地球化学的基础理论

1、第二章 地球化学的基础理论一、地球化学背景与异常二、地球化学异常分类、地球化学指标三、地壳的物质组成与元素分布四、元素分布的基本规律1一、地球化学背景与异常1、在自然体系中地球化学指标在某一空间中多是位置上具有相对波动不大的特征。研究自然体系中的地球化学指标的变化，是勘查地球化学的研究最基本的、最重要的内容。2、地球化学背景：在背景区内各种天然物质中(如岩石、土壤、水系沉积物、地表水、地下水、植物和空气等)，各种地球化学指标(元素、同位素的含量、pH值、Eh值、温度等)的数值，称为地球化学背景。23、背景区内各种天然物质中各种地球化学指标的不均匀性，地球化学背景不是固定的数值，而是在一定范围内

2、起伏变化的一系列的数值。地球化学背景起伏变化最高值称为背景上限地球化学背景起伏变化最低值称为背景下限地球化学背景起伏变化平均值称为背景值地球化学背景：全球性的、地球化学省的、区域性的、局部性的。3C全球的背景值地球化学省的背景值区域的背景值局部的背景值各种地球化学的背景值44、地球化学异常：在天然物质中某种地球化学指标与其它地球化学背景比较，出现显著差异的现象，或其它地球化学性质明显发生变化的现象。地球化学异常含义：地球化学特征不同、具有一定的空间范围、地球化学指标偏离背景值。简言之，由异常现象、异常范围、异常值三层含义构成完整的地球化学异常概念。56二、地球化学异常分类、地球化学指标1、根据

3、地球化学异常与背景值比较正异常：异常数值高于背景值上限负异常：异常数值低于背景之下限2、根据异常规模大小地球化学省：地壳中金属矿产分布是不均匀的，(一)、地球化学异常分类7在地壳的某一大范围内某些成分富集特征特别明显，该区域不止是一两类岩石中该元素丰度高，该种元素的矿床成群出现，而且在历史演化中该元素的矿产出现率也特别高，通常将地壳的这一区段称为地球化学省。地球化学省的背景为全球地壳元素含量值(克拉克值)。例：东南亚Sn矿省、智利Cu地球化学省等。特征：地球化学省范围几千到几十万km2意义：为找矿提供战略方向和空间。8区域异常：数平方公里到数百平方公里的地球化学异常。如：江西德兴Cu矿田、异常

4、面积为160km2。局部异常：分布在矿体或矿床周围的异常，规模在几米到几百米范围内。思考：地球化学省、区域异常、局部异常对找矿有何意义？ 93、与矿的关系分为：矿异常：与矿体(矿床)、矿化有关的各类地球化学异常；又分为： 矿体(矿床)异常：与矿体(矿床)有关的各类地球化学异常， 矿化异常：与不具工业价值的矿化有关的各类地球化学异常，非矿异常：与矿体(矿床)、矿化无关的异常，如：由其它自然作用及其人为因素等起因的异常。104、根据地球化学异常的成因及赋存介质不同a.原生异常：在成岩或成矿作用中形成赋存在基岩中的异常，统称原生异常。其中在成矿作用中形成分布在矿体或矿化周围基岩中的异常称为原生晕。若

5、以气体存在，则为原生气晕。b.次生晕：由已形成的岩石或矿体(矿化)及其原生晕在表生带遭到破坏后，经过迁移，重新分配在各种介质中形成的异常，称为次生异常。11根据次生异常赋存的介质的不同又可分为：（1）土壤地球化学异常（2）水系沉积物地球化学异常(分散流)（3）水文地球化学异常（4）生物地球化学异常（5）气体地球化学异常12矿体矿体矿体矿体13定义：指一切能提供找矿信息或其它地质信息的、能够直接或间接测量的地球化学变量。地球化学指标主要指元素、同位素的含量或比值、 pH值、Eh值、温度、氧逸度等勘查地球化学中使用最频繁的地球化学指标是元素，一般称为指示元素。(二)、地球化学指标141、指示元素1

6、)、概念：天然物质中能够作为找矿线索，以及对解决某些地质问题具有指示作用的化学元素，称为指示元素。例如：可利用As、Cu找金矿2)、分类： 对于找矿的指示元素，按对找矿所起的作用：a、通用指示元素：能够指示多种矿床(或矿化)存在的元素，如：Cu、Pb、Zn、Au、Ag、Sb、Hg、U等热液矿床都有Hg的异常，Hg指示这些矿床的存在，Hg被称为通用只是元素。b、直接指示元素：能够直接指示某种矿床(或矿化)存在的元素，通常是矿床中的主要成矿元素。如：Au是找金矿、Cu是找铜矿的直接指示元素。15c、间接指示元素：间接指示某种矿床(矿化)存在的元素，通常是矿床中与主要成矿元素相伴生的元素。如：As、

7、Cu找金矿，Tl找金矿等，因此As、Cu和Tl是间接指示元素。按照指示元素在矿体周围迁移的远近，可以将指示元素分为：a.远程指示元素：离矿体较远b.中程指示元素：离矿体较近c.近程指示元素：离矿体最近162、地球化学场地球化学指标在三度空间和时间上的分布与演化称为地球化学场。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，该点任一时该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 Ci,j=F（x，y，z，t）空间属性与时间属性的统一，构成了地球化学场的全部意义。171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的描述、推断、或延拓，它是具体点上地球化

8、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推算。2地球化学场是一个连续的非均匀场。3地球化学场是一个不可逆动态演化的非稳定场。4. 地球化学场的指标不具有传递性。 地球化学场特征：18通过与地球物理场的对比分析研究可知，地球化学场不能象地球物理场那样用仪器在地表探测天然的或者人工的场的变化来推断解释地质构造和异常物质的分布，它只能根据研究精确程度的需要，进行系统的地球化学采样，分析测试地球化学指标近似逼近地球化学场的真实特征。地球物理场由严格的物理定律定义，而地球化学场强调的是同一点上各地球化学参数的动态关系，它们受物质组分、地球化学条件和化学、热力学定律制约。19对

9、地球化学场公式（1-1）积分形式具有总量的意义，它可以按线、面、体分别 积分。其中为密度。分别称某元素的线地球化学量、面地球化学量和体积地球化学量。对于线、面、体的平均含量可定义为 20实际计算时，只能用近似公式来求，积分形式只是一种理想的表达式，这也是与地球物理场的不同之处。对公式（1-1）的微分形式，就是浓度梯度，或称为变化率。凡是浓度梯度极大值所在的点，叫做地球化学障，其实质就是地球化学环境发生骤然变化，元素活动性发生急剧改变的地段（A彼列尔曼）。它是一种地球化学环境的边界。21三、地壳的物质组成与元素分布概 述地球化学环境是使元素所在的地球化学系统得以保持平衡的各种物理化学条件的综合。

10、地球化学环境主要由物理参数（温度、压力）和化学参数（化学元素种类、丰度、fo2、fs、pH、Eh）确定。 （1）原生环境，是指天然降水循环面以下直到岩浆分异和变质作用发生的深部空间的物理化学条件的总和；（2）次生环境，是地表天然水、大气影响所及的空间所具有物理化学条件的总和。在地表发生风化、土壤形成和沉积作用以及到大气圈、水圈、生物圈和地球表层疏松物所处的环境都属表生环境。 22原生环境是一种高温、高压、游离氧缺乏、水和其它流体循环受限制、无生物作用参加的环境，矿物岩石保持了形成时的状态。因此，原生环境中岩石的物质组成与状态，元素的分布是深部地球化学作用的记录，反映了原始形成时的特征，是研究深

11、部地质作用最直接的证据。23242526(一)、地壳的物质组成与元素丰度丰度研究概况： 地壳是地球莫霍面以上的固态结晶物质，是人类生存的物质基础，是与人类休戚与共的最密切的部分。地壳中各种性质不同、成因不同的地质体，往往以化学元素含量（丰度）不同而表现出来。所以元素丰度是不同地质体的地球化学标志之一。地壳中的元素丰度，是指地壳中化学元素的平均含量。又称为克拉克值(是由AE费尔斯曼提出的)。著名科学家 FW克拉克、戈尔德施密特、B维尔纳茨基、AE费尔斯曼、B梅逊、A维诺格拉多夫、SR泰勒以及我国的黎彤等在地壳元素丰度方面的研究作出了重要供献。(表2-1）27克拉克值的单位：%、ppm、g/t等。

12、元素在地壳中的分布特点是具有不均匀性，有些元素之间的克拉克值非常悬殊，为评价某元素在地壳中集中分散状况，引入浓度克拉克值概念：浓度克拉克值大于1，说明元素相对富集，反之，说明相对分散。28研究克拉克值在勘查地球化学中的意义：1)、元素克拉克值代表了元素在地壳中背景值，是衡量地壳各个地段内元素集中分散的标准；2)、元素的克拉克值反映了地壳中元素正常含量的水平。3)、作为选择分析方法灵敏度的依据。 4)、作为矿产资源评价预测的依据。29地球化学系统中元素的总量称为地球化学储量。在地球化学储量中，能被人类开采利用的部分叫作资源，资源中被探明的部分叫作矿产储量。资源量占地球化学储量的百分比叫作矿化度。

13、 根据经济地质学家的研究，某一元素的资源与地壳丰度有密切关系。美国地调所麦克尔维（VEMckelvey 1960）研究美国当时的矿产储量（R）与地壳丰度存在如下关系： R=A(%) 10910式中R单位为短吨 后修改为R（吨）=A（10-6 ）1061短吨 = 907.18474 公斤=0.91吨30日本塞基尼（1963）和前苏联奥甫钦尼柯夫（1971）也提出了地壳丰度与资源量R的关系模型：塞基尼（）奥甫钦尼柯夫（）10.51 综上可概括为： R=K*AK为估计系数，与元素的矿化度、地壳总质量、预开采深度及矿床分布密切。31AsHgCrMnCoVAlCuSnZnPbWSbMoNiR=6.8Ax

14、105R=Ax107103104ppm10110210010-110510610710910810101011储量R地壳丰度与资源关系图 Fe32(二)、各类岩浆岩中化学元素的丰度 岩浆岩与变质岩占整个地壳总质量的5，其中又以岩浆岩为主，按其化学成分或矿物成分可以分成五大类：超基性岩（橄榄岩、纯橄岩）、基性岩（辉长岩、玄武岩）、中性岩（闪长岩、安山岩）、酸性岩（花岗岩、蛇纹岩）及碱性岩。 各类岩浆岩中化学元素的平均含量见附录2-2。33岩浆岩类的标型元素组合为： 1、超基性岩元素，典型代表是Cr、Ni、Co、Mg及Pt族。 2、基性岩元素，Cu、Fe、V、Ti、P、Mn、Ca、Sc、Sb等。

15、3、亲中性岩元素，Al、Ga、Zr、Sr等。 4、亲酸性岩元素，种类最多，以Li、Be、Ta、U、Th、K、Rb、Cs、F、B为代表。 5、碱性岩以富含Nb、Ta、Be及REE(稀土元素)为特征。34各类岩浆岩中元素含量变化曲线SiBaRbFKBeSnWCsPbUInThAlPNaZrSrTmBiCeBrLu35MgFeNiCrCoPdTiCuVCaScNbSbMoIHg36 岩浆岩中元素丰度的变化规律具有重大的找矿意义：某种元素的内生矿床总与该元素丰度最高的岩浆岩有成因关系。如Cr、Ni矿床产在超基性岩中，V、Ti矿床与基性岩有关，U、Th矿床与花岗岩有关等。 喷出岩中微量元素的分异程度应当

16、比侵入岩中低。因此，酸性喷出岩与酸性侵入岩的区别，就在于前者的亲基性岩元素含量较高而亲酸性岩元素含量较低。对于超基性岩来说，情况正好相反 。对于地球化学找矿来说,了解这些规律，就可以加深对背景值的认识 。37(三)、 沉积岩中化学元素的丰度沉积岩的重量在整个地壳中所占比例不高，约4左右。但是，在地表分布极广，约占50左右。 沉积岩可以分为碎屑岩、泥质岩和化学沉积岩三个类型。1、碎屑岩：主要是由抗氧化的矿物组成，Si、Zr、Hf及稀土元素Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Lu等元素含量较高，其它微量元素含量较低。 382、页岩、泥质岩：这类岩石主要由粘土及细碎屑质点组成。粘土有吸附水体中简单离子和络

17、合物的特点，页岩、泥质岩中富集了碱金属元素，几乎包括了所有亲铁、亲硫元素，亲氧元素中的高价、变价及离子半径特大或特小的元素。泥质岩中富有大多数微量元素。特别值得提出的是黑色页岩 ，富集了Mo、V、Ag、U、Ni、Ba、Pb、Zn、Cu、Cr、As等元素，已在湖北、江西的寒武系页岩中找到了银、钒、铀、金等矿床。 3、碳酸盐岩：是一种化学沉积岩，具有对其他元素“净化”的作用。除a、Mg、Ba、Sr、Mn等元素富集外，其它元素含量都很低。39研究同类岩石中元素平均含量在化探中的意义：1)、由于岩石形成的时间、空间、环境和成因不同，即使同类岩石其中元素的平均含量可以不同，因此，即使同类岩石也可以由不同

18、的背景和背景值；2)、利用同类岩石中微量元素平均含量的差异，可以判断岩浆岩的成因、时代、沉积岩的沉积相；“哑地层”的时代划分和对比及变质原岩类别的判断。40(四)、 元素的赋存形式按形成矿物的观点分为矿物形式和非矿物形式。1、矿物形式：独立矿物、副矿物、主矿物中的机械包裹体、固熔体分解物、液相包裹体中的子矿物；2、非矿物形式：类质同象混入物，元素呈离子、分子、胶体被矿物表面吸附，超显微非结构混入物，有机结合物。41不同赋存形式的研究方法1、矿物学研究方法 2、电子探针微区分析 3、化学提取法42四、元素分布的基本规律(一)、地球化学旋回元素演化是以元素的赋存介质的变迁实现的。地幔物质分异出的岩

19、浆及地壳物质重熔形成的岩浆通过上升，结晶形成岩浆岩，经构造运动隆升至地壳或近地表，进入表生环境，遭受风化、剥蚀、搬运到湖、海盆地沉积成岩；沉积岩再经沉降或俯冲到地壳深处，发生变质或部分重熔而形成新的岩浆，完成一个大旋回。在大旋回演化过程中，同时还存在不同级次的次级旋回。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，不能简单的重复，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。4344451、概述概率P与含量的依赖关系。式中为随机变量，（）是概率密度函数，（）是指随机变量小于等于给定值时的概率。地球化学家们相信，对于任何一种地质体中某一元素来说，概率分布（）是客观存在

20、的，至于具体概率分布是何种形式，须视具体地质体中元素分布特征而定。(二)、元素含量的概率分布462、正态分布 对于一个随机变量只要它的各次观测值之间的差别是多因子，而且这些因子中没有一个是特别突出的、起主导作用的，那么它的概率分布自然倾向于正态分布（大数定律），又叫高斯分布，也叫正常分布。正态分布的密度函数有如下形式。它的积分式为式中， 和 是正态分布的两个重要参数， 称为该随机变量的数学期望值， 叫做标准离差，对于一个正态分布的随机变量，算术平均值 是数学期望值的最佳估计值。47均方差是标准差的无偏估计值当 ， 时的正态分布，称为标准正态分布。下图为标准正态分布的密度函数和标准正态分布的积分

21、函数（概率函数）。正态分布的积分函数己制成表格可查，见附表1。48f(x)F(x)xx+2+-2-249正态分布的概率密度函数图具有如下特征： 1.图形呈钟形单峰对称分布，最大峰值在x 处，频率最大。 2. 图形对称轴为。 3.参数和决定了图形形态，决定对称轴的位置，决定了钟形的“胖”“瘦”程度。较小时，曲线较陡，峰值高，图形“瘦”。较大时曲线较宽缓峰值低，图形（胖）。x+1/2221-1-2-33f(x)50分布形式f(x)x+2-2右偏（负偏）左偏（正偏）514.i趋向极大或极小值时，i趋向于，当Ci 时，该组频率最大，为当Ci=S时，该组频率为最大频率值的0.607倍，即当Ci趋向极大或

22、极小时，f(x)趋向于0，说明变量X在值附近概率密度最大，离值越远概率密度越小。作分布直方图，间隔越小分组越多，越逼近真实分布52 在分组研究概率分布型式时，可利用下面的公式计算算术平均值 和均方差S。式中N为样品分组组数，fi*为第i组中的样品数，Ci为第I组组中值。利用计算所得的 和S，分别代入密度函数公式就可以得到一条以 ，S为 的理想的概率分布曲线。将曲线与标准正态分布曲线对比，看其符合程度，就可以判断研究母体元素含量是否服从正态分布，这就是分布型式检验。常用的检验方法有2检验法，偏度丰度检验法，柯尔莫哥洛夫斯米尔诺夫检验法，以及正态分布概率格纸检验法等。 s53最大频率直方柱偏向左边

23、的，称为正偏分布，最大频率直方柱偏向右边的，称为负偏分布，高含量样品较多。将原始数据转换成对数后再作图，元素含量直方图的对称性大大改善了。将原始数据取对数后所作的图形呈正态分布形式，称为对数正态分布。对数正态分布的平均数的真数叫几何平均值，而方差叫做对数方差。54随机变量的集中性参数可以用平均值(X)，中位值(Me)和众值(Mo)来表征。随机变量的离散性参数可以用均方差(S)，极差(R)来表示。当随机变量服从正态分布时，X=Me=Mo。用均方差来反映一个母体的元素含量分布的离散程度还有局限性。如有Ti、Au含量的两组数据：Ti含量(10-6) 1000、1200、1500、1300、1100、

24、1400、1250、1400，x=1250，s=156，R=500Au含量(10-9) 15、3、3.5、2.8、10、5、3.2、1.5、1，X=5，s=4.3，R=1455数理统计中又引入变异系数(Cv)来表示相对离散程度。Cv(%)=S/X*100%变异系数是相对于一个单位均值的百分变化率，变化系数可以度量地质体中不同元素的均匀性程度，是一绝对值可比的离散度参数。此前，勘查地球化学工作者喜欢将数据取对数后进行处理研究。但是，也有一些数据，即使是经过对数转换，仍不服从正态分布。56总结已有的元素含量分布型式研究资料，可以概括为1.单一地球化学作用所形成的单一地质体，化学元素含量服从正态分布

25、。2.由两个以上地球化学作用叠加形成的复合地质体中，化学元素含量偏离正态分布。但两个u值相差不大的正态母体的叠加，元素含量分布仍服从正态分布或近似正态分布。3.一般情况下，常量元素服从正态分布，微量元素服从对数正态分布（因为勘查地球化学研究区经常遭受后期矿化作用叠加）。4.结合在多种矿物中的元素服从正态分布，如基本造岩元素和亲石分散元素，像Ga、V等元素。而结合在一、两种矿物中的元素呈对数正态分布，如花岗岩中的Pb、Zn元素常以硫化物独立存在。5.通过扩散作用形成的元素含量对数正态分布，而通过对流混匀作用形成的元素含量服从正态分布。57585960著名地球化学家於崇文院士认为（1986），笼统地用所研究地质体全部样品元素含量平均值来表示该地质体的元素丰度是不恰当的，因为这种方法未能真实反映丰度概念中包含的内涵，即该地质体未遭受后期地质改造的初始含量特征。为此，他提出以维斯捷里斯的“基本定律”为基础，应用柯尔莫戈洛夫正态检验的方法，在计算机上自动剔除不服从正态分布的“离群样品”求得服从正态分布的反映初始本底的元素丰度。 61在此基础上，於崇文教授进一步提出用地质体中元素含量的总体平均值(M)与初始本底丰度值(A)之比作为后期