地球花學(xué)第五章

1、 第五章 微量元素地球化學(xué)地球化學(xué)課程地球化學(xué)課程 微量元素 （trace element)巖石中含量1, 相容元素 Di 1, 優(yōu)先進(jìn)入礦物相，或殘留相例如：Ni, Co, V, Cr不相容元素：D1，優(yōu)先進(jìn)入熔體相，D3.0 , 稱為高場(chǎng)強(qiáng)元素稱為高場(chǎng)強(qiáng)元素如果如果Z/r 1, 相容元素 Di1 正異常正異常Eu1負(fù)異常負(fù)異常Eu1無(wú)異常無(wú)異常Eu =Eu/Eu*標(biāo)準(zhǔn)化后的重要參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化后的重要參數(shù)EuEu異常產(chǎn)生原因異常產(chǎn)生原因不同礦物具有不同的不同礦物具有不同的REEREE分配系數(shù)，分配系數(shù)，斜長(zhǎng)石對(duì)斜長(zhǎng)石對(duì)EuEu的分配系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它的分配系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它REEREE，在各類巖漿巖

2、中，在各類巖漿巖中EuEu異常的產(chǎn)生異常的產(chǎn)生常與斜長(zhǎng)石的結(jié)晶有關(guān)，如在巖漿分常與斜長(zhǎng)石的結(jié)晶有關(guān)，如在巖漿分離結(jié)晶過(guò)程中，斜長(zhǎng)石的大量晶出將離結(jié)晶過(guò)程中，斜長(zhǎng)石的大量晶出將導(dǎo)致殘余熔體中形成明顯負(fù)異常。導(dǎo)致殘余熔體中形成明顯負(fù)異常。四、稀土元素的分配系數(shù) 稀土元素在一些礦物中的分配系數(shù)是采用火山巖中斑晶/基質(zhì)法測(cè)定的結(jié)果。 巖石中稀土元素主要賦存在副礦物中。1010.10.01Ce Nd Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu分配系數(shù)石榴石斜方輝石單斜輝石橄欖石玄武巖和安山巖玄武巖和安山巖中礦物中礦物/熔體間熔體間REE的分配系數(shù)的分配系數(shù)（據(jù)（據(jù)Shnetzler和和P

3、hilpotts,1970）有的導(dǎo)致有的導(dǎo)致REEREE分異分異有的不導(dǎo)致有的不導(dǎo)致REEREE分異分異 La Ce Pr Nd Sm Eu Gd Tb Dy Er Tm Yb Lu010.10.010.10.010.005分 配 系數(shù)Dab斜長(zhǎng)石斜長(zhǎng)石/熔體對(duì)之間熔體對(duì)之間REE分配分配系數(shù)變化范圍和平均值（粗線系數(shù)變化范圍和平均值（粗線）(a)酸性巖漿巖；酸性巖漿巖；(b)玄武巖和安山質(zhì)巖石玄武巖和安山質(zhì)巖石（據(jù)（據(jù)Henderson,1982） 英安巖和流紋巖中礦英安巖和流紋巖中礦物物/熔體間熔體間REE的分的分配系數(shù)配系數(shù)（據(jù)（據(jù)Hanson,1978） 400100501010.1礦

4、物、基質(zhì)鋯石石榴石磷灰石普通角閃石單斜輝石紫蘇輝石黑云母Ce Nd Sm Eu Gd Dy Ey Yb五、稀土元素的地球化學(xué)應(yīng)用1、巖石成因花崗巖類：I、S、M、A型La Ce Pr NdSm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu110100Sample/Chondrite0510152025YbN050100150(La/Yb) NCCP graniteGS graniteEclogite25% garnet amphibolite10% garnet amphiboliteAmphiboliteMORBAdakite or High Al TTDLower-Al TTD01

5、020304050Y (ppm)050100150200Sr/YCCP graniteGS graniteAdakiteArc magmatic rocks埃達(dá)克質(zhì)埃達(dá)克質(zhì)(Adakite)巖石判別巖石判別玄武巖類LaCePrNd Sm Eu Gd Tb DyHoEr Tm YbLu110100樣品/球粒隕石MORBIAB 2、變質(zhì)巖原巖恢復(fù)現(xiàn)有研究表明，在角閃巖相和麻粒巖相的變質(zhì)條件下，變質(zhì)巖的稀土元素含量可能發(fā)生一些變化，但其稀土元素的組成模式不會(huì)發(fā)生變化，因此，利用稀土元素的組成模式可恢復(fù)變質(zhì)巖的原巖。另外，根據(jù)稀土元素設(shè)計(jì)的圖解來(lái)恢復(fù)變質(zhì)巖的原巖。 3. 研究地殼演化研究地殼演化 W.

6、B.Nance和 S.R.Taylor 等人系統(tǒng)研究了澳大利亞從太古代元古代三迭紀(jì)的沉積巖(頁(yè)巖)的稀土組成及演化特征， 并與世界其它地區(qū)作了對(duì)比，根據(jù)稀土組成模式的特點(diǎn)探討了地殼成分及其演化： 在地殼演化過(guò)程中，在地殼演化過(guò)程中，25億為太古界和元古界的界限，稀土元素億為太古界和元古界的界限，稀土元素組成特征有一個(gè)明顯的突變：組成特征有一個(gè)明顯的突變：稀土總量增加，輕稀土富集，銪稀土總量增加，輕稀土富集，銪虧損明顯。虧損明顯。 4 4 微量元素處理和解釋1. 微量元素處理方法（1）多元素標(biāo)準(zhǔn)化圖解（2）元素或者運(yùn)算后元素投點(diǎn)圖（1）多元素標(biāo)準(zhǔn)化圖解）多元素標(biāo)準(zhǔn)化圖解A 屬于屬于REE標(biāo)準(zhǔn)化圖

7、解的擴(kuò)展和普及化，最早用于玄武標(biāo)準(zhǔn)化圖解的擴(kuò)展和普及化，最早用于玄武巖，現(xiàn)在可以用于所有巖石（巖漿巖和沉積巖）類巖，現(xiàn)在可以用于所有巖石（巖漿巖和沉積巖）類型。型。B 標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值原始地幔、球粒隕石，或者原始地幔、球粒隕石，或者M(jìn)ORBC 作圖的意圖作圖的意圖比較樣品與標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)之間的偏離程比較樣品與標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)之間的偏離程度度D 稱呼：稱呼：中文表達(dá)方式中文表達(dá)方式元素原始地幔元素原始地幔(球粒隕石球粒隕石)標(biāo)準(zhǔn)化圖解標(biāo)準(zhǔn)化圖解, 微量元素含量蜘蛛圖微量元素含量蜘蛛圖英語(yǔ)表達(dá)方式英語(yǔ)表達(dá)方式Primitive mantle-normalized trace element variat

8、ion diagram Spider diagram of I 原始地幔原始地幔 （primitive/primordial mantle）目前常用的元素排列順序和數(shù)值根據(jù)目前常用的元素排列順序和數(shù)值根據(jù)Sun & MacDonough, 1989II 球粒隕石球粒隕石Sun & MacDonough, 1989III MORB, Pearce, 1983IV 沉積巖沉積巖NASC，Gromet et al, 1984平均地殼成分根據(jù)平均地殼成分根據(jù)Taylor & McLennan (1981)多元素標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)多元素標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)元素元素RbBaThUNbTaKLaCeP

9、bPrSrNd原始地幔原始地幔0.6356.9890.0850.0210.7130.0412500.6871.7750.1850.27621.11.354元素元素PSmZrHfEuTiGdTbDyHoYErTmYb原始地幔原始地幔950.44411.20.3090.16813000.5960.1080.7370.1644.550.480.0740.493目前常用作標(biāo)準(zhǔn)化的原始地幔順序和成分目前常用作標(biāo)準(zhǔn)化的原始地幔順序和成分（primitive/primordial mantleprimitive/primordial mantle）多元素蜘蛛圖的原始文獻(xiàn)多元素蜘蛛圖的原始文獻(xiàn)和標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)和標(biāo)

10、準(zhǔn)化數(shù)據(jù)(Spider diagram)(Spider diagram)Sun S-S & W F MacDonough 孫賢鉥孫賢鉥澳大利亞地調(diào)局高級(jí)研究員澳大利亞地調(diào)局高級(jí)研究員 哥倫比亞大學(xué)哥倫比亞大學(xué) 孫賢鉥博士孫賢鉥博士Sun & MacDonough, 1989Sun & MacDonough, 1989其中有些不用其中有些不用，例如，例如TlTl，ScSc，W W，SnSn，F(xiàn) F等等Sun & MacDonough, 1989多元素標(biāo)準(zhǔn)化圖解作圖方法：多元素標(biāo)準(zhǔn)化圖解作圖方法：A. 同同REE相似，分別除以標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值，再作圖相似，分別除以標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)

11、值，再作圖B. 注意其中的主量元素，特殊算法注意其中的主量元素，特殊算法K=K2O*10000*0.83013/250Ti=TiO2*10000*0.5995/1300P=P2O5*10000*0.43646/95這里這里K2O、 TiO2、 P2O5單位均為重量百分?jǐn)?shù)單位均為重量百分?jǐn)?shù)多元素標(biāo)準(zhǔn)化圖解的基本解釋多元素標(biāo)準(zhǔn)化圖解的基本解釋CsRbBaThUKNbLaCePbPrSrNdSmZrHfEuTiYHoYb0.1110100Rock/Primitive mantleN-MORB(Hoffman, 1988)M1053HXD98-7正常島弧火山巖由源自俯沖板片脫水產(chǎn)生的正常島弧火山巖由源

12、自俯沖板片脫水產(chǎn)生的流體交代地幔楔發(fā)生部分熔融而形成，這種流體交代地幔楔發(fā)生部分熔融而形成，這種富水的流體虧損高場(chǎng)強(qiáng)元素（富水的流體虧損高場(chǎng)強(qiáng)元素（HFSE），如），如Nb(Ta)、Ti、P等元素，這些元素的流體等元素，這些元素的流體/巖巖石分配系數(shù)很?。ㄊ峙湎禂?shù)很?。?)，因此，在流體交代，因此，在流體交代地幔楔形成的正常島弧火山巖中出現(xiàn)顯著的地幔楔形成的正常島弧火山巖中出現(xiàn)顯著的Nb（Ta）、）、Ti負(fù)異常（在微量元素原始地負(fù)異常（在微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖上相對(duì)于相鄰元素幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖上相對(duì)于相鄰元素 K 、La和和Eu、Gd）。）。 為什么島弧火山巖出現(xiàn)為什么島弧火山巖出現(xiàn)Nb、

13、Ta的負(fù)異常？的負(fù)異常？Key distinctive features areKey distinctive features areAddition of subduction-mobile elements (K, Addition of subduction-mobile elements (K, Rb, Sr, Th etc. from the subducting plateRb, Sr, Th etc. from the subducting plateIncreased melting caused by fluid addition Increased melting cau

14、sed by fluid addition to the mantleto the mantle島弧火山巖成因島弧火山巖成因Chung等，等，2004，Earth Sci. Rev.巖漿巖出現(xiàn)巖漿巖出現(xiàn)Pb正異常正異常, Nb、Ta的負(fù)異常的引申含義的負(fù)異常的引申含義具有大陸地殼具有大陸地殼物質(zhì)的參與物質(zhì)的參與包括：二元或者三角圖包括：二元或者三角圖元素對(duì)元素元素對(duì)元素元素比值對(duì)元素元素比值對(duì)元素元素比值對(duì)元素比值元素比值對(duì)元素比值元素運(yùn)算后元素運(yùn)算后（2 2）元素或者元素運(yùn)算后投點(diǎn)圖）元素或者元素運(yùn)算后投點(diǎn)圖Ti ppm0060018000V ppmMORBOIBIAT（1）進(jìn)行巖石分類）進(jìn)

15、行巖石分類（2）研究巖石成因）研究巖石成因（模擬計(jì)算反演源巖和過(guò)程）（模擬計(jì)算反演源巖和過(guò)程）（3）鑒別巖石形成的構(gòu)造環(huán)境）鑒別巖石形成的構(gòu)造環(huán)境微量元素圖解研究用途微量元素圖解研究用途Zr/Ti acts as a proxy for Si Nb/Y acts as a proxy for total alkalis.進(jìn)行巖石分類進(jìn)行巖石分類碧玄巖碧玄巖副長(zhǎng)石巖副長(zhǎng)石巖進(jìn)行巖石分類進(jìn)行巖石分類鑒別不同源巖地球化學(xué)端元和過(guò)程鑒別不同源巖地球化學(xué)端元和過(guò)程Ernst & Buchan,2003, RECOGNIZINGMANTLE PLUMES IN THEGEOLOGICAL RECO

16、RD玄武巖類構(gòu)造玄武巖類構(gòu)造環(huán)境鑒別環(huán)境鑒別5 關(guān)于微量元素對(duì)巖石形成構(gòu)造環(huán)境的指示 隨著六十年代板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)的興起，恢復(fù)巖石形成時(shí)的構(gòu)造環(huán)境已越來(lái)越引起地學(xué)工作者的注意?，F(xiàn)有研究表明，不同構(gòu)造環(huán)境中形成的巖石具有明顯不同的微量元素特征，因此，通過(guò)巖石微量元素可以恢復(fù)巖石形成時(shí)的構(gòu)造成環(huán)境。按照按照Wilson旋回，旋回， 將構(gòu)造環(huán)境分為：將構(gòu)造環(huán)境分為：1、大陸裂谷、大陸裂谷2、大洋擴(kuò)張中脊、大洋擴(kuò)張中脊3、板塊消減帶（島弧和弧后盆地）、板塊消減帶（島弧和弧后盆地）4、板塊內(nèi)部（大陸板塊內(nèi)部和大洋板塊內(nèi)部洋島）、板塊內(nèi)部（大陸板塊內(nèi)部和大洋板塊內(nèi)部洋島）按板塊碰撞作用分類：按板塊碰撞作用分類

17、：1、碰撞前；、碰撞前； 2、同碰撞；、同碰撞；3、晚碰撞；、晚碰撞；4、碰撞后、碰撞后按大陸邊緣性質(zhì)分類：按大陸邊緣性質(zhì)分類：1、活動(dòng)大陸邊緣、活動(dòng)大陸邊緣2、被動(dòng)大陸邊緣、被動(dòng)大陸邊緣一、火山巖類構(gòu)造環(huán)境判別CsRbBaThUKNbLaCePbPrSrNdSmZrHfEuTiYHoYb0.1110100Rock/Primitive mantleN-MORB(Hoffman, 1988)M1053HXD98-7Ti ppm0060018000V ppmMORBOIBIAT二、侵入巖類構(gòu)造環(huán)境判別三、沉積巖類構(gòu)造環(huán)境判別四、構(gòu)造環(huán)境判別中應(yīng)注意的問(wèn)題1、多解性2、適用條件3、注意多巖類的配套分

18、析5 微量元素的其他應(yīng)用一、生態(tài)與環(huán)境地球化學(xué)研究二、刑偵方面的應(yīng)用三、找礦勘察微量元素應(yīng)用的研究實(shí)例一、松潘地區(qū)A-型花崗巖的地球化學(xué)QuaternaryUpper TriassicFaultIndosinia n GranitoidMiddle-Upper Tria ssicSamplin g locality AbaMarkan101o ,102o103o100o32,o0,3 3o20,32o40,3 3o2 0,32o40,32 0o,01000 k mStudy ar eaJS = Jinshajian s utureA-MS=A nimaqu e-Mianlue suture,J

19、SA- MSTARIMTIBETBei ji ngQLSKLY CNCDBSCQL101o ,102o103o100o34 0o,34o0,HongyuanQQQQQT2-3CT2-3T3T2-3T3T2-3T3T2-3T3T2-3T3T2 -3T3T2- 3T3T2-3T1T3T2-3T1T3T2-3T3T2-3T3T2-3T3T2-3T3T2-3QT3T2-3T1CLower TriassicCarboniferousJiuzhiN oergaiNianbaoyecheAdakitic granitoid NB granite Mineral composition: quartz (32

20、-40%), plagioclase (2-5%), alkali-feldspar (50-55%), arfvedsonite (1-2%), biotite (0-1%), and accessory minerals (1%), including zircon, apatite, allanite and monazite etc. GeochemistryThe NB granite is enriched in Si (SiO2: 74.00 78.16%) , K (K2O=4.87-6.28% ), Na, Rb, REE, HFSE (Nb, Ta, Zr, Hf), wi

21、th elevated Ga/Al ratios (2.96-4.30), but is depleted in Al, Mg, Ca, Ba and Sr. The REE compositions show moderately fractionated patterns with (La/Yb)N=2.67-7.54 and Eu*/Eu=0.09-0.34. A-type granite discrimination diagram (after Whalen et al., 1987) 1101000Ga/Al56789101101000Ga/Al1101001101000Ga/Al1101001101000Ga/Al101001000I-,S - & M-typegraniteI-,S- & M-typ egraniteI-,S- & M-typeg raniteI-,S- & M-typegrani teA-type graniteA-type graniteA-type gr aniteA-type gr aniteK O+Na O (%)22Nb (ppm)Zr (ppm)FeO*/MgOA1 an