最新地球化学讲义微量元素地球化学(中国地质大学..ppt
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1、澡 肮 瑶 麦 凹 绞 根 装 趁 锐 频 沽 专 锥 旋 游 琳 桌 迢 藉 袍 饼 斥 富 弄 爱 暗 酷 倪 荤 状 播 地 球 化 学 讲 义 微 量 元 素 地 球 化 学 ( 中 国 地 质 大 学 ) 地 球 化 学 讲 义 微 量 元 素 地 球 化 学 ( 中 国 地 质 大 学 ) 地球科学学院地球化学教研室 多媒体课件 地球化学 雏 甭 厉 厕 蹿 沉 圈 暂 尘 笛 敲 世 潭 佑 积 乍 绽 扳 通 湿 踞 拢 畜 洁 隙 亨 遇 襄 坚 砂 庇 经 地 球 化 学 讲 义 微 量 元 素 地 球 化 学 ( 中 国 地 质 大 学 ) 地 球 化 学 讲 义 微
2、量 元 素 地 球 化 学 ( 中 国 地 质 大 学 ) 第2页/共39页 地球化学 第四章 微量元素地球化学 本章内容 w 基本概念 w 微量元素在共存相中的分配 w 岩浆作用过程中微量元素的定量分配模 型 w 稀土元素地球化学 w 微量元素的示踪意义 鲤 稗 周 卤 棒 践 饭 夯 愉 算 宙 麓 督 绚 少 途 掐 品 嗽 荐 娠 船 运 墓 俐 液 琶 尺 宽 幂 猩 派 地 球 化 学 讲 义 微 量 元 素 地 球 化 学 ( 中 国 地 质 大 学 ) 地 球 化 学 讲 义 微 量 元 素 地 球 化 学 ( 中 国 地 质 大 学 ) *更新 第3页/共39页 地球化学 微
3、量元素地球化学是研究微量元素在地球及其子系统中的分布特 征、化学作用及化学演化的一门分支学科。它根据系统的特征和微 量元素的特性,阐明他们在地球系统中的分布分配,在自然体系中 的性状以及在自然界的运动过程和演化历史。 微量元素可以作为地质地球化学作用的示踪剂,其特色之处就 是能近似定量地解决问题,使实际资料与模型设计结合起来。 为此,他们在解决当代地球化学的基础理论问题如天体、地球 、生命和元素的起源,为人类提供充足资源和 良好生存环境等方面 正发挥着重要作用。 摔 兰 贝 樱 胜 鄂 攒 硼 哟 挺 谈 罚 呕 骏 料 差 季 介 娄 芍 椒 梆 昔 朽 蛾 豁 辖 郎 遗 舞 叙 潜 地
4、球 化 学 讲 义 微 量 元 素 地 球 化 学 ( 中 国 地 质 大 学 ) 地 球 化 学 讲 义 微 量 元 素 地 球 化 学 ( 中 国 地 质 大 学 ) *更新 第4页/共39页 地球化学 一、基本概念 什么叫微量(minor)或痕量(trace)元素 人们常常相对于地壳中的主量元素而言,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。 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,如K在地壳整体中是主量元素,但它在陨石 中却被视为微量元素。 1968年Gast对微量元素的定义是:指的是不作为体系中任何相的 主要化学计算组分存
5、在的元素。 有的学者根据元素在所研究的地球化学体系中的浓度低到可以近似 服从稀溶液定律(亨利定律)的范围,则称该元素为微量元素。 微量 元素地球化学是地球化学的一个重要分支,它研究在各种地球化学体 系中微量元素的分布、分配、共生组合及演化的规律,其特色之处就 是能够近似定量地解决问题,使实际资料和模型计算结合起来。 丁 砍 耍 壤 筷 铂 陕 间 兄 奢 屯 喜 增 因 侧 创 会 瞩 步 悄 恳 益 机 保 拈 逊 硝 酸 赋 婚 舵 讳 地 球 化 学 讲 义 微 量 元 素 地 球 化 学 ( 中 国 地 质 大 学 ) 地 球 化 学 讲 义 微 量 元 素 地 球 化 学 ( 中 国
6、 地 质 大 学 ) *更新 第5页/共39页 地球化学 二、微量元素在共存相中的分配 在一定的环境(物理化学条件)中,一切自然作用体系均趋向于平衡 。当达到平衡时, 常量元素微量元素 体系中 的浓度 很高极低 独 立 矿 物 能形成独立矿物 不能形成独立矿物,但在平衡共存的矿物之间(或液相 固相之间)进行分配 控 制 因 素 受相律控制(f=k-+2) ,遵从化学计量原则 受自身及矿物的晶体化学性质和环境的物理化学条件控制 ,服从稀溶液定律,即在平衡共存的各相之间化学位相等 微量元素分配的微观理论只是定性地说明问题。二十世纪三十年代 的戈尔德施密特类质同像法则; 五十年代林氏电负性法则;六十
7、年代用 晶体场理论讨论过渡族元素的分配规律;七十年代用分子轨道学说对共 价键性质化合物元素分配的解释;八十年代引入了量子力学,量子化学 观点 掷 秦 昏 款 票 涛 估 狠 落 舆 父 雹 增 鸳 俭 拖 署 由 嫉 科 刻 冠 区 芬 氮 猾 征 咒 颊 伺 芽 尼 地 球 化 学 讲 义 微 量 元 素 地 球 化 学 ( 中 国 地 质 大 学 ) 地 球 化 学 讲 义 微 量 元 素 地 球 化 学 ( 中 国 地 质 大 学 ) *更新 第6页/共39页 地球化学 1.前提条件:一定的温度、压力下,微量元素在两相中可以形成液态 (或固态)的稀溶液; 2.微量元素在两相中的化学位计算
8、 u:离子化学位; u:标准状态下化学位(25,1atm) :离子活度(当溶液中离子的浓度趋近于0时,活度与浓度成正比, 比例系数k即亨利系数: k );T:体系的绝对温度; R:气体常数(8.314J/molK);1和2:两个相。 3.微量元素在两相中分配达到平衡时: 常数 这就是能斯特分配定律: 一定温度压力下,微量元素在平衡共存的两相之间进行分配,其分配系数 KD是一常数,其大小等于微量元素在两相中浓度的比值。 滁 埂 呻 碾 帧 呼 血 芹 瓮 疙 直 色 向 恍 咏 伙 肩 吕 汪 朋 侍 脏 嘱 慷 靴 哺 皱 阴 江 搁 蘑 赞 地 球 化 学 讲 义 微 量 元 素 地 球 化
9、 学 ( 中 国 地 质 大 学 ) 地 球 化 学 讲 义 微 量 元 素 地 球 化 学 ( 中 国 地 质 大 学 ) *更新 第7页/共39页 地球化学 4.进一步的讨论: 可见,微量元素在某相中的化学位越低,它的含量就会越高,就 像是水往低处流一样的道理 5.微量元素在岩石与熔体之间的分配系数:常用岩石中所有矿物 的分配系数与岩石中各矿物含量的乘 积之和一表达。 即 n:含量微量元素i的矿物数 Wj:第j种矿物的质量百分数 KDi :第j种矿物对微量元素的简单分配系数 炼 哑 嘛 椒 较 虹 扒 咙 膛 粘 擒 沛 盈 电 毗 僻 照 仿 措 布 违 嗡 傻 挑 点 仕 靠 畴 栓
10、募 套 塘 地 球 化 学 讲 义 微 量 元 素 地 球 化 学 ( 中 国 地 质 大 学 ) 地 球 化 学 讲 义 微 量 元 素 地 球 化 学 ( 中 国 地 质 大 学 ) *更新 第8页/共39页 地球化学 6.分配系数的测定:以岩浆作用过程中微量元素在结晶相(固相 )和熔体相(液相)中的分配系数测定 为例,目前有两种测定方法 : 直接测定法:直接测定地质体中两平衡共存相如火山岩中的斑晶 和基质中的微量元 素浓度,再按分配定律进行计算。斑晶代表熔体 结晶过程中形成的矿 物,基质代表熔体相。 实验测定法:用化学试剂合成与天然岩浆成分相似的玻璃物质, 实验使一种矿物与 之达到微量元
11、素的分配平衡,然后测定元素在两 相中的浓度,计算得 到分配系数。 沾 兴 龚 峪 驾 猎 药 侈 练 阮 极 授 缕 盛 洪 浅 缴 氖 拦 师 焰 电 釉 召 最 淹 拄 邦 懦 纂 莉 试 地 球 化 学 讲 义 微 量 元 素 地 球 化 学 ( 中 国 地 质 大 学 ) 地 球 化 学 讲 义 微 量 元 素 地 球 化 学 ( 中 国 地 质 大 学 ) *更新 第9页/共39页 地球化学 7.分配系数的影响因素: 体系组分的影响岩浆岩化学成分的变化在很大程度上取决于 硅酸盐熔体的结构,不同硅酸盐熔体共存时微量元素分配情况明 显不同; 如斜长石中钙长石 含量增多,稀土元 素Eu在斜
12、长石与 熔体间的分配系数 趋于减 小。 捕 干 妻 共 侵 渍 左 迢 搂 逼 斋 顾 棱 缘 侯 牲 沧 诉 较 笨 绒 优 由 奄 茅 纠 押 鳃 族 彬 韦 甄 地 球 化 学 讲 义 微 量 元 素 地 球 化 学 ( 中 国 地 质 大 学 ) 地 球 化 学 讲 义 微 量 元 素 地 球 化 学 ( 中 国 地 质 大 学 ) *更新 第10页/共39页 地球化学 体系温度的影响由能斯特定律可以导出: lnKD=-(H/RT)+B 式中:H表示微量元素在两相中的热焓变化,B是积分常数。 可见 分配系数与体系温度的倒数呈线性关系,这也就是微量元素温度计的 基本原理。 体系压力的影响
13、目前对压力影响的研究报道甚少,但有一点 已通过实验证实: 在相当上地幔的压力条件下,稀土元 素在富水的 蒸汽和石榴子石、单斜 辉石、斜方辉石、橄榄石 之间的分配系数为1 200之间,分配系数随压 力(PH2O)的增大而迅速 地增加。 裕 那 攻 泣 扁 虾 葛 泣 医 捅 戮 奠 皱 手 掳 秦 彤 买 匀 旧 呐 划 寐 童 弗 咨 艰 悔 愉 乱 俊 尿 地 球 化 学 讲 义 微 量 元 素 地 球 化 学 ( 中 国 地 质 大 学 ) 地 球 化 学 讲 义 微 量 元 素 地 球 化 学 ( 中 国 地 质 大 学 ) *更新 第11页/共39页 地球化学 8.分配系数的应用: 检
14、验成岩、成矿过程的平衡性一定温度、压力下各相处于平衡 时,元素在共存矿物间的分配 系数为一常数,可据此来检验自然过程是 否达到平衡。方法是: 在体系的不同部位(为同时同成因的产物)采集若干个同种共存矿物对 样品; 测定矿物对中某微量元素的含量; 计算分配系数,若接近某固定值,即则可视成岩、成矿过程达到了 平衡。 如加拿大魁北克变质岩地区,在其不 同区块 成对地采集若干组共生的黑云母和角闪石样品, 分析其中V2O3含量,并将其投入到黑云母-角闪 石的V2O3(%)含量。图中,结果每对矿物的数 据点几乎落在一条直线上,这反映微量元素V在 角闪石和黑云母间的分配系数KD角/黑1.2, 为一个常数,从
15、而证明了在变质过程中角闪石和 黑云母是平衡反应的产物。 床 脓 距 彩 战 失 剥 假 孜 厩 冬 稽 因 撞 诛 毖 由 敖 朽 嫌 滓 宁 吹 酋 礼 膨 施 烃 宰 感 蓑 芦 地 球 化 学 讲 义 微 量 元 素 地 球 化 学 ( 中 国 地 质 大 学 ) 地 球 化 学 讲 义 微 量 元 素 地 球 化 学 ( 中 国 地 质 大 学 ) *更新 第12页/共39页 地球化学 判别岩浆结晶过程中微量元素的地球化学行为利用瑞利分馏定律, 将岩浆结晶中某微量元素 的瞬间浓度相对于该元素的原始浓度比值(XTr熔体 /XoTr熔体)作为纵坐标,以反映岩浆 结晶程度的F为横坐标,并赋于
16、KD不同 的值, 就可做出反映元素行为的图解: KD1的微量元素: 都随着F值 从1到0(代表结晶程度不断提高)的变化,而在残余的熔体中逐步 富集起来,这些元素称为不相容元素 (incompatible element),如W、Sn、Mo、Cu等( 微观角度:残余富 集); KD1的微量元素 : 则倾向在结晶矿物中富集。随着矿物 不断 晶出,在残余熔浆中逐渐贫化, 这些元素即 相容元素(compatible elements),如Ni、Co 、Cr等(微观角度:晶体化学分散)。 寒 坟 住 暇 晚 磊 燃 逸 酣 汐 槐 译 挞 婪 潞 循 撑 望 啊 郧 捕 叼 湿 口 套 冠 趁 些 黄
17、饮 日 姨 地 球 化 学 讲 义 微 量 元 素 地 球 化 学 ( 中 国 地 质 大 学 ) 地 球 化 学 讲 义 微 量 元 素 地 球 化 学 ( 中 国 地 质 大 学 ) *更新 第13页/共39页 地球化学 微量元素分配系数温度计当微量元素在共存各相 中分配达到平衡时,有lnKD =-(H/RT)+B 的函数关系, 以-(H/R)为斜率,B为截距,即当在所讨论范围内 H(热焓)可看作为常数时,分配系数(KD)的对数与 温度倒数(1/T)存在线性关系。 方法是:测定待研究地质体中共生矿物对中某微量元 素的含量,算出该元素在矿物对的分 配系数,利用以上 关系式即可计算出矿物结晶温
18、度。 缀 亩 契 裙 睹 抱 雹 篡 呻 捏 钡 变 戚 僳 蝶 醒 距 夷 漂 膘 贮 落 界 埠 环 检 饼 凌 轨 树 羹 荡 地 球 化 学 讲 义 微 量 元 素 地 球 化 学 ( 中 国 地 质 大 学 ) 地 球 化 学 讲 义 微 量 元 素 地 球 化 学 ( 中 国 地 质 大 学 ) *更新 第14页/共39页 地球化学 样品号温度()橄榄石Ni单斜辉石NiKD(橄/辉) 1116015552556.10 2112013102455.35 310759552403.98 410709352353.98 510508402203.82 lnKD=-(70340/RT)+7
19、.65 H=70340 J/mol,B=7.65 如哈克里等人对夏威夷活火山中玄 武岩浆与正在结晶的橄榄岩和单斜辉石 之间Ni元素的分配进行的研究:在火山 熔岩不同温度时取样,测定橄榄石和单 斜辉石中Ni的浓度,并计算了Ni的分配 系数,将测得的一组数据用lnKD对 1/T作图,由图求出H和B值。 埔 寺 舵 参 弯 驭 卫 款 乔 锦 伞 门 邯 甸 默 躯 迅 鹅 层 丛 佛 簿 裁 昨 李 巾 识 普 苯 触 然 棕 地 球 化 学 讲 义 微 量 元 素 地 球 化 学 ( 中 国 地 质 大 学 ) 地 球 化 学 讲 义 微 量 元 素 地 球 化 学 ( 中 国 地 质 大 学
20、) *更新 第15页/共39页 地球化学 三、岩浆作用过程中微量元素的定量分配 模型 岩浆结晶分异作用模型 岩石形成岩浆的部分熔融模型 碟 敢 纷 悟 茧 屉 瞻 襟 炊 距 祥 悔 寿 午 圈 睁 沂 帆 短 惋 餐 捏 抨 润 状 漳 站 崖 寿 易 孝 悍 地 球 化 学 讲 义 微 量 元 素 地 球 化 学 ( 中 国 地 质 大 学 ) 地 球 化 学 讲 义 微 量 元 素 地 球 化 学 ( 中 国 地 质 大 学 ) *更新 第16页/共39页 地球化学 (一)岩浆结晶分异作用模型 1. 结晶矿物与熔体只是表面平衡: 原因:是微量元素在晶体中的扩散要比在熔体中慢得多,使得微
21、量元素在晶体边缘和晶体核部的分布不均一,导致晶体边缘与熔体 能达到平衡,而晶体内部则不能与熔体平衡,形成的晶体具环带状 构造。 央 招 状 剔 醚 冉 喝 臭 罪 闻 抵 滓 蕊 琳 犬 挨 负 卞 耀 予 没 忧 擞 撤 柠 萨 贵 春 心 援 伟 绷 地 球 化 学 讲 义 微 量 元 素 地 球 化 学 ( 中 国 地 质 大 学 ) 地 球 化 学 讲 义 微 量 元 素 地 球 化 学 ( 中 国 地 质 大 学 ) *更新 第17页/共39页 地球化学 定量模型(瑞利分馏定律): XTr(熔体)是分异岩浆中矿物结晶时的熔体瞬间浓度,XoTr(熔体) 是原始熔体中的浓度,F为残留熔体
22、与原始熔体的百分数,反 映岩浆结晶程度,F=1刚开始结晶,F=0完全结晶,KD为微量 元素在晶体与熔体间的分配系数。 意义:利用模型可以分析元素在岩浆不平衡结晶过程中的地 球化学行为,在此基础上对不相容元素作进一步讨论。 不相容元素常常具过大或过小的离子半径或离子电荷,他们 对自然作用过程中的示踪意义 闹 楚 柯 彬 注 玉 酥 咬 痛 鞭 浓 侠 惰 酝 哥 卓 褂 原 俩 野 枣 辗 追 歉 棚 空 磁 猩 翔 眼 林 史 地 球 化 学 讲 义 微 量 元 素 地 球 化 学 ( 中 国 地 质 大 学 ) 地 球 化 学 讲 义 微 量 元 素 地 球 化 学 ( 中 国 地 质 大
23、学 ) *更新 第18页/共39页 地球化学 大离子亲石元素(large ion lithophile element):如K 、Rb、Cs、Sr、Ba等,他们的离子半 径大,离子电荷低 ,离子电位3,难溶于水,化学性质 稳定,为 非活动性元素,可以作为“原始”物质组成的 示踪剂。 痹 券 输 蛇 爵 晚 嫡 仅 愤 漳 救 桂 屯 距 憾 搪 炽 甘 缮 庆 峰 付 漱 坏 厉 陵 群 淤 奸 敛 菌 垃 地 球 化 学 讲 义 微 量 元 素 地 球 化 学 ( 中 国 地 质 大 学 ) 地 球 化 学 讲 义 微 量 元 素 地 球 化 学 ( 中 国 地 质 大 学 ) *更新 第1
24、9页/共39页 地球化学 2. 平衡结晶过程: 矿物与熔体连续再平衡:形成无环带晶体,用于描述 平衡部分熔融的方程式也适用于该过程: Coi是微量元素i在初始固相母体物质中的浓度,CLi是 微量元素i在熔融后在熔体中的浓度F=0熔融开始,F=1熔 融完全。 赌 腿 决 荤 伯 粉 浮 锋 翻 豪 嚣 挽 奄 瘩 捌 粮 僵 不 后 倚 舍 涛 掣 靠 轻 胺 帅 降 慎 晴 先 芜 地 球 化 学 讲 义 微 量 元 素 地 球 化 学 ( 中 国 地 质 大 学 ) 地 球 化 学 讲 义 微 量 元 素 地 球 化 学 ( 中 国 地 质 大 学 ) *更新 第20页/共39页 地球化学
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