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1、Applied Geochemistry应用地球化学,1,Applied Geochemistry应用地球化学1,第二章 原生环境与元素的原生分布,2,第二章 原生环境与元素的原生分布2,主要内容,一、地壳的物质组成与元素丰度二、各类岩浆岩中化学元素的丰度三、沉积岩中化学元素的丰度四、地壳中元素的赋存形式,3,主要内容一、地壳的物质组成与元素丰度3,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。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
2、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。,4,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,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，是研究深部地质作用最直接的证据。,5,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,6,6,7,
3、7,8,8,第一节 地壳的物质组成与元素丰度,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。几个基本概念地壳的结构和化学组成地球元素丰度研究方法地球元素丰度及其规律地壳元素丰度研究的地球化学意义成矿元素的浓集系数,9,第一节 地壳的物质组成与元素丰度地壳是地球莫霍面以上的固,几个基本概念,分布与丰度分布与分配绝对含量和相对含量,10,几个基本概念分布与丰度10,分布与丰度,所谓元素在体系中的分布，一般认为是元素在这个体系中的相对
4、含量（以元素的平均含量表示），即元素的“丰度”。其实“分布”比“丰度”具有更广泛的涵义： 体系中元素的丰度值实际上只是对这个体系里元素真实含量的一种估计，它只反映了元素分布特征的一个方面，即元素在一个体系中分布的一种集中（平均）倾向。但是，元素在一个体系中，特别是在较大体系中 的分布决不是均一的，还包含着元素在体系中的离散（不均一）特征，因此，元素的分布包括:元素的相对含量（平均含量=元素的“丰度”）；元素含量的不均一性（分布离散特征数、分布所服从的统计模型）,11,分布与丰度 所谓元素在体系中的分布，一般认为是元素在这个体系,分布与分配,元素的分布指的是元素在一个化学体系中（太阳、陨石、地球
5、、地壳、某地区等）的整体总含量；元素的分配指的是元素在各地球化学体系内各个区域或区段中的含量；分布是整体，分配是局部，两者是一个相对的概念，既有联系又有区别。 例如，地球作为整体，元素在地壳中的分布，也就是元素在地球中分配的表现，把某岩石作为一个整体，元素在某组成矿物中的分布，也就是元素在岩石中分配的表现。,12,分布与分配 元素的分布指的是元素在一个化学体系中（太阳、陨石,绝对含量和相对含量,各地球体系中常用的含量单位有两类，绝对含量和相对含量。,13,绝对含量和相对含量 各地球体系中常用的含量单位有两类，绝对含,地球元素丰度研究方法,陨石类比法地球模型和陨石类比法地球物理类比法,14,地球
6、元素丰度研究方法 陨石类比法14,陨石类比法,直接利用陨石的化学成分，经算术平均求出地球的元素丰度。计算时假设： 1) 陨石在太阳系中形成；2）陨石与行星带的物质成分相同；3）陨石是已破碎了的星体碎片；4）产生陨石的星体（母体），其内部结构和成分与地球相似。华盛顿等（1911）采用此法来研究地球元素的丰度。,15,陨石类比法直接利用陨石的化学成分，经算术平均求出地球的元素丰,地球模型和陨石类比法,马逊（1966）根据现代地球模型，认为地球的总体成分应取决于占地球总质量99.3的地核和地幔， 因此他用球粒陨石中的硅酸盐相（silicate phase）代表地幔，用金属相（metal phase）
7、和陨硫化物（torilite phase）代表地核，再用质量加权法计算出地球的平均化学成分，故又称“SMT”法。,16,地球模型和陨石类比法马逊（1966）根据现代地球模型，认为地,地球物理类比法,黎彤（1976）首先采用了这种层壳模型的地球物理类比法。该方法是先求出地壳、上地幔、下地幔和地核4个圈层的平均成分，取各个壳层的质量分数加权平均得到整个地球的平均化学成分。,17,地球物理类比法黎彤（1976）首先采用了这种层壳模型的地球物,地球元素丰度及其规律,尽管地球元素丰度计算中存在假定性和不确定性，目前所获得的计算值还有待检验和修正，但从已有的数据可以获得以下规律： 地球中最丰富的元素是Fe
8、、O、Si和Mg，如果加上Ni、S、Ca和Al，这8种元素的质量占了地球总质量的98%。地球中元素的分布规律和太阳系元素丰度特征是很不相同的，从元素分布的角度说明了地球和其他类地行星一样是太阳系中比较特殊的成员。,18,地球元素丰度及其规律 尽管地球元素丰度计算中存在假定性和不确,地球的平均化学成分,19,地球的平均化学成分 元素华盛顿费尔斯曼史密斯马逊黎彤O27.,地壳的结构和化学组成,按照地球物理的概念，地壳是指从地表（包括陆地表面和海洋底面）开始，深达莫霍面（M界面）的层壳，它不包括水圈和大气圈，也不等于岩石圈，仅仅相 当于岩石圈的上部。研究表明，大陆地壳的平均厚度为35km，而大洋地壳
9、厚度仅为7km左右，两者相差很大，主要原因是其岩石类型及其组成不同。大陆地壳可分为上地壳和下地壳，上地壳厚812km，由偏酸性的火成岩和沉积岩组成，下地壳主要由麻粒岩、玄武岩等中酸性或中基性岩石组成，它在组成上比上地壳均一。相比之下，大洋地壳的岩石就要简单得多，整个洋壳全是玄武岩组成，其中大洋型拉斑玄武岩占99%，仅有1%为大洋玄武岩分异的产物碱性玄武岩。,20,地壳的结构和化学组成 按照地球物理的概念，地壳是指从地表（包,地壳的结构和化学组成,21,地壳的结构和化学组成21,地壳元素丰度的研究方法,早期克拉克计算法简化研究法（取巧研究法）,22,地壳元素丰度的研究方法 早期克拉克计算法22,
10、早期克拉克计算法,他们的思路是在地壳上部16公里范围内（最高的山脉和最深海洋深度接近16公里）分布着的岩浆岩 占95%，沉积岩占5（4%的页岩，0.75%的砂岩， 0.25%的灰岩），而这5%沉积岩也是岩浆岩派生的，因此认为岩浆岩的平均化学成分实际上可以代表地壳的平均化学成分。其作法如下：在世界各大洲和大洋岛屿采集了5159个不同岩浆岩样品和676件沉积岩样品；其样品的数量相当于这些样品在地球表面分布面积的比例；对53种元素进行了定量的化学分析；计算时用算术平均法求出整个地壳的平均值。他们的工作代表了地壳陆地区域岩石圈成分，具有重大的意义，是一项开创性的工作，为地球化学发展打下了良好的基础，其
11、数据至今仍有参考价值。,23,早期克拉克计算法他们的思路是在地壳上部16公里范围内（最高的,简化研究法（取巧研究法）,1）戈尔德施密斯（Goldschmidt）采集了挪威南部冰川成因粘土（77个样），用其成分代表岩石圈平均化学成分，其结果与克拉克的结果相似，但对微量元素的丰度做了大量补充和修订，Na2O和CaO含量偏低，这与表生条件下Na和Ca容易淋滤 流失有关。2）维诺格拉多夫（1962）岩石比例法是以两份酸性岩加一份基性岩来计算地壳平均化学成分。3）泰勒和麦克伦南（Taylor和McLennan,1985）提出细粒碎屑沉积岩，特别是泥质岩，可作为源岩出露区上地壳岩石的天然混合样品，用太古宙
12、以后页岩平均值降低20%来计算上部地壳元素丰度。,24,简化研究法（取巧研究法）1）戈尔德施密斯（Goldschmi,大陆地壳剖面法,造山作用可使下地壳甚至上地幔的岩石大规模暴露到地表，为此出露地表的大陆地壳剖面是研究大陆地壳元素丰度的良好样品。这样的剖面仅分布在少量地区，为了研究地壳深部（下地壳）的成分还可以采用火山岩中深部地壳包体（探针岩）和地球物理法（地震波）。,25,大陆地壳剖面法 造山作用可使下地壳甚至上地幔的岩石大规模暴露,大陆地壳剖面法,26,大陆地壳剖面法26,各学者发表的地壳元素丰度，一般来讲，越新发表的资料越是可靠，克服了以前研究者在计算方法、分析方法以及地壳模型等方面的不
13、足。其中以泰勒（1964）的地壳丰度值被广泛应用。我国地球化学家黎彤长期从事地壳丰度的研究，他在计算地壳丰度时采用全球地壳模型，对地壳类型进行了分区。分为台盾区和褶皱区。,27,各学者发表的地壳元素丰度，一般来讲，越新发表的资料越是可靠，,纵观上述各种研究方法，结合目前对地壳的认识，显然具有以下的不足之处：首先采用的地壳的概念不统一，均未按照现代地壳结构模型来考虑；其次没有考虑岩石组成随深度和构造单元的变化。尽管各家所采用的研究方法不同，但所得的地壳主要元素丰度的估计值相互接近，这充分说明其估计值是比较精确的。,28,纵观上述各种研究方法，结合目前对地壳的认识，显然具有以下的不,地壳元素丰度特
14、征,地壳中元素的相对平均含量是极不均一。地壳中元素丰度不是固定不变的，它是不断变化的开放体系。对比地壳、整个地球和太阳系元素丰度数据发现，它们在元素丰度的排序上有很大的不同。,29,地壳元素丰度特征 地壳中元素的相对平均含量是极不均一。29,极不均一,丰度最大的元素是O为47%，与丰度最小的元素Rn（6x10-16）相差达1017倍，相差十分悬殊。地壳中丰度最大的九种元素O、Si、Al、Fe、Ca Na、K、Mg、Ti,占地壳总质量的98.13%；前十五种元素占99.61%,其余元素仅占0.39%。这表明，地壳中只有少数元素在数量上起决定作用，而大部分元素处于从属地位。,30,极不均一丰度最大
15、的元素是O为47%，与丰度最小的元素Rn（6,地壳中元素丰度不是固定不变的，它是不断变化的开放体系。,（1）地球表层H, He等气体元素逐渐脱离地球重力场；（2）每天降落到地球表层的地外物质102-105吨；（3）地壳与地幔的物质交换；（4）放射性元素衰变；（5）人为活动的干扰。,31,地壳中元素丰度不是固定不变的，它是不断变化的开放体系。 （1,地壳、整个地球和太阳系元素丰度的差异,太阳系：HHeONeNCSiMgFeS； 地球：FeOMgSiNiSCaAlCoNa； 地壳：OSiAlFeCaNaKMgTiH。 与太阳系或宇宙相比，地壳和地球都明显地贫H、He、Ne、N等气体元素；而地壳与整
16、个地球相比，则明显贫Fe和Mg，同时富集Al、K和Na，这种差异说明什么呢？,32,地壳、整个地球和太阳系元素丰度的差异太阳系：HHeON,地壳元素丰度的可能原因,在宇宙化学体系形成地球的演化（核化学）过程中必然伴随着气态元素的逃逸，而地球原始的化学演化（电子化学）具体表现为较轻易熔的碱金属铝硅酸盐在地球表层富集，而较重的难熔镁、铁硅酸盐和金属铁则向深部集中。由此可见地壳元素的丰度取决于两个方面的原因: 元素原子核的结构和稳定性；宇宙物质形成地球的整个演化过程中物质的分异。总之，现今地壳中元素丰度特征是由元素起源直到太阳系、地球（地壳）的形成和存在至今这一段漫长时期内元素演化历史的最终结果。,
17、33,地壳元素丰度的可能原因在宇宙化学体系形成地球的演化（核化学）,地壳元素丰度研究的地球化学意义,控制元素的地球化学行为限定了元素在自然界的矿物种类及种属限制了自然体系的状态对元素亲氧性和亲硫性的限定可作为判断微量元素集中、分散的标尺 为阐明地球化学省（场）特征提供标准指示特征的地球化学过程作为矿产资源评价预测的依据浓度克拉克值和浓集系数地壳丰度对地壳能源的限制,34,地壳元素丰度研究的地球化学意义 控制元素的地球化学行为34,控制元素的地球化学行为,元素的克拉克值（即元素在地壳中的重量百分含量）在某种程度上影响元素参加许多化学过程的浓度，从而支配元素的地球化学行为。例如，地壳元素丰度高的K
18、和Na，在天然水中高浓度，在某些特殊环境中，发生过饱和作用而形成各种独立矿物（盐类矿床）；而与之性质相似的Rb和Cs，地壳丰度低，在天然水中浓度极低，远达不到饱和浓度，为此不能形成各种独立矿物而呈分散状态。,35,控制元素的地球化学行为元素的克拉克值（即元素在地壳中的重量百,限定了元素在自然界的矿物种类及种属,实验室条件下，可以化合成数十万种化合物，但自然界中却只有3000多种矿物，矿物种属也有限：硅酸盐25.5%，氧化物、氢氧化物12.7%，其他氧酸23.4%，硫化物、硫酸盐24.7%，卤化物5.8%，自然元素4.3%，其它3.3%。为什么酸性岩浆岩的主要造岩矿物总是长石、石英、云母、角闪石
19、？ 因为地壳中O、Si、Al、Fe、K、Na、Ca等元素丰度最高，在地质作用体系中浓度大，容易达到形成独立矿物的条件。,36,限定了元素在自然界的矿物种类及种属实验室条件下，可以化合成数,限制了自然体系的状态,验室条件下可以对体系赋予不同物理化学状态，而自然界体系的状态受到限制，其中的一个重要的因素就是元素丰度的影响。例如，酸碱度（pH值）在自然界的变化范围比在实验室要窄很多，氧化还原电位也是如此。,37,限制了自然体系的状态验室条件下可以对体系赋予不同物理化学状态,对元素亲氧性和亲硫性的限定,在实验室条件下，化合物组成的剂量可以任意调配；在自然条件下，情况就不同了：在地壳中O元素丰度高、S元
20、素丰度低的环境下，Ca元素显然是亲氧的；而在地幔、陨石的缺O富S环境中，能形成CaS（褐硫钙石）。,38,对元素亲氧性和亲硫性的限定在实验室条件下，化合物组成的剂量可,为阐明地球化学省（场）特征提供标准,例如在东秦岭地区进行区域地球化学研究表明：东秦岭是一个富Mo贫Cu的地球化学省，Mo元素区域丰度比克拉克值高2.3倍，而Cu则低于克拉克值 。从资源角度来看：这样的区域地球化学背景特征，有利于形成Mo成矿带；从环境角度来看：克山病病区中土壤有效态Mo、饮水Mo含量、主食中Mo元素含量普遍偏低，低于正常背景值，导致人体Mo元素低水平，是导致克山病的主要因素。,39,为阐明地球化学省（场）特征提供
21、标准例如在东秦岭地区进行区域地,指示特征的地球化学过程,某些元素之间的克拉克值比值是相对稳定的，如果这些比值发生了变化，则示踪着某种地球化学过程的发生。例如稀土元素比值、Th/U、K/Rb、Zr/Hf、Nb/Ta在地壳环境下性质相似，难以彼此分离，有相对稳定的比值。一但某地区、某地质体中的某元素对比值 （如Th/U一般为3.3-3.5）偏离了地壳正常比值，则示踪着某种过程的发生。Th/U8-10则可认为本区内发生了钍矿化。,40,指示特征的地球化学过程某些元素之间的克拉克值比值是相对稳定的,作为矿产资源评价预测的依据,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
22、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。 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。这种关系可表示为： R=K*AR为地球化学储量， A为地壳元素的丰度， K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有关。,41,作为矿产资源评价预测的依据地球化学系统中元素的总量称为地球化,42,AsHgCrMnCoVAlCuSnZnPbWSbMoNi,地壳丰度对地壳能源的限制,地壳的能源有两个主要来源，一个是太阳能，另外一个是放射性元素的衰变能。放射性衰变能是由放射性元素（K、U、Th)的类型和数量所决定的。 例如地球经过4
23、5亿年的演化，235U已衰变95，238U已衰变掉50%左右，而232Th仅消耗了其总量的20 。年复一年，放射性元素的衰变为地球 、地壳提供能量。,43,地壳丰度对地壳能源的限制地壳的能源有两个主要来源，一个是太阳,浓度克拉克值,浓度克拉克值 = 某元素在某一地质体中平均含量/某元素的克拉克值；浓度克拉克值1意味该元素在该地质体中集中了；浓度克拉克值1意味该元素在 该地质体中分散了。区域浓度克拉克值=某元素在区域内某一地质体中平均含量/该区域元素的丰度值；浓度克拉克值是衡量元素集中、分散及其程度的良好标尺，具有重要的理论和实践意义。,44,浓度克拉克值浓度克拉克值 = 某元素在某一地质体中平
24、均含量/,浓集系数,浓集系数 = 某元素最低可采品位/某元素的克拉克值 。浓集系数反映了元素在地壳中倾向于集中的能力。 元素的集中能力相差是十分悬殊的，例如Sb和Hg浓集系数分别为25000和1400，而Fe的浓集系数为6，这说明Fe成矿时只要比克拉克值富集6倍即可（主要成矿元素的浓集系数见表2-6）。,45,浓集系数浓集系数 = 某元素最低可采品位/某元素的克拉克值,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，其中又以岩浆岩为主，按其化学成分或矿物成分可以分成五大类：超基性岩（ SiO2 66%，如花岗岩、蛇纹岩）碱性岩 各类岩浆岩中化学元素的平均含量见附录2。,
25、46,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,由附表2可以发现，各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。 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。,47,由附表2可以发现，各岩类的标型元素组合为：47,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、N
26、i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 。,48,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,图2-4 各类岩浆岩中元素含量变化曲线,49,图2-4 各类岩浆岩中元素含量变化曲线SiBaRbFK,图2-4 各类岩浆岩中元素含量变化曲线,50,图2-4 各类岩浆岩中元素含量变化曲线MgFeNiCrC,第三节 沉积
27、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。,51,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,2、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
28、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。,52,2、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,第四节 地壳中元素的赋存形式,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。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；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，
29、有机结合物。,53,第四节 地壳中元素的赋存形式元素的赋存形式53,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一有机络合物一超显微结构混入物一硫化物到结合最牢固的硅酸盐，试验研究某些试剂进行依次提取。,54,不同赋存形式的研究方法1、矿物学研究方法 54,两种不同的物相分析方案,55,两种不同的物相分析方案12345顺平1234555,小结,重点掌握：地壳的物质组成与元素丰度了解：各类岩浆岩中化学元素的丰度，沉积岩中化学元素的丰度，地壳中元素的赋存形式。,56,小结重点掌握：地壳的物质组成与元素丰度56,作业：,1、简述原生地球化学环境及其主要特征？2、什么是元素的克拉克值？3、什么是元素的浓集系数，它对地球化学找矿有何指示意义？,57,作业：1、简述原生地球化学环境及其主要特征？57,
