bài giảng thạch luận các đá magma chương 9 các nguyên tố hiếm (vết)

Chương 9 Các nguyên tố hiếm
Chương 9 Các nguyên tố hiếm
(vết)
(vết)
Lưu ý về mức độ
Lưu ý về mức độ
biến đổi hàm lượng
biến đổi hàm lượng
của các nguyên tố
của các nguyên tố
chính
chính
Biểu đồ Harker cho 310 phân tích đá núi
lửa ở Crater Lake (Mt. Mazama), Oregon
Cascades.
Theo Winter (2001) An
Theo Winter (2001) An
Introduction to Igneous and Metamorphic
Introduction to Igneous and Metamorphic
Petrology. Prentice Hall.
Petrology. Prentice Hall.
Các nguyên tố hiếm (vết)
Các nguyên tố hiếm (vết)
Mức độ biến đổi của các
Mức độ biến đổi của các
nguyên tố hiếm
nguyên tố hiếm
Biểu đồ Harker của các nguyên tố hiếm cùng phân tích cho các
Biểu đồ Harker của các nguyên tố hiếm cùng phân tích cho các
đá núi lửa Crater Lake. Theo Winter (2001) An Introduction to
đá núi lửa Crater Lake. Theo Winter (2001) An Introduction to

Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall.
Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall.
Đặc điểm phân bố các nguyên tố
Đặc điểm phân bố các nguyên tố
Định luật Goldschmidt’s
Định luật Goldschmidt’s
1.
1.


2 ions có cùng hóa trị và bán kinh sẽ thay thế dễ
2 ions có cùng hóa trị và bán kinh sẽ thay thế dễ
dàng cho nhau và tham gia và dung dịch cứng với
dàng cho nhau và tham gia và dung dịch cứng với
số lượng tương đương tỷ lệ chung của chúng
số lượng tương đương tỷ lệ chung của chúng
Rb? Ni? Có hành vi địa hóa thế nào?
Rb? Ni? Có hành vi địa hóa thế nào?
Định luật Goldschmidt
Định luật Goldschmidt
2. Nếu 2 ions có cùng bán kính và hóa trị: ion nhỏ hơn
2. Nếu 2 ions có cùng bán kính và hóa trị: ion nhỏ hơn
sẽ dễ tham gia trong pha cứng hơn là trong pha lỏng
sẽ dễ tham gia trong pha cứng hơn là trong pha lỏng
Fig. 6-10. Biểu đồ pha đẳng áp
T-X tại áp suất không khí theo
Bowen and Shairer (1932),
Amer. J. Sci. 5th Ser., 24, 177-
213.

From Winter (2001) An
From Winter (2001) An
Introduction to Igneous and
Introduction to Igneous and
Metamorphic Petrology.
Metamorphic Petrology.
Prentice Hall.
Prentice Hall.
3. Nếu 2 ions có cùng bán kính nhưng khác hóa trị:
ion có điện tích lớn hơn có xu thế tham gia vào
pha cứng hơn pha lỏng
Phân dị kết tinh về hóa học
Phân dị kết tinh về hóa học
●
Mức độ phân bố khác nhau của một ion
Mức độ phân bố khác nhau của một ion
giữa hai pha (cân bằng) khác nhau
giữa hai pha (cân bằng) khác nhau
Cân bằng trao đổi của hợp phần
Cân bằng trao đổi của hợp phần
i
i


giữa hai
giữa hai
pha
pha

(rắn và lỏng)
(rắn và lỏng)
i
i


(lỏng)
(lỏng)
=
=
i
i


(rắn)
(rắn)
K =
K =
K =
K =


hằng số cân bằng
hằng số cân bằng
a
a
i
i

- Hàm lượng của nguyên tố i
- Hàm lượng của nguyên tố i
a
a
rắn
rắn
a
a
lỏng
lỏng
i
i
i
i
●
Các nguyên tố không tương thích
Các nguyên tố không tương thích
(incompatible elements) là các nguyên tố tập
(incompatible elements) là các nguyên tố tập
trung trong phần nóng chảy
trung trong phần nóng chảy
(K
(K
D
D
or D) « 1
or D) « 1
●
Các nguyên tố tương thích
Các nguyên tố tương thích

(compatible
(compatible
elements) tập trung trong phần rắn (phần kết
elements) tập trung trong phần rắn (phần kết
tinh)
tinh)
K
K
D
D
or D » 1
or D » 1
●
D thường sử dung cho các dung dịch thay cho
D thường sử dung cho các dung dịch thay cho
K
K
D
D
:
:
D =
D =
Trong đó C
Trong đó C
S
S
= Hàm lượng của nguyên tố trong
= Hàm lượng của nguyên tố trong
pha rắn

pha rắn
C
C
S
S
C
C
L
L
●
Các nguyên tố không tương thích
Các nguyên tố không tương thích


→
→
hai nhóm
hai nhóm
✦
Các nguyên tố có điện tích cao, bán kính ion nhỏ
Các nguyên tố có điện tích cao, bán kính ion nhỏ
(
(
high field strength (HFS)
high field strength (HFS)


elements)
elements)

(REE, Th, U,
(REE, Th, U,
Ce, Pb
Ce, Pb
4+
4+
, Zr, Hf, Ti, Nb, Ta)
, Zr, Hf, Ti, Nb, Ta)
✦
Các nguyên tố có điện tích thấp, bán kính ion lớn
Các nguyên tố có điện tích thấp, bán kính ion lớn
(
(
large ion lithophile (LIL)
large ion lithophile (LIL)
elements)
elements)
(K, Rb, Cs,
(K, Rb, Cs,
Ba, Pb
Ba, Pb
2+
2+
, Sr, Eu
, Sr, Eu
2+
2+
)
)

linh động hơn, đặc biệt khi có
linh động hơn, đặc biệt khi có
sự tham gia của các pha lỏng
sự tham gia của các pha lỏng
Mức độ tương thích phụ thuộc vào khoáng vật và dung thể tham gia
Mức độ tương thích phụ thuộc vào khoáng vật và dung thể tham gia
Những nguyên tố nào, tại sao?
Những nguyên tố nào, tại sao?
●
Đối với đá,
Đối với đá,
hệ số phối trí toàn phần
hệ số phối trí toàn phần
(
(
bulk
bulk
distribution coefficient D
distribution coefficient D
) cho một nguyên tố
) cho một nguyên tố
được tính bằng tổng số phối trí trong từng
được tính bằng tổng số phối trí trong từng
khoáng vật.
khoáng vật.
D
D
i
i
=

=
Σ
Σ
X
X
A
A
D
D
i
i
X
X
A
A
= khối lượng % của khoáng vật A trong đá
= khối lượng % của khoáng vật A trong đá
D
D
i
i
= Hằng số cân bằng của nguyên tố i trong
= Hằng số cân bằng của nguyên tố i trong
khoáng vật
khoáng vật
A
A
A
A
A

A
Ví dụ: Giả thiết garnet lherzolite có thành phần = 60% olivine, 25% orthopyroxene,
Ví dụ: Giả thiết garnet lherzolite có thành phần = 60% olivine, 25% orthopyroxene,
10% clinopyroxene, và 5% garnet, hệ số phân bố toàn phần của Er là:
10% clinopyroxene, và 5% garnet, hệ số phân bố toàn phần của Er là:
D
D
Er
Er
= (0.6 * 0.026) + (0.25 * 0.23) + (0.10 * 0.583) + (0.05 * 4.7) =
= (0.6 * 0.026) + (0.25 * 0.23) + (0.10 * 0.583) + (0.05 * 4.7) =
0.366
0.366
Table 9-1. Partition Coefficients (C
S
/C
L
) for Some Commonly Used Trace
Elements in Basaltic and Andesitic Rocks
Olivine Opx Cpx Garnet Plag Amph Magnetite
Rb 0.010 0.022 0.031 0.042 0.071 0.29
Sr 0.014 0.040 0.060 0.012 1.830 0.46
Ba 0.010 0.013 0.026 0.023 0.23 0.42
Ni
14
5
7
0.955
0.01
6.8 29

Cr 0.70 10 34 1.345
0.01
2.00 7.4
La 0.007
0.03
0.056 0.001 0.148 0.544 2
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
Dy 0.013 0.15 0.582 1.940 0.023 2.024 1
Er 0.026 0.23 0.583 4.700 0.020 1.740 1.5
Yb 0.049 0.34 0.542 6.167 0.023 1.642 1.4
Lu 0.045 0.42 0.506 6.950 0.019 1.563
Data from Rollinson (1993).
* Eu
3+
/Eu
2+
Italics are estimated
Rare Earth Elements
●
Các nguyên tố hiếm thường có xu thế tập trung vào
Các nguyên tố hiếm thường có xu thế tập trung vào
từng khoáng vật riêng biệt
từng khoáng vật riêng biệt
●
Ni – trong olivine (Table 9-1) = 14
Ni – trong olivine (Table 9-1) = 14
Ni – SiO

Ni – SiO
2
2
của các đá khu vực Crater Lake. From data compiled by Rick Conrey. From
của các đá khu vực Crater Lake. From data compiled by Rick Conrey. From
Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall.
Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall.
●
Các nguyên tố hiếm không tương thích tập trung chủ
Các nguyên tố hiếm không tương thích tập trung chủ
yếu trong pha lỏng (liquid)
yếu trong pha lỏng (liquid)
●
Phản ánh tương ứng với phần dung thể tham gia vào
Phản ánh tương ứng với phần dung thể tham gia vào
quá trình kết tinh hoặc nóng chảy
quá trình kết tinh hoặc nóng chảy
Figure 9-1b.
Figure 9-1b.
Zr Harker Diagram for
Zr Harker Diagram for
Crater Lake. From data compiled by
Crater Lake. From data compiled by
Rick Conrey. From Winter (2001) An
Rick Conrey. From Winter (2001) An
Introduction to Igneous and
Introduction to Igneous and
Metamorphic Petrology. Prentice
Metamorphic Petrology. Prentice
Hall.

Hall.
Hành vi của các nguyên tố hiếm
Hành vi của các nguyên tố hiếm
●
Hàm lượng của nguyên tố chính trong một
Hàm lượng của nguyên tố chính trong một
pha thường ít biến đổi trong khi thành phần
pha thường ít biến đổi trong khi thành phần
của hệ thay đổi
của hệ thay đổi
Ở cùng một điều kiện nhiệt độ T
Ở cùng một điều kiện nhiệt độ T
có thể thay đổi X
có thể thay đổi X
bulk
bulk
từ 35
từ 35
→
→
70
70
% Mg/Fe mà không làm thay đổi
% Mg/Fe mà không làm thay đổi
thành phần dung thể hoặc của
thành phần dung thể hoặc của
olivine
olivine
Hàm lượng các nguyên tố hiếm tuân theo quy
Hàm lượng các nguyên tố hiếm tuân theo quy

luật Henry, nên hoạt động của chúng thay
luật Henry, nên hoạt động của chúng thay
đổi phụ thuộc vào hàm lượng của chúng
đổi phụ thuộc vào hàm lượng của chúng
trong hệ
trong hệ
Như vậy, nếu X
Như vậy, nếu X
Ni
Ni
trong hệ tăng gấp đôi thì X
trong hệ tăng gấp đôi thì X
Ni
Ni


trong tất cả các pha cũng tăng gấp đôi
trong tất cả các pha cũng tăng gấp đôi
Do vậy, khi xác định vai trò của từng khoáng
Do vậy, khi xác định vai trò của từng khoáng
vật trong quá trình hình thành đá, sử dụng
vật trong quá trình hình thành đá, sử dụng
tỷ lệ của các nguyên tố hiếm thường tốt
tỷ lệ của các nguyên tố hiếm thường tốt
hơn sử dụng hàm lượng đơn nguyên tố
hơn sử dụng hàm lượng đơn nguyên tố
●
K/Rb
K/Rb
thường được sử dụng để phân loại

thường được sử dụng để phân loại
amphibole
amphibole
trong các đá
trong các đá
✦
K & Rb có hành vi địa hóa giống nhau, nên tỷ lệ
K & Rb có hành vi địa hóa giống nhau, nên tỷ lệ
K/Rb thường ~ constant
K/Rb thường ~ constant
✦
Nếu kết tinh amphibole, hầu hết K và Rb đều nằm trong nó
Nếu kết tinh amphibole, hầu hết K và Rb đều nằm trong nó
✦
Amphibole có D
Amphibole có D
K
K
= 1.0 và D
= 1.0 và D
Rb
Rb
= 0.3
= 0.3
Table 9-1. Partition Coefficients (C
S
/C
L
) for Some Commonly Used Trace
Elements in Basaltic and Andesitic Rocks

Olivine Opx Cpx Garnet Plag Amph Magnetite
Rb 0.010 0.022 0.031 0.042 0.071 0.29
Sr 0.014 0.040 0.060 0.012 1.830 0.46
Ba 0.010 0.013 0.026 0.023 0.23 0.42
Ni
14
5
7
0.955
0.01
6.8 29
Cr 0.70 10 34 1.345
0.01
2.00 7.4
La 0.007
0.03
0.056 0.001 0.148 0.544 2
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
Dy 0.013 0.15 0.582 1.940 0.023 2.024 1
Er 0.026 0.23 0.583 4.700 0.020 1.740 1.5
Yb 0.049 0.34 0.542 6.167 0.023 1.642 1.4
Lu 0.045 0.42 0.506 6.950 0.019 1.563
Data from Rollinson (1993).
* Eu
3+
/Eu
2+

Italics are estimated
Rare Earth Elements
●
Sr và Ba :
Sr và Ba :
▲
Sr
Sr
không nằm trong hầu hết các khoáng vật, ngoại trừ
không nằm trong hầu hết các khoáng vật, ngoại trừ
plagioclase
plagioclase


▲


Ba
Ba
không nằm trong hầu hết các khoáng vật, ngoại trừ
không nằm trong hầu hết các khoáng vật, ngoại trừ
feldspar kiềm
feldspar kiềm
Table 9-1. Partition Coefficients (C
S
/C
L
) for Some Commonly Used Trace
Elements in Basaltic and Andesitic Rocks
Olivine Opx Cpx Garnet Plag Amph Magnetite

Rb 0.010 0.022 0.031 0.042 0.071 0.29
Sr 0.014 0.040 0.060 0.012 1.830 0.46
Ba 0.010 0.013 0.026 0.023 0.23 0.42
Ni
14
5
7
0.955
0.01
6.8 29
Cr 0.70 10 34 1.345
0.01
2.00 7.4
La 0.007
0.03
0.056 0.001 0.148 0.544 2
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
Dy 0.013 0.15 0.582 1.940 0.023 2.024 1
Er 0.026 0.23 0.583 4.700 0.020 1.740 1.5
Yb 0.049 0.34 0.542 6.167 0.023 1.642 1.4
Lu 0.045 0.42 0.506 6.950 0.019 1.563
Data from Rollinson (1993).
* Eu
3+
/Eu
2+
Italics are estimated

Rare Earth Elements
Các nguyên tố tương thích
Các nguyên tố tương thích
:
:
●
Ni
Ni
phân dị mạnh
phân dị mạnh
→
→


olivine
olivine
> pyroxene
> pyroxene
●
Cr
Cr
và
và
Sc
Sc


→
→

pyroxenes
pyroxenes
» olivine
» olivine
●
Ni/Cr hoặc Ni/Sc có thể dùng để phân biệt ảnh hưởng của olivine và augite
Ni/Cr hoặc Ni/Sc có thể dùng để phân biệt ảnh hưởng của olivine và augite
trong các phần nóng chảy hoặc trong một loạt đá phân dị kết tinh
trong các phần nóng chảy hoặc trong một loạt đá phân dị kết tinh
Nhóm đất hiếm (REE)
Nhóm đất hiếm (REE)
D tương phản mạnh trong khoáng vật:
D tương phản mạnh trong khoáng vật:
Table 9-1. Partition Coefficients for some commonly used
trace elements in basaltic and andesitic rocks
Bulk D calculation
Olivine Opx Cpx Garnet Plag Amph
Rb 0.006 0.02 0.04 0.001 0.1 0.3
Sr 0.01 0.01 0.14 0.001 1.8 0.57
Ba 0.006 0.12 0.07 0.002 0.23 0.31
Ni 14 5 2.6 0.4 0.01 3
Cr 2.1 10 8.4 0.17 10 1.6
La 0.007 0.02 0.08 0.05 0.14 0.27
Ce 0.009 0.02 0.34 0.05 0.14 0.34
Nd 0.009 0.05 0.6 0.07 0.08 0.19
Sm 0.009 0.05 0.9 0.06 0.08 0.91
Eu 0.008 0.05 0.9 0.9 0.1/1.5* 1.01
Tb 0.01 0.05 1 5.6 0.03 1.4
Er 0.013 0.31 1 18 0.08 0.48

Yb 0.014 0.34 0.2 30 0.07 0.97
Lu 0.016 0.11 0.82 35 0.08 0.89
data from Henderson (1982)
* Eu
3+
/Eu
2+
Italics are estimated
Rare Earth Elements
HREE
HREE
tương
tương
thích hơn
thích hơn
LREE
LREE


đặc biệt trong
đặc biệt trong
garnet
garnet
Eu
Eu
2+
2+
tương thích
tương thích
trong

trong
plagioclase
plagioclase
Biểu đồ đất hiếm
Biểu đồ đất hiếm
Biểu diễn hàm lượng của các nguyên tố đất hiếm
Biểu diễn hàm lượng của các nguyên tố đất hiếm
theo chiều tăng của nguyên tử lượng
theo chiều tăng của nguyên tử lượng
✦
Tăng mức độ tương thích từ trái sang phải
Tăng mức độ tương thích từ trái sang phải
Concentration
Concentration
La Ce Nd Sm Eu Tb Er Dy Yb Lu
La Ce Nd Sm Eu Tb Er Dy Yb Lu
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

11
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Atomic Number (Z)
Log (Abundance in CI Chondritic Meteorite)
H
He
Li
Be
B
C
N
O
F
Sc
Fe
Ni
Ne
Mg
Si
S
Ca
Ar
Ti
Pb
Pt
Sn
Ba
V
K
Na

Al
P
Cl
Th
U
✦
Chuẩn hóa làm giảm hiệu ứng
Chuẩn hóa làm giảm hiệu ứng
Oddo-Harkins
Oddo-Harkins
và làm
và làm
cho trục y dễ biểu diễn hơn:
cho trục y dễ biểu diễn hơn:
▲
Chuẩn hóa với manti nguyên thủy
Chuẩn hóa với manti nguyên thủy
▲
Chuẩn hóa với thiên thạch (chondrit)
Chuẩn hóa với thiên thạch (chondrit)