地球化學(xué)課件專(zhuān)題2 - 元素遷移規(guī)律-4

北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院地球化學(xué)研究所《地球化學(xué)》授課老師：李秋根E-mail:qgli@PhoneMP)Room:新地學(xué)樓3508二元素的遷移和分異規(guī)律上次課的內(nèi)容：水的基本性質(zhì)與水的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)高溫高壓下水的性質(zhì)元素溶于水的形式弱電離化合物溶解的一般規(guī)律絡(luò)合物穩(wěn)定性的一般規(guī)律

二元素的遷移和分異規(guī)律本

章

內(nèi)

容一、元素遷移的概念、類(lèi)型及方式二、影響元素遷移的因素（內(nèi)因和外因）三、水溶液中元素的遷移四、膠體中元素的遷移五、巖漿熔體中元素的遷移五、巖漿熔體中元素遷移

巖漿是地?；虻貧ぴ谝欢囟群蛪毫ο逻x擇性熔融產(chǎn)生的熔體。侵入，殘留

巖漿的主要化學(xué)成分為O、Si、Al、Fe、Ca、Mg、Na和K等，并含其他元素以及揮發(fā)分（大部分喪失）。

巖漿可視為以Si和O為主的多元素、多相的硅酸鹽體系。White(2014)五、巖漿熔體中元素遷移1.元素在巖漿熔體中的存在形式1）巖漿熔體的結(jié)構(gòu)一般熔體：一般熔體的結(jié)構(gòu)質(zhì)點(diǎn)是簡(jiǎn)單的分子、原子或離子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、冷卻易析晶五、巖漿熔體中元素遷移1.元素在巖漿熔體中的存在形式

巖漿是一種簡(jiǎn)單陽(yáng)離子和分子以及硅酸鹽和鋁硅酸鹽絡(luò)陰離子等組成的復(fù)雜、多相體系。非常的不均一巖漿中的元素成分按性質(zhì)、存在形式和冷卻分離固結(jié)方式分為三組：1）硅酸鹽和鋁硅酸鹽絡(luò)陰離子和簡(jiǎn)單陽(yáng)離子（Men+）；2）親硫重金屬元素和親鐵元素，原子和金屬硫化物分子溶于熔漿中；3）揮發(fā)分，分子溶于熔漿中。1）巖漿熔體的結(jié)構(gòu)五、巖漿熔體中元素遷移1.元素在巖漿熔體中的存在形式1）巖漿熔體的結(jié)構(gòu)硅酸鹽熔體與硅酸鹽晶體一樣，基本結(jié)構(gòu)單元：[SiO4]四面體離子；

O是唯一大量可以起陰離子作用的主要元素；

陽(yáng)離子中，離子電位最大者為Si（10.26），其次是Al（5.26）；其它造巖元素陽(yáng)離子的離子電位為2.56～0.75，Si4+易與O結(jié)合成四面體離子

Si：3S23P2通過(guò)雜化軌道為3S13P3，

O：2S22P2+1+1，1個(gè)軌道與Si結(jié)合形成[SiO4]四面體離子，另一個(gè)剩余可成鍵。

電價(jià)偏高、半徑中等電價(jià)低、半徑大電價(jià)高、半徑小巖漿的主要化學(xué)成分為O、Si、Al、Fe、Ca、Mg、Na和K等復(fù)雜的絡(luò)陰離子：[AlSi3O8]-、[AlSiO4]-。五、巖漿熔體中元素遷移1.元素在巖漿熔體中的存在形式1）巖漿熔體的結(jié)構(gòu)

巖漿中絡(luò)陰離子中的中心離子：硅或鋁與氧間的鍵基本上是不會(huì)斷開(kāi)的（硅酸鹽晶體中Si-O和Al-O間的結(jié)合力強(qiáng)，難以破壞），僅硅氧四面體間斷開(kāi)或鏈接。

SiO2中要實(shí)現(xiàn)一個(gè)Si離子的運(yùn)動(dòng)，需要打斷四個(gè)Si-O鍵。

五、巖漿熔體中元素遷移2）熔體的聚合程度（1）與巖漿熔體有關(guān)的概念

橋氧（BO）：連接兩個(gè)硅-氧四面體的氧（橋梁作用），表示為Si-O-Si或Oo。五、巖漿熔體中元素遷移2）熔體的聚合程度（1）與巖漿熔體有關(guān)的概念

非橋氧（NBO）：連接Si4+和一個(gè)非四面體陽(yáng)離子的氧（只與一個(gè)Si連接的氧），表示為Me-O-Si或O-。

自由氧（FO）：連接非四面體的陽(yáng)離子的氧，表示為：Me-O-Me或O2-。因此：相對(duì)于陽(yáng)離子，Si和Al越多，橋氧越多．五、巖漿熔體中元素遷移2）熔體的聚合程度

（2）熔體的聚合程度：NBO/T：表示硅氧四面體鏈接的程度，NBO/T值越大聚合程度越低，值越低，聚合程度越高。高聚合程度的熔體，具有較少的位置來(lái)容納非四面體配位離子。其值可由下式計(jì)算：NBO/T=(O

2-T4)/T(T:四面體位置原子的個(gè)數(shù)，O：氧的數(shù)量)五、巖漿熔體中元素遷移熔體的聚合程度示例（NBO/T=(O2-T4)/T）(42-14)/1(62-24)/2(102-44)/4(22-14)/12）熔體的聚合程度

五、巖漿熔體中元素遷移2）熔體的聚合程度

五、巖漿熔體中元素遷移3）熔體的聚合程度的轉(zhuǎn)化

2[SiO2]+O2-<=>[Si2O5]2-架狀層狀[Si2O5]2-+O2-<=>2[SiO3]2-（鏈狀）2[SiO3]2-+O2-<=>[Si2O7]6-（啞鈴狀）

[Si2O7]6-

+O2-<=>2[SiO4]4-（島狀）O2-的加入等于MgO、Na2O等的加入，降低聚合程度。五、巖漿熔體中元素遷移4）巖漿熔體中陽(yáng)離子的結(jié)構(gòu)作用（1）名詞概念造網(wǎng)元素（polymer,聚合元素）：四面體的中心離子，離子電位高（電價(jià)高，半徑?。┑脑?，奪氧能力強(qiáng)。變網(wǎng)元素(modifier,去聚合元素)：介于硅氧四面體之間，離子電位較小，奪氧能力弱。通常為一價(jià)或二價(jià)離子，占據(jù)非四面體而是多面體的中心位置，氧則在多面體的角的位置上與相鄰的四面體或多面體相連。陽(yáng)離子的種類(lèi)及濃度對(duì)聚合起到重要作用五、巖漿熔體中元素遷移4）巖漿熔體中陽(yáng)離子的結(jié)構(gòu)作用（2）主要元素的結(jié)構(gòu)作用Si4+：造網(wǎng)元素，離子電位為10.26，硅氧四面體五、巖漿熔體中元素遷移4）巖漿熔體中陽(yáng)離子的結(jié)構(gòu)作用Al3+（網(wǎng)絡(luò)中間離子）：離子電位為5.26，當(dāng)體系中離子電位低的元素增多時(shí)，其造網(wǎng)離子增多，如：Na/Al>=1,Al3+全部進(jìn)入四面體Na/Al<1,與Na等摩爾的Al3+為造網(wǎng)離子，多余的Al3+為變網(wǎng)離子。（2）主要元素的結(jié)構(gòu)作用五、巖漿熔體中元素遷移4）巖漿熔體中陽(yáng)離子的結(jié)構(gòu)作用（2）主要元素的結(jié)構(gòu)作用Fe：Fe2+：變網(wǎng)離子，起到斷網(wǎng)的作用Fe3+：與Al3+的作用類(lèi)似，Mg2+,Ca2+：變網(wǎng)離子，起到斷網(wǎng)的作用Ti4+,Zr4+,Nb5+,P5+：造網(wǎng)離子，但形成獨(dú)立的四面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)。五、巖漿熔體中元素遷移5）揮發(fā)分的結(jié)構(gòu)作用（1）水的作用：結(jié)聚作用

水在巖漿中的溶解度：主要受壓力和成分的影響，溫度的影響較弱Robb（2005）五、巖漿熔體中元素遷移5）揮發(fā)分的結(jié)構(gòu)作用(2)CO2的作用（酸性-基性）CO2+2O-=>CO32-+Oo使橋氧增多或使非橋氧數(shù)量減少。(3)

硫的作用（酸性增加）巖漿中的硫呈S2-，可與Fe,Ni,Co等元素形成硫化物熔體。五、巖漿熔體中元素遷移2.巖漿的基本物理化學(xué)性質(zhì)1）巖漿的溫度：700-1300oC酸性巖：700-900oC中性巖：900-1000oC基性巖：1000-1300

oC五、巖漿熔體中元素遷移2.巖漿的基本物理化學(xué)性質(zhì)2）巖漿的粘度成分、結(jié)構(gòu)、溫度和壓力對(duì)粘度的影響成分決定熔體結(jié)構(gòu)=>粘度（聚合程度），揮發(fā)份粘度對(duì)運(yùn)移能力和元素分異能力影響五、巖漿熔體中元素遷移2.巖漿的基本物理化學(xué)性質(zhì)3）巖漿的氧化-還原條件（1）氧化還原條件的判斷（用變價(jià)元素、還原環(huán)境）TFe=Fe2+還原Fe2+>Fe3+弱還原Fe2+~=Fe3+過(guò)渡Fe2+<Fe3+弱氧化

TFe=Fe3+氧化S2-=>[S2]2-=>S0=>S4+=>S6+(還原=>氧化)CO、CH4、H2---H2O、CO2

(還原=>氧化)五、巖漿熔體中元素遷移2.巖漿的基本物理化學(xué)性質(zhì)（2）巖漿的氧化-還原條件對(duì)元素的影響高價(jià)=>造網(wǎng)離子：Fe2+與Fe3+影響巖漿的聚合程度五、巖漿熔體中元素遷移3.巖漿過(guò)程元素的分異及其影響因素五、巖漿熔體中元素遷移3.巖漿過(guò)程元素的分異及其影響因素1）部分熔融和結(jié)晶分異作用中元素的分異地球內(nèi)部巖漿的熔融方式：部分熔融原因：多組分多相體系大陸地盾區(qū)地溫梯度

大陸地盾區(qū)：角閃石在d點(diǎn)分解釋放出H2O，使源區(qū)為含H2O體系，在e點(diǎn)發(fā)生部分熔融；大洋區(qū)：如源區(qū)為含H2O體系，則在a點(diǎn)發(fā)生部分熔融；如源區(qū)為干體系，角閃石和金云母分解后為含水體系。五、巖漿熔體中元素遷移3.巖漿過(guò)程元素的分異及其影響因素1）部分熔融和結(jié)晶分異作用中元素的分異（1）部分熔融過(guò)程中常量元素的分異（行為）：兩種熔融類(lèi)型固溶體系的熔融作用和元素的分異固溶體（固體溶液）：一個(gè)或幾個(gè)組元的原子（化合物）溶入另一個(gè)組元的晶格中，而仍保持另一組元的晶格類(lèi)型的固態(tài)晶體。含有外來(lái)雜質(zhì)（溶質(zhì)）的晶體。原有晶體為溶劑，生成過(guò)程看溶解過(guò)程。連續(xù)固溶體，兩組分應(yīng)具有相同的晶體結(jié)構(gòu)或化學(xué)式類(lèi)似。MgO（NiO）；Mg（Fe）2SiO4共熔（結(jié)）系的熔融作用和元素的分異五、巖漿熔體中元素遷移3.巖漿過(guò)程元素的分異及其影響因素1）部分熔融和結(jié)晶分異作用中元素的分異固溶體系列的熔融作用和元素的分異1）斜長(zhǎng)石形成一個(gè)連續(xù)的固溶體系，一端是鈉長(zhǎng)石，一端是鈣長(zhǎng)石，還有兩條界限和其分開(kāi)的區(qū)域及縱坐標(biāo)交點(diǎn)表示純物質(zhì)熔點(diǎn)；2）P點(diǎn)表示固體成分（開(kāi)始），到n點(diǎn)時(shí)熔融，成分為m的熔體開(kāi)始出現(xiàn)，隨著熔融的進(jìn)行，熔融體的成分越接近n，殘余固體就更加富含鈣長(zhǎng)石；溫度升高到C點(diǎn)，熔體成分為m’。P點(diǎn)n’’n’nm’’m’mC五、巖漿熔體中元素遷移3.巖漿過(guò)程元素的分異及其影響因素1）部分熔融和結(jié)晶分異作用中元素的分異共熔（結(jié)）系的熔融作用和元素的分異1）與固溶體系不同，固相線水平，液相線斷開(kāi)成明顯不同的兩部分，E點(diǎn)：共熔點(diǎn)P=3；2）P點(diǎn)表示固體成分加熱開(kāi)始，當(dāng)溫度達(dá)到共結(jié)點(diǎn)溫度1270oC時(shí)，開(kāi)始出現(xiàn)液相，熔體成分不同于體系原固態(tài)物質(zhì)的成分，而是具有共結(jié)點(diǎn)的組成。3）繼續(xù)加熱，液體成分沿著液相曲線到a’點(diǎn)。透輝石-鈣長(zhǎng)石二元共結(jié)系相圖等壓（105pa）T-X相圖P點(diǎn)a’五、巖漿熔體中元素遷移3.巖漿過(guò)程元素的分異及其影響因素1）部分熔融和結(jié)晶分異作用中元素的分異(2)結(jié)晶分異過(guò)程中常量元素的分異（行為）：兩種結(jié)晶分異類(lèi)型固溶體的結(jié)晶作用共熔系的結(jié)晶作用五、巖漿熔體中元素遷移3.巖漿過(guò)程元素的分異及其影響因素1）部分熔融和結(jié)晶分異作用中元素的分異固溶體的結(jié)晶作用和元素的分異1）a點(diǎn)表示巖漿成分（開(kāi)始），巖漿冷凝直到凝固，在a和b點(diǎn)間無(wú)特殊情況，在b點(diǎn)上，斜長(zhǎng)石開(kāi)始結(jié)晶，其成分是c點(diǎn)的橫坐標(biāo)值，殘余巖漿變得較貧鈣長(zhǎng)石，它沿著液相線移動(dòng)到h點(diǎn)；2）在冷卻過(guò)程中，結(jié)晶出更多的斜長(zhǎng)石，其成分向著h點(diǎn)的橫坐標(biāo)移動(dòng)；3）冷卻過(guò)程以這種方式繼續(xù)，直到巖漿全部用完為止，此時(shí)其成分與原生液相a一致。五、巖漿熔體中元素遷移3.巖漿過(guò)程元素的分異及其影響因素1）部分熔融和結(jié)晶分異作用中元素的分異五、巖漿熔體中元素遷移3.巖漿過(guò)程元素的分異及其影響因素1）部分熔融和結(jié)晶分異作用中元素的分異（3）部分熔融和結(jié)晶分異過(guò)程中微量元素的分異（行為）相容元素與不相容元素（微量元素）的概念a.分配系數(shù)的概念：簡(jiǎn)單分配系數(shù)Kd=C固相/C熔體相總分配系數(shù)Di=KiD?X=K/LD(i)?X+K/LD(i)?X+…..五、巖漿熔體中元素遷移3.巖漿過(guò)程元素的分異及其影響因素1）部分熔融和結(jié)晶分異作用中元素的分異b.相容元素：分配系數(shù)大于1如Ni，Cr,Co等為相容元素。c.不相容元素：分配系數(shù)小于1如Th,Ba,Rb,U,REE等。部分熔融和結(jié)晶分異作用的結(jié)果：巖漿富集不相容元素，并向地殼遷移源區(qū)殘留并富集相容元素五、巖漿熔體中元素遷移3.巖漿過(guò)程元素的分異及其影響因素1）部分熔融和結(jié)晶分異作用中元素的分異五、巖漿熔體中元素遷移3.巖漿過(guò)程元素的分異及其影響因素1）部分熔融和結(jié)晶分異作用中元素的分異分批部分熔融模型：Cl/Co=1/[D（1-F）+F]結(jié)晶分異作用模型：Cl/Co=F（D-1）五、巖漿熔體中元素遷移3.巖漿過(guò)程元素的分異及其影響因素1）部分熔融和結(jié)晶分異作用中元素的分異五、巖漿熔體中元素遷移3.巖漿過(guò)程元素的分異及其影響因素2）影響部分熔融作用的因素（1）化學(xué)成分易熔組分：K2O、Na2O、SiO2難熔組分：MgO、CaO、FeO、TiO2、P2O5揮發(fā)分：H2O、CO2五、巖漿熔體中元素遷移3.巖漿過(guò)程元素的分異及其影響因素2）影響部分熔融作用的因素(2)溫度和壓力影響熔融程度P點(diǎn)n’’n’nm’’m’m五、巖漿熔體中元素遷移3.巖漿過(guò)程元素的分異及其影響因素2）影響部分熔融作用的因素(2)溫度和壓力壓力增大對(duì)熔融作用元素分異的影響:共結(jié)點(diǎn)變化和組成改變五、巖漿熔體中元素遷移3.巖漿過(guò)程元素的分異及其影響因素2）影響部分熔融作用的因素(2)溫度和壓力壓力增大對(duì)熔融作用元素分異的影響壓力增大：熔點(diǎn)升高，共結(jié)點(diǎn)位置變化0%100%Subsolidus(100%solid)ASolid+

LiquidBSuperliquidus(100%melt)C溫度壓力巖石部分熔融固相線液相線WetSolidusDPH2O五、巖漿熔體中元素遷移3.巖漿過(guò)程元素的分異及其影響因素2）影響部分熔融作用的因素(2)水對(duì)熔融程度的影響五、巖漿熔體中元素遷移3.巖漿過(guò)程元素的分異及其影響因素3）巖漿產(chǎn)生的地質(zhì)條件（參考地溫曲線）（1）地殼：原物質(zhì)基性-中性，構(gòu)造作用（2）上地幔：源區(qū)巖石類(lèi)型，洋脊，俯沖帶，地幔柱Richards(2011)地漫流島弧(islandarc)巖漿產(chǎn)生地幔流、地溫梯度線變質(zhì)反應(yīng)發(fā)生

脫水：非保守元素，保守元素

交代地幔

部分熔融產(chǎn)生玄武質(zhì)巖漿

巖漿房

火山作用1400oC1000oC1400oC1000oC600oC600oC五、巖漿熔體中元素遷移五、巖