2-現(xiàn)代礦床地球化學(xué)基本理論2004

1、第二講 現(xiàn)代礦床地球化學(xué)的基本理論 一、地球物理、化學(xué)結(jié)構(gòu)一、地球物理、化學(xué)結(jié)構(gòu)地球分層構(gòu)造深度密度 壓力（大氣壓）溫度物性 狀態(tài)花崗巖層（Si-Al)地殼地幔上地幔下地幔外地核過(guò)渡層地核內(nèi)地核Km0400100020003000400050006000036912 Km/s v深度橫波縱波縱波5-60413720最深地震中心物質(zhì)成分ABCDEFG固態(tài)液態(tài)固態(tài)51004980289898413.889.8912.7012.265.624.443.563.322.7-2.99000140,000382,00013400003.3106500-10003.61061000-200020002480

2、40005000鐵鐵硫模式 尖晶石方鎂石 方鐵礦 柯石英 玄 武巖層純橄欖 巖層根據(jù)地震波傳播速度確定的地球分層以及各層物質(zhì)分布狀態(tài)參考圖 1 1 元素在地球系統(tǒng)的分布、共生規(guī)律元素在地球系統(tǒng)的分布、共生規(guī)律 （1 1） 元素在地球系統(tǒng)的分布規(guī)律元素在地球系統(tǒng)的分布規(guī)律 -地球物質(zhì)組成與成礦關(guān)系地球物質(zhì)組成與成礦關(guān)系 大洋地殼與成礦關(guān)系大洋地殼與成礦關(guān)系厚度: 10 km組成：= 蛇綠巖套（ophiolite suite）: 沉積物（Sediments）+塊狀硫化物，石油+天然氣枕狀玄武巖（pillow basalt）席狀巖墻（sheeted dikes）塊狀輝長(zhǎng)巖（ massive gabb

3、ro）超鎂鐵質(zhì)巖石 ultramafic (mantle) +鉻鐵礦The Earths Interior 地殼地殼大陸地殼和洋殼大陸地殼和洋殼大陸地殼：年輕、老地殼，大陸地殼：年輕、老地殼，厚度: 20-90 km，平均厚度為 35 km成分變化大，平均成分為花崗閃長(zhǎng)質(zhì) （granodiorite），高K、Ti、LERR及其他比相容元素，特別是較高的Rb/Sr比值，一般認(rèn)為來(lái)源富集地幔。洋殼：古洋殼、年輕的洋殼，一般較薄（010m)，玄武質(zhì)巖，低K、Ti、LERR及其他比相容元素，特別是低Rb/Sr比值，一般認(rèn)為來(lái)源虧損地幔。The Earths Interior元 素 、同 位 素 巖 石

4、 圈 地 幔 地 幔 源 堿 性玄 武 巖 典 型 變 質(zhì)沉 積 巖 地 殼（ 同 化巖 石 ） 地 殼 流 體 洋 殼 脫 水 流 體（ 4 1 % ） 8 7S r/8 6S r 0 .7 0 2 7 0 .7 0 4 0 .7 3 6 0 .7 3 5 0 .7 2 2 0 0 .7 2 2 0 S r 1 2 p p m 7 5 0 1 5 0 p p m 5 0 0 p p m 1 0 0 p p m 3 6 0 p p m 1 8O 5 .7 + 5 .6 + 1 3 .6 + 1 9 + 1 4 + 2 0 資 料 來(lái) 源 E l l a m a n d H a w k e s

5、w o r th , 1 9 8 8 ; H a rt , 1 9 8 8 ; H a rm o n a n d H o e f s , 1 9 9 2 T a y l o r , H . P. a n d S h e p p a r d , S. M . F . , 1 9 8 6. T a y l o r , H .P . a n d S h e p p a r d ,S . M . F . , 1 98 6 . T a y l o r , H .P . a n d S h e p p a r d ,S . M . F . , 1 98 6 . B en tio et al., 1 9 9

6、 9 B en tio et al., 1 9 9 9 2） 地幔（地幔（Mantle） 橄欖巖（Peridotite (ultramafic)）橄欖石 尖晶石，從莫霍面60-220 km 地震波的波速逐漸增加410-670km，波速迅速增加 （spinel perovskite- type SiIV SiVI 原始地幔：地球增生及核幔分離后，但沒(méi)有分離出地殼的地幔；Sm/Nd比值與球粒隕石相同，親銅元素主要進(jìn)入硫化物相；揮發(fā)元素（如K、Rb）相對(duì)于難熔元素（如U、Sr）的虧損發(fā)生與地球增生以前。金屬與硅酸鹽相在行星初期階段即已分離，期增生過(guò)程中只存局部平衡（Anderson，1983；Sun

7、,1982；Taylor et al., 1985;等）。地幔的化學(xué)結(jié)構(gòu) 根據(jù)玄武巖的同位素研究（Hart,1988），目前已經(jīng)鑒定出5種類(lèi)型地幔：DMM：虧損的洋中脊玄武巖地幔，同位素特征如下。 143Nd144Nd0.51340.5135 87Sr/86Sr=0.70200.7024 206Pb/204Pb=17.017.8/15.516.3;HIMU:高U/Pb比值地幔，同位素特征如下。143Nd144Nd0.512887Sr/86Sr=0.70260.7030206Pb/204Pb=2122EMI-I富集地幔：143Nd144Nd0.51230.512487Sr/86Sr=0.7054

8、0.7060 206Pb/204Pb=16.517.5 EM2-II富集地幔，同位素特征如下。143Nd144Nd0.51270.5129,87Sr/86Sr=0.707, 206Pb/204Pb=18.519.5; PREMA常規(guī)地幔，同位素特征如下。143Nd144Nd0.5130,87Sr/86Sr=0.7035,206Pb/204Pb=18.3 地核：成分鐵多，非揮發(fā)性元素比值與太陽(yáng)的球粒隕石相似。二、 地球的元素的共生規(guī)律 （1) 元素自然分類(lèi)（常見(jiàn)的V.M.戈?duì)柕滤姑芴睾虯.H. 查瓦里斯基）V. M.戈?duì)柕滤姑芴胤诸?lèi)劃分了；1）親氣元素（大氣圈元素）; 2）親石元素（s2p6);

9、 3）親銅元素（s2p6d10); 4）親鐵元素（過(guò)渡性最外層電子數(shù)8-18）。依據(jù): 外電子層結(jié)構(gòu)、元素磁性(逆順）、對(duì)不同元素的化學(xué)親合力。意義：對(duì)了解地球的原始分異作用圈層構(gòu)造的形成、元素的地球化學(xué)性質(zhì)及其組合特征以及半生礦種具有重要意義。.H. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .0102030405060708090010203040506070原子容積原子序數(shù)HeLiBeCNOFBNeNaMgAlSiPSClArKCaScTiVCrMn FeCoNiCuZnGaGeSeAsBrKrRbSrYZrNbMoTeR

10、hPdCdInSnSbAgRuTcIXeBaTRHfWReOsIrPtAuHgTlPbBiPo AtCsRnRaAcThPaULaCeTa親氣元素親石元素（s2p6)親銅元素（s2p6d10)親鐵元素 A.H. A.H.查瓦里斯基查瓦里斯基 分類(lèi)：分類(lèi)：1 1）氫族）氫族; 2; 2）惰性氣體族）惰性氣體族; 3; 3）造巖元素族）造巖元素族; 4; 4）巖）巖漿射氣元素族；漿射氣元素族；5 5）鐵族元素）鐵族元素; 6; 6）稀有、稀土元素）稀有、稀土元素; 7; 7）放射性元素放射性元素; 8; 8）親硫元素；）親硫元素；9 9）鉑族元素）鉑族元素; 10; 10）半金屬）半金屬和金屬礦化

11、劑元素和金屬礦化劑元素; 11; 11）重鹵素元素）重鹵素元素主要依據(jù)：結(jié)晶化學(xué)特征、電子層結(jié)構(gòu)、離子半徑、元素的主要依據(jù)：結(jié)晶化學(xué)特征、電子層結(jié)構(gòu)、離子半徑、元素的地球化學(xué)性質(zhì)以及元素在自然界中的組合情況，以擴(kuò)展的地球化學(xué)性質(zhì)以及元素在自然界中的組合情況，以擴(kuò)展的周期表為基礎(chǔ)。周期表為基礎(chǔ)。意義：這些元素反映了地殼中由于地質(zhì)作用的不同，而產(chǎn)生意義：這些元素反映了地殼中由于地質(zhì)作用的不同，而產(chǎn)生不同的共生組合，并能從原子結(jié)構(gòu)這一最本質(zhì)的原因去理不同的共生組合，并能從原子結(jié)構(gòu)這一最本質(zhì)的原因去理解元素的一相互組合的內(nèi)在原因，其元素的分布規(guī)律對(duì)于解元素的一相互組合的內(nèi)在原因，其元素的分布規(guī)律對(duì)于找

12、礦勘探和礦床成因研究具有重要的指導(dǎo)意義。找礦勘探和礦床成因研究具有重要的指導(dǎo)意義。1 1）氫族）氫族; 2; 2）惰性氣體族）惰性氣體族; 3; 3）造巖元）造巖元素族素族; 4; 4）巖漿射氣元素族；）巖漿射氣元素族；5 5）鐵）鐵族元素族元素; 6; 6）稀有、稀土元素）稀有、稀土元素; 7; 7）放射性元素放射性元素; 8; 8）親硫元素；）親硫元素；9 9）鉑）鉑族元素族元素; 10; 10）半金屬和金屬礦化劑）半金屬和金屬礦化劑元素元素; 11; 11）重鹵素元素）重鹵素元素三、三、 巖石學(xué)上的元素分類(lèi)巖石學(xué)上的元素分類(lèi)1 1）過(guò)渡元素：）過(guò)渡元素：TE TE 周期表第一過(guò)渡度族周期

13、表第一過(guò)渡度族 ScSc、TiTi、V V、CrCr、MnMn、FeFe、CoCo、NiNi、CuCu2 2）稀土元素：）稀土元素：REE REE 鑭系鑭系+Y+Y3 3）親石元素）親石元素大離子親石元素（大離子親石元素（LILLIL）：）： 離子半徑大，包括離子半徑大，包括K K、RbRb、CsCs、SrSr、BaBa、TlTl放射性生熱元素（放射性生熱元素（RHERHE）：）： 衰變生熱，包括衰變生熱，包括K K、U U、ThTh活動(dòng)性元素（活動(dòng)性元素（MEME）：）：z/r3,z/r3, Nb : z/r3, Nb 、TaTa、ZrZr、HfHf、P P、Y Y 不相容元素（不相容元素（

14、ICEICE）: HREE: HREE、ZrZr、HfHf 親巖漿元素（親巖漿元素（M M）: D: Di i1, Ta1, Ta、ThTh、LaLa、CeCe 過(guò)親巖漿元素（過(guò)親巖漿元素（H H）: D: Di i0.2-0.5,Cr115 5） 不相容元素（不相容元素（ICEICE）: :按進(jìn)入熔體的能力可分：按進(jìn)入熔體的能力可分： 弱不相容元素：如弱不相容元素：如Y Y、TbTb、TiTi、 中等不相容元素中等不相容元素: : 如如LaLa、CeCe、SrSr、NbNb、P P、ZrZr、HfHf、SmSm等等 強(qiáng)不相容元素強(qiáng)不相容元素: : 如如CsCs、RbRb、BaBa、ThTh、

15、U U、K K等等 6 6） 同位素同位素 分穩(wěn)定同位素和放射性同位素分穩(wěn)定同位素和放射性同位素1. 分類(lèi) 根據(jù)成礦元素的地球化學(xué)在成礦過(guò)程的親合性，可將劃分：巖根據(jù)成礦元素的地球化學(xué)在成礦過(guò)程的親合性，可將劃分：巖漿、熱液、沉積、風(fēng)化、可燃有機(jī)等五類(lèi)。漿、熱液、沉積、風(fēng)化、可燃有機(jī)等五類(lèi)。1 1） 巖漿成礦元素：鎂鐵巖漿成礦元素：鎂鐵- -超鎂鐵質(zhì)巖、中酸性巖、偉晶巖類(lèi)；超鎂鐵質(zhì)巖、中酸性巖、偉晶巖類(lèi)； 鎂鐵鎂鐵- -超鎂鐵質(zhì)巖有關(guān)的成礦元素超鎂鐵質(zhì)巖有關(guān)的成礦元素 超基性巖有關(guān)的成礦元素超基性巖有關(guān)的成礦元素 中酸性巖有關(guān)的成礦元素中酸性巖有關(guān)的成礦元素 偉晶巖類(lèi)有關(guān)的成礦元素偉晶巖類(lèi)有關(guān)

16、的成礦元素2 2） 熱液成礦元素：巖漿熱液（幔、殼幔、下地殼、上地殼）、熱液成礦元素：巖漿熱液（幔、殼幔、下地殼、上地殼）、非巖漿熱液（地下水）非巖漿熱液（地下水）3 3） 沉積成礦元素：海相、陸相、海陸交互相沉積成礦的元素；沉積成礦元素：海相、陸相、海陸交互相沉積成礦的元素；4 4） 風(fēng)化成礦元素：干旱、潮濕以及交互環(huán)境成礦的元素；風(fēng)化成礦元素：干旱、潮濕以及交互環(huán)境成礦的元素；5 5）可燃有機(jī)元素：固體、氣體、液體成礦的元素；）可燃有機(jī)元素：固體、氣體、液體成礦的元素； 四、成礦元素地球化學(xué)四、成礦元素地球化學(xué)2.2.礦床元素地球化學(xué)研究意義礦床元素地球化學(xué)研究意義1 1）理論意義：礦床元

17、素地球化學(xué)研究的主要內(nèi)容是研）理論意義：礦床元素地球化學(xué)研究的主要內(nèi)容是研 究元素的自然狀態(tài)和分配規(guī)律以及不同介質(zhì)中的分餾究元素的自然狀態(tài)和分配規(guī)律以及不同介質(zhì)中的分餾特征，指導(dǎo)找礦和發(fā)現(xiàn)新礦種以及探討成礦；并進(jìn)行特征，指導(dǎo)找礦和發(fā)現(xiàn)新礦種以及探討成礦；并進(jìn)行礦床成因、形成環(huán)境的判別以及建模等；礦床成因、形成環(huán)境的判別以及建模等；2)2)實(shí)踐意義：元素的原生和次生元素地球化學(xué)研究，指實(shí)踐意義：元素的原生和次生元素地球化學(xué)研究，指導(dǎo)找礦，發(fā)現(xiàn)新礦床；導(dǎo)找礦，發(fā)現(xiàn)新礦床；3)3)工業(yè)意義：主礦種和伴生礦種，綜合利用和提供冶煉工業(yè)意義：主礦種和伴生礦種，綜合利用和提供冶煉技術(shù)；技術(shù)； 礦床成礦物質(zhì)主

18、要來(lái)自地殼和上地幔。各種元素的分布相差極大。地球元素豐度值中：鐵（32.0%）、氧（29.0%）、鎂（16.0%）、硅（13.0%）四元素占居地球總量的90%；其它相對(duì)較大的S、Ni、Ca、Al、Na、Cr、Mn、P八種占8.09%；其余元素只有1.91 %（黎彤，1976）具體表現(xiàn)： a）地殼、上地幔分布量最高的是氧（46%、43%）最少為氦（1.6ppb、1.9ppb）、兩者相差11-12數(shù)量級(jí)； b） 地殼、上地幔分布量最高的O、Si、Al、Fe、Ca、Na、Mg七元素合計(jì)約為地殼總成分的99.4%、上地?？偝煞值?9.11%，是地殼中各類(lèi)巖石的基本成分；其余85種不到1%。 c）成礦元素中上地幔鐵族、鉑族元素和鎂比較集中，分布量大于地殼幾倍 幾10倍；地 殼：稀有（Li、Ba、Nb、Ta）、稀土、及放射性元素比上地幔高分布量大于地殼幾倍幾十倍；揮發(fā)份比上地幔高2-4倍。 自然界元素在不同的物態(tài)相內(nèi)的共生規(guī)律是不同的，一自然界元素在不同的物態(tài)相內(nèi)的共生規(guī)律是不同的，一般在巖石中的分配規(guī)律是：般在巖石中的分