元素在地球中的演化特征及演化规律

元素在地球中的演化特征及演化规律

摘要：元素在地球中特别是在上地壳中的演化规律，前人已经研究的很多了，相关的文献也异常丰富。而利用稀土元素演化特征来探讨岩石、矿物甚至矿床成因,是地质科研及找矿工作的一个有效手段，作者也刚刚学习过《地球化学》这门课，因此结合所学和搜集的相关资料，本文将重点探讨稀土元素在地球演化中的特征，演化规律以及应用。

关键词：稀土元素、演化特征、规律

稀土就是化学元素周期表中镧系元素——镧(La）、铈(Ce）、镨(Pr）、钕(Nd）、钷(Pm）、钐(Sm）、铕(Eu）、钆(Gd）、铽(Tb）、镝(Dy）、钬(Ho）、铒(Er）、铥(Tm）、镱(Yb）、镥(Lu），以及与镧系的15个元素密切相关的元素——钪(Sc)和钇(Y)共17种元素，称为稀土元素。其中61号元素Pm(钷)同位素衰变太快,自然界尚未测定出来,故应用中只利用其14个元素。由于同族元素钇(Y)的地球化学性质与稀土元素相似且密切伴生,故通常把钇也归于此类,用REE或TR 示之。

稀土元素多数呈银灰色，有光泽，晶体结构多为HCP或FCC。性质较软，在潮湿空气中不易保存，易溶于稀酸。

原子价主要是正三价（铈正四价较稳定，镨和铽也有极个别的四价氧化物，钐、铕、镱有二价化合物），能形成稳定的配合物及微溶于水的草酸盐、氟化物、碳酸盐、磷酸盐及氢氧化物等。

在三价稀土氧化物中，氧化镧的吸水性和碱性与氧化钙相似，其余则依次转弱。三价稀土的化学性质除钪的差异较显著外，其余都很相似，所以分离较难。

一般把稀土元素分为两组,即La(57)-Eu(63)为轻稀土或铈族稀土,用LREE示之;Gd(64)-Lu(71)为重稀土,一般把钇(Y)计入重稀土,故又称钇族稀土,用HREE 或Y示之。但也有把稀土元素划分为三组的,即轻稀土(LREE,La-Nd)、中稀土(MREE,Sm-Ho)及重稀土(HREE,Er-Lu),但一般均采用二分法

2常用稀土元素特征指数

此处只列出了常用稀土元素特征指数的种类、计算方法及其指示意义,致于造成其变异的原因,将有专文报道。

(1)REE:稀土元素总量,单位以10-6

计,一般包括Y,有的不包括,应注明。REE在岩浆岩中按超基性基性中性酸性碱性顺序递增。

(2)LREE、HREE:即轻、重稀土含量,单位以10-6计。

(3)LREE/HREE或Ce/Y:轻、重稀土元素含量比值,反映轻、重稀土元素分异程度。HREE形成络合物的能力及迁移能力均大于LREE,所以依岩浆分异演化顺序从早到晚递增。

(4) u:表示Eu异常度, u>1为正异常,反之为负异常,等于1为无异常。采用球粒陨石标准化后数值计算,其计算公式为: u=(Eu)N/0.5(Sm+Nd)N(在稀土元素特征指数中,凡右下角标有∀N#者,即是用球粒陨石标准化后计算)。在稀土元素球粒陨石标准化图解(又称科里尔图解)中,正异常为峰,负异常为谷,无异常为直线。 u值越小,则岩石的分异指数(DI)越大,则分异度越高。造成Eu严重亏损主要有三个原因,即多次分馏、广泛交代作用及多阶段分离结晶的结果(Zielinski和Frey)。Drake(1975)认为: u与fo2存在反比关系,Taylor认为:太古代以后的沉积岩,δu<1,太古代以前者, δu∃1。据王中刚报道, u大的花岗岩多由地壳深部较基性的岩石经重熔作用或基性岩浆分异作用形成,而 u 值小的花岗岩则为地壳浅部岩石经重熔作用形成。

(5)Eu/Sm:Cullers等用此指数表示Eu异常度,以球粒陨石的Eu/Sm=0.35为标准,大于此值为Eu正异常,小于此值为Eu负异常,等于此值为Eu无异常。实际上

Eu/Sm值反映的是岩浆演化分异程度。

(6)Ce:表示Ce异常度,Ce>1为Ce正异常,Ce<1为Ce负异常,Ce=1为Ce 无异常。Ce是由稀土元素含量经球粒陨石标准化后计算的,其计算公式

为:Ce=(Ce)N/0.5(La+Pr)N。一般认为Ce亏损是古俯冲带及古洋壳残骸标志之一。

(7)(La/Yb)N、(La/Lu)N、(Ce/Yb)N:这三个指数是球粒陨石标准化科里尔图解中曲线斜率的程度,反映轻重稀土分馏度。在岩浆岩中,一般侵位浅者大于侵位深者。这些指数值大,即斜率大,曲线右倾(左高右低),说明富集LREE(如酸性岩浆岩);如这些指数值近似于1,曲线走势接近水平,属球粒陨石型模式(如大洋拉斑玄武岩、科马提岩等);此值小于1,为亏损型,即HREE富集型(如浅色花岗岩等)。

(8)La/Sm:反映轻稀土分馏度,此值越大,LREE越富集。

(9)(Gd/Yb)N:反映重稀土分馏度,此值越小,重稀土越富集、LREE/HREE越小。

(10)Sm/Nd:划分轻、重稀土富集类型,此值小,为轻稀土富集型。Sm/Nd值在岩浆岩中从超基性基性中性酸性碱性渐减,一般低于球粒陨石标准值(033)。Sm/Nd深源大于浅源,壳层为01~031,深源可达05~10。据!A 拉索夫,地壳Sm/Nd初始值为0308,大洋玄武岩为0234~0425,壳源花岗岩及沉积岩小于03。

(11)Nd/Eu:稀土元素分馏重熔度。

(12)Y/La:此值与深度成正比。

(13)La/Yb:轻稀土分馏度,此值大,富集轻稀土。(14)La/Y:与重熔度相关,此值浅源大于深源。(15)Ce/Nd:此值浅源大于深源。(16)Ce/La:侵位浅大于侵位深者。

(17)EV/OD:稀土元素奇偶比值:即偶数稀土元素(EV)含量之和与奇数稀土元素(OD)含量之和的比值。反映岩石成因类型及岩浆演化规律,岩浆岩从基性酸性或从侵位深侵位浅,此值一般趋于减小。

(18)稀土元素四分组效应:最早由Peppavd等(1969)提出,即把稀土元素按其性质的相似变化分成四组:La-Ce-Pr-Nd,(Pm)-Sm-Eu-Gd,Gd-Tb-DY-Ho和

Er-Tm-Yb-Lu,并进一步划分为W型和M型,W型分布曲线为Dy、Yb下凹而Er上凸;而M型则相反,Ce、Sm、Dy上凸,而Nd、Gd及Er下凹。稀土元素如存在四分组效应,说明在其演化(或成岩成矿) 过程中有水参与。

分布特征

稀土元素在自然界的丰度和分布地壳中稀土元素的丰度为0.34～31ppm,总量

为112ppm。稀土元素在陨石、月球、地球各种岩石中的分布有如下规律。①在岩浆岩中,从超基性岩→基性岩→中性岩→酸性岩→碱性岩,稀土元素总含量增加。基性、超基性岩相对富含重稀土，酸性岩，尤其是碱性岩富含轻稀土。②在中，以泥质岩石（如页岩）稀土含量最高，碳酸盐类（如）稀土含量最低。③稀土元素在地壳中的分布不均匀。地壳稀土组成相当于英云闪长岩，太古宙后地壳相当于花岗闪长岩。大陆地壳稀土元素总量高，相对富轻稀土;大洋地壳稀土元素含量较低,相对富重稀土。上地壳稀土元素含量高，相对富含轻稀土；下地壳稀土含量低，相对富含重稀土。④地球的稀土元素丰度与球粒陨石相似，原始地幔的稀土元素含量约为普通球粒陨石的1.9～2.6倍。⑤稀土元素在月表各种岩石中的含量相当于地球的 3～10倍。克里普岩（一种富钾、稀土和磷的岩石）稀土总含量达500ppm以上。⑥球粒陨石稀土元素总含量为数个ppm,铁陨石稀土元素含量最低。⑦河水、海水中稀土元素含量很低，总量低于1ppm，重稀土含量高于轻稀土。在自然界，稀土元素常形成独立矿物，共约 150种（包括亚种）。常见的工业矿物为、磷钇矿、氟碳铈矿、褐钇铌矿、黑稀金矿、硅铍钇矿、易解石等。

稀土元素的应用

1、稀土元素在传统产业领域中应用

——农业领域：目前发展有稀土农学、稀土土壤学、稀土植物生理学、稀土卫生毒理学和稀土微量分析学等学科。稀土作为植物的生长、生理调节剂，对农作物具有增产、改善品质和抗逆性三大特征；同时稀土属低毒物质，对人畜无害，对环境无污染；合理使用稀土，可使农作物增强抗旱、抗涝和抗倒伏能力。当前我国农田施用稀土面积达5 000—7 000万亩/年，为国家增产粮、棉、豆、油、糖等6—8亿公斤，直接经济效益为10—15亿元，年消费稀土1 100—1 200吨。稀土元素的应用

——冶金工业领域：稀土在冶金工业中应用量很大，约占稀土总用量的1/3。稀土元素容易与氧和硫生成高熔点且在高温下塑性很小的氧化物、硫化物以及硫氧化合物等，钢水中加入稀土，可起脱硫脱氧改变夹杂物形态作用，改善钢的常、低温韧性、断裂性、减少某些钢的热脆性并能改善加热工性和焊接件的牢固性。

------稀土在铸铁中作为石墨球化剂、形核剂核对有害元素的控制剂，提高铸件质量，对铸件的机械性能有很大改善，主要用于钢锭模、轧锟、铸管和异型件四