1、第二章 地球化學的基礎理論一、地球化學背景與異常二、地球化學異常分類、地球化學指標三、地殼的物質組成與元素分布四、元素分布的基本規律1一、地球化學背景與異常1、在自然體系中地球化學指標在某一空間中多是位置上具有相對波動不大的特征。研究自然體系中的地球化學指標的變化，是勘查地球化學的研究最基本的、最重要的內容。2、地球化學背景：在背景區內各種天然物質中(如巖石、土壤、水系沉積物、地表水、地下水、植物和空氣等)，各種地球化學指標(元素、同位素的含量、pH值、Eh值、溫度等)的數值，稱為地球化學背景。23、背景區內各種天然物質中各種地球化學指標的不均勻性，地球化學背景不是固定的數值，而是在一定范圍內

2、起伏變化的一系列的數值。地球化學背景起伏變化最高值稱為背景上限地球化學背景起伏變化最低值稱為背景下限地球化學背景起伏變化平均值稱為背景值地球化學背景：全球性的、地球化學省的、區域性的、局部性的。3C全球的背景值地球化學省的背景值區域的背景值局部的背景值各種地球化學的背景值44、地球化學異常：在天然物質中某種地球化學指標與其它地球化學背景比較，出現顯著差異的現象，或其它地球化學性質明顯發生變化的現象。地球化學異常含義：地球化學特征不同、具有一定的空間范圍、地球化學指標偏離背景值。簡言之，由異常現象、異常范圍、異常值三層含義構成完整的地球化學異常概念。56二、地球化學異常分類、地球化學指標1、根據

3、地球化學異常與背景值比較正異常：異常數值高于背景值上限負異常：異常數值低于背景之下限2、根據異常規模大小地球化學省：地殼中金屬礦產分布是不均勻的，(一)、地球化學異常分類7在地殼的某一大范圍內某些成分富集特征特別明顯，該區域不止是一兩類巖石中該元素豐度高，該種元素的礦床成群出現，而且在歷史演化中該元素的礦產出現率也特別高，通常將地殼的這一區段稱為地球化學省。地球化學省的背景為全球地殼元素含量值(克拉克值)。例：東南亞Sn礦省、智利Cu地球化學省等。特征：地球化學省范圍幾千到幾十萬km2意義：為找礦提供戰略方向和空間。8區域異常：數平方公里到數百平方公里的地球化學異常。如：江西德興Cu礦田、異常

4、面積為160km2。局部異常：分布在礦體或礦床周圍的異常，規模在幾米到幾百米范圍內。思考：地球化學省、區域異常、局部異常對找礦有何意義？ 93、與礦的關系分為：礦異常：與礦體(礦床)、礦化有關的各類地球化學異常；又分為： 礦體(礦床)異常：與礦體(礦床)有關的各類地球化學異常， 礦化異常：與不具工業價值的礦化有關的各類地球化學異常，非礦異常：與礦體(礦床)、礦化無關的異常，如：由其它自然作用及其人為因素等起因的異常。104、根據地球化學異常的成因及賦存介質不同a.原生異常：在成巖或成礦作用中形成賦存在基巖中的異常，統稱原生異常。其中在成礦作用中形成分布在礦體或礦化周圍基巖中的異常稱為原生暈。若

5、以氣體存在，則為原生氣暈。b.次生暈：由已形成的巖石或礦體(礦化)及其原生暈在表生帶遭到破壞后，經過遷移，重新分配在各種介質中形成的異常，稱為次生異常。11根據次生異常賦存的介質的不同又可分為：（1）土壤地球化學異常（2）水系沉積物地球化學異常(分散流)（3）水文地球化學異常（4）生物地球化學異常（5）氣體地球化學異常12礦體礦體礦體礦體13定義：指一切能提供找礦信息或其它地質信息的、能夠直接或間接測量的地球化學變量。地球化學指標主要指元素、同位素的含量或比值、 pH值、Eh值、溫度、氧逸度等勘查地球化學中使用最頻繁的地球化學指標是元素，一般稱為指示元素。(二)、地球化學指標141、指示元素1

6、)、概念：天然物質中能夠作為找礦線索，以及對解決某些地質問題具有指示作用的化學元素，稱為指示元素。例如：可利用As、Cu找金礦2)、分類： 對于找礦的指示元素，按對找礦所起的作用：a、通用指示元素：能夠指示多種礦床(或礦化)存在的元素，如：Cu、Pb、Zn、Au、Ag、Sb、Hg、U等熱液礦床都有Hg的異常，Hg指示這些礦床的存在，Hg被稱為通用只是元素。b、直接指示元素：能夠直接指示某種礦床(或礦化)存在的元素，通常是礦床中的主要成礦元素。如：Au是找金礦、Cu是找銅礦的直接指示元素。15c、間接指示元素：間接指示某種礦床(礦化)存在的元素，通常是礦床中與主要成礦元素相伴生的元素。如：As、

7、Cu找金礦，Tl找金礦等，因此As、Cu和Tl是間接指示元素。按照指示元素在礦體周圍遷移的遠近，可以將指示元素分為：a.遠程指示元素：離礦體較遠b.中程指示元素：離礦體較近c.近程指示元素：離礦體最近162、地球化學場地球化學指標在三度空間和時間上的分布與演化稱為地球化學場。將地殼或者地球表層系統中某一點放在直角坐標系（x.y.z）中，該點任一時該t，存在著j個相，每個相有i個地球化學指標，該點指標i可表示為 Ci,j=F（x，y，z，t）空間屬性與時間屬性的統一，構成了地球化學場的全部意義。171與地球物理場相比，它沒有嚴格的數學公式或化學定律進行準確的描述、推斷、或延拓，它是具體點上地球化

8、學環境（化學、熱力學、動力學）綜合制約的結果，可以定性推測而不能準確推算。2地球化學場是一個連續的非均勻場。3地球化學場是一個不可逆動態演化的非穩定場。4. 地球化學場的指標不具有傳遞性。 地球化學場特征：18通過與地球物理場的對比分析研究可知，地球化學場不能象地球物理場那樣用儀器在地表探測天然的或者人工的場的變化來推斷解釋地質構造和異常物質的分布，它只能根據研究精確程度的需要，進行系統的地球化學采樣，分析測試地球化學指標近似逼近地球化學場的真實特征。地球物理場由嚴格的物理定律定義，而地球化學場強調的是同一點上各地球化學參數的動態關系，它們受物質組分、地球化學條件和化學、熱力學定律制約。19對

9、地球化學場公式（1-1）積分形式具有總量的意義，它可以按線、面、體分別 積分。其中為密度。分別稱某元素的線地球化學量、面地球化學量和體積地球化學量。對于線、面、體的平均含量可定義為 20實際計算時，只能用近似公式來求，積分形式只是一種理想的表達式，這也是與地球物理場的不同之處。對公式（1-1）的微分形式，就是濃度梯度，或稱為變化率。凡是濃度梯度極大值所在的點，叫做地球化學障，其實質就是地球化學環境發生驟然變化，元素活動性發生急劇改變的地段（A彼列爾曼）。它是一種地球化學環境的邊界。21三、地殼的物質組成與元素分布概 述地球化學環境是使元素所在的地球化學系統得以保持平衡的各種物理化學條件的綜合。

10、地球化學環境主要由物理參數（溫度、壓力）和化學參數（化學元素種類、豐度、fo2、fs、pH、Eh）確定。 （1）原生環境，是指天然降水循環面以下直到巖漿分異和變質作用發生的深部空間的物理化學條件的總和；（2）次生環境，是地表天然水、大氣影響所及的空間所具有物理化學條件的總和。在地表發生風化、土壤形成和沉積作用以及到大氣圈、水圈、生物圈和地球表層疏松物所處的環境都屬表生環境。 22原生環境是一種高溫、高壓、游離氧缺乏、水和其它流體循環受限制、無生物作用參加的環境，礦物巖石保持了形成時的狀態。因此，原生環境中巖石的物質組成與狀態，元素的分布是深部地球化學作用的記錄，反映了原始形成時的特征，是研究深

11、部地質作用最直接的證據。23242526(一)、地殼的物質組成與元素豐度豐度研究概況： 地殼是地球莫霍面以上的固態結晶物質，是人類生存的物質基礎，是與人類休戚與共的最密切的部分。地殼中各種性質不同、成因不同的地質體，往往以化學元素含量（豐度）不同而表現出來。所以元素豐度是不同地質體的地球化學標志之一。地殼中的元素豐度，是指地殼中化學元素的平均含量。又稱為克拉克值(是由AE費爾斯曼提出的)。著名科學家 FW克拉克、戈爾德施密特、B維爾納茨基、AE費爾斯曼、B梅遜、A維諾格拉多夫、SR泰勒以及我國的黎彤等在地殼元素豐度方面的研究作出了重要供獻。(表2-1）27克拉克值的單位：%、ppm、g/t等。

12、元素在地殼中的分布特點是具有不均勻性，有些元素之間的克拉克值非常懸殊，為評價某元素在地殼中集中分散狀況，引入濃度克拉克值概念：濃度克拉克值大于1，說明元素相對富集，反之，說明相對分散。28研究克拉克值在勘查地球化學中的意義：1)、元素克拉克值代表了元素在地殼中背景值，是衡量地殼各個地段內元素集中分散的標準；2)、元素的克拉克值反映了地殼中元素正常含量的水平。3)、作為選擇分析方法靈敏度的依據。 4)、作為礦產資源評價預測的依據。29地球化學系統中元素的總量稱為地球化學儲量。在地球化學儲量中，能被人類開采利用的部分叫作資源，資源中被探明的部分叫作礦產儲量。資源量占地球化學儲量的百分比叫作礦化度。

13、 根據經濟地質學家的研究，某一元素的資源與地殼豐度有密切關系。美國地調所麥克爾維（VEMckelvey 1960）研究美國當時的礦產儲量（R）與地殼豐度存在如下關系： R=A(%) 10910式中R單位為短噸 后修改為R（噸）=A（10-6 ）1061短噸 = 907.18474 公斤=0.91噸30日本塞基尼（1963）和前蘇聯奧甫欽尼柯夫（1971）也提出了地殼豐度與資源量R的關系模型：塞基尼（）奧甫欽尼柯夫（）10.51 綜上可概括為： R=K*AK為估計系數，與元素的礦化度、地殼總質量、預開采深度及礦床分布密切。31AsHgCrMnCoVAlCuSnZnPbWSbMoNiR=6.8Ax

14、105R=Ax107103104ppm10110210010-110510610710910810101011儲量R地殼豐度與資源關系圖 Fe32(二)、各類巖漿巖中化學元素的豐度 巖漿巖與變質巖占整個地殼總質量的5，其中又以巖漿巖為主，按其化學成分或礦物成分可以分成五大類：超基性巖（橄欖巖、純橄巖）、基性巖（輝長巖、玄武巖）、中性巖（閃長巖、安山巖）、酸性巖（花崗巖、蛇紋巖）及堿性巖。 各類巖漿巖中化學元素的平均含量見附錄2-2。33巖漿巖類的標型元素組合為： 1、超基性巖元素，典型代表是Cr、Ni、Co、Mg及Pt族。 2、基性巖元素，Cu、Fe、V、Ti、P、Mn、Ca、Sc、Sb等。

15、3、親中性巖元素，Al、Ga、Zr、Sr等。 4、親酸性巖元素，種類最多，以Li、Be、Ta、U、Th、K、Rb、Cs、F、B為代表。 5、堿性巖以富含Nb、Ta、Be及REE(稀土元素)為特征。34各類巖漿巖中元素含量變化曲線SiBaRbFKBeSnWCsPbUInThAlPNaZrSrTmBiCeBrLu35MgFeNiCrCoPdTiCuVCaScNbSbMoIHg36 巖漿巖中元素豐度的變化規律具有重大的找礦意義：某種元素的內生礦床總與該元素豐度最高的巖漿巖有成因關系。如Cr、Ni礦床產在超基性巖中，V、Ti礦床與基性巖有關，U、Th礦床與花崗巖有關等。 噴出巖中微量元素的分異程度應當

16、比侵入巖中低。因此，酸性噴出巖與酸性侵入巖的區別，就在于前者的親基性巖元素含量較高而親酸性巖元素含量較低。對于超基性巖來說，情況正好相反 。對于地球化學找礦來說,了解這些規律，就可以加深對背景值的認識 。37(三)、 沉積巖中化學元素的豐度沉積巖的重量在整個地殼中所占比例不高，約4左右。但是，在地表分布極廣，約占50左右。 沉積巖可以分為碎屑巖、泥質巖和化學沉積巖三個類型。1、碎屑巖：主要是由抗氧化的礦物組成，Si、Zr、Hf及稀土元素Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Lu等元素含量較高，其它微量元素含量較低。 382、頁巖、泥質巖：這類巖石主要由粘土及細碎屑質點組成。粘土有吸附水體中簡單離子和絡

17、合物的特點，頁巖、泥質巖中富集了堿金屬元素，幾乎包括了所有親鐵、親硫元素，親氧元素中的高價、變價及離子半徑特大或特小的元素。泥質巖中富有大多數微量元素。特別值得提出的是黑色頁巖 ，富集了Mo、V、Ag、U、Ni、Ba、Pb、Zn、Cu、Cr、As等元素，已在湖北、江西的寒武系頁巖中找到了銀、釩、鈾、金等礦床。 3、碳酸鹽巖：是一種化學沉積巖，具有對其他元素“凈化”的作用。除a、Mg、Ba、Sr、Mn等元素富集外，其它元素含量都很低。39研究同類巖石中元素平均含量在化探中的意義：1)、由于巖石形成的時間、空間、環境和成因不同，即使同類巖石其中元素的平均含量可以不同，因此，即使同類巖石也可以由不同

18、的背景和背景值；2)、利用同類巖石中微量元素平均含量的差異，可以判斷巖漿巖的成因、時代、沉積巖的沉積相；“啞地層”的時代劃分和對比及變質原巖類別的判斷。40(四)、 元素的賦存形式按形成礦物的觀點分為礦物形式和非礦物形式。1、礦物形式：獨立礦物、副礦物、主礦物中的機械包裹體、固熔體分解物、液相包裹體中的子礦物；2、非礦物形式：類質同象混入物，元素呈離子、分子、膠體被礦物表面吸附，超顯微非結構混入物，有機結合物。41不同賦存形式的研究方法1、礦物學研究方法 2、電子探針微區分析 3、化學提取法42四、元素分布的基本規律(一)、地球化學旋回元素演化是以元素的賦存介質的變遷實現的。地幔物質分異出的巖

19、漿及地殼物質重熔形成的巖漿通過上升，結晶形成巖漿巖，經構造運動隆升至地殼或近地表，進入表生環境，遭受風化、剝蝕、搬運到湖、海盆地沉積成巖；沉積巖再經沉降或俯沖到地殼深處，發生變質或部分重熔而形成新的巖漿，完成一個大旋回。在大旋回演化過程中，同時還存在不同級次的次級旋回。地球化學旋回的方式可以重復，但其物質成分的演化趨勢是不可逆的，不能簡單的重復，從而引起了化學元素的分異和演化，這種分異和演化是有規律的。4344451、概述概率P與含量的依賴關系。式中為隨機變量，（）是概率密度函數，（）是指隨機變量小于等于給定值時的概率。地球化學家們相信，對于任何一種地質體中某一元素來說，概率分布（）是客觀存在

20、的，至于具體概率分布是何種形式，須視具體地質體中元素分布特征而定。(二)、元素含量的概率分布462、正態分布 對于一個隨機變量只要它的各次觀測值之間的差別是多因子，而且這些因子中沒有一個是特別突出的、起主導作用的，那么它的概率分布自然傾向于正態分布（大數定律），又叫高斯分布，也叫正常分布。正態分布的密度函數有如下形式。它的積分式為式中， 和 是正態分布的兩個重要參數， 稱為該隨機變量的數學期望值， 叫做標準離差，對于一個正態分布的隨機變量，算術平均值 是數學期望值的最佳估計值。47均方差是標準差的無偏估計值當 ， 時的正態分布，稱為標準正態分布。下圖為標準正態分布的密度函數和標準正態分布的積分

21、函數（概率函數）。正態分布的積分函數己制成表格可查，見附表1。48f(x)F(x)xx+2+-2-249正態分布的概率密度函數圖具有如下特征： 1.圖形呈鐘形單峰對稱分布，最大峰值在x 處，頻率最大。 2. 圖形對稱軸為。 3.參數和決定了圖形形態，決定對稱軸的位置，決定了鐘形的“胖”“瘦”程度。較小時，曲線較陡，峰值高，圖形“瘦”。較大時曲線較寬緩峰值低，圖形（胖）。x+1/2221-1-2-33f(x)50分布形式f(x)x+2-2右偏（負偏）左偏（正偏）514.i趨向極大或極小值時，i趨向于，當Ci 時，該組頻率最大，為當Ci=S時，該組頻率為最大頻率值的0.607倍，即當Ci趨向極大或

22、極小時，f(x)趨向于0，說明變量X在值附近概率密度最大，離值越遠概率密度越小。作分布直方圖，間隔越小分組越多，越逼近真實分布52 在分組研究概率分布型式時，可利用下面的公式計算算術平均值 和均方差S。式中N為樣品分組組數，fi*為第i組中的樣品數，Ci為第I組組中值。利用計算所得的 和S，分別代入密度函數公式就可以得到一條以 ，S為 的理想的概率分布曲線。將曲線與標準正態分布曲線對比，看其符合程度，就可以判斷研究母體元素含量是否服從正態分布，這就是分布型式檢驗。常用的檢驗方法有2檢驗法，偏度豐度檢驗法，柯爾莫哥洛夫斯米爾諾夫檢驗法，以及正態分布概率格紙檢驗法等。 s53最大頻率直方柱偏向左邊

23、的，稱為正偏分布，最大頻率直方柱偏向右邊的，稱為負偏分布，高含量樣品較多。將原始數據轉換成對數后再作圖，元素含量直方圖的對稱性大大改善了。將原始數據取對數后所作的圖形呈正態分布形式，稱為對數正態分布。對數正態分布的平均數的真數叫幾何平均值，而方差叫做對數方差。54隨機變量的集中性參數可以用平均值(X)，中位值(Me)和眾值(Mo)來表征。隨機變量的離散性參數可以用均方差(S)，極差(R)來表示。當隨機變量服從正態分布時，X=Me=Mo。用均方差來反映一個母體的元素含量分布的離散程度還有局限性。如有Ti、Au含量的兩組數據：Ti含量(10-6) 1000、1200、1500、1300、1100、

24、1400、1250、1400，x=1250，s=156，R=500Au含量(10-9) 15、3、3.5、2.8、10、5、3.2、1.5、1，X=5，s=4.3，R=1455數理統計中又引入變異系數(Cv)來表示相對離散程度。Cv(%)=S/X*100%變異系數是相對于一個單位均值的百分變化率，變化系數可以度量地質體中不同元素的均勻性程度，是一絕對值可比的離散度參數。此前，勘查地球化學工作者喜歡將數據取對數后進行處理研究。但是，也有一些數據，即使是經過對數轉換，仍不服從正態分布。56總結已有的元素含量分布型式研究資料，可以概括為1.單一地球化學作用所形成的單一地質體，化學元素含量服從正態分布

25、。2.由兩個以上地球化學作用疊加形成的復合地質體中，化學元素含量偏離正態分布。但兩個u值相差不大的正態母體的疊加，元素含量分布仍服從正態分布或近似正態分布。3.一般情況下，常量元素服從正態分布，微量元素服從對數正態分布（因為勘查地球化學研究區經常遭受后期礦化作用疊加）。4.結合在多種礦物中的元素服從正態分布，如基本造巖元素和親石分散元素，像Ga、V等元素。而結合在一、兩種礦物中的元素呈對數正態分布，如花崗巖中的Pb、Zn元素常以硫化物獨立存在。5.通過擴散作用形成的元素含量對數正態分布，而通過對流混勻作用形成的元素含量服從正態分布。57585960著名地球化學家於崇文院士認為（1986），籠統地用所研究地質體全部樣品元素含量平均值來表示該地質體的元素豐度是不恰當的，因為這種方法未能真實反映豐度概念中包含的內涵，即該地質體未遭受后期地質改造的初始含量特征。為此，他提出以維斯捷里斯的“基本定律”為基礎，應用柯爾莫戈洛夫正態檢驗的方法，在計算機上自動剔除不服從正態分布的“離群樣品”求得服從正態分布的反映初始本底的元素豐度。 61在此基礎上，於崇文教授進一步提出用地質體中元素含量的總體平均值(M)與初始本底豐度值(A)之比作為后期