第四章微量元素地球化学课件

第四章微量元素地球化学9/13/20231第4章微量元素地球化学Part2第四章微量元素地球化学8/1/20231第4章微量元素地第四章微量元素地球化学4.3稀土元素地球化学4.4微量元素地球化学示踪作用9/13/20232第4章微量元素地球化学Part2第四章微量元素地球化学4.3稀土元素地球化学8/稀土元素地球化学在微量元素地球化学中占据很重要的地位，这是由稀土元素以下四个优点所决定的：①

性质极相似的地球化学元素组，在地质、地球化学作用过程中作为一个整体而活动；②

分馏作用能灵敏地反映地质、地球化学过程的性质—指示功能强；4.3稀土元素地球化学9/13/20233第4章微量元素地球化学Part2稀土元素地球化学在微量元素地球化学中占据很重要的地位，这是由③

稀土元素除受岩浆熔融作用外，其它地质作用基本上不破坏它的整体组成的稳定性；④

在地壳岩石中分布较广—广泛性。9/13/20234第4章微量元素地球化学Part2③

稀土元素除受岩浆熔融作用外，其它地质作用基本上不破坏它的4.3稀土元素地球化学4.3.1稀土元素的主要性质4.3.2稀土元素在自然界中的分布4.3.3稀土元素在自然界的分馏4.3.4稀土元素组成数据的表示9/13/20235第4章微量元素地球化学Part24.3稀土元素地球化学4.3.1稀土元素的主要性质84.3.1稀土元素的主要性质9/13/20236第4章微量元素地球化学Part24.3.1稀土元素的主要性质8/1/20236第4章什么是稀土元素？

稀土元素（rareearthelements）REE以往由于分析技术水平低，误认为他们在地壳中很稀少，另外它们一般发现于富集的风化壳上，呈土状，故名稀土。REE（稀土元素）的地壳丰度为0.017%，其中Ce、La、Nd的丰度比W、Sn、Mo、Pb、Co还高。中国是稀土大国，我国的稀土矿尤为丰富。9/13/20237第4章微量元素地球化学Part2什么是稀土元素？8/1/20237第4章微量元素地目前白云鄂博稀土矿矿石开采量为2.5亿吨，尾矿的量为矿石的60%左右，也就是说目前尾矿坝有尾矿1.5亿吨。在这1.5亿吨尾矿中，包括930万吨稀土和7万吨钍。9/13/20238第4章微量元素地球化学Part2目前白云鄂博稀土矿矿石开采量为2.5亿吨，尾矿的量为矿石的6稀土元素组成及其分组★①稀土元素组成：?9/13/20239第4章微量元素地球化学Part2稀土元素组成及其分组★①稀土元素组成：?8/1/20239第稀土元素组成及其分组★①稀土元素组成：稀土元素是指周期表中原子序数从57到71的镧系15个元素（La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu），加上原子序数为39的Y共16个元素。9/13/202310第4章微量元素地球化学Part2稀土元素组成及其分组★①稀土元素组成：8/1/202310第②稀土元素分组1）两分法La-Eu：ΣCe铈族稀土，亦称轻稀土LREE（7个元素）；Gd-Lu+Y：ΣY镱族稀土，亦称重稀土HREE（9个元素）9/13/202311第4章微量元素地球化学Part2②稀土元素分组8/1/202311第4章微量元素地球化2）三分法轻稀土（LREE)，La-Nd；中稀土（MREE)：Sm-Ho；重稀土（HREE)：Er-Lu+Y9/13/202312第4章微量元素地球化学Part22）三分法8/1/202312第4章微量元素地球化学P4.3.2稀土元素在自然界中的分布1、在地球中的丰度，从下地幔到上地幔再到地壳，REE总量不断增加；2、稀土元素在地壳中分配：

超基性岩→基性岩→中性岩→酸性岩→碱性岩

稀土元素总量是逐渐增加的；地幔、超基性岩、基性岩中∑Y占优势，随着分异，陆壳及酸性岩、碱性岩以∑Ce占优势。9/13/202313第4章微量元素地球化学Part24.3.2稀土元素在自然界中的分布1、在地球中的丰度，从如不同构造环境的玄武岩：大洋拉斑玄武岩→高铝玄武岩→大陆拉斑玄武岩∑REE：100ppm150ppm360ppm∑Ce/∑Y增加了3~4倍9/13/202314第4章微量元素地球化学Part2如不同构造环境的玄武岩：大洋拉斑玄武岩→高铝玄武岩→大陆拉斑3、稀土元素在地壳中

地壳中∑Ce含量远高于∑Y含量，∑Ce/∑Y=2.65~2.93，大大高于地幔（1.13-1.14）、地球（1.15）以及陨石中的比值

9/13/202315第4章微量元素地球化学Part23、稀土元素在地壳中8/1/202315第4章微量元4.3.3稀土元素在自然界的分馏9/13/202316第4章微量元素地球化学Part24.3.3稀土元素在自然界的分馏8/1/202316第44.3.3稀土元素在自然界的分馏1酸碱性的控制

稀土元素在地壳中的分配：碱性岩：La、Ce、Pr、Nd等和Sr、Ba、Ca、K共生碱性花岗岩：相对富集Sm、Gd、Tb、Dy；钙碱性花岗岩：以Y、Ho、Er、Tm、Lu等重稀土，与Sc、Mn等元素共生9/13/202317第4章微量元素地球化学Part24.3.3稀土元素在自然界的分馏1酸碱性的控制8/12

氧化还原条件控制（元素价态的差异）变价稀土元素对外界氧化还原条件变化反应敏感：氧化条件下，Ce3+→Ce4+

还原条件下，Eu3+→Eu2+

9/13/202318第4章微量元素地球化学Part22氧化还原条件控制（元素价态的差异）8/1/202318第3络离子稳定性的差异

REE可与F－、Cl－、CO32－、PO43－、SO42－等形成络阴离子，但不同元素稳定性各异；ΣY络离子稳定性＞ΣCe络离子稳定性，这样ΣCe矿物沉淀后，ΣY元素尚可呈络合物形式在溶液中迁移，在较晚的阶段沉淀，导致ΣCe与ΣY的分异。

9/13/202319第4章微量元素地球化学Part23络离子稳定性的差异8/1/202319第4章微量元素4被吸附能力的差异离子半径小的REE3+比离子半径大的容易被吸附，从La3+到Lu3+被吸附能力增强。ΣCe被胶体、有机质和粘土矿物吸附能力小于ΣY。

9/13/202320第4章微量元素地球化学Part24被吸附能力的差异8/1/202320第4章微量元素地5结晶矿物和熔体中的分异（体系化学成分）9/13/202321第4章微量元素地球化学Part25结晶矿物和熔体中的分异（体系化学成分）8/1/202324.3.4稀土元素组成数据的表示★1表征REE组成的参数2异常指数3REE组成模式图4稀土参数图解

9/13/202322第4章微量元素地球化学Part24.3.4稀土元素组成数据的表示★1表征REE组成的参1表征REE组成的特征参数①稀土元素总含量∑REE∑LREE∑HREE9/13/202323第4章微量元素地球化学Part21表征REE组成的特征参数①稀土元素总含量8/1/②轻重稀土元素比值

(LREE)/(HREE)或∑(Ce)/∑(Y)

反映稀土元素分异程度和岩浆演化，岩浆演化晚期更富集LREE，因而比值可以反映演化特点。9/13/202324第4章微量元素地球化学Part2②轻重稀土元素比值8/1/202324第4章微量元素地随岩浆作用演化，∑w(Ce)/∑w(Y)比值逐渐增大，即∑Ce在岩浆作用晚期富集。9/13/202325第4章微量元素地球化学Part2随岩浆作用演化，∑w(Ce)/∑w(Y)比值逐渐增大③反映轻/重稀土内部分馏程度的参数：

[(La)/(Yb)]N[(La)/(Lu)]N[(Ce)/(Yb)]N反映轻稀土和重稀土元素内部分馏状况，比值越大越富集。9/13/202326第4章微量元素地球化学Part2③反映轻/重稀土内部分馏程度的参数：8/1/2023262异常系数（指数）☆①、δEuδEu=(Eu)/(Eu*)=2(Eu)N/（

(Sm)N+

(Gd)N）δEu>1为正异常

δEu<1为负异常δEu＝1无异常9/13/202327第4章微量元素地球化学Part22异常系数（指数）☆①、δEu8/1/202327第4章9/13/202328第4章微量元素地球化学Part28/1/202328第4章微量元素地球化学Part2②、δCeδCe=2*(Ce)N/[w(La)N+w(Pr)N]9/13/202329第4章微量元素地球化学Part2②、δCe8/1/202329第4章微量元素地球化学P3REE组成模式图增田-科里尔（AMasuda,1962;CDCoryell，1963）图解9/13/202330第4章微量元素地球化学Part23REE组成模式图增田-科里尔（AMasuda,1969/13/202331第4章微量元素地球化学Part28/1/202331第4章微量元素地球化学Part29/13/202332第4章微量元素地球化学Part28/1/202332第4章微量元素地球化学Part29/13/202333第4章微量元素地球化学Part28/1/202333第4章微量元素地球化学Part2稀土元素分配型式的类型1）以稀土元素总量划分仅仅相对于球粒陨石而言，比较直观，常用于同类型的岩石或矿物比较。2）CeN/YbN或LaN/YbN划分(表示曲线倾斜程度)

CeN/YbN=1，平坦型CeN/YbN＞1，LREE富集型，曲线右倾CeN/YbN＜1，HREE富集型，曲线左倾9/13/202334第4章微量元素地球化学Part2稀土元素分配型式的类型1）以稀土元素总量划分8/1/20233）δEu和δCe异常划分9/13/202335第4章微量元素地球化学Part23）δEu和δCe异常划分8/1/202335第4章微量9/13/202336第4章微量元素地球化学Part28/1/202336第4章微量元素地球化学Part29/13/202337第4章微量元素地球化学Part28/1/202337第4章微量元素地球化学Part2稀土元素：球粒陨石配分模型微量元素：原始地幔蛛网图9/13/202338第4章微量元素地球化学Part2稀土元素：球粒陨石配分模型8/1/202338第4章微量4稀土参数图解应用9/13/202339第4章微量元素地球化学Part24稀土参数图解应用8/1/202339第4章微量元素地用稀土参数图解区分不同类型玄武岩、花岗岩和碳酸盐岩。9/13/202340第4章微量元素地球化学Part2用稀土参数图解区分不同类型玄武岩、花岗岩和碳酸盐岩。8/1/成矿溶液的性质研究在成矿作用研究中，确定金属的来源是困难的。微量元素，特别是稀土元素可以作为水热体系中发生的蚀变反应的示踪剂。蚀变（水/岩作用）的特点可由溶液的微量元素比值或稀土元素分布模式反映出来，而溶液又会影响矿床的稀土元素分布模式。溶液的稀土元素组成可反映原始岩石的矿物学、被溶液所蚀变的岩石相和溶液的化学成分特征，当溶液发生沉淀形成化学沉积物（如硫化物、含铁建造）时，这种化学沉积物的稀土元素组成就可以提供形成它的水热体系历史的指标。9/13/202341第4章微量元素地球化学Part2成矿溶液的性质研究在成矿作用研究中，确定金属的来源是困难的。著名的澳大利亚布罗肯希尔Pb－Zn超大型矿的成矿流体来源一直存在争议，有火山热液、建造水、下降对流海水、地幔热液等不同认识。9/13/202342第4章微量元素地球化学Part2著名的澳大利亚布罗肯希尔Pb－Zn超大型矿的成矿流体来源一直4.4微量元素地球化学

示踪作用9/13/202343第4章微量元素地球化学Part24.4微量元素地球化学

示踪作用8/1/202343第44.4.1岩浆岩形成机制的判别部分熔融模型分离结晶作用模型9/13/202344第4章微量元素地球化学Part24.4.1岩浆岩形成机制的判别部分熔融模型8/1/202部分熔融作用——为一有截距的直线分离结晶作用——平行于x轴的直线9/13/202345第4章微量元素地球化学Part2部分熔融作用——为一有截距的直线8/1/202345第4章1为西藏冈底斯闪长岩、花岗闪长岩和二云母花岗岩,2为西藏冈底斯斑状黑云母花岗岩。实例9/13/202346第4章微量元素地球化学Part21为西藏冈底斯闪长岩、花岗闪长岩和二云母花岗岩,实例8/1/赵振华（1982）通过研究认为：我国西藏冈底斯花岗岩的斑状黑云母花岗岩主要通过分异结晶形成，而闪长岩、花岗闪长岩和二云母花岗岩属于平衡部分熔融的产物。9/13/202347第4章微量元素地球化学Part2赵振华（1982）通过研究认为：8/1/202347第4章作业：为什么？元素如何选择原理或公式推导9/13/202348第4章微量元素地球化学Part2作业：为什么？8/1/202348第4章微量元素地球化学固—液相分配系数高的相容元素D＞＞1如Ni、Cr等，在分离结晶作用过程中它们的浓度变化很大（液相），但在部分熔融过程中则变化缓慢（液相）。9/13/202349第4章微量元素地球化学Part2固—液相分配系数高的相容元素8/1/202349第4章微超岩浆元素H亲岩浆元素MD<<1固—液相分配系数低的微量元素9/13/202350第4章微量元素地球化学Part2超岩浆元素H固—液相分配系数低的微量元素8/1/202350超岩浆元素H典型超岩浆元素：Ta、Th、La、Ce等，它们总分配系数很低，近于0，与0.2～0.5比较可忽略不计。在部分熔融过程中这些元素浓度变化大，但在分离结晶作用过程中则变化缓慢。9/13/202351第4章微量元素地球化学Part2超岩浆元素H典型超岩浆元素：8/1/202351第4章微总分配系数与1比较可忽略不计。典型亲岩浆元素：HREE、Zr、Hf等亲岩浆元素M9/13/202352第4章微量元素地球化学Part2总分配系数与1比较可忽略不计。亲岩浆元素M8/1/20235超岩浆元素和亲岩浆元素（不相容元素）部分熔融模型分离结晶作用模型9/13/202353第4章微量元素地球化学Part2超岩浆元素和亲岩浆元素（不相容元素）部分熔融模型8/1/20平衡部分熔融：cL/co=1/[D

(1-F)+F]CHL=CHo,s/FCML=CMo,s/(DMo+F)式中CHL为超岩浆元素在液相中的浓度，

CML为亲岩浆元素在液相中的浓度；CHo,s和CMo,s分别为它们在原始固相中的浓度；9/13/202354第4章微量元素地球化学Part2平衡部分熔融：cL/co=1/[D(1-F)+F]8/1分离结晶作用：ciL/ci0.L=F（D-1）

CHL=CHo,l/FCML=CMo,l/F

CHL/CML=CHo,l/CMo,l

=常数。9/13/202355第4章微量元素地球化学Part2分离结晶作用：ciL/ci0.L=F（D-1）8/1/202用CHL/CML对CHL作图时，即用某超岩浆元素（H）与亲岩浆元素（M）浓度比值对超岩浆元素浓度作图时；Y=CHL/CMLX=CHL部分熔融作用——为一有截距的直线分离结晶作用——平行于x轴的直线9/13/202356第4章微量元素地球化学Part2用CHL/CML对CHL作图时，即用某超岩浆元素（H）与亲岩平衡部分熔融的轨迹为：Y=DM

/CM0x+常数以DM

/CM0为斜率的直线9/13/202357第4章微量元素地球化学Part2平衡部分熔融的轨迹为：8/1/202357第4章微量元素分离结晶作用的轨迹

Y=CHL/CML=CHo,l/CMo,l

=常数X=CHL=CHo,l/F分离结晶是一条平行于x轴的直线，截距为CHo,l/CMo,l

9/13/202358第4章微量元素地球化学Part2分离结晶作用的轨迹8/1/202358第4章微量元素地球4.4.2成岩成矿构造环境的判别9/13/202359第4章微量元素地球化学Part24.4.2成岩成矿构造环境的判别8/1/202359第4章随着板块学说的深入，恢复地壳中各种岩石或矿床形成时的构造环境研究越来越受到重视。在宏观条件下，一般是根据地球物理资料（重力、地震）研究地壳结构，并根据岩石类型组合恢复古构造环境（俯冲带、岛弧、洋中脊、弧后、板块内部等）。近年来的研究表明，不同构造环境形成的各种岩石的微量元素含量与组合、同位素组成等均有较明显的差异。许多学者建立了以微量元素组合为基础的构造环境判别图解。9/13/202360第4章微量元素地球化学Part2随着板块学说的深入，恢复地壳中各种岩石或矿床形成时的构造环境玄武岩类9/13/202361第4章微量元素地球化学Part2玄武岩类8/1/202361第4章微量元素地球化学PaTi/100-Zr-Y*3图解(A-岛弧拉斑玄武岩；B-MORB、岛弧拉斑玄武岩、钙碱性玄武岩；C-钙碱性玄武岩；D-板内玄武岩)Zr-Zr/Y图解（A-火山弧玄武岩；B-MORB；C-板内玄武岩；D-MORB、火山弧玄武岩；E-MORB、板内玄武岩）；9/13/202362第4章微量元素地球化学Part2Ti/100-Zr-Y*3图解Zr-Zr/Y图解8/1/202×Nb-Zr/4-Y图解（A1－板内碱性玄武岩；A2－板内碱性玄武岩、板内拉斑玄武岩；B－E型MORB；C－板内拉斑玄武岩、火山弧玄武岩；D－N型MORB、火山弧玄武岩）；火山岩Zr-Ti构造判别图解I-板内熔岩；II-火山弧熔岩；III-洋中脊玄武岩9/13/202363第4章微量元素地球化学Part22×Nb-Zr/4-Y图解火山岩Zr-Ti构造判别图解8/1花岗岩类花岗岩的构造分类I型、S型花岗岩由原来的成因概念扩展为构造环境概念I型：造山后隆起环境产物S型：大陆碰撞产物A型、M型A型：非造山环境产物M型：大洋弧环境产物9/13/202364第4章微量元素地球化学Part2花岗岩类花岗岩的构造分类8/1/202364第4章微量元Pearce构造分类洋脊型：包括正常洋脊（N型）、异常洋脊型、弧后盆地洋脊和俯冲带上洋脊火山弧型：拉斑玄武岩火山弧、钙碱性火山岩火山弧、活动大陆边缘火山弧板块内部型：内陆环状杂岩和地堑、减薄陆壳、大洋岛屿板块碰撞型：陆－陆碰撞同构造、陆－陆碰撞构造后、陆－弧碰撞同造山9/13/202365第4章微量元素地球化学Part2Pearce构造分类8/1/202365第4章微量元素地采用理想的洋脊花岗岩作标准化理想的洋脊花岗岩：由正常洋中脊玄武岩经分离结晶形成，代表的是未受地幔富集影响的对流上地幔，经历了斜长石－橄榄石－单斜辉石－磁铁矿的简单结晶作用，未受地壳熔融、同化或挥发分作用影响。9/13/202366第4章微量元素地球化学Part2采用理想的洋脊花岗岩作标准化8/1/202366第4章微标准化值9/13/202367第4章微量元素地球化学Part2标准化值8/1/202367第4章微量元素地球化学Pa9/13/202368第4章微量元素地球化学Part28/1/202368第4章微量元素地球化学Part2微量元素构造判别图解(Nb-Y图解、Ta-Yb图解、Rb-Y+Nb图解、Rb-Yb+Ta图解)ORG-大洋脊花岗岩；WPG-板内花岗岩；VAG-火山弧花岗岩；Syn-COLG-同碰撞花岗岩

9/13/202369第4章微量元素地球化学Part2微量元素构造判别图解8/1/202369第4章微量元素地具有特殊构造指示意义的A型花岗岩非造山张性环境的产物A型花岗岩判别图(K2O+Na2O)/CaO－Zr+Nb+Y+Ce、Zr-Ga*10000/Al、K2O/MgO-Ga*10000/Al、K2O+Na2O-Ga*10000/Al、(K2O+Na2O)/CaO－Ga*10000/Al、Nb-Ga*10000/Al、Ce-Ga*10000/Al、Y-Ga*10000/Al、FeOt/MgO-Ga*10000/Al、FeOt/MgO-Zr+Nb+Ce+Y）A-A型花岗岩；FG-M+I+S型分异花岗岩；OGT-未分异M+I+S型花岗岩；I&S-M+I+S型花岗岩

9/13/202370第4章微量元素地球化学Part2具有特殊构造指示意义的A型花岗岩8/1/202370第4章9/13/202371第4章微量元素地球化学Part28/1/202371第4章微量元素地球化学Part29/13/202372第4章微量元素地球化学Part28/1/202372第4章微量元素地球化学Part2A型花岗岩Zr+Ce+Y-Rb/Ba判别图解A-A型花岗岩；S-分异的S型花岗岩；I-分异的I型花岗岩；未圈区-未分异的M+I+S型花岗岩

9/13/202373第4章微量元素地球化学Part2A型花岗岩Zr+Ce+Y-Rb/Ba判别图解8/1/2023A1、A2型花岗岩判别图解

A型花岗岩R1-Ga*10000/Al图解A1型：板内裂谷环境A2型：板块碰撞后或造山期后的张性环境AA型：非造山环境PA型：后造山环境9/13/202374第4章微量元素地球化学Part2A1、A2型花岗岩判别图解A型花岗岩R1-Ga*10000微量元素用于构造环境判别的限制和任何方法一样，微量元素组合特征作为一种指标，或作为一种辅助手段判断岩石形成时的构造环境是有一定限制和适应范围的。岩石类型（不能混用）岩石时代（一般仅适用于显生宙岩石，不能用于太古宙）岩浆演化和蚀变作用（这些作用将改变正常岩石的微量元素含量和组合特征）晶体堆积（样品不能有明显堆积层，如斜长石和镁铁质矿物堆积）采样：新鲜的、非堆积岩石判别结果出现多解时，需结合地质证据解释用于揭示岩石形成构造环境的图解是一种统计规律，不能只根据单个样品结果判别9/13/202375第4章微量元素地球化学Part2微量元素用于构造环境判别的限制和任何方法一样，微量元素组合特4.4.3成岩成矿物理化学条件计算1微量元素地质温度计2微量元素地质压力计9/13/202376第4章微量元素地球化学Part24.4.3成岩成矿物理化学条件计算1微量元素地质温度1微量元素地质温度计分配系数（KD）与体系温度的倒数呈线性关系：

lnKD=－(ΔH/RT)+B在一定的范围内，ΔH可看做常数。一个理想的地质温度计应具有尽可能大的ΔH值。9/13/202377第4章微量元素地球化学Part21微量元素地质温度计分配系数（KD）与体系温度的倒数呈线9/13/202378第4章微量元素地球化学Part28/1/202378第4章微量元素地球化学Part29/13/202379第4章微量元素地球化学Part28/1/202379第4章微量元素地球化学Part2共存物相△H（J/mol）B橄榄石-玻璃－30.989.03单斜辉石-玻璃－103.83－7.85橄榄石-单斜辉石70.347.65共存物相对的△H