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1、勘查地球化学的基本原理和参数 基本原理 元素丰度 元素地球化学分类 表生环境下元素地球化学行为 地球化学背景和异常 地球化学晕和地球化学指示元素 第一节 地壳中元素的丰度 丰度 泛指任何宇宙体或地质体中元素的平均含量 元素丰度 是指元素在所研对象中的平均含量 人们只有了解到元素在各种地质体中的丰度及丰度规 律后 才有可能进一步探讨各种地质作用过程中元素的 地球化学行为及演化规律 最早的地球化学研究始于对地壳中元素丰度的 研究 1989年美国学者F W 克拉克发表 元素相 对丰度 一文 首先提出了19种元素在固体地壳和 大洋中的平均含量以来 许多学者从事这一工作 A E费尔斯曼提议把地壳中元素丰
2、度称之为克拉克 值 克拉克最早计算出地壳的平均化学成分 采用 广义地壳的概念 即地壳包括岩石圈 水圈和大气 圈 三者的质量比值为93 7 0 0 03 戈尔德施密特采用冰川成因的沉积物 77个 样 其成分代表岩石圈平均化学成分 其经过 与克拉克的经过相识 维纳格拉多夫是以两份酸性岩加1份基性岩 的平均成分计算得出 澳大利亚地球化学家S R Taylor 从稀土元素 的角度计算元素的地壳丰度 我国学者黎彤等在计算地壳元素丰度时则是采用 全球地壳模型 运用分区分岩类综合平均方法进行 计算 计算方法时先计算各地壳构造单元 或区 的丰度 然后计算各区的丰度 整个地壳元素丰度 按各区质量加权平均求得 在
3、计算各构造单元元素 丰度时 采用岩石类型质量加权法平均 黎彤的地 壳元素丰度表 首次提供了区域地壳丰度资料 建 立了地壳分区丰度体系 元素在地壳中的平均含量 具有以下特点 1 多数作者所得数值比较接近 但存在差异 对地球结构模式的认识不同 所运用的样品代表性不同 而造成的 例如 克拉克和华盛顿 1924 以地壳厚度10KM为标 准 岩浆岩占95 页岩占4 砂岩占0 75 石灰岩占 0 25 然后用加权法计算出各元素的平均含量 维诺格拉多夫则采用两份花岗岩 代表硅铝层 和一份 玄武岩 代表硅镁层 的组合样品来代表地壳的总成分 2 国外文献 未考虑大洋地壳的组分 只代表元素在大陆地壳中的平均含量
4、而不代表整个地 壳的平均化学成分 地壳中元素分布规律 1 地壳中元素相对的平均含量是极不均匀的 丰度最大的元素 O 47 比丰度最小的元素 Rn 7 10 16 在含量上可大1017倍 O占地壳总重 量的近二分之一 而Rn近重n 10t 相差十分悬殊 2 如果元素原子克拉克值取对数后 作出这些 对数值对应于原子序数 Z 的曲线 图1 6 就 可看出地壳中元素分布规律粗略地与太阳系元素的 分布规律相同 元素丰度随原子序数增大而减小 偶数Z元素的丰度大于奇数Z元素等 这一事实再 此说明地球 地壳在物质上同太阳系其它部分的统 一性 3 将地壳 地球和太阳系中分布最广元素的丰度大小顺 序加以对比 即可
5、以发现它们之间存在明显差异 太阳系 H He O Ne C Si Mg Fe S 地球 Fe O Mg Si Ni S Ca Al Co Na 地壳 O Si Al Fe Ca Na K Mg Ti H 4 元素丰度大体上随原子系数的增大而减小 O 8 Si 14 泰勒 1964 4 64 10 1 2 815 10 1 5 元素丰度随原子核构造的复杂程度加大而减小 Na K 泰勒 1964 2 36 10 1 2 09 10 1 6 周期表中原子序数为偶数的元素总分布量 86 36 大于奇数元素的总分布量 13 64 7 奥多 哈根斯法则 相邻元素之间偶数元素的分布量 大于奇数元素的分布量
6、REE 第二节 元素的地球化学分类 元素的地球化学性质既与元素的原子结构 元素的 物理和化学性质有关 也与地质作用有密切的关系 主要的元素地球化学分类 戈尔德施密特分类 查瓦里次基分类 按硅酸盐熔体在高温还原条件下元素的相对挥发性 所作的元素分类 根据元素的电子构型 元素与氧的亲和力以及元素在自然界中实际的分布 情况来化分的 戈尔德施密特分类 亲石元素 即化学上的亲氧元素 惰性气体型离子 外层8电子 S2Pb 主要形成氧化物 氢氧化物 含氧酸盐 主要集中于岩石圈 Li Na K Rb Cs Fr Be Mg Ca Sr Ba Ra B Al Sc Y REE Ac Si Ti Zr Hf Th
7、 V Nb Ta Pa W U 亲铜元素 即化学上的亲硫元素 铜型离子 外层18电子 S2P6d10 主要形成硫化物 对硫化物 主要集中于氧化物 硫化物 过渡圈 S Cu Ag Au Zn Cd Hg Ga In Tl Ge Sn Pb As Sb Bi Se Te Po Br I At 亲铁元素 即化学上的过渡族元素 过渡型离子 外层8 18电子 既可形成氧化物 也可形成硫化物 主要富集于铁镍核 C P Mo Tc Re Fe Ru Os Co Rh Ir Ni Pt Pd 亲气元素 即化学上的气体元素 惰性气体型原子 原子的最外层8 个电子 易挥发或易形成挥发性化合物 主要集中于大气圈 H
8、 N O F Cl He Ne Ar Kr Xe Rn 查瓦里次基分类 根据元素的电子层结构及其晶体化学参数 同时考虑元 素在岩石及矿床中的共生组合 查瓦里次基将全部元素分 为12族 并以展开式周期表分区表示之 1 氢 氢在地球化学中具有特殊地位 在强还原条件下形成 H2和各种碳氢化合物 在氧化条件下 形成OH 或H2O 水式重要的成矿介质 在岩浆作用 变质作用 沉积作用 和热液中 水对元素的迁移 沉淀都有重要意义 2 惰性气体族 这些元素的原子具有稳定的八电子层外壳 一般不参 加地球化学反应 成单原子惰性气体 富集于大气圈内 3 造岩元素 包括K Na Ca Mg Al Si及Li Be R
9、b Ca Sr Ba 它们能形成八电子惰性气体型离 子 作为造岩元素 常量元素是地壳主要类型岩 石的成分 微量元素则成分散状态产于硅酸盐及 碳酸盐矿物中 局部富集于伟晶岩 交代岩及沉 积岩类矿床中 4 矿化剂元素族 包括B C O F P S Cl 由于它们有巨 大的电负性 因而都呈阴离子或配离子 并能与 金属元素形成易溶或易挥发的配合物 对成矿元 素的迁移与富集具有重要意义 5 铁族元素 包括第四周期过度族元素 Sc Ti V Cr Mn Fe Co和Ni 它们具有未充满的d电子层 电子层的一般结构可 写为3d1 64s2 本族元素的电负性与铁近似 在还原及弱氧化 条件下 一般都呈二价或三价
10、离子 并具有与铁相似的中等 离子半径 在晶体中都呈六次配位 因此 总的来说 在内 生作用中 本族元素与铁具相似的地球化学特性 富集于基 性 超基性岩及有关矿床中 Fe左侧的元素亲氧性明显 易 形成氧化物 铁右侧的元素亲硫性增强 富集于硫化物中 本 族元素的很多特点的深入研究要用晶体场理论来进行讨论 6 稀有 稀土元素族 包括Y 镧系元素 Zr Hf Nb Ta 化合价为三价至五 价 易呈氟和氧的配合物迁移 常富集于富含挥发分及碱金 属的伟晶岩 交代岩或与碳酸盐岩有关的矿床中 7 放射性元素族 本族元素为周期表中原子序数最大的一组元素 主要有U Th形成235U 238U 252Th 三个放射性
11、系列 在内生条件下 U Th都呈四价存在 常与稀有 稀土元素紧密共生 在 表生条件下 U形成六价 U Th发生分离 U还可以独立 成矿 8 钨 钼族元素 包括W Mo Tc和Re 在周期表中 Mo与W属同一族 但Mo亲硫 W亲氧 两者都富集于花岗岩类有关的矿床中 但分别形成不同的矿床 Re主要呈类质同像分散于Mo矿物 例如辉钼矿 中 9 铂族元素 本族包括Ru Rh Pd Os Ir和Pt六种元素 它们的电 负性高 在自然界主要呈自然元素存在 亦呈硫化物及砷化物 出现 与Fe Co Ni类似 都在基性 超基性岩中 按硅酸盐熔体在高温还原条件下元素的相对挥发性所作的元素分类 难 熔 组 挥 发
12、组 A 亲亲氧元素 Mg Al Si P Ca Sc Ti Sr Ba Y Zr Nb Hf REE Ta Th U A 亲铁亲铁 元素 Fe Co Ni V Cr Mn Ca Ag Au Mo W Rh Pd Re Ir Pt 可能的挥发挥发 形式 H C N F Cl Br H2O CO N2 I S Se Te Na K 硅和金属卤化 物 Rb Cs 氢氧化物 元 素 Zn Cd Hg Tl 元素 Pb As Sb Bi Se Te Ga Sn 低价氧化物 In 硫化物 椐Ringwood 1966 丛柏林 1980 赵振华 1997 第三节 地表或近地表环境下元素的地球化学行为 风化作
13、用 岩石在水圈 大气圈和生物圈的长期作用下 失去原有的地质地球化学平衡 发生物理的和化学的变化 原 来的岩石或矿物被破坏和分解 化学元素进入溶液中 风化作用的产物有的留在原地 或经局部搬运而在附近形 成新的堆积或沉积 形成风化壳 风化和沉积是表生作用的两个不同的发展阶段 风化作用 主要是在原地系统的发生 而沉积作用则经过长途搬运到异地 系统的发生 1 风化作用地球化学 风化作用是在地球表面进行的 是岩石圈与大气圈 水圈和生物圈相互之间复杂的物理 化学和生物作用 的综合 风化作用产生了土壤 改变了地下水 地表水 和岩石的化学形式 是元素发生再分配和存在形态改变 的主要地球化学作用 化学 风化 风
14、化作用包 括 物理 风化 生物 风化 化学风化是岩石和矿物在表生 水 氧和二氧化碳等作用下的 分解作用 风 化 作 用 物理风化 生物风化 化学风化 机械和外力作用下或气候变化 导致岩石的破裂 崩解 跨塌 等现象 没有明显的矿物组分 和化学组分的变化 大气和溶液与岩石矿物相互作 用导致的一种地球化学作用过 程 如 水解反应 水合作用 氧化还原作用等 在生物圈中有机物活动参与的 风化作用 物理风化 Chemical weathering of carbonates Easily soluble in water especially with some acid present Ca and M
15、g taken into solution Fig 6 9 Betty Crowell Weathering Oxides Provide Color to the Desert Landscape 生物风化作用 Weathering of rock from activities of organisms plants burrowing animals humans 化学风化和生物风化到能导致明显的矿物成分或化学成分 的变化 物理风化导致岩石的破裂 崩解 跨塌等可以使岩石 和矿物表面积增大 有助于化学风化和生物风化的进行 三种 作用时常可以伴随发生 岩石和矿物风化过程有一定的阶段性 风化过
16、程有一定的 规律 主要造岩矿物硅酸盐 钾长石 绢云母 水云母 高岭石 辉石 角闪石 绿泥石 水绿泥石 蒙脱石 多水高岭石 高岭石 黑云母 锆石 蒙脱石 高岭石 发育良好的风化壳具有明显的分带性 原武汉地质学院 地球化学研究室将发育良好的风化壳划分为四个带 1 氧化只用带 最接近地表 主要有氧化作用 水解作 用已趋向结束 此带也可称为氧化和终结水解只用带 形成 了化学分解的最终产物 Fe Al Mn Ti的氢氧化物 具有 褐色 红色或淡白色 2 水解作用带 在氧化只用带的下部 此带淋滤作用结 束 氧化作用刚刚开始 但水解作用强烈 此带具有绿色和 黄绿色 并呈粘土状和斑点状 3 淋滤作用带 或称淋滤或终结水合作用带 这里主 要发生淋滤硅酸盐中碱金属的作用 矿物的水合作用正在终 结 并开始形成粘土矿物 此带具有粘土 云母状的外貌 4 水合作用带 在风化壳的最下部 这里硅酸盐矿物 通过水合作用形成云母和水绿泥石 岩石发生崩解 在裂隙 和空洞中有时沉积菱镁矿 2 表生作用下元素迁移和分散富集地球化学规 律 表生环境下元素迁移和分散富集的地球化学规律是地 球化学原理的主要内容 地球的岩石 矿物 土
