地球化学课件专题四-微量地球化学-1.ppt

北京大学地球与空间科学学院地球化学研究所地球化学授课老师： 李 秋 根E-mail: Phone: 17710232876 (MP) Room: 新地学楼35081一、同位素的概念及类型；一、同位素的概念及类型；二、自然界物质中同位素组成变化的原因；二、自然界物质中同位素组成变化的原因；三、同位素年龄测定的基本原理；三、同位素年龄测定的基本原理；四、自然界同位素的分布和特征四、自然界同位素的分布和特征2专题四专题四 地球化学基本方法地球化学基本方法一、同位素地球化学二、微量元素地球化学3本章节教学目的和教学要求：本章节教学目的和教学要求：一、了解微量元素的概念及性质；一、了解微量元素的概念及性质；二、掌握微量元素分配系数的影响因素及应用；二、掌握微量元素分配系数的影响因素及应用；三、了解稀土元素地球化学特点；三、了解稀土元素地球化学特点；四、掌握微量元素地球化学示踪作用四、掌握微量元素地球化学示踪作用二二 微量元素地球化学原理微量元素地球化学原理4本章节重点内容：本章节重点内容：一、掌握微量元素分配系数的影响因素；一、掌握微量元素分配系数的影响因素；二、熟知微量元素分配系数的应用；二、熟知微量元素分配系数的应用；三、掌握微量元素地球化学示踪作用。

三、掌握微量元素地球化学示踪作用二二 微量元素地球化学原理微量元素地球化学原理5 本章内容本章内容一、微量元素地球化学应用的理论基础一、微量元素地球化学应用的理论基础二、稀土元素地球化学二、稀土元素地球化学三、微量元素地球化学示踪三、微量元素地球化学示踪二二 微量元素地球化学原理微量元素地球化学原理6概述概述1. 1.微量元素地球化学概念微量元素地球化学概念2. 2.地球化学的手段地球化学的手段 3. 3.研究意义研究意义: :n n示踪示踪n n物理化学条件物理化学条件n n地球化学过程地球化学过程二二 微量元素地球化学原理微量元素地球化学原理71. 1. 基本概念和定律基本概念和定律1 1）微量元素的概念和特征：）微量元素的概念和特征：（1 1）概念：主要（常量）元素之外，）概念：主要（常量）元素之外，0.1%0.1%的元素；的元素；地球化学研究，习惯地球化学研究，习惯上将矿物中不记录分子式而在该矿物中存在的元素称为微量元素上将矿物中不记录分子式而在该矿物中存在的元素称为微量元素White (2010)硅酸岩地球Gast (1968)：不作为体系中任何相的主要组分存在的元素一、微量元素地球化学应用的理论基础81. 1. 基本概念和定律基本概念和定律1 1）微量元素的概念和特征：）微量元素的概念和特征：（2 2）特征：）特征： v相对的；v变化范围大，常量一般小于1个数量级，微量常达2个数量级及以上；SiO2：基性(45 wt%) 、中基性(52 wt% )、中酸性(65wt%)、酸性(75wt%)，相对变化量：1.7；Rb：基性(0.2)、中基性(4.5)、中酸性(100)、酸性(200ppm)， 相对变化量：1000.v低浓度是微量元素的核心特征，其最基本行为符合稀溶液定律。

一、微量元素地球化学应用的理论基础91. 1. 基本概念和定律基本概念和定律2 2）溶质和溶剂的概念）溶质和溶剂的概念溶液由溶质和溶剂组成溶质：物质中含量较少的部分 微量元素溶剂：物质中较多的部分 主要元素一、微量元素地球化学应用的理论基础101. 1. 基本概念和定律基本概念和定律3 3）稀溶液的性质）稀溶液的性质 依数性（奥斯特瓦尔德，Ostward）：一般稀溶液所共有的性质，即：与浓度有关，而与溶质的性质无关 包括：蒸气压下降、沸点升高、凝固点下降和产生渗透压一、微量元素地球化学应用的理论基础11 在稀溶液中，溶剂的蒸气压等于同一温度下纯溶剂蒸气压 乘以溶液中溶剂物质的摩尔分数 ，用公式表示为：线性关系 性质十分相近的组分混合组成的溶液往往在整个浓度范围内都符合这一规律这类溶液称为理想溶液 不符合拉乌尔定律的溶液称为非理想溶液1. 1. 基本概念和定律基本概念和定律3 3）稀溶液的性质）稀溶液的性质 拉乌尔定律（Raoults Law）一、微量元素地球化学应用的理论基础121. 1. 基本概念和定律基本概念和定律3 3）稀溶液的性质）稀溶液的性质 理想溶液：在理想状态下混合组分的活度（ai）等于它们的浓度： ai = Xi ； 在非理想溶液中，当溶质越来越被稀释，其在溶剂中越来越分散，以至于溶质与溶质之间的相互作用可以忽略；因此，在高度稀释时，组分的活度与其浓度之间呈正比例变化，如左图中的虚线部分，即： ai =KiXi 。

Ki 为亨利常数一、微量元素地球化学应用的理论基础131. 1. 基本概念和定律基本概念和定律3 3）稀溶液的性质）稀溶液的性质 亨利定律（Henrys Law）：稀溶液定律 在组分i的稀溶液中（即摩尔分数Xi 0），物质i的蒸气压 Pi与稀溶液的 Xi呈线性关系： Pi = Ki Xi 只有符合亨利定律时,元素的含量才与热力学量有确定的关系一、微量元素地球化学应用的理论基础141. 1. 基本概念和定律基本概念和定律3 3）稀溶液的性质）稀溶液的性质 （1 1）溶剂性质溶剂性质遵守拉乌尔定律遵守拉乌尔定律( (理想溶液理想溶液) )：溶剂溶剂的活度等于纯溶剂的活度与其摩尔分数的乘积：的活度等于纯溶剂的活度与其摩尔分数的乘积：n na aj j = a= ao oj j X Xj j ； (P (Pj j = P= Po oj j X Xj j) )固溶体的许多常量组分混合行为符合拉乌尔定律，如橄榄石中的镁橄榄石和铁橄榄石组分；描述微量元素，如橄榄石中的镍2 2）稀溶液溶质的性质稀溶液溶质的性质遵守亨利定律遵守亨利定律( (实际溶液实际溶液) )： 即即溶质溶质的活度与溶质的摩尔分数成正比：的活度与溶质的摩尔分数成正比：n na ai i = = i i X Xi i ; (P; (Pi i= = i i X Xi i) )一、微量元素地球化学应用的理论基础152. 2. 微量元素分配系数微量元素分配系数1 1）能斯特分配系数）能斯特分配系数 亨利定律的地球化学表达：简单分配系数 在一定温度和压力条件下，当两个共存相、相平衡时，以相同形式均匀赋存于其中的微量组分i在这两相中的浓度比值不随组分的含量而改变，为一常数：KD =Xi/XiXi和Xi分别为元素i在A、B相中的浓度，KD为分配系数一、微量元素地球化学应用的理论基础162. 2. 微量元素的分配系数微量元素的分配系数 1 1）能斯特分配系数能斯特分配系数 设微量元素 在两个共存相和之间的分配达到平衡时，其化学位相等， 即：热力学活度一、微量元素地球化学应用的理论基础172. 2. 微量元素的分配系数微量元素的分配系数 1 1）能斯特分配系数）能斯特分配系数 K 为两相共存时的平衡常数亨利常数元素含量能斯特分配系数一、微量元素地球化学应用的理论基础182. 2. 微量元素的分配系数微量元素的分配系数 1 1）能斯特分配系数）能斯特分配系数 n n 该微量元素更多地进入该微量元素更多地进入 相相；n n 该微量元素更多地进入该微量元素更多地进入 相相；n n 该微量元素在两相中浓度该微量元素在两相中浓度相等相等。

一、微量元素地球化学应用的理论基础192. 2. 微量元素的分配系数微量元素的分配系数 1 1）能斯特分配系数）能斯特分配系数 v当为固相（矿物和岩石），为熔体相时，上述常数就是分配系数，一般表达为： Ki = cis/ cil 用C而不用X来代表组分i在固相s和液相l中的浓度因为对 于热力学的目的，mol比值方便；而对于地球化学，重量比值更简便一、微量元素地球化学应用的理论基础202. 2. 微量元素的分配系数微量元素的分配系数 1 1）能斯特分配系数）能斯特分配系数 v总体分配系数D：如果与溶液相平衡的结晶相（矿物相）超过一个，组分i在结晶相和液相间的分配系数Di为所有种类的结晶相与液相间分配系数Ki的加权和 Di = Ki / l x 这里： Ki / l 是组分i在结晶相和液相l间的分配系数 x是结晶相在整个固相中所占的比例 一、微量元素地球化学应用的理论基础212. 2. 微量元素的分配系数微量元素的分配系数 1 1）能斯特分配系数）能斯特分配系数 分配系数可以浅略理解成在晶体/溶体的体系中，元素进入晶体的能力 不相容元素： K或D1，倾向于富集在熔体相 相容元素： K或D 1，倾向于富集在结晶相离子半径10-10m离子电价v不相容元素可以分为2组高场强元素(HFSE)，有：REE, Th, U, Ce, Pb4+, Zr, Hf, Ti, Nb, Ta等大离子亲石元素(LILE)，有：K, Rb, Cs, Ba, Pb2+, Sr, Eu2+等。

LILE活动性更强，特别是有流体参与的系统一、微量元素地球化学应用的理论基础222. 2. 微量元素分配系数微量元素分配系数3 3）分配系数的影响因素）分配系数的影响因素 影响分配系数Ki的主要因素有：vv温度温度vv压力压力vv氧逸度氧逸度体系的组分体系的组分离子半径离子半径离子电价离子电价一、微量元素地球化学应用的理论基础232. 2. 微量元素分配系数微量元素分配系数3 3）分配系数的影响因素）分配系数的影响因素 v 温度分配系数的对数与温度的倒数（分配系数的对数与温度的倒数（1/T1/T）呈线性关系；）呈线性关系；矿物与熔体之间的分配系数随温矿物与熔体之间的分配系数随温度增高而减小度增高而减小微量元素地质温度计应用的基础微量元素地质温度计应用的基础一、微量元素地球化学应用的理论基础242. 2. 微量元素分配系数微量元素分配系数3 3）分配系数的影响因素）分配系数的影响因素 v 温度温度升高，分配系数降低，表明高温下离子倾向于进入溶体温度升高，分配系数降低，表明高温下离子倾向于进入溶体一、微量元素地球化学应用的理论基础252. 2. 微量元素分配系数微量元素分配系数3 3）分配系数的影响因素）分配系数的影响因素 v 压力稀土随压力变化稀土随压力变化一、微量元素地球化学应用的理论基础262. 2. 微量元素分配系数微量元素分配系数3 3）分配系数的影响因素）分配系数的影响因素 v 压力压力升高，分配系数升高，表明高压下离子倾向于进入固相。

一、微量元素地球化学应用的理论基础272. 2. 微量元素分配系数微量元素分配系数3 3）分配系数的影响因素）分配系数的影响因素 v氧逸度KEu斜长石/玄武质岩浆 氧逸度升高，氧逸度升高， EuEu在在斜长石/玄武质岩浆间的分配系数分配系数KEu降低降低 氧逸度的影响主要体现在那些具有可变价态的元素上（如氧逸度的影响主要体现在那些具有可变价态的元素上（如EuEu、FeFe、V V、MoMo等）等）一、微量元素地球化学应用的理论基础282. 2. 微量元素分配系数微量元素分配系数3 3）分配系数的影响因素）分配系数的影响因素 v氧逸度 氧逸度的影响主要体现在那些具有可变价态的元素上（如氧逸度的影响主要体现在那些具有可变价态的元素上（如EuEu、FeFe、V V、MoMo等）等）Lee et al. (2003)Lee et al. (2003) 主要地幔矿物和玄武岩主要地幔矿物和玄武岩熔体间的分配系数随氧逸度熔体间的分配系数随氧逸度的变化的变化一、微量元素地球化学应用的理论基础292. 2. 微量元素分配系数微量元素分配系数3 3）分配系数的影响因素）分配系数的影响因素 v氧逸度一、微量元素地球化学应用的理论基础302. 2. 微量元素分配系数微量元素分配系数3 3）分配系数的影响因素）分配系数的影响因素 v熔体的总体成分（溶剂）影响各类岩浆中，角闪石REE的分配系数vv体系组分对分配系数的影响主要体系组分对分配系数的影响主要反映在熔体反映在熔体( (岩浆岩浆) )的组分变化上的组分变化上v岩浆岩化学成分的变化在很大程度上取决于硅酸盐熔体的结构随着岩浆组成从基性向中酸性演随着岩浆。