地球化学讲义微量元素地球化学（中国地质大学）

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1、地球科学学院地球化学教研室——多媒体课件地球化学geochem@cug.edu.cn第四章微量元素地球化学本章内容基本概念微量元素在共存相中的分配岩浆作用过程中微量元素的定量分配模型稀土元素地球化学微量元素的示踪意义中国地质大学地球科学学院地球化学系制作，更新微量元素地球化学是研究微量元素在地球及其子系统中的分布特征、化学作用及化学演化的一门分支学科。它根据系统的特征和微量元素的特性，阐明他们在地球系统中的分布分配，在自然体系中的性状以及在自然界的运动过程和演化历史。微量元素可以作为地质—地球化学作用的示踪剂，其特色之处就是能近似定量地解决问题，使实际

2、资料与模型设计结合起来。为此，他们在解决当代地球化学的基础理论问题—如天体、地球、生命和元素的起源，为人类提供充足资源和良好生存环境等方面正发挥着重要作用。中国地质大学地球科学学院地球化学系制作，更新一、基本概念什么叫微量（minor）或痕量（trace）元素人们常常相对于地壳中的主量元素而言，为此有人把地球化学体系中低于0.1%的元素，通称为微量元素。然而，所谓主量和微量元素在自然界不同体系中是相对的概念，常因所处的体系不同而异，如K在地壳整体中是主量元素，但它在陨石中却被视为微量元素。1968年Gast对微量元素的定义是：指的是不作为体系中任何相的

3、主要化学计算组分存在的元素。有的学者根据元素在所研究的地球化学体系中的浓度低到可以近似服从稀溶液定律（亨利定律）的范围，则称该元素为微量元素。微量元素地球化学是地球化学的一个重要分支，它研究在各种地球化学体系中微量元素的分布、分配、共生组合及演化的规律，其特色之处就是能够近似定量地解决问题，使实际资料和模型计算结合起来。中国地质大学地球科学学院地球化学系制作，更新二、微量元素在共存相中的分配在一定的环境（物理化学条件）中，一切自然作用体系均趋向于平衡。当达到平衡时，常量元素微量元素体系中的浓度很高极低独立矿物能形成独立矿物不能形成独立矿物，但在平衡共存

4、的矿物之间（或液相－固相之间）进行分配控制因素受相律控制(f=k-ø+2)，遵从化学计量原则受自身及矿物的晶体化学性质和环境的物理化学条件控制，服从稀溶液定律，即在平衡共存的各相之间化学位相等微量元素分配的微观理论—只是定性地说明问题。二十世纪三十年代的戈尔德施密特类质同像法则；五十年代林氏电负性法则；六十年代用晶体场理论讨论过渡族元素的分配规律；七十年代用分子轨道学说对共价键性质化合物元素分配的解释；八十年代引入了量子力学，量子化学观点……中国地质大学地球科学学院地球化学系制作，更新1.前提条件：一定的温度、压力下，微量元素在两相中可以形成液态（或固

5、态）的稀溶液；2.微量元素在两相中的化学位计算u：离子化学位；uθ：标准状态下化学位（25℃，1atm）α：离子活度（当溶液中离子的浓度β趋近于0时，活度与浓度成正比，比例系数k即亨利系数：α＝kβ）；T：体系的绝对温度；R：气体常数（8.314J/mol·K)；1和2：两个相。3.微量元素在两相中分配达到平衡时：＝常数这就是能斯特分配定律：一定温度压力下,微量元素在平衡共存的两相之间进行分配,其分配系数KD是一常数,其大小等于微量元素在两相中浓度的比值。中国地质大学地球科学学院地球化学系制作，更新4.进一步的讨论：可见，微量元素在某相中的化学位越低，

6、它的含量就会越高，就像是水往低处流一样的道理5.微量元素在岩石与熔体之间的分配系数：常用岩石中所有矿物的分配系数与岩石中各矿物含量的乘积之和一表达。即n：含量微量元素i的矿物数Wj：第j种矿物的质量百分数KDi：第j种矿物对微量元素的简单分配系数中国地质大学地球科学学院地球化学系制作，更新6.分配系数的测定：以岩浆作用过程中微量元素在结晶相（固相）和熔体相（液相）中的分配系数测定为例，目前有两种测定方法：直接测定法：直接测定地质体中两平衡共存相如火山岩中的斑晶和基质中的微量元素浓度，再按分配定律进行计算。斑晶代表熔体结晶过程中形成的矿物，基质代表熔体相

7、。实验测定法：用化学试剂合成与天然岩浆成分相似的玻璃物质，实验使一种矿物与之达到微量元素的分配平衡，然后测定元素在两相中的浓度，计算得到分配系数。中国地质大学地球科学学院地球化学系制作，更新7.分配系数的影响因素：体系组分的影响—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，不同硅酸盐熔体共存时微量元素分配情况明显不同；如斜长石中钙长石含量增多，稀土元素Eu在斜长石与熔体间的分配系数趋于减小。中国地质大学地球科学学院地球化学系制作，更新▲体系温度的影响—由能斯特定律可以导出：lnKD=-(△H/RT)+B式中：△H表示微量元素在两相中的热焓变

8、化，B是积分常数。可见分配系数与体系温度的倒数呈线性关系，这也就是微量元素温度计的基本原理。▲