Litoszféra fő-, 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 >1.0 tömeg%-ban főelemek (főleg litofil, refrakter és illó) 0.1-1.0 tömeg%-ban mikroelemek < 0.1 tömeg% nyomelemek A kontinentális kéreg főelemei, (Winter, 2001) Elem/Oxid atom% oxid% O 60.8 Si/SiO2 21.2 59.3 Al/Al2O3 6.4 15.3 Fe/FeO 2.2 7.5 Ca/CaO 2.6 6.9 Mg/MgO 2.4 4.5 Na/Na2O 1.9 2.8 atom% < -- > tömeg% (oxid%) A Föld összetétele/leggyakoribb elemei, Elem atom% Fe 31 O 30 Si 18 Mg 15 Ca 1.8 Ni 1.7 Al 1.4 Na 0.9 (Ringwood, 1975)
Reprezentatív magmás kőzetek kémiai összetétele (tömeg%) Peridotit Bazalt Andezit Riolit Fonolit SiO2 42.26 49.20 57.94 72.82 56.19 TiO2 0.63 1.84 0.87 0.28 0.62 Al2O3 4.23 15.74 17.02 13.27 19.04 Fe2O3 3.61 3.79 3.27 1.48 2.79 FeO 6.58 7.13 4.04 1.11 2.03 MnO 0.41 0.20 0.14 0.06 0.17 MgO 31.24 6.73 3.33 0.39 1.07 CaO 5.05 9.47 6.79 1.14 2.72 Na2O 0.49 2.91 3.48 3.55 7.79 K2O 0.34 1.10 1.62 4.30 5.24 P2O5 0.11 0.95 0.53 0.10 0.67 Cr2O3 1.22 0.08 Illó 3,91 0.95 0.83 1.10 1.57 Cr 2 O 3 ha főelem, akkor %-ban pph (parts per hundred), konvertálva ppm-be tömeg%*10 4 (ppm) elemi formában kifejezve: /2 (elemi formában egy Cr atomra számolunk, viszont két mol Cr szükséges egy mol Cr 2 O 3 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 (Mn Fe; Cr Fe), és/vagy - akcesszóriákat formálnak (P apatit; Ti ilmenit, rutil, titanit; Cr krómit) 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 Fe 2 O 3 -ban) FeO*1.1113=Fe 2 O 3 vagy Fe 2 O 3 *0.8998=FeO Primer FeO/Fe 2 O 3 arány az olvadék/szilárd fázisegyensúlyi oxigénfugacitásától függ (nagy fo 2 mellett a Fe 3+ és Ti oxidba megy) Mállás FeO és Fe 2 O 3 szétosztás (megoszlás): - Irvine & Baragar (1971): Fe 2 O 3 =TiO 2 +1.5 - La Bas et al. (1986): Fe 2 O 3 /FeO<0.5 üde bazaltban - Tapasztalati Fe 2 O 3 /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) CO 2, H 2 O - (<105 o C, pórus és felületi), H 2 O + (>105 o C, szerkezeti) fluidum zárványok, illó-mentes ásványok normálás 100%-ra Üde bazalt: H 2 O + <2 %, CO 2 <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 rádiusz ion töltés
Ion rádiusz és töltés hatása Nagy töltés- és rádiuszbeli különbség kismértékű helyettesítés a rácsban, SiO 4 -ben Si-t Al helyettesíthet: rádiusz - töltés A szilikátok rácsában a poziciók általában Mg, Fe és Ca számára, 2+ töltéssel, Ritkán RFY helyettesít Al 3+ -t Ion rádiusz (pikométer) Magnézium (Mg 2+ ): 65 pm Kalcium (Ca 2+ ): 99 pm Stroncium (Sr 2+ ): 118 pm Rubidium (Rb + ): 152 pm
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, kötések kompatibilitása nagyobb hőmérséklet kedvez a helyettesítésnek
Nyomelem helyettesítés A kristályrácsbeli helyettesítést az ionrádiusz és a töltés a szabályozza (Goldschmidt): - Két egyenlő ionrádiuszú és töltésű ion ugyanolyan mértékben épül be adott szilárd fázis /ásvány/ kristályrácsába. - Ha az ionrádiuszok hasonlók vagy nincs közöttük nagy különbség, 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 ásvány kristályrácsába.
Nyomelem helyettesítés, Nb,Ta Sc, REY
Osztályozás a rádiusz és a töltés alapján töltés/rádiusz - ion potenciál: a mobilitás hozzávetőleges indexe (olhatóság) vizes oldatokban: <3 (nagy) & >12 (kicsi) Fe 1) Kis térerejű (low field strength - LFS) vagy nagy ionrádiuszú litofil (large ion lithophile LIL) elemek 2) Nagy térerejű (high field strength - HFS) elemek pl. RFY/REY 3) Plantina csoport (platinum group PG) elemek
Osztályozás a rádiusz és a töltés alapján 3.2. ábra. Az oldhatóság ionpotenciáltól való függése Papp Kümmel, 1992
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)