第二章--原生地球化学环境与元素

1、第二章 原生地球化学环境与元素的原生分布,天然环境可分为原生环境和次生环境。 原生环境，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。 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。 原生环境是一种高温、高压、游离氧缺乏、水和其他流体循环受限制、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，是研究深部地质作用最直接的证据。,第一节 地壳的物质组成与元素丰度,一、地壳的结构与物质组成 广义地壳包括岩石圈、大气圈、水圈和生物圈。狭义的地壳则专指岩石圈中莫霍面以上的部分

2、。 地球物理、地球化学和岩石学的研究证明，地球可以分成若干地球物理、地球化学性质不同的圈层。,二、地壳的元素丰度 丰度（Abundance）：泛指元素在宇宙体中的平均含量。 地壳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（附录1）。 戈尔德施密特、维尔纳茨基、费尔斯曼、梅逊、维诺格拉多夫、泰勒以及我国的黎彤在这方面也作出了重要贡献。,大陆地壳中元素含量的十进位分布（）,三、地壳元素丰度在应用地球化学研究中的作用 1.衡量研究区化学元素富集或贫化的程度 元素的克拉克值最广泛地被看作地壳的全球背景，作为衡量地壳的某一区段或所研究区域中元素富集或贫化的标准。 2.作为选择分析方法灵敏度的依

3、据 元素的地壳丰度值提供了各元素背景含量的大致范围，在制定和选择分析方法时，地壳丰度值是必须参考的依据，要求分析方法的灵敏度要低于或接近于克拉克值。,3判断特殊地球化学过程 某些地球化学性质相似的元素是以克拉克值比值为标准，可以判断某一地质体中发生过特殊的地球化学过程。常见的有V/Fe、Se/Fe、Ni/Co、Se/S和Se/Te。对于硫化物来说，这种比值比Se、Te本身含量重要得多；REE族元素，Zr和Hi、Nb和Ta、K和Rb都是难以分离的伴生元素，如果它们之间的比值偏离了克拉克值的比值，则说明发生了某种特殊的地球化学过程。 【例】金矿中的Au与Ag的比值 从大区域角度不同地区的Au与Ag

4、的比值不同 从成矿作用中也有不同的显示,4.作为矿产资源评价预测的基本资料 美国： R（t）= A（）（1091010） 日本： RA（108109） （塞基尼， 1963） 苏联： R= A 1010.51 （奥夫琴尼柯夫，1971） A:某元素的丰度 R:为地球化学储量,四、成矿元素的浓集系数 化学元素在某一局部地段或某一地质体中的平均含量与地壳丰度之比叫做相对丰度，也叫浓度克拉克值。相应地，矿床作为一种特殊的地质体，以矿石的平均品位与该元素地壳丰度值之比称为矿石浓度系数。但矿石的平均品位因不同矿床而异，进而采用边界品位与其地壳丰度之比，称为最低浓集系数。它表示相应矿床形成时所需的最低富集

5、倍数。,表1-4 主要成矿元素浓集系数,浓集系数反映了元素在地壳中局部集中（成矿）的能力。元素的浓集所能达到的程度，它既由元素本身地球化学性质所决定，又受环境物化条件与介质化学性质的影响。 浓集系数较大的元素在矿体周围呈现的地球化学异常强度较大。地球化学找矿中容易发现与识别这类异常，地球化学找矿方法对寻找这类矿床（如多金属硫化物矿床特别有效。 对于某些伴生的微量元素，如果其浓集系数较主要成矿元素明显地大，则这些伴生元素便是寻找该矿床的良好指示元素。Hg、Sb、Bi、As成为金矿床的指示元素便是这个原因。,第二节 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95，其中又以岩浆岩为

6、主，按其化学成分或矿物成分可以分成五大类：超基性岩、基性岩、中性岩、酸性岩及碱性岩。 研究地球化学元素在各类岩浆中的平均含量对于应用地球化学是十分重要的。因为正是不同岩石中的平均含量决定了各元素局部的背景值。此外，对于岩体评价，异常解释都是不可缺少的基础知识。 各类岩浆岩中化学元素的平均含量见附录2。,（1）碱金属元素：Li、Na、K、Rb、Cs从超基性岩基性岩中性岩花岗岩正长岩逐步增高，最高含量都在正长岩中，次高含量在花岗岩中。 （2）稀土元素：La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu以及Ba、Zn等，具有与碱金属元素相似的分布特点，向偏碱性岩石富集

7、的趋势很强。 （3）其余亲氧元素：Si、Be、Y、Sn、W、Ta、Th、U、Ti等含量从超基性岩、基性岩、中性岩至花岗岩明显增高，最高含量在花岗岩中。 （4）亲铁元素：Fe、Mn、Cr、Co、Ni明显地从超基性岩基性岩中性岩至酸性岩降低，最高含量在超基性岩中。,（5）亲硫元素：Cu、Zn、Ag、Cd和碱土金属Ca以及过渡元素V、Ti、Sc最大的丰度不在超基性岩而在基性岩中，并且除Ca、Sr、Zn、Ti向偏碱性岩中有增高外，其余元素皆降低。 （6）卤族元素：总的趋势向偏碱性岩石增高。但不同元素略有差别：如C1的最高丰度出现在正长岩中，与K、Na变化趋势相同；而Br则在中性岩和在高钙花岗岩中最丰富

8、，与A1相似；I无明显变化规律。,【例】有岩体因素形成的非矿异常 红旗岭例子,第三节 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%。但是，在地表分布极广，约占50%。因此，研究沉积岩中的元素分布规律对于了解地球化学背景是很有意义的。 经过风化、剥蚀、搬运、沉积成岩等一系列表生作用过程后，元素无论在绝对含量、相对比例，以及存在形式上都与原火成岩显著不同，产生了比内生作用更强的分异作用。,沉积岩可以分为碎屑岩、泥质岩和化学沉积岩三个类型。（附录3） (1)碎屑岩。碎屑岩主要是由抗氧化的矿物组成，主要成分是石英、长石。因此，Si、Zr、Hf及稀土元素Ce、Pr、Nd、Sm、G

9、d、Lu等元素含量较高，其他微量元素含量较低。 (2)页岩、泥质岩。主要由粘土及细碎屑组成。粘土吸附水体中简单离子和络合物，因此，页岩、泥质岩中富集了碱金属元素(Li、Na、Ra、Rb)，以及Be、B、Al、Se、Ti、V、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb、Sb、Hg、Tl、Ga、As、Nb、Ta、Sn、W、Ba、La、Th、V等元素，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。 我国南方寒武系底部的黑色页岩，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

10、)碳酸盐岩。是一种化学沉积岩，沉积作用受质量作用定律控制，只有达到浓度积的化合物才能沉积。因此，水溶液中元素含量和沉积环境具有控制作用。化学沉积是一种简单沉积，具有对其他元素“净化”的作用。因此，化学沉积岩中，除Ca、Mg、Ba、Sr、Mn等元素能在碳酸盐岩中富集外，其他元素含量都很低。 沉积岩中元素的分布及富集规律，是找矿与预测沉积矿产及沉积变质矿产的重要依据。利用微量元素在地层中的这些特征，还可能用来帮助划分与对比缺乏化石的所谓“哑地层”，并已发展成元素地层学这一方向。,总结： 在地球、各圈层及各种岩石中元素分布是不均匀的。而矿床就是这种不均匀分布最终结果。 某些元素高丰度岩浆岩的原始岩浆

11、往往是该元素矿床成矿物质的主要来源。 化学元素的沉积分异和它们在沉积岩中的分布与富集规律是沉积矿产及沉积变质矿产预测的重要依据。 研究地壳中各类岩石中化学元素的丰度变化具有重大找矿意义。,第四节 地壳中元素的赋存形式,元素的赋存形式也称赋存状态、结合形式、相态等，它是元素在地球化学旋回演化某个阶段所处物理化学条件下元素与其他共生元素的结合特征。 研究元素的赋存状态能反映形成时的环境条件，对追踪元素迁移历史、探索地球化学作用的过程与条件具有重要的意义。,一、元素的赋存形式 原生环境中元素的赋存形式可以按形成矿物的观点分为矿物形式和非矿物形式。 矿物形式：独立物、副矿物、主矿物中的机械包裹体、固溶

12、体分解物、液相包裹体中的子矿物。 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。,1.矿物形式 独立矿物，也称显微矿物形式，指能够形成肉眼或显微镜下进行矿物学研究的颗粒(粒径大于0.001mm)，并可以用机械或物理方法分离出单矿物颗粒。 造岩矿物 、副矿物 、金属硫化物矿物及固、溶体分解矿物等。,2非矿物形式 （1）超显微非结构混入物，大量的观察和分析表明，一些微量元素以一种极其细小的颗粒(0.001mm)呈混入物形式存在于矿物中，但不占据主矿物晶格的位置，是一种独立的化合物，但又没有形成可供矿物学研究的颗粒。 （2）类质同象结构混入物，元素

13、由于晶体化学性质与主矿物元素相近而可以替代主元素占据晶格位置，用机械的或化学的方法都不能使二者分离，属于结合牢固的形式 。,（3）胶体或离子吸附状态。元素以离子或化合物的形式被胶体颗粒、矿物晶面、解理面吸附;或以岩浆期后热液中的离子形式存在于矿物颗粒间的粒间溶液(即固态体系中保留的残余气-液相物质)中，有的则以矿物液态包裹体形式赋存于矿物的晶格缺陷中。前者以离子或分子形式存在，不参加寄主矿物晶格，是一种结构很弱，易于交换、萃取的活性形式。后者虽不与主矿物结合，但被包裹，须将主矿物破碎后才呈活性形式而易被提取。【意义】 （4）与有机质结合的形式。地壳中广泛发育的生物及各种有机质，除集中了亲生物元

14、素(C、H、0、N、S、P、Ca等)以外，还吸收了大量的金属、非金属元素。其结合的主要状态有：金属有机化合物、金有机络合物和螫合物，以及有机胶体态吸附态金属离子等。特别是沉积岩、有机质页岩中与有机质形式结合的微量元素比例更高。,二、不同赋存形式的研究方法 1.矿物学研究方法 除用肉眼或显微镜直接研究外，还可用机械碎至一定的粒度，将不同矿物解离后，用物理(比重、电磁性差异)方法分离集中。还可用X光衍射方法，测定晶胞参数以确定矿物种类。【例】 2.电子探针微区分析 它是由X-荧光光谱(确定元素种类)和电子显微镜(图像显示)两种主要部件联合使用，同时进行矿物成分和图像的测定。电子探针探测微区直径为0

15、.001mm，分辨率极高，它不破坏矿物的原始结构，是微量元素赋存状态的重要研究方法。,3.化学提取法 （1）偏提取法。也称浸取法或者部分提取技术。它是通过选择某种合适的提取剂，只溶解某一种结合形式部分，对其他结合形式不溶解从而使所研究的那种结合形式部分被提取出来。偏提取法一般用于结合不够牢固的那种赋存形式。例如，应用蒸馏水可以提取固态体系中的离子吸附态形式，用稀盐酸可提取超显微非结构混入物，用抗坏血酸加双氧水可以溶解硫化物而不破坏硅酸盐矿物结构，只提取矿化作用带入部分，达到强化异常指导找矿的目的。 （2）顺序提取法。它是根据不同试剂提取结合牢固程度不同的部分，从结合最弱的活动态离子-有机络合物-超显微结构混入物-硫化物到结合最牢固的硅酸盐，试