論稀土微量及微量元素對比值的相關分析在物質來源中的應用

曾憲科

(湖南省核工業地質局三○六大隊,湖南衡陽 421008)

論稀土微量及微量元素對比值的相關分析在物質來源中的應用

曾憲科

(湖南省核工業地質局三○六大隊,湖南衡陽 421008)

稀土及微量元素在地球化學“相”(固、熔、溶)的分配服從“稀溶液定律”。據此,可用于地質(相)體物質來源的研究,不同地質(相)體的稀土及微量元素對比值的相關分析,其相關系數值較之稀土元素標準化后的配分曲線(型式圖)對比及稀土元素“四分組效應”的對比研究,更能準確地反映其同源程度和同一體系不同“相”間的平衡程度。從黑曜巖中褐簾石斑晶與其玻璃質和大義山超單元-單元巖體中稀土、微量元素對比值的相關分析及其對比研究結果,顯證了其物源示蹤和“相”平衡程度研究的可靠性和可行性。

稀土;微量元素對比值;相關分析;相關系數值;物質來源

微量元素在地球化學“相”(固、熔、溶)的分配不受“相律”和化學計量的限制,而服從“稀溶液定律”(亨利定律),即當分配達平衡時,在各“相”間的化學勢相等,其活度正比于其摩爾濃度(條件為摩爾濃度極稀C→0),此時其濃度比為一常數(KD),稱為分配系數或稱能斯特分配系數[1],它僅適用于服從“稀溶液定律”[2]的微量元素。據此利用微量元素的配分比或配分模式研究物質來源就成為可能。

稀土元素的配分模式及其有關參數早已被人們用于巖石成因、成礦物質來源、成巖成礦物理化學條件,甚至地殼和地球等天體的形成和演化等研究。這不僅是因為稀土元素電子構型的特殊而具有相似的地球化學性質,除受巖漿熔融外基本不破壞它們的整體組成特征,并且由于它們的分餾能靈敏地反映地質地球化學作用而具有明顯的示蹤效果,更重要的是除成礦作用的非平衡體系外,它們都屬于典型的稀有分散元素,即微量元素范疇而服從“稀溶液定律”和“能斯特定律”。據此,利用微量元素對比值的相關分析,便可對比研究地質(相)體之間的物質來源,且能相對定量地查找它們間的親緣程度以及各“相”間的平衡程度。現以珍珠黑曜巖中褐簾石斑晶與其玻璃質,以及湘南大義山花崗巖體不同超單元-單元巖體分別作為已知的同一體系不同礦物、熔體“相”和不同體系或同一體系不同地質體(相)進行稀土元素、微量元素對比值的相關分析[3]為例,以對比其定量示蹤研究的效果,并論證其在物質來源研究中的可靠性和可行性。

1 珍珠黑曜巖中褐簾石斑晶與其玻璃質中稀土元素配分及其元素對比值的相關系數分析

黑曜巖中褐簾石斑晶與其玻璃質是典型的同一體系的不同“相”,即“固相”和“熔體相”,其礦物相(固相)和玻璃質(熔體相)的稀土元素含量(見表1),可視為同一體系不同“相”間的(動態)平衡分配。分別將其用球粒隕石平均含量標準化并分別作稀土元素配分曲線(如圖1)。從圖1中可以看出褐簾石與其玻璃質的稀土元素配分型式極為一致,表明它們為同一體系的不同(固、熔)兩相。

將褐簾石與玻璃的對應稀土元素含量及對應元素對的比值作相關分析,求得相關系數值分別為0.980 3和0.704 6,呈顯著正相關(α=0.05時,前者n=9,檢驗值F=0.602[3]和后者n=36,F= 0.324)。其相關系數值的大小可定量反映它們之間的平衡程度,0.980 3接近1,即接近平衡。而0.704 6遠大于其檢驗值0.324,亦接近平衡,且后者樣品數量多,可信度更高。表明礦物相與熔體相處于動態平衡,與實際相符合。

表1 黑曜巖中褐簾石、玻璃質稀土元素含量表[1]

圖1 黑曜巖中褐簾石斑晶與玻璃質稀土元素型式圖

2 大義山超單元-單元巖體微量元素、稀土元素及元素對比值相關性分析

2.1 大義山超單元-單元巖體劃分簡介

大義山復式巖體中超單元-單元的劃分及時代演化特征見圖2和表2[4]。從圖2和表2中可以看出,大義山復式巖體由南東向北西巖體時代從早到晚,巖石化學具有從中性→酸→偏堿性的演化特征,尤其是超單元巖體特征之間。由于殼幔混熔程度不同(幔源成分遞減)而尤為明顯。據其殼幔混熔程度幔源成分由多到少、時代由老到新共劃分為觀音閣(T3)、湯市鋪(J2)、泥板田(J3)三個超單元;每個超單元又依其巖石演化特征從早階段到晚階段劃分為四個單元(表2)。超單元之間的演化主要為殼幔混溶程度物質來源的差異演化而決定(可視為不同體系,即不同源),其中后兩個(湯市鋪與泥板田)超單元由于混溶程度(幔源成分)差異不大,空間和時間關系較相近而具較多的共同特征。超單元內的各單元巖體的演化是以同源結晶分異為主形成的演化差異(可視為同一體系的同源演化)。

圖2 湘南大義山巖體地質略圖

2.2 超單元-單元巖體微量元素、稀土元素及元素對比值的相關分析

依據大義山復式巖體超單元巖體及湯市鋪超單元中各單元巖體平均微量、稀土元素含量,分別作超單元和單元巖體之間的相關分析。由于大義山各超單元巖體成礦專屬性基本相同,故微量、稀土元素全元參與統計分析,而元素對剔除成礦元素,僅選取了21對參與統計分析(見表3)。現按超單元和單元分別討論如下。

2.2.1 超單元巖體相關性計算及分析

表4和表5分別是大義山三個不同超單元(J3、J2、T3)巖體19種微量元素,15個稀土元素及剔除成礦元素組合后的21對微量元素對比值的相關系數值。

從表4中可以看出,組成大義山復式巖體的三個超單元均有一定同源關系(均有同一地區的地殼成分)。三種類型的相關系數均達到不同程度的顯著相關(均大于各自的相關檢驗值F值),但由于超單元間主要為幔源成分混合程度不同而形成的差異演化,故相關系數值不高;但三種類型表中J2和J3的相關系數均較高,與其幔源混合程度相近時空關系較為密切的實際情況一致。三種類型的相關系數值由大到小基本反映其時空關系的緊密程度,即J3與J2高于J3與T3,T3與J2高于 T3與J3的密切程度。

表2 大義山巖體巖石譜系單位劃分[4]

表3 大義山不同超單元巖體微量元素對比值表

表4 大義山不同超單元巖體稀土、微量元素對相關系數值表

2.2.2 超單元巖體中不同單元巖體相關性計算及分析

表5為大義山巖體湯市鋪超單元(J2)中4個單元巖體(從早到晚依次為J2Y、J2D、J2SH、J2J)微量、稀土元素及微量元素對比值的相關系數值。前已述及超單元巖體中不同單元巖體基本為同一巖漿體系由結晶分異作用演化的結果。因此,微量、稀土元素及元素對比值的相關系數值均呈極顯著的正相關,清楚地表明它們是同一體系的同源演化產物。其中以稀土元素及微量元素對比值的相關系數能進一步顯示其空間和時間的密切程度;尤其是微量元素對比值的相關系數值,從早到晚顯示出J2Y與J2D,J2D與J2SH,J2SH與J2J等相鄰單元巖體演化的密切關系和結晶分異的程度;其相關系數值從早到晚依次增高(由0.9244→0.9463→0.9974)。表明從早到晚,每相鄰的兩單元巖體同源演化程度增高,而分異程度降低。

表5 湯市鋪超單元不同單元巖體稀土、微量元素對相關系數值表

3 討 論

稀土元素四分組效應[5]在對巖漿巖,尤其是花崗巖的成因類型、成巖環境、殼幔混熔程度(混熔比例)、巖漿演化方向、演化程度以及該巖體的成礦性[6～8](成礦能力),以及礦物、巖石、礦床的成因[9]等研究中均有較廣闊的前景。

地質體包括礦物和巖石微量元素、稀土元素對的比值的相關分析,其相關系數的大小可相對定量地指示地質體之間、礦物與巖石之間的同源程度和在物質成分上的繼承程度,亦可研究同一體系中不同“相”之間(固-固、固-液、固-熔,如珍珠黑耀巖中褐簾石-玻璃質)的平衡程度,可省去稀土元素標準化及作圖,只須在計算機中對應地輸入分析數據(數據單位要統一),應用相關程序[3]就能較快較準確地顯示所需要的相關系數,并可根據系數的高低進行巖體單元-超單元組合(如大義山巖體中的三個超單元和每一個超單元中的四個單元巖體),以檢驗野外劃分的準確性,還可以對巖石、礦物類型進行歸并。這是一種物質來源,尤其是成礦流體的物質來源[10,11]以及體系中“相”平衡程度對比研究的簡單、直觀而有效的方法。

4 結 論

綜上所述,無論是稀土元素還是除成礦元素之外的微量元素對的比值,均可用于不同地質體(相)的物源示蹤或成因對比和演化特征的研究,且以微量元素對的比值指示性更強,其相關系數值的大小可定量的顯示地質體(相)的同源程度和同體系不同“相”間的平衡程度。相關系數值越大(接近1),就表明越接近同源,體系中相與相越接近平衡。微量元素的絕對含量由于較易受地質及地球化學成礦作用的影響而具有隨機性大、誤差大,不適用于相關分析研究。

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[11]梅水泉.諸廣中段三九地區鈾礦化特征及成礦機理探討[J].鈾礦地質,1997,(2):83-88.

On the Application of Correlation Analysis in the Contrast Ratio between Rare Earth and Trace Elements for Material Source Research

ZENG Xian-ke

(Group306of Hunan Geological Bureau of N uclear Industry,Hengyang421008,China)

The rare earth and trace elements in geochemistry(solid,melting,soluble)are complied with“The Dilute Soluble”.According to the law,various in the contrast ratio between rare earth and trace elements,coMPares the related numerical with the standardized rare earth elements’curve type chart and does the research in the rare earth elements’“tetrad effect”.Correctly,it reflects the different balance degree between the homologous source degree and the same system.As a result of the related analysis and research,the rare earth,trace elementsof related numerical of various Super-ceu mass in the DaYi Mountain granite body agree to the studies in the trace and manifestation balance degree,which is authentic and feasible.

rare earth;trace elements of ratio;correlation analysis;related numerical;material source

TD167

A

1003-5540(2011)05-0005-04

曾憲科(1965-),男,高級工程師,主要從事礦產地質勘查工作。

2011-08-20