14-微量元素地球化学教学文案
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地球化学讲义微量元素地球化学(中国地质大学)
可见，微量元素在某相中的化学位越低，它的含量就会越高，就 像是水往低处流一样的道理
5.微量元素在岩石与熔体之间的分配系数：常用岩石中所有矿物 的分配系数与岩石中各矿物含量的乘 积之和一表达。
n
Di KDi Wj ji
即 n：含量微量元素i的矿物数 Wj：第j种矿物的质量百分数 KDi： 第j种矿物对微量元素的简单分配系数
方法是：测定待研究地质体中共生矿物对中某微量元 素的含量，算出该元素在矿物对的分 配系数，利用以上 关系式即可计算出矿物结晶温度。
中国地质大学地球科学学院地球化学系制作，2019年7月30日更新
地 球 化 学
第14页/共39页
样品号 1
温度(℃) 1160
橄榄石Ni 1555
单斜辉石Ni 255
2
实验测定法：用化学试剂合成与天然岩浆成分相似的玻璃物质， 实验使一种矿物与 之达到微量元素的分配平衡，然后测定元素在两 相中的浓度，计算得 到分配系数。
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地 球 化 学
7.分配系数的影响因素： 体系组分的影响—岩浆岩化学成分的变化在很大程度上取决于 硅酸盐熔体的结构，不同硅酸盐熔体共存时微量元素分配情况明 显不同；
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地 球 化 学
第5页/共39页
二、微量元素在共存相中的分配
在一定的环境（物理化学条件）中，一切自然作用体系均趋向于平衡。 当达到平衡时，
常量元素
微量元素
体系中 的浓度
很高
极低
独立 矿物
能形成独立矿物
不能形成独立矿物，但在平衡共存的矿物之间（或液相－ 固相之间）进行分配
5.微量元素在岩石与熔体之间的分配系数：常用岩石中所有矿物 的分配系数与岩石中各矿物含量的乘 积之和一表达。
n
Di KDi Wj ji
即 n：含量微量元素i的矿物数 Wj：第j种矿物的质量百分数 KDi： 第j种矿物对微量元素的简单分配系数
方法是：测定待研究地质体中共生矿物对中某微量元 素的含量，算出该元素在矿物对的分 配系数，利用以上 关系式即可计算出矿物结晶温度。
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地 球 化 学
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样品号 1
温度(℃) 1160
橄榄石Ni 1555
单斜辉石Ni 255
2
实验测定法：用化学试剂合成与天然岩浆成分相似的玻璃物质， 实验使一种矿物与 之达到微量元素的分配平衡，然后测定元素在两 相中的浓度，计算得 到分配系数。
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地 球 化 学
7.分配系数的影响因素： 体系组分的影响—岩浆岩化学成分的变化在很大程度上取决于 硅酸盐熔体的结构，不同硅酸盐熔体共存时微量元素分配情况明 显不同；
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地 球 化 学
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二、微量元素在共存相中的分配
在一定的环境（物理化学条件）中，一切自然作用体系均趋向于平衡。 当达到平衡时，
常量元素
微量元素
体系中 的浓度
很高
极低
独立 矿物
能形成独立矿物
不能形成独立矿物，但在平衡共存的矿物之间（或液相－ 固相之间）进行分配
.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？
地球化学 (14)
半径比较接近；
REE的较大半径削弱着共价键性和静电的相互作 用， 成为阻止REE形成稳定络合物的主要因素之 一。溶液中三价REE离子能同CO23-，Br+，I-， NO3-和SO42-等组成离子对，形成碳酸盐，硫酸盐， 氯化物和氟化物型络合物. ；
在富CO2溶液中REE极活动。 实验证明HREE在共 存硅酸盐和碳酸盐熔体(岩浆熔离)之间优先富集于 碳酸盐熔体中；在共存富CO2蒸气相中REE更加富 集；
尽管REE化学行为相似， 还是能通过某些成岩和 成矿过程发生彼此分离。这是因电子构型对它们 离子价态和半径施加影响的结果，也与REE在造 岩矿物配位多面体类型众多和大小变化有关。
2. REE价态
REE是强正电性元素， 以离子键为特征， 只含极 少共价成分。电离顺序是先移去6s亚层上两个电 子，然后丢失1个5d或4f电子，因为5d和4f电子在 能量上相对接近于1个6s电子。设想再从4f移去1 个，即第4个电子，但是这个电子电离能太高， 不易移去。因此REE在化学和地球化学上均显示 三价离子状态，只有Eu和Yb可呈2价， Ce和Tb可 呈4价。原因：Eu2＋和Tb4＋具有半充满4f亚层， Yb2＋具有全充满4f亚层，Ce4＋具有贵气体氙(Xe) 电子构型，这些电子构型可以提高该价态离子的 稳定性。
变价离子(Eu，Ce等)不同价态的比例取决于 体系的成分、氧逸度、温度和压力；
3．REE的配位和离子半径
矿物中REE占据多种多样的配位多面体，从六次 到十二次，甚至更高的配位均有。较小的稀土元 素占据六次配位位置，但这种情况在矿物中少见。
一般REE在矿物中的配位要大些，最常见的配位 是七次到十二次，如榍石中为七次，锆石中为八 次，独居石中为九次，褐帘石中为十一次和钙钛 矿中为十二次。
REE的较大半径削弱着共价键性和静电的相互作 用， 成为阻止REE形成稳定络合物的主要因素之 一。溶液中三价REE离子能同CO23-，Br+，I-， NO3-和SO42-等组成离子对，形成碳酸盐，硫酸盐， 氯化物和氟化物型络合物. ；
在富CO2溶液中REE极活动。 实验证明HREE在共 存硅酸盐和碳酸盐熔体(岩浆熔离)之间优先富集于 碳酸盐熔体中；在共存富CO2蒸气相中REE更加富 集；
尽管REE化学行为相似， 还是能通过某些成岩和 成矿过程发生彼此分离。这是因电子构型对它们 离子价态和半径施加影响的结果，也与REE在造 岩矿物配位多面体类型众多和大小变化有关。
2. REE价态
REE是强正电性元素， 以离子键为特征， 只含极 少共价成分。电离顺序是先移去6s亚层上两个电 子，然后丢失1个5d或4f电子，因为5d和4f电子在 能量上相对接近于1个6s电子。设想再从4f移去1 个，即第4个电子，但是这个电子电离能太高， 不易移去。因此REE在化学和地球化学上均显示 三价离子状态，只有Eu和Yb可呈2价， Ce和Tb可 呈4价。原因：Eu2＋和Tb4＋具有半充满4f亚层， Yb2＋具有全充满4f亚层，Ce4＋具有贵气体氙(Xe) 电子构型，这些电子构型可以提高该价态离子的 稳定性。
变价离子(Eu，Ce等)不同价态的比例取决于 体系的成分、氧逸度、温度和压力；
3．REE的配位和离子半径
矿物中REE占据多种多样的配位多面体，从六次 到十二次，甚至更高的配位均有。较小的稀土元 素占据六次配位位置，但这种情况在矿物中少见。
一般REE在矿物中的配位要大些，最常见的配位 是七次到十二次，如榍石中为七次，锆石中为八 次，独居石中为九次，褐帘石中为十一次和钙钛 矿中为十二次。
微量元素地球化学
有很低成分比例的溶质的溶液称为稀溶液。微量元素在岩石矿物中的分布
正是这种状态。如玄武岩中的镍橄榄石，其中的(Mg,Fe)2SiO4为溶剂，而
Ni2SiO4就是溶质。对于Ni2SiO4而言，这种橄榄石就是一种稀溶液。在稀溶
液中，溶质和溶质间的作用是微不足道的，而溶质和溶剂的相互作用制约
着溶质和溶剂的性质，亨利定律和拉乌尔定律就是用来描述这种性质的。
拉乌尔定律：
拉乌尔定律是稀溶液所遵循的另一规律，它是基于在溶剂中加入非挥
发性溶质后溶剂活度降低而得出的。其表述为“稀溶液中溶剂的活度等于
纯溶剂的活度乘以溶液中溶剂的摩尔分数”，即为
其中，aoj为纯溶剂的活度，Xj为溶剂的摩尔数， aj为溶液中溶剂的活度。
溶剂在全部浓度范围内都符合
拉乌尔定律的溶液称为理想溶液。
ratio)，优先进入晶体。 如在碱性长石中Ba2+ (1.44 Å) 或Sr2+ (1.21 Å) 替代K+
(1.46 Å)时，需要有一个Al3+ 替代 Si4+来维持电价平衡。
主要的微量元素代替
橄榄石中Ni替代Fe2+和Mg2+ 。
尖晶石和磁铁矿中Cr和V 替代Fe3+ 。
斜长石中 Sr 替代 Ca 。
Nb，Ta，Zr，Hf等），稀土元素（La，Ce，Nd等），过渡族元素（Fe
，Co，Ni，Cu，Zn等）。
c.按地球化学作用过程分类：当固相（结晶相）和液相（熔体相，流体
相）共存时，若微量元素易进入固相，称为相容元素（Compatible
element）。反之，若微量元素易进入液相，称为不相容元素（
正是这种状态。如玄武岩中的镍橄榄石，其中的(Mg,Fe)2SiO4为溶剂，而
Ni2SiO4就是溶质。对于Ni2SiO4而言，这种橄榄石就是一种稀溶液。在稀溶
液中，溶质和溶质间的作用是微不足道的，而溶质和溶剂的相互作用制约
着溶质和溶剂的性质，亨利定律和拉乌尔定律就是用来描述这种性质的。
拉乌尔定律：
拉乌尔定律是稀溶液所遵循的另一规律，它是基于在溶剂中加入非挥
发性溶质后溶剂活度降低而得出的。其表述为“稀溶液中溶剂的活度等于
纯溶剂的活度乘以溶液中溶剂的摩尔分数”，即为
其中，aoj为纯溶剂的活度，Xj为溶剂的摩尔数， aj为溶液中溶剂的活度。
溶剂在全部浓度范围内都符合
拉乌尔定律的溶液称为理想溶液。
ratio)，优先进入晶体。 如在碱性长石中Ba2+ (1.44 Å) 或Sr2+ (1.21 Å) 替代K+
(1.46 Å)时，需要有一个Al3+ 替代 Si4+来维持电价平衡。
主要的微量元素代替
橄榄石中Ni替代Fe2+和Mg2+ 。
尖晶石和磁铁矿中Cr和V 替代Fe3+ 。
斜长石中 Sr 替代 Ca 。
Nb，Ta，Zr，Hf等），稀土元素（La，Ce，Nd等），过渡族元素（Fe
，Co，Ni，Cu，Zn等）。
c.按地球化学作用过程分类：当固相（结晶相）和液相（熔体相，流体
相）共存时，若微量元素易进入固相，称为相容元素（Compatible
element）。反之，若微量元素易进入液相，称为不相容元素（
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
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
初中化学微量元素教案
初中化学微量元素教案教学内容：微量元素教学目标：1. 理解微量元素的概念和重要性。
2. 掌握常见微量元素及其作用。
3. 了解微量元素在生物体内的作用机制。
教学重点：1. 微量元素的定义和分类。
2. 常见微量元素的作用和来源。
教学难点：1. 了解微量元素在生物体内的作用机制。
2. 了解微量元素的缺乏和过量对生物体的影响。
教学方法：1. 课堂讲解。
2. 举例说明。
3. 实验演示。
教学过程：第一步：引入教师引导学生思考：为什么我们需要食用含有微量元素的食物？微量元素对我们的身体有什么作用？第二步：讲解微量元素的定义和分类1. 讲解微量元素的概念和重要性。
2. 介绍微量元素的分类，如金属和非金属微量元素。
第三步：讲解常见微量元素及其作用1. 介绍常见微量元素如锌、铜、硒等的作用和来源。
2. 举例说明不同微量元素在生物体内的作用机制。
第四步：讲解微量元素的缺乏和过量对生物体的影响1. 分析微量元素缺乏或过量对生物体的危害。
2. 引导学生如何科学摄入微量元素，保持身体健康。
第五步：实验演示教师进行微量元素实验演示，让学生亲自操作并观察实验结果。
第六步：讲解总结1. 总结本节课的重点内容。
2. 强调微量元素的重要性和正确摄入方法。
作业布置：1. 查找并了解一个微量元素的作用和来源。
2. 思考并撰写一篇关于微量元素的作用和摄入方法的文章。
教学反思：通过本节课的教学，学生应该对微量元素有了更深入的了解，认识到微量元素对身体健康的重要性，也学会了如何科学摄入微量元素，保持身体健康。
同时，教师也应该密切关注学生的学习情况，及时纠正错误，帮助学生解决问题。
微量元素地球化学
（二）理解微量元素的概念，了解微量元素的分类及其主要存在 形式。
（三）掌握能斯特分配定律的实质、内容表述、数学表达式。
（四）掌握分配系数的概念、影响因素，了解分配系数的测定方 法及其研究意义（应用）。
（五）掌握稀土元素的概念，了解稀土元素的特性、主要性质、 了解稀土元素数据表述方法、图解及其应用。
第五章 微量元素地球化学
微量元素地球化学是地球化学的重要分支学科 之一，它研究在各种地球化学体系中微量元素的分 布、分配、共生组合及演化的规律，其特色之处就 是能够近似定量地解决问题，使实际资料和模型计 算结合起来。
微量元素可作为地质-地球化学过程示踪剂，在 解决当代地球科学面临的基本理论问题—天体、地 球、生命、人类和元素的起源及演化，为人类提供 充足的资源和良好的生存环境等方面发挥重要的作 用。
微量元素 在固熔体、熔体和溶液中的分配不受相律和化学计 量的限制，而服从稀溶液定律（亨利定律），即当分配达到平
衡时元素在各相间的化学势相等，即( = ) 。
能斯特分配定律内容表述：
在一定的温度压力下，微量组分在两共存相中的分配达平衡
时，其在两相中的化学位相等 ( = ) 。
微量元素在两相中(α和β)的化学位为：
①大离子亲石元素 (LIL) 指离子半径大、电荷低，易溶于水，地球化学活动性强的元素，
如K、Rb、Cs、Sr、Ba等，它们可作为地壳中地质作用的示踪剂。
②高场强元素 (HFS) 指离子半径小、电荷高，难溶于水，地球化学性质稳定的元素，
如Nb、Ta、Zr、Hf、P、Th、HREE等，它们可作为“原始”物质 组成特征的指示。
球化学概念的严格定义应是：只要元素在所研究客体(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， 该元素可称为微量元素。
（三）掌握能斯特分配定律的实质、内容表述、数学表达式。
（四）掌握分配系数的概念、影响因素，了解分配系数的测定方 法及其研究意义（应用）。
（五）掌握稀土元素的概念，了解稀土元素的特性、主要性质、 了解稀土元素数据表述方法、图解及其应用。
第五章 微量元素地球化学
微量元素地球化学是地球化学的重要分支学科 之一，它研究在各种地球化学体系中微量元素的分 布、分配、共生组合及演化的规律，其特色之处就 是能够近似定量地解决问题，使实际资料和模型计 算结合起来。
微量元素可作为地质-地球化学过程示踪剂，在 解决当代地球科学面临的基本理论问题—天体、地 球、生命、人类和元素的起源及演化，为人类提供 充足的资源和良好的生存环境等方面发挥重要的作 用。
微量元素 在固熔体、熔体和溶液中的分配不受相律和化学计 量的限制，而服从稀溶液定律（亨利定律），即当分配达到平
衡时元素在各相间的化学势相等，即( = ) 。
能斯特分配定律内容表述：
在一定的温度压力下，微量组分在两共存相中的分配达平衡
时，其在两相中的化学位相等 ( = ) 。
微量元素在两相中(α和β)的化学位为：
①大离子亲石元素 (LIL) 指离子半径大、电荷低，易溶于水，地球化学活动性强的元素，
如K、Rb、Cs、Sr、Ba等，它们可作为地壳中地质作用的示踪剂。
②高场强元素 (HFS) 指离子半径小、电荷高，难溶于水，地球化学性质稳定的元素，
如Nb、Ta、Zr、Hf、P、Th、HREE等，它们可作为“原始”物质 组成特征的指示。
球化学概念的严格定义应是：只要元素在所研究客体(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， 该元素可称为微量元素。
微量元素地球化学 (2)
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。
strength elements）：它们的离子半径 小、离子电荷高、离子电位π>3，难溶 于水，化学性质稳定，为非活动性元 素，如Nb、Ta、Zr 、Hf、P、Th、 HREE等。
广泛应用到地质作用中
微量元素可以作为地质-地球化学过程
的示踪剂
微量元素可以作为地质—地球化学作用的
示踪剂，其特色之处就是能近似定量地解 决问题，使实际资料与模型设计结合起来。
Continental crustal rocks are enriched in highly incompatible elements, such as Th, relative to moderately incompatible elements, such as Yb. Although the incompatibility of Nb during mantle melting is similar to that of Th, the enrichment of Nb in the continental crust is much less than that of Th, which is reflected in the negative Nbanomalies of crustal rocks on mantle-normalised spidergrams. Thus, crustal rocks generally have highly elevated (Th/Yb)PM ratios (i.e., 20-100) but only moderately elevated (Nb/Yb)PM ratios (i.e., 2-15).
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。
strength elements）：它们的离子半径 小、离子电荷高、离子电位π>3，难溶 于水，化学性质稳定，为非活动性元 素，如Nb、Ta、Zr 、Hf、P、Th、 HREE等。
广泛应用到地质作用中
微量元素可以作为地质-地球化学过程
的示踪剂
微量元素可以作为地质—地球化学作用的
示踪剂，其特色之处就是能近似定量地解 决问题，使实际资料与模型设计结合起来。
Continental crustal rocks are enriched in highly incompatible elements, such as Th, relative to moderately incompatible elements, such as Yb. Although the incompatibility of Nb during mantle melting is similar to that of Th, the enrichment of Nb in the continental crust is much less than that of Th, which is reflected in the negative Nbanomalies of crustal rocks on mantle-normalised spidergrams. Thus, crustal rocks generally have highly elevated (Th/Yb)PM ratios (i.e., 20-100) but only moderately elevated (Nb/Yb)PM ratios (i.e., 2-15).
微量元素地球化学讲解学习
离子最外层一般为8( S2P6 )~18( S2P6d10 )个电子的过渡型结构。 主要集中于地壳内部铁镍核心中，是金属元素中电负性最大
的一族元素； 电离势均很高，易形成自然金属状态。
亲铁元素在元素周期表中的位置：
周1 2 期
3
4 567
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
1 1H
6 Cs Ba 70 Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt 铯钡镧 镥 铪 钽 钨 铼 锇 铱 铂
Au Hg Tl Pb Bi 金汞 铊铅 铋
Po At Rn 钋 砹氡
系
87 88 89- 10 104 10 10 10 108 10 110 11 112 11 114 115 11 11 11
2.上世纪60年代以前，基于微量元素原子的电子层构造、离 子半径、价态、配位数及其化合物的种类、键型和元素的地化 特征划分为4类：
亲铁元素、亲铜元素、亲石元素、亲气元素。
➢亲铁元素
钴(Co) 镍(Ni) 钛(Ti) 锡(Sn) 铱(Ir) 铬(Cr) 铂(Pt) 铼(Re) 锇(Os) 铑(Rh) 金(Au) 锗(Ge) 钼(Mo) 钌(Ru) 铁(Fe) 钒(V) 碳(C) 磷(P) 钛(Ti)
二、微量元素存在的状态
通常以次要组分容纳于矿物和岩石主要组分所形成的矿物中，可以呈现 三种存在形式：
(1)表面吸附，由于矿物表面电价不饱和，而吸附其它微量元 素离子；
(2)吸留作用，矿物生长过程中机械地包裹了一些外来物质， 形成显微包裹体；
(3)固溶体，在一般情况下，微量元素占据晶格中的规则位置， 构成置换固溶体。但有时微量元素占据晶格之间的位置，构成间隙固溶体，
7 Fr R 10 3 Rf 钫 a 2 Lr
的一族元素； 电离势均很高，易形成自然金属状态。
亲铁元素在元素周期表中的位置：
周1 2 期
3
4 567
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
1 1H
6 Cs Ba 70 Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt 铯钡镧 镥 铪 钽 钨 铼 锇 铱 铂
Au Hg Tl Pb Bi 金汞 铊铅 铋
Po At Rn 钋 砹氡
系
87 88 89- 10 104 10 10 10 108 10 110 11 112 11 114 115 11 11 11
2.上世纪60年代以前，基于微量元素原子的电子层构造、离 子半径、价态、配位数及其化合物的种类、键型和元素的地化 特征划分为4类：
亲铁元素、亲铜元素、亲石元素、亲气元素。
➢亲铁元素
钴(Co) 镍(Ni) 钛(Ti) 锡(Sn) 铱(Ir) 铬(Cr) 铂(Pt) 铼(Re) 锇(Os) 铑(Rh) 金(Au) 锗(Ge) 钼(Mo) 钌(Ru) 铁(Fe) 钒(V) 碳(C) 磷(P) 钛(Ti)
二、微量元素存在的状态
通常以次要组分容纳于矿物和岩石主要组分所形成的矿物中，可以呈现 三种存在形式：
(1)表面吸附，由于矿物表面电价不饱和，而吸附其它微量元 素离子；
(2)吸留作用，矿物生长过程中机械地包裹了一些外来物质， 形成显微包裹体；
(3)固溶体，在一般情况下，微量元素占据晶格中的规则位置， 构成置换固溶体。但有时微量元素占据晶格之间的位置，构成间隙固溶体，
7 Fr R 10 3 Rf 钫 a 2 Lr
微量元素地球化学原理
(a)＆(b)： Green and Pearson,
1985;
(c)＆(d)： Green and
Pearson,1986.
第三十四页
氧逸度和熔体成份对稀土分配系数的影响
第三十五页
元素 CI球粒陨石 原始地幔
La 0.3100
0.7080
Ce 0.8080
1.8330
Pr 0.1220
0.2780
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。
火成岩中的铕异常主要受长石矿物的控制。
角闪石、榍石、斜方辉石、单斜辉石和石榴子石
等矿物也能造成长英质熔体较弱的铕异常，但它们 对铕异常的作用与长石相反。 中稀土的富集主要受角闪石的控制。中稀土在长英质 和中性岩浆中的角闪石中是相容元素，并在Dy和Er之 间有最高的分配系数。榍石作为副矿物在岩石中的 含量较低，但它们也会产生同样的影响。
0.0356
Yb
0.2200
0.2090
0.2480
Lu
0.0339
0.0322
0.0381
Y
2.1000
第二十三页
（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
研究岩套的演化和分配系数。
1985;
(c)＆(d)： Green and
Pearson,1986.
第三十四页
氧逸度和熔体成份对稀土分配系数的影响
第三十五页
元素 CI球粒陨石 原始地幔
La 0.3100
0.7080
Ce 0.8080
1.8330
Pr 0.1220
0.2780
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。
火成岩中的铕异常主要受长石矿物的控制。
角闪石、榍石、斜方辉石、单斜辉石和石榴子石
等矿物也能造成长英质熔体较弱的铕异常，但它们 对铕异常的作用与长石相反。 中稀土的富集主要受角闪石的控制。中稀土在长英质 和中性岩浆中的角闪石中是相容元素，并在Dy和Er之 间有最高的分配系数。榍石作为副矿物在岩石中的 含量较低，但它们也会产生同样的影响。
0.0356
Yb
0.2200
0.2090
0.2480
Lu
0.0339
0.0322
0.0381
Y
2.1000
第二十三页
（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
研究岩套的演化和分配系数。
地球化学教学大纲
地球化学教学大纲一、课程简介地球化学是地学中的一门重要学科，研究地球物质的组成、结构、演化和循环过程，以及地球与生命相互作用的化学过程。
本课程旨在为学生提供地球化学的基本知识和理论，培养学生的地球科学思维和实践能力。
二、教学目标1. 理解地球化学的基本概念和原理；2. 掌握常见地球化学元素及其周期表分布规律；3. 熟悉地球化学循环过程及其影响因素；4. 了解地球化学在地质矿产勘探、环境保护等领域的应用；5. 培养学生的科学实验设计和数据分析能力。
三、教学内容1. 地球化学基础- 地球化学的定义和发展历程- 地球化学和其他地球科学学科的关系 - 地球体系的组成和结构2. 元素地球化学- 元素的定义和分类- 元素的起源和演化- 元素分布的地球化学律3. 地球化学循环过程- 地壳的物质循环与转化- 水圈的循环与地球化学过程- 大气圈和生物圈的地球化学循环4. 地球化学与地质矿产勘探- 地球化学方法在矿产勘探中的应用 - 矿床地球化学特征的识别与判别- 地球化学勘探技术的发展趋势5. 地球化学与环境科学- 地球化学在环境监测和污染治理中的应用- 地球化学与全球气候变化的关系- 地球化学在环境保护和可持续发展中的作用四、教学方法1. 理论讲授：通过课堂讲解、多媒体展示等方式，向学生介绍地球化学的基本概念和原理。
2. 实验教学：开展地球化学实验，培养学生的实验设计和操作能力，提高数据分析和解释能力。
3. 讨论与互动：组织学生进行讨论和互动，拓宽学生的思维视野，培养学生的科学思维和批判性思维能力。
4. 课外阅读：推荐相关地球化学领域的学术论文和专业书籍，引导学生进行自主学习和深入研究。
五、教学评估1. 平时成绩评定：包括课堂表现、作业完成情况和参与度等。
2. 期中考试：考查学生对地球化学基本概念和原理的理解和掌握程度。
3. 期末考试：综合考查学生对整个课程内容的掌握情况，包括理论知识和实验操作技能。
4. 实验报告评定：评估学生在实验中的实验设计和数据分析能力。
微量元素地球化学
1 1H
氢
34 2 Li Be
锂铍
2 He 氦
56
7
8 9 氟氖
11 12 3N M
ag 钠镁
13 14 15 16 17 18
Al Si
P
S Cl Ar
铝硅 磷 硫 氯氩
19 20 4 K Ca
钾钙
21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr 钪 钛 钒铬 锰 铁 钴 镍 铜 锌 镓 锗 砷 硒 溴 氪
钫 a 2 Lr
Db Sg Bh
9 Uun 1 Uub 3 Uuq Uup 6 7 8
Mt
Uu
Uut
Uu Uu Uu
镭锕 铹
u
hso
➢亲石元素
锂(Li) 铍(Be) 硼(B) 氧(O) 铪(Hf) 氟(F) 钠(Na)镁(Mg) 铝(Al) 硅(Si) 氯(Cl)铷(Rb)钾(K) 钙(Ca)钪(Sc)钛(Ti) 钒(V) 铱(Ir) 铬(Cr)锰(Mn)钇(Y) 铌(Nb)铯(Cs)钡(Ba) 碘(I) 镧(La) 钽(Ta)氙(Xe)钍(Th) 锶 (Sr) 铀(U) REE
6 Cs Ba 70 Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt 铯钡镧 镥 铪 钽 钨 铼 锇 铱 铂
Au Hg Tl Pb Bi 金汞 铊铅 铋
Po At Rn 钋 砹氡
系
87 88 89- 10 104 10 10 10 108 10 110 11 112 11 114 115 11 11 11
氦(He) 氮(N) 氖(Ne) 氩(Ar) 氪(Kr) 氙(Xe)碘（I） 氢(H) 碳(C) 氯(Cl) 溴 (Br) 氮(N) 氧(O)
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上次课回顾
➢稀土元素（REE）、分类及分布特征 ➢REE组成数据的表示 ➢REE分配系数的以下规律 ➢REE模式的解释
作业：表中数据为辉长岩、花岗岩7件样品REE组成(ppm)
1、作样品的REE组成分配模式图，说明其表达的地球化学特征； 2、计算各样品的Eu/Eu*，并对其地球化学意义进行说明；
∑REE、 LREE/HREE、 (La/Lu)N 、
(La/Sm)N和(Gd/Lu)N 、δEu
五、微量元素地球化学-4
5.微量元素的处理方法
1、多元素标准化图解
A属REE标准化图解的扩展和普及化，最早用于玄武岩， 现在可以用于所有岩石（岩浆岩和沉积岩）类型。
B标准化数值——原始地幔、球粒陨石，MORB等。 C作图意图——比较样品与标准化数据之间的偏离程度
5.微量元素的处理
Chondrite normalized spider diagram of fresh and altered MORB and sediment, Data from Hess
5.微量元素的处理
Mantle-normalized diagram for incompatible elements in loess. Shown are the average values of loess samples from Banks Peninsula, New Zealand, Kansas and lowa, USA, and Kaiserstuhl, Germany.
在对变质岩作多元素蛛网图，研究者可根据判断，去 除部分强活动性的元素。
5.微量元素的处理
(3)应用时须注意的事项 部分元素涉及到主量元素，研究者应注意标准化值的 元素含量形式，因为部分文献值采用的是氧化物形式， 而另外的文献可能采用的是单元素形式，故须确认自 己的数据与文献数据元素含量量纲是否统一，
5.微量元素实例分析
岩浆岩出现Nb、Ta、Ti的负异常的引申含义
5.微量元素的处理
(1)多元素标准化数据 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
Sun & MacDonough, 1989
5.微量元素的处理
目前常用顺序
Chung等，2004，Earth Sci. Rev.
5.微量元素的处理
(3)应用时须注意的事项
高场强元素Nb、Ta、Ti等主要富集在副矿物中。在大洋板块发生俯 冲消减时，板片中的沉积物质和表层蚀变的玄武岩将随板片一同俯冲。 大洋沉积物和蚀变玄武岩富含流体，当板片俯冲至一定深度时，将发 生脱水作用，赋存于沉积物和蚀变玄武岩中的强活动性元素将随流体 一起流出，而存在于副矿物中的Nb、Ta则保持相对稳定而不发生迁移。 释放出来的流体将向上运移而进入上伏的地幔楔。上移的流体不仅与 地幔岩石发生交代作用，且因含水而降低了地幔岩石的固相线，导致 地幔岩石发生部分熔融作用而形成熔体，熔体中富集如LILE等强活动性 元素（K, Rb, Sr, U, Th, REE ），而高场强Nb、Ta则显示出相对亏损。
5.微量元素实例分析
(5)应用：岛弧火山岩与Nb/Ta亏损
5.微量元素实例分析
5.微量元素的示踪意义
岛弧火山岩Nb、Ta的负异常与成因
正常岛弧火山岩由源自俯冲板片脱水产生的流体交代地幔楔发生部 分熔融而形成，这种富水的流体亏损高场强元素（HFSE,如Nb(Ta)、Ti、 P等)，这些元素的流体/岩石分配系数很小（1)，在流体交代地幔楔 形成的正常岛弧火山岩中出现显著的Nb（Ta）、Ti负异常。
注明所引用文献。数据标准化后已不是原来的含量值， 难以直观判断数据是否被正确表达，故研究者必须注 明所引用的标准化值文献来源；
在标准化图件上，横坐标是按研究样品在地质作用过 程中元素的不相容性程度下降的顺序进行排序。建议 使用Sun and McDonough (1989)提出的顺序排列；
在作图解时，可根据自己所拥有的元素数据进行作图， 即使减少了部分元素，各元素的相对顺序应保持不变；
5.微量元素的处理
Post-Archean Australian shales normalize. The average values of four middle Proterozoic shales from the Mt. Isa Group, seven Silurian State Circle shales, three Paleozoic to Mesozoic shales from the Perth Basin, two Paleozoic shales from Canning Basin, and six Upper Proterozoic to Cambrian shales from the Amadeus Basin.
➢ MORB，OIB
Pearce, 1983； Sun & McDonough, 1989
➢ 沉积岩
NASC(平均页岩)，Gromet et al, 1984， 平均砂岩， Hamilton，2000
➢ 地壳平均组成
Taylor & McLennan (1981, 1985)， Rudnick & Gao, 2004
我们可以称之为： 原始地幔(球粒陨石)标准化多元素图解，微量元素含量 蜘蛛图
5.微量元素的处理
(1)多元素标准化数据
➢ 原始地幔(primitive/primordial mantle)
Sun & McDonough, 1989; McDonough & Sun，1995
➢ 球粒陨石
Sun & McDonough, 1989; McDonough & Sun，1995
将主量元素的氧化物含量换算成单元素的ppm形式 K=K2O×10000×0.83013/250 Ti=TiO2×10000×0.5995/1300 P=P2O5×10000×0.43646/95
这里K2O、TiO2、P2O5单位均为重量百分数
5.微量元素的处理
(4)典型岩石的微量元素图解
Байду номын сангаас
Sample/Chondrite
➢稀土元素（REE）、分类及分布特征 ➢REE组成数据的表示 ➢REE分配系数的以下规律 ➢REE模式的解释
作业：表中数据为辉长岩、花岗岩7件样品REE组成(ppm)
1、作样品的REE组成分配模式图，说明其表达的地球化学特征； 2、计算各样品的Eu/Eu*，并对其地球化学意义进行说明；
∑REE、 LREE/HREE、 (La/Lu)N 、
(La/Sm)N和(Gd/Lu)N 、δEu
五、微量元素地球化学-4
5.微量元素的处理方法
1、多元素标准化图解
A属REE标准化图解的扩展和普及化，最早用于玄武岩， 现在可以用于所有岩石（岩浆岩和沉积岩）类型。
B标准化数值——原始地幔、球粒陨石，MORB等。 C作图意图——比较样品与标准化数据之间的偏离程度
5.微量元素的处理
Chondrite normalized spider diagram of fresh and altered MORB and sediment, Data from Hess
5.微量元素的处理
Mantle-normalized diagram for incompatible elements in loess. Shown are the average values of loess samples from Banks Peninsula, New Zealand, Kansas and lowa, USA, and Kaiserstuhl, Germany.
在对变质岩作多元素蛛网图，研究者可根据判断，去 除部分强活动性的元素。
5.微量元素的处理
(3)应用时须注意的事项 部分元素涉及到主量元素，研究者应注意标准化值的 元素含量形式，因为部分文献值采用的是氧化物形式， 而另外的文献可能采用的是单元素形式，故须确认自 己的数据与文献数据元素含量量纲是否统一，
5.微量元素实例分析
岩浆岩出现Nb、Ta、Ti的负异常的引申含义
5.微量元素的处理
(1)多元素标准化数据 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
Sun & MacDonough, 1989
5.微量元素的处理
目前常用顺序
Chung等，2004，Earth Sci. Rev.
5.微量元素的处理
(3)应用时须注意的事项
高场强元素Nb、Ta、Ti等主要富集在副矿物中。在大洋板块发生俯 冲消减时，板片中的沉积物质和表层蚀变的玄武岩将随板片一同俯冲。 大洋沉积物和蚀变玄武岩富含流体，当板片俯冲至一定深度时，将发 生脱水作用，赋存于沉积物和蚀变玄武岩中的强活动性元素将随流体 一起流出，而存在于副矿物中的Nb、Ta则保持相对稳定而不发生迁移。 释放出来的流体将向上运移而进入上伏的地幔楔。上移的流体不仅与 地幔岩石发生交代作用，且因含水而降低了地幔岩石的固相线，导致 地幔岩石发生部分熔融作用而形成熔体，熔体中富集如LILE等强活动性 元素（K, Rb, Sr, U, Th, REE ），而高场强Nb、Ta则显示出相对亏损。
5.微量元素实例分析
(5)应用：岛弧火山岩与Nb/Ta亏损
5.微量元素实例分析
5.微量元素的示踪意义
岛弧火山岩Nb、Ta的负异常与成因
正常岛弧火山岩由源自俯冲板片脱水产生的流体交代地幔楔发生部 分熔融而形成，这种富水的流体亏损高场强元素（HFSE,如Nb(Ta)、Ti、 P等)，这些元素的流体/岩石分配系数很小（1)，在流体交代地幔楔 形成的正常岛弧火山岩中出现显著的Nb（Ta）、Ti负异常。
注明所引用文献。数据标准化后已不是原来的含量值， 难以直观判断数据是否被正确表达，故研究者必须注 明所引用的标准化值文献来源；
在标准化图件上，横坐标是按研究样品在地质作用过 程中元素的不相容性程度下降的顺序进行排序。建议 使用Sun and McDonough (1989)提出的顺序排列；
在作图解时，可根据自己所拥有的元素数据进行作图， 即使减少了部分元素，各元素的相对顺序应保持不变；
5.微量元素的处理
Post-Archean Australian shales normalize. The average values of four middle Proterozoic shales from the Mt. Isa Group, seven Silurian State Circle shales, three Paleozoic to Mesozoic shales from the Perth Basin, two Paleozoic shales from Canning Basin, and six Upper Proterozoic to Cambrian shales from the Amadeus Basin.
➢ MORB，OIB
Pearce, 1983； Sun & McDonough, 1989
➢ 沉积岩
NASC(平均页岩)，Gromet et al, 1984， 平均砂岩， Hamilton，2000
➢ 地壳平均组成
Taylor & McLennan (1981, 1985)， Rudnick & Gao, 2004
我们可以称之为： 原始地幔(球粒陨石)标准化多元素图解，微量元素含量 蜘蛛图
5.微量元素的处理
(1)多元素标准化数据
➢ 原始地幔(primitive/primordial mantle)
Sun & McDonough, 1989; McDonough & Sun，1995
➢ 球粒陨石
Sun & McDonough, 1989; McDonough & Sun，1995
将主量元素的氧化物含量换算成单元素的ppm形式 K=K2O×10000×0.83013/250 Ti=TiO2×10000×0.5995/1300 P=P2O5×10000×0.43646/95
这里K2O、TiO2、P2O5单位均为重量百分数
5.微量元素的处理
(4)典型岩石的微量元素图解
Байду номын сангаас
Sample/Chondrite