第二章元素分布的基本規(guī)律 主要內(nèi)容 一 地球化學(xué)旋回與元素分布二 元素的共生組合三 元素的空間分布四 元素含量的概率分布 第一節(jié)地球化學(xué)旋回與元素分布 地球化學(xué)旋回常量組分分布特征微量元素的分布規(guī)律 勘查地球化學(xué)主要是通過(guò)調(diào)查地球表層系統(tǒng)中化學(xué)元素的分布特征來(lái)研究它對(duì)人類(lèi)產(chǎn)生的直接或間接利害關(guān)系 因此 了解元素分布分配的基本規(guī)律是十分必要的 元素分布 分配有兩重含義其一 是元素在地球各圈層的分布特別是地殼表層各地質(zhì)體間及各類(lèi)巖石 礦物間的分布 分配 不考慮成因聯(lián)系其二 是元素在各地質(zhì)作用過(guò)程中的分布 分配 考慮成因聯(lián)系前者是后者的結(jié)果是應(yīng)用地球化學(xué)研究的主要內(nèi)容 分配 存在形式 分布 空間展布金礦中金以硫化物及自然金的形式存在 反映了Au在礦石的具體分配形式 而礦石中金的品位則是反映其在礦石中的分布情況 一 地球化學(xué)旋回 元素演化是以元素的賦存介質(zhì)的變遷實(shí)現(xiàn)的 地幔對(duì)流示意圖 在地幔對(duì)流驅(qū)動(dòng)板塊動(dòng)移并發(fā)生巖石循環(huán)過(guò)程中 地幔物質(zhì)分異出的巖漿及地殼物質(zhì)重熔形成的巖漿通過(guò)上升 結(jié)晶形成巖漿巖 巖漿巖經(jīng)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)隆升至地表或近地表 進(jìn)入表生環(huán)境 遭受風(fēng)化 剝蝕 搬運(yùn)到湖 海盆地沈積成巖 沉積巖再經(jīng)沉降或俯沖到地殼深處 發(fā)生變質(zhì)或部分重熔而形成新的巖漿 完成一個(gè)大旋回 在大旋回演化過(guò)程中 同時(shí)還存不同級(jí)次的次級(jí)旋回 如沉積巖直接進(jìn)入風(fēng)化搬運(yùn) 變質(zhì)巖也可不遭受重熔而上升至地表遭受風(fēng)化 剝蝕等 上述兩圖中外生環(huán)境與內(nèi)生環(huán)境的分界一般說(shuō)來(lái)相當(dāng)于潛水面 之下為還原環(huán)境 之上為氧化環(huán)境 但在基巖中斷裂發(fā)育區(qū) 地下水下滲較深 也會(huì)對(duì)潛水面之下的巖石產(chǎn)生氧化作用 同時(shí) 地球化學(xué)旋回不是簡(jiǎn)單的機(jī)械重復(fù) 它始終伴隨著物質(zhì)形態(tài)的轉(zhuǎn)變 化學(xué)成分的變化 可見(jiàn) 地球化學(xué)旋回的方式可以重復(fù) 但其物質(zhì)成分的演化趨勢(shì)是不可逆的 從而引起了化學(xué)元素的分異和演化 這種分異和演化是有規(guī)律的 二 常量組分分布特征 地殼的形成 地殼的物質(zhì)成分與地幔 特別是上地幔最有成因聯(lián)系 這是因?yàn)榈貧の镔|(zhì)起源點(diǎn)在地幔 地球化學(xué)旋回的最深點(diǎn)也在地幔 因此 研究元素的分布 分配的重點(diǎn)是地幔和地殼 特別是地殼 因?yàn)榈貧r石出露 便于采樣研究 而地幔巖石極少地表出露 只能根據(jù)偶爾獲得的深源包裹體 主要是基性 超基性火成巖 的分析測(cè)試資料獲得 而深源包體在其形成和上浸過(guò)程中還遭受了一定的化學(xué)混染作用 成分已不能真正反映原始地幔特征 研究地殼 地幔的物質(zhì)組成 首先是通過(guò)直接樣品分析獲得 其次是與隕石物質(zhì)對(duì)比和模擬上地幔的溫度 壓力條件對(duì)硅酸鹽物質(zhì)合成的實(shí)驗(yàn)研究獲得 總的來(lái)說(shuō) 地殼成分研究較為深入 準(zhǔn)確 地幔成分研究尚在探索中 但由于它對(duì)研究地殼成分的起源及制約因素上的重要意義 正受到包括地球化學(xué)家在內(nèi)的地質(zhì)學(xué)家的高度重視 國(guó)際上地幔計(jì)劃 代表了這方面的最新成績(jī) 地殼和地幔成分差異 地殼是由地幔重熔分異演化而來(lái) 二者間現(xiàn)有聯(lián)系又有差異 雖然不同學(xué)者計(jì)算地幔 地殼的模型不同 但由于地幔發(fā)展演化形成了地殼 二者在成分上差異規(guī)律是一致的 即地殼中易熔的硅鋁長(zhǎng)英質(zhì)成分 i Al Ca 和 Na 水增加 而難熔組分 g e i o r比例減少 巖石圈中十余種常量元素占總量的絕大部分 如地殼中 i l e a Ca g i等九種元素占總量的百分之九十九以上 它們是巖石圈成分主體 由于這些元素含量高 它們遵循化學(xué)計(jì)量原則形成自然礦物 結(jié)果造成地幔中鐵鎂暗色礦物為主 地殼中長(zhǎng)英質(zhì)淺色礦物為主 上述規(guī)律反應(yīng)了地幔與地殼在巖石礦物組成上的規(guī)律差異 這種差異正是地幔熔融 分異演化的結(jié)果 三 微量元素的分布規(guī)律 微量元素的分布不同于常量元素 不受化學(xué)計(jì)量原則控制 其分布規(guī)律微觀上受元素類(lèi)質(zhì)同象置換條件制約 以固溶體混合物形式分布于巖石中 宏觀上 受元素分配系數(shù)制約以某種統(tǒng)計(jì)規(guī)律反應(yīng)富集貧化趨勢(shì) 微量元素在造巖礦物中多以類(lèi)質(zhì)同象混入物形式存在 服從概率分布規(guī)律 既有隨機(jī)性 又有統(tǒng)計(jì)性 還有少量微量元素的分布不是類(lèi)質(zhì)同象混入物形式 它們是超顯微非結(jié)構(gòu)混入物 它們是在礦物結(jié)晶生長(zhǎng)時(shí) 混入晶格缺陷或機(jī)械包裹 如硅酸鹽巖漿粘度大 一些成礦金屬硫化物 氧化物不能聚集生長(zhǎng)成大顆粒礦物 而呈超細(xì)分散狀化合物的形式分散在巖漿中 象黃鐵礦 閃鋅礦 方鉛礦 輝鉬礦和Ti V Mn U Th的氧化物 以及Au Ag Pb Bi Hg的原子態(tài)單元素自然礦物 從地核到地殼的垂直方向上 分散在結(jié)晶礦物中的微量元素產(chǎn)生了分異作用 如親石大離子具有明顯的從地核 下地幔向上地幔最終地殼逐步富集 謝爾巴科夫用元素的向心力和離心力描述這種向地球外圈貧化或富集的趨勢(shì) 他將隕石成分 u 當(dāng)作地球的平均成分 代表地球的原始濃度 玄武巖作為地幔平均成分 將玄武巖元素豐度 v 作為元素離心的基本參數(shù) 頁(yè)巖是地殼中廣泛分布的沉積巖 是地球表部各類(lèi)巖石的平均成分代表 c 從而根據(jù)u v c三個(gè)參數(shù)的比值特征將元素分為四組 根據(jù)u v c三個(gè)參數(shù)的比值特征將元素分為四組 1 向心元素v u1c v1Ga Ge As Se Sn Te Bi Re Mo4 離心元素v u 1c v 1Li Rb Cs Sr Ba Y REE Zn Hf Nb Ta B Al In Tl Si Pb Sb U F O 最強(qiáng)的離心元素當(dāng)屬在水圈 生物圈和大氣圈中富集的元素 如H C O N及惰性氣體 巖漿結(jié)晶過(guò)程中 某些元素并不進(jìn)入造巖礦物晶格 它們傾向于在富含水的溶體相中富集 地球化學(xué)家用元素相溶性來(lái)描述在結(jié)晶相或流體相富集的特征 不相容元素 incompatibleelements 是指那些在結(jié)晶分異過(guò)程中傾向于殘留流體相中聚集的元素 相容元素 compatibleelements 則是指容易進(jìn)入結(jié)晶相而在殘余流體相中迅速降低的元素 地球化學(xué)家用分配系數(shù) KD 來(lái)定量刻劃微跡元素在兩相中的分配特征 礦物晶體中濃度分?jǐn)?shù)元素在熔體相中的濃度分?jǐn)?shù)根據(jù)分配系數(shù)KD的大小把微量元素分為弱不相容元素 KD 0 1 1 如Zr Nb Th HREE 不相容元素 KD 0 1 如K Rb U Th Pb LREE 把其中KD 0 01的稱(chēng)為強(qiáng)不相容元素 即百分之九十九聚集于流體相中 如Rb Cs K U Th Ta Nb Ba La Ce等 不相容元素因其離子半徑大 電荷高而不易進(jìn)行類(lèi)質(zhì)同象置換 故又常稱(chēng)為親石大離子元素 如K Pb Sr Ba Na Ta W LREE 由上圖我們可以看出 華南花崗巖的形成時(shí)代由老到新 巖石中SiO2 K2O的含量越來(lái)越高 相應(yīng)的不相容元素Nb Ya REE W Sn Be Li Rb Pb F Cu等含量越來(lái)越高 巴爾特把巖漿巖演化的這種規(guī)律總結(jié)為極性演化 即酸性巖越來(lái)越酸性 基性巖越來(lái)越基性 這也為礦產(chǎn)評(píng)價(jià)與找礦提供了思路 即在時(shí)代最新的花崗巖類(lèi)巖體中尋找不相容元素的礦床 如我國(guó)稀有金屬元素總是與燕山期花崗巖有關(guān) 而相容元素的礦產(chǎn)如Cr Ni Pt等主要在最年輕的基性巖 超基性巖巖體中去找 一 元素的親和性 天然礦物一般按陰離子分類(lèi) 地殼中常見(jiàn)的是含氧化合物 硫化物 鹵化物及天然元素等 地球化學(xué)上把陽(yáng)離子有選擇地與陰離子結(jié)合的傾向性 稱(chēng)為元素的親合性 并進(jìn)一步按這種親合性進(jìn)行元素分類(lèi) 華盛頓 1920 將與氧結(jié)合或與氟 氯結(jié)合的元素稱(chēng)為成巖元素 而與硫 硒 碲 砷 碘 溴結(jié)合的元素稱(chēng)為成礦元素 與之相似的是蘭卡瑪 薩哈瑪劃分的親氧元素和親硫元素 這顯然是地質(zhì)學(xué)中廣為熟知的含氧化合物的造巖元素和以重金屬硫化物為代表的金屬硫化物元素 包括共價(jià)鍵結(jié)合的類(lèi)硫化物礦物元素 戈?duì)柕率┟芴貙⒁睙挔t中出現(xiàn)的四相 金屬鐵 硫化鐵 硅酸鹽礦渣和氣體 與隕石中的鐵隕石 隕硫鐵和球粒隕石中的化學(xué)成分相比較 并結(jié)合地質(zhì)作用中元素共生規(guī)律 提出了劃分為親鐵 親硫 親銅 親氧 親石 親生物元素的分類(lèi)方案 并得到了廣泛的認(rèn)同 親鐵元素 自然界傾向于以自然元素產(chǎn)出 價(jià)電子不易丟失 與氧 硫親合力均弱 集中于鐵 鎳核中的元素 如Au Ge Sn Pb C P As Mo W Re Fe Cr Co Ni Ru Rh Pd Os Ir Pt 親硫元素 與硫親合力強(qiáng) 是因?yàn)檫@些元素的金屬離子具有8 18過(guò)渡型結(jié)構(gòu) 易于極化而與易極化的硫離子形成共價(jià)鍵 易熔于硫化鐵熔體的元素 如Cu Ag Zn Cd Hg In Tl Ge Sn Pb As Sb Bi Se Te Fe 親氧元素 又稱(chēng)親石元素 離子外層電子云為8個(gè)電子的隋性氣體型穩(wěn)定結(jié)構(gòu) 與氧形成穩(wěn)定的離子鍵化合物 易熔于硅酸鹽熔體的元素 如Li Na K Rb Cs Fr Be Mg Ca Sr Ba Ra B Al Sc Y TR C Si Ti Zr Hf V Nb Ta P As O W Mn H F Cl Br I 親氣元素 原子外層電子為8個(gè)電子型 原子容積最大 具有揮發(fā)性或易形成揮發(fā)性化合物 主要集中在氣體中 如H C N O I Hg He Ne Ar Rr Xe Rn親生物元素 生物圈中富集于有機(jī)物中的元素 如H C N O P S Cl R Ca Fe B F Si Mn Cu I 將戈?duì)柕率┟芴氐脑胤诸?lèi)置于周期表中 發(fā)現(xiàn)元素的地球化學(xué)分類(lèi)在周期表中呈規(guī)律分布 它可以和鍵的類(lèi)型相聯(lián)系 整體而言 離子鍵化合物為親石元素 共價(jià)鍵化合物為親硫元素 金屬鍵化合物為親鐵元素 戈?duì)柕率┟芴氐牡厍蚧瘜W(xué)分類(lèi)的意義 在礦產(chǎn)勘查中很有實(shí)際意義 親硫元素和親鐵元素的結(jié)合特點(diǎn)與構(gòu)成硅酸鹽類(lèi)的元素有很大區(qū)別 親石元素多以類(lèi)質(zhì)同象分散于造巖礦物中 待這些硅酸鹽礦物結(jié)晶后 親硫元素常以硫化物脈出現(xiàn) 或自然元素在晚期不同環(huán)境以其獨(dú)立礦物形式出現(xiàn) 親硫元素 親鐵元素與親氧元素 親氣元素的差異造成了這些元素集聚成礦 盡管這些元素豐度低 但成礦能力卻很強(qiáng) 另一方面 元素親合性是我們?cè)诘厍蚧瘜W(xué)找礦中確定指示元素的依據(jù) 如選擇親硫元素作為硫化物礦床的指示元素 親鐵元素常是貴金屬礦床和過(guò)渡金屬礦床的指示元素 元素共生組合意義 首先是為我們找礦確定指示元素 其次是為地球化學(xué)異常的解釋評(píng)價(jià) 確定礦化類(lèi)型提供了依據(jù) 另外 也為礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)副產(chǎn)品的利用提供了依據(jù) 如閃鋅礦中的鎘 方鉛礦中的銀 均是工業(yè)上主要利用對(duì)象 比較遺憾的是缺乏金元素在硫化物中的分布數(shù)據(jù) 而金常是黃鐵礦 毒砂 黃銅礦 閃鋅礦中常見(jiàn)的元素 黃鐵礦 毒砂還是主要的載金礦物 二 成巖成礦作用的典型元素組合 在地殼中某一特定條件下 一些元素傾向于密切伴生 共同產(chǎn)出 甚至在一系列地質(zhì)條件極不相同的情況下始終保持共生特征 還有一些元素 在內(nèi)生地質(zhì)作用 巖漿作用 變質(zhì)作用中通常共進(jìn)退 相依相伴密切共生 但在表生風(fēng)化和沉積旋回中卻分道揚(yáng)鏢 因此 探索元素在內(nèi)生和外生環(huán)境中的共生組合關(guān)系 對(duì)于應(yīng)用地球化學(xué)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義 3內(nèi)生 外生環(huán)境中一般共生關(guān)系 4 常見(jiàn)礦石類(lèi)型 各類(lèi)巖石中的微量元素組合 主要反映了該巖石中主要造巖礦物的類(lèi)質(zhì)同象元素 如超基性巖主要由橄欖石和輝石組成 與鐵 鎂類(lèi)