地球化学作业——微量元素的地质应用

地球化学
第一次课后作业
班级： 021131班
姓名：刚果河边草泥马
指导老师：张利
微量元素的地质应用
微量元素是研究自然物质和自然体系中微量元素的分布规律、存在形式、活动特点、控制因素及其地球化学意义的地球化学分支学科，是地球化学学科的一个重要分支，它的研究内容为不同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。

而微量元素具有很多其他主量元素无法表现的特点，如含量更低，含量变化更大，比主量元素更灵敏，数量以及分类更多，来源更复杂等特点，所以微量元素可以提供大量主量元素所表达不出的地质信息。

基于以上的特点，微量元素作为一种主要的工具，运用于地质中的方方面面，将实际资料和模型计算相结合，能够近似定量地解决元素在共存相中的分配问题，并反映相关的地质意义。

而且随着科技的发展，不止在地质领域，在物证鉴定、古文化传播研究等方面都有了广泛的应用。

以下是为本人阅读的相关文献，总结了微量元素的相关地质应用。

一、微量元素可以推断岩浆演化和成岩过程
这种应用通常要根据大离子亲石元素来判断，依据其含量的变化来判断岩浆的演化过程和成岩的过程，如Sr/Ca的比值可反映其岩浆的演化分异程度。

以《广西三叉冲钨矿有关岩体岩石成因：锆石U-Pb年代学、元素地球化学及Nd同位素制约》这篇文献为例。

在文章中，作者要分析中粒黑云母花岗岩和细粒二云母花岗岩的区别。

首先取样分析其相关大离子亲石元素的含量变化，中粒黑云母花岗岩具有较高的大离子亲石元素含量(Rb = 120—260 μg/g, Ba =5 44—823 μg/g, Sr = 399—677 μg/g)。

对比之下，细粒二云母花岗岩具有相对较高的 Sr 含量(444—661 μg/g, 表 2)和相对较低的 Rb (62—189 μg/ g)、Ba(101—806 μg/g)含量。

在稀土元素分布模式图(图 7)中, 中粒黑云母花岗岩和细粒二云母花岗岩都为轻重稀土分异明显右倾式。

没有或具有弱的Eu 异常(δEu = 0.7—1.1)。

对比之下，相对于中粒黑云母花岗岩(La N/Yb N = 8.1—28.2), 细粒二云母花岗岩(La N/Yb N = 9.6—29.1)具有更强的轻重稀土分异程度。

在 Rb-V 和 Rb-SiO2 图(图 8)中, 中粒黑云母花岗岩和细粒二云母花岗岩表现出不同的演化趋势。

以上便是用微量元素来分析两种岩浆岩的区别，之后再进一步分析其成因。

作者认为，在 Rb-V 图解(图 8)中, 随着V的降低, 中粒黑云母花岗岩Rb 的含量略微有所上升。

因为 Rb 在黑云母中的分配系数大于 1, 而 Rb 在角闪石中的分配系数小于 1, 所以这种关系表明, 在中粒黑云母花岗岩的演化过程中,暗色矿物主要是以角闪石的分离结晶为主, 黑云母的分离不明显。

又通过其他证据，他认为，广西三叉冲地带中粒黑云母花岗岩是由早中元古代中-高钾玄武质岩石部分熔融产生的酸性熔体与地幔来源的基性熔体发生混合作用后形成的。

三叉冲中粒黑云母花岗岩的成分具有较大的变化, 是分离结晶在岩浆演化过程中作用的结果。

而细粒二云母花岗不同。

在 Rb-V 图解(图 8)中, 细粒二云母花岗的 Rb 随 V 含量的降低而降低。

因为 Rb 主要富集于黑云母中, 所以这种关系表明在细粒二云母花岗岩的演化过程中, 暗色矿物主要是以黑云母的分离结晶为主。

同时, K2O、 CaO 和 Al2O3 随 SiO2 的升高而降低表明有钾长石和斜长石的分离结晶。

但细粒二云母花岗岩没有或者有弱的 Eu 负异常(δEu = 0.7—1.1), 这是镁铁矿物(主要是黑云母)与长石的分离结晶共同作用的结果, 使得分离矿物相对 Eu 的整体分配系数接近 1。

P2O5 和 TiO2 随 SiO2增加而减少指示了磷灰石和榍石的分离结晶。

另外，文献中提到，Peccerillo et al的主元素和微量元素的模拟计算结果也表明, 在部分熔融过程中,不相容元素的比值变化较大(如 La/Lu、Th/Nb), 而在分离结晶过程中由于分离相对不相容元素的分配系数相似, 故其比值不会产生较大变化。

而细粒二云母花岗岩的 La/Lu 比值明显要高于中粒黑云母花岗岩, 这表明两者是受部分熔融作用控制的, 两者之间不存在分离结晶演化关系。

根据这篇文献的研究，可以说，微量元素可以推断岩浆演化和成岩过程，尤
其是大离子亲石元素等元素的含量变化，文献中运用它判断其主要以什么矿物的分离结晶为主，进一步推断其分异程度；此外还可以进行部分熔融作用的定量模型计算。

通过以上，即可以推断出其演化过程，演化程度包括岩浆岩与岩浆岩的关系。

二、微量元素可以推断成矿作用
还是以《广西三叉冲钨矿有关岩体岩石成因：锆石U-Pb年代学、元素地球化学及Nd同位素制约》这篇文献为例，它以微量元素来分析成矿能力。

在细粒二
云母花岗岩中常见辉钼矿的出现 , 且出
现大量黄铁矿化, 而在中粒黑云母花岗
岩则未发现辉钼矿。

同时, 微量元素数据
表明, 细粒二云母花岗岩具有比中粒黑云母花岗岩高的多的 W、Mo 含量(图 1 1)。

岩相学及微量元素数据表明细粒二云母花岗岩具有更强的 W、Mo 成矿能力。

另外，在《青海省都兰县双庆铁矿床金属硫化物地球化学特征及其指示意义》这篇文章中运用了微量元素温度计，文章指出，双庆铁矿床的闪锌矿 Zn/Fe 的变化范围为 3.65—7.56, 平均为 5.6(＜10), 属于中偏高温型闪锌矿。

另外, 徐国风统计闪锌矿中的 Zn/Cd 比值表明, 闪锌矿中的 Zn/Cd 比值越高说明其形成温度越高。

双庆铁矿床的闪锌矿 Zn/Cd 的变化范围为248.75—358.31, 平均为 290.77, 说明本矿床的闪锌矿形成温度偏高, 亦证实双庆铁矿床的闪锌矿属于中偏高温型闪锌矿。

闪锌矿作为地质温度计推算其形成温度已得到认识和研究。

文章提到，卢焕章根据闪锌矿与黄铁矿或闪锌矿与黄铁矿和磁黄铁矿共生时的 Fe 元素含量, 即 Fe 以类质同像形式进入闪锌矿时两者存在生成温度的函数关系, 得出闪锌矿地质温度计和压力计的结论。

此外，童潜明根据闪锌矿
-方铅矿中 Cd 元素的分配,
利用 Cd 在各自矿物中的分
配系数来探讨闪锌矿的形成
温度。

根据地质热力学原理,
即共生矿物对的微量元素分
配系数建立起 Zn-Cd-Mn-S
体系的地质温度计。

此文献便
通过微量元素温度计，对双庆
铁矿床的闪锌矿进行温度计
算, 得出其平均温度约为 284.9 ℃属于中偏高温型闪锌矿(250—300 ℃)。

通过计算得出的闪锌矿类型与闪锌矿中 Zn/Fe 比值和 Zn/Cd 比值确定的闪锌矿类型相吻合。

并最终分析综合早晚两阶段所有闪锌矿的 Zn/Fe 比值及 Zn/Cd 比值确定属于中偏高温型闪锌矿(250—300 ℃)；通过童潜明利用闪锌矿地质温度计的计算方法, 得出得出闪锌矿平均生成温度约为 284.9 , ℃属于中-高温型闪锌矿, 与 Zn/Fe 比值和 Zn/Cd 比值确定的闪锌矿类型吻合。

综上，微量元素还可以判断成矿温度、成矿阶段和成矿能力等相关成矿作用的变化。

两篇文献中，一篇运用微量元素的变化反应对应矿物的成矿能力，另一
篇是不同微量元素的变化对应不同的温度，从而推断成矿作用。

三、微量元素可以推断沉积作用
以《贵州碳酸盐岩风化壳主元素、微量元素及稀土元素的地球化学特征》这篇文献为例，作者（莫非是张利老师？）统计了清镇剖面稀土元素的含量及参数,从中总结书稀土元素(Ce 除外)在从岩粉到岩土界面土样出现异常高值, 然后向上随着土层的不断淋滤, 稀土元素含量逐渐减小, 甚至低于岩粉层的含量。

风化壳∑LREE、∑HREE 以及∑REE 的范围分别为: 137.1—1129.7 μg/g, 30. 3—684.5 μg/g, 167.4—1814.2 μg/g。

从岩土界面土样到顶部表层土, LREE、HREE 以及 REE 的含量逐渐减小, 说明土层在发育过程中稀土元素经历了一定程度的淋滤丢失。

风化剖面由岩粉到表层土, LREE、HREE 以及 REE 具有较为相似的变化规律。

从岩粉层过渡到岩土界面土样, ∑REE 急剧增加, 由 237.2 μg /g 增加到 1814.2 μg/g, ∑REE 达到整个风化壳的最大值。

土层 REE 虽有一些波动, 但总的趋势是自下而上逐渐降低。

铁壳层中的 REE含量最低, 只有 16 7.4μg/g, 其值与上陆壳 (∑REE = 168.4 μg/g)十分相近, 进一步对比铁壳层与上陆壳稀土元素含量可知, 铁壳层各稀土元素的含量与上陆壳的含量在0.01 水平(双侧)上显著相关, 相关系数达到 0.987。

风化壳∑LREE 占∑REE 的 62%—87%, 而∑HREE 只占到很少的部分, 仅为 13%—38%, 说明总稀土主要来自 LREE, 较小来自 HREE。

从∑LREE/∑HREE 随深度的变化可以看出, 由岩土界面到表层土样比值先减少再增加再减少。

岩土界面土样∑REE = 1814.2 μg /g 与 HREE% = 37.7是风化壳中的最大值, 但轻稀土所占比例 (LREE% = 62.3)与∑LREE/∑HREE = 1.65 却是剖面的最小值,表明岩土界面土样稀土元素富集程度最高,分馏程度最低。

综上所述, 土层发育初期稀土元素富集较大分馏较小,到剖面中部轻稀土富集程度明显较轻, 重稀土分馏变大, 到剖面上部轻重稀土元素都亏损且分馏变小, 但土层∑LREE/ ∑HREE 均大于岩粉层轻重稀土元素的比值, 说明风化土层分馏程度大于岩粉层。

即得出红土形成时期稀土元素首先经历了富集过程, 尔后随着红土化作用的影响,稀土元素产生一定程度的分馏, 后期经过水的淋滤过程, 土层中的稀土元素被匀化。

后又分析了其元素迁移率。

作者分析说， Gd、Tb、Dy、Ho、Er、 Tm、Yb 和 Lu 的迁移率分别为–77%、–74%、–66%、–53%、–43%、–32%、–24%
和–16%, Lu 在整个剖面中, 除了在铁壳层轻微亏损外, 在其他土层均为富集。

与 LREE 比 HREE 更稳定的观点相反。

稀土元素中 LREE 比 HREE 淋滤程度大, 可能是由于不同含稀土元素矿物的抗风化淋滤差异性导致的。

Y 在整个土层中都呈现富集。

TOC 两次急剧的减小, 使得稀土元素的迁移率也出现了相应的减小。

Ce 的变化使得稀土元素的风化有别于其他稀土元素, 而从稀土元素中分离,表现出不同地球化学特征。

逐步得出结论，风化壳的沉积过程与变化以及分带，样品稀土元素球粒陨石标准化后整体向右倾斜, 且 Ce 出现正负异常, Eu 轻微负异常。

以风化前缘为分界, 在风化前缘以下的下部土层, Ce 负异常；风化前缘以上的中上部土层, Ce 正异常。

在剖面中上部土层, 稀土元素中 LREE 比 HREE 淋滤程度大。

风化壳∑REE 的变化范围为 167.4—1814.2 μg/g, REE 从剖面下部往上逐渐减少,佐证了稀土元素的迁移主要受淋滤作用影响, 但在铁壳层和风化前缘 REE均出现波动, 其变化与主元素和微量元素较为一致, 说明稀土元素还受剖面其他因素的影响。

另外，在文献《云南思茅盆地江城上白垩统勐野井组稀土微量元素特征及地质意义》中提到，前人根据碎屑岩的 Cr/Co 比值来判别物源区的距离远近, 这个比值越小则物源区距离越大。

于是作者进行判断，勐野井组细碎屑岩Cr/Co 比值变化范围为 4.53—153, 平均为 20.2；扒沙河组两个样品 Cr/Co 比值分别为7.09 和 27.8, 变化幅度也较大, 平均为 17.5。

整个剖面从下到上, 该值有减小的趋势, 说明地层沉积期间其物源距离越来越远。

按含盐性特征来看, 该值从碎屑沉积阶段(257—302 m)对应的平均值为 54.6 到成钾期(118—252 m)的 11.6, 明显减小, 说明在钾盐沉积段物源距离有所增加。

根据区域地质资料,西部澜沧江隆起带大面积的华力西晚期含钾花岗岩体及沿东西边缘大断裂带的石炭系-二叠系-三叠系中广泛分布的含钾火山岩和火山岩沉积岩石, 这些岩石的风化可能提供了部分成矿物质, 这与成钾期 Cr/Co 比值明显减小, 其物源距离增加也是一致的。

综上，可以根据微量元素判断沉积过程中的变化，如风化壳的淋虑作用，以及物源距离远近等，进一步判断其沉积作用。

两篇文献中，前者运动微量元素推断出风化壳的变化以及沉积过程中受到的作用和元素迁移率，另一篇则根据微量
元素的变化推断物源距离的远近。

四、微量元素可以判断构造环境
在文献《云南思茅盆地江城上白垩统勐野井组稀土微量元素特征及地质意义》中提到，Bhatia 通过对不同构造背景下形成砂岩的稀土元素特征的研究, 建立了不同源区构造背景下杂砂岩的稀土元素特征判别标志, 将思茅盆地晚白垩世勐野井组泥岩的稀土元素特征值与之对比, 发现勐野井组细碎屑岩稀土元素含量明显高于大洋岛弧碎屑岩的稀土元素含量, 具有较高的稀土总量, ∑REE 为 143—229 μg/g, 平均为 174 μg/g, 低于被动大陆边缘的稀土总量(210 μg/g), 介于大陆岛弧的稀土总量((146±20) μg/g)与活动大陆边缘的稀土总量(186 μg/g)之间；轻重稀土比值∑LREE/∑HREE 为 8.92, 与被动大陆边缘的轻重稀土比值 8.50 接近；具有较高的La/Yb比值, (La/Yb)N值平均为9.
06 ；并且具有较明显的 Eu 负异常, δEu 值平均为 0.61。

样品稀土元素特征介于被动陆缘与活动陆缘沉积物特征之间。

Roseretal根据对世界不同地区已知构造背景的古代砂岩、泥岩与现代砂泥质沉积物的主元素特征的研究, 认为 K2O/Na2O 是反映构造环境最有效的指标, 并总结出了砂岩和泥岩的构造背景判别图。

在 K2O/Na2O-SiO2/Al2O3 判别图(图 7a)中, 研究区勐野井组样品落在被动大陆边缘一侧, 表明勐野井组细碎屑岩物源区具有被动大陆边缘的构造背景。

主元素 SiO2-K2O/Na2O 判别图解也指示了勐野井组细碎屑岩与扒沙河组砂岩样品均具有被动大陆边缘的特点。

另外利用 La-Th-Sc, Th-Sc-Zr 和Th-Co-Zr 判别图解[32–33]对思茅盆地白垩纪泥、砂岩样进行了投点分析(图8)。

结果表明在 La-Th-Sc 图解上少数样品成分有被动陆缘的特征, 而Th-Sc-Zr 和 Th-Co-Zr 图解上样品基本落在活动陆缘与大陆岛弧区域。

通过 La-Th-S
c、Th-Sc-Zr 和 Th-Co-Zr 判别图解显示研究区勐野井组细碎屑岩具有活动大陆边缘的地球化学特征, 这可能是陆相盆地沉积物的微量元素和稀土元素具有构造背景继承性的特征, 反映的是源岩形成的构造背景，最终判断研究区勐野井组细粒碎屑沉积岩形成于被动大陆边缘构造背景。

综上，微量元素如稀土元素的含量可以判断其构造背景，形成于哪里。

五、小结
微量元素的地质应用十分广泛，此处只例举了几个，实在无法尽数罗列。

另外，相关专业用语可能不是十分透彻，只能做部分小谈，有一个综述性的了解。

同时，阅读这些文献也确实有了新的认识，感到微量元素的应用实在是广泛而且复杂，可以在岩浆作用、沉积作用、构造、成矿都有所应用，似乎与每一种地质作用都密切相关，都有所应用，但也正是由于这种复杂和多样，从什么角度出发，从什么角度破题，运用什么手段，都是很值得思考的问题。

如果用微量元素去分析，切入点对了那么效果显著；但如果墨守成规，不懂变通，不会灵活的使用，那么就会堵在围墙里翻不出来。

所以说，微量元素的具体应用，真的很灵活很多变，需要细心缜密但又大胆的推敲。

参考文献：
1、云南思茅盆地江城上白垩统勐野井组稀土微量元素特征及地质意义，石海岩、马海洲等，地球化学，2014年第4期7月；
2、广西三叉冲钨矿有关岩体岩石成因：锆石U-Pb年代学、元素地球化学及Nd 同位素制约，王炯辉、王志强等，地球化学，2014年第6期11月；
3、咸化湖盆白云岩碳氧同位素特征及古环境意义_以柴西地区始新统下干柴沟组为例，袁剑英、黄成刚等，地球化学，2015年第3期5月；
4、青海省都兰县双庆铁矿床金属硫化物地球化学特征及其指示意义，何朝鑫、陈翠华等，地球化学，2015年第4期7月；
5、贵州碳酸盐岩风化壳主元素、微量元素及稀土元素的地球化学特征，张莉、季宏兵等，地球化学，2015年第4期7月。