专家讲解—岩石地球化学REE处理

金振民教授（1994）发现 了橄榄岩的初始熔融物(5— 7%)在固相岩石中存在矿物 三联点位置(这是静态熔融 特征)，同时大量熔体在差 异应力驱动下沿着橄榄石矿 物颗粒边界分布，形成熔融 薄膜(见nature封面照片)。
此前为20100524, 2节
部分熔融产物 Ol＋Sp ＋ melt
The figure above is a back-scattered electron image of water-rich fluid pockets (dark), silicate melt quenched to glass (dark gray) and olivine crystals (a mantle mineral, light gray). The bright spots are another mineral (spinel) that formed when the experiment was quenched from the run conditions of 15,000 atmospheres pressure and 1050 degrees Celsius temperature. The white scale bar represents a length of 20 microns. earthscience.llnl.gov/ igpp/texture.php
岩浆演化中元素分配模型
不相容元素进一步划分：
小原子半径、高电荷的高场强元素 （HFSE, high field strength elements） REE, Th, U, Ce, Pb4+, Zr, Hf, Ti, Nb, Ta 低场强大离子亲石元素（ LIL, large ion lithophile） 它们极为活动，尤其是有流体存在，
Table 9-1. Partition Coefficients (CS/CL) for Some Commonly Used Trace Elements in Basaltic and Andesitic Rocks Rb Sr Ba Ni Cr La Ce Nd Sm Eu Dy Er Yb Lu Olivine 0.010 0.014 0.010 14 0.70 0.007 0.006 0.006 0.007 0.007 0.013 0.026 0.049 0.045 Opx 0.022 0.040 0.013 5 10 0.03 0.02 0.03 0.05 0.05 0.15 0.23 0.34 0.42 Cpx Garnet 0.031 0.042 0.060 0.012 0.026 0.023 7 0.955 34 1.345 0.056 0.001 0.092 0.007 0.230 0.026 0.445 0.102 0.474 0.243 0.582 1.940 0.583 4.700 0.542 6.167 0.506 6.950 Plag Amph Magnetite 0.071 0.29 1.830 0.46 0.23 0.42 0.01 6.8 29 0.01 2.00 7.4 0.148 0.544 2 0.082 0.843 2 0.055 1.340 2 0.039 1.804 1 0.1/1.5* 1.557 1 0.023 2.024 1 0.020 1.740 1.5 0.023 1.642 1.4 0.019 1.563
微量元素行为的宏观表现
矿物——是组成地球的基本 固体物质，元素赋存在矿物 之中，通过矿物的形成和变 化而具体体现。 两相平衡共存——是控制微 量元素分布和分配的主要过 程，微量元素在固相－固相 、熔体－熔体、熔体－固相 之间分配是控制元素分布和 含量变化的主要过程，也是 宏观表现。
例如：Ol＋熔体系统的元素分配
第三章、岩石地球化学数据的处理与解释
第一节、主量元素数据处理与解释
第二节、微量元素数据处理与解释
第三节、同位素数据处理与解释
第三章、岩石地球化学数据的处理与解释
第二节、微量元素数据处理与解释
一、控制微量元素行为的地球化学规律 二、稀土元素处理和解释 三、微量元素处理和解释
第三章、岩石地球化学数据的处理与解释
第三章、岩石地球化学数据的处理与解释
第二节、微量元素数据处理与解释
一、控制微量元素行为的地球化学规律
微观规律——地球化学亲和性、类质同象法则、晶体场理论 （对过渡金属），归纳为：化学和晶体化学因素，包括 原子（离子）的半径、配位数、原子和离子极化、最紧
密堆积等
宏观规律——体系性质和热力学规律的影响，如体系的化学 组成、温度、压力、氧化还原电位等
元素的相容性取决于共存的矿物和熔体
（玄武质和安山质岩石中常见元素矿物/熔体分配系数）
Table 9-1. Partition Coefficients (CS/CL) for Some Commonly Used Trace Elements in Basaltic and Andesitic Rocks
主量元素——能形成自己的独立矿物，其在各相中 分配受相律控制（f = K- φ+2）； 微量元素——常不能形成独立相，它们在固熔体、 溶体和溶液中浓度很低，因此微量元素的分配不受 相律的限制，而服从稀溶液定律（亨利定律），即 在分配达平衡时在各相间的化学势相等。 ——
当岩石发生部分熔融时，会出现熔体相和结晶相 （矿物相），微量元素可以选择性进入这两相。
Rare Earth Elements
元素的分配系数测定方法
A. 直接测定法 B. 实验测定法
元素的分配系数测定方法
A. 直接测定法：直接测定地质体中两平衡共存
相的微量元素浓度，再按能斯特分配定律计算出分配 系数。 例如——
测定火山岩中斑晶矿物和基质， 测定现代火山熔岩流中的矿物与淬火熔体（玻璃） 测定岩石中共存矿物的分配系数。
Cs (固相) Cl ( 液相)
例如Ol、Pl
这是指单一元素 、单一矿物相
Rb Sr Ba Ni Cr La Ce Nd Sm Eu Dy Er Yb Lu
Olivine 0.010 0.014 0.010 14 0.70 0.007 0.006 0.006 0.007 0.007 0.013 0.026 0.049 0.045
第二节、微量元素数据处理与解释
一、控制微量元素行为的地球化学规律 微量元素 （痕量元素，trace elements)
岩石中含量<0.1%的，
用ppm (g/g, 10－6),
或者 ppb (ng/g, 10－9)表示
国际单位使用的幂表示方法
名称 atto 符号 a 数值 10-18 名称 deca 符号 da 数值 10
元素分配系数
CA C固相 KD 或者 D＝———— ＝———— CB C液相
按照元素在岩浆作用中行为分类
相容元素：——D>>1, 优先进入矿物相，或残留相
例如：Ni, Co, V, Cr
不相容元素：——D<<1，优先进入熔体相，
D<0.1为强不相容元素,
例如：大离子亲石元素——K,Rb,Cs,Sr,Ba 高场强元素——Nb,Ta,Zr,Hf
Plag Amph Magnetite 0.071 0.29 1.830 0.46 0.23 0.42 0.01 6.8 29 0.01 2.00 7.4 0.148 0.544 2 0.082 0.843 2 0.055 1.340 2 0.039 1.804 1 0.1/1.5* 1.557 1 0.023 2.024 1 0.020 1.740 1.5 0.023 1.642 1.4 0.019 1.563
* Eu3+/Eu2+ Italics are estimated
计算 举例
Data from Rollinson (1993).
石榴石地幔橄榄岩 = 60% Ol＋25% Opx＋10% Cpx＋5% Gar (wt%)
计算结果：
DEr = (0.6 · 0.026) + (0.25 · 0.23) + (0.10 · 0.583) + (0.05 · 4.7) = 0.366
* Eu3+/Eu2+ Italics are estimated
Data from Rollinson (1993).
Rare Earth Elements
岩石中元素的分配系数（Di）
用于研究微量元素在矿物集合体（岩石）及与之平衡 的熔体之间的分配关系，常用岩石中所有矿物的分配 系数与岩石中各矿物含量乘积之和表达 。 Di = WA Di WA = 岩石中矿物含量 Di = 元素i在矿物A中的分配系数
femto
pico nano micro milli centi deci
f
p n μ m c d
10-15
10-12 10-9 10-6 10-3 10-2 10-1
hecto
kilo mega giga tera peta exa
h
k M G T P E
102
103 106 109 1012 1015 1018
微量元素行为的宏观表现
矿物——是组成地球的基本 固体物质，元素赋存在矿物 之中，通过矿物的形成和变 化而具体体现。 两相平衡共存——是控制微 量元素分布和分配的主要过 程，微量元素在固相－固相 、熔体－熔体、熔体－固相 之间分配是控制元素分布和 含量变化的主要过程，也是 宏观表现。
例如：Ol＋熔体系统的元素分配
归纳：控制主量元素和微量元素的规律
（1）地球化学过程的演化实质是元素
在共存各相（液—固，固—固）之间的
分配过程。
（2）自然过程趋向局域平衡，元素在
相互共存各相间的平衡分配取决于元素
及矿物的晶体化学性质及热力学条件。
Hale Waihona Puke Baidu
归纳：控制主量元素和微量元素的规律
（3）在自然过程中主量元素和微量元素在 各相间分配的行为是不同的。
B. 实验测定法：使用玄武岩做为初试实验材料
X.L. Xiong et al. / Chemical Geology 218 (2005) 339–359
B. 实验测定法：使用玄武岩做为初试实验材料
实验产物
X.L. Xiong et al. / Chemical Geology 218 (2005) 339–359
K, Rb, Cs, Ba, Pb2+, Sr, Eu2+
什么是HFSE
高场强元素(HFSE，High Field-Strength Elements) 元素的电荷(Z)与其半径(r )比值称为场强，相当于电 离势，
如果Z/r>3.0 (2.0), 称为高场强元素
如果Z/r <3.0，称为低场强元素。
目前应用最广泛的是斑晶-基质法 ——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。
A. 直接测定法：
斑晶-基质法
——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。
Opx 0.022 0.040 0.013 5 10 0.03 0.02 0.03 0.05 0.05 0.15 0.23 0.34 0.42
Cpx Garnet 0.031 0.042 0.060 0.012 0.026 0.023 7 0.955 34 1.345 0.056 0.001 0.092 0.007 0.230 0.026 0.445 0.102 0.474 0.243 0.582 1.940 0.583 4.700 0.542 6.167 0.506 6.950
元素的分配系数测定方法
B. 实验测定法：
(1) 用化学试剂合成与天然岩浆成分相似的玻璃物质； (2) 直接采用天然物质（如拉斑玄武岩）作为初始物质，实验使 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，然后测定在两相中元素浓度，得出分配系 数。 存在问题——实验测定分配系数的方法虽不断改善，但仍难于 证明实验是否达到平衡以及难于选纯矿物（近年可以用激光方 法进行微区研究了！），加上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，是应用实验结果研究实际 问题的难题。