 石 的 相 对 影 响 Table 9-1. Partition Coefficients (CS/CL) for Some Commonly Used Trace Elements in Basaltic and Andesitic Rocks Olivine Opx Cpx Garnet Plag Amph Magnetite Rb 0.010 0.022 0.031 0.042 0.071

47、0.29 Sr 0.014 0.040 0.060 0.012 1.830 0.46 Ba 0.010 0.013 0.026 0.023 0.23 0.42 Ni 14 5 7 0.955 0.01 6.8 29 Cr 0.70 10 34 1.345 0.01 2.00 7.4 La 0.007 0.03 0.056 0.001 0.148 0.544 2 Ce 0.006 0.02 0.092 0.007 0.082 0.843 2 Nd 0.006 0.03 0.230 0.026 0.055 1.340 2 Sm 0.007 0.05 0.445 0.102 0.039 1.804

48、1 Eu 0.007 0.05 0.474 0.243 0.1/1.5* 1.557 1 Dy 0.013 0.15 0.582 1.940 0.023 2.024 1 Er 0.026 0.23 0.583 4.700 0.020 1.740 1.5 Yb 0.049 0.34 0.542 6.167 0.023 1.642 1.4 Lu 0.045 0.42 0.506 6.950 0.019 1.563 Data from Rollinson (1993). * Eu3+/Eu2+ Italics are estimated Ra re Ea rth E lem en ts Nb/Ta比

49、 值 主 要 用 来 探 讨 壳 幔 分 异 演 化 和 循 环 的 过 程 球 粒 陨 石 Nb/Ta =17.5 大 陆 地 壳 Nb/Ta =12.3 Nb/Ta 比 值 不 平 衡 亏 损 地 幔 Nb/Ta =15.5而 含 金 红 石 的 榴 辉 岩 可 能 是 Nb、 Ta的 一 个 重 要 储 库 ，其 Nb/Ta =1937 通 常 来 说 ， Nb和 Ta同 属 于 高 场 强 元 素 （ HFSE） ， 它 们 具 有 非 常 相 似 的 地球 化 学 特 征 ， Nb、 Ta常 常 不 容 易 发 生 分 馏 ， 但 一 些 矿 物 还 是 会 引 起 Nb、Ta的 分

50、 馏vNb和 Ta的 含 量 主 要 受 含 Ti的 矿 物 相 影 响 ， 比 如 ： 钛 铁 矿 、 金 红 石 、 榍 石 、 金 云 母 和 角 闪 石 等 等 。 l榍 石 ： 结 晶 相 存 在 ， 会 引 起 派 生 岩 浆 Nb/Ta比 值 升 高 ；l金 红 石 ： 结 晶 相 存 在 ， 就 会 引 起 派 生 岩 浆 Nb/Ta比 值 升 高 ； 但 是 ，受 残 留 物 有 金 红 石 的 流 体 影 响 的 岩 石 ， Nb/Ta比 值 降 低 ；l角 闪 石 ： 源 区 有 角 闪 石 存 在 ， 会 降 低 派 生 岩 浆 的 Nb/Ta比 值 ；l单 斜 辉 石

51、 ： 地 幔 发 生 部 分 熔 融 时 ， 在 单 斜 辉 石 中 Nb比 Ta更 加 不相 容 ， 熔 体 Nb/Ta比 值 会 升 高 。不同矿物对Nb/Ta比值的影响 实 验 得 出 的 不 同 矿 物 的 Nb和 Ta分 配 系 数 Table 9-1. Partition Coefficients for some commonly used trace elements in basaltic and andesitic rocks Bulk D calculation Olivine Opx Cpx Garnet Plag Amph Rb 0.006 0.02 0.04 0.0

52、01 0.1 0.3 Sr 0.01 0.01 0.14 0.001 1.8 0.57 Ba 0.006 0.12 0.07 0.002 0.23 0.31 Ni 14 5 2.6 0.4 0.01 3 Cr 2.1 10 8.4 0.17 10 1.6 La 0.007 0.02 0.08 0.05 0.14 0.27 Ce 0.009 0.02 0.34 0.05 0.14 0.34 Nd 0.009 0.05 0.6 0.07 0.08 0.19 Sm 0.009 0.05 0.9 0.06 0.08 0.91 Eu 0.008 0.05 0.9 0.9 0.1/1.5* 1.01 Tb

53、 0.01 0.05 1 5.6 0.03 1.4 Er 0.013 0.31 1 18 0.08 0.48 Yb 0.014 0.34 0.2 30 0.07 0.97 Lu 0.016 0.11 0.82 35 0.08 0.89 data from Henderson (1982) * Eu3+/Eu2+ Italics are estimated Ra re E ar th E lem en ts 4.4 亏 损 与 富 集 石 榴 石 强 烈 富 集 HREE， 斜 长 石 富 集 Euv 在 部 分 熔 融 过 程 中 ， 如 果 源 区 的 残 留 相 中 有 石 榴 石 ，则

54、部 分 熔 融 形 成 的 溶 体 具 有 陡 倾 的 REE配 分 型 式 ， 亏损 HREE。v 如 果 源 区 的 残 留 相 中 有 斜 长 石 ， 则 部 分 熔 融 形 成 的 溶体 亏 损 Eu， 显 示 Eu负 异 常 。 0.002.004.006.008.00 10.00 56 58 60 62 64 66 68 70 72sample/chondrite La Ce Nd Sm Eu Tb Er Yb Lu67% Ol 17% Opx 17% Cpx 0.002.004.006.008.00 10.00 56 58 60 62 64 66 68 70 72sample/c

55、hondrite La Ce Nd Sm Eu Tb Er Yb Lu 57% Ol 14% Opx 14% Cpx 14% Grt 石 榴 石 和 斜 长 石 的 影 响 0.002.004.006.008.00 10.00sample/chondrite 60% Ol 15% Opx 15% Cpx 10%Plag La Ce Nd Sm Eu Tb Er Yb Lu 4.5 元 素 变 化 矢 量 图 Ni 1 10 100 10001101001000 CrOlCpx OpxMtHb 1 10 100 1000101001000V CrOlCpx OpxMt Hb 辉 长 闪 长 岩

56、类闪 长 玢 岩 类二 长 斑 岩 类石 英 二 长 斑 岩 类早 期 橄 榄 石 结 晶 为 主 ，中 晚 期 角 闪 石 结 晶 为 主 .1 1 10110100 YbSm CpxPl KfGrt Hb.1 1 10.1110 YbEu Grt CpxHb PlKf 辉 长 闪 长 岩 类闪 长 玢 岩 类二 长 斑 岩 类石 英 二 长 斑 岩 类中 晚 期 角 闪 石 结 晶 为 主 4.6 标 准 化 图 ， 稀 土 元 素 的 配 分 和 多 离 子 配 分 图 Increasing Incompatibility Increasing IncompatibilityLIL (m

57、ore mobile) HFS (less mobile) Ocean Island BasaltSr K Rb Ba Th Ta Nb Ce P Zr Hf Sm Ti Y Yb0.1110100岩石/MORB MORB-normalized spider diagrams for selected island arc basalts. Using the normalization and ordering scheme of Pearce (1983) with LIL on the left and HFS on the right and compatibility increas

58、ing outward from Ba-Th. Data from BVTP. Composite OIB from Fig 14-3 in yellow.Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall. Data from Sun and McDonough (1989) In A. D. Saunders and M. J. Norry (eds.), Magmatism in the Ocean Basins. Geol. Soc. London Spec. Publ.,

59、42. pp. 313-345. 洋 岛 玄 武 岩 和 岛 弧 玄 武 岩 MORB标 准 化 的 不 相 容 元 素 配 分 型 式OIB具 有 特 征 的 隆 起 IAB: HFS - LIL 解 耦LIL是 亲 流 体 的 元 素 非 洲 大 陆 碱 性 岩 类 球 粒 陨 石 标 准 化 的 不 相 容 元 素 配 分 型 式 4.7 构 造 判 别 图 WBP板 内 玄 武 岩IAT岛 弧 拉 斑 玄 武 岩CAB钙 碱 性 玄 武 岩MORB洋 中 脊 玄 武 岩OIT洋 岛 拉 斑 玄 武 岩OIA洋 岛 碱 性 玄 武 岩 板 块 构 造 与 火 成 岩 成 因1. 洋 中

60、脊 玄 武 岩 MORB2. 陆 内 裂 谷3. 岛 弧 火 山 岩 IAV、 IAB4. 活 动 大 陆 边 缘 ? ?600 km400200 km Continental CrustOceanic CrustLithospheric MantleSub-lithospheric Mantle Source of Melts15 3 46 7 2 现 代 大 洋 玄 武 岩 可 以 按 照 产 出 的 构 造 环 境 分 为 5类1 (Mid-Ocean Ridge Basalts)， 洋 壳 上 部 的 主 体 ， 包 括熔 岩 和 岩 墙 ， 并 代 表 大 洋 辉 长 岩 的 初 始

61、 岩 浆 。2 BABB (Back-Arc Basin Basalts)， 形 成 于 弧 后 扩 张 脊 。 弧 后盆 地 宽 度 60 1000km。3 OPB (Ocean Plateau Basalts)， 发 育 于 大 洋 板 内 环 境 ， 形 成范 围 巨 大 的 、 厚 的 海 底 熔 岩 堆 积 。4 (Ocean Island Basalts)， 形 成 海 山 、 大 洋 岛 、 或 岛 链5 (Island Arc Basalts)， 岛 弧 或 Andean型 活 动 大 陆 边 缘*6 CTB (Continental Tholeiitic Basalts)， 产 生 于 大 陆 裂 谷 早 期阶 段 ， 或 形 成 溢 流 玄 武 岩 。 这 类 岩 石 与 MORB相 似 ， 但 穿 过 大陆 地 壳 并 与 之 反 应 。 4.8 地 质 过 程 的 模 拟 计 算 4.9 剖 面 图