地球化学第二章地球化学基础知识

1、地球化学(d qi hu xu) 陈远荣 桂林理工大学地球科学学院(xuyun) 2011 年 11月第二章 地球化学基础知识 共五十八页第一节 地球化学研究(ynji)的基本问题 地球化学研究的基本问题概括起来有五个方面: 第一, 元素(同位素)在地球及各子系统的分布、分配问题：也就是元素和同位素的含量及含量在空间、时间及不同地质产状地质体中的变化(binhu)。这个问题是地球化学研究的出发点和基础资料,简而言之为“量”的问题。共五十八页第二(d r), 元素的共生组合和存在形式：在化学课本中了解到原子是构成物质的具有独立性质的最小单位,各种原子也构成了宏观的地质体。地质体内各种原子的结合和

2、存在形式不是任意的,不是静态的,而是有条件的、变化的。它们是受着地质作用的物理化学条件控制的,它们是随着地质历史的变动而变化的。因此,元素的共生组合和存在形式是地质作用物理化学条件及变动历史的指示剂。总之就是关于质的问题.共五十八页第三,就是元素的迁移,简而言之是“动的研究,也就是元素在自然作用中含量和存在形式在时间和空间上的变化。可归纳出元素地球化学迁移的三个要素: 环境物理化学(w l hu xu)条件的变化；元素结合方式的改变；导致元素在空间上的位移及元素集中、分散的转化。 因此,元素的迁移过程能指示元素发生变化的动态过程，以及各种物理化学条件的制约关系，从而揭示地质、地球化学作用机制

3、共五十八页第四,研究元素(同位素）的行为：指的是元素（同位素）在自然界所发生的各种地质作用中的行为。通过行为的研究可能揭示地质体成因机制。 第五,元素的地球化学演化 人类对于自然界的认识总是在探索与提问中进行的,宇宙、天体是怎样(znyng)形成、演化的？地球是如何形成、发展的？生命是如何起源的？由C、H、O、N等主要元素构成的人类又是如何产生的？元素又是如何合成的？等等。 共五十八页1.1 地球化学研究(ynji)方法的特点 地球化学研究方法(fngf)的特点： 第一，由于地球化学本质上是属于地球科学，所以其工作方法应遵循地球科学的思维途径，归纳一下有以下几个方面： (1)第一手实际资料来自

4、于对自然地质现象的观察和 研究； (2)在地球的时空结构中整理和综合资料； (3)事实规律的统计性特征； (4)反序地追踪历史； (5)结论的推断性和多解性以及认识的反复深化。 共五十八页 这一切都基于(jy)一个根本的出发点，即一切地球化学过程都是寄予宏观的地质作用之中的，基于(jy)这个特点，为此要求我们各类地球化学样品必须有明确的地质产状的代表性；地球化学的研究结果应落实到解决地质学认识和应用的实际中去。 共五十八页 第二个特点，要求每个地球化学工作者有一个敏锐的地球化学思维，也就是要善于识别(shbi)隐藏在各种现象中的地球化学信息，从而揭示地质现象的奥秘。掌握这个特点是一个有过程的，

5、但要认真学习，努力实践。 第三，要具备有定性和定量及鉴别物相的技术和装置。 共五十八页1.2 地球化学的工作(gngzu)方法 (一)地球化学的野外工作方法 1.宏观地质调研是地球化学工作的基础，是地球化学研究工作必不可少的重要环节，可以这样(zhyng)形容两者的关系：“皮之不存，毛将焉附”，皮都没有了，毛在哪里长呢？例如查明地质体的时空结构，将为地球化学作用的空间展布和时间顺序提供依据。 共五十八页 2.运用地球化学思维观察、认识地质现象。 3.在地质地球化学观察的基础上，根据目标任务采集各种地球化学样品。这一环节关系到地球化学研究工作的成败，为此在样品的布局和采样中必须要注意(zh y)

6、以下三个问题： 明确的代表性：代表某一地质作用的产物；代表某一成因的、某种产状的地质体；样品尽量避免后期作用的叠加等。 共五十八页 样品的系统性：为了从比较中说明问题，对研究对象在空间上、时间上、不同成因上的样品应构成一个系列。例如研究矿化特征，应控制采集矿体(kun t)、矿化、背景段的样品；有如环境污染研究，对污染源、污染区、背景区的样品进行系统采集 样品的统计性：地球化学现象同其它地质现象一样具有统计性规律，要定量地描述地球化学规律必须用数理统计的方法，因为一两个样品难以有代表意义，必须由一组样品构成，一组样品的数量根据研究对象复杂程度规模大小及测试方法的难易程度而定。 共五十八页(二)

7、地球化学的室内研究(ynji)方法 1.“量”的测定，应用精密灵敏的分析测试方法，以取得元素在各种地质体中的含量值。它是地球化学研究工作方法的基础和起点。因此对分析方法的要求(yoqi)首先是准确；其次，由于元素在各地质体中的含量是不均匀的，有的高，有的是微量、超微量的，这样对分析方法的第二个要求(yoqi)是高灵敏度，灵敏度一般要达到10-4%10-7，现代分析仪器已可以达到地球化学研究所需要的精度和灵敏度，如用化学光谱法测金，灵敏度已可达0.110-9，中子活化法的测金灵敏度可达0.0410-9；又由于地球化学样品数量较大，故对分析方法的的三个要求是快速、成本低。 共五十八页 2.“质”的

8、研究，也就是元素结合形态和赋存状态的研究 。 3.地球化学作用过程物理化学条件的测定和计算。包括测定和计算两大类。如包裹体测温、测压、测成分，又有微量元素温度计、矿物温度计、同位素温度计等测定和计算相结合的方法；对体系(tx)的pH、Eh、fO2、盐度、离子强度、矿质浓度等参数进行估算；另外还可进行自然作用时间参数的测定，如同位素年代学。 共五十八页 4.模拟地球化学作用过程。进行模拟试验，这种方法在实验室条件下，使某些地球化学过程再现，以深入了解成岩成矿作用机制或检验某些理论推断，这里包括高温高压体系的专门设备(shbi)的实验技术以及大量常温常压下的实验研究（温度可以达到3000，超高压可

9、达1.3兆巴，相当于200km深处地壳压力）。 共五十八页5.测试数据的多元统计处理和计算计算地球化学。多元统计理论和电子计算机技术在地球化学研究的应用，大大提高了资料整理的科学性、数据的利用率和计算工作效率；同时数学理论和方法的应用对深入揭示地球化学规律、科学地描述地球化学现象起到了推动作用(zuyng)，使之地球化学过程数字模拟化。 共五十八页复习思考(1)地球化学的定义。(2)地球化学学科的特点和基本问题(wnt)。 (3)地球化学学科的研究思路和研究方法。 (4)地球化学与化学、地球科学其他学科在研究目标和研究方法方面的异同。 共五十八页常量元素：组成物质主要结构和成分的元素，它们常占

10、天然物质总组成的99%以上，并决定了物质的定名和大类划分。微量元素(trace element, microelement)：物质中除了那些构成主要结构格架所必须的元素之外，所有以低浓度存在的化学元素。其浓度一般低于0.1%，在大多数情况下明显低于0.1%而仅达到ppm乃至ppb数量级。次要元素(minor element)：在文献中单独出现(chxin)时时与微量元素同义；当两者同时出现时，一般指含量为15的化学元素。有关元素分类的常用(chn yn)术语共五十八页稀有元素(rare element)：在低壳中分布量较低，但易于在自然界高度富集形成较常见的矿物和独立工业矿床的的化学元素。如R

11、EE、Nb、Ta、Be、Li、（W）等。分散元素(dispersed element)：在地壳中元素丰度低，并且其离子半径和电荷等化学性质与地壳中的高丰度元素(硅、铝、钙、铁、钾、钠等)相似的一类(y li)微量元素。因上述性质，它们在自然界中大多以*类质同像置换形式分散存在于高丰度元素的矿物中,从而很少形成自己的独立矿物和单独富集成为矿床。典型分散元素为锗、镓、钪、锶、镉、铷、铯等。附属元素(accessory element)：地球化学性质与造岩元素有较大的差别，主要在火成岩中呈副矿物及其类质同像形式存在的化学元素。如Y、REE、Zr、Hf、Nb、Ta、U、Th等。共五十八页高场强元素或离

12、子（High field strength cations，HFS）：场强指离子每单位表面的静电荷强度，常以离子电荷与离子半径的比值，即离子势表示。指那些形成小的高电荷离子的元素，包括REE、Sc、Y、Th、U、Pb、Zr、Hf、Ti、Nb、Ta等。 其离子势2。低场强元素或离子（Low field strength cations） ：形成大半径小电荷的离子的元素 ，离子势HeONeNCSiMgFeS 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；而地壳与整个地球相比，则明

13、显贫Fe和Mg，同时富集Al, K和Na。 这种差异说明什么呢？ 共五十八页 由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(yun s)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。 共五十八页3.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

14、。 地球表层H, He等气体元素逐渐脱离地球重力场； 每天降落到地球表层的地外物质102-105吨； 地壳与地幔的物质交换； 放射性元素衰变； 人为活动(hu dng)的干扰。 共五十八页1.8.2 元素地壳丰度研究的地球化学(d qi hu xu)意义 元素地壳丰度(克拉克值)是地球化学(d qi hu xu)中一个很重要的基础数据。它确定了地壳中各种地球化学(d qi hu xu)作用过程的总背景。它是衡量元素集中、分散及其程度的标尺，本身也是影响元素地球化学(d qi hu xu)行为的重要因素。共五十八页1.控制元素的地球化学行为 1）元素的克拉克值在某种程度上影响元素参加许多化学(h

15、uxu)过程的浓度，从而支配元素的地球化学(huxu)行为。 2）限定自然界的矿物种类及种属。 3) 限制了自然体系的状态。 4）对元素亲氧性和亲硫性的限定。 共五十八页2. 地壳克拉克值可作为微量元素集中、分散的标尺。1）可以为阐明地球化学省（场）特征提供标准。 2）指示特征的地球化学过程(guchng) 3) 浓度克拉克值和浓集系数浓度克拉克值 = 某元素在某一地质体中平均含量/某元素的克拉克值 1意味该元素在地质体中集中了 1意味该元素在地质体中分散了 共五十八页 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/某区域元素的丰度值浓集系数 = 某元素最低可采品位/某元素的克拉克值。

16、 反映了元素在地壳中倾向于集中(jzhng)的能力Sb和Hg浓集系数分别为25000和14000，Fe的浓集系数为6，这说明Fe成矿时只要克拉克值富集6倍即可。 共五十八页1.8.3 地壳元素(yun s)分布的不均一性 整个(zhngg)地球元素分布是不均匀的，地壳也是一样，地壳元素的分布不论在空间上及时间上都是不均一的 。 1. 空间上分布的不均一性 垂向深度（陆壳）：上地壳；0- 812KM 偏酸性火成岩、 沉积岩下地壳： 812KM- 莫霍面 麻粒岩、玄武岩 共五十八页 Ri =上地壳元素丰度/ 下地壳元素丰度 Ri 约等于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)了地壳物质在分异调整过程中的宏观趋势。 共五十八页横向分布：大陆地壳和海洋地壳的不均一性 洋壳：占地球表面60% 以上，厚5-16KM，它们的化学成分与地幔物质相似，以镁、铁硅酸盐为主，主要分布着Cr, Fe, Ni, Pt等亲铁元素。 陆壳：占地球表面30%，厚30-50KM，它们的化学成分由铝、钾硅酸盐组成，主要分布着亲氧及亲硫元素W，Sn，Mo, Cu, Pb, Zn, Ag等。 陆壳内：板块(bn kui)间、区域间、地质体间、岩石间、矿物间元素分布不均一性。 共五十八页2. 时间上地壳元素分布的

18、不均一性 地史早期：一些稳定元素在地史早期富集。 Au元素：主要产在前寒武纪。 Fe元素 :主要产在前寒武纪元古代（前寒武纪变质铁矿占世界铁矿储量60%）。地史晚期：一些活泼(hu po)的不稳定元素向着地史晚期富集。 Sn, Nb, Ta和W等元素：钨成矿作用高峰期在中生代（燕山期）世界部分大陆（北美、南非、印度）不同地史时期成矿元素变化规律: 前寒武纪：Pt, Fe, Ni, Co, Au, U(占其储 量50%以上) 古生代: U, Pb, Co, Ni, Pt,其次为W, Sn, Mo, Pb, Zn, Hg 中生代: W, Sn, Ag, Sb等; 新生代: Hg, Mo, Cu, Pb, Zn等. 共五十八页1.8.4 区域(qy)中元素分布的研究 从上可见，元素在太阳系地壳中的丰度是地球化学研究的基础数据(shj)，但是我们一般都是在某个具体的区域内工作，因此更关心的是具体工作区域内元素的分布规律，当我们想研究某地质体中元素是相对富集还是相对贫化了，拿什么进行比较会更有实际意义，而与地壳丰度对照，只能得到一般概念。为此区域元素分布研究是区域地球化学研究的