中国地质大学地球化学全套课件.

1) 目前国际上采用的CHUR参考值为：143Nd/144Nd=0.512638; 147Sm/144Nd=0.1967
计算出地球形成时的l43 Nd/144 Nd初始比值为0 506633。
第五章第3节Sm-Nd 同位素
中国地质大学（北京）
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中第国五地章质第大3节学S（m北-N京d 同）位素
模式年龄（Model Dates Based on
CHUR)
143 Nd 0
143 Nd t
147 Sm 0
144
Nd
CHUR
=
144
Nd
CHUR
+
144
Nd
CHUR
et 1
CHUR Model
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143 Nd t
143 Nd 0
147Sm 0
144
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实例
Whole-rock Sm-Nd geochronology on Late-Archaean Lewisian complex of Northwestern Scotland
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第五章第3节Sm-Nd 同位素
中国地质大学（北京）
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第五章第3节Sm-Nd 同位素
• Sm-Nd法用来测定因Rb/Sr值低或对Rb-Sr不再封闭的岩石年龄；
中国地质大学（北京）
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第五章第3节Sm-Nd 同位素
三、低变质相火山岩定年
1.Sm-Nd同位素系统的封闭性在低变质作用过程中不易被改变； 2.矿物及岩石的Sm-Nd同位素系统的封闭温度较高（相对于Rb-Sr而言）； 3.最早的Sm-Nd定年研究主要集中于太古宙火山岩的结晶年龄的测定。

①α衰变：原子核自发地放射出α粒子而发生的
衰变。
ZAM1
M A－4
Z－2 2
例 如：
226 88
Ra
222 86
Rn
24He
②β衰变: 原子核自发地放射出β粒子和中微
子而发生的放射性衰变. 分为β＋和－两种类型.
A.β+衰变:原子核自发放射出β+粒子。β+粒
子又称正电子，是质量与电子相等而带正电荷
University Press. ➢ Robin Gill, Chemical Fundamentals of Geology,1996, Chapman &
Hall. ➢ Mason, B., Moore, C.B. Principles of Geochemistry. (4th ed.). 1982,
➢ 郑永飞主编. 1999. 化学地球动力学，北京：科学出版社郑永 飞, 陈江峰(编著). 2000. 稳定同位素地球化学. 北京：科学 出版社.
➢ 于津生,李耀菘(主编), 1997. 中国同位素地球化学研究.北京： 科学出版社.
➢ 陈文寄,彭贵 (主编). 1991, 年轻地质体系的年代测定. 北京: 地震出版社.
应用：地球热源、地质时钟、矿物岩石形成 温度测定、成岩成矿地球化学机理推断、地 壳演化历史示踪以及地质作用指示剂；
同位素地质年代学的定义
地质年代学 (geochronology): 研究岩层形成的 年代顺序及测定其年龄值的学科。地质年代学包 括相对地质年代学和同位素地质年代学两大分支。 相对地质年代学的研究对象：地层、岩石、古生 物和古地磁。 同位素地质年代学（Isotopic geochronology)， 又称绝对地质年代学。它是研究同位素地质记时 方法并用以研究各种地质体的形成时间和演化历 史的一门地质科学。

第2章元素结合规律与赋存形式
酸性岩主要是K、Na、Si、Al、Be、Th等形 成的矿物组合，基性岩主要是Fe、Mg等形 成的矿物组合；
不同矿石、矿物元素组合方式千变万化，但 同一类型岩石中特定元素则相伴出现 （why??）。
反映自然界元素之间存在一定的结合倾向和 规律，即：元素存在形式和共生规律。
本章内容：
• 元素的地球化学亲和性； • 类质同象代换及微量元素共生结合规律； • 晶体场理论在解释过渡族元素结合规律上
的应用； • 元素结合的微观控制因素； • 元素的赋存状态及其研究方法；
计划学时10个
• 元素的地球化学亲和性
常量元素
• 矿物晶体结晶过程的类质同像
控制微量元素的地球化学行为
• 晶体场理论的控制
• 亲气元素(atmophile elements)：原子最外电子层具有8个电 子的稳定结构。具有挥发性，或易生成挥发性化合物。主 要集中在大气圈。
• 亲生物元素(biophile elements)：主要为C、N、H、O、P、 B等元素，一般富集在生物圈内。
元素地球化学亲合性形成的内在原因可以从以 下几方面进行分析：
元素电负性表
除了离子的电负性外，离子键性、电价、半径等 也影响元素的地球化学亲和性。
在判断元素的地球化学亲和性时，化学键性是第 一位的控制因素。键型相同时要考虑原子(离子) 结合时的几何稳定性，如半径－离子半径小的元 素亲氧，离子半径大的元素亲硫。
当元素间以共价键形式相结合时，因共价键有方 向性和饱和性，元素的结合还会受到配位多面体 形式的制约。
元素间电负性差值为判断元素结合时的化学键性 提供良好标尺。是制约元素亲和性的主要因素。 根据金属离子与氧或硫电负性差值可判断元素亲 氧或亲硫性强弱.

2 E eg + 3 E t2 g = 0
与 Ee − Et
g
2g
= 10 D q
联立求解得:
E t2 g = − 4 D q
和
E eg = 6 D q
当一个电子处于t2g轨道，将使系统能量下降4Dq， 若一个电子处于eg轨道，将使系统能量上升6Dq
dz2, d(x2－y2) －
eg
10Dq Es
图2.25 八面体配位中过渡金属离子d轨道的分裂示意图 In an octahedral crystal field，the energy of the d orbitals projected between the coordinates and the ligands (the t2g orbitals) are lowered relative to the energy of the orbitals projected toward the ligands (eg orbitals).
Electronic Configurations and Crystal Field Stabilization Energies of First Transition Series Metal Ions in Octahedral Configuration.
4. 八面体择位能
Octahedral site preference energy-OSPE 任意给定的过渡元素离子，在八面体场中的晶 体场稳定能一般总是大于在四面体场中的晶体 场稳定能。 二者的差值称为该离子的八面体择 位能(OSPE)。这是离子对八面体配位位置亲和 势的量度。八面体择位能愈大，驱使离子进入 八面体配位位置的趋势愈强，且愈稳定。 已证实：当离子溶解于存在着各种不同对称性 配位多面体的多组分熔体中时，如果热能在不 同位置上能量差相当，分子将在各位置中分配。

: :
:


成键原子能量示意图 原子A和B，红色圆球示价电子， 阴影区表示价电子云，根据它 们的电负性吸引电子， (a) 不成键原子的分离； (b) A和B电负性相近，电子之间 形成共价键； (d) A和B电负性差值较大，形成 完全离子键，A为阴离子，B为 阳离子； (c) A和B电负性差值中等 (XA>XB)形成部分离子键，部分 共价键， A带部分负电荷，B带 部分正电荷； 注意因电负性差异价电子位置 的变化(电子云分布)；
晶体结构稳定性 ：微观上是保持晶体结构稳定的 因素，包括化学键的方向性和离子间的最紧密堆 积等。宏观上是有利晶体结构稳定的热力学条件。
2.3.1 决定元素结合的基本规律
2.3.1.1 原子间结合方式—化学键类型
晶体中原子或离子之间的成键类型和强度是影响
矿物物理和化学性质最重要的因素，硬度、解理、 熔点、电导性和热导性、或热膨胀系数等直接与 键力大小有关。一般来说：平均键力越强，晶体 硬度越大，熔点越高，热膨胀系数越小。
第2章 元素结合规律与赋存状态
2.3 元素结合的微观控制因素
自然体系中元素的结合规律受体系中元素种类和 相对丰度控制; 任何条件下元素的结合都与原子内部结构(原子电 子层结构)有关。如果生成结晶化合物，元素结合 还与晶体结构有关。 控制元素结合的微观因素主要包括原子(离子)半 径、配位数、原子和离子的极化、最紧密堆积等。 元素的结合还受体系性质和热力学规律影响，受 体系化学组成、温度、压力、氧化还原电位等宏 观因素影响。
电负性在地球化学中的意义
1). 说明元素的地球化学性质和行为
根据周期表各族元素电负性与氢的电负性
比较,可以划分元素在化学反应中的酸碱性 特征。元素的电负性包含着其在自然反应 中表现酸碱度的标度，从而作为基本性质 决定其迁移性质和赋存形式。

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水环境地球化学研究
2024/1/25
水体化学组成与性质
研究水体中各种溶解物质、胶体物质和悬浮物质的含量、分布和 变化规律，揭示水体的化学性质。
水体中污染物的迁移转化
分析水体中污染物的来源，研究其在水体中的迁移、转化和归宿， 为水污染防治提供依据。
水环境地球化学过程
探讨水体中化学物质的循环、转化和相互作用过程，以及这些过程 对水环境的影响。
可燃冰资源勘查
利用地球化学方法分析可燃冰赋存层位的岩石、 土壤等介质中的气体组成和同位素特征，揭示可 燃冰的成因和分布规律。
2024/1/25
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环境资源评价中地球化学方法
1 2
环境质量评价
通过分析土壤、水、大气等环境介质中的元素和 化合物含量，评价环境质量状况及其对人类健康 的影响。
污染来源与迁移转化研究
灾害体地球化学特征分析
分析滑坡、泥石流等灾害体的物质组成、化学成分等地球化学特征 。
灾害预测和防治
结合地质环境地球化学评价和灾害体地球化学特征分析，进行滑坡 、泥石流等地质灾害的预测和防治。
26
人类活动对环境影响评价中地值 调查
调查评价区域的环境地球化学背景值 ，为环境影响评价提供依据。
研究地球化学异常的成因 机制，包括地震孕育过程 中的物理化学变化、地下 流体运移等。
异常时空演化规律
分析地球化学异常在时间 和空间上的演化规律，为 地震预测预报提供依据。
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火山活动监测和预警中地球化学方法
火山气体监测
通过监测火山释放的气体 成分和含量变化，判断火 山活动的状态和趋势。
2024/1/25
2024/1/25
数据获取和处理
地球化学数据获取困难，处理和分析方法复杂，需要进一步提高 数据质量和处理效率。

中国地质大学地球科学学院地球化学系制作,2010年6月1日更新
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由表可知:
地 球 化 学
对于这样的数据我们应有一个正确的的评价: 首先这是一种估计值,是反映目前人类对太阳系的认识 水平,这个估计值不可能是很精确的,随着人们对太阳系以 至于宇宙体系的探索的不断深入,这个估计值会不断的修正; 它反映了元素在太阳系分布的总体规律,虽然还是很粗 略的,但从总的方面来看,它反映了元素在太阳系分布的总 体规律. 如果我们把太阳系元素丰度的各种数值先取对数,随后 对应其原子序数作出曲线图(如下图)时,我们会发现太阳 系元素丰度具有以下规律:
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地 球 化 学
2.陨石的平均化学成分
要计算陨石的平均化学成分必须要解决两个问题:首先要了 解各类陨石的平均化学成分;其次要统计各类陨石的比例.各 学者采用的方法不一致.(V.M.Goldschmidt 采用硅酸盐:镍铁:陨硫铁=10:2:1).陨石的平均化学成分计算结果如下:
宇航员
月球车
火星车
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地 球 化 学
太阳系景观
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地 球 化 学
(二) 陨石的化学成分
陨石是从星际空间降落到地球表面上来的行星物体的碎片.陨石 是空间化学研究的重要对象,具有重要的研究意义: ① 它是认识宇宙天体,行星的成分,性质及其演化的最易获取, 数量最大的地外物质; ② 也是认识地球的组成,内部构造和起源的主要资料来源; ③ 陨石中的60多种有机化合物是非生物合成的"前生物物质", 对探索生命前期的化学演化开拓了新的途径; ④ 可作为某些元素和同位素的标准样品(稀土元素,铅,硫同位 素).

地球化学
——多媒体课件
2021年8月22日
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第五章 同位素地球化学
地
同位素地球化学是研究地壳和地球中核素的形成、丰
球 度及其在地质作用中分馏和衰变规律的科学。
化
学
同位素地球化学
2021年8月22日
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第五章 同位素地球化学
地
本章内容
球 自然界引起同位素成分变化的原因 化 学 同位素年代学
稳定同位素地球化学
2021年8月22日
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地 球 化 学
同位素地球化学在解决地学领域问题的独到之处：
1）计时作用：每一对放射性同位素都是一只时钟，自地 球形成以来它们时时刻刻地，不受干扰地走动着，这样可以 测定各种地质体的年龄，尤其是对隐生宙的前寒武纪地层及 复杂地质体。
2）示踪作用：同位素成分的变化受到作用环境和作用本 身的影响，为此，可利用同位素成分的变异来指示地质体形 成的环境条件、机制，并能示踪物质来源。
O的质子数P=8，但中子数分别为8、9、10，因此， 氧有质量数分别为16O、17O、18O三个同位素。
2021年8月22日
地 球 化 学
(一) 核素的性质
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(1)核素具有电荷：一个质子带有一个单位的正电荷，原子的核电荷数等于质子 数，并由此决定原子的核外电子数。核电荷数一旦改变就变成了另外一种元素， 同时核电荷数也影响着核的组成及结构，即决定核的稳定性。
112，114，115，116，117，118，119，120，122，124Sn 自然界也存在只有一种同位素单独组成的元素： Be、F、Na、Al、P等27种。其余大多数由2-5种同位素组 成。
2021年8月22日

Bougault & Hekinian 1974 Villemant et al. 1981 Nikogosian & Sobolev 1997 Villemant et al. 1981 Villemant et al. 1981 McKenzie & O'Nions 1991 Paster et al. 1974 McKenzie & O'Nions 1991 McKenzie & O'Nions 1991 McKenzie & O'Nions 1991 McKenzie & O'Nions 1991 Nikogosian & Sobolev 1997 McKenzie & O'Nions 1991 Frey 1969 Nikogosian & Sobolev 1997 Frey 1969 Villemant et al. 1981 Villemant et al. 1981 Kloeck & Palme 1988
Experimental
6.6
Experimental
0.007
Experimental
0.73
Experimental
1.85
Experimental
3.1
Experimental
12.2
Phenocrysts-Matrix
0.86 0.04 0.009 0.06 0.03 0.0004 0.01 0.0008 0.0013 0.0016 0.0015 0.007 0.0016 0.009 0.021 0.018 0.04 0.03 0.7
Mineral Olivine Olivine Olivine Olivine Olivine Olivine

研究对象
地球及其子系统中的化学元素，包括常量元素、微量元素和痕量元素。
2024/3/26
4
地球化学元素及其分布
01
常量元素
构成地球岩石圈的主要元素， 如氧、硅、铝、铁、钙、钠、
钾、镁等。
2024/3/26
02
微量元素
在地球岩石圈中含量较低，但 对地球化学过程有重要影响的 元素，如铜、锌、铅、钴、镍
环境问题
资源开发过程中可能产生的环境问题包括土壤污染、水污染、大气污染和生态破 坏等。
治理措施
针对不同类型的环境问题，采取相应的治理措施，如土壤修复、污水处理、大气 治理和生态恢复等。同时，加强环境监管和法律法规建设，提高资源开发企业的 环保意识和社会责任感。
25
未来发展趋势预测
2024/3/26
生物作用
水体中的生物通过新陈代谢作用， 吸收、转化和释放化学物质，影响 水体的化学成分。
13
水资源评价与保护
01
水质评价
通过对水体中各种化学物质的 含量和性质进行分析和评价， 了解水体的污染程度和水质状
况。
02
水量评价
通过对河流、湖泊、水库等水 体的水量进行测量和分析，评 估水资源的丰富程度和可利用
地球化学填图
通过区域性的地球化学调查，编 制地球化学图，反映元素或化合 物在地质体中的分布、分配和富 集规律，为资源勘查提供基础资
料。
指示元素法
利用某些元素或元素组合与特定 资源类型之间的相关性，通过寻 找这些指示元素来预测资源分布
。
2024/3/26
24
资源开发利用过程中环境问题及治理措施
2024/3/26
等。
03
痕量元素

Ce
0.006 0.02 0.092 0.007 0.082 0.843 2
Nd
0.006 0.03 0.230 0.026 0.055 1.340 2
Sm
0.007 0.05 0.445 0.102 0.039 1.804 1
Eu
0.007 0.05 0.474 0.243 0.1/1.5* 1.557 1
2. 一切自然过程均趋向于局部平衡，元 素在平衡条件下，在各共存相之间的 分配取决于元素及矿物的晶体化学性 质及物理化学条件。
8
问题
元素在不同地球化学储库形成过程中具 有什么样的地球化学行为？
控制不同元素地球化学行为差异的因素 是什么？
微量元素地球化学的基本理论
9
Geochemical Affinity
摩尔浓度 活度系数
i xi i xi
Ki(P,T )
21
i
xi
i
xi
Ki(P,T )
？？？
xi xi
Ki(P,T )
Molar partition (Nernst) coefficient
D *i
xi xi
and
xi xi 1
p
p
22
ni
wi Mi
wi
xi
ni M i ni
18
IB IIB Al Si P S Cl Ar
19
20
21
22 23
24
25
26
27
28
29
30
31
32 33
34 35
36
4 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

10～100 0 1～0 3 20
1～5 0 06 1～10 400～1500
06 2400～4000
0 0002 0 05 2～5 O5
12～15 0 02
0 005～0 02 02
有害 60
5～50 4000 200
3000
3
500 200 250～500 20
10000
致死 1300 100～300
环境地球化学 页14页
第*页*
元素形态 Ag1+ Al3+
AsIII或V B硼酸盐 Ba2+水溶性
Bi3+ Br Ca2+
Cd2+ Cl1 Co2+ CrV1铬酸盐 Cu2+ F1 FeII或III Ca3+ 环Hg境II地球化学 页I11 5页
人体所摄取的微量元素mg/d
不足 70
0 015
正常 0 06～0 08
第*页*
第二节:人体中元素的分布
❖ 毒性元素
对生物有毒性而无生物功能的元素; 该类元素又可分为两类： 毒性元素 ：Cd Ge Sb Te Hg Pb Ga In As Sn Li;这些毒性
元素是指它们对生物体无有益作用;而只有毒性; 潜在毒性和放射性元素：Be Tl Th U Po Ra Sr Ba;
❖ 匮乏性疾病与环境 由于区域自然环境恶劣;经济 文化落后所造成 ;主要表现为三个特
点： 由于人们所处的生活条件恶劣 营养不足所造成的营养不良性 疾病 ； 由于医疗 交通落后 人口拥挤 卫生条件差所造成的传染性疾病 ； 由于区域生态环境中有不利健康的因子存在;造成特定环境的 特有的地方病;即原生性地方病 ;
由Si Ni As Zn F Fe Ti等组成; ❖ 肌肉中的元素

上述情况表明， 研究微量元素在岩浆过程中的分 配演化规律， 仅仅依靠简单的分配定律显然不够， 还必须研制出适用于表征地质体系各类作用过程 微量元素行为的数学模型。 径过努力，地球化学已径有了模拟多种岩浆作用 过程中元素分配演化的定量模型。最常用的为结 晶分异和部分熔融过程模型。这些模型都是以微 量元素在晶体相与熔体相之间的分配系数为基础 的。
假定有一含斜长石51%， 单斜辉石33%， 橄榄石18%的辉长岩源岩经历部分熔融， 用批次熔融模型计算当F=0.05，0.1，0.15， 0.2， 0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9时 Rb，Sr的Cl/Co。绘制每种元素的Cl/Covs.F 的演化图解。
(2) 分馏熔融(Fractional melting):
③ D>1的相容元素在部 分熔融形成的熔体中贫 化。 与分异结晶不同， 部分熔融中相容元素浓 度随熔融程度(F)增大缓 慢增大; 而在分异结晶 中，相容元素随结晶程 度增大(F减小)在残余岩 浆中迅速贫化。 应用这 种差别， 可以判别一个 岩浆系列是岩浆分异结 晶的产物， 还是由部分 熔融所成。
批次熔融实例
4.2.1 岩浆结晶过程中元素分配演化定量模型
岩浆作用指岩浆形成， 演化和固结成岩的一系列 作用。 岩浆作用过程中，往往经历部分熔融作用， 同化混染，岩浆混合和结晶作用等过程。 微量元素在矿物和熔体之间的分配可能导致在岩 浆作用过程中微量元素的浓度变化达几个数量级。 因此，微量元素分配的定量研究可以用来作为岩 浆演化高度灵敏的指示剂。
如果在开放体系中， 岩浆分异通过以下两种过程 进行: 与其它固体混染物的同化作用(Assimilation of an initially solid contaminant) 两种以上成分不同的岩浆的混合作用(Mixing of two or more contrasting magmas)

第3页/共39页
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
地 球 化 学
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，使实际资料与模型设计结合起来。
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，2018年8月30日更新
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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 （或固态）的稀溶液； 2.微量元素在两相中的化学位计算
地 球 化 学
θ u1 =u1 +RTlnα1
u2 =u 2 +RTlnα2
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 ＝k β ）；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： u1 =u 2 θ uθ 2 -u1 RT α1 α 2 = kβ1 kβ 2 = β1 β 2 = e =K D T,P ＝常数 这就是能斯特分配定律：
地 球 化 学
θ u1 <u θ 2 :K D >1,β1 >β 2 -----微量元素更多的进入1相 θ u1 =u θ 1、相之间分配相等 2 2 :K D =1,β1 =β 2 -----微量元素在
可见，微量元素在某相中的化学位越低，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。

第24页/共55页
4、联立方程组，使用计算机求解方程组，得 出所有未知项数值解；
5、编制相图，就解出的结果进行地质地球化 学问题的讨论
第25页/共55页
三 . 矿物相平衡计算和相图编制
单变反应平衡常数计算平衡线的热力学 条件，平衡在相图中的位置。
1. 矿物相转变和相平衡曲线的计算 矿物相平衡，体系矿物有一定的共生关系，形成稳定矿物组合（包括流
2．含有理想固溶体的平衡体系热力学性质的计算
斜长石高温下分解形成石榴石、矽线石、石英
3CaAl2Si2O8 = Ca3Al2Si3O12 + 2Al2SiO5 + SiO2
斜长石
石榴石 矽线石 石英
当设体系中斜长石、石榴石不是纯相，其中斜长石 中钙长石的活度为0.2；
石榴石为类质同象系列：
[Ca/(Ca+Fe2++Mg+Mn)] = 0.05 时；
• 熵（S）-体系的无序程度（热紊乱度）的度量。
• 自由能（ △G）-体系内可用于对外做功的能。 • 化学位（μi）-加入一克分子i组分时引起的体系
内自由能的变化。 • 自由度（F）-能在一定范围内自由变化而不改
变体系平衡的热力学（强度）参数。 • 相数（K）-体系内存在的、内部有一定化学成
分、彼此间有物理化学界面的个体数，如岩石 中的矿物数。
=
2(-202034)/19.1444x298 =-70.8
第20页/共55页
T/K logfO2
(2) 298 16.5 500 -12.2 700 -9.1 900
(3) -70.8 -36.4 -22.7 -13.6
logfO2 (2)
-96.3, -51.6, -32.8, -21.6,