微量元素地球化學(xué)劉軍鋒

長安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院一.

導(dǎo)言二.

相關(guān)基本概念三.

俯沖碰撞帶中微量元素地球化學(xué)四.垂向殼幔相互作用中的微量元素地球化學(xué)五.地殼的形成與演化六.微量元素的活動性七.巖漿巖源區(qū)物質(zhì)類型及成巖過程的識別微量元素地球化學(xué)研究中值得注意的幾個問題提綱地球化學(xué)是根據(jù)原子和離子的性質(zhì)，研究化學(xué)元素在礦物、礦石、巖石、土壤、水及大氣圈中的分布和含量，以及這些元素在自然界中的遷移

——戈爾德施密特（1954）地球化學(xué)是研究整個地球中化學(xué)元素及其同位素分布的規(guī)律性

——Wedepohl(1969)地球化學(xué)就是地球的化學(xué)，它是研究地球（也包括部分天體）的化學(xué)組成、化學(xué)作用及化學(xué)演化的學(xué)科

——涂光熾（1984）地球化學(xué)科學(xué)地研究化學(xué)元素，即研究地殼的原子，在可能的范圍內(nèi)也研究整個地球的原子。研究原子的歷史、原子在空間及時間上分配與運動的情形，以及它們在地球上的相互成因關(guān)系

——維爾納斯基（1924）地球化學(xué)經(jīng)歷了

從宏觀→微觀→宏觀的發(fā)展歷程一、導(dǎo)言初期：宏觀——元素豐度（各種巖石、地殼、地球）微觀——元素地球化學(xué)行為：類質(zhì)同象、分配系數(shù)、成巖定量模型（部分熔融、分離結(jié)晶、混合作用）宏觀——化學(xué)地球動力學(xué)（地幔不均一性、殼幔相互作用、殼幔地球化學(xué)演化）地球演化的行為具有整體性，其不同的圈層通過多種途徑發(fā)生相互作用，導(dǎo)致了“地球系統(tǒng)科學(xué)”思想的產(chǎn)生和發(fā)展?！暗厍蛳到y(tǒng)科學(xué)”強調(diào)地球不同圈層、不同單元相互作用的整體性和關(guān)聯(lián)性。長期以來地球化學(xué)強調(diào)的是元素、同位素的分布、遷移;

今天應(yīng)強調(diào)它們的示蹤作用。地球化學(xué)是一門示蹤的科學(xué)！

事物的大小和價值之間并沒有必然的聯(lián)系，…盡管描述的對象十分微小，但所獲得的結(jié)論卻相當(dāng)重大。-SorbyG一、導(dǎo)言Pearce和Cann（1971，1973）最先提出根據(jù)化學(xué)成分限定巖漿起源的大地構(gòu)造背景。Ti-Zr，Ti-Zr-Y,Ti-Zr-Sr判別圖解(tectonic-magmaticdiscriminationdiagram)。至今已識別出20多種巖石的大地構(gòu)造環(huán)境。判別分析的統(tǒng)計學(xué)技術(shù)+不活潑微量元素+已知大地構(gòu)造環(huán)境一、導(dǎo)言新災(zāi)變論的提出

1980年，Alvarez在意大利亞平寧山脈的Gubbio鎮(zhèn)的白堊-第三紀海相地層內(nèi)約2cm粘土層中，測得Ir:9.1×10-9,

高出其下層石灰?guī)r30倍，與球粒隕石相近，

10±4km的小行星沖擊地球(65Ma)造成恐龍、有孔蟲大量滅絕一、導(dǎo)言意大利幾個剖面上K-R界線附近樣品中銥的含量變化圖例說明：1和2：Gubia地區(qū)

1.Bottaccione區(qū)

2.Contessa區(qū)3-5:Gubia地區(qū)以北

3.Acqualagna區(qū)

4.Petriccio區(qū)

5.GorgoaCarbara區(qū)(樣點上縱向線表示取樣厚度,

橫向線為測量的標準偏差;R/K粘土混合大樣為四個剖面上四條界線粘土樣品銥的平均值)月球的形成——來自地球-月球體系的Nb/Ta系統(tǒng)證據(jù)流行模式：巨大的，火星大小的撞擊體與原始地球相撞問題：撞擊物質(zhì)對月球總質(zhì)量的貢獻撞擊事件與地核形成相對時間Nb-Ta難熔，親巖石圈Nb/Ta在類地行星比值應(yīng)與球粒隕石相同一、導(dǎo)言Munker(2003)用MC-ICPMS精確測定球粒隕石Nb、Ta,Nb/Ta高出已有數(shù)據(jù)13%，整個太陽系（球粒隕石）19.9±0.6OIB,CFB太古代綠巖，大陸殼

Nb/Ta6-19地球低于球粒隕石Nb/Ta14.0±0.3月球KREEP巖高于球粒隕石

17.0±0.8月球玄武巖低于球粒隕石Nb為中等親Fe元素，進入地核一、導(dǎo)言撞擊地球的天體對月球的貢獻:

51±13%，<65%地球物理>70%地核形成與撞擊事件可能同時巨型天體撞擊地球形成月球最低年齡

(4.533±2)×109

(Hf-W)二.

相關(guān)基本概念1.動力學(xué)2.造山作用3.微量元素分類4.分配系數(shù)5.地幔不均一性與地幔端元1.動力學(xué)動力學(xué)：一個系統(tǒng)的性能是如何隨時間變化Dynamics-

廣義的,宏觀的Kinetics-狹義的,微觀的;研究化學(xué)反應(yīng)的速率和歷程大陸動力學(xué)-研究大陸形成、演化有關(guān)的地球內(nèi)部各種過程及控制要素之間的制約機制化學(xué)地球動力學(xué)：Chemicalgeodynamics

應(yīng)用地球化學(xué)方法示蹤地幔和地殼的形成過程和歷史，探索固體地球的化學(xué)結(jié)構(gòu)與層圈之間的相互作用2．造山作用匯聚板塊邊緣進行的大地構(gòu)造作用稱為造山作用。這種大地構(gòu)造作用形成的地質(zhì)體稱為造山帶（Seng?r,1990）(阿爾卑斯，喜馬拉雅型；阿爾泰型)Liegeors(1998)將造山過程劃分為：

造山，后造山和非造山造山包括：活動邊緣、碰撞和后碰撞后造山和非造山屬于板內(nèi)過程（intraplate）二.

相關(guān)基本概念（之2）造山（活動陸緣-碰撞-后碰撞）后造山非造山二.

相關(guān)基本概念（之2）大量巖漿作用發(fā)生在主碰撞期后、板內(nèi)時期之前后碰撞（postcollision）發(fā)生在主碰撞期之后，主要海洋已關(guān)閉，但伴有沿剪切帶的大規(guī)模水平運動，其巖漿作用的標志是：鉀質(zhì)的,特別是高鉀鈣堿性的巖漿作用、強過鋁的和堿性過堿性花崗巖，少量橄欖玄粗巖系。2．造山作用微量元素分類

a.不相容元素:(incomptibleelement)

相容元素:(comptibleelement)b.高場強元素:HFSE(HighFieldStrengthElements)

c.不活動元素二.

相關(guān)基本概念（之3）3．微量元素分類a.不相容元素(incomptibleelement)在巖漿結(jié)晶過程(或由固相部分熔融)中不易進入固相,而保留在與固相共存的熔體或熔液中的元素,即它們的固/液分配系數(shù)小于1,Li、Rb、Cs、Be、B、REE、U、Th、W、Sn、Pb、Zn等,許多不相容元素具有較大的離子半徑，稱為大離子親石元素LIL(LargeIonLithophileelement)3．微量元素分類

b.高場強元素:HFSE(HighEieldStrengthElements)電價高(離子電位高)(>3),不易溶于水,如Th、Nb、Ta、P、Zr、Hf、HREEc.不活動元素:在變質(zhì)或交代、蝕變作用過程中化學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)為隋性的微量元素。離子電位低（<3）或很高(>12)。微量元素分類圖Grant(1986)提出了識別元素活動性的Isocon圖解Maclean(1987)提出了用雙變量投影分析：在一直角坐標中，用一相容元素對一不相容元素作圖，當(dāng)它們都是不活動元素時，就會構(gòu)成一條相關(guān)線，即它們的濃度保持恒定比值，這條相關(guān)線通過總成分點和原點?！邎鰪娫豊b、Ta、Zr、Hf、Th-REE一般是不活動的3．微量元素分類?活動和不活動元素的蝕變趨勢(Mackean

等,1987)分配系數(shù)：恒溫恒壓下,微量元素在兩相(多數(shù)情況下是晶體相-礦物和液相-熔體)之間的平衡濃度比總分配系數(shù)：一體系中所有礦物相的簡單分配系數(shù)加權(quán)和4.分配系數(shù)微量元素分配系數(shù)在火成巖體系的表述：微量元素分配系數(shù)及其意義上式也稱為Nernstpartitioncoefficient

假如元素i在各相中具有稀溶液性質(zhì)，則它在兩相之間分配達到平衡時，其含量比值為一常數(shù)，我們稱微量元素這種行為服從Henry’sLaw。電子探針（EMP）:優(yōu)點：1μm；缺點：高檢測限（0.1%級）每次實驗時加入1-2個微量元素；同時用不同含量的實驗證明服從Henry’sLaw微束分析方法：

優(yōu)點：低檢測限（ppm）,能同時測定多個天然豐度微量元素；缺點：20-30μm束斑。質(zhì)子探針（PIXE）:Ni,Cu,Zn,Ga,Ge,Pb,Rb,Nb,Sr,Zr,Y離子探針（SIMS）：24個微量元素激光熔樣電感耦合等離子體質(zhì)譜（LAM-ICP-MS）：27個(LILE,HFSE,REE,TE)5．地幔不均一性與地幔端元橫向：幾百公里（地體級），小到幾公里，甚至幾米，幾厘米縱向：巖石圈地幔，軟流圈地幔地幔端元：end-member;mantlecomponent;flavor;(white,1985)(1)

在地幔中互相分離的儲源(2)

它們僅是地幔中巖石連續(xù)的同位素組成的極端二.

相關(guān)基本概念（之5）DMM：虧損的洋中脊玄武巖地幔（DepletedMORBMantle），源自軟流圈143Nd/144Nd0.5131-0.513387Sr/86Sr0.7020-0.7024206Pb/204Pb17.0-17.8176Hf/177Hf0.2831-0.2835

HIMU:高U/Pb地幔，來源于再循環(huán)洋殼，俯沖前的洋底熱液液作用，或俯沖期間的脫水失去部分Pb而形成高μ值

143Nd/144Nd0.5128

87Sr/86Sr0.7026-0.7030206Pb/204Pb21-22176Hf/177Hf0.28295．地幔不均一性與地幔端元EMⅠ：Ⅰ型富集地幔,為地幔本身分異相聯(lián)系的交代富集地幔,多數(shù)人認為存在于巖石圈地幔中軟流圈來源的和小體積富K、揮發(fā)分的熔體交代下插板片脫水釋放富LIL，HFSE的流體交代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,為殼-幔再循環(huán)相聯(lián)系的交代成因富集由循環(huán)的洋殼和少量俯沖的沉積物混合而成，或地幔巖漿受沉積物混染。87Sr/86Sr高，207Pb/204Pb高,Rb/Sr高

143Nd/144Nd0.5126

87Sr/86Sr0.707206Pb/204Pb18.5-19.5176Hf/177Hf0.2828FOZO：地幔集中帶（focalzone），代表深部地幔成分，可能是下地幔，由起源于核-幔邊界層的地幔柱捕獲。在EMⅠ-EMⅡ-DM-HIMU圖中，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;

此外還有PREMA（Prevalentmantle）稱為流行地幔，近年來已被“FOZO”C型(“Common”Component)和PHEM(promitiveheliummantle)代替地幔端元圖不同端元Sr-Nd-Pb同位素圖（Hofmann，2003）不同地幔端元微量元素組成表

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

大陸地殼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