第四章微量元素地球化学

1、第四章第四章 微量元素地球化学微量元素地球化学例如：例如：Ol熔体系统的元素分配熔体系统的元素分配The figure above is a back-scattered electron image of water-rich fluid pockets (dark), silicate melt quenched to glass (dark gray) and olivine crystals (a mantle mineral, light gray). The bright spots are another mineral (spinel) that formed when the

2、 experiment was quenched from the run conditions of 15,000 atmospheres pressure and 1050 degrees Celsius temperature. The white scale bar represents a length of 20 microns. / igpp/texture.php归纳归纳：控制主量元素和微量元素的规律：控制主量元素和微量元素的规律（1 1）地球化学过程的演化实质是元素在共存各相（液）地球化学过程的演化实质是元素在共存各相（液固，固，固固

3、固）之间的分配过程。固）之间的分配过程。（2 2）自然过程趋向局域平衡，元素在相互共存各相间的平衡）自然过程趋向局域平衡，元素在相互共存各相间的平衡分配取决于元素及矿物的晶体化学性质及热力学条件。分配取决于元素及矿物的晶体化学性质及热力学条件。（3 3）在自然过程中主量元素和微量元素在各相间分配的行为）在自然过程中主量元素和微量元素在各相间分配的行为是不同的。是不同的。主量元素能形成自己的独立矿物，其在各相中分配主量元素能形成自己的独立矿物，其在各相中分配受相律（受相律（f=K-+2）控制；控制；微量元素常不能形成独立相，它们微量元素常不能形成独立相，它们在固熔体、溶体和溶液中浓度很低，因此微

4、量元素的分配不受在固熔体、溶体和溶液中浓度很低，因此微量元素的分配不受相律的限制，而服从稀溶液定律（亨利定律），相律的限制，而服从稀溶液定律（亨利定律），即在分配达平即在分配达平衡时在各相间的化学势相等。衡时在各相间的化学势相等。 且微量元素的活度正比于其摩尔且微量元素的活度正比于其摩尔浓度。浓度。其中：其中：、分别是该元素在、 相中的化学位，分别是该元素在、 相中的化学位， 、分别是该元素在、相中标准状态分别是该元素在、相中标准状态下 的 化 学 位下 的 化 学 位 , R 是 气 体 常 数 ，是 气 体 常 数 ， T 是 绝 对 温 度是 绝 对 温 度 , 、 、 是该元素分别在、

5、 相中的活度，是该元素分别在、 相中的活度， 根据热力学原理，当各相处于平衡时，任一组分在根据热力学原理，当各相处于平衡时，任一组分在各相中的化学位应该相等各相中的化学位应该相等: = 0 + R T ln ( )= 0 + R T ln ( )经过变换得：经过变换得：/= e （指数函数）（指数函数） 由于由于 0 、 0是常数，是常数，R是气体常数，所以在一定是气体常数，所以在一定T、P下下 /=常数常数=KD 对于稀溶液来说：对于稀溶液来说：、活度系数为活度系数为 1， 所以分配系数所以分配系数 KD KD=X/X =C/CX、X分别为微量元素在两相中的摩尔分数，分别为微量元素在两相中的

6、摩尔分数，) KD为能斯为能斯特分配系数特分配系数, 为温度为温度 T的指数函数，永为正值的指数函数，永为正值在一定温度在一定温度, 压力下：压力下： 0 00 0 X/X=KD1 该微量元素更多地进入该微量元素更多地进入相；相； 0 00 0 X/X=KD1 该微量元素更多地进入该微量元素更多地进入相；相； 0 0 0 0 X/X= KD= 1 该微量元素在该微量元素在、相中倾向相相中倾向相等。等。 ( 0- 0)RTC C、C C分别为微量元素在两相中的浓度分别为微量元素在两相中的浓度KD 或者 DC固相C液相当岩石发生部分熔融时，会出现熔体相和结晶相当岩石发生部分熔融时，会出现熔体相和结

7、晶相（矿物相），微量元素可以选择性进入这两相。（矿物相），微量元素可以选择性进入这两相。元素分配系数元素分配系数什么是什么是HFSETable 9-1. Partition Coefficients (CS/CL) for Some Commonly Used Trace Elements in Basaltic and Andesitic RocksOlivineOpxCpxGarnetPlagAmphMagnetiteRb0.0100.0220.0310.0420.0710.29 Sr0.0140.0400.0600.0121.8300.46 Ba0.0100.0130.0260.0230

8、.230.42 Ni14570.9550.016.829Cr0.7010341.3450.012.007.4La0.0070.030.0560.0010.1480.5442Ce0.0060.020.0920.0070.0820.8432Nd0.0060.030.2300.0260.0551.3402Sm0.0070.050.4450.1020.0391.8041Eu0.0070.050.4740.243 0.1/1.5*1.5571Dy0.0130.150.5821.9400.0232.0241Er0.0260.230.5834.7000.0201.7401.5Yb0.0490.340.542

9、6.1670.0231.6421.4Lu0.0450.420.5066.9500.0191.563Data from Rollinson (1993).* Eu3+/Eu2+Italics are estimatedRare Earth Elements元素的相容性取决于共存的矿物和熔体元素的相容性取决于共存的矿物和熔体（玄武质和安山质岩石中常见元素矿物（玄武质和安山质岩石中常见元素矿物/ /熔体分配系数）熔体分配系数）)液相()固相(ClCs例如例如OlOl、PlPl这是指单一元素这是指单一元素、单一矿物相、单一矿物相体系中元素的总分配系数（体系中元素的总分配系数（DiDi） 用于研究微量元

10、素在矿物集合体（岩石）及与之平衡用于研究微量元素在矿物集合体（岩石）及与之平衡的熔体之间的分配关系，常用岩石中所有矿物的分配的熔体之间的分配关系，常用岩石中所有矿物的分配系数与岩石中各矿物含量乘积之和表达系数与岩石中各矿物含量乘积之和表达 。Di = WA DiWA = 岩石中矿物含量岩石中矿物含量Di = 元素元素i在矿物在矿物A中的总分配系数中的总分配系数Table 9-1. Partition Coefficients (CS/CL) for Some Commonly Used Trace Elements in Basaltic and Andesitic RocksOlivineO

11、pxCpxGarnetPlagAmphMagnetiteRb0.0100.0220.0310.0420.0710.29 Sr0.0140.0400.0600.0121.8300.46 Ba0.0100.0130.0260.0230.230.42 Ni14570.9550.016.829Cr0.7010341.3450.012.007.4La0.0070.030.0560.0010.1480.5442Ce0.0060.020.0920.0070.0820.8432Nd0.0060.030.2300.0260.0551.3402Sm0.0070.050.4450.1020.0391.8041Eu0

12、.0070.050.4740.243 0.1/1.5*1.5571Dy0.0130.150.5821.9400.0232.0241Er0.0260.230.5834.7000.0201.7401.5Yb0.0490.340.5426.1670.0231.6421.4Lu0.0450.420.5066.9500.0191.563Data from Rollinson (1993).* Eu3+/Eu2+Italics are estimatedRare Earth Elements石榴石地幔橄榄岩石榴石地幔橄榄岩 = 60% Ol25% Opx10% Cpx5% Gar (wt%)计算结果：计算

13、结果：DEr = (0.6 0.026) + (0.25 0.23) + (0.10 0.583) + (0.05 4.7) = 0.366计算计算举例举例元素的分配系数测定方法元素的分配系数测定方法A. A. 直接测定法直接测定法：直接测定地质体中两平衡共存相的微量元素浓度直接测定地质体中两平衡共存相的微量元素浓度，再按能斯特分配定律计算出分配系数。，再按能斯特分配定律计算出分配系数。例如，测定火山岩中例如，测定火山岩中斑晶矿物和基质斑晶矿物和基质，或测定现代，或测定现代火山熔岩流中的矿物与火山熔岩流中的矿物与淬火熔体（玻璃）淬火熔体（玻璃）或测定岩石中的或测定岩石中的共存矿物的分配系数共存

14、矿物的分配系数。目前应用最广泛的是斑晶目前应用最广泛的是斑晶基质法，火山岩中斑晶矿物代表熔体结晶过程基质法，火山岩中斑晶矿物代表熔体结晶过程中的固相，基质或淬火熔体代表熔体相中的固相，基质或淬火熔体代表熔体相岩浆，两相中微量元素比值即为岩浆，两相中微量元素比值即为该元素的分配系数。该元素的分配系数。 B. B. 实验测定法实验测定法：用化学试剂合成与天然岩浆成分相似的玻璃物质用化学试剂合成与天然岩浆成分相似的玻璃物质；或者直接采用天然物质（如拉斑玄武岩）作为初始物质，实验使一种矿；或者直接采用天然物质（如拉斑玄武岩）作为初始物质，实验使一种矿物和熔体，或者两种矿物达到平衡，并使微量元素在两相中

15、达到溶解平衡物和熔体，或者两种矿物达到平衡，并使微量元素在两相中达到溶解平衡，然后测定在两相中元素浓度，得出分配系数。实验测定分配系数的方法，然后测定在两相中元素浓度，得出分配系数。实验测定分配系数的方法虽不断改善，但仍难于证明实验是否达到平衡以及难于选纯矿物，加上为虽不断改善，但仍难于证明实验是否达到平衡以及难于选纯矿物，加上为了精确测定微量元素，实验过程中元素的浓度远远高于自然体系，这些都了精确测定微量元素，实验过程中元素的浓度远远高于自然体系，这些都是应用实验结果研究实际问题的难题。迄今以实验方法获得的分配系数数是应用实验结果研究实际问题的难题。迄今以实验方法获得的分配系数数据也较少见。

16、据也较少见。 Seitz et al.(1999), GCA, 63: 39673982,橄榄岩中过渡橄榄岩中过渡元素在元素在cpxcpx和和opxopx之间的分配之间的分配系数随温度的系数随温度的变化变化K = CK = Ccpxcpx/C/CopxopxNimis P., Taylor W.R., 2000. CMP, 139: 541-554.单斜辉石中单斜辉石中CrCr的分配系的分配系数随压力的数随压力的变化变化K* = K2O/(K2O + Al2O3)摩尔数之比摩尔数之比Horng W.S. and Hess P.S., CMP, (2000) 138: 176-1855、判断成岩

17、和成矿过程的平衡性、判断成岩和成矿过程的平衡性 在各相处于平衡时，元素在共存矿物间的分配系数，在各相处于平衡时，元素在共存矿物间的分配系数，当温度、压力固定时为一常数。为此，可利用来作为当温度、压力固定时为一常数。为此，可利用来作为检验自然过程是否达到平衡的标志。检验自然过程是否达到平衡的标志。方法是：方法是：在地球化学体系不同部位在地球化学体系不同部位(为同时同成因的产物为同时同成因的产物)采采 集若干个同种共存矿物对样品集若干个同种共存矿物对样品; 测定矿物对中某微量元素的含量；测定矿物对中某微量元素的含量； 计算分配系数，视其是否为接近某固定值，即可检计算分配系数，视其是否为接近某固定值

18、，即可检 验其过程是否达到平衡。验其过程是否达到平衡。 ;例：例：加拿大魁北克变质岩地区，对其不同地区成对地采集若干个共生的黑云母和角闪石，分析其中 V2O3含量，并将其投入黑云母角闪石 V2O3（%）图中，结果每对矿物的数据的投点几乎落在一条直线上，这反映“V”这微量元素在角闪石和黑云母间的分配系数 KD角/黑1.2，为一个常数，从而证明了在变质过程中角闪石和黑云母是平衡反应的产物。6. 微量元素分配系数温度计微量元素分配系数温度计 原理原理 当微量元素在共存各相中分配达到平衡时，存在着lnKD = -（H/RT）+B函数关系，-（H/R）为斜率，B为截距。即当在所讨论范围内H（热焓）可看作

19、为常数时，分配系数（KD）的对数与温度倒数（1/T）存在线性关系。 方法方法 测定待研究地质体中共生矿物对中某微量元素的含量，算出该元素在矿物对的分配系数，利用以上关系式即可计算出矿物结晶温度。 实例实例 利用Ni在橄榄石和单斜辉石之间的分配来计算火山岩的结晶温度。这关系式是如何获得的呢？哈克里等人研究了夏威夷活火山中玄武岩浆与正在结晶的橄榄岩和单斜辉石之间Ni的分配。样品号温度（oC）橄榄石中 Ni单斜辉石中 NiKD橄/辉11601120107510701050155513109559358402552452402352206.105.353.983.983.82得出：橄榄石和单斜辉石间的

20、 Ni 的分配系数与温度关系式： lnKD= -（70.34/RT）+7.65（H=70.34 J/mol R=8.3144 J/molK）他们在火山熔岩不同温度时取样，测定橄榄石和单斜辉石中 Ni的浓度，并计算了 Ni 的分配系数（见表） ，将测得的一组数据用 lnKD对 1/T 作图，由图求出H 和 B 值。注注意意问问题题：达达到到平平衡衡的的共共生生矿矿物物对对； 适适用用一一定定的的温温度度范范围围。1、平衡部分熔融、平衡部分熔融（Equilibrium partial melting)为了能够推导出微量元素在产生的熔体为了能够推导出微量元素在产生的熔体中的浓度与部分熔融程度的关系，

21、需作中的浓度与部分熔融程度的关系，需作如下假定：如下假定： （1）在整个部分熔融过程中微量元素）在整个部分熔融过程中微量元素在固相和液相之间的总分配系数始终保在固相和液相之间的总分配系数始终保持不变；持不变； （2）整个熔融过程中残余固相中各矿）整个熔融过程中残余固相中各矿物相对形成熔体的贡献比例保持不变。物相对形成熔体的贡献比例保持不变。 (Batch melting) Di = 1.0随着F变化，CL/C0不变相容元素相容元素不相容元素不相容元素强不相容元素强不相容元素CC1FLO= =CC1Di(1F) FLO=-+当当F1时时CiL/Cio1岩石全熔，即熔体中所有岩石全熔，即熔体中所有

22、元素的浓度与母岩中该元元素的浓度与母岩中该元素的浓度趋于一致。素的浓度趋于一致。批式熔融计算实例批式熔融计算实例: : 计算计算Rb和和Sr在玄武岩部分熔融过程中含量在玄武岩部分熔融过程中含量Table 9-2. Conversion from mode toweight percentMineral ModeDensityWt propWt%ol153.6540.18cpx333.4112.20.37plag512.7137.70.45 Sum303.91.00 1. 把矿物含量（把矿物含量（Mode）换算为矿物重量比例换算为矿物重量比例 (Wol Wcpx etc.) 2. 应用应用Di

23、= WA Di计算计算Rb和和Sr的总分配系数的总分配系数DRb = 0.045DSr = 0.848Table 9-3. Batch Fractionation Model for Rb and SrCL/CO = 1/(D(1-F)+F)DRbDSrF0.0450.848Rb/Sr0.059.36.491.135.730.154.981.124.430.24.031.123.610.32.921.102.660.42.291.091.071.760.61.601.051.520.71.391.041.331.200.91.

24、101.011.093. 用公式计算不同部分熔用公式计算不同部分熔融程度（融程度（F0-1)的的Rb和和Sr含量比值含量比值CL/CO 投图投图CL/CO对对F解释：解释：在玄武岩批式在玄武岩批式熔融产生岩浆熔融产生岩浆中，中，Rb显示强显示强烈的不相容性烈的不相容性。 石榴石橄榄岩批式熔融随着石榴石橄榄岩批式熔融随着F变化模式变化模式 结晶过程实际上是一结晶过程实际上是一个不平衡的分配过程。个不平衡的分配过程。微量元素在晶体中扩微量元素在晶体中扩散比熔体或液体中慢散比熔体或液体中慢得多，来不及取得完得多，来不及取得完全平衡（只能表面平全平衡（只能表面平衡），则形成晶体的衡），则形成晶体的环带

25、状构造。环带状构造。 .不平衡结晶过程不平衡结晶过程 (瑞利分馏瑞利分馏Rayleigh FractionationRayleigh Fractionation ） CL是分异岩浆中矿物结晶时的微量元素是分异岩浆中矿物结晶时的微量元素i瞬间浓度瞬间浓度C0是原始熔浆中的浓度是原始熔浆中的浓度F为残留熔体与原始熔体的百分数为残留熔体与原始熔体的百分数,反映岩浆结晶程度反映岩浆结晶程度 F=1 刚开始结晶刚开始结晶 F=0 完全结晶完全结晶Di为微量元素在晶体与熔体间的分配系数为微量元素在晶体与熔体间的分配系数 推导出推导出瑞利分馏定律瑞利分馏定律: : CL=C0 FDi-1 岩浆结晶过程中分配

26、系数与岩浆结晶过程中分配系数与微量元素在熔体中浓度的关系微量元素在熔体中浓度的关系利用瑞利分馏定律，利用瑞利分馏定律，将岩浆中某微量元素将岩浆中某微量元素的瞬间浓度相对于该的瞬间浓度相对于该元素的原始浓度比值元素的原始浓度比值（CL/C0）作为纵坐标）作为纵坐标，以反映岩浆结晶程，以反映岩浆结晶程度的度的F为横坐标，并为横坐标，并赋于赋于KD不同的值，就不同的值，就可做出反映元素行为可做出反映元素行为的图解：的图解： CL=C0 FDi-1CL/C0稀土元素稀土元素 REE (rare earth elements)REE (rare earth elements)稀土元素的共性稀土元素的共性

27、：(1)它们的原子结构相似它们的原子结构相似(2)离子半径相近离子半径相近(REE3 离子半径离子半径1.06 0.84 ）(3)它们在自然界密切共生它们在自然界密切共生稀土元素La系Yq Eu 4 f 7最稳定，它仅失去最稳定，它仅失去6s层上两个电子，层上两个电子，呈呈Eu 2+，（，（E u 3+)q Ce 具有最不稳定的具有最不稳定的4 f 2电子充填电子充填，除，除f2f2上两个电上两个电子外，子外，6s层上两个电子也可丢失，呈层上两个电子也可丢失，呈Ce 4+，（Ce 3+)2 2、稀土元素组成模式、稀土元素组成模式-3-2-1012345678910110102030405060

28、708090100Atomic Number (Z)Log (Abundance in CI Chondritic Meteorite)HHeLiBeBCNOFScFeNiNeMgSiSCaArTiPbPtSnBaVKNaAlPClThUREE5758596062636465666768697071LaCePrNdSmEuGdTbDyHoErTmYbLu110100Chondrite-Normalized ValueLaCePrNdSmEuGdTbDyHoErTmYbLu0.1110Concentration (ppm) 曾田科里尔（曾田科里尔（Masuda-Coryell）图解图解,以球粒陨

29、石作为标准化数据以球粒陨石作为标准化数据. 以某一参照物质作为标准化数据以某一参照物质作为标准化数据, ,例如用例如用原始地幔、原始地幔、MORBMORB等，能够清楚地显示不等，能够清楚地显示不同矿物间同矿物间REE的分异程度。的分异程度。 REE数据表示：数据表示：需要标准化需要标准化西藏钾质超钾质岩石稀土元素组成球粒西藏钾质超钾质岩石稀土元素组成球粒陨石标准化图，标准化数据根据陨石标准化图，标准化数据根据Boynton（1984）将样品含量将样品含量(ppm)分分别除以球粒陨石别除以球粒陨石(或者或者其他数据，如其他数据，如MORB)，得到标准得到标准化后数据化后数据14元素按照原子序数元

30、素按照原子序数排列作为横坐标（注排列作为横坐标（注意没有意没有Pm和和Y）纵坐标以对数表示纵坐标以对数表示 稀土组成图具体作法稀土组成图具体作法太阳系9大行星相对大小对比太阳系太阳系太阳系由太阳太阳系由太阳,行星行星,行星物体行星物体(宇宙宇宙尘尘,彗星彗星,小行星小行星)和卫星组成和卫星组成.太阳集太阳集中了太阳系中了太阳系99.8%的质量的质量.行星划分为两种类型行星划分为两种类型:接近太阳的较小内行星接近太阳的较小内行星-水星水星,金星金星,地球地球,火星火星,称为类地行星称为类地行星;远离太阳大的外行星远离太阳大的外行星-木星木星,土星土星,天天王星王星,海王星和冥王星海王星和冥王星.

31、火星和木星之间存在着数以兆计的火星和木星之间存在着数以兆计的小行星小行星, 有些小行星的轨道横切过有些小行星的轨道横切过行星轨道行星轨道.在殒落到地球上来的陨在殒落到地球上来的陨石中石中,已经发现有两颗的轨道曾位已经发现有两颗的轨道曾位于小行星带内于小行星带内.图1.5 自然界的流星雨美国亚利桑那Barringer(or Meteor)陨石坑,直径约1.2km由一个直径约40m的撞击物撞击而成.撞击物残余称为Canyon Diablo铁陨石(国际S同位素标准).图1.12 主要类型陨石的特征ClSi=1型碳质球粒陨石（原子）太阳大气（原子）Si=1墨西哥Allende CI型球粒陨石元素丰度与

32、太阳元素丰度对比,组成十分一致球粒陨石La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu100101001010.10.01NASC球粒陨石NASC/球粒陨石丰度(ppm)（a）“北美页岩组合样北美页岩组合样”（缩写为（缩写为NASC）中中REE的的球粒陨石标准化丰度。（球粒陨石标准化丰度。（b）哈斯金等（哈斯金等（1968）给出的）给出的NASC中的中的REE真实丰度。（据真实丰度。（据Henderson,1984）为什么用球粒陨为什么用球粒陨石标准化石标准化? ?1. 消除奇偶效应，曲线消除奇偶效应，曲线平滑平滑,2. 利于对比利于对比,可以直观可以直

33、观鉴别岩石样品相对于球鉴别岩石样品相对于球粒陨石的分异程度粒陨石的分异程度.3. 有利于直观展示岩石有利于直观展示岩石的类型和成因的类型和成因.其他标准化数据其他标准化数据1. 沉积岩用北美页岩成分沉积岩用北美页岩成分NASC作为标准化数据作为标准化数据2. MORB，Mid-Ocean Ridge Basalt3. 原始地幔原始地幔, primitive mantle标准名称标准名称球粒陨石平均球粒陨石平均原始地幔原始地幔La0.310.7080Ce0.8081.8330Pr0.1220.2780Nd0.61.3660Sm0.1950.4440Eu0.07350.1680Gd0.2590.5

34、950Tb0.04740.1080Dy0.3220.7370Ho0.07180.1630Hr0.210.4790Tm0.03240.0740Yb0.2090.0480Lu0.03320.0737文献文献Boynton, 1984McDonough et al.,1991Boynton W.V. 1984. Geochemistry of the rare earth elements: meteorite studies. In: Henderson P.(ed), Rare earth element geochemistry. Elsevier, pp.63-114McDonough W.

35、F., Sun S., Ringwood A.F., et al. 1991. K, Rb, and Cs in the earth and moon and the evolution of the earths mantle. Geochimica et Cosmochimica Acta, , Ross Taylor Symposium volume. 演示如何获得演示如何获得REE图图标准化后的重要参数标准化后的重要参数原子序数增大原子序数增大, 相容性增强相容性增强REE标准化后的重要参数标准化后的重要参数REE=La+.+Lu (15个元素个元素)REE能明显反映出各类岩石的特征，

36、能明显反映出各类岩石的特征，例如：一般在超基性岩、基性岩中例如：一般在超基性岩、基性岩中REE较较低，在酸性岩和碱性岩中低，在酸性岩和碱性岩中REE较高；沉积较高；沉积岩中砂岩和页岩的岩中砂岩和页岩的REE较高，碳酸盐岩的较高，碳酸盐岩的REE较低。因此较低。因此REE对于判断岩石的源岩对于判断岩石的源岩特征和区分岩石类型有意义。特征和区分岩石类型有意义。各稀土元素含量的总和，常以各稀土元素含量的总和，常以ppm或者或者106为单位为单位1） 稀土元素总含量稀土元素总含量REE标准化后的重要参数标准化后的重要参数比值比值=LREE/HREE这一参数能较好地反映这一参数能较好地反映REE的分的分

37、异程度和指示部分熔融残留体或异程度和指示部分熔融残留体或岩浆早期结晶矿物的特征。岩浆早期结晶矿物的特征。 LREE LREE碱性较碱性较HREEHREE强，随岩浆作强，随岩浆作用的演化，用的演化，LREELREE/HREEHREE比值比值逐渐增大，即逐渐增大，即LREELREE在岩浆作用晚在岩浆作用晚期富集。期富集。 2） 轻、重稀土元素的比值轻、重稀土元素的比值 岩 石 类 型粗 面 岩霞 石 岩碱性橄榄玄武央岩大陆拉斑玄武岩大洋拉斑玄武岩橄 榄 岩球 粒 陨 石0 2 4 6 8 10 12Ce/ Y原始岩浆成分演化过程原始岩浆成分演化过程中中REEREE的分馏特征的分馏特征 LREELR

38、EE/HREEHREE 这些是轻、重稀土元素分别对球粒陨石标准化后比值。它们均能反这些是轻、重稀土元素分别对球粒陨石标准化后比值。它们均能反映映REE球粒陨石标准化图解中曲线（在接近直线的情况下）的总体斜球粒陨石标准化图解中曲线（在接近直线的情况下）的总体斜率，从而能表征率，从而能表征LREE和和HREE的分异程度。的分异程度。3 3） 稀土元素之间的比值稀土元素之间的比值（1） (La/Yb)N、(La/Lu)N、(Ce/Yb)N (下标下标N表示为标准化后的比值表示为标准化后的比值)能对能对LREE和和HREE内部分馏程度提供信息。内部分馏程度提供信息。 例如例如(La/Sm)N比值越大反

39、映比值越大反映LREE越富集。越富集。孙贤术等据此将洋中脊玄武岩划分为三种类型：孙贤术等据此将洋中脊玄武岩划分为三种类型：（La/Sm）N1 为为P型，即富集型，即地幔热柱或异常型；型，即富集型，即地幔热柱或异常型；（La/Sm）N1为为T型，即过渡型；型，即过渡型；（La/Sm）N1为为N型，即正常型，对应的型，即正常型，对应的REE分布型式为亏损型。分布型式为亏损型。（2） (La/Sm)N、(Gd/Lu)N标准化后的重要参数标准化后的重要参数La/YbN=24-96举例：西藏钾质超钾质岩石标准化后的重要参数标准化后的重要参数4） Eu异常异常Eu (Eu/Eu*)NNNGdSmEu+2（

40、Ce (Ce/Ce*)与此类似与此类似2001005020105La Ce Pr Nd Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm YbSmEuGdEu岩石/球粒陨石Eu1 正异常正异常Eu1负异常负异常Eu1无异常无异常Eu/Eu*=0.5-0.7La/Ybn=24-96标准化后的重要参数标准化后的重要参数EuEu异常产生原因异常产生原因例如碱性花岗岩（例如碱性花岗岩（A型花岗岩）起源于深型花岗岩）起源于深源，经部分熔融、分离结晶等复杂成岩过源，经部分熔融、分离结晶等复杂成岩过程后，最终将形成具明显负铕异常的程后，最终将形成具明显负铕异常的“V”字型模式曲线。字型模式曲线。2001001

41、01La Ce Pr Nd Sm Eu Gd Tb Py Ho Er Tm Yb Lu123465岩石/球粒陨石福建魁岐晶洞碱性花岗岩（福建魁岐晶洞碱性花岗岩（A型花岗岩）（洪大卫，型花岗岩）（洪大卫，1985）不同矿物具有不同的不同矿物具有不同的REEREE分配系数，分配系数，斜长石对斜长石对EuEu的分配系数远远大于其它的分配系数远远大于其它REEREE，在各类岩浆岩中在各类岩浆岩中EuEu异常的产生异常的产生常与斜长石的结晶有关，如在岩浆分常与斜长石的结晶有关，如在岩浆分离结晶过程中，斜长石的大量晶出将离结晶过程中，斜长石的大量晶出将导致残余熔体中形成明显负异常。导致残余熔体中形成明显负

42、异常。Table 9-1. Partition Coefficients for some commonly used trace elements in basaltic and andesitic rocksBulk D calculationOlivineOpxCpxGarnetPlagAmphRb0.0060.020.040.0010.10.3Sr0.010.010.140.0011.80.57Ba0.0060.120.070.0020.230.31Ni1413Cr2.1108.40.17101.6La0.0070.020.080.050.140.27Ce0.009

43、0.020.340.050.140.34Nd0.0090.050.60.070.080.19Sm0.0090.050.90.060.080.91Eu0.0080.050.90.9 0.1/1.5*1.01Tb0.010.0515.60.031.4Er0.0130.311180.080.48Yb0.0140.340.2300.070.97Lu0.0160.110.82350.080.89data from Henderson (1982)* Eu3+/Eu2+Italics are estimatedRare Earth ElementsEu2+ 可以与可以与CaCa和和SrSr类质同象，类质同

44、象，倾向于进入倾向于进入斜长石晶格斜长石晶格其他其他REEREE为为3+3+( (例外例外CeCe4 4）3. 不同矿物相对不同矿物相对REE模式的控制模式的控制主要依据是主要依据是REE在这些元素中的分配系数在这些元素中的分配系数1010.10.01Ce Nd Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu分配系数石榴石斜方辉石单斜辉石斜长石橄榄石玄武岩和安山岩玄武岩和安山岩中矿物中矿物/熔体间熔体间REE的分配系数的分配系数（据（据Shnetzler和和Philpotts,1970）有的导致有的导致REEREE分异分异有的不导致有的不导致REEREE分异分异 La Ce Pr

45、Nd Sm Eu Gd Tb Dy Er Tm Yb Lu010.10.010.10.010.005分 配 系数Dab斜长石斜长石/熔体对之间熔体对之间REE分配分配系数变化范围和平均值（粗线系数变化范围和平均值（粗线）(a)酸性岩浆岩；酸性岩浆岩；(b)玄武岩和安山质岩石玄武岩和安山质岩石（据（据Henderson,1982） 英安岩和流纹岩中矿英安岩和流纹岩中矿物物/熔体间熔体间REE的分的分配系数配系数（据（据Hanson,1978） 400100501010.1矿物、基质锆石石榴石磷灰石普通角闪石单斜辉石紫苏辉石黑云母Ce Nd Sm Eu Gd Dy Ey YbLa Ce Pr Nd

46、Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu110100Sample/Chondrite500LaCePrNd Sm Eu Gd Tb Dy HoEr Tm Yb Lu110100样品/球粒陨石玄武岩类LaCePrNd Sm Eu Gd Tb DyHoEr Tm YbLu110100样品/球粒陨石MORBIAB 2 2）变质岩原岩恢复）变质岩原岩恢复现有研究表明，在角闪岩相和麻粒岩相的变质条件现有研究表明，在角闪岩相和麻粒岩相的变质条件下，变质岩的稀土元素含量可能发生一些变化，但下，变质岩的稀土元素含量可能发生一些变化，但其稀土元素的组成模式不会发生变化，因此，利用其稀土元素的组

47、成模式不会发生变化，因此，利用稀土元素的组成模式可恢复变质岩的原岩。稀土元素的组成模式可恢复变质岩的原岩。另外，根据稀土元素设计的图解来恢复变质岩的原另外，根据稀土元素设计的图解来恢复变质岩的原岩。岩。 3）研究地壳演化研究地壳演化 W.B.Nance 和 S.R.Taylor 等人系统研究了澳大利亚从太古代元古代三迭纪的沉积岩(页岩)的稀土组成及演化特征， 并与世界其它地区作了对比，根据稀土组成模式的特点探讨了地壳成分及其演化： 多元素标准化数据多元素标准化数据元素元素RbBaThUNbTaKLaCePbPrSrNd原始地幔原始地幔0.6356.9890.0850.0210.7130.041

48、2500.6871.7750.1850.27621.11.354元素元素PSmZrHfEuTiGdTbDyHoYErTmYb原始地幔原始地幔950.44411.20.3090.16813000.5960.1080.7370.1644.550.480.0740.493Sun & 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 F等等Sun & MacDonough, 1989Chung等，等，2004，Earth Sci. Rev.Williams et al, 20

49、01，Geology正常岛弧火山岩由源自俯冲板片脱水产生的正常岛弧火山岩由源自俯冲板片脱水产生的流体交代地幔楔发生部分熔融而形成，这种流体交代地幔楔发生部分熔融而形成，这种富水的流体亏损高场强元素（富水的流体亏损高场强元素（HFSE），），如如Nb(Ta)、Ti、P等元素，这些元素的流体等元素，这些元素的流体/岩岩石分配系数很小（石分配系数很小（1)，因此，在流体交代，因此，在流体交代地幔楔形成的正常岛弧火山岩中出现显著的地幔楔形成的正常岛弧火山岩中出现显著的Nb（Ta）、）、Ti负异常（在微量元素原始地负异常（在微量元素原始地幔标准化蛛网图上相对于相邻元素幔标准化蛛网图上相对于相邻元素 K 、La和和Eu、Gd）。）。 为什么岛弧火山岩出现为什么岛弧火山岩出现Nb、Ta的负异常？的负异常？岛弧火山岩成因岛弧火山岩成因Chung等，等，2004，Earth Sci. Rev.岩浆岩出现岩浆岩出现Nb、Ta、Ti的负异常的引申含义的负异常的引申含义具有大陆地壳具有大陆地壳物质的参与物质的参与Ti ppm0060018000V ppmMORBOIBIATTi ppm0060018000V ppmMORBOIBIAT微量元素图解研究用途微量元素图解研究用途元素元素特征解释