专家讲解—岩石地球化学5-微量处理

Sun, S., McDonough, W.F., 1989. Chemical and isotopic systematics of oceanic basalts: implications for mantle composition and processes. In: Saunders, A.D., Norry, M.J. (Eds.), Magmatism in the Ocean Basins. Geological Society London. Special Publications, vol. 42, pp. 313–345.
注意各类岩 石的典型元 素特征变化
10
1 Rb Nb Ta Ce Sr Nd Zr Eu Ti Dy Y Tm Lu Ba Th U La Pr Pb Sm Hf Gd Tb Ho Er Yb
Niu Y, 2006
Ultra-K rocks in Lhasa block
Pb
Hofmann, 2004
元素 原始地幔
P 95
Sm 0.444
Zr 11.2
Hf
Eu
Ti 1300
Gd
Tb
Dy
Ho
Y 4.55
Er 0.48
Tm
Yb
0.309 0.168
0.596 0.108 0.737 0.164
0.074 0.493
多元素蜘蛛图的原始文献 和标准化数据 (Spider diagram)
Sun S-S & W F MacDonough, 1989
Nb
Ti
为什么岛弧火山岩出现Nb、Ta的负异常？
正常岛弧火山岩由源自俯冲板片脱水产生的 流体交代地幔楔发生部分熔融而形成，这种 富水的流体亏损高场强元素（HFSE），如 Nb(Ta)、Ti、P等元素，这些元素的流体/岩 石分配系数很小（1)，因此，在流体交代 地幔楔形成的正常岛弧火山岩中出现显著的 Nb（Ta）、Ti负异常（在微量元素原始地 幔标准化蛛网图上相对于相邻元素 K 、La 和Eu、Gd）。
孙贤鉥 (1943-2005)
孙贤鉥博士(哥伦比亚大学,1973)
国内设立了—孙贤鉥地球化学青年科学家奖
第一届，徐义刚；第二届，王强；第三届，杨进辉，第四届，赵子福
孙贤鉥 (1943-2005)
国际著名地球化学家孙贤鉥先生1943年10月27 日出生于福建省福州市，抗日战争胜利后，随父母移居台湾省 台北市。1962年被免试保送台湾大学地质系学习。 1968年，孙贤鉥先生赴美国求学，师从著名地球化学家Paul Gast，先后在纽约的哥伦比亚大学和休斯顿美 国宇航局约翰逊空间中心从事铅同位素地球化学研究，1973年获得博士学位。期间，他在铅同位素地球化学等研 究领域取得了诸多开创性成果。相关论文陆续发表在Nature、Science等国际知名学术刊物上并得到了广泛的引用 ，其中有关年轻玄武岩铅同位素的文章(Sun，1980)SCI引证次数已经超过700次，成为这一研究领域一个里程碑 式的经典论文。 1973年-1975年，孙贤鉥先生在纽约大学石溪分校做博士后，随Gilbert Hanson从事碱性玄武岩的研究，在许 多重要的刊物上发表了多篇高水平的论文。 1975年，孙贤鉥先生前往澳大利亚的阿德雷德大学工作，期间对太古宙科马提岩、高镁玄武岩、大洋玄武岩 和蛇绿岩等岩石进行了开创性的地球化学研究，再次显示了他卓越的科研才能，相继发表了多篇至今仍被广泛引 用的论文。其中有关洋中脊玄武岩地球化学的文章(Sun，Nesbitt and Sharaskin，1979)SCI引证次数已经超过500 次。 1977年，孙贤鉥先生在悉尼澳大利亚联邦科学和工业研究组织矿物研究实验室工作，从事氧、硫等稳定同位 素的研究。 1981他成为澳大利亚矿产资源局主任研究员，1999年退休。在此期间，他发表了一系列有关地球的化学组成 、演化以及元素地球化学性质的文章，成为当代地球科学界广泛引用的经典之作。其中最为著名的是1989年他和 他的学生McDonough在Geological Society Special Publication上发表的关于地幔化学和同位素体系的文章 ： Chemical and isotopic systematics of oceanic basaltsmplications for mantle composition and processes， 迄今已被SCI论文引证超过2800次；另一篇论文：The composition of the Earth (McDonough and Sun，1995)，也 已经被SCI论文引证近800次。
Ti=TiO2*10000*0.5995/1300
P=P2O5*10000*0.43646/95
这里K2O、 TiO2、 P2O5单位均为重量百分数
（1）多元素标准化图解
作图方法： 演示：
（1）多元素标准化图解 图解的基本解释
大离子亲石元素 HFSE
HREE
幔源玄武 岩的成分
地壳的成分
Hofmann, 2004
第三章、岩石地球化学数据的处理与解释
三、微量元素处理和解释 1. 微量元素处理方法
（1）多元素标准化图解
（2）元素或者运算后元素投点图
2. 微量元素的用途
1. 微量元素处理方法
（1）多元素标准化图解
A 属于REE标准化图解的扩展和普及化，最早用于
玄武岩，现在可以用于所有岩石（岩浆岩和沉积
岩）类型。
岛弧火山岩成因
Key distinctive features are Addition of subduction-mobile elements (K, Rb, Sr, Th etc. from the subducting plate
Increased melting caused by fluid addition to the mantle
多元素标准化数据
I 原始地幔 （primitive/primordial mantle）
目前常用的元素排列顺序和数值根据 Sun & MacDonough, 1989
II 球粒陨石
Sun & MacDonough, 1989
III MORB, Pearce, 1983 IV 沉积岩
NASC，Gromet et al, 1984 平均地壳成分根据－－Taylor & McLennan, 1981 Rudnick & Gao, 2004
B. 过渡金属元素（Transition metal)
第三章、岩石地球化学数据的处理与解释
三、微量元素处理和解释 1. 微量元素处理方法
（1）多元素标准化图解
（2）元素或者元素比值投点图
（2）元素或者元素运算后投点图
包括： 二元或者三角图 元素对元素
V ppm 600
IAT
MORB OIB
元素比值对元素
Sun & MacDonough, 1989
标准化顺 序和数值 球粒陨石 原始地幔
其中有些不用， 例如Tl，Sc，W ，Sn，F等
作图Cs= 0.0079
作图Pb= 0.071
Sun & MacDonough, 1989
Sun & MacDonough, 1989
目前常用顺序-可以适当变化
Chung等，2004，Earth Sci. Rev.
Leabharlann Baidu
岩浆岩出现Nb、Ta、Ti的负异常的引申含义 具有大陆地壳 物质的参与
参与的物质由 交代流体带来 流体是富集K, Rb, Sr, Th， 亏损 Nb、Ta 、Ti
Chung等，2004，Earth Sci. Rev.
1. 微量元素处理方法
（1）多元素标准化图解
其他多元素标准化图解:
A. 铂族元素（Platinum metal Group Elements）
第三章、岩石地球化学数据的处理与解释
第一节、主量元素数据处理与解释
第二节、微量元素数据处理与解释
第三节、同位素数据处理与解释
第三章、岩石地球化学数据的处理与解释
第二节、微量元素数据处理与解释
一、控制微量元素行为的地球化学规律 二、稀土元素处理和解释
三、微量元素处理和解释
（包括稀土在内的微量元素特征）
目前常用顺序-可以适当变化
Williams et al, 2001，Geology
目前常用顺序-可以适当变化
Xu et al，2001，Geology
可以简化使 用的顺序
Chung et al，2003，Geology
（1）多元素标准化图解
作图方法： A. 同REE相似，分别除以标准化数值，再作图 B. 注意其中的主量元素，特殊算法 K=K2O*10000*0.83013/250
B 标准化数值——原始地幔、球粒陨石，或者
MORB C 作图的意图——比较样品与标准化数据之间的偏 离程度
（1）多元素标准化图解
中文表达方式———— 原始地幔(球粒陨石)标准化多元素图解, 微量元素含量蜘蛛图 英语表达方式———— Normalized multi-element diagrams /incompatible element diagrams / spider diagrams Primitive mantle-normalized incompatible trace element variation diagrams … Trace element concentrations normalized to chondrite of …… Spider diagram of ……
（模拟计算反演源岩和过程）
（3）鉴别岩石形成的构造环境
重要元素对岩石成因的指示意义
（After Green 1980）
元素 特征解释
高度相容元素，N i 和C o 赋存在Ol 中，C r在Sp和C px中，这些元素的高度富集（例如N i ＝250-300 ppm, C r=500Ni, Co, Cr 600 ppm）暗示着岩石母岩为地幔橄榄岩，如果岩石系列显示N i 的逐渐降低 （C o 也可以显示同样规律） 则预示着 Ol 的分离结晶作用。C r的逐渐降低代表尖晶石或者C px的分离结晶作用。 它们在部分熔融和分离结晶过程中显示相似的特征。都倾向于进入Fe-T i 氧化物（钛铁矿和钛磁铁矿)， 是钛铁矿和 钛磁铁矿结晶分异的示踪剂。如果V和T i 显示差异性质， 则T i 可以类质同象进入一些副矿 物相，例如榍石和金红石。 极不相容元素，基本不进入主要的地幔矿物相，有时可以与T i 类质同象进入副矿物相，例如榍石和金红石。 不相容元素，在钾长石。云母或者角闪石中可以替换K。Rb在角闪石中类质同象替换能力弱于在钾长石和云母中，因 此K/Ba比值可以用来鉴别这些矿物相。 在Pl 中容易类质同象替换C a（但是在Py中不取代C a），在钾长石中替换K，在浅部低压条件下当Pl 作为早期结晶相 的时候，显示相容元素特征，因此Sr或者C a/Sr比值是鉴别Pl 参与的有力指示剂。但是Sr在高压的地幔条件下，当Pl 不 稳定的时候，显示不相容元素特征。 石榴石(Opx和角闪石稍弱)容纳重稀土元素，因此会导致轻稀土的分异。榍石和Pl 倾向于吸纳轻稀土元素。C px仅导 致REE轻度分异。Eu强烈倾向进入Pl 中，因此Eu异常可以鉴别是否有Pl 的参与。 常类似于HREE，显示不相容元素特征。强烈倾向进入石榴石和角闪石中，辉石次之。榍石和磷灰石也富集Y，因此如 果岩石中存在这些副矿物，将明显影响Y的分异。
元素比值对元素比值
元素运算后
0
0
Ti ppm
18000
（2）元素或者元素运算后投点图
包括： 二元或者三角图 元素对元素
元素比值对元素
元素比值对元素比值
元素运算后
（2）元素或者元素运算后投点图
包括： 二元或者三角图 元素对元素
元素比值对元素
元素比值对元素比值
元素运算后
2. 微量元素图解研究用途
（1）进行岩石分类 （2）研究岩石成因
Chondrite (C1) Normalized
100
N-MORB E-MORB OIB IAB C. Crust
各类岩石的 REE和微 量元素特征
10
La
Ce
Pr
Nd
Sm
Eu
Gd
Tb
Dy
Ho
Er Tm
Yb
Lu
Primitive Mantle Normalized
100
N-MORB E-MORB OIB IAB C. Crust
目前常用作标准化的原始地幔顺序和成分 （primitive/primordial mantle）
元素 原始地幔 Rb Ba Th U Nb Ta K 250 La Ce Pb Pr Sr 21.1 Nd 1.354 0.635 6.989 0.085 0.021 0.713 0.041 0.687 1.775 0.071 0.276