第一章元素分布的基本規(guī)律

1、第一章 元素分布的基本規(guī)律第一節(jié) 地球化學(xué)旋回與元素分布第二節(jié) 元素的共生組合第三節(jié) 元素的空間分布第四節(jié) 元素含量的概率分布本章基本要求：1、了解元素地球化學(xué)旋回的含義 2、掌握常量組分、微量組分的分布特征3、理解元素的共生組合概念4、掌握元素的時(shí)空分布概念5、掌握元素含量的概率分布形式 應(yīng)用地球化學(xué)主要是通過調(diào)查地球表層系統(tǒng)中化學(xué)元素的分布特征來研究它對(duì)人類產(chǎn)生的直接或間接利害關(guān)系。 理解元素分布、分配有兩重含義，一是元素在地球各圈層的分布，特別是地殼表層各地質(zhì)體間及各類巖石、礦物間的分布、分配，即了解空間上、宏觀上的分布、分配。二是元素在各地質(zhì)作用過程中的分布、分配，即元素活動(dòng)演化過程中

2、的分布、分配。前者是后者的結(jié)果，是應(yīng)用地球化學(xué)研究的主要內(nèi)容。而后者是理論地球化學(xué)研究的主要內(nèi)容。第一節(jié) 地球化學(xué)旋回與元素分布 一、地球化學(xué)旋回 地球化學(xué)旋回的方式可以重復(fù)，但其物質(zhì)成分的演化趨勢(shì)是不可逆的，從而引起了化學(xué)元素的分異和演化，這種分異和演化是有規(guī)律的。二、常量組分分布特征 豐度值一般均在10-2以上元素稱之為“常量元素”。由于它們的含量變化幅度相對(duì)平均含量基數(shù)是很小的，故地球化學(xué)中稱作“常量元素”。它們組成了地幔、地殼的各種巖石，各種巖石的性質(zhì)由它們決定。所以稱這些元素為“造巖元素”。造巖元素的豐度一般用重量百分率（）來表示。地幔與地殼成分特征地幔與地殼成分特征 不同學(xué)者計(jì)算地

3、幔、地殼的模型不同。但由于地幔發(fā)展演化形成了地殼，二者在成分上差異規(guī)律是一致的，即地殼中易熔的硅鋁長英質(zhì)成分（Si、A1、Ca）和K、Na、水增加，而難熔組分（Mg、Fe、Ni、Co、Cr）比例減少。 巖石圈中十余種常量元素占總量的絕大部分，如地殼中Si、O、A1、Fe、Na、K、Ca、Mg、Ti九種元素占總量的99以上，它們是巖石圈成分的主體。由于這些元素含量高，它們遵循化學(xué)計(jì)量原則形成自然礦物，結(jié)果造成地幔中以鐵鎂暗色礦物為主、地殼中以長英質(zhì)淺色礦物為主。上述規(guī)律反應(yīng)了地幔與地殼在巖石礦物組成上的規(guī)律差異，這種差異正是地幔熔融、分異演化的結(jié)果。 三、微量元素的分布規(guī)律 豐度均在10-2以下

4、，故稱之為“微量元素”。 微量元素的含量不影響地殼各部分基本物理、化學(xué)性質(zhì)，但是在特定的條件下，可以富集而形成礦床。微量元素由于豐度低，其在地殼以及各種地質(zhì)體中，一般以重量百萬分率(10-4)來表示，常用ppm(part per million)或10-6表示。 lppm110-6 110-4=0.0001=1g/g ppm單位相當(dāng)于g/g。對(duì)于超微量元素，由于豐度極低，通常以十億分率(10-7)表示，用ppb(part per billion)表示。 lppb=110-9110-70.0000001=1ng/g微量元素的分布規(guī)律： 微觀上受元素類質(zhì)同象置換條件制約，以固熔體混合物形式分布于巖

5、石中。 宏觀上，受元素分配系數(shù)制約以某種統(tǒng)計(jì)規(guī)律反應(yīng)富集貧化趨勢(shì)。微量元素在造巖礦物中多以類質(zhì)同象混入物形式存在，服從概率分布規(guī)律，既有隨機(jī)性，又有統(tǒng)計(jì)性。 少量微量元素的分布不是類質(zhì)同象混入物形式，它們是超顯微非結(jié)構(gòu)混入物，是在礦物結(jié)晶生長時(shí)，混入晶格缺陷或機(jī)械包裹形成。 如硅酸鹽巖漿中，像黃鐵礦、閃鋅礦、方鉛礦、輝鉬礦和Ti、V、Mn、U、Th的氧化物，以及Au、Ag、pb、Bi、Hg的原子態(tài)單元素自然礦物。 從地核到地殼的垂直方向上，分散在結(jié)晶礦物中的微量元素產(chǎn)生了分異作用。 謝爾巴科夫用元素的向心力和離心力描述這種向地球外圈貧化或富集的趨勢(shì)。 他將隕石成分（）當(dāng)作地球的平均成分，代表地

6、球的原始濃度，玄武巖作為地幔平均成分，將玄武巖元素豐度（）作為元素離心的基本參數(shù)；頁巖是地殼中廣泛分布的沉積巖，是地球表部各類巖石的平均成分代表（c）。從而根據(jù)、c三個(gè)參數(shù)的比值特征將元素分為四組。 （1）向心元素 /1 c/1 Mg、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Rn、Rh、Pt、Os、Ir、Pd、Au（2）最弱離心元素 /1 c/1 P、Na、Ca、Sc、Ti、V、Mn、Zn、C、N、Cl、Br、I（3）弱離心元素 /1 c1 Ga、Ge、As、Se、Sn、Te、Bi、Re、Mo（4）離心元素 /1 c1 Li、Rb、Cs、Sr、Ba、Y、REE、Zn、Hf、Nb、Ta、B、Al、In、T

7、l、Si、Pb、Sb、U、F、O 最強(qiáng)的離心元素是在水圈、生物圈和大氣圈中富集的元素，如H、C、0、N及惰性氣體。 巖漿結(jié)晶過程中，某些元素并不進(jìn)入造巖礦物晶格，它們傾向于在富含水的流體相中富集。地球化學(xué)家用元素相容性來描述在結(jié)晶相或流體相富集的特征。 不相容元素(incompatib1e elments)是 指那些在結(jié)晶分異過程中傾向于殘余流體相中聚集的元素。 相容元素(compatib1e elements)則是指容易進(jìn)入結(jié)晶相而在殘余流體相中迅速降低的元素。 地球化學(xué)家用分配系數(shù)(KD)來定量刻劃微量元素在兩相中的分配特征。 KD為元素在兩相間的分配系數(shù)， 為在礦物晶體中濃度分?jǐn)?shù)， 為元

8、素在熔體相中的濃度分?jǐn)?shù)。 根據(jù)分配系數(shù)KD的大小把微量元素分為弱不相容元素（KD=0.11），如Zr、Nb、Th、HREE；不相容元素（KD0.1），如K、Rb、U、Th、Pb、LREE；把其中KD0.01的稱為強(qiáng)不相容元素，即99聚集于流體相中，如Rb、Cs、K、U、Th、Ta、Nb、Ba、La、Ce等。 iXiX第二節(jié) 元素的共生組合 一、元素的親合性 地殼是一個(gè)包含92種天然元素組成的自然體系。在其特定的溫度、壓力和酸堿環(huán)境中，這些元素互相組合，形成了特定的共生結(jié)合規(guī)律。 天然礦物一般按陰離子分類，地殼中常見的是含氧化合物、硫化物、鹵化物及天然元素等。地球化學(xué)上把陽離子有選擇地與陰離子結(jié)

9、合的傾向性，稱為元素的親合性。并按這種親合性進(jìn)行元素分類。 戈?duì)柕率┟芴胤治褰M： 親鐵元素： 自然界傾向于以自然元素產(chǎn)出，價(jià)電子不易丟失，與氧、硫親合力均弱，集中于鐵-鎳核中的元素，如Au、Ge、Sn、（Pb）、C、P、（As）、Mo、（W）、Re、Fe、Cr、Co、Ni、Ru、I、Rh、Pd、0s、Ir、Pt。 親硫元素： 與硫親合力強(qiáng)，是因?yàn)檫@些元素的金屬離子具有818過渡型結(jié)構(gòu)，易于極化而與易極化的硫離子形成共價(jià)鍵，易熔于硫化鐵熔體的元素，如Cu、Ag、Zn、Cd、Hg、In、Tl、（Ge）、（Sn）、（Pb）、As、Sb、Bi、Se、Te、Fe。 親氧元素（又稱親石元素）： 離子外層電

10、子云為8個(gè)電子的隋性氣體型穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，與氧形成穩(wěn)定的離子鍵化合物，易熔于硅酸鹽熔體的元素，如Li、Na、K、Rb、Cs、Fr、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Ra、B、Al、Sc、Y、TR、C、Si、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、P、As、0、W、Mn、H、F、Cl、Bi、I。 親氣元素： 原子外層電子為8個(gè)電子型，原子容積最大，具有揮發(fā)性或易形成揮發(fā)性化合物，主要集中在氣體中，如H、C、N、0、I、Hg、He、Ne、Ar、Rr、Xe、Rn。 親生物元素： 生物圈中富集于有機(jī)物中的元素，如H、N、0、P、S、Cl、（R）、（Ca）、（Fe）、（Ca）、（Fe）、(B)、（F）、(Si)、（Mn

11、）、（Cu）、I。 氫族；造巖元素族(Li、Be、Na、Mg、Al、Si、K、Ca、Rb、Sr、Cs和Ba)；惰性氣體族 (He、Ne、Ar、Kr、Xe、Rn)；揮發(fā)分元素族(B、C、N、O、F、P、S、Cl)；鐵族(Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni);稀土稀有元素族 (Sc、Y、Zr、Nb、TR、Hf、Ta等)；放射性元素族(Fr、Ra、Ac、Th、Pa、U等）；鎢鉬族 (Mo、Tc、W、Re)；鉑族(Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt)；硫化礦床成礦元素族 (Cu、Zn、Ge、Ag、Cd、In、Sn、Au、Hg、Tl、Pb等)；半金屬元素族(As、Sb、Bi、Se、Te、Po)； 重

12、鹵素元素族(Br、I、At)。二、成巖成礦作用的典型元素組合 表1-3列出了不同巖漿巖和沉積巖中的元素一般組合特征及常見礦石類型的元素組合特征。 各類巖石中的微量元素組合，主要反映了該巖石中主要造巖礦物的類質(zhì)同象元素。 如超基性巖主要由橄欖石和輝石組成，與鐵、鎂類質(zhì)同象置換的鈷、鎳、鉻、銅便是該類巖石的典型元素組合。 成礦主要元素為親硫元素、親鐵元素，不易進(jìn)入硅酸鹽晶體而富集在殘余流體或后期熱液中，雖然同為親硫元素，但由于成礦流體本身成分的差異性，不同礦床類型僅有一種或多種金屬元素為主形成主要獨(dú)立礦物，其他元素則以次要礦物或雜質(zhì)元素出現(xiàn)，形成了上表中不同礦石類型的特有的元素組合，這為找礦確定指

13、示元素提供了依據(jù)。 第三節(jié) 元素的空間分布 一、正常分布與異常分布 地球化學(xué)的正常分布，是某一空間中多數(shù)位置上元素含量所具有的相對(duì)波動(dòng)不大的特征。 地球化學(xué)中的異常，最早使用于勘查地球化學(xué)中，是指礦化區(qū)段的地球化學(xué)特征（如某些元素含量的高低，元素含量分布的均勻性，元素賦存形式的差異）明顯不同于周圍無礦背景區(qū)的現(xiàn)象。 地球化學(xué)異常包含了三個(gè)方面的含義：地球化學(xué)特征不同，具有一定的空間范圍，元素含量或地球化學(xué)指標(biāo)值偏離背景值。簡言之，由異?，F(xiàn)象、異常范圍、異常值三層含義構(gòu)成了完整的地球化學(xué)異常概念。由此可知，異常是相對(duì)于地球化學(xué)背景而存在，相對(duì)于背景的“正?！倍缘?。因此了解背景的正常分布，更有助

14、于理解異常分布。不同級(jí)次的背景與異常二、元素的時(shí)空分布地球化學(xué)場 如果把地球化學(xué)背景和發(fā)育在其中的地球化學(xué)異常當(dāng)作一個(gè)整體來看待的話，元素在這一體系中的分布便構(gòu)成地球化學(xué)場。除了元素外，一切地球化學(xué)指標(biāo)，都具有自己的地球化學(xué)場。 地球化學(xué)指標(biāo)是指一切能提供找礦信息或其他地質(zhì)信息的、能夠直接或間接測量的地球化學(xué)變量。 地球化學(xué)指標(biāo)可分為參數(shù)性與非參數(shù)性兩大類。前者為定量數(shù)值，后者為定性表述（如有、無；大、中、??；強(qiáng)、中、弱；深、淺等）。地球化學(xué)指標(biāo) 將地殼或者地球表層系統(tǒng)中某一點(diǎn)放在直角坐標(biāo)系（x，y，z）中，該點(diǎn)任一時(shí)刻t，存在著j個(gè)相，每個(gè)相有i個(gè)地球化學(xué)指標(biāo)，該點(diǎn)指標(biāo)i可表示為： 我們把地

15、球化學(xué)指標(biāo)i在三度空間和時(shí)間上的分布與演化稱為地球化學(xué)場，即具體某一時(shí)刻定位于三度空間上的地球化學(xué)指標(biāo)值。 地球化學(xué)指標(biāo)應(yīng)用最多的是元素含量，其次是地球化學(xué)環(huán)境標(biāo)志，如pH、Eh、T、P等，地球化學(xué)場研究最多的是元素的分布。 地球化學(xué)場有以下特征： （1）與地球物理場相比，它沒有嚴(yán)格的數(shù)學(xué)公式或化學(xué)定律進(jìn)行準(zhǔn)確地描述、推斷或延拓，它是具體點(diǎn)上地球化學(xué)環(huán)境（化學(xué)、熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)）綜合制約的結(jié)果，可以定性推測而不能準(zhǔn)確計(jì)算。地球物理場則可以嚴(yán)格按照物理定律進(jìn)行計(jì)算和推演。 （2）地球化學(xué)場是一個(gè)連續(xù)的非均勻場。三度空間中任何一點(diǎn)，都有相應(yīng)的地球化學(xué)指標(biāo)值，從這一含義上講是連續(xù)的，但是此點(diǎn)與彼點(diǎn)既有

16、結(jié)構(gòu)上的連續(xù)性，又有指標(biāo)值的隨機(jī)性、波動(dòng)性、不確定性，是一個(gè)非均勻場。 （3）地球化學(xué)場是一個(gè)不可逆動(dòng)態(tài)演化的非穩(wěn)定場。地殼體系中，元素主要以固態(tài)存在。但這種存在形式是暫時(shí)的。在一定條件下要發(fā)生轉(zhuǎn)移，參加地球化學(xué)旋回，只能是某一時(shí)刻的分布特征。所以，只可以有某一地區(qū)某一時(shí)期的地球化學(xué)場，如晚太古地球化學(xué)場、寒武紀(jì)地球化學(xué)場等。而水系沉積物測量，則是當(dāng)代表層疏松物質(zhì)的地球化學(xué)場，它是各個(gè)水系沉積物樣點(diǎn)的匯水盆地內(nèi)表層基巖風(fēng)化物的平均值。 （4）地球化學(xué)場的指標(biāo)不具有傳遞性，這與地球物理場顯然不同。地球物理場中物質(zhì)的物理性質(zhì)，如磁性、重力、放射性等，是依靠場來傳遞的。而地球化學(xué)場中，只有氣態(tài)物質(zhì)可

17、呈分子狀態(tài)垂直向上或向壓力降低方向穿透性傳輸，部分可溶于水的元素或化合物被水介質(zhì)緩慢傳輸。以固體物質(zhì)存在的元素，不能由深部直接傳輸?shù)降乇?，元素含量的變化只能通過元素賦存物質(zhì)的相態(tài)改變、活化遷移、再沉淀固結(jié)來實(shí)現(xiàn)。 第四節(jié) 元素含量的概率分布 由于任何一種巖石中元素的正常含量都是在一定幅度內(nèi)變化的一系列數(shù)值，是一個(gè)隨機(jī)變量，各種含量的出現(xiàn)總是對(duì)應(yīng)于一定的概率。研究地質(zhì)體中元素含量的概率分布形式得出，主要呈正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布。 所謂正態(tài)分布是指元素含量的概率滿足下列概率函數(shù)和概率分布函數(shù)：概率密度函數(shù)：概率分布函數(shù)：式中：母體的標(biāo)準(zhǔn)離差； m數(shù)學(xué)期望（或母體的平均值） 為樣品值 對(duì)數(shù)正態(tài)分布是

18、指元素含量對(duì)數(shù)值的概率滿足于概率密度函數(shù)和概率分布函數(shù)：概率密度函數(shù)概率分布函數(shù)正態(tài)分布有以下特點(diǎn)：正態(tài)分布有以下特點(diǎn)：。，對(duì)稱軸兩邊是對(duì)稱的概率密度有對(duì)稱軸mx時(shí)有極大值且當(dāng)曲線只有一個(gè)高峰，并mx 。，和，0)(4 . 021)(xfxxmf點(diǎn)越遠(yuǎn)，隨機(jī)變量的概率最大，離開這說明在點(diǎn)mm出現(xiàn)的可能性越小。x。的概率為，的概率為，的距離為值與它與曲線的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)軸的橫線，倍處作一平行于曲線最大值。即在時(shí)，當(dāng)%40.952%1 .84607. 0607. 0)(21mmmxxeFmxfmx5 001 02 03 04 01 507 506 004 503 009 00花 崗 巖 中的 含 量 分 布R bM -3M -2 M -M + 3M + 2M +99 .70 %95 .40 % m值決定曲線的位置，值決定曲線的形狀。較小時(shí)，峰度較高，曲線較陡，寬度較窄； 較大時(shí)，峰度較低，曲線較緩寬度較大。 是否是正態(tài)分布應(yīng)進(jìn)行偏度、峰度檢驗(yàn)。檢驗(yàn)的方法及公式見概率論有關(guān)內(nèi)容。 正態(tài)分布情況下，樣本的眾值（Mo）、中位數(shù)（Me）與均值（ ）相同。x 元素在地質(zhì)體內(nèi)的分布形態(tài)一般有五種情況： 單一地球化學(xué)作用所形成的單一地質(zhì)體，化學(xué)元素含量服從正態(tài)分布； 兩個(gè)以上地球化學(xué)作用疊加形成的復(fù)合地質(zhì)體中，元素含量偏離正態(tài)分布； 一般情