第六章微量元素地球化学(2012)解析

对于实际气体溶液体系，组分i的化学势为：
i
=
0 i
+
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。
✓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
1300
1205
Fa
Olivine
20
40
60
80
Fo
镁橄榄石 wt%
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
➢能斯特分配定律——研究共存相中微量元素的分配
✓化学势
化学势：物质的克分子Gibbs自由能
➢类质同象（Goldschmidt定律）— 揭示结晶过程中微量元素的行为
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
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
Bi
黑云母 Biotite
Hb/Amp角闪石 Hornblende
K2Fe6Si6Al2O20(OH)2
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
单斜辉石 Clinopyroxene
▪ 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)：
K或D1，倾向于富集在熔体相
▪ 相容元素(compatible) ：
0.2
K或D 1，倾向于富集在结晶相
Ni、CBiblioteka Baidu、Co
12 34 56
电价
四、支配微量元素地球化学行为的主要定律
= KD(P，T)
显然，在P、T恒定的条件下， xj/ xj是一个常数
❖ 能斯特(Nernst)分配定律：在给定的P、T条件下，微量
元素j在2相间达到平衡时，其在2相的浓度比不随组分含
尖晶石 Spinel
MgAl2O4
石榴石 Garnet
(Fe,Mg,Ca)3Al2Si3O12
锆 石 Zircon
ZrSiO4
第六章 微量元素地球化学
§1 微量元素地球化学的一些基本理论问题 §2 岩浆过程的微量元素定量模型 §3 稀土元素地球化学
§1 微量元素地球化学的一些基本理论问题
一、微量元素的概念
➢ 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。
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
❖ 常用分类
▪ 主元素（major elements）
1.8
▪ 过渡(族)元素（transition elements）
▪ 稀土元素(REE)
▪ 铂族元素(PGE)
1.4
▪ 惰性气体元素(Noble gas)
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
第六章 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
SiO2
Kf
钾长石 Orthoclase
Ab 钠长石 Albite
An 钙长石 Anorthite
Ne 霞 石 Nepheline
KAlSi3O8 NaAlSi3O8 CaAl2Si2O8 NaAlSiO4
微量元素在不同相内的存在犹如溶质溶于溶剂之中。由 于微量元素的含量很低，则对于微量元素而言，可以把这种 溶液看作稀溶液。
✓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 ❖ i是组分i的亨利常数，
与 组 分 含 量 xi 无 关 ， 与 P 、 T条件有关
达到两相平衡： j = j
则有：
j0, + RT•Lnaj = j0, + RT•Lnaj
得到：
Ln( aj/aj )= ( j0, - j0, ) / RT
❖由于：aj = j •xj 因此有 aj/aj = ( xj/ xj ) • ( j/ j )
故得到： xj/ xj = ( j/ j ) • EXP [ ( j0, - j0, ) / RT ]
→ Ca
Rb、Pb、Ba → K
Ni
→ Mg
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
1900 Liquid
1890
Mg2+ 比Fe2+ 的离子半径小， 因此，在橄榄石与熔体的
1700
平衡体系中，橄榄石中MgT oC
的含量高于熔体
1500
Nb, Ta Zr, Hf
CaMgSi2O6
斜方辉石Orthopyroxene (Mg,Fe)2Si2O6
橄榄石 Olivine
(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)
❖ 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 对于地壳，O，Si，Al，Fe，Mg，Ca，Na，K，Ti常量 元素，其他是微量元素
二、 微量元素在地质体中的赋存型式
▪ 独立矿物
U、Hf → ZrSiO4
▪ 类质同像替代 !!!!!
Sr、Eu → Ca Pb、Ba → K
Ni
Mg
▪ 晶格缺陷 ▪ 吸附
三、 微量元素分类 ❖ Goldschmidt分类
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