地球化学 (14)

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第4章 微量元素地球化学
Geochemistry of Trace Elements
本章的主要内容:
• 基本概念 • 微量元素在共存相中的分配 • 岩浆作用过程中微量元素的定量分配模型 • 稀土元素地球化学 • 微量元素的示踪意义
4.4 稀土元素的地球化学行为
稀土元素是微量元素中一组独特的成员。 稀土元素地球化学近年来获得了异常迅猛 的发展,并广泛地应用于解决各类岩石成 因及成矿问题,日益受到国内外地球化学 家、岩石学家和矿床学家的重视。
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;
REE离子占据位置的多样性无疑造成REE矿物化 学的复杂性,对此尚有许多问题需要阐明。
在REE配位和离子半径之间存在相互关系,即 离子半径愈大,倾向占据的配位位置也愈大, 反之亦然;
REE原子容积(元素的相对原子质量与其密度的 比值)呈现出随原子序数增大逐渐和稳定减小的 趋势。这是由于同一电子层中1个电子被另外电 子屏蔽的不完全,已致作用于每个4f电子上的 有效核电荷随原子序数的增大而增大,导致4f 亚层减小。这种原子容积的减小称为“镧系收 缩”。反映REE离子半径随原子序数增大而减 小的稳定规律(图4-2),离子半径也是离子电荷 和配位数的函数。
这种图示方法的优点:可以消除由于原子 序数为偶数和奇数造成的各REE间丰度的锯 齿状变化,能使样品中各REE间任何程度的 分离都能清楚地显示出来,因为一般公认 球粒陨石中轻和重稀土元素之间不存在分 异。
图4-3 作为标准的球粒陨石和“北美页岩组合样”的REE丰度
(White,2000)
• (2) 用所研究体系的一部分作参 考物质进行标准化
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。
• 参考物质可以用某种特定的岩石 或矿物。如矿物中REE浓度由这 种矿物组成的岩石中的浓度进行 标准化,可以清楚地表现出不同 矿物间彼此分馏的REE数量。右 图给出一个例子,它可以与图中 的球粒陨石标准化曲线对比。
图4-12 (上)岩石及其组成矿物中的REE 丰度对球粒陨石中的REE丰度标准化后 与原子序数关系图;(下)它的REE丰度
它REE性质相似,二价态则
性质不同,固地质体中Eu2
+经常发生与其它三价REE
离子的分离,造成在REE球
粒陨石标准化丰度图解的 Eu位置上出现“峰”(Eu过
图4-13 REE球粒陨石标准化图 解,表示Eu异常的计算
剩)或“谷”(Eu亏损)
δEu(或Eu/Eu*)可以度量Eu的异常程度。计算以曾
田彰正-科里尔图解为根据,无Eu异常时, Eu的
The Eu anomaly probably arises because many crustal rocks of granitic and granodioritic composition were produced by intracrustal partial melting. The residues of those melts were rich in plagioclase, hence retaining somewhat more of the Eu in the lower crust,and creating a complimentary Eudepleted upper crust. Sediments and seawater inherit this Eu anomaly from their source rocks in the upper continental crust.
(2) LREE/HREE(或∑Ce/∑Y)
为轻和重稀土元素比值。这一参数能较好地反映REE 元素的分异程度以及指示部分熔融残留体和岩浆结晶 矿物的特征。
(3)(La/Yb)N、(La/Lu)N和(Ce/Yb)N Hale Waihona Puke Baidu为个别轻和重稀土元素对球粒陨石标准化的丰
度比值,均能反映REE球粒陨石标准化图解中曲 线(在接近直线的情况下)的总体斜率。从而能表 征LREE与HREE的分异程度。
Flynn和Burnham(1978)证明, REE在酸性硅酸盐 熔体-蒸气相共存体系中同氯络合, 在蒸气和熔体 间的分配系数随蒸气相中氯克分子浓度增大而增 大;
4.4.2 REE组成数据的表示
为了更清楚地说明地球化学分异作用和指 示各类岩石的成因,往往在地质体REE含量 分析数据基础上,通过一定计算处理,得 出一些参数或图示。在地球化学中常用的 REE组成参数和图示有以下几种:
对岩石中REE丰度标准化;
2. 表征REE组成的参数
(1) 稀土元素总量-∑REE
为各稀土元素含量的总和,以ppm为单位。多数情况 下指从La到Lu和Y的含量之和。有些学者用火花源质 谱法分析稀土元素含量,其∑REE数据不包括Y。 ∑REE对于判断某种岩石的母岩特征和区分岩石类型 均为有意义的参数。
层电子数目的任何差异既不导致化学行为很大 不同,也不引起明显的配位场效应。所以, REE倾向于在任何地质体中成组而不是单个 或几个一起产出。当硅酸盐与金属或硫化 物共存时,REE优先浓集于硅酸盐中,具有 亲石性。常呈痕量存在于许多矿物中,很 少呈高浓集状态产出,因此REE也为分散元 素。
两分法:
4.4.1 稀土元素晶体化学和地球化学性质
1. 稀土元素电子构型
稀土元素:包括从镧到镥(Z=57-71)的15种元素, 周期表中属于ⅢB族。
由于它们的电子构型非常近似,因此所有稀土元 素具有十分相似的化学和物理性质。由于钇(Z=39) 显示出与“镧系元素”相似的化学性质,有时也 将它包括在稀土元素之内。
为轻稀土-LREE,Sm-Ho为中稀土-MREE, Er-Lu为重稀土)和图解 这种参数见于前苏联文 献,用于表征样品中轻,中和重稀土元素的相对 比例和分异程度。
• (5) δEu(或Eu/Eu*):
• 表示Eu异常程度。稀土元
素大多呈三价态,但Eu特
殊,既可以呈三价,也可呈
二价。三价态时,Eu和其
• 是地球化学中常用来表 示REE和其它微量元素 组成模式的图解。
• 元素浓度标准化参照物 质为球粒陨石。由曾田 彰正和科里尔创制,称 为曾田彰正-科里尔图 解(图4-3)。
图4-11 (上)“北美页岩复合样品(NASC)”中球粒陨石标准化REE丰度; (下) Haskin等人的NASC中REE实际丰度和Wakita等人的 普通球粒陨石平均REE丰度.用(b)中的数值作图(a)。
(La/Sm)N和(Gd/Lu)N 则分别能为LREE和HREE内 部彼此比较提供信息。
上述和类似比值对表征REE球粒陨石标准化丰度 曲线的性质具有意义,但运用时须慎重。如某些 橄榄岩和纯橄榄岩(La/Yb)N比值接近于1,但并不 能指明这些岩石的球粒陨石标准化丰度曲线具有 明显下凹的性质。
• (4)∑La-Nd、∑Sm-Ho、∑Er-Lu参数(La-Nd
1. REE组成模式图示
常用的REE组成模式图示有两类。包括对 样品中REE浓度以一种选定的参照物质中 相应REE浓度进行标准化。即将样品中每 种REE浓度除以参照物质中各REE浓度, 得到标准化丰度。然后以标准化丰度对数 为纵坐标,以原子序数为横坐标作图。
• (1)曾田彰正-科里尔 (Masuda-Coryell)图解
REE离子半径大,除非矿物中被置换的阳离子 半径也大,一般在矿物中进行离子置换的能力 有限。三价REE可以对Ca2+,Y3+,Th4+,U4, Mn2+和Zr4+(六次配位半径0.72A)进行置换; 根据离子半径可以预见上述置换应该存在。
3价REE对不同电价阳离子的置换(异价类质同 象)要求一定机制来满足电荷的平衡补偿:
图4-10 三价REE和Eu3+在VI次和VIII次配位中 离子半径随原子序数变化的规律
各种配位中REE离子半径已列于第二章的表 2中。
比较REE同其它元素离子的相对大小表明, 很少有大小相同的离子。
Eu2+与Sr2+具有相似的半径(六次配位中分 别为1.17和1.18A);
K+,Rb+,Cs+和Ba2+的半径大于任何三 价的REE离子,多数过渡元素离子则较小, 但Mn2+,Y3+,Th4+和U4+例外;
自然体系中,已证明确有2价铕离子(Eu2+) 和4价铈离子(Ce4+);
直今未在任何矿物或天然水中发现Tb4+的 存在。由于碳质球粒陨石某些包体中存在 Eu和Yb负异常,且两者浓度间具有联系, 推断Yb2+在自然界是存在的。但要求极其 还原的条件(比形成月岩还要还原)。地壳正 常条件下,镱只呈Yb3+;
(a)通过附加置换,如斜长石中三价REE(R3+) 替代Ca2+,电荷由Al3+同时替代Si4+来补偿:
R3++Al3++CaAl2Si2O8→RAl3SiO8+Ca2++Si4+
或: R3++Na2++2CaAl2Si2O8→2(R,Na)Al2Si2O8+2Ca2+ • (b)以产生空位(□表示)来补偿,如: • 2R3++Ca5(PO4)3OH-→(R2Ca2□)(PO4)3OH+3Ca2+ • (c)通过晶体结构一种间隙位置中添加阴离子来补偿。 • Eu2+能置换Pb2+,Ca2+,Sr2+和Na+,因为它们的
应有含量值为标准化曲线上旁侧两个元素Sm和Gd
的丰度值以内差法求得。δEu(或Eu/Eu*)按下式得
出:
δEu = Eu/Eu*=
EuN Sm Gd
(
2
)N
EuN,SmN和GdN均为相应元素实测值的球粒陨石 标准化值。δEu(或Eu/Eu*)>1为正异常,δEu<1为
负异常,δEu=1无异常。
A negative Eu anomaly is typical of many continental rocks, as well as most sediments and seawater.
REE电子构型如下表所示。镧原子呈基态时,外层电子构型5d16s2,下一元素Ce 有一个电子充填于4f亚层, 以后均进入4f亚层,直至Yb将4f亚层完全充满为止。
离子半径 大,不相容
离子半径 小,相容
图4-9 REE元素的离子半径。Y3+代表元素Y(Gill,1996)
受到5s2和5p6亚层中8个电子的很好屏蔽,4f 亚层电子不大明显参与化学反应。因此4f亚
(1)轻稀土(LREE)或铈族稀土,La到Eu:原子序数 小,质量小;
(2)重稀土(HREE),Gd到Lu:原子序数大,质量 大,有时把钇(Y)也列入HREE。Gd到Lu+Y为钇 族稀土;
三分法: 轻稀土(LREE:La-Nd),中稀土(MREE: Sm-Ho)和重稀土(HREE:Er-Lu).
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