Geochemie I
WS 2006/2007
Prof. Dr. K. Mengel
Institut für Mineralogie und mineralische Rohstoffe
Tab.1 Die chemischen Hauptkomponenten folgender Elemente als Oxide
矿物与岩石的主要化学成分, 以其主要元素的氧化物来表示
Masse-%
质量百分比
z. B. Basalt
如 玄武岩
SiO2
49.94
TiO2
2.71
Al2O3
13.8
Fe2O3
2.82
FeO
8.58
MnO
0.168
MgO
7.23
CaO
11.4
Na2O
2.26
K2O
0.52
P2O5
0.273
H2O
0.21
CO2
0.036
Summe 合计
Fetot als Fe2O3
99.947
12.23
Kasten 1: Massen-%, ppm, ppb, ppt
100 Massen-%
entspricht
106 Teilen in 106 Teilen
„
106 ppm
10 Massen-%
„
105 ppm
1 Massen-%
„
104 ppm
0,1 Massen-%
„
1000 ppm
0,01 Massen-%
„
100 ppm
1 ppm
„
1000 ppb
0,01 ppm
„
10 ppb
0,001 ppm
„
1 ppb
0,001 ppb
„
1 ppt
Beispiele:
5400 ppm
=
0,54 Massen-%
1630 ppb
=
1,63 ppm
0,028 ppm
=
28 ppb
2560 ppt
=
2,56 ppb
Tab.2 Die am häufigsten betrachteten Nebenbestandteile und Spurenelemente
最常见的微量元素和其它成分
Li
Rb
Cs
Alkalien 碱金属元素
Sr
Ba
Erdalkalien 碱土金属元素
Sc
Ti
V
Cr
Co
Ni
Cu
Zn
3-d-Übergangselemente
3-d 过渡元素
Y
Zr
Nb
Hf
Ta
Elemente mit höherer
Ladungsdichte
HFSE
高场强元素
La
↓
Lu
Seltene Erden
REE
稀土族元素
Pb
Th
U
Schwere Elemente 重元素
F
Cl
Br
Halogene 卤族元素
Tab.3 gegenseitiger Ersatz von chemischen Hauptkomponenten
在晶格中能互相替换的化学元素
Gitterplatz
晶格位置
Koordination
配位数
Si
[4]
Al
[4]
Al
IR (Å)
离子半径
Ladung
离子价
Austausch mit
可被..替换
4+
Al
0.39
3+
Si
[6]
0.535
3+
Fe
Cr
Fe
[6]
0.55
3+
Al
Cr
3+
3+
Fe
[6]
0.61
2+
Mg
Mn
2+
2+
Mn
[6]
0.255
2+
Mg
Fe
2+
2+
Ca
[6]
1.00
2+
Na
1+
Na
[8]
1.18
1+
K
1+
K
[12]
1.64
1+
Na
1+
Beispiel
例子
Tab.4 Beispiele für den Einbau von Spurenelementen auf Kristallgitterplätze
von Hauptelementen
微量元素占有主要元素的晶格位置的一些例子
Hauptelemente
主要元素
Spurenelemente und Nebenbestandteile
微量元素及其他成分
Ladung
离子价
Koord.
配位数
IR (Å)
离子半径
Al
3+
[6]
0.535
Fe
2+
[6]
Mg
2+
Ca
2+
K
1+
Ladung
离子价
IR (Å)
离子半径
Beispiel
例子
Cr
3+
0.615
K(Al,Cr)3[AlSi3O10|OH]
0.61
Co
Zn
2+
2+
0.65
0.740
(Fe,Co,Zn)O · Fe2O3
[6]
0.720
Ni
Co
2+
2+
0.69
0.65
(Mg,Ni)2SiO4
[8]
1.12
Sr
Ba
La
↓
Lu
2+
2+
3+
1.26
1.42
1.16
(Ca, Sr, Ba)Al2Si2O8
3+
0.977
Rb
Cs
(Ba)
1+
1+
2+
1.72
1.99
1.61
[12]
1.64
(K,Rb,Cs)Al3(AlSi4O10|OH)
Periodensystem der Elemente 元素周期表
H
He
Li
Be
B
C
N
O
F
Ne
Na
Mg
Al
Si
P
S
Cl
Ar
K
Ca
Sc
Ti
V
Cr
Mn
Fe
Co
Ni
Cu
Zn
Ga
Ge
As
Se
Br
Kr
Rb
Sr
Y
Zr
Nb
Mo
Tc
Ru
Rh
Pd
Ag
Cd
In
Sn
Sb
Te
I
Xe
Cs
Ba
La
*
Hf
Ta
W
Re
Os
Ir
Pt
Au
Hg
Tl
Pb
Bi
Po
At
Rn
Fr
Ra
Ac
**
Rf
Db
Sg
Bh
Hs
Mt
Ds
Rg
*
Ce
Pr
Nd
Pm
Sm
Eu
Gd
Tb
Dy
Ho
Er
Tm
Yb
Lu
**
Th
Pa
U
Np
Pu
Am
Cm
Bk
Cf
Es
Fm
Md
No
Lr
Kasten 2: Ionenradius und Ladung der Seltenen Erden (REE) 稀土元素的离子半径和价
In der Natur liegen die REE immer als dreiwertige Kationen vor, Ausnahmen sind
Ce4+ und Eu2+. Die Ionenradien der dreiwertigen REE nehmen von La bis Lu ab.
Die Differenz im Ionenradius zwischen La und Lu beträgt fast 20 %.
Ionenradius [Å]
1.4
Eu2+
1.2
1
Ce4+
0.8
0.6
La
Ce
Pr
Nd
Sm
Eu
Gd
Tb
Dy
Ho
Er
Tm
Yb
Lu
Lanthaniden (alle 3+)
Wegen der sehr großen Ähnlichkeit benachbarter REE z. B. La und Ce oder Yb und Lu
sind diese in ihrem geochemischen Verhalten sehr ähnlich. Jedoch kann das Ce4+ sehr
deutlich unterschiedlich im Vergleich mit La3+ und Pr3+ reagieren. Dies ist der Fall bei
stark oxidierenden Bedingungen. Bei reduzierenden Bedingungen wird das Verhalten
von Eu2+ entkoppelt von den benachbarten REE Sm3+ und Gd3+.
Mischkristalle 混合晶
1. Beispiel: Olivin (Mg,Fe)2SiO4
Endglied
Endglied
Forsterit
Fayalit
例一: 橄榄石
Mg2SiO4
Fe2SiO4
Mg2SiO4
Mg1.5Fe0.5SiO4
MgFeSiO4
Mg0.5Fe1.5SiO4
Fe2SiO4
100%
75%
50%
25%
0%
0%
25%
50%
75%
Die Mischung beider Endglieder ist lückenlos.
Mg
100 % Fe
Mischkristalle 混合晶
2. Beispiel: Feldspäte
Endglied
Endglied
Endglied
例二: 长石
Kalifeldspat (Orthoklas)
Natriumfeldspat (Albit)
Calciumfeldspat (Anorthit)
KAlSi3O8
NaAlSi3O8
CaAl2Si2O8
Or
Al
An
Mischkristalle 混合晶
3. Beispiel: Pyroxene (Ca,Fe,Mg)2Si2O6
Endglied
Endglied
Endglied
Endglied
Diopsid
Hedenbergit
Enstatit
Ferrosilit
CaMgSi2O6
CaFeSi2O6
Mg2Si2O6
Fe2Si2O6
Cpx
Mischungslücke
Opx
Kasten 3: Mischungslücken und Solvus 混溶空隙区与完全混溶界
Die Mischungsverhältnisse von Endgliedern kann u. a. von Temperatur und Druck
abhängen. Oft steigt mit zunehmender Temperatur die Mischbarkeit von Endgliedern. In
einem T-X-Diagramm beschreibt der Solvus die Temperaturkurve, oberhalb welcher eine
vollständige Mischbarkeit vorhanden ist. Die Fläche unterhalb des Solvus beschreibt die
Mischungslücke.
Beispiel:
Diopsid CaMgSi2O6 und Enstatit Mg2Si2O6
T [°C]
T [°C]
1400
1400
1200
1200
Solvus
1000
Innerhalb der Mischungslücke koexistieren
also zwei Minerale: Enstatit mit geringen
Gehalten von Diopsid im Gitter (Enss) und
Diopsid mit geringen Gehalten von Enstatit
im Gitter (Diss); ss steht für solid solution.
Die Anteile von Di in En und von En in Di
sind temperaturabhängig.
1000
Enss + Diss
800
800
600
600
Enstatit
0.2
0.5
0.8
Diopsid
Spurenelemente: kompatibel vs. inkompatibel 微量元素: 兼容与不兼容
Beispiel 1: Silikatische Schmelze mit Mg2+, SiO4- (Hauptkomponenten) und Ni2+
(Spurenelement) in Lösung und koexistierendem Kristall Mg2SiO4 [Cs(Ni) > Cl(Ni)].
例一: 含有Mg2+, SiO4-(主要成分) 和 Ni2+(微量元素)的硅酸盐熔化液处于液体和
晶体 Mg2SiO4 [Cs(Ni) > Cl(Ni)] 共存中
Mg2+
Ni2+
SiO44-
Spurenelemente: kompatibel vs. inkompatibel 微量元素: 兼容与不兼容
Beispiel 2: In einem stark eingedunsteten Meerwasser mit den Hauptkomponenten Na+
und Cl- kristallisiert das Mineral Halit (NaCl). Br- ist als Spurenelement in der
Meerwasser-Lösung vorhanden.
例二: 海水(含主要成分Na+和Cl-)蒸发后, 结晶出NaCl. 海水含有微量的溴Br-.
Na+
Br-
Cl-
Kasten 4: Spurenelementanreicherung und -Verarmung in einer Flüssigkeit
im Gleichgewicht mit einem Festkörper
在液体与固体的平衡中, 微量元素在液体中的加浓和减贫
Cl
bei inkompatiblem Verhalten
eines Spurenelements
C0
1.0
f
0
Cl
bei kompatiblem Verhalten
eines Spurenelements
C0
1.0
f
0
Tab.5 Kosmische Elementhäufigkeiten in Atomen pro 106 Atome Si
宇宙中元素的出现机率 (每106个硅原子中的原子数)
Element 元素
Element 元素
Element 元素
1
H
2.66·1010 16
S
5.0·105 31
Ga
38
2
He
1.8·109 17
Cl
4740 32
Ge
117
3
Li
60 18
Ar
1.06·105 33
As
6.2
4
Be
1.2 19
K
3500 34
Se
67
5
B
9 20
Ca
6.25·104 35
Br
9.2
6
C
1.11·107 21
Sc
31 36
Kr
41.3
7
N
2.31·106 22
Ti
2400 37
Rb
6.1
8
O
1.84·107 23
V
254 38
Sr
22.9
9
F
780 24
Cr
1.27·104 39
Y
4.8
10
Ne
2.6·106 25
Mn
9300 40
Zr
12
11
Na
6.0·104 26
Fe
9.0·105 41
Nb
0.9
12
Mg
1.06·106 27
Co
2200 42
Mo
4.0
13
Al
8.5·104 28
Ni
4.78·104 43
14
Si
1.00·106 29
Cu
540 44
Ru
1.9
15
P
6500 30
Zn
1260 45
Rb
4.0
Tab.5 Kosmische Elementhäufigkeiten in Atomen pro 106 Atome Si
(Fortsetzung 续表) 宇宙中元素的出现机率 (每106个硅原子中的原子数)
Element 元素
Element 元素
46
Pd
1.3 61
47
Ag
0.46 62
Sm
48
Cd
1.55 63
49
In
50
Element 元素
76
Os
0.69
0.24 77
Ir
0.72
Eu
0.094 78
Pt
1.41
0.19 64
Gd
0.42 79
Au
0.21
Sn
3.7 65
Tb
0.076 80
Hg
0.21
51
Sb
0.31 66
Dy
0.37 81
Tl
0.19
52
Te
6.5 67
Ho
0.092 82
Pb
2.6
53
I
1.27 68
Er
0.23 83
Bi
0.14
54
Xe
5.84 69
Tm
0.035
55
Cs
0.39 70
Yb
0.2
56
Ba
4.8 71
Lu
0.035 90
Th
0.045
57
La
0.37 72
Hf
0.17 92
U
0.027
58
Ce
1.2 73
Ta
0.020
59
Pr
0.18 74
W
0.30
60
Nd
0.79 75
Re
0.051
Logarithmische Darstellung der Häufigkeit
der Elemente im Kosmos
元素出现机率的对数表示
Schalenaufbau der Erde
地球的层状构造
Erdkruste 地壳
3 – 10 km Tiefe bzw.
0 – 40 km Tiefe
Oberer Erdmantel 上地幔
40 – 670 km Tiefe
Unterer Erdmantel 下地幔
670 – 2900 km Tiefe
Erdkern 地核
2900 – 6300 km Tiefe
Tab.6 Schalenaufbau der Erde
地球的层状构造
Masse [g]
质量
Dichte
比重
Masse-%
质量百分比
Erde 地球
6·1027
5.5
100
Kern 地核
2·1027
11
32.4
Mantel 地幔
4·1027
4.5
67.2
1.4·1024
2.8
0.4
5·1021
1.03
0.024
Erdkruste 地壳
Meerwasser 海水
Tab.7 Erdkern 地核
Masse-%
质量百分比
Erdkern
地核
Fe
85
Ni
5.2
Co
0.25
Cr
0.9
S
1.9
C
0.2
Tab.8 Chemische Hauptkomponenten Erdmantel: 地幔主要化学成分:
Gew.-%
Gesamter Mantel
全地幔
Oberer Mantel
上地幔
SiO2
49.9
44.54
TiO2
0.16
0.072
Al2O3
3.64
1.82
FeO
8
8.13
MnO
0.13
0.13
MgO
35.1
42.4
CaO
2.89
1.75
Na2O
0.34
0.17
K2O
0.02
0.006
Tab.9 Spurenelemente Erdmantel: 地幔的微量元素
ppm
Li
Gesamter Mantel
全地幔
Oberer Mantel
上地幔
ppm
Gesamter Mantel
全地幔
Oberer Mantel
上地幔
0.83
2
Pr
0.206
Sc
13
8.2
Nd
1.067
1.44
V
128
50
Sm
0.347
0.4
Cr
3000
2770
Eu
0.131
0.16
Co
100
110
Gd
0.459
Ni
2000
2220
Tb
0.087
Cu
28
13
Dy
0.572
Zn
50
56
Ho
0.128
Rb
0.55
0.5
Er
0.374
Sr
17.8
22
Tm
0.054
Y
3.4
2.9
Yb
0.372
0.38
Zr
8.3
18
Lu
0.057
0.065
Nb
0.56
1.3
Hf
0.27
0.3
Cs
0.018
0.006
Ta
0.04
0.1
Ba
5.1
5.1
Pb
0.12
0.2
La
0.551
0.92
Th
0.064
0.07
Ce
1.436
1.93
U
0.018
0.025
0.12
Tab.10 Chemische Zusammensetzung der ozeanischen Kruste:
海洋地壳的化学组成:
Gew.-%
Average MORB
N-MORB
SiO2
49.14
50.45
TiO2
1.17
1.615
Al2O3
15.64
15.255
FeO
9.14
10.426
MnO
0.16
0.17
MgO
8.22
7.576
CaO
11.84
11.303
Na2O
2.4
2.679
K2O
0.2
0.106
Tab.11 Spurenelemente in der ozeanischen Kruste: 海洋地壳的微量元素
ppm
Average MORB
Li
8.8
Sc
40
V
N-MORB
ppm
Average MORB
N-MORB
Pr
1.3
2.074
Nd
11.8
11.179
252
Sm
3.05
3.752
Cr
317
Eu
1.11
1.335
Co
45
47.07
Gd
4.6
5.077
Ni
144
149.5
Tb
0.61
0.885
Cu
81
74.4
Dy
5.95
6.304
Zn
78
Rb
4.9
1.262
Er
3.38
4.143
Sr
134
113.2
Tm
0.41
0.621
Y
29
35.82
Yb
3.29
3.9
Zr
85
104.24
Lu
0.4
0.589
Nb
11.2
3.507
Hf
2
2.974
Cs
0.08
0.01408
Ta
3
0.192
Ba
48
13.87
Pb
0.89
0.489
La
5.5
3.895
Th
0.75
0.1871
Ce
15.6
12.001
U
0.12
0.0711
41.37
Ho
1.342
Ozeanische Kruste 海洋地壳
MORB/C1
100.0
Average MORB
10.0
N-MORB
1.0
La
Ce
Pr
Nd
Sm Eu
Gd
Tb
REE
Dy
Ho
Er
Tm Yb
Lu
Tab.12 Chemische Zusammensetzung der Kontinentalen Kruste:
大陆地壳的化学组成:
Gew.-%
Gesamtkruste
全地壳
Obere Kruste
上地壳
Untere Kruste
下地壳
SiO2
57.3
66
54.4
TiO2
0.9
0.5
1
Al2O3
15.9
15.2
16.1
FeO
9.1
4.5
10.6
MgO
5.3
2.2
6.3
CaO
7.4
4.2
8.5
Na2O
3.1
3.9
2.8
K2O
1.1
3.4
0.34
MnO
P2O5
Tab.13 Spurenelemente in der kontinentalen Kruste: 大陆地壳的微量元素
Gesamtkruste
全地壳
Obere Kruste
上地壳
Untere Kruste
下地壳
Li
13
20
11
Pr
3.9
7.1
2.8
Sc
30
11
36
Nd
16
26
12.7
V
230
60
285
Sm
3.5
4.5
3.17
Cr
185
35
235
Eu
1.1
0.88
1.17
Co
29
10
35
Gd
3.3
3.8
3.13
Ni
105
20
135
Tb
0.6
0.64
0.59
Cu
75
25
90
Dy
3.7
3.5
3.6
Zn
80
71
83
Ho
0.78
0.8
0.77
Rb
32
112
5.3
Er
2.2
2.3
2.2
Sr
260
350
230
Tm
0.32
0.33
0.32
Y
20
22
19
Yb
2.2
2.2
2.2
Zr
100
190
70
Lu
0.3
0.32
0.29
Nb
11
25
6
Hf
3
5.8
2.1
Cs
1
3.7
0.1
Ta
1
2.2
0.6
Ba
250
550
150
Pb
8
20
4
La
16
30
11
Th
3.5
10.7
1.06
Ce
33
64
23
U
0.91
2.8
0.28
ppm
ppm
Gesamtkruste
全地壳
Obere Kruste
上地壳
Untere Kruste
下地壳
Kontinentale Kruste 大陆地壳
Kruste/C1
1000.0
100.0
Bulk Crust
Upper Crust
Low er Crust
10.0
1.0
La
Ce
Pr
Nd
Sm Eu
Gd
Tb
REE
Dy
Ho
Er
Tm Yb
Lu
Tab.14 Chemische Hauptkomponenten von Granitoiden:
Gew.-%
Granite 花岗岩
Tonalite
SiO2
61.9
70.27
TiO2
0.77
0.48
Al2O3
16.3
14.1
FeO
5.68
3.37
MnO
0.09
0.06
MgO
2.6
1.42
CaO
4.9
2.03
Na2O
3.9
2.41
K2O
1.9
3.96
P2O5
0.26
0.15
Tab.15 Spurenelemente in Granitoiden:
ppm
Granite 花岗岩
Tonalite
Li
19
Sc
11
V
103
Cr
ppm
Granite 花岗岩
Tonalite
Pr
8.5
12
Nd
25
56
Sm
4.9
38
Eu
1.4
Co
16
Gd
4.2
Ni
19
13
Tb
0.75
Cu
19
11
Dy
3.5
Zn
61
62
Ho
0.9
Rb
64
217
Er
1.9
Sr
439
120
Tm
Y
22
32
Yb
2.4
Zr
173
165
Lu
0.37
Nb
8.8
12
Hf
4.6
Cs
3.2
Ta
1.1
Ba
608
Pb
14.2
27
La
23
Th
6.4
18
Ce
53
U
1.7
4
468
64
Tab.16 Chemische Zusammensetzung von Sedimentgesteinen:
沉积岩的化学成分:
Gew.-%
Tonschiefer 泥质板岩
Grauwacke 杂砂岩
SiO2
62.8
69.1
TiO2
1
0.72
Al2O3
18.9
13.5
FeO
6.5
5.32
MnO
0.11
0.1
MgO
2.22
2.3
CaO
1.3
2.6
Na2O
1.2
3
K2O
3.7
2
P2O5
0.16
0.13
Tab.17 Spurenelemente in der kontinentalen Kruste:
ppm
Tonschiefer 泥质板岩
Grauwacke 杂砂岩
Tonschiefer 泥质板岩
Grauwacke 杂砂岩
Pr
8.9
6.1
ppm
Li
75
Sc
16
16
Nd
32
25
V
150
98
Sm
5.6
4.6
Cr
110
88.0
Eu
1.1
1.2
Co
23
15
Gd
4.7
4
Ni
55
24
Tb
0.77
0.63
Cu
50
24
Dy
4.4
3.4
Zn
85
76
Ho
1
0.78
Rb
160
72
Er
2.9
2.2
Sr
200
201
Tm
0.4
Y
27
26
Yb
2.8
2.1
Zr
210
302
Lu
0.43
0.37
Nb
19
8.4
Hf
5
3.5
Cs
15
2.2
Ta
Ba
650
426
Pb
20
14.2
La
38
34
Th
14.6
9
Ce
80
58
U
3.1
2
Tab.18 Chemische Zusammensetzung des Meerwassers 海水的化学成分
Kationen 阳离子
ppm
Anionen 阴离子
Cl-
ppm
Na
11000
Mg
1300
CO32-
K
390
SO42-
Ca
410
Br-
37
Sr
8
F-
1.3
Rb
0.12
I-
0.06
Ba
0.02
Li
0.170
Mo
0.01
U
0.003
Ti
0.001
Fe
0.003
Al
0.001
Pb
0.00003
19000

微量元素 - Institut für Endlagerforschung