Litoszférafő-, mikro- és nyomelemgeokémiája

Elemek csoportosítása (gyakoriságuk szerint)

Főelemek (>1 tömeg%), pl. O, Si, Fe, Al, Ca, Mg, Na, K

(major)

Mikroelemek (kis mennyiségben jelen lévő főelemek) (<1, >0.1 tömeg%), pl. Mn, P

(minor)

Nyomelemek (<0.1 tömeg%), pl. Rb, V, U, RFY(trace)

Elemek

Elem/Oxid atom% oxid%O 60.8Si/SiO2 59.321.2Al/Al2O3 15.36.4Fe/FeO 7.52.2Ca/CaO 6.92.6Mg/MgO 4.52.4Na/Na2O 2.81.9

A kontinentális kéreg főelemei, (Winter, 2001)

Elem atom%Fe 31O 30Si 18Mg 15Ca 1.8Ni 1.7Al 1.4Na 0.9

A Föld összetétele/leggyakoribb elemei,(Ringwood, 1975)

atom% < -- > tömeg% (oxid%)

>1.0 tömeg%-ban főelemek (főleg litofil, refrakter és illó)0.1-1.0 tömeg%-ban mikroelemek< 0.1 tömeg% nyomelemek

Reprezentatív magmás kőzetek kémiai összetétele (tömeg%)

Peridotit Bazalt Andezit Riolit FonolitSiO2 42.26 49.20 57.94 72.82 56.19TiO2 0.63 1.84 0.87 0.28 0.62Al2O3 4.23 15.74 17.02 13.27 19.04Fe2O3 3.61 3.79 3.27 1.48 2.79FeO 6.58 7.13 4.04 1.11 2.03MnO 0.41 0.20 0.14 0.06 0.17MgO 31.24 6.73 3.33 0.39 1.07CaO 5.05 9.47 6.79 1.14 2.72Na2O 0.49 2.91 3.48 3.55 7.79K2O 0.34 1.10 1.62 4.30 5.24P2O5 0.11 0.95 0.53 0.10 0.67

Illó 3,91 0.95 0.83 1.10 1.57Cr2O3 1.22 0.08

Cr2O3 ha főelem, akkor %-ban pph (parts per hundred), konvertálva ppm-be tömeg%*104 (ppm) elemi formában kifejezve: /2 (elemi formában egy Cr atomra számolunk, viszont két mol Cr szükséges egy mol Cr2O3 formálásához

Főelemek (nagy mennyiségben előforduló - major) meghatározzák a- kőzetek ásványos összetételét (és rendszertani helyét),- részarányát a keletkezés (olvadási és kristályosodási folyamatok, p, T)

sűrűség, illótartalom, viszkozitás - mállás, átalakulás: stabilitás trópusi talajokban: kvarc >> káliföldpát, biotit >> albit > anortit, amfibol > piroxén > dolomit > kalcit >> olivin, pirit, anhidrit, gipsz >> kősó, fedősók (q, Al-, Fe-oxid/oxihidroxid, agyagásvány)

Mikroelemek (kis mennyiségben előforduló főelemek - minor)- általában helyettesítenek (MnFe; CrFe), és/vagy- akcesszóriákat formálnak (Papatit; Tiilmenit, rutil, titanit; Crkrómit)

a felső kontinentális kéregben (savanyú kőzetekben) a cirkon is akcesszória a Zr kompatibilis savanyú olvadékokban, de mégsem mikroelem, hanem nyomelem (miért?)

Nyomelemek (trace) koncentrációja túl kevés önálló ásványok formáláshoz (Zr kivétel)

- fő- (és mikro)elemeket helyettesítenek (Mg-t Ni és Co; Ca-t Sr, RFY)- mennyiségük és eloszlásuk a forrás meghatározására és jellemzésére,

továbbá a folyamatok leírására alkalmas

FeO (ritkábban Fe2O3-ban) FeO*1.1113=Fe2O3 vagy Fe2O3*0.8998=FeOPrimer FeO/Fe2O3 arány az olvadék/szilárd fázisegyensúlyi oxigénfugacitásától függ (nagy fO2 mellett a Fe3+ és Ti oxidba megy)Mállás

FeO és Fe2O3 szétosztás (megoszlás):- Irvine & Baragar (1971): Fe2O3=TiO2+1.5- La Bas et al. (1986): Fe2O3/FeO<0.5 üde bazaltban- Tapasztalati Fe2O3/FeO arány:

- Básisos kőzetek: 0.2-0.25- Neutrális kőzetek: 0.40-0.50- Savanyú kőzetek: 0.70-0.95

Illó (izzítási veszteség – LOI – DTA, kemence)CO2, H2O- (<105 oC, pórus és felületi), H2O+ (>105 oC, szerkezeti)fluidum zárványok, illó-mentes ásványok

normálás 100%-ra

Üde bazalt: H2O+<2 %, CO2<0.5 % (Le Bas et al., 1986)99 % < eredeti totál < 101 %

Nyomelemek(általában)

Nyomelemek (litofil!) - Definiciók

Nem sztöichiometrikusan vannak jelen a fázisokban (más a szilárd fázisok és más a vizes oldatok nyomelem-tartalma),

Nem befolyásolják az adott rendszer (pl. szilárd fázisok, oldat, talaj) fizikai és kémiai tulajdonságát, ha a rendszert mint egészet vizsgáljuk egy jelentős kiterjedésben,

Henry-törvény szerint viselkednek a rendszerekben (azaz ideálisan oldódnak nagy hígítás mellett)

Nyomelemek geokémiája

A litofil elemek elektronszerkezete “kemény gömb” és főleg ionos kötéssel a szilárd fázisban

A litofil elemek geokémiai viselkedését a kristályrácsban való a helyettesítési képességük szabja meg

A helyettesítés tényezői:ion rádiuszion töltés

Ion rádiusz és töltés hatása

Magnézium (Mg2+): 65 pm

Kalcium (Ca2+): 99 pm

Stroncium (Sr2+): 118 pm

Rubidium (Rb+): 152 pm

Nagy töltés- és rádiuszbeli különbségkismértékű helyettesítésa rácsban,

SiO4-ben Si-t Al helyettesíthet: rádiusz -töltés

A szilikátok rácsában a poziciók általában Mg, Fe és Ca számára, 2+töltéssel,

Ritkán RFY helyettesít Al3+-t

Ion rádiusz (pikométer)

Goldschmidt-féle helyettesítése szabályok

Egy elem ionja nagymértékben helyettesítheti egy másik elem ionjait ionos kristályrácsban, ha a rádiuszuk keveseb, mint 15 pm-ban különbözik.

hasonló rádiusz és azonos töltés helyettesítés

továbbá függ: koncentráció, hőmérséklet, koordinációs szám, kötésekkompatibilitásanagyobb hőmérséklet kedvez a helyettesítésnek

A kristályrácsbeli helyettesítést az ionrádiusz és a töltés a szabályozza (Goldschmidt):

- Két egyenlő ionrádiuszú és töltésű ion ugyanolyan mértékbenépül be adott szilárd fázis /ásvány/ kristályrácsába.

- Ha az ionrádiuszok hasonlók vagy nincs közöttük nagykülönbség, akkor a:- két egyenlő töltésű elem ionjai közül a kisebb

ionrádiuszú épül be nagyobb mértékben,- két hasonló ionradiuszú ion közül a nagyobb töltésű

épül be nagyobb mértékben adott ásványkristályrácsába.

Nyomelem helyettesítés

Nyomelem helyettesítés

, Nb,Ta

Sc,

, Nb,Ta

Sc,REY

Osztályozás a rádiusz és a töltés alapján

1) Kis térerejű (low field strength- LFS) vagy nagy ionrádiuszú litofil (large ion lithophile –LIL) elemek

2) Nagy térerejű (high field strength - HFS) elemekpl. RFY/REY

3) Plantina csoport (platinum group – PG) elemek

Fe

töltés/rádiusz - ion potenciál:a mobilitás hozzávetőleges indexe(olhatóság) vizes oldatokban:<3 (nagy) & >12 (kicsi)

3.2. ábra. Az oldhatóság ionpotenciáltól való függése

Papp Kümmel, 1992

Osztályozás a rádiusz és a töltés alapján

Goldschmidt-féle osztályozás Sziderofil elemek: affinitás folyékony fém

fázishoz, pl. Föld magja

Kalkofil: affinitás folyékony szulfid fázishoz, pl.Föld köpeny, szilikát-szulfid elkülönülés

Litofil: affinitás szilikát fázishoz, pl. Föld kéreg és köpeny

Atmofil: erősen illó, a hidro- és atmoszférában koncentrálódik

Biofil: élőlényekben (H, O, N, C, P)