地球化學(xué)第二章地球化學(xué)基礎(chǔ)知識

1、地球化學(xué)(d qi hu xu) 陳遠榮 桂林理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院(xuyun) 2011 年 11月第二章 地球化學(xué)基礎(chǔ)知識 共五十八頁第一節(jié) 地球化學(xué)研究(ynji)的基本問題 地球化學(xué)研究的基本問題概括起來有五個方面: 第一, 元素(同位素)在地球及各子系統(tǒng)的分布、分配問題：也就是元素和同位素的含量及含量在空間、時間及不同地質(zhì)產(chǎn)狀地質(zhì)體中的變化(binhu)。這個問題是地球化學(xué)研究的出發(fā)點和基礎(chǔ)資料,簡而言之為“量”的問題。共五十八頁第二(d r), 元素的共生組合和存在形式：在化學(xué)課本中了解到原子是構(gòu)成物質(zhì)的具有獨立性質(zhì)的最小單位,各種原子也構(gòu)成了宏觀的地質(zhì)體。地質(zhì)體內(nèi)各種原子的結(jié)合和

2、存在形式不是任意的,不是靜態(tài)的,而是有條件的、變化的。它們是受著地質(zhì)作用的物理化學(xué)條件控制的,它們是隨著地質(zhì)歷史的變動而變化的。因此,元素的共生組合和存在形式是地質(zhì)作用物理化學(xué)條件及變動歷史的指示劑。總之就是關(guān)于質(zhì)的問題.共五十八頁第三,就是元素的遷移,簡而言之是“動的研究,也就是元素在自然作用中含量和存在形式在時間和空間上的變化?？蓺w納出元素地球化學(xué)遷移的三個要素: 環(huán)境物理化學(xué)(w l hu xu)條件的變化；元素結(jié)合方式的改變；導(dǎo)致元素在空間上的位移及元素集中、分散的轉(zhuǎn)化。 因此,元素的遷移過程能指示元素發(fā)生變化的動態(tài)過程，以及各種物理化學(xué)條件的制約關(guān)系，從而揭示地質(zhì)、地球化學(xué)作用機制

3、共五十八頁第四,研究元素(同位素）的行為：指的是元素（同位素）在自然界所發(fā)生的各種地質(zhì)作用中的行為。通過行為的研究可能揭示地質(zhì)體成因機制。 第五,元素的地球化學(xué)演化 人類對于自然界的認識總是在探索與提問中進行的,宇宙、天體是怎樣(znyng)形成、演化的？地球是如何形成、發(fā)展的？生命是如何起源的？由C、H、O、N等主要元素構(gòu)成的人類又是如何產(chǎn)生的？元素又是如何合成的？等等。 共五十八頁1.1 地球化學(xué)研究(ynji)方法的特點 地球化學(xué)研究方法(fngf)的特點： 第一，由于地球化學(xué)本質(zhì)上是屬于地球科學(xué)，所以其工作方法應(yīng)遵循地球科學(xué)的思維途徑，歸納一下有以下幾個方面： (1)第一手實際資料來自

4、于對自然地質(zhì)現(xiàn)象的觀察和 研究； (2)在地球的時空結(jié)構(gòu)中整理和綜合資料； (3)事實規(guī)律的統(tǒng)計性特征； (4)反序地追蹤歷史； (5)結(jié)論的推斷性和多解性以及認識的反復(fù)深化。 共五十八頁 這一切都基于(jy)一個根本的出發(fā)點，即一切地球化學(xué)過程都是寄予宏觀的地質(zhì)作用之中的，基于(jy)這個特點，為此要求我們各類地球化學(xué)樣品必須有明確的地質(zhì)產(chǎn)狀的代表性；地球化學(xué)的研究結(jié)果應(yīng)落實到解決地質(zhì)學(xué)認識和應(yīng)用的實際中去。 共五十八頁 第二個特點，要求每個地球化學(xué)工作者有一個敏銳的地球化學(xué)思維，也就是要善于識別(shbi)隱藏在各種現(xiàn)象中的地球化學(xué)信息，從而揭示地質(zhì)現(xiàn)象的奧秘。掌握這個特點是一個有過程的，

5、但要認真學(xué)習(xí)，努力實踐。 第三，要具備有定性和定量及鑒別物相的技術(shù)和裝置。 共五十八頁1.2 地球化學(xué)的工作(gngzu)方法 (一)地球化學(xué)的野外工作方法 1.宏觀地質(zhì)調(diào)研是地球化學(xué)工作的基礎(chǔ)，是地球化學(xué)研究工作必不可少的重要環(huán)節(jié)，可以這樣(zhyng)形容兩者的關(guān)系：“皮之不存，毛將焉附”，皮都沒有了，毛在哪里長呢？例如查明地質(zhì)體的時空結(jié)構(gòu)，將為地球化學(xué)作用的空間展布和時間順序提供依據(jù)。 共五十八頁 2.運用地球化學(xué)思維觀察、認識地質(zhì)現(xiàn)象。 3.在地質(zhì)地球化學(xué)觀察的基礎(chǔ)上，根據(jù)目標任務(wù)采集各種地球化學(xué)樣品。這一環(huán)節(jié)關(guān)系到地球化學(xué)研究工作的成敗，為此在樣品的布局和采樣中必須要注意(zh y)

6、以下三個問題： 明確的代表性：代表某一地質(zhì)作用的產(chǎn)物；代表某一成因的、某種產(chǎn)狀的地質(zhì)體；樣品盡量避免后期作用的疊加等。 共五十八頁 樣品的系統(tǒng)性：為了從比較中說明問題，對研究對象在空間上、時間上、不同成因上的樣品應(yīng)構(gòu)成一個系列。例如研究礦化特征，應(yīng)控制采集礦體(kun t)、礦化、背景段的樣品；有如環(huán)境污染研究，對污染源、污染區(qū)、背景區(qū)的樣品進行系統(tǒng)采集 樣品的統(tǒng)計性：地球化學(xué)現(xiàn)象同其它地質(zhì)現(xiàn)象一樣具有統(tǒng)計性規(guī)律，要定量地描述地球化學(xué)規(guī)律必須用數(shù)理統(tǒng)計的方法，因為一兩個樣品難以有代表意義，必須由一組樣品構(gòu)成，一組樣品的數(shù)量根據(jù)研究對象復(fù)雜程度規(guī)模大小及測試方法的難易程度而定。 共五十八頁(二)

7、地球化學(xué)的室內(nèi)研究(ynji)方法 1.“量”的測定，應(yīng)用精密靈敏的分析測試方法，以取得元素在各種地質(zhì)體中的含量值。它是地球化學(xué)研究工作方法的基礎(chǔ)和起點。因此對分析方法的要求(yoqi)首先是準確；其次，由于元素在各地質(zhì)體中的含量是不均勻的，有的高，有的是微量、超微量的，這樣對分析方法的第二個要求(yoqi)是高靈敏度，靈敏度一般要達到10-4%10-7，現(xiàn)代分析儀器已可以達到地球化學(xué)研究所需要的精度和靈敏度，如用化學(xué)光譜法測金，靈敏度已可達0.110-9，中子活化法的測金靈敏度可達0.0410-9；又由于地球化學(xué)樣品數(shù)量較大，故對分析方法的的三個要求是快速、成本低。 共五十八頁 2.“質(zhì)”的

8、研究，也就是元素結(jié)合形態(tài)和賦存狀態(tài)的研究 。 3.地球化學(xué)作用過程物理化學(xué)條件的測定和計算。包括測定和計算兩大類。如包裹體測溫、測壓、測成分，又有微量元素溫度計、礦物溫度計、同位素溫度計等測定和計算相結(jié)合的方法；對體系(tx)的pH、Eh、fO2、鹽度、離子強度、礦質(zhì)濃度等參數(shù)進行估算；另外還可進行自然作用時間參數(shù)的測定，如同位素年代學(xué)。 共五十八頁 4.模擬地球化學(xué)作用過程。進行模擬試驗，這種方法在實驗室條件下，使某些地球化學(xué)過程再現(xiàn)，以深入了解成巖成礦作用機制或檢驗?zāi)承├碚撏茢?，這里包括高溫高壓體系的專門設(shè)備(shbi)的實驗技術(shù)以及大量常溫常壓下的實驗研究（溫度可以達到3000，超高壓可

9、達1.3兆巴，相當于200km深處地殼壓力）。 共五十八頁5.測試數(shù)據(jù)的多元統(tǒng)計處理和計算計算地球化學(xué)。多元統(tǒng)計理論和電子計算機技術(shù)在地球化學(xué)研究的應(yīng)用，大大提高了資料整理的科學(xué)性、數(shù)據(jù)的利用率和計算工作效率；同時數(shù)學(xué)理論和方法的應(yīng)用對深入揭示地球化學(xué)規(guī)律、科學(xué)地描述地球化學(xué)現(xiàn)象起到了推動作用(zuyng)，使之地球化學(xué)過程數(shù)字模擬化。 共五十八頁復(fù)習(xí)思考(1)地球化學(xué)的定義。(2)地球化學(xué)學(xué)科的特點和基本問題(wnt)。 (3)地球化學(xué)學(xué)科的研究思路和研究方法。 (4)地球化學(xué)與化學(xué)、地球科學(xué)其他學(xué)科在研究目標和研究方法方面的異同。 共五十八頁常量元素：組成物質(zhì)主要結(jié)構(gòu)和成分的元素，它們常占

10、天然物質(zhì)總組成的99%以上，并決定了物質(zhì)的定名和大類劃分。微量元素(trace element, microelement)：物質(zhì)中除了那些構(gòu)成主要結(jié)構(gòu)格架所必須的元素之外，所有以低濃度存在的化學(xué)元素。其濃度一般低于0.1%，在大多數(shù)情況下明顯低于0.1%而僅達到ppm乃至ppb數(shù)量級。次要元素(minor element)：在文獻中單獨出現(xiàn)(chxin)時時與微量元素同義；當兩者同時出現(xiàn)時，一般指含量為15的化學(xué)元素。有關(guān)元素分類的常用(chn yn)術(shù)語共五十八頁稀有元素(rare element)：在低殼中分布量較低，但易于在自然界高度富集形成較常見的礦物和獨立工業(yè)礦床的的化學(xué)元素。如R

11、EE、Nb、Ta、Be、Li、（W）等。分散元素(dispersed element)：在地殼中元素豐度低，并且其離子半徑和電荷等化學(xué)性質(zhì)與地殼中的高豐度元素(硅、鋁、鈣、鐵、鉀、鈉等)相似的一類(y li)微量元素。因上述性質(zhì)，它們在自然界中大多以*類質(zhì)同像置換形式分散存在于高豐度元素的礦物中,從而很少形成自己的獨立礦物和單獨富集成為礦床。典型分散元素為鍺、鎵、鈧、鍶、鎘、銣、銫等。附屬元素(accessory element)：地球化學(xué)性質(zhì)與造巖元素有較大的差別，主要在火成巖中呈副礦物及其類質(zhì)同像形式存在的化學(xué)元素。如Y、REE、Zr、Hf、Nb、Ta、U、Th等。共五十八頁高場強元素或離

12、子（High field strength cations，HFS）：場強指離子每單位表面的靜電荷強度，常以離子電荷與離子半徑的比值，即離子勢表示。指那些形成小的高電荷離子的元素，包括REE、Sc、Y、Th、U、Pb、Zr、Hf、Ti、Nb、Ta等。 其離子勢2。低場強元素或離子（Low field strength cations） ：形成大半徑小電荷的離子的元素 ，離子勢HeONeNCSiMgFeS 地球： FeOMgSiNiSCaAlCoNa 地殼： OSiAlFeCaNaKMgTiH 與太陽系或宇宙相比，地殼和地球都明顯地貧H, He, Ne, N等氣體元素；而地殼與整個地球相比，則明

13、顯貧Fe和Mg，同時富集Al, K和Na。 這種差異說明什么呢？ 共五十八頁 由宇宙化學(xué)體系形成地球的演化（核化學(xué)）過程中必然伴隨著氣態(tài)元素(yun s)的逃逸。而地球原始的化學(xué)演化（電子化學(xué)）具體表現(xiàn)為較輕易熔的堿金屬鋁硅酸鹽在地球表層富集，而較重的難熔鎂、鐵硅酸鹽和金屬鐵則向深部集中。 由此可見地殼元素的豐度取決于兩個方面的原因: 元素原子核的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性；宇宙物質(zhì)形成地球的整個演化過程中物質(zhì)的分異。 總之，現(xiàn)今地殼中元素豐度特征是由元素起源直到太陽系、地球、（地殼）的形成和存在至今這一段漫長時期內(nèi)元素演化歷史的最終結(jié)果。 共五十八頁3.地殼中元素豐度不是固定不變的，它是不斷變化的開放體系

14、。 地球表層H, He等氣體元素逐漸脫離地球重力場； 每天降落到地球表層的地外物質(zhì)102-105噸； 地殼與地幔的物質(zhì)交換； 放射性元素衰變； 人為活動(hu dng)的干擾。 共五十八頁1.8.2 元素地殼豐度研究的地球化學(xué)(d qi hu xu)意義 元素地殼豐度(克拉克值)是地球化學(xué)(d qi hu xu)中一個很重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。它確定了地殼中各種地球化學(xué)(d qi hu xu)作用過程的總背景。它是衡量元素集中、分散及其程度的標尺，本身也是影響元素地球化學(xué)(d qi hu xu)行為的重要因素。共五十八頁1.控制元素的地球化學(xué)行為 1）元素的克拉克值在某種程度上影響元素參加許多化學(xué)(h

15、uxu)過程的濃度，從而支配元素的地球化學(xué)(huxu)行為。 2）限定自然界的礦物種類及種屬。 3) 限制了自然體系的狀態(tài)。 4）對元素親氧性和親硫性的限定。 共五十八頁2. 地殼克拉克值可作為微量元素集中、分散的標尺。1）可以為闡明地球化學(xué)省（場）特征提供標準。 2）指示特征的地球化學(xué)過程(guchng) 3) 濃度克拉克值和濃集系數(shù)濃度克拉克值 = 某元素在某一地質(zhì)體中平均含量/某元素的克拉克值 1意味該元素在地質(zhì)體中集中了 1意味該元素在地質(zhì)體中分散了 共五十八頁 區(qū)域濃度克拉克值=某元素在區(qū)域內(nèi)某一地質(zhì)體中平均含量/某區(qū)域元素的豐度值濃集系數(shù) = 某元素最低可采品位/某元素的克拉克值。

16、 反映了元素在地殼中傾向于集中(jzhng)的能力Sb和Hg濃集系數(shù)分別為25000和14000，F(xiàn)e的濃集系數(shù)為6，這說明Fe成礦時只要克拉克值富集6倍即可。 共五十八頁1.8.3 地殼元素(yun s)分布的不均一性 整個(zhngg)地球元素分布是不均勻的，地殼也是一樣，地殼元素的分布不論在空間上及時間上都是不均一的 。 1. 空間上分布的不均一性 垂向深度（陸殼）：上地殼；0- 812KM 偏酸性火成巖、 沉積巖下地殼： 812KM- 莫霍面 麻粒巖、玄武巖 共五十八頁 Ri =上地殼元素豐度/ 下地殼元素豐度 Ri 約等于1: Ca, Si, Zr, Nd, Pb等。 Ri 1: C

17、l, C, Cs, K, Rb, U,Th, Bi, Tl, Nb等。 反映(fnyng)了地殼物質(zhì)在分異調(diào)整過程中的宏觀趨勢。 共五十八頁橫向分布：大陸地殼和海洋地殼的不均一性 洋殼：占地球表面60% 以上，厚5-16KM，它們的化學(xué)成分與地幔物質(zhì)相似，以鎂、鐵硅酸鹽為主，主要分布著Cr, Fe, Ni, Pt等親鐵元素。 陸殼：占地球表面30%，厚30-50KM，它們的化學(xué)成分由鋁、鉀硅酸鹽組成，主要分布著親氧及親硫元素W，Sn，Mo, Cu, Pb, Zn, Ag等。 陸殼內(nèi)：板塊(bn kui)間、區(qū)域間、地質(zhì)體間、巖石間、礦物間元素分布不均一性。 共五十八頁2. 時間上地殼元素分布的

18、不均一性 地史早期：一些穩(wěn)定元素在地史早期富集。 Au元素：主要產(chǎn)在前寒武紀。 Fe元素 :主要產(chǎn)在前寒武紀元古代（前寒武紀變質(zhì)鐵礦占世界鐵礦儲量60%）。地史晚期：一些活潑(hu po)的不穩(wěn)定元素向著地史晚期富集。 Sn, Nb, Ta和W等元素：鎢成礦作用高峰期在中生代（燕山期）世界部分大陸（北美、南非、印度）不同地史時期成礦元素變化規(guī)律: 前寒武紀：Pt, Fe, Ni, Co, Au, U(占其儲 量50%以上) 古生代: U, Pb, Co, Ni, Pt,其次為W, Sn, Mo, Pb, Zn, Hg 中生代: W, Sn, Ag, Sb等; 新生代: Hg, Mo, Cu, Pb, Zn等. 共五十八頁1.8.4 區(qū)域(qy)中元素分布的研究 從上可見，元素在太陽系地殼中的豐度是地球化學(xué)研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(shj)，但是我們一般都是在某個具體的區(qū)域內(nèi)工作，因此更關(guān)心的是具體工作區(qū)域內(nèi)元素的分布規(guī)律，當我們想研究某地質(zhì)體中元素是相對富集還是相對貧化了，拿什么進行比較會更有實際意義，而與地殼豐度對照，只能得到一般概念。為此區(qū)域元素分布研究是區(qū)域地球化學(xué)研究的