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1、微量元素在成岩成因和成矿成因研究中的应用姓名 :叶勃学号 : 班级 024121 微量元素在成岩成因和成矿成因研究中的应用前言人类活动所能涉及的地壳主要是由92 种化学元素组成 . 其中元素 O 、Si 、Al 、Fe、Ca、Na、K、Mg和 Ti 九种元素占据地壳和地幔的99% ，其余 83 种元素只占 1% ，然而正是这1% 的元素给人类的发展提供了丰富的物质基础矿产资源。随着人们对微量元素性质的逐步认识，人们发现微量元素在成岩成因和成矿成因上有重要的作用。这次读书报告 , 我读了微量元素地球化学及其应用（戴塔根刘汉元著）以及相关的文献。第一章何为微量元素微量元素是指自然界除了主量元素外，
2、丰度低于0.1%，在体系中不作为任何相的主要成分， 浓度低到服从稀溶液定律的元素。在地球化学研究中， 习惯上微量元素不记入矿物分子式中。微量元素与主量元素是相对的，根据研究对象的不同而存在差别。例如，锆石中的 Zr 通常属于微量元素，但是在锆石中，它属于常量元素。微量元素存在的三个形式： 在矿物快速结晶过程中陷入囚禁带内、在主晶格的间隙缺陷中和在固溶体中以类质同像替代主要元素的原子或离子。为微量元素地球化学做出最大贡献的人是能斯特，他提出能斯特分配定律，不仅将地学与化学联系起来，更重要的是他将地球化学由定性研究引向定量研究，打开了研究微量元素地球化学的大门。根据能斯特分配定律， 我们引进了分配
3、系数为组数 i 在两相（ 和）之间的质量浓度比值。同时，因为元素的地球化学， 或者行为往往受到多个矿物的影响，通常为矿物集合体， 所以，我们引入总分配系数的概念，它是微量元素在各矿物相与熔体间简单分配系数与矿物相含量的加权之和。根据 Di 的大小，将微量元素分为两类。Di1 的元素称为相容元素，在早期结晶的固相矿物组合中相对富集（如Ni 等）。第二章微量元素的地球化学应用由于能斯特定律的引入， 使得微量元素内容得以扩大和深化，在解决地质学实际问题中， 他已成为研究岩石、 矿床成因形成条件和物质来源以及判别构造环境的最方便最可靠的方法之一。一、微量元素地球化学指示剂（一）、微量元素对岩浆演化过程
4、的指示意义1. 大离子亲石元素对岩浆演化过程的指示意义在中酸性岩浆演化过程中， Sr 一般随 Ca的减少而贫化。但是Sr 离子半径较大，所以由类质同像规律，Ca离子较 Sr 离子优先进入晶格，所以Sr 的贫化比Ca慢，随着岩浆分异作用的进行， Sr/Ca 鼻子逐渐变大， 所以这就决定了残余岩浆最后结晶的斜长石具有最高的Sr/Ca 比值和最低的 Ca含量。同样， Rb和 K的性质相似， Rb更趋向富集残余岩浆中，从而使的Rb/K 比值随着阳江烟花的进行而升高，这也可以用来指示岩浆的分异演化过程。综合 Rb、Sr 的地球化学行为，一般认为Rb/Sr 比值是岩浆演化过程中最明显的指示剂，岩浆分异程度
5、愈好，Rb/Sr比值愈大。（ WHY?) 2.非活动性元素的指示意义Nb/Tb 比值从超基性岩到酸性岩逐渐降低，在超基性岩中为 16 左右，在花岗岩中为 4.8，所以他可以用来作为形成条件指示剂。Zr 为不相容元素，倾向于在熔体中富集，而Hf 更倾向于残余熔体中富集，所以 Zr/Hf 比值随着岩浆演化而降低。它可以用它只是岩浆烟花的程度。（二）、微量元素对大地构造环境的指示意义1.不同板块构造环境玄武岩微量元素丰度和分配模式对于洋中脊玄武岩，极不相容元素Ba、Th、Nb、Ta比中等不相容元素P、Zr、Hf、Sm 更加富集，而 Ti、Yb、Y 丰度低于 MORB 标准值。对于岛弧玄武岩中微量元素
6、，除K、Rb、Sr、B 比 MORB 富集外，其余元素均较贫化，这是因为消减带形成熔浆时洋壳上部沉积物中含K、Rb、Sr、Ba的沉积物熔化的原因。2.火山岩中微量元素与板块构造分析岛弧拉班玄武岩的Rb 和 Sr 丰度比大洋拉班玄武岩的要高。我们可以根据里特曼戈蒂里图判别火山熔岩是在稳定构造区形成的还是在造山带形成的。投影到图上，我们就能确定构造环境。还有 Wood应用 TH-Hf-Ta 三角图解法来确定构造环境的火山岩。Mullen 应用 TiO2-MnO*10-P2O5*10 三角图来判别不同构造环境的玄武岩。3.板块移动速度分析因为板块扩张或者闭合速度与火山岩中K2O 含量反相关。但板块不
7、移动时，相关的火山岩中 K2O 含量最大。4.俯冲带深度和地壳深度研究康迪（ 1973）认为与消亡带有关的年轻火山岩中Rb、Sr 的分布对地壳厚度很敏感。钙碱性火山岩的 Rb-Sr 数据最能反映地壳厚度， 其次是岛弧拉班玄武岩。5.不同性质的大地构造党员微量元素地球化学特征地洼区的地球化学特征表现明显,以地洼型花岗岩而论 ,首先在岩石化学成分上,都以 SiO2 含量高（ 70%)，K、Na 含量也高， MgfETICA 等含量低位特征，其次在微量元素 Li、Rb、Cs、Be、Nb、Ta、U、Th、REE、W、Sn、Bi、Mo、Cu、Pb、Zn、Ga含量普遍较高，而V、Cr、Co、Ni 等含量较
8、低， Sr/Ba 比值较大。这些微量元素的分配特征与地槽区相反。2.1.3 过渡元素的指示意义与稀土元素分配模式相似，过渡元素也可以作分配模式来解释一些地质问题。例如，若地幔岩经过部分熔融过程，其中的一部分不相容元素（V,Ti 等)，则会发生亏损 (配分图中， Ti 和 V 的位置上出现 ” W” 形态。若地幔没有经历过部分熔融作用，这配分模式为平坦型。黄铁矿中 Co/Ni 比值可以用来研究矿床成因。 对于火山成因的铁铜矿床， 黄铁矿 Co/Ni 比值一般大于 5， 明显高于火山沉积型矿床和后期热液改造型矿床（这两类矿床的 Co/Ni 比值多小于 3）；成矿物质来源于古陆剥蚀区沉积成因的铁铜矿
9、床，其黄铁矿中Co/Ni 比值一般小于 1）此外，微量元素还 对岩相古地理环境和恢复变质岩原岩有指示意义。其主要的原理就是找到特殊的微量元素对的比值来反映问题，同时利用图解法， 投图来确定属于哪一类。二、微量元素温度计、氧逸度计（一）、锆石及其相关温度计1.锆石饱和温度计TZrTZr = 129 000/ 2.95 + 0.85 M + ln(496 000/ Zr 熔体 ) 该公式有以下要求： (1) 该温度计适用于较广泛的条件和成分。溶解度对压力不敏感,但干的岩浆 ( H2O 的质量分数约为 1.5 %) 或过碱性岩浆会偏离Wat son 等给出的温度计公式。因此,该温度计适用于地壳中多数
10、中性到长英质的岩浆; (2) 锆石在熔体中是饱和的。结构上的证据可用于确定早期的饱和,继承锆石的存在表明在母岩浆全过程中锆石是饱和的; (3) 对熔体成分 (主元素和 Zr 浓度) 的合理计算。火成岩 ,特别是侵入体 ,是由晶体和液体混合物形成的,很少有能代表淬火的熔体。图 1 锆石的溶解度与温度和熔体成分的关系2 锆石-金红石温度计对于锆石 Ti 温度计,其表达式为T ( ) = (5 080 30) / (6.01 01 03) -lg Ti 锆石 - 273对于金红石的 Zr 温度计 ,其表达式为T ( ) = (4 470 120) / (7.36 01 10) -lg Zr 金红石
11、- 273 2.2.1.3石英与锆石的 Ti 温度计适合没有金红石的体系中石英的Ti 温度计表达式为T ( ) = - 3 765/ lg ( XQTi / aTiO2 ) - 5.69 - 273 适合没有金红石的体系中锆石的Ti 温度计表达式为T ( ) = - 4 800/ (lg XZrTi + lg aSiO2 - lg aTiO2 )- 5.711 - 273 TiO2 活度 aTiO2 经验值一般为 0.580.60 ,当有其他含 Ti 矿物如榍石或钛铁矿存在时 ,表明 TiO2 活度 aTiO2 是相当高的 ,如果假定 aTiO2 = 1 ,对于不含金红石的地壳岩石或碎屑锆石所
12、计算的温度误差比实际aTiO2 = 0.5 约低 70 。（二）、石榴子石及其相关温度计1. 石榴子石 Ni 温度计Ni 在石榴石和橄榄石间的分配系数Dgt/ ol 与温度的关系式T ( ) = 8 772/ (2.53 - lnDgt/ ol ) 式中 Dgt/ ol 为 Ni 在石榴石和橄榄石中的含量(g/ g)的比值。2.2.2.2石榴石 - 磷钇矿经验温度计在含磷钇矿的变质泥岩中石榴石的Y 含量与其形成的温度的倒数明显相关，其关系式是：T ( ) = 1 603 ( 182) / ( Ygt + 13.25) - 273式中 Ygt 为石榴石中 Y 的含量 (g/ g) 。2. 独居石
13、- 石榴石温度计独居石和石榴石矿物对在含磷钇矿和不含磷钇矿的集合体中均显示出与温度倒数和平衡常数 ( ln K) 之间强烈的正相关经过整理得出T ( ) = - 1.45 p (bar) + 447 772 ( 32 052) /567 ( 40) - R ln K - 273.15 式中 R = 8.314 J / (mol K) 。上式温度误差为 30 。（三）、副矿物与氧逸度一些变价元素 ,如稀土元素中的Ce 可呈正三价或四价 ,Eu 可呈二价或三价它们在某些副矿物中的含量变化可灵敏地反映岩浆或热液体系的氧逸度状态。Ballard 等27 的结果表明 ,Ce4 + 和 Ce3 + 的锆石
14、 / 熔体分配系数范围为 (0.51.2) 10 - 3 。Ce4 + / Ce3 + 的值范围变化大 (62 341) ,该值随侵入体从老到新 ,从镁铁质到长英质而逐渐增加,并且与锆石 Eu 异常值( Eu/ Eu3 ) 呈正相关趋势。更有意义的是 ,具有斑岩铜矿化的Ce4 + / Ce3 + 值 300 ,Eu/ Eu3 0.4 ,不含该矿的小于此值。这种趋势是由于硅酸盐岩浆中的逸度和硫的存在形式及溶解度之间的相互关系导致的。据此,可根据锆石中 Ce4 + /Ce3 + 比值评价其所在侵入体的Cu Au 成矿潜力。三、微量元素在矿床成因的应用一、斑岩矿床中的应用斑岩矿床包括热液型Cu、Mo
15、 、Sn、W 、Au等斑岩矿床，与钙碱性闪长岩、花岗闪长岩体相伴生， 这类矿床中蚀变叠加显得尤为重要，它赋存了岩浆和大气衍生的两种流体。 特别是钾质组合上， 重叠了绢英组合以及有关的原矿的改造。在这方面，稀土元素的分布有效地控制了由以岩浆流体为主导天水流体为主的流体变化条件。钾质蚀变是由钙碱性岩浆产生的热液流体，其稀土元素丰度变化为轻、中稀土元素含量富集，而重稀土元素含量亏损，除了Eu外，矿化与未矿化的稀土元素丰度之比率由 La 到 Yb下降，由于这类水热流体中氧逸度低，Eu呈二价富集。二、火山岩中块状硫化矿床稀土元素研究加拿大多伦多大学利用稀土元素对成因作用（如分流结晶作用、 部分熔融程度上
16、的变化以及熔浆残余性质） 的的敏感，发现与矿化有关的长英质火山岩的稀土元素模式是平缓的，并具有显著的Eu异常；而无矿长英质火山岩模式显示出轻稀土元素的强烈富集，而Eu异常微弱货没有。根据稀土元素的地球化学特征，玉矿有关的长英质火山岩分为两类：拉斑玄武岩型和钙碱性岩型。第三章读书感想与收获通过这次阅读微量元素地球化学及其应用这本书，我复习了前面微量元素的基本知识，同时，开拓了思路，将微量元素应用的范围更加广泛，比如它广泛应用于指示岩浆分异程度、板块的构造环境、板块移动速度、俯冲带的深度、岩相古地理环境与变质岩的原岩恢复；学会了新的方法， 比如根据微量元素比值来确定源区，指示形成环境；取得新的见解，比如了解了锆石与金红石、石英的温度计以及适用范围，通过不同价离子的比值来恢复形成时的氧逸度。通过阅读，我感觉要得到微量元素的含量是核心，关键在于技术的发展。这些年发展起来的 ICP-MS、AAS、ICP-AES、XRF、NAA 等，将微量元素的测量计算到 ppb 数量级，
