微量元素地球化学1

微量元素地球化学刘军锋

长安大学地球科学与资源学院一.

导言二.

相关基本概念三.

俯冲碰撞带中微量元素地球化学四.垂向壳幔相互作用中的微量元素地球化学五.地壳的形成与演化六.微量元素的活动性七.岩浆岩源区物质类型及成岩过程的识别微量元素地球化学研究中值得注意的几个问题提纲地球化学是根据原子和离子的性质，研究化学元素在矿物、矿石、岩石、土壤、水及大气圈中的分布和含量，以及这些元素在自然界中的迁移

——戈尔德施密特（1954）地球化学是研究整个地球中化学元素及其同位素分布的规律性

——Wedepohl(1969)地球化学就是地球的化学，它是研究地球（也包括部分天体）的化学组成、化学作用及化学演化的学科

——涂光炽（1984）地球化学科学地研究化学元素，即研究地壳的原子，在可能的范围内也研究整个地球的原子。研究原子的历史、原子在空间及时间上分配与运动的情形，以及它们在地球上的相互成因关系

——维尔纳斯基（1924）地球化学经历了

从宏观→微观→宏观的发展历程一、导言初期：宏观——元素丰度（各种岩石、地壳、地球）微观——元素地球化学行为：类质同象、分配系数、成岩定量模型（部分熔融、分离结晶、混合作用）宏观——化学地球动力学（地幔不均一性、壳幔相互作用、壳幔地球化学演化）地球演化的行为具有整体性，其不同的圈层通过多种途径发生相互作用，导致了“地球系统科学”思想的产生和发展。“地球系统科学”强调地球不同圈层、不同单元相互作用的整体性和关联性。长期以来地球化学强调的是元素、同位素的分布、迁移;

今天应强调它们的示踪作用。地球化学是一门示踪的科学！

事物的大小和价值之间并没有必然的联系，…尽管描述的对象十分微小，但所获得的结论却相当重大。-SorbyG一、导言Pearce和Cann（1971，1973）最先提出根据化学成分限定岩浆起源的大地构造背景。Ti-Zr，Ti-Zr-Y,Ti-Zr-Sr判别图解(tectonic-magmaticdiscriminationdiagram)。至今已识别出20多种岩石的大地构造环境。判别分析的统计学技术+不活泼微量元素+已知大地构造环境一、导言新灾变论的提出

1980年，Alvarez在意大利亚平宁山脉的Gubbio镇的白垩-第三纪海相地层内约2cm粘土层中，测得Ir:9.1×10-9,

高出其下层石灰岩30倍，与球粒陨石相近，

10±4km的小行星冲击地球(65Ma)造成恐龙、有孔虫大量灭绝一、导言意大利几个剖面上K-R界线附近样品中铱的含量变化图例说明：1和2：Gubia地区

1.Bottaccione区

2.Contessa区3-5:Gubia地区以北

3.Acqualagna区

4.Petriccio区

5.GorgoaCarbara区(样点上纵向线表示取样厚度,

横向线为测量的标准偏差;R/K粘土混合大样为四个剖面上四条界线粘土样品铱的平均值)月球的形成——来自地球-月球体系的Nb/Ta系统证据流行模式：巨大的，火星大小的撞击体与原始地球相撞问题：撞击物质对月球总质量的贡献撞击事件与地核形成相对时间Nb-Ta难熔，亲岩石圈Nb/Ta在类地行星比值应与球粒陨石相同一、导言Munker(2003)用MC-ICPMS精确测定球粒陨石Nb、Ta,Nb/Ta高出已有数据13%，整个太阳系（球粒陨石）19.9±0.6OIB,CFB太古代绿岩，大陆壳

Nb/Ta6-19地球低于球粒陨石Nb/Ta14.0±0.3月球KREEP岩高于球粒陨石

17.0±0.8月球玄武岩低于球粒陨石Nb为中等亲Fe元素，进入地核一、导言撞击地球的天体对月球的贡献:

51±13%，<65%地球物理>70%地核形成与撞击事件可能同时巨型天体撞击地球形成月球最低年龄

(4.533±2)×109

(Hf-W)二.

相关基本概念1.动力学2.造山作用3.微量元素分类4.分配系数5.地幔不均一性与地幔端元1.动力学动力学：一个系统的性能是如何随时间变化Dynamics-

广义的,宏观的Kinetics-狭义的,微观的;研究化学反应的速率和历程大陆动力学-研究大陆形成、演化有关的地球内部各种过程及控制要素之间的制约机制化学地球动力学：Chemicalgeodynamics

应用地球化学方法示踪地幔和地壳的形成过程和历史，探索固体地球的化学结构与层圈之间的相互作用2．造山作用汇聚板块边缘进行的大地构造作用称为造山作用。这种大地构造作用形成的地质体称为造山带（SengÖr,1990）(阿尔卑斯，喜马拉雅型；阿尔泰型)Liegeors(1998)将造山过程划分为：

造山，后造山和非造山造山包括：活动边缘、碰撞和后碰撞后造山和非造山属于板内过程（intraplate）二.

相关基本概念（之2）造山（活动陆缘-碰撞-后碰撞）后造山非造山二.

相关基本概念（之2）大量岩浆作用发生在主碰撞期后、板内时期之前后碰撞（postcollision）发生在主碰撞期之后，主要海洋已关闭，但伴有沿剪切带的大规模水平运动，其岩浆作用的标志是：钾质的,特别是高钾钙碱性的岩浆作用、强过铝的和碱性过碱性花岗岩，少量橄榄玄粗岩系。2．造山作用微量元素分类

a.不相容元素:(incomptibleelement)

相容元素:(comptibleelement)b.高场强元素:HFSE(HighFieldStrengthElements)

c.不活动元素二.

相关基本概念（之3）3．微量元素分类a.不相容元素(incomptibleelement)在岩浆结晶过程(或由固相部分熔融)中不易进入固相,而保留在与固相共存的熔体或熔液中的元素,即它们的固/液分配系数小于1,Li、Rb、Cs、Be、B、REE、U、Th、W、Sn、Pb、Zn等,许多不相容元素具有较大的离子半径，称为大离子亲石元素LIL(LargeIonLithophileelement)3．微量元素分类

b.高场强元素:HFSE(HighEieldStrengthElements)电价高(离子电位高)(>3),不易溶于水,如Th、Nb、Ta、P、Zr、Hf、HREEc.不活动元素:在变质或交代、蚀变作用过程中化学性质表现为隋性的微量元素。离子电位低（<3）或很高(>12)。微量元素分类图Grant(1986)提出了识别元素活动性的Isocon图解Maclean(1987)提出了用双变量投影分析：在一直角坐标中，用一相容元素对一不相容元素作图，当它们都是不活动元素时，就会构成一条相关线，即它们的浓度保持恒定比值，这条相关线通过总成分点和原点。※高场强元素Nb、Ta、Zr、Hf、Th-REE一般是不活动的3．微量元素分类©活动和不活动元素的蚀变趋势(Mackean

等,1987)分配系数：恒温恒压下,微量元素在两相(多数情况下是晶体相-矿物和液相-熔体)之间的平衡浓度比总分配系数：一体系中所有矿物相的简单分配系数加权和4.分配系数微量元素分配系数在火成岩体系的表述：微量元素分配系数及其意义上式也称为Nernstpartitioncoefficient

假如元素i在各相中具有稀溶液性质，则它在两相之间分配达到平衡时，其含量比值为一常数，我们称微量元素这种行为服从Henry’sLaw。电子探针（EMP）:优点：1μm；缺点：高检测限（0.1%级）每次实验时加入1-2个微量元素；同时用不同含量的实验证明服从Henry’sLaw微束分析方法：

优点：低检测限（ppm）,能同时测定多个天然丰度微量元素；缺点：20-30μm束斑。质子探针（PIXE）:Ni,Cu,Zn,Ga,Ge,Pb,Rb,Nb,Sr,Zr,Y离子探针（SIMS）：24个微量元素激光熔样电感耦合等离子体质谱（LAM-ICP-MS）：27个(LILE,HFSE,REE,TE)5．地幔不均一性与地幔端元横向：几百公里（地体级），小到几公里，甚至几米，几厘米纵向：岩石圈地幔，软流圈地幔地幔端元：end-member;mantlecomponent;flavor;(white,1985)(1)

在地幔中互相分离的储源(2)

它们仅是地幔中岩石连续的同位素组成的极端二.

相关基本概念（之5）DMM：亏损的洋中脊玄武岩地幔（DepletedMORBMantle），源自软流圈143Nd/144Nd0.5131-0.513387Sr/86Sr0.7020-0.7024206Pb/204Pb17.0-17.8176Hf/177Hf0.2831-0.2835

HIMU:高U/Pb地幔，来源于再循环洋壳，俯冲前的洋底热液液作用，或俯冲期间的脱水失去部分Pb而形成高μ值

143Nd/144Nd0.5128

87Sr/86Sr0.7026-0.7030206Pb/204Pb21-22176Hf/177Hf0.28295．地幔不均一性与地幔端元EMⅠ：Ⅰ型富集地幔,为地幔本身分异相联系的交代富集地幔,多数人认为存在于岩石圈地幔中软流圈来源的和小体积富K、挥发分的熔体交代下插板片脱水释放富LIL，HFSE的流体交代143Nd/144Nd0.5123-0.5124;87Sr/86Sr0.7045-0.7060206Pb/204Pb16.5-17.5;

176Hf/177Hf0.2826-0.2827Rb/Sr低EMⅡ：Ⅱ型富集地幔,为壳-幔再循环相联系的交代成因富集由循环的洋壳和少量俯冲的沉积物混合而成，或地幔岩浆受沉积物混染。87Sr/86Sr高，207Pb/204Pb高,Rb/Sr高

143Nd/144Nd0.5126

87Sr/86Sr0.707206Pb/204Pb18.5-19.5176Hf/177Hf0.2828FOZO：地幔集中带（focalzone），代表深部地幔成分，可能是下地幔，由起源于核-幔边界层的地幔柱捕获。在EMⅠ-EMⅡ-DM-HIMU图中，位于DM-EMⅠ-HIMU三角平面底部。

低87Sr/86Sr，高143Nd/144Nd和

206Pb/204Pb，

143Nd/144Nd0.5131-0.5132,εNd(+3~+7);

87Sr/86Sr0.7025，

206Pb/204Pb19.07-19.65;

此外还有PREMA（Prevalentmantle）称为流行地幔，近年来已被“FOZO”C型(“Common”Component)和PHEM(promitiveheliummantle)代替地幔端元图不同端元Sr-Nd-Pb同位素图（Hofmann，2003）不同地幔端元微量元素组成表

Zr/NbLa/NbBa/NbBa/ThRb/NbK/NbTh/NbTh/LaBa/La原始地幔14.80.949.0770.913230.1170.1259.6N-MORB301.071.7~8.0600.36210~3500.025~0.0710.0674.0E-MORB

4.9~8.5

205~2300.06~0.08

大陆地壳16.22.2541244.713410.440.20425HIMUOIB3.2~5.00.66~0.774.9~6.949~770.35~0.3877~1790.078~0.1010.107~0.1336.8~8.7EMIOIB4.2~11.50.86~1.1911.4~17.8103~1540.88~1.17213~4320.105~0.1220.107~0.12813.2~16.9EMIIOIB4.5~7.30.89~1.097.3~13.367~84