第一章元素分布的基本规律

1、第一章 元素分布的基本规律 第一节 地球化学旋回与元素分布 第二节 元素的共生组合 第三节 元素的空间分布 第四节 元素含量的概率分布 本章基本要求： 1、了解元素地球化学旋回的含义 2、掌握常量组分、微量组分的分布特征 3、理解元素的共生组合概念 4、掌握元素的时空分布概念 5、掌握元素含量的概率分布形式 应用地球化学主要是通过调 查地球表层系统中化学元素的分 布特征来研究它对人类产生的直 接或间接利害关系。 理解元素分布、分配有两重含义， 一是元素在地球各圈层的分布，特别是 地壳表层各地质体间及各类岩石、矿物 间的分布、分配，即了解空间上、宏观 上的分布、分配。二是元素在各地质作 用过程中

2、的分布、分配，即元素活动演 化过程中的分布、分配。前者是后者的 结果，是应用地球化学研究的主要内容。 而后者是理论地球化学研究的主要内容。 第一节 地球化学旋 回与元素分布 一、地球化学旋回 地球化学旋回的方 式可以重复，但其物质 成分的演化趋势是不可 逆的，从而引起了化学 元素的分异和演化，这 种分异和演化是有规律 的。 二、常量组分分布特征 丰度值一般均在10-2以上元素称之 为“常量元素”。由于它们的含量变化 幅度相对平均含量基数是很小的，故地 球化学中称作“常量元素”。它们组成 了地幔、地壳的各种岩石，各种岩石的 性质由它们决定。所以称这些元素为 “造岩元素”。造岩元素的丰度一般用 重

3、量百分率（）来表示。 地幔与地壳成分特征地幔与地壳成分特征 不同学者计算地幔、地壳的模 型不同。但由于地幔发展演化形成 了地壳，二者在成分上差异规律是 一致的，即地壳中易熔的硅铝长英 质成分（Si、A1、Ca）和K、Na、水 增加，而难熔组分（Mg、Fe、Ni、 Co、Cr）比例减少。 岩石圈中十余种常量元素占总量的 绝大部分，如地壳中Si、O、A1、Fe、Na、 K、Ca、Mg、Ti九种元素占总量的99以 上，它们是岩石圈成分的主体。由于这 些元素含量高，它们遵循化学计量原则 形成自然矿物，结果造成地幔中以铁镁 暗色矿物为主、地壳中以长英质浅色矿 物为主。上述规律反应了地幔与地壳在 岩石矿物

4、组成上的规律差异，这种差异 正是地幔熔融、分异演化的结果。 三、微量元素的分布规律 丰度均在10-2以下，故称之为“微量元素”。 微量元素的含量不影响地壳各部分基本物理、 化学性质，但是在特定的条件下，可以富集而形成 矿床。微量元素由于丰度低，其在地壳以及各种地 质体中，一般以重量百万分率(10-4)来表示，常用 ppm(part per million)或10-6表示。 lppm110-6 110-4=0.0001=1g/g ppm单位相当于g/g。对于超微量元素，由于丰度 极低，通常以十亿分率(10-7)表示，用ppb(part per billion)表示。 lppb=110-9110-

5、70.0000001=1ng/g 微量元素的分布规律： 微观上受元素类质同象置换条件制约， 以固熔体混合物形式分布于岩石中。 宏观上，受元素分配系数制约以某种统 计规律反应富集贫化趋势。微量元素在造岩 矿物中多以类质同象混入物形式存在，服从 概率分布规律，既有随机性，又有统计性。 少量微量元素的分布不是类质同象混 入物形式，它们是超显微非结构混入物， 是在矿物结晶生长时，混入晶格缺陷或 机械包裹形成。 如硅酸盐岩浆中，像黄铁矿、闪锌 矿、方铅矿、辉钼矿和Ti、V、Mn、U、 Th的氧化物，以及Au、Ag、pb、Bi、Hg 的原子态单元素自然矿物。 从地核到地壳的垂直方向上， 分散在结晶矿物中的

6、微量元素产生 了分异作用。 谢尔巴科夫用元素的向心力和 离心力描述这种向地球外圈贫化或 富集的趋势。 他将陨石成分（）当作地球的 平均成分，代表地球的原始浓度， 玄武岩作为地幔平均成分，将玄武 岩元素丰度（）作为元素离心的基 本参数；页岩是地壳中广泛分布的 沉积岩，是地球表部各类岩石的平 均成分代表（c）。从而根据、 c三个参数的比值特征将元素分为四 组。 （1）向心元素 /1 c/1 Mg、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Rn、Rh、Pt、Os、 Ir、Pd、Au （2）最弱离心元素 /1 c/1 P、Na、Ca、Sc、Ti、V、Mn、Zn、C、N、Cl、 Br、I （3）弱离心元素 /1 c

7、1 Ga、Ge、As、Se、Sn、Te、Bi、Re、Mo （4）离心元素 /1 c1 Li、Rb、Cs、Sr、Ba、Y、REE、Zn、Hf、Nb、 Ta、B、Al、In、Tl、Si、Pb、Sb、U、F、O 最强的离心元素是在水圈、生物 圈和大气圈中富集的元素，如H、C、 0、N及惰性气体。 岩浆结晶过程中，某些元素并不 进入造岩矿物晶格，它们倾向于在 富含水的流体相中富集。地球化学 家用元素相容性来描述在结晶相或 流体相富集的特征。 不相容元素(incompatib1e elments)是 指那些在结晶分异过程中倾向于残余流 体相中聚集的元素。 相容元素(compatib1e elements

8、)则是 指容易进入结晶相而在残余流体相中迅 速降低的元素。 地球化学家用分配系数(KD)来定量刻 划微量元素在两相中的分配特征。 KD为元素在两相间的分配系数， 为在矿 物晶体中浓度分数， 为元素在熔体相中的浓 度分数。 根据分配系数KD的大小把微量元素分为弱 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的称为强不相 容元素，即99聚集于流体相中，如Rb、Cs、 K、U、Th、Ta、Nb、Ba、La、Ce等。 i X i X 第二节 元素的共生组合 一、元素的亲合性 地壳是一个包含92种天然元

9、素组成的自 然体系。在其特定的温度、压力和酸碱环境 中，这些元素互相组合，形成了特定的共生 结合规律。 天然矿物一般按阴离子分类，地壳中常 见的是含氧化合物、硫化物、卤化物及天然 元素等。地球化学上把阳离子有选择地与阴 离子结合的倾向性，称为元素的亲合性。并 按这种亲合性进行元素分类。 戈尔德施密特分五组： 亲铁元素： 自然界倾向于以自然元素产出，价电子 不易丢失，与氧、硫亲合力均弱，集中于铁- 镍核中的元素，如Au、Ge、Sn、（Pb）、C、 P、（As）、Mo、（W）、Re、Fe、Cr、Co、 Ni、Ru、I、Rh、Pd、0s、Ir、Pt。 亲硫元素： 与硫亲合力强，是因为这些元素的 金属

10、离子具有818过渡型结构，易于极 化而与易极化的硫离子形成共价键，易 熔于硫化铁熔体的元素，如Cu、Ag、Zn、 Cd、Hg、In、Tl、（Ge）、（Sn）、 （Pb）、As、Sb、Bi、Se、Te、Fe。 亲氧元素（又称亲石元素）： 离子外层电子云为8个电子的隋性气 体型稳定结构，与氧形成稳定的离子键 化合物，易熔于硅酸盐熔体的元素，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。 亲气元素： 原子外层电子为8个电子型，原子容积最 大，具有挥发

11、性或易形成挥发性化合物，主 要集中在气体中，如H、C、N、0、I、Hg、He、 Ne、Ar、Rr、Xe、Rn。 亲生物元素： 生物圈中富集于有机物中的元素，如H、 N、0、P、S、Cl、（R）、（Ca）、（Fe）、 （Ca）、（Fe）、(B)、（F）、(Si)、（Mn）、 （Cu）、I。 氢族；造岩元素族(Li、Be、Na、Mg、Al、 Si、K、Ca、Rb、Sr、Cs和Ba)；惰性气体族 (He、Ne、Ar、Kr、Xe、Rn)；挥发分元素族 (B、C、N、O、F、P、S、Cl)；铁族(Ti、V、 Cr、Mn、Fe、Co、Ni);稀土稀有元素族 (Sc、 Y、Zr、Nb、TR、Hf、Ta等)；

12、放射性元素族 (Fr、Ra、Ac、Th、Pa、U等）；钨钼族 (Mo、 Tc、W、Re)；铂族(Ru、Rh、Pd、Os、Ir、 Pt)；硫化矿床成矿元素族 (Cu、Zn、Ge、 Ag、Cd、In、Sn、Au、Hg、Tl、Pb等)；半 金属元素族(As、Sb、Bi、Se、Te、Po)； 重卤素元素族(Br、I、At)。 二、成岩成矿 作用的典型元 素组合 表1-3列出了 不同岩浆岩和沉 积岩中的元素一 般组合特征及常 见矿石类型的元 素组合特征。 各类岩石中的微量元素组合，主要反 映了该岩石中主要造岩矿物的类质同象 元素。 如超基性岩主要由橄榄石和辉石组 成，与铁、镁类质同象置换的钴、镍、 铬、

13、铜便是该类岩石的典型元素组合。 成矿主要元素为亲硫元素、亲铁 元素，不易进入硅酸盐晶体而富集 在残余流体或后期热液中，虽然同 为亲硫元素，但由于成矿流体本身 成分的差异性，不同矿床类型仅有 一种或多种金属元素为主形成主要 独立矿物，其他元素则以次要矿物 或杂质元素出现，形成了上表中不 同矿石类型的特有的元素组合，这 为找矿确定指示元素提供了依据。 第三节 元素的空间分布 一、正常分布与异常分布 地球化学的正常分布，是某一空间 中多数位置上元素含量所具有的相对波 动不大的特征。 地球化学中的异常，最早使 用于勘查地球化学中，是指矿化 区段的地球化学特征（如某些元 素含量的高低，元素含量分布的 均

14、匀性，元素赋存形式的差异） 明显不同于周围无矿背景区的现 象。 地球化学异常包含了三个方面的 含义：地球化学特征不同，具有一 定的空间范围，元素含量或地球化 学指标值偏离背景值。简言之，由 异常现象、异常范围、异常值三层 含义构成了完整的地球化学异常概 念。由此可知，异常是相对于地球 化学背景而存在，相对于背景的 “正常”而言的。因此了解背景的 正常分布，更有助于理解异常分布。 不同级次的背景与异常 二、元素的时空分布地球化学场 如果把地球化学背景和发育在 其中的地球化学异常当作一个整体 来看待的话，元素在这一体系中的 分布便构成地球化学场。除了元素 外，一切地球化学指标，都具有自 己的地球化

15、学场。 地球化学指标是指一切能提供 找矿信息或其他地质信息的、能够 直接或间接测量的地球化学变量。 地球化学指标可分为参数性与非 参数性两大类。前者为定量数值， 后者为定性表述（如有、无；大、 中、小；强、中、弱；深、浅等）。 地球化学指标 将地壳或者地球表层系统中 某一点放在直角坐标系（x，y，z） 中，该点任一时刻t，存在着j个 相，每个相有i个地球化学指标， 该点指标i可表示为： 我们把地球化学指标i在三度空间和 时间上的分布与演化称为地球化学场， 即具体某一时刻定位于三度空间上的地 球化学指标值。 地球化学指标应用最多的是元素含 量，其次是地球化学环境标志，如pH、 Eh、T、P等，地

16、球化学场研究最多的是 元素的分布。 地球化学场有以下特征： （1）与地球物理场相比，它没有 严格的数学公式或化学定律进行准确地 描述、推断或延拓，它是具体点上地球 化学环境（化学、热力学、动力学）综 合制约的结果，可以定性推测而不能准 确计算。地球物理场则可以严格按照物 理定律进行计算和推演。 （2）地球化学场是一个连续的非 均匀场。三度空间中任何一点，都 有相应的地球化学指标值，从这一 含义上讲是连续的，但是此点与彼 点既有结构上的连续性，又有指标 值的随机性、波动性、不确定性， 是一个非均匀场。 （3）地球化学场是一个不可逆动态 演化的非稳定场。地壳体系中，元素主 要以固态存在。但这种存在

17、形式是暂时 的。在一定条件下要发生转移，参加地 球化学旋回，只能是某一时刻的分布特 征。所以，只可以有某一地区某一时期 的地球化学场，如晚太古地球化学场、 寒武纪地球化学场等。而水系沉积物测 量，则是当代表层疏松物质的地球化学 场，它是各个水系沉积物样点的汇水盆 地内表层基岩风化物的平均值。 （4）地球化学场的指标不具有传递 性，这与地球物理场显然不同。地球物 理场中物质的物理性质，如磁性、重力、 放射性等，是依靠场来传递的。而地球 化学场中，只有气态物质可呈分子状态 垂直向上或向压力降低方向穿透性传输， 部分可溶于水的元素或化合物被水介质 缓慢传输。以固体物质存在的元素，不 能由深部直接传输

18、到地表，元素含量的 变化只能通过元素赋存物质的相态改变、 活化迁移、再沉淀固结来实现。 第四节 元素含量的概率分布 由于任何一种岩石中元素的正常 含量都是在一定幅度内变化的一系 列数值，是一个随机变量，各种含 量的出现总是对应于一定的概率。 研究地质体中元素含量的概率分布 形式得出，主要呈正态分布或对数 正态分布。 所谓正态分布是指元素含量的概率满足 下列概率函数和概率分布函数： 概率密度函数： 概率分布函数： 式中：母体的标准离差； m数学期望（或母体的平均值） 为样品值 对数正态分布是指元 素含量对数值的概率满足 于概率密度函数和概率分 布函数： 概率密度函数 概率分布函数 正态分布有以下特点：正态分布有以下特点： 。，对称轴两边是对称的概率密度有对称轴mx 时有极大值且当曲线只有一个高峰，并mx 。，和，0)( 4 . 0 2 1 )(xfxxmf 点越远，随机变量的概率最大，离开这说明在点mm 出现的可能性越小。x 。的概率为，的概率为 ，的距离为值与它与曲线的交点所对应 轴的横线，倍处作一平行于曲线最大值 。即在时，当 %40.952%1 .84 607. 0 607. 0)( 2 1 mm mx x eFmxfmx 5 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 1 507 506 00