微量元素地球化學(xué)的應(yīng)用

1、微量元素在成巖成因和成礦成因研究中的應(yīng)用 姓名:葉勃 學(xué)號(hào): 班級(jí)024121 微量元素在成巖成因和成礦成因研究中的應(yīng)用 前言 人類活動(dòng)所能涉及的地殼主要是由92種化學(xué)元素組成.其中元素O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg和Ti九種元素占據(jù)地殼和地幔的99%，其余83種元素只占1%，然而正是這1%的元素給人類的發(fā)展提供了豐富的物質(zhì)基礎(chǔ)礦產(chǎn)資源。隨著人們對(duì)微量元素性質(zhì)的逐步認(rèn)識(shí)，人們發(fā)現(xiàn)微量元素在成巖成因和成礦成因上有重要的作用。這次讀書報(bào)告,我讀了微量元素地球化學(xué)及其應(yīng)用（戴塔根 劉漢元著）以及相關(guān)的文獻(xiàn)。第一章 何為微量元素 微量元素是指自然界除了主量元素外，豐度低于0.1%，在體系中

2、不作為任何相的主要成分，濃度低到服從稀溶液定律的元素。在地球化學(xué)研究中，習(xí)慣上微量元素不記入礦物分子式中。微量元素與主量元素是相對(duì)的，根據(jù)研究對(duì)象的不同而存在差別。例如，鋯石中的Zr通常屬于微量元素，但是在鋯石中，它屬于常量元素。微量元素存在的三個(gè)形式：在礦物快速結(jié)晶過程中陷入囚禁帶內(nèi)、在主晶格的間隙缺陷中和在固溶體中以類質(zhì)同像替代主要元素的原子或離子。為微量元素地球化學(xué)做出最大貢獻(xiàn)的人是能斯特，他提出能斯特分配定律，不僅將地學(xué)與化學(xué)聯(lián)系起來，更重要的是他將地球化學(xué)由定性研究引向定量研究，打開了研究微量元素地球化學(xué)的大門。根據(jù)能斯特分配定律，我們引進(jìn)了分配系數(shù)為組數(shù)i在兩相（和）之間的質(zhì)量濃度

3、比值。同時(shí)，因?yàn)樵氐牡厍蚧瘜W(xué)，或者行為往往受到多個(gè)礦物的影響，通常為礦物集合體，所以，我們引入總分配系數(shù)的概念，它是微量元素在各礦物相與熔體間簡單分配系數(shù)與礦物相含量的加權(quán)之和。根據(jù)Di的大小，將微量元素分為兩類。Di<1的元素稱為不相容元素，在硅酸鹽熔體中相對(duì)富集（如Rb、Ba)；Di>1的元素稱為相容元素，在早期結(jié)晶的固相礦物組合中相對(duì)富集（如Ni等）。第二章 微量元素的地球化學(xué)應(yīng)用由于能斯特定律的引入，使得微量元素內(nèi)容得以擴(kuò)大和深化，在解決地質(zhì)學(xué)實(shí)際問題中，他已成為研究巖石、礦床成因形成條件和物質(zhì)來源以及判別構(gòu)造環(huán)境的最方便最可靠的方法之一。一、微量元素地球化學(xué)指示劑（一）

4、、微量元素對(duì)巖漿演化過程的指示意義1.大離子親石元素對(duì)巖漿演化過程的指示意義 在中酸性巖漿演化過程中，Sr一般隨Ca的減少而貧化。但是Sr離子半徑較大，所以由類質(zhì)同像規(guī)律，Ca離子較Sr離子優(yōu)先進(jìn)入晶格，所以Sr的貧化比Ca慢，隨著巖漿分異作用的進(jìn)行，Sr/Ca鼻子逐漸變大，所以這就決定了殘余巖漿最后結(jié)晶的斜長石具有最高的Sr/Ca比值和最低的Ca含量。 同樣，Rb和K的性質(zhì)相似，Rb更趨向富集殘余巖漿中，從而使的Rb/K比值隨著陽江煙花的進(jìn)行而升高，這也可以用來指示巖漿的分異演化過程。綜合Rb、Sr的地球化學(xué)行為，一般認(rèn)為Rb/Sr比值是巖漿演化過程中最明顯的指示劑，巖漿分異程度愈好，Rb/

5、Sr比值愈大。（WHY?)2.非活動(dòng)性元素的指示意義 Nb/Tb比值從超基性巖到酸性巖逐漸降低，在超基性巖中為16左右，在花崗巖中為4.8，所以他可以用來作為形成條件指示劑。 Zr為不相容元素，傾向于在熔體中富集，而Hf更傾向于殘余熔體中富集，所以Zr/Hf比值隨著巖漿演化而降低。它可以用它只是巖漿煙花的程度。（二）、微量元素對(duì)大地構(gòu)造環(huán)境的指示意義1. 不同板塊構(gòu)造環(huán)境玄武巖微量元素豐度和分配模式對(duì)于洋中脊玄武巖，極不相容元素Ba、Th、Nb、Ta比中等不相容元素P、Zr、Hf、Sm更加富集，而Ti、Yb、Y豐度低于MORB標(biāo)準(zhǔn)值。對(duì)于島弧玄武巖中微量元素，除K、Rb、Sr、B比MORB富集

6、外，其余元素均較貧化，這是因?yàn)橄麥p帶形成熔漿時(shí)洋殼上部沉積物中含K、Rb、Sr、Ba的沉積物熔化的原因。2. 火山巖中微量元素與板塊構(gòu)造分析 島弧拉班玄武巖的Rb和Sr豐度比大洋拉班玄武巖的要高。我們可以根據(jù)里特曼戈蒂里圖判別火山熔巖是在穩(wěn)定構(gòu)造區(qū)形成的還是在造山帶形成的。投影到圖上，我們就能確定構(gòu)造環(huán)境。 還有Wood應(yīng)用TH-Hf-Ta三角圖解法來確定構(gòu)造環(huán)境的火山巖。Mullen應(yīng)用TiO2-MnO*10-P2O5*10三角圖來判別不同構(gòu)造環(huán)境的玄武巖。3. 板塊移動(dòng)速度分析 因?yàn)榘鍓K擴(kuò)張或者閉合速度與火山巖中K2O含量反相關(guān)。但板塊不移動(dòng)時(shí)，相關(guān)的火山巖中K2O含量最大。4. 俯沖帶深

7、度和地殼深度研究 康迪（1973）認(rèn)為與消亡帶有關(guān)的年輕火山巖中Rb、Sr的分布對(duì)地殼厚度很敏感。鈣堿性火山巖的Rb-Sr數(shù)據(jù)最能反映地殼厚度，其次是島弧拉班玄武巖。5. 不同性質(zhì)的大地構(gòu)造黨員微量元素地球化學(xué)特征地洼區(qū)的地球化學(xué)特征表現(xiàn)明顯,以地洼型花崗巖而論,首先在巖石化學(xué)成分上,都以SiO2含量高（>70%)，K、Na含量也高，MgfETICA等含量低位特征，其次在微量元素Li、Rb、Cs、Be、Nb、Ta、U、Th、REE、W、Sn、Bi、Mo、Cu、Pb、Zn、Ga含量普遍較高，而V、Cr、Co、Ni等含量較低，Sr/Ba比值較大。這些微量元素的分配特征與地槽區(qū)相反。2.1.3

8、過渡元素的指示意義與稀土元素分配模式相似，過渡元素也可以作分配模式來解釋一些地質(zhì)問題。例如，若地幔巖經(jīng)過部分熔融過程，其中的一部分不相容元素（V,Ti等)，則會(huì)發(fā)生虧損(配分圖中，Ti和V的位置上出現(xiàn)”W”形態(tài)。若地幔沒有經(jīng)歷過部分熔融作用，這配分模式為平坦型。黃鐵礦中Co/Ni比值可以用來研究礦床成因。對(duì)于火山成因的鐵銅礦床，黃鐵礦Co/Ni比值一般大于5，明顯高于火山沉積型礦床和后期熱液改造型礦床（這兩類礦床的Co/Ni比值多小于3）；成礦物質(zhì)來源于古陸剝蝕區(qū)沉積成因的鐵銅礦床，其黃鐵礦中Co/Ni比值一般小于1）此外，微量元素還對(duì)巖相古地理環(huán)境和恢復(fù)變質(zhì)巖原巖有指示意義。其主要的原理就是

9、找到特殊的微量元素對(duì)的比值來反映問題，同時(shí)利用圖解法，投圖來確定屬于哪一類。2、 微量元素溫度計(jì)、氧逸度計(jì)（一）、 鋯石及其相關(guān)溫度計(jì)1.鋯石飽和溫度計(jì)TZr TZr = 129 000/ 2.95 + 0.85 M + ln(496 000/ Zr熔體) 該公式有以下要求：(1) 該溫度計(jì)適用于較廣泛的條件和成分。溶解度對(duì)壓力不敏感,但干的巖漿( H2O 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為1.5 %) 或過堿性巖漿會(huì)偏離Wat son 等 給出的溫度計(jì)公式。因此,該溫度計(jì)適用于地殼中多數(shù)中性到長英質(zhì)的巖漿; (2) 鋯石在熔體中是飽和的。結(jié)構(gòu)上的證據(jù)可用于確定早期的飽和,繼承鋯石的存在表明在母巖漿全過程中鋯石是

10、飽和的; (3) 對(duì)熔體成分(主元素和Zr 濃度) 的合理計(jì)算?；鸪蓭r,特別是侵入體,是由晶體和液體混合物形成的,很少有能代表淬火的熔體。圖1 鋯石的溶解度與溫度和熔體成分的關(guān)系2 鋯石-金紅石溫度計(jì)對(duì)于鋯石Ti 溫度計(jì),其表達(dá)式為T ( ) = (5 080 ±30) / (6.01 ±0103) -lg Ti鋯石 - 273對(duì)于金紅石的Zr 溫度計(jì),其表達(dá)式為T ( ) = (4 470 ±120) / (7.36 ±0110) -lg Zr金紅石 - 2732.2.1.3石英與鋯石的Ti 溫度計(jì)適合沒有金紅石的體系中石英的Ti 溫度計(jì)表達(dá)式為T (

11、 ) = - 3 765/ lg ( XQTi / aTiO2 ) - 5.69 - 273適合沒有金紅石的體系中鋯石的Ti 溫度計(jì)表達(dá)式為T ( ) = - 4 800/ (lg XZrTi + lg aSiO2 - lg aTiO2 )- 5.711 - 273TiO2 活度aTiO2 經(jīng)驗(yàn)值一般為0.580.60 ,當(dāng)有其他含Ti 礦物如榍石或鈦鐵礦存在時(shí),表明TiO2 活度aTiO2 是相當(dāng)高的,如果假定aTiO2 = 1 ,對(duì)于不含金紅石的地殼巖石或碎屑鋯石所計(jì)算的溫度誤差比實(shí)際aTiO2 = 0.5 約低70 。（二）、石榴子石及其相關(guān)溫度計(jì)1. 石榴子石Ni溫度計(jì)Ni 在石榴石和

12、橄欖石間的分配系數(shù)Dgt/ ol與溫度的關(guān)系式T ( ) = 8 772/ (2.53 - lnDgt/ ol )式中Dgt/ ol為Ni 在石榴石和橄欖石中的含量(g/ g)的比值。2.2.2.2石榴石-磷釔礦經(jīng)驗(yàn)溫度計(jì)在含磷釔礦的變質(zhì)泥巖中石榴石的Y 含量與其形成的溫度的倒數(shù)明顯相關(guān)，其關(guān)系式是：T ( ) = 1 603 ( ±182) / ( Ygt + 13.25) - 273式中Ygt 為石榴石中Y的含量(g/ g) 。2.獨(dú)居石-石榴石溫度計(jì)獨(dú)居石和石榴石礦物對(duì)在含磷釔礦和不含磷釔礦的集合體中均顯示出與溫度倒數(shù)和平衡常數(shù)( ln K) 之間強(qiáng)烈的正相關(guān)經(jīng)過整理得出T (

13、 ) = - 1.45 p (bar) + 447 772 ( ±32 052) /567 ( ±40) - R ln K - 273.15式中R = 8.314 J / (mol ·K) 。上式溫度誤差為±30 。（三）、副礦物與氧逸度 一些變價(jià)元素,如稀土元素中的Ce 可呈正三價(jià)或四價(jià),Eu 可呈二價(jià)或三價(jià)它們在某些副礦物中的含量變化可靈敏地反映巖漿或熱液體系的氧逸度狀態(tài)。Ballard 等27 的結(jié)果表明,Ce4 + 和Ce3 + 的鋯石/ 熔體分配系數(shù)范圍為(0.51.2) ×10 - 3 。Ce4 + / Ce3 + 的值范圍變化大(

14、62 341) ,該值隨侵入體從老到新,從鎂鐵質(zhì)到長英質(zhì)而逐漸增加,并且與鋯石Eu 異常值( Eu/ Eu3 ) 呈正相關(guān)趨勢。更有意義的是,具有斑巖銅礦化的Ce4 + / Ce3 + 值> 300 ,Eu/ Eu3 > 0.4 ,不含該礦的小于此值。這種趨勢是由于硅酸鹽巖漿中的逸度和硫的存在形式及溶解度之間的相互關(guān)系導(dǎo)致的。據(jù)此,可根據(jù)鋯石中Ce4 + /Ce3 + 比值評(píng)價(jià)其所在侵入體的Cu ±Au 成礦潛力。三、微量元素在礦床成因的應(yīng)用一、斑巖礦床中的應(yīng)用 斑巖礦床包括熱液型Cu、Mo、Sn、W、Au等斑巖礦床，與鈣堿性閃長巖、花崗閃長巖體相伴生，這類礦床中蝕變疊加

15、顯得尤為重要，它賦存了巖漿和大氣衍生的兩種流體。特別是鉀質(zhì)組合上，重疊了絹英組合以及有關(guān)的原礦的改造。在這方面，稀土元素的分布有效地控制了由以巖漿流體為主導(dǎo)天水流體為主的流體變化條件。 鉀質(zhì)蝕變是由鈣堿性巖漿產(chǎn)生的熱液流體，其稀土元素豐度變化為輕、中稀土元素含量富集，而重稀土元素含量虧損，除了Eu外，礦化與未礦化的稀土元素豐度之比率由La到Y(jié)b下降，由于這類水熱流體中氧逸度低，Eu呈二價(jià)富集。2、 火山巖中塊狀硫化礦床稀土元素研究 加拿大多倫多大學(xué)利用稀土元素對(duì)成因作用（如分流結(jié)晶作用、部分熔融程度上的變化以及熔漿殘余性質(zhì)）的的敏感，發(fā)現(xiàn)與礦化有關(guān)的長英質(zhì)火山巖的稀土元素模式是平緩的，并具有顯

16、著的Eu異常；而無礦長英質(zhì)火山巖模式顯示出輕稀土元素的強(qiáng)烈富集，而Eu異常微弱貨沒有。 根據(jù)稀土元素的地球化學(xué)特征，玉礦有關(guān)的長英質(zhì)火山巖分為兩類：拉斑玄武巖型和鈣堿性巖型。第三章 讀書感想與收獲 通過這次閱讀微量元素地球化學(xué)及其應(yīng)用這本書，我復(fù)習(xí)了前面微量元素的基本知識(shí)，同時(shí)，開拓了思路，將微量元素應(yīng)用的范圍更加廣泛，比如它廣泛應(yīng)用于指示巖漿分異程度、板塊的構(gòu)造環(huán)境、板塊移動(dòng)速度、俯沖帶的深度、巖相古地理環(huán)境與變質(zhì)巖的原巖恢復(fù)；學(xué)會(huì)了新的方法，比如根據(jù)微量元素比值來確定源區(qū)，指示形成環(huán)境；取得新的見解，比如了解了鋯石與金紅石、石英的溫度計(jì)以及適用范圍，通過不同價(jià)離子的比值來恢復(fù)形成時(shí)的氧逸度。 通過閱讀，我感覺要得到微量元素的含量是核心，關(guān)鍵在于技術(shù)的發(fā)展。這些年發(fā)展起來的ICP-MS、AAS、ICP-AES、XRF、NAA等，將微量元素的測量計(jì)算到ppb數(shù)量級(jí)，俗話說：以小見大，這些方