地壳化学成分和元素克拉克值的地球化学意义

如题所述

元素克拉克值反映了地壳的平均化学成分,确定着地壳作为一个物理化学体系的总特征以及地壳中各种地球化学过程的总背景。它既是一种影响元素地球化学行为的重要因素,又为地球化学提供了衡量地壳体系中元素集中分散程度的标尺。

1.3.3.1 大陆地壳化学组成对壳幔分异的指示

大陆地壳是在地质历史过程中通过地幔部分熔融的岩浆向上侵入或喷出逐步形成的,部分熔融形成地壳后残余的地幔部分就成了现今的贫化或亏损(depleted)地幔。大洋中脊玄武岩(MORB)是这种贫化地幔的典型代表。相容性元素是指在矿物-岩浆分配过程中主要富集在矿物中的元素。反之,主要富集在岩浆中的元素为不相容性元素。霍夫曼(Hoffmann,1988)提出,由于大陆地壳是原始地幔部分熔融产生的,因此将大陆地壳的元素丰度对原始地幔标准化后的比值可定量衡量元素的相容性。比值越大者,元素的相容性越小,相对于地幔在大陆地壳中越富集。霍夫曼给出了37 种元素的相容性顺序。图1.10是高山等(Gao,et a1.,1998)最近得出的 63 种元素的相容性顺序,这一顺序与霍夫曼给出的顺序基本相同。由图还可见大陆地壳和代表贫化地幔的MORB在组成上表现出很好的互补性,从 Cs至 Mo不相容性较强的元素表现得尤为清楚。霍夫曼(1988)进一步用部分熔融的两阶段模型定量证明了如图所示的元素分布关系:第一阶段原始地幔通过 1.5%的部分熔融产生大陆地壳,第二阶段地幔通过8%~10%的熔融,产生大洋地壳。

相容性接近的元素具有相似的地球化学行为,它们的含量比值在壳幔系统中基本固定或变化较小,高山等(1998)研究表明,大陆地壳整体下列相容性相近的元素对比值与原始地幔相同或接近,它们是:w(Zr)/w(Hf)=37、w(Nb)/w(Ta)=17.5、w(Ba)/w(Th)=87、w(K)/w(Pb)=0.12×l04、w(Rb)/w(Cs)=25、w(Ba)/w(Rb)=8.94、w(Sn)/w(Sm)=0.3l、w(Se)/w(Cd)=1.64、w(La)/w(As)=10.3、w(Ce)/w(Sb)=27l、w(Pb)/w(Bi)=57、w(Rb)/w(T1)=177、w(Rb)/w(Tl)=177、w(Er)/w(Ag)=52,w(Cu)/w(Au)=3.2×l04、w(Sm)/w(Mo)=7.5、w(Nd)/w(W)=40、w(Cl)/w(Li)=10.8、w(F)/w(Nd)=21.9和w(La)/w(B)=1.8。

图1.10 原始地幔标准化大陆地壳和大洋中脊玄武岩(MORB)平均成分

1.3.3.2 地壳元素丰度在元素地球化学行为研究中的意义

元素克拉克值影响着元素参加地壳地球化学过程的浓度,支配着元素的地球化学行为。例如,克拉克值低的Rb、Cs、Br、I等元素,尽管它们的盐类都是易溶化合物,但它们在天然水中的浓度也总是很低的,丰度较高的K和Na在天然水中有较高的浓度,在特殊的蒸发环境中还可过饱和沉淀出盐类矿床。这显示化学性质相似的碱金属元素(Na、K、Rb、Cs)在地壳中甚至呈现出不同的地球化学行为。在地壳的各种体系中K和Na的高浓度,可以形成各种独立矿物,而Rb和Cs克拉克值低,使得它们一般难以达到饱和浓度,不能形成自己的独立矿物,常分散于其他元素(主要是K)的矿物中。在自然界丰度很低的元素的阳离子和丰度很低的元素的阴离子组成的化合物,例如Li2SeO4、Rb2SeO4、BeSeO4、SrSeO4等在地壳中尚未被发现,这是由于它们的实质浓度不能超过化合物的溶度积所致。

在实验室中可以给定元素的任意浓度,但在地壳体系中,元素的浓度受元素克拉克值的限制,这不仅造成如上述化学性质近似元素的地球化学行为各异,也导致自然界的化合物(矿物)数目(目前已知矿物只有3000多种)比人造化合物的数目(已达数十万)少得多。

克拉克值可以为阐明地球化学省的特征提供一种标准。例如,若某地区花岗岩类岩石的总质量大大高于镁铁质岩石,那么这个地区不仅Mg和Fe的含量、而且伴生的Cr、Ti和铂族元素,甚至Zn等的含量都明显低于克拉克值,多金属矿床中还会出现铅含量显著高于锌的情况。故在分析地壳中元素迁移、集中和分散等地球化学行为时,必须考虑元素克拉克值这一重要因素。

依据克拉克值可以计算出地壳中地球化学性质相似或者相关元素之间的平均比值,例如w(V)/w(Fe)或w(Sc)/w(Fe),w(Ni)/w(Co)或w(Se)/w(S)和w(Te)/w(Se)的比值,对于硫化物说来,这种比值要比Se和Te的绝对含量重要得多。稀土元素、Zr和Hf、Nb及Ta、K和Rb等都是彼此难分离的元素,如果在局域或地质体中它们的比值偏离了克拉克值的平均比值,经常就成为一种地球化学标志,反映已经发生了某种特殊的地球化学过程。例如,w(Th)/w(U)比值一般为3.3~3.5,如果某一地区岩石中这一比值低于2,暗示可能存在铀的矿化活动;如果岩石中的w(Th)/w(U)比值为2.5~4,可能同时发生铀和钍的矿化;如果岩石中w(Th)/w(U)比值大于5,则可能已发生Th的矿化、而无U的明显矿化。

在讨论元素的集中和分散时,韦尔纳茨基提出了“浓度克拉克值”的概念,它是元素在某一地质体(矿床、岩体、矿物等)中的平均含量与其克拉克值之比,反映元素在地质体中的浓集程度。当浓度克拉克值>1时,该元素相对集中;当该值小于1时,则意味着分散了。例如Mn的克拉克值为0.1%,软锰矿(含Mn达63.2%)中Mn的浓度克拉克值为632,蔷薇辉石(含Mn量为41.9%)中为419,硬锰矿(含Mn量为50%)中为500。浓度克拉克值是衡量元素集中或分散程度的良好标尺,它在地球化学理论研究和在找矿实践中都具有重大意义。

元素在矿床中的最低可采品位与克拉克值的比值,被称为该元素的浓集系数。某些元素的浓集系数列于表1.15中。

表1.15 某些元素的“浓集系数”

通过元素浓集系数的比较,可以发现各种元素在地壳中集中的能力相差很悬殊。Fe的浓集系数为6,说明Fe在克拉克值的水平上富集6倍即可形成矿床。许多稀少的元素有极高的浓集系数,例如Bi和Sb的浓集系数为25000、Hg为14000,说明这些元素需在克拉克值的基础上富集万倍以上才能成矿,而在地壳的某些地段这些元素确实有十分强烈的集中能力。

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