2-现代矿床地球化学基本理论2004

1、第二讲 现代矿床地球化学的基本理论 一、地球物理、化学结构一、地球物理、化学结构地球分层构造深度密度 压力（大气压）温度物性 状态花岗岩层（Si-Al)地壳地幔上地幔下地幔外地核过渡层地核内地核Km0400100020003000400050006000036912 Km/s v深度横波纵波纵波5-60413720最深地震中心物质成分ABCDEFG固态液态固态51004980289898413.889.8912.7012.265.624.443.563.322.7-2.99000140,000382,00013400003.3106500-10003.61061000-200020002480

2、40005000铁铁硫模式 尖晶石方镁石 方铁矿 柯石英 玄 武岩层纯橄榄 岩层根据地震波传播速度确定的地球分层以及各层物质分布状态参考图 1 1 元素在地球系统的分布、共生规律元素在地球系统的分布、共生规律 （1 1） 元素在地球系统的分布规律元素在地球系统的分布规律 -地球物质组成与成矿关系地球物质组成与成矿关系 大洋地壳与成矿关系大洋地壳与成矿关系厚度: 10 km组成：= 蛇绿岩套（ophiolite suite）: 沉积物（Sediments）+块状硫化物，石油+天然气枕状玄武岩（pillow basalt）席状岩墙（sheeted dikes）块状辉长岩（ massive gabb

3、ro）超镁铁质岩石 ultramafic (mantle) +铬铁矿The Earths Interior 地壳地壳大陆地壳和洋壳大陆地壳和洋壳大陆地壳：年轻、老地壳，大陆地壳：年轻、老地壳，厚度: 20-90 km，平均厚度为 35 km成分变化大，平均成分为花岗闪长质 （granodiorite），高K、Ti、LERR及其他比相容元素，特别是较高的Rb/Sr比值，一般认为来源富集地幔。洋壳：古洋壳、年轻的洋壳，一般较薄（010m)，玄武质岩，低K、Ti、LERR及其他比相容元素，特别是低Rb/Sr比值，一般认为来源亏损地幔。The Earths Interior元 素 、同 位 素 岩 石

4、 圈 地 幔 地 幔 源 碱 性玄 武 岩 典 型 变 质沉 积 岩 地 壳（ 同 化岩 石 ） 地 壳 流 体 洋 壳 脱 水 流 体（ 4 1 % ） 8 7S r/8 6S r 0 .7 0 2 7 0 .7 0 4 0 .7 3 6 0 .7 3 5 0 .7 2 2 0 0 .7 2 2 0 S r 1 2 p p m 7 5 0 1 5 0 p p m 5 0 0 p p m 1 0 0 p p m 3 6 0 p p m 1 8O 5 .7 + 5 .6 + 1 3 .6 + 1 9 + 1 4 + 2 0 资 料 来 源 E l l a m a n d H a w k e s

5、w o r th , 1 9 8 8 ; H a rt , 1 9 8 8 ; H a rm o n a n d H o e f s , 1 9 9 2 T a y l o r , H . P. a n d S h e p p a r d , S. M . F . , 1 9 8 6. T a y l o r , H .P . a n d S h e p p a r d ,S . M . F . , 1 98 6 . T a y l o r , H .P . a n d S h e p p a r d ,S . M . F . , 1 98 6 . B en tio et al., 1 9 9

6、 9 B en tio et al., 1 9 9 9 2） 地幔（地幔（Mantle） 橄榄岩（Peridotite (ultramafic)）橄榄石 尖晶石，从莫霍面60-220 km 地震波的波速逐渐增加410-670km，波速迅速增加 （spinel perovskite- type SiIV SiVI 原始地幔：地球增生及核幔分离后，但没有分离出地壳的地幔；Sm/Nd比值与球粒陨石相同，亲铜元素主要进入硫化物相；挥发元素（如K、Rb）相对于难熔元素（如U、Sr）的亏损发生与地球增生以前。金属与硅酸盐相在行星初期阶段即已分离，期增生过程中只存局部平衡（Anderson，1983；Sun

7、,1982；Taylor et al., 1985;等）。地幔的化学结构 根据玄武岩的同位素研究（Hart,1988），目前已经鉴定出5种类型地幔：DMM：亏损的洋中脊玄武岩地幔，同位素特征如下。 143Nd144Nd0.51340.5135 87Sr/86Sr=0.70200.7024 206Pb/204Pb=17.017.8/15.516.3;HIMU:高U/Pb比值地幔，同位素特征如下。143Nd144Nd0.512887Sr/86Sr=0.70260.7030206Pb/204Pb=2122EMI-I富集地幔：143Nd144Nd0.51230.512487Sr/86Sr=0.7054

8、0.7060 206Pb/204Pb=16.517.5 EM2-II富集地幔，同位素特征如下。143Nd144Nd0.51270.5129,87Sr/86Sr=0.707, 206Pb/204Pb=18.519.5; PREMA常规地幔，同位素特征如下。143Nd144Nd0.5130,87Sr/86Sr=0.7035,206Pb/204Pb=18.3 地核：成分铁多，非挥发性元素比值与太阳的球粒陨石相似。二、 地球的元素的共生规律 （1) 元素自然分类（常见的V.M.戈尔德斯密特和A.H. 查瓦里斯基）V. M.戈尔德斯密特分类划分了；1）亲气元素（大气圈元素）; 2）亲石元素（s2p6);

9、 3）亲铜元素（s2p6d10); 4）亲铁元素（过渡性最外层电子数8-18）。依据: 外电子层结构、元素磁性(逆顺）、对不同元素的化学亲合力。意义：对了解地球的原始分异作用圈层构造的形成、元素的地球化学性质及其组合特征以及半生矿种具有重要意义。.H. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .0102030405060708090010203040506070原子容积原子序数HeLiBeCNOFBNeNaMgAlSiPSClArKCaScTiVCrMn FeCoNiCuZnGaGeSeAsBrKrRbSrYZrNbMoTeR

10、hPdCdInSnSbAgRuTcIXeBaTRHfWReOsIrPtAuHgTlPbBiPo AtCsRnRaAcThPaULaCeTa亲气元素亲石元素（s2p6)亲铜元素（s2p6d10)亲铁元素 A.H. A.H.查瓦里斯基查瓦里斯基 分类：分类：1 1）氢族）氢族; 2; 2）惰性气体族）惰性气体族; 3; 3）造岩元素族）造岩元素族; 4; 4）岩）岩浆射气元素族；浆射气元素族；5 5）铁族元素）铁族元素; 6; 6）稀有、稀土元素）稀有、稀土元素; 7; 7）放射性元素放射性元素; 8; 8）亲硫元素；）亲硫元素；9 9）铂族元素）铂族元素; 10; 10）半金属）半金属和金属矿化

11、剂元素和金属矿化剂元素; 11; 11）重卤素元素）重卤素元素主要依据：结晶化学特征、电子层结构、离子半径、元素的主要依据：结晶化学特征、电子层结构、离子半径、元素的地球化学性质以及元素在自然界中的组合情况，以扩展的地球化学性质以及元素在自然界中的组合情况，以扩展的周期表为基础。周期表为基础。意义：这些元素反映了地壳中由于地质作用的不同，而产生意义：这些元素反映了地壳中由于地质作用的不同，而产生不同的共生组合，并能从原子结构这一最本质的原因去理不同的共生组合，并能从原子结构这一最本质的原因去理解元素的一相互组合的内在原因，其元素的分布规律对于解元素的一相互组合的内在原因，其元素的分布规律对于找

12、矿勘探和矿床成因研究具有重要的指导意义。找矿勘探和矿床成因研究具有重要的指导意义。1 1）氢族）氢族; 2; 2）惰性气体族）惰性气体族; 3; 3）造岩元）造岩元素族素族; 4; 4）岩浆射气元素族；）岩浆射气元素族；5 5）铁）铁族元素族元素; 6; 6）稀有、稀土元素）稀有、稀土元素; 7; 7）放射性元素放射性元素; 8; 8）亲硫元素；）亲硫元素；9 9）铂）铂族元素族元素; 10; 10）半金属和金属矿化剂）半金属和金属矿化剂元素元素; 11; 11）重卤素元素）重卤素元素三、三、 岩石学上的元素分类岩石学上的元素分类1 1）过渡元素：）过渡元素：TE TE 周期表第一过渡度族周期

13、表第一过渡度族 ScSc、TiTi、V V、CrCr、MnMn、FeFe、CoCo、NiNi、CuCu2 2）稀土元素：）稀土元素：REE REE 镧系镧系+Y+Y3 3）亲石元素）亲石元素大离子亲石元素（大离子亲石元素（LILLIL）：）： 离子半径大，包括离子半径大，包括K K、RbRb、CsCs、SrSr、BaBa、TlTl放射性生热元素（放射性生热元素（RHERHE）：）： 衰变生热，包括衰变生热，包括K K、U U、ThTh活动性元素（活动性元素（MEME）：）：z/r3,z/r3, Nb : z/r3, Nb 、TaTa、ZrZr、HfHf、P P、Y Y 不相容元素（不相容元素（

14、ICEICE）: HREE: HREE、ZrZr、HfHf 亲岩浆元素（亲岩浆元素（M M）: D: Di i1, Ta1, Ta、ThTh、LaLa、CeCe 过亲岩浆元素（过亲岩浆元素（H H）: D: Di i0.2-0.5,Cr115 5） 不相容元素（不相容元素（ICEICE）: :按进入熔体的能力可分：按进入熔体的能力可分： 弱不相容元素：如弱不相容元素：如Y Y、TbTb、TiTi、 中等不相容元素中等不相容元素: : 如如LaLa、CeCe、SrSr、NbNb、P P、ZrZr、HfHf、SmSm等等 强不相容元素强不相容元素: : 如如CsCs、RbRb、BaBa、ThTh、

15、U U、K K等等 6 6） 同位素同位素 分稳定同位素和放射性同位素分稳定同位素和放射性同位素1. 分类 根据成矿元素的地球化学在成矿过程的亲合性，可将划分：岩根据成矿元素的地球化学在成矿过程的亲合性，可将划分：岩浆、热液、沉积、风化、可燃有机等五类。浆、热液、沉积、风化、可燃有机等五类。1 1） 岩浆成矿元素：镁铁岩浆成矿元素：镁铁- -超镁铁质岩、中酸性岩、伟晶岩类；超镁铁质岩、中酸性岩、伟晶岩类； 镁铁镁铁- -超镁铁质岩有关的成矿元素超镁铁质岩有关的成矿元素 超基性岩有关的成矿元素超基性岩有关的成矿元素 中酸性岩有关的成矿元素中酸性岩有关的成矿元素 伟晶岩类有关的成矿元素伟晶岩类有关

16、的成矿元素2 2） 热液成矿元素：岩浆热液（幔、壳幔、下地壳、上地壳）、热液成矿元素：岩浆热液（幔、壳幔、下地壳、上地壳）、非岩浆热液（地下水）非岩浆热液（地下水）3 3） 沉积成矿元素：海相、陆相、海陆交互相沉积成矿的元素；沉积成矿元素：海相、陆相、海陆交互相沉积成矿的元素；4 4） 风化成矿元素：干旱、潮湿以及交互环境成矿的元素；风化成矿元素：干旱、潮湿以及交互环境成矿的元素；5 5）可燃有机元素：固体、气体、液体成矿的元素；）可燃有机元素：固体、气体、液体成矿的元素； 四、成矿元素地球化学四、成矿元素地球化学2.2.矿床元素地球化学研究意义矿床元素地球化学研究意义1 1）理论意义：矿床元

17、素地球化学研究的主要内容是研）理论意义：矿床元素地球化学研究的主要内容是研 究元素的自然状态和分配规律以及不同介质中的分馏究元素的自然状态和分配规律以及不同介质中的分馏特征，指导找矿和发现新矿种以及探讨成矿；并进行特征，指导找矿和发现新矿种以及探讨成矿；并进行矿床成因、形成环境的判别以及建模等；矿床成因、形成环境的判别以及建模等；2)2)实践意义：元素的原生和次生元素地球化学研究，指实践意义：元素的原生和次生元素地球化学研究，指导找矿，发现新矿床；导找矿，发现新矿床；3)3)工业意义：主矿种和伴生矿种，综合利用和提供冶炼工业意义：主矿种和伴生矿种，综合利用和提供冶炼技术；技术； 矿床成矿物质主

18、要来自地壳和上地幔。各种元素的分布相差极大。地球元素丰度值中：铁（32.0%）、氧（29.0%）、镁（16.0%）、硅（13.0%）四元素占居地球总量的90%；其它相对较大的S、Ni、Ca、Al、Na、Cr、Mn、P八种占8.09%；其余元素只有1.91 %（黎彤，1976）具体表现： a）地壳、上地幔分布量最高的是氧（46%、43%）最少为氦（1.6ppb、1.9ppb）、两者相差11-12数量级； b） 地壳、上地幔分布量最高的O、Si、Al、Fe、Ca、Na、Mg七元素合计约为地壳总成分的99.4%、上地幔总成分的99.11%，是地壳中各类岩石的基本成分；其余85种不到1%。 c）成矿元素中上地幔铁族、铂族元素和镁比较集中，分布量大于地壳几倍 几10倍；地 壳：稀有（Li、Ba、Nb、Ta）、稀土、及放射性元素比上地幔高分布量大于地壳几倍几十倍；挥发份比上地幔高2-4倍。 自然界元素在不同的物态相内的共生规律是不同的，一自然界元素在不同的物态相内的共生规律是不同的，一般在岩石中的分配规律是：般在岩石中的分