地球化学

亲铁元素
• 亲铁性是元素在自然界以金属状态产出的一种倾向 性。在自然体系中，特别是在O、S丰度低的情况 下，一些金属元素不能形成阳离子，只能以自然金 属形式存在，它们常常与金属铁共生，以金属键性 相互结合，这些元素具亲铁性，属于亲铁元素。 • 代表性的亲铁元素有铂族、Cu、Ag、Au、Fe、Co、 Ni等。这些元素的基本特征是原子具有d亚层充满 或接近充满的电子构型，有18或18+ 2的外电子层 结构-称为惰性金属型构型。
当MgO <4% 时,最先结晶的为钛磁铁矿，该矿物的 结晶造成岩浆中 TiO2, V, 和 Fe 急剧降低。 当MgO < 3% 时, 磷灰石的结晶使得岩浆中的P和一 些 中稀土元素（HREE）降低。 当MgO < 1%， 碱性长石 (通常为透长石 sanidine) 发生结晶，造成Ba 和 Sr直线降低 当MgO < 0.1% ，锆石结晶， 岩浆中 Zr会降低。应 该指出的是很少岩浆会演化到如此极端的岩浆端 元，只有在强分异的流纹岩r Mantle has more gradual velocity increase
Figure 1-2. Major subdivisions of the Earth. Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall.
T,P
REE distribution of peridotite showing effect of mantle metasomatism
10 2
Continental Crust
Chondrite normalization
10 1
MORB P r im itive M a ntle
10 0
地球化学根据学科方向可划分为：元素地球化学、 同位素地球化学、实验地球化学等
地球化学根据研究对象划分：岩石地球化学、矿物 地球化学、矿床地球化学、环境地球化学等
地球化学诞生使得地质学家能够真正从“微观世界” 角度认识地球的形成和演化历史。
元素地球化学分类
元素分类
• • • • 亲氧元素（Oxyphile element or Lithosphile element) 亲硫元素(Sulfophile element or Chalcophile element) 亲铁元素(Siderophile element) 亲氧元素有K、Na、Ca、Mg、Nb、Ta、Zr、Hf、REE 等，它们的特征是：有惰性气体的电子层结构，电负 性较小 • 亲硫性元素有Cu、Pb、Zn、Au、Ag等，它们的特征是： 有18或18+2的外电子层结构，电负性较高。
(Hoffmann, 1994)
Table 8-3. Chemical analyses of some representative igneous rocks Peridotite Basalt Andesite SiO2 42.26 49.20 57.94 TiO2 0.63 1.84 0.87 Al2O3 4.23 15.74 17.02 Fe2O3 3.61 3.79 3.27 FeO 6.58 7.13 4.04 MnO 0.41 0.20 0.14 MgO 31.24 6.73 3.33 CaO 5.05 9.47 6.79 Na2O 0.49 2.91 3.48 K2O 0.34 1.10 1.62 H2O+ 3.91 0.95 0.83
• Trace elements:
– Concentration < 0.1 % – Substitue in crystals but do not form phases of their own
Note that...
• The above definition means that major and traces will behave in significantly different ways
The Earth’s Interior
Core:
Fe-Ni metallic alloy Outer Core is liquid

No S-waves
Inner Core is solid
Figure 1-2. Major subdivisions of the Earth. Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall.
Oceanic 43.7 22 7.5 8.5 7.1 0.33 1.6 7.6 1.1
Upper 44.7 21.1 1.9 5.6 1.4 0.08 0.15 24.7 0.12
Lower 43.7 22.5 1.6 9.8 1.7 0.11 0.84 18.8 0.08
Outer
10--15
Inner
lherzolite
44 2.2 8.2 41 2.2 89.9 3.376 65
eclogite
50 16 10 8 10 58.8 3.970 --
orthopyx clinopyx garnet
18 10 14
30 2 6
21 8 6
-50 50
Melting of mantle
Mantle melting Melt=basalt Qz tholeiite Tholeiite Residues=peridotite Lherzolite Harzbergite Olivine tholeiite Picritic tholeiite Dunite
K2O
H2O P2O5 Total
3.4
3.1
0.79
3.1
0.79 0.15 97.98
2.73
2.58
2.11
2.66
2.11 0.14 99.71
0.2 100.17
0.15 97.98
0.12 98.80
0.15 98.41
Comparison of continental crust and various basalts
– Major: control by mineral stability limits (P-T conditions) – Traces: independant (or partially independant, as will be discussed)
• Conceptually, some elements could be major in some systems, traces in other (cf .K in the mantle or Zr in crustal magmas)
Total 98.75 99.06 99.3
Rhyolite Phonolite 72.82 56.19 0.28 0.62 13.27 19.04 1.48 2.79 1.11 2.03 0.06 0.17 0.39 1.07 1.14 2.72 3.55 7.79 4.30 5.24 1.10 1.57 99.50 99.23
Composition of Earth shells
Elements wt% Crust O Si Al Fe Ca K Na Mg Ti C H Mn Ni Cr Mantle Core
Continental 41.2 28 14.3 4.7 3.9 2.3 2.2 1.9 0.4 0.3 0.2 0.07
G arn et harzbu rgite Sp in el lh erzolit e
La Ce Pr Nd Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
10
-1
Definitions
• Major elements:
– Concentration > arbitrary value (0.1 or 1 wt% depending on the authors) – Components of main mineral phases
微量元素地球化学
相对于主量元素(major element)而言，为此 有人把地球化学体系中低于0.1%的元素， 通称为微量元素(trace element)。 然而，所谓主量和微量元素在自然界不同 体系中是相对的概念，常因所处的体系不同 而异（K is a major element in system of crust, but it is a trace element in system of meteorite）
岩石地球化学
地球化学：研究化学成分以及元素在地球中分布、 分配、集中（富集）、分散、共生组合、运移规律、 演化历史的学科
岩石成因、构造背景判别、矿床成因、环境变化 壳/幔相互作用、洋/陆相互作用、地幔对流和动力学等 化学地球动力学研究领域， 地球化学从研究手段上注意了元素地球化学和同位素地 球化学的结合，使得地球化学研究地球三维空间的演化 成为可能
Composition of mantle rocks
Pyrolite
SiO2 Al2O3 FeO MgO CaO *Mg# *density r olivine 45 4.5 8.0 38 3.6 89.4 3.385 56
harzburgite
46 1.2 7.3 44 0.9 91.5 3.346 62
Common types of magma
Various upper crustal major element estimates
Taylor & McLennan 1985 SiO2 TiO2 Al2O3 FeOT MnO MgO CaO Na2O 66 0.5 15.2 4.50 0.07 2.2 4.2 3.9 Shaw et al. 1967 64.93 0.52 14.63 3.97 0.068 2.24 4.12 3.46 Wedepohl 1995 64.93 0.52 14.63 3.97 0.07 2.24 4.12 3.46 2.42 3.6 3.51 Condie 1993 66.21 0.55 14.96 4.70 Gao et al. 1998 65.46 0.65 13.65 5.13 0.1 2.52 3.31 2.75 Rudnick & Gao 2002 65.84 0.60 14.31 4.92 0.10 2.47 3.46 3.13
The Earth’s Interior
Mantle:
Peridotite (ultramafic)
Upper to 410 km (olivine spinel) Low Velocity Layer 60-220 km Transition Zone as velocity increases ~ rapidly 660 spinel perovskite-type
Acid
MgO>7%，橄榄石结晶 MgO<7%，Pl和CPY结 晶
7%
岩浆结晶作用过程中矿物结晶顺序及元素行为
当温度高于 1200º 最先结晶的矿物为铬尖晶石，虽然量 C, 比较少，但是吸取绝大部分 Cr3+ ，岩浆中的 Cr3+ 会 急剧降低。 在MgO为10%- 7%时，随之橄榄石结晶 (Mg, Fe, Ni, Co, Mn, Zn) SiO4），橄榄石的结晶 会吸收50％的 MgO、大 部分的 Ni, -大部分的 Co。当 Fe, Mn 和 Zn 的分配系数为1 时，其含量和丰度不受橄榄石的结晶作用的影响。 当MgO <7%, 结晶的为单斜辉石和斜长石。 Ca 是两种 矿物主要阳离子，伴随结晶会急剧降低，Sc 会强烈富集在 Cpx中, 岩浆中的Sr会急剧降低甚至会消耗殆尽。 在碱性玄武岩和碧玄岩中， MgO 为6.5-7% MgO (或大于 此值),橄榄石和单斜辉石会同时结晶（近乎等量）。这种 堆晶体称富钙橄玄岩（Ankaramites），晚期被细小的斜长 石填充 。
80--85
80
0.15
0.07
0.33
5
0.51
20
Ol- and foid normative = undersaturated
Saturation line
Quartz Normative = saturated
Undersaturated
Felsic
Mafic
Saturated
Basic