微量元素地球化学模板.ppt

1.1 微量元素的定义
❖ 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
微量元素j，溶质，在稀溶液体系中；2相，相，相
❖元素j在2相中的分配达到平衡时，他们的化学势相等
元素j在相有：j = j0, + RT•Lnaj
元素j在相有：j = j0, + RT•Lnaj
❖ 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: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
1.2. 微量元素在地质体中的赋存型式
《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
Kf 钾长石 Orthoclase
Ab 钠长石 Albite
An 钙长石 Anorthite
Ne 霞 石 Nepheline
Bi
黑云母 Biotite
Hb/Amp 角闪石 Hornblende
SiO2 K[AlSi3O8] Na[AlSi3O8] Ca[Al2Si2O8] Na[AlSiO4] K(Mg,Fe)3[AlSi3O10](OH,F)2
K或D1，倾向于富集在熔体相 0.2
▪ 相容元素(compatible) ：
K或D 1，倾向于富集在结晶相 Ni、Cr、Co
12 34 56 离子电价
1.4 支配微量元素地球化学行为的主要物理化学定律
1.4a Goldschmidt三定律
Goldschmidt定律一
两个离子，如果他们具有相同的电价和离子半径，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
Goldschmidt定律三
两个离子，如果他们具有相似的离子半径，但是电价不同， 那么，电价高的离子倾向于进入固体相
如，相对于Fe2+、Mg2+，Cr3+、Ti4+总是倾向于进入固体相
1.4b 化学势、逸度、活度
化学势：物质的各分子Gibbs自由能
对于实际气体溶液体系，组分i的化学势为：
i
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=
0 i
1.8
▪ 稀土元素(REE)
▪ 铂族元素(PGE)
▪ 惰性气体元素(Noble gas)
1.4
离子半径10-10m
▪ 高场强元素(HFS)
离子半径小，电价高
1.0
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
0.6
▪ 不相容元素(uncompatible)：
▪ 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）
1.3 微量元素分类
❖ 基本的化学分类 ❖ Goldschmidt分类 ❖ 一般的地球化学分类 ❖ 常用分类 ❖ 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
+
RT•Lnfi
fi 为逸度
对于溶液和固熔体体系，组分i的化学势为：
i
=
0 i
+
RT•Lnai
ai 为活度
ai = i •x i
i 为活度系数，代表实际溶液对理想溶液的偏差，与系统的
组分、熔体的结构、温度、压力等有关。
1.4c 固熔体、稀溶液与亨利定律
固熔体：一般采用研究溶液体系发展出来的理论模型来处理固体
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
→ Ca
Rb、Pb、Ba → K
Ni
→ Mg
Goldschmidt定律二
两个离子，如果他们具有相同的电价，和相似的离子半径， 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, Ta Zr, Hf
❖ 基本的化学分类
❖ 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
❖ 一般的地球化学分类
❖ 常用分类
▪ ▪
主元素（major elements） 过渡(族)元素（transition elements）
亨利定律：
❖ 当 组分 i的含 量 xi 无 限 小
时，其活度ai正比与组分
含量xi
ai = i •xi
ai
❖ i是组分i的亨利常数，
与组分含量xi无关，与P、 0
T条件有关
xi
1.0
1.4d Nernst分配定律与分配系数
❖考虑微量元素在固体相和液体相之间的分配关系，这2相的关系是 地质过程中最主要的关系。
锆 石 Zircon
ZrSiO4
第一部分
微量元素地球化学的一些基本理论问题
1.1 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
(Mg,Fe)2SiO4
磁铁矿 Magnetite
Fe3O4
钛铁矿 Ilmanite
FeTiO3
磷灰石 Apatite
Ca5[PO4]3(F,Cl,OH)
榍 石 Titanite
CaTi[SiO4](O,OH,Cl,F)
尖晶石 Spinel
MgAl2O4
石榴石 Garnet
(Fe,Mg,Ca)3Al2[SiO4]3
Cpx Opx Ol Mt Ilm Ap Sph/Ti Sp Grt Zr
(Ca,Na)2~3(Mg,Fe2+,Fe3+,Al)5[(Al,Si)4O11]2(OH)2
透辉石 Diorite
CaMg[Si2O6]
紫苏辉石Orthopyroxene (Mg,Fe)2[Si2O6]
橄榄石 Olivine