元素分布的基本规律

关于元素分布的基本规律第一章元素分布的基本规律

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2页,共36页，2024年2月25日，星期天

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。第3页,共36页，2024年2月25日，星期天

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”。它们是组成了地幔、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量百分率（％）来表示。第4页,共36页，2024年2月25日，星期天地幔与地壳成分特征成分地幔（梅森，1966）地幔（林伍德，1975）地壳（罗诺夫，1969）地壳（黎彤，1965）SiO243.0645.1657.6460.74MgO31.3237.473.873.47FeO6.668.044.303.51Fe2O31.660.462.432.80CaO2.653.087.015.61Al2O33.993.5415.4515.35Na2O0.610.572.873.30Cr2O30.420.43MnO0.130.140.150.13P2O30.080.060.230.27K2O0.220.132.322.36TiO20.580.710.880.86NiO0.390.20H2O0.211.331.22第5页,共36页，2024年2月25日，星期天

虽然不同学者计算地幔、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、0、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。

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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，为书写方便用ppm（partpermillion）代表。

lppm＝1×10-6＝1×10-4％=0.0001％≈1μg/gppm单位相当于μg/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（partperbillion）代表。

lppb=1×10-9＝1×10-7％＝0.0000001％≈1ng/g第7页,共36页，2024年2月25日，星期天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。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。

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从地核到地壳的垂直方向上，分散在结晶矿物中的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（μ）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（ν）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μ、ν、c三个参数的比值特征将元素分为四组。

第9页,共36页，2024年2月25日，星期天（1）向心元素

ν/μ＜1c/ν＜1Mg、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Rn、Rh、Pt、Os、Ir、Pd、Au（2）最弱离心元素

ν/μ＞1c/ν＜1P、Na、Ca、Sc、Ti、V、Mn、Zn、C、N、Cl、Br、I（3）弱离心元素

ν/μ＜1c／ν＞1

Ga、Ge、As、Se、Sn、Te、Bi、Re、Mo（4）离心元素

ν/μ＞1c／ν＞1

Li、Rb、Cs、Sr、Ba、Y、REE、Zn、Hf、Nb、Ta、B、Al、In、Tl、Si、Pb、Sb、U、F、O第10页,共36页，2024年2月25日，星期天

地球及各圈层部分元素分布表(10-6)及特征DistributionandcharacteristicsofPartialelementintheEarthanditsdifferentlayer元

素

特

征符号比重(g/cm3)熔点(℃)沸点(℃)地

壳上

地

幔下

地

幔地

核地

球稀

碱金

属锂(Li)铷(Rb)铯(Cs)0.5341.5321.878517938.8928.5131768869021781.44.12.60.30.52.00.1---1.41.80.09碱

土金

属锶(Sr)钡(Ba)2.63.517697251384163848039012076101--4023稀

土元

素钇(Y)镧(La)铈(Ce)镨(Pr)钕(Nd)4.4696.1466.7706.7737.00815229187989311021333834643433352030742439435.7265.00.71.11.05.00.50.40.70.10.8-----1.70.50.80.31.7稀

有元

素铌(Nb)钽(Ta)8.6617.12468299649275425191.66.00.11.00.010.10.0062.10.06放射性元

素铀(U)钍(Th)19.0511.71132.3~1700413.51.04.00.0140.0560.0030.013铁

族元

素铬(Cr)锰(Mn)铁(F)钴(Co)镍(Ni)7.207.207.868.908.80~!8.901890124415351495145224842097300029003075110130058000258916001600950001601500200015009800020020006603608200042048000150012003200026016000铂

族元

素钌(Ru)铑(Rh)钯(Pd)锇(Os)铱(Ir)铂(Pt)12.4512.4112.0222.6122.6521.452310196015523050244317680.0010.0010.010.0010.0010.050.10.020.090.050.050.200.100.020.120.050.050.201635.582.613511.82.60.84.2有

色金

属铜(Cu)铅(Pb)锌(Zn)8.50~9.0011.347.141083327.3419.4025951744907551294402.16014013180贵金属金(Au)银(Ag)19.310.51063960.8296622120.0040.0750.0050.060.0050.052.6103.2卤

族元

素氟(F)氯(Cl)溴(Br)碘(I)1.69(g/L)3.214(0°)3.119(g/L)4.93(g/L)-219.62-100.98-7.2113.5-118.14-34.6-58.78184.354502804.40.617051.10.110050.50.0190350.60.0439020420.1680300.8第11页,共36页，2024年2月25日，星期天

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(incompatib1eelments)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(compatib1eelements)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)来定量刻划微迹元素在两相中的分配特征。

第12页,共36页，2024年2月25日，星期天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=0.1～1），如Zr、Nb、Th、HREE；不相容元素（KD＜0.1），如K、Rb、U、Th、Pb、LREE；把其中KD＜0.01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。

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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。

第14页,共36页，2024年2月25日，星期天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，集中于铁一镍核中的元素，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离子具有8～18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。

第15页,共36页，2024年2月25日，星期天第16页,共36页，2024年2月25日，星期天:①氢族；②造岩元素族(Li、Be、Na、Mg、Al、Si、K、Ca、Rb、Sr、Cs和Ba)；③惰性气体族(He、Ne、Ar、Kr、Xe、Rn)；④挥发分元素族(B、C、N、O、F、P、S、Cl)；⑤铁族(Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni);⑥稀土稀有元素族(Sc、Y、Zr、Nb、TR、Hf、Ta等)；⑦放射性元素族(Fr、Ra、Ac、Th、Pa、U等）；⑧钨钼族(Mo、Tc、W、Re)；⑨铂族(Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt)；⑩硫化矿床成矿元素族(Cu、Zn、Ge、Ag、Cd、In、Sn、Au、Hg、Tl、Pb等)；⑾半金属元素族(As、Sb、Bi、Se、Te、Po)；

⑿重卤素元素族(Br、I、At)。第17页,共36页，2024年2月25日，星期天

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。

第18页,共36页，2024年2月25日，星期天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、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。

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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。

第20页,共36页，2024年2月25日，星期天不同级次的背景与异常第21页,共36页，2024年2月25日，星期天二、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）。第22页,共36页，2024年2月25日，星期天地球化学指标化学元素含量成矿元素、伴生元素、造岩元素特征存在形式水溶性、可交换形式、次生矿物、硫化物、硅酸盐各种组合关系元素对的比值、各种统计特征值同位素C、H、O、S、Pb、He等同位素物理化学参数pH值、Eh值、温度、压力等第23页,共36页，2024年2月25日，星期天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，地球化学场研究最多的是元素的分布。

第24页,共36页，2024年2月25日，星期天

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。

第25页,共36页，2024年2月25日，星期天（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26页,共36页，2024年2月25日，星期天地球化学省：将地壳某一具有特殊的地球化学指标的区域（几千到十几万平方公里）。如地方病的范围可以划分为一个地球化学省。第27页,共36页，2024年2月25日，星期天

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