赵志丹岩石地球化学-REE处理课件

1、第一节、主量元素数据处理与解释 第二节、微量元素数据处理与解释 第三节、同位素数据处理与解释,第三章、岩石地球化学数据的处理与解释,第二节、微量元素数据处理与解释 一、控制微量元素行为的地球化学规律 二、稀土元素处理和解释 三、微量元素处理和解释,第三章、岩石地球化学数据的处理与解释,第二节、微量元素数据处理与解释 一、控制微量元素行为的地球化学规律 微量元素 （痕量元素，trace elements) 岩石中含量0.1%的， 用ppm (g/g, 106), 或者 ppb (ng/g, 109)表示,第三章、岩石地球化学数据的处理与解释,国际单位使用的幂表示方法,第二节、微量元素数据处理与解

2、释 一、控制微量元素行为的地球化学规律 微观规律地球化学亲和性、类质同象法则、晶体场理论（对过渡金属），归纳为：化学和晶体化学因素，包括原子（离子）的半径、配位数、原子和离子极化、最紧密堆积等 宏观规律体系性质和热力学规律的影响，如体系的化学组成、温度、压力、氧化还原电位等,第三章、岩石地球化学数据的处理与解释,微量元素行为的宏观表现,矿物是组成地球的基本固体物质，元素赋存在矿物之中，通过矿物的形成和变化而具体体现。两相平衡共存是控制微量元素分布和分配的主要过程，微量元素在固相固相、熔体熔体、熔体固相之间分配是控制元素分布和含量变化的主要过程，也是宏观表现。,例如：Ol熔体系统的元素分配,金振

3、民教授（1994）发现了橄榄岩的初始熔融物(57%)在固相岩石中存在矿物三联点位置(这是静态熔融特征)，同时大量熔体在差异应力驱动下沿着橄榄石矿物颗粒边界分布，形成熔融薄膜(见nature封面照片)。,部分熔融产物OlSp melt,归纳：控制主量元素和微量元素的规律,（1）地球化学过程的演化实质是元素在共存各相（液固，固固）之间的分配过程。,（2）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。,归纳：控制主量元素和微量元素的规律,（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，其在各相中分配受相

4、律（f = K- +2）控制； 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），即在分配达平衡时在各相间的化学势相等。,按照元素在岩浆作用中行为分类 相容元素：D1, 优先进入矿物相，或残留相 例如：Ni, Co, V, Cr 不相容元素：D1，优先进入熔体相， D0.1为强不相容元素, 例如：大离子亲石元素K,Rb,Cs,Sr,Ba 高场强元素Nb,Ta,Zr,Hf,KD 或者 D,CA,CB,C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（矿物相），微量元素可以选择性进入这两相。,元素分配系数,不相容

5、元素进一步划分： 小原子半径、高电荷的高场强元素 （HFSE, high field strength elements） REE, Th, U, Ce, Pb4+, Zr, Hf, Ti, Nb, Ta 低场强大离子亲石元素（ LIL, large ion lithophile） 它们极为活动，尤其是有流体存在， K, Rb, Cs, Ba, Pb2+, Sr, Eu2+,高场强元素(HFSE，High Field-Strength Elements) 元素的电荷(Z)与其半径(r )比值称为场强，相当于电离势， 如果Z/r3.0 (2.0), 称为高场强元素 如果Z/r 3.0，称为低场强

6、元素。,什么是HFSE,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/熔体分配系数）,例如Ol、Pl,这是指单一元素、单一矿物相,岩石中元素的分配系数（Di） 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系数与岩石中各矿物含量乘积之和表达 。 Di = WA Di WA = 岩石中矿物含量 Di = 元素i在矿物A中的分配系数,石榴石地幔橄榄岩 = 60% Ol25% Opx10% Cpx5% Gar (wt%) 计算结果： DEr = (0.6 0.026) + (0.25 0.23) + (0.10 0.583) +

7、 (0.05 4.7) = 0.366,计算 举例,元素的分配系数测定方法,A. 直接测定法 B. 实验测定法,元素的分配系数测定方法 A. 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，再按能斯特分配定律计算出分配系数。 例如 测定火山岩中斑晶矿物和基质， 测定现代火山熔岩流中的矿物与淬火熔体（玻璃） 测定岩石中共存矿物的分配系数。 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该元素的分配系数。,A. 直接测定法： 斑晶-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(

8、岩浆)，两相中微量元素比值即为该元素的分配系数。,元素的分配系数测定方法 B. 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； 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，这些都是应用实验结果研究实际问题的难题。,B. 实验测定法：使用玄武岩做为初试实验材料,X.L. Xiong et al. / Chemical Ge

9、ology 218 (2005) 339359,B. 实验测定法：使用玄武岩做为初试实验材料,X.L. Xiong et al. / Chemical Geology 218 (2005) 339359,实验产物,岩浆演化中元素分配模型,平衡部分熔融（或称为批式熔融） （equilibrium /batch partial melting) 微量元素在固相和熔体之间一直保持平衡，直到聚集到从熔体中迁移出去。,发生部分熔融的2种情况,2. 分离熔融（fractional partial melting) 发生部分熔融过程中，形成的熔体连续地移出固相，,实际应用中最常见的平衡部分熔融,批式熔融 (

10、Batch melting)模型,CL = 某元素在熔体中的含量（ppm） CO =某元素在未熔融前原始岩石中的含量（ppm） F = 熔融重量比例熔体/(熔体残余岩石) Di = 总分配系数（各矿物相中该元素分配系数和）,Figure 9-2. Variation in the relative concentration of a trace element in a liquid vs. source rock as a fiunction of D and the fraction melted, using equation (9-5) for equilibrium batch m

11、elting. From Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall.,Di = 1.0 随着F变化，CL/C0不变,相容元素 Di 1.0 A. 部分熔融的熔体中发生贫化，特别是低度部分熔融 (例如F0.1) B. 贫化的速度随F的增大呈现出变缓的特征.,Figure 9-2. Variation in the relative concentration of a trace element in a liquid vs. source rock as a fiuncti

12、on of D and the fraction melted, using equation (9-5) for equilibrium batch melting. From Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall.,相容元素,Figure 9-2. Variation in the relative concentration of a trace element in a liquid vs. source rock as a fiunction of D and

13、 the fraction melted, using equation (9-5) for equilibrium batch melting. From Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall.,不相容元素,不相容元素 Di 1.0 A. 极大量富集在初始产生的极少量熔体中 B. 随着F增加，富集程度减弱 C.其最大的富集浓度不能超出D=0的曲线，当D=0，CiL/Cio =1/F,强不相容元素 对于一个强不相容元素 Di 0 应用意义： 如果我们知道一个强烈不相容元

14、素在岩浆和源岩中含量， 我们就可以估算部分熔融程度F。,Figure 9-2. Variation in the relative concentration of a trace element in a liquid vs. source rock as a fiunction of D and the fraction melted, using equation (9-5) for equilibrium batch melting. From Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Pre

15、ntice Hall.,强不相容元素,Figure 9-2. Variation in the relative concentration of a trace element in a liquid vs. source rock as a fiunction of D and the fraction melted, using equation (9-5) for equilibrium batch melting. From Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hal

16、l.,当F1时 CiL/Cio1 岩石全熔，即熔体中所有元素的浓度与母岩中该元素的浓度趋于一致。,当F0 (部分熔融很小) CiL/Cio1/Di，即微量元素在所形成的熔体中的富集或贫化程度最大。随着F的增大，则熔体中微量元素的富集和贫化程度逐渐减少。 应用意义： 如果我们知道CL 和岩浆起源于一个低度部分熔融过程，有Di ,我们就可以估算此元素在源区 (CO)中的含量。,Figure 9-2. Variation in the relative concentration of a trace element in a liquid vs. source rock as a fiunctio

17、n of D and the fraction melted, using equation (9-5) for equilibrium batch melting. From Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall.,批式熔融计算实例: 计算Rb和Sr在玄武岩部分熔融过程中含量,1. 把矿物含量（Mode）换算为矿物重量比例 (Wol Wcpx etc.) 2. 应用Di = WA Di 计算Rb和Sr的总分配系数 DRb = 0.045 DSr = 0.848,Fro

18、m Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall.,3. 用公式计算不同部分熔融程度（F0-1)的Rb和Sr含量比值CL/CO,Figure 9-3. Change in the concentration of Rb and Sr in the melt derived by progressive batch melting of a basaltic rock consisting of plagioclase, augite, and olivine. From Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall.,投图CL/CO对F 解释： 在玄武岩批式熔融产生岩浆中，Rb显示强烈的不相容性。,研究岩石成因和演化过程 1. 揭示源岩成分特征 2. 揭示岩浆作用过程，利用已有的各种模型，揭示部分熔融、岩浆混合、分离结晶、同化混染等。,元素分配研究的实际意义,石榴石橄榄岩批式熔融随着F变化模式,Figure 9-4. Rare Earth concentrations (normalized to chond