地球化学的基础理论

第二章 地球化学的基础理论
• 一、地球化学背景与异常 • 二、地球化学异常分类、地球化学指标 • 三、地壳的物质组成与元素分布 • 四、元素分布的基本规律
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一、地球化学背景与异常
• 1、在自然体系中地球化学指标在某一空间 中多是位置上具有相对波动不大的特征。 研究自然体系中的地球化学指标的变化， 是勘查地球化学的研究最基本的、最重要 的内容。
• 2、地球化学背景：在背景区内各种天然物 质中(如岩石、土壤、水系沉积物、地表水、 地下水、植物和空气等)，各种地球化学指 标(元素、同位素的含量、pH值、Eh值、温 度等)的数值，称为地球化学背景。
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• 3、背景区内各种天然物质中各种地球化学 指标的不均匀性，地球化学背景不是固定的 数值，而是在一定范围内起伏变化的一系列 的数值。
预开采深度及矿床分布密切。
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1011
Fe
储 1010 量
109
R 108
Cr Cu
Mn
Al
Zn
Ni
107
Sn Pb
V
Sb Mo Co
106
W
As
Hg
105 10-1 100 101 102 103 104 ppm
地壳丰度与资源关系图
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(二)、各类岩浆岩中化学元素的丰度
• 岩浆岩与变质岩占整个地壳总质量的９5 ％，其中又以岩浆岩为主，按其化学成分 或矿物成分可以分成五大类：超基性岩 （橄榄岩、纯橄岩）、基性岩（辉长岩、 玄武岩）、中性岩（闪长岩、安山岩）、 酸性岩（花岗岩、蛇纹岩）及碱性岩。
• 各类岩浆岩中化学元素的平均含量见附录 2-2。
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• 岩浆岩类的标型元素组合为：
• 1、超基性岩元素，典型代表是Cr、Ni、 Co、Mg及Pt族。
• 2、基性岩元素，Cu、Fe、V、Ti、P、Mn、 Ca、Sc、Sb等。
• 3、亲中性岩元素，Al、Ga、Zr、Sr等。
• 4、亲酸性岩元素，种类最多，以Li、Be、 Ta、U、Th、K、Rb、Cs、F、B为代表。
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• 地球化学系统中元素的总量称为地球化学储量。
• 在地球化学储量中，能被人类开采利用的部分叫 作资源，资源中被探明的部分叫作矿产储量。
• 资源量占地球化学储量的百分比叫作矿化度。
• 根据经济地质学家的研究，某一元素的资源与地 壳丰度有密切关系。
• 美国地调所麦克尔维（V·E·Mckelvey 1960）研 究美国当时的矿产储量（R）与地壳丰度存在如 下关系：
• 浓度克拉克值大于1，说明元素相对富集，
反之，说明相对分散。
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• 研究克拉克值在勘查地球化学中的意 义：
• 1)、元素克拉克值代表了元素在地壳 中背景值，是衡量地壳各个地段内元 素集中分散的标准；
• 2)、元素的克拉克值反映了地壳中元 素正常含量的水平。
• 3)、作为选择分析方法灵敏度的依据。 • 4)、作为矿产资源评价预测的依据。
• 因此，原生环境中岩石的物质组成与状态， 元素的分布是深部地球化学作用的记录， 反映了原始形成时的特征，是研究深部地 质作用最直接的证据。
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(一)、地壳的物质组成与元素丰度
丰度研究概况：
• 地壳是地球莫霍面以上的固态结晶物质，是人类生 存的物质基础，是与人类休戚与共的最密切的部分。 地壳中各种性质不同、成因不同的地质体，往往以 化学元素含量（丰度）不同而表现出来。所以元素 丰度是不同地质体的地球化学标志之一。
• 地球化学背景起伏变化最高值称为背景上限 • 地球化学背景起伏变化最低值称为背景下限 • 地球化学背景起伏变化平均值称为背景值 • 地球化学背景：全球性的、地球化学省的、
区域性的、局部性的。
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C
局部的背景值 区域的背景值 地球化学省的背景值 全球的背景值 各种地球化学的背景值
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• 4、地球化学异常：在天然物质中某种地球 化学指标与其它地球化学背景比较，出现显 著差异的现象，或其它地球化学性质明显发 生变化的现象。
• 地壳中的元素丰度，是指地壳中化学元素的平均含 量。又称为克拉克值(是由A·E费尔斯曼提出的)。
• 著名科学家 F·W·克拉克、戈尔德施密特、B·И·维 尔纳茨基、A·E费尔斯曼、B·梅逊、A·Π维诺格拉 多夫、S·R·泰勒以及我国的黎彤等在地壳元素丰度 方面的研究作出了重要供献。(表2-1）
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• Ci,j=F（x，y，z，t） • 空间属性与时间属性的统一，构成了地球化
学场的全部意义。
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地球化学场特征：
• 1．与地球物理场相比，它没有严格的数学公 式或化学定律进行准确的描述、推断、或延 拓，它是具体点上地球化学环境（化学、热 力学、动力学）综合制约的结果，可以定性 推测而不能准确推算。
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• 区域异常：数平方公里到数百平方公里的地球化 学异常。如：江西德兴Cu矿田、异常面积为 160km2。
• 局部异常：分布在矿体或矿床周围的异常，规模 在几米到几百米范围内。
• 思考： • 地球化学省、区域异常、局部异常对找矿有何意
义？
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• 3、与矿的关系分为： • 矿异常：与矿体(矿床)、矿化有关的各类地
• 5、碱性岩以富含Nb、Ta、Be及REE(稀土 元素)为特征。
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各类岩浆岩中元素含量变化曲线
Si
K F Rb Sn Be WCs Th
U
Ba Pb
In
Al P Zr Sr Lu
Bi
Na Ce Br Tm
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Mg
Fe
Ca
Cr
Ti
Ni
Co
V Cu
Sc
Nb
Pd
Mo
Sb
I
Hg
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岩浆岩中元素丰度的变化规律具有重大的 找矿意义： • 某种元素的内生矿床总与该元素丰度最高的 岩浆岩有成因关系。如Cr、Ni矿床产在超基 性岩中，V、Ti矿床与基性岩有关，U、Th 矿床与花岗岩有关等。 • 喷出岩中微量元素的分异程度应当比侵入岩 中低。因此，酸性喷出岩与酸性侵入岩的区 别，就在于前者的亲基性岩元素含量较高而 亲酸性岩元素含量较低。对于超基性岩来说， 情况正好相反 。 • 对于地球化学找矿来说,了解这些规律，就可 以加深对背景值的认识 。
• 其中为密度。分别称某元素的线地球化学量、 面地球化学量和体积地球化学量。
• 对于线、面、体的平均含量可定义为
•
cdl
Cl
l
dl
l
cds
Cs
s
ds
s
cdv
Cv
v
dv
v
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• 实际计算时，只能用近似公式来求，积分 形式只是一种理想的表达式，这也是与地 球物理场的不同之处。
按照指示元素在矿体周围迁移的远近，可 以将指示元素分为： a.远程指示元素：离矿体较远 b.中程指示元素：离矿体较近 c.近程指示元素：离矿体最近
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2、地球化学场
• 地球化学指标在三度空间和时间上的分布与 演化称为地球化学场。
• 将地壳或者地球表层系统中某一点放在直角 坐标系（x.y.z）中，该点任一时该t，存在 着j个相，每个相有i个地球化学指标，该点 指标i可表示为
1)、概念：天然物质中能够作为找矿线索，以及对 解决某些地质问题具有指示作用的化学元素，称 为指示元素。例如：可利用As、Cu找金矿
2)、分类： 对于找矿的指示元素，按对找矿所起的作用：
a、通用指示元素：能够指示多种矿床(或矿化)存 在的元素，如：Cu、Pb、Zn、Au、Ag、Sb、 Hg、U等热液矿床都有Hg的异常，Hg指示这些 矿床的存在，Hg被称为通用只是元素。
• 地球化学异常含义： • 地球化学特征不同、具有一定的空间范围、
地球化学指标偏离背景值。简言之，由异常 现象、异常范围、异常值三层含义构成完整 的地球化学异常概念。
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二、地球化学异常分类、地球化 学指标
(一)、地球化学异常分类
1、根据地球化学异常与背景值比较
正异常：异常数值高于背景值上限
负异常：异常数值低于背景之下限
b、直接指示元素：能够直接指示某种矿床(或矿化) 存在的元素，通常是矿床中的主要成矿元素。如： Au是找金矿、Cu是找铜矿的直接指示元素。15
c、间接指示元素：间接指示某种矿床(矿 化)存在的元素，通常是矿床中与主要成 矿元素相伴生的元素。如：As、Cu找金 矿，Tl找金矿等，因此As、Cu和Tl是间接 指示元素。
球化学异常；又分为：
矿体(矿床)异常：与矿体(矿床)有关的各 类地球化学异常，
矿化异常：与不具工业价值的矿化有关 的各类地球化学异常，
• 非矿异常：与矿体(矿床)、矿化无关的异常， 如：由其它自然作用及其人为因素等起因的 异常。
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4、根据地球化学异常的成因及赋存介质不同
a.原生异常：在成岩或成矿作用中形成赋存在 基岩中的异常，统称原生异常。
• 2．地球化学场是一个连续的非均匀场。 • 3．地球化学场是一个不可逆动态演化的非稳
定场。 • 4. 地球化学场的指标不具有传递性。
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• 通过与地球物理场的对比分析研究可知，地球化 学场不能象地球物理场那样用仪器在地表探测天 然的或者人工的场的变化来推断解释地质构造和 异常物质的分布，它只能根据研究精确程度的需 要，进行系统的地球化学采样，分析测试地球化 学指标近似逼近地球化学场的真实特征。
• （1）原生环境，是指天然降水循环面以下直到岩 浆分异和变质作用发生的深部空间的物理化学条件 的总和；
• （2）次生环境，是地表天然水、大气影响所及的 空间所具有物理化学条件的总和。在地表发生风化、 土壤形成和沉积作用以及到大气圈、水圈、生物圈 和地球表层疏松物所处的环境都属表生环境。