（三）主要元素的地球化学分布特征

元素地球化学分类~

元素的地球化学性质既与元素的原子结构、元素的物理和化学性质有关，也与地质作用有密切的联系。因此，许多地球化学家都力求在元素周期表的基础上，结合地质作用进行分类。
戈尔德施密特根据元素的电子构型、元素与氧及硫的亲和力以及元素在自然界中实际的分布情况，把元素划分为亲石元素、亲铁元素、亲铜元素、亲气元素四大类。
16.2.1 亲石元素
离子的最外电子层具有8个电子（s2p6）的惰性气体型的稳定结构，氧化物形成热大于FeO的形成热，与氧的亲和力强，易熔于硅酸盐熔体，主要集中在岩石圈。主要元素为：Li、Na、K、Rb、Cs、Fr、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Ra、B、Al、Sc、Y、REE、Ac、Si、Ti、Zr、Hf、Th、V、Nb、Ta、Pa、W、U。
16.2.2 亲铜元素
离子的最外电子层具有18个电子（s2p6d10）的铜型结构，氧化物形成热小于FeO的形成热，与硫的亲和力强，易熔于硫化铁熔体，主要集中于硫化物-氧化物过渡圈。主要元素为：S、Cu、Ag、Au、Zn、Cd、Hg、Ca、In、Tl、Ge、Sn、Pb、As、Sb、Bi、Se、Te、Po、Br、I、At。
16.2.3 亲铁元素
离子的最外电子层具有8～18个电子的过渡型结构，氧化物形成热最小，与氧及硫的亲合力均弱，易熔于熔铁，主要集中于铁-镍核。主要元素为：C、P、Mo、Tc、Re、Fe、Ru、Os、Co、Rh、Ir、Ni、Pd、Pt。
16.2.4 亲气元素
原子的最外电子层具有8个电子。具有挥发性或易形成易挥发化合物，主要集中在大气圈。主要元素为：H、N、O、F、Cl、He、Ne、Ar、Kr、Xe、Rn。
此外，戈尔德施密特还提出“亲生物元素”的概念，这些元素多富集在生物圈中，如C、N、H、O、P、B、Ca、F、Cl、Na、Fe、Cu、Mn、Mg、Si、Al等。
查瓦里茨基以元素的周期表为基础，把元素分为氢、惰性气体族、造岩元素族、岩浆射气元素族、铁族元素、稀有元素族、放射性元素族、钼和钨族元素族、金属矿床的成矿元素族、铂族元素、半金属和重矿化剂族和重卤素族十二个地球化学组或族。维尔纳茨基按元素的地球化学分布特征，把元素分为惰性气体、贵金属、循环元素、分散元素、强放射性元素、稀土元素六大类。费尔斯曼将周期表分为普通场、硫化物场和酸性场，然后再按元素的地球化学分布特点分为酸性岩浆元素、中性岩浆元素、硫化物矿床元素和超基性岩元素四大类。上述分类尽管有不足之处，但仍然得到了比较广泛地应用，为元素地球化学的发展起了重要的促进作用。
在近代地球化学中，随着微量元素分配理论和定量模型的发展，出现了能更本质地反映出元素地球化学特点的定量化分类系统，概括起来大致分为三套系统。
（1）根据元素在固相-液相（气相）间的分配系数，将元素分为不相容元素和相容元素。
相容元素（Compatible elements）易进入或保留在固相中，其总分配系数D＞1。例如，Ni、Co易进入橄榄石，V易进入磁铁矿，Cr易进入尖晶石，Yb易进入石榴子石，Eu易进入斜长石。这一类易进入和保存在矿物或岩石等固体中的元素，是典型的相容元素。
不相容元素（Incompatible elements）易保留或进入在固相共存的熔体或溶液中，其总分配系数D＜1，如Li、Rb、Cs、Be、Nb、Ta、Sn、Pb、Zr、Hf、B、P、Cl、REE、U、Th等。当D值在0.02～0.06之间时称为强不相容元素。有些不相容元素的离子半径或电荷很大，可按晶体化学特征分为大离子亲石元素（Large ion lithophile elements，LIL）和高场强元素（High field strength，HFS）。LIL的离子电位3，不易溶于水，主要指Th、Nb、Ta、P、Zr、Hf、HREE等。Wood等（1979）将分配系数小于1的元素称为亲湿岩浆元素（Hygromagmatophile elements，HYG），它们在熔融过程中进入液相，在结晶过程中进入残余相。分配系数小于0.01的元素称为强亲湿岩浆元素（More-hygromagmatophile），如Rb、Cs、K、U、Th、Ta、Nb、Ba、La、Ce等。
（2）根据元素在熔融过程中挥发与难溶程度，Ringwood（1966）将元素分为挥发元素和难溶元素两组（表16-3）。挥发元素是指那些在1300～1500 ℃，适度还原条件下通常能从硅酸盐熔体中挥发出来的元素；而难熔元素则是指在这种条件下不能挥发的元素。
（3）以元素在地球形成和演化过程中分散与富集的特点，Shchebakov（1974）将元素分为向心元素、最小离心元素、弱离心元素、离心元素和最大离心元素。以元素在陨石中的丰度μ代表地球初始物质浓度，以元素在玄武岩（地幔熔融产物）中的丰度V代表元素离心程度的基本参数，以页岩中元素丰度C代表地壳丰度。赵振华根据V／μ、C／V值的关系将化学元素划分出下列四级：
表16-3 按硅酸盐熔体在高温还原条件下元素的相对挥发性所作的元素分类


① 向心元素C1（Centripetal elements）：V／μ＜1，C／V＜1
包括Mg、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Ru、Rh、Pt、Os、Ir、Pd、Au。
② 最小离心元素C2（Minimal-centrifugal elements）：V／μ＞1，C／V＜1
包括P、Na、Ca、Sc、Ti、V、Mn、Zn、C、N、Cl、Br、I。
③ 弱离心元素C3（Deficiency-centrifugal elements）：V／μ＜1，C／V＞1
包括Ca、Ge、As、Se、Sn、Te、Bi、Re、Mo。
④ 离心元素C4（Centrifugal elements）：V／μ>1，C／V＞1
包括Li、Rb、Cs、Sr、Ba、Y、REE、Zn、Hf、Nb、Ta、Th、B、Al、In、Tl、Si、Pb、Sb、U、F、O。
此外，还有最大离心元素，是指在水圈、气圈和有机质中的丰度高于陨石、玄武岩和页岩中丰度的那些元素。

对大河坝Ⅰ号矿体1号露头系统样品的Co、Cu、V、Zn、W、Bi、As、Sb、Hg、Ge和Sr等常见成矿元素也进行了系统分析。结果表明，相对于同类型岩石的维氏值而言，Co、V和Zn略偏高，W和Hg明显偏低，其他元素正常（表2-16）。因此，上述元素在含矿基性－超基性岩中的地球化学分布特征与其在大河坝矿区未能富集成矿的实际情况是一致的。

利用4km²网格数据、对数间隔、内插法直接勾绘了 CaO、K₂O、MgO、Fe₂O₃、P、Cu、Mo、Mn、Sr、Zn、B氧化物或元素的地球化学图。通过对岩性分布图和这些元素的地球化学图等信息的综合分析研究，确定了这些主要元素的地球化学分布特征，为片麻岩区的农业开发提供依据。

1.氧化钙的地球化学分布特征

氧化钙在全区的平均值都大于全国均值，区域浓集比都大于1，具有所有测定元素和氧化物最高的浓集比。南部片麻岩区的氧化钙平均值为3.486%，与全国均值的浓集比为1.975；北部片麻岩区氧化钙平均值为4.04%，与全国均值的浓集比为2.289，可见全区氧化钙的丰度比较高。从统计的地质单元地球化学参数和氧化钙地球化学特征综合分析，氧化钙高异常区主要分布在寒武纪—奥陶纪石灰岩和片麻岩区的大理岩系。而在片麻岩区中的其他岩系中氧化钙含量都比较低。

2.氧化钾的地球化学分布特征

氧化钾在北区的均值为2.54%，区域浓集比是1.079，高于全国均值；变化系数0.099，极大值3.41%，大多数地区背景值在2.0%～2.5%之间。氧化钾含量大于3.0%的异常区分布面积都比较小，在温塘—西凉山一带有4个高钾异常区，地质背景为正变质地层和花岗岩。在南区氧化钾的均值为2.497%，高于全国均值，区域浓集比是1.061；变化系数0.136，极大值3.70%，地区背景值在2.2%～2.8%之间。大于3.0%的高异常区沿胡家庵—西洋泽一带呈北东向串珠状分布，岩性为石家栏黑云斜长片麻岩系。在都户—郝庄一带花岗岩区，氧化钾含量为低异常区。大多数地区氧化钾的地球化学分布较简单、均匀，等含量线稀疏均匀。

速效钾的含量依赖于全钾含量的多寡。土壤速效钾一般占全钾的1%～2%（李承绪等，1990）。按此比例计算片麻岩区的速效钾含量至少在100×10^-6以上。结合二次土壤普查资料和本次研究的测试成果表明：片麻岩区的速效钾基本在正常至丰富范围内，少数地方在极丰富或缺乏的范围内。多数地区为（80～100）×10^-6。不同的成土母岩类型速效成分的含量不同，变化特征与不同岩石类型全量变化的特征一样，黑云斜长片麻岩区土壤的速效钾含量处于丰富至极丰富水平。在空间分布上与全钾含量的分布特征吻合。在元氏县中部及中南部有效钾含量处在缺乏水平内。有效钾严重缺乏区有：明秀村—黑水河北，面积约8km²；北正周边，面积约4km²；南苏村—西城角—岳庄地区，面积约20km²。

3.氧化镁的地球化学分布特征

北区氧化镁均值2.91%，大于全国均值，区域浓集比是2.213；变化系数0.37，说明氧化镁在本区富集，分布极不均匀的元素。氧化镁异常区（＞5%）、高背景区（4%～5%）主要分布在下口—车幅安—苏家庄—西岔头西北部广大区域，整体呈北东向，与太古宙片麻岩地层分布一致。高异常区主要与太古宙大理岩有关。

南部区氧化镁的丰度和分异程度要明显低于北区。南区氧化镁均值2.533%，大于全国均值，区域浓集比是1.926；变化系数0.285。氧化镁异常区主要分布在吴家窑—南章城—测鱼一带，地质背景为奥陶纪石灰岩。南部片麻岩区只分布面积很小的孤立异常区。

4.三氧化二铁的地球化学分布特征

由地化图和因子分析提供的信息表明，北区Fe与P元素相关系数0.815，二者关系极为密切，它们具有相似的地球化学分布特征。北区铁均值3.97%，大于全国均值，区域浓集比是 1.276；变化系数 0.19，分布基本均衡。铁异常区（＞7.1%）、高背景区（6.3%～7.1%）主要分布在下口—苏家庄—西岔头—口头西北部广大区域，整体呈北东向，与太古代片麻岩地层分布一致。

在南区铁与Co、Ti密切相关，Fe、Co的相关系数达到0.91，Fe与Ti的相关系数为0.84，三者的分布基本一致。Fe₂O₃的均值为5.545%，高于全国均值，区域浓集比是1.248；变化系数0.248。地球化学图上，Fe₂O₃异常区（＞7.1%）集中分布在西南部的老破峪—虎寨口—杏芭沟一带，地质背景主要为甘陶河群浅变质岩系。郝庄—下红鹤一带也是高铁异常区，其地质背景为石家栏黑云斜长片麻岩区。许亭斑状花岗岩中也有一小片铁高异常区，分布面积有限。

土壤全铁含量与成土母质类型有关，而土壤有效铁含量与全铁含量存在直线正相关关系，关系式为Y（有效态）=（-43.1439+21.7489）X（全量）。所以，在相似的环境条件下，总铁量低的土壤，供应强度偏低。根据本次研究成果，对元氏和行唐境内有效铁含量的测定结果表明：片麻岩区有效铁含量达到丰富至正常的水平，个别地方达到极丰富水平。在元氏县境内的有效铁含量普遍高，沿长山—西城角—南苏阳一线有效铁最低，也在50×10^-6左右，其他地区一般为（50～100）×10^-6。行唐县片麻岩区的有效铁相对较低，平均值7.2×10^-6，最高值10.6×10^-6。在平山县有效铁含量随海拔降低而降低，在2000m以上有效铁含量为（40～30）×10^-6；1000～2000m，含量为（20～30）×10^-6。低于1000m，一般为（5.5～15）×10^-6。图1-2-1是石家庄山区有效铁含量分布图，其有效铁高含量区分布在下口一带和虎寨口一带，与水系沉积物全铁地球化学测量结果吻合。

5.铜元素的地球化学分布特征

Cu元素在全区的平均值都大于全国均值，区域浓集比都大于1。南部片麻岩区的Cu平均值为26.50×10^-6，与全国均值的浓集比为1.229；北部片麻岩区Cu平均值为29.44×10^-6，与全国均值的浓集比为1.365，可见全区铜的丰度比较高。铜的变化系数在南北两区存在差异，南区变化系数为0.357，而北区则为0.25。因此，反映在地球化学图上，北区等值线疏密均匀，最高值为65×10^-6，大于40×10^-6的异常区为10处，最大面积的异常区在团泊口—陈庄以北的黑云斜长片麻岩区。

在南区地球化学图上，等值线疏密不均，最高值为85×10^-6。大于40×10^-6的异常区不多，且全部分布在测区西南部，大致呈NE走向，主要分布在甘陶河浅变质岩地层中，其他地区大多在（20～30）×10^-6之间。土壤中有效铜在北区背景值较高，但没有明显的异常区；而在南区背景值相对较低（图1-2-2），但在浅变质岩系中有效铜比较高。有效铜基本处于正常至丰富范围内，属于非缺乏元素，仅个别地方含量较低，在元氏县境内，鹿台北—诸家庄—南沙滩—北正范围内，有效铜缺乏，而鹿台—西台城一带有效铜含量达到极丰富水平，南子沟—胡家庄—三道坡一带属正常至丰富水平。在行唐县境内，最高值1.2×10^-6，最低值0.2×10^-6，平山县境内的有效铜含量一般在（0.4～0.95）×10^-6范围内。

图1-2-1 土壤表层有效铁含量分布图

图1-2-2 土壤表层有效铜含量分布图

6.磷元素的地球化学分布特征

P元素在南、北两区的分布变化比较大。在北区的均值为994×10^-6，区域浓集比为1.619，远高于全国均值；变化系数0.44，极大值3303×10^-6，表明磷在区内为高含量、分异型。大于2000×10^-6的异常富集区为6个，最大的异常富集区沿蚕寨口—秘家会—孟家庄—西岔口呈北东向带状分布。结合岩性分布图和各地质单元地球化学参数综合分析，磷主要富集在黑云斜长片麻岩和黑云斜长变粒岩中。

南部片麻岩区的P平均值为594×10^-6，低于全国均值；变化系数为0.379，属分布不均匀元素。地球化学图上，大于800×10^-6的异常区主要分布在吴家窑—牛金寨—郝庄等地，异常展布方向大致呈南北向，似受构造控制。地质背景可能为最早期基性火山岩留下的痕迹。

速效磷的分布富集规律与全磷含量类似。在全磷含量高的地方，速效磷的含量必然高。根据本次研究测定和二次土壤普查资料表明：片麻岩区的速效磷处于缺乏至正常范围之内为（3～15）×10^-6，少数地方达到丰富至极丰富水平或极缺乏。以元氏县为例，对比各种成土母岩分析以黑云斜长片麻岩区的速效磷含量最高，与原岩的含量变化一致。速效态磷含量一般在（4.5～53.1）×10^-6，平均含量8.9×10^-6，低于一般缺磷临界值的样点占60%。在胡家庄、三道坡地区及以西地区速效磷含量达到丰富至极丰富水平，含量高达50×10^-6，在北正以及以北及以东速效磷含量较低，一般在8×10^-6以下。

7.钼元素的地球化学分布特征

Mo元素的全域均值都比较低，明显低于全国均值。但是，Mo在北区的变化系数为0.58，是区域强分异元素，在地球化学图上出现富集异常区。异常区（＞1.0）、高背景区（＞0.8）主要分布在团泊口以北的南营—石湖掌一带，与其相关的地层主要为坊里条带状黑云斜长片麻岩系。Mo的另一异常区、高背景区分布于南营—秋卜洞—营里—九寨铺一带，地质背景为黑云二长片麻岩和黑云斜长片麻岩等深变质岩系，与韧性剪切-混合岩化带相吻合。土壤中有效钼富集区也集中于北部深变质岩系地层中（图1-2-3）。根据第二次土壤普查资料表明，土壤全钼（X）和有效钼（Y）之间呈中度正相关性，Y=0.047+0.22 X。根据计算与实测结果表明，该地区有效钼含量大多数属极度缺乏范围，平山、灵寿的部分地区达到正常至丰富水平，与全量富集区基本一致。元氏县境内的有效钼一般在（0.03～0.05）×10^-6之间。在诸家庄—黑水河—南苏村以北地区为含量正常区，鹿台—时家庄—西台城之间及北营—西城角地区为低含量区。

图1-2-3 土壤表层有效钼含量分布图

图1-2-4 土壤表层有效锰含量分布图

8.锰元素的地球化学分布特征

Mn元素在南区的均值为592×10^-6，低于全国均值，浓集比为0.873，变化系数也较低，仅0.175。大于800×10^-6的异常区为3处，分布范围有限，最高值为971×10^-6。在北区，Mn元素的均值为697×10^-6，高于全国水系沉积物均值，浓集比为1.027，变化系数很低仅0.14，是区域分布均匀的元素。在地球化学图上，Mn元素等含量线稀疏。大于800×10^-6的异常区有9处，但面积比较大的异常区只有2处。一处分布在下口—车幅安—蚕寨一带，最高含量为1054×10^-6，是区域内最高值异常区。异常区的主要岩性是正变质地层。Mn的另一较大面积的异常区、高背景区分布于南营—秋卜洞—营里—团泊口一带，地质背景为黑云二长片麻岩和黑云斜长片麻岩等深变质岩系。这与土壤中有效锰含量分布相一致（图1-2-4）。

从全区有效锰含量分布看，基本处于正常至丰富水平，但行唐县境内有效锰处在缺乏至正常范围内，最高值9.0×10^-6，最低值2.3×10^-6，平均值5.67×10^-6，在九口子—秦台—上滋洋以西，黄龙岗—李阳关以东为有效锰的正常含量区，二者之间的区域内为含量缺乏区。元氏县境内有效锰含量一般为（10～50）×10^-6，平均含量为26.3×10^-6，达到丰富至极丰富水平。南佐—长村以北、南沙滩—南苏村以南，有效锰含量为极丰富水平。

9.锶元素的地球化学分布特征

Sr元素在全区的平均值都大于全国均值，区域浓集比都大于1。南部片麻岩区的Sr平均值为176×10^-6，与全国均值的浓集比为1.161；北部片麻岩区Sr 平均值为182×10^-6，与全国均值的浓集比为1.201。Sr的变化系数都比较小，属于分布均匀型元素。在地球化学图上，等值线疏密均匀，最高值为513×10^-6，大于300×10^-6的异常区为6处，富集异常区都出现在花岗岩和黑云斜长片麻岩分布区内。

10.锌元素的地球化学分布特征

通过对测区元素分析数据的聚类分析和因子分析表明，Zn和Pb元素相关系数较高，它们具有相似的地球化学分布特征。Zn元素在北区的均值为79.01×10^-6，区域浓集比为1.154，高于全国均值；变化系数0.22，极大值143×10^-6，大多数地区为（60～80）×10^-6。在南区Zn元素的均值为64.57×10^-6，区域浓集比为0.943，低于全国均值；变化系数0.157，极大值157×10^-6，大多数地区为（60～80）×10^-6。Zn元素的地球化学分布较简单、均匀，等含量线稀疏均匀。虽然北区锌均值比南区大，但少数强异常区集中分布在测区西南部的虎寨口—楼底—张北洼一带，其高值点分别达到215×10^-6、142×10^-6、183×10^-6、156×10^-6。这些异常区的地质背景主要为甘陶河群浅变质岩系。高背景区（80～100）×10^-6多围绕异常区分布，地质背景与相应异常区一致。

母岩类型决定土壤锌的本底含量，土壤全锌是有效锌的源泉，对土壤有效锌具有基本的调节作用。根据河北省土壤资料统计，有效锌与全锌之间存在明显的正相关关系（Y=0.0651+5.4679×10^-2X），并将0.5×10^-6作为有效锌的临界值。石家庄山区有效锌的分布（图1-2-5）与水系沉积物的全锌分布大致相同，测区西南部的虎寨口—楼底—张北洼一带的高全锌异常区其有效锌含量也比较高。因此，水系沉积物的全锌含量变化能够反映土壤有效锌的分布特征。按农业部土壤有效态等级划分标准，赞皇县和平山、灵寿的西北部的大部分属正常范围之内，元氏和行唐县大部分地区属缺乏水平。在元氏县胡家庄一带有效锌含量最高达1.4×10^-6，为优质石榴产区。在白过寺—胡家庄—诸家庄—西台城以东地区为有效锌缺乏至极缺乏区，与全量的分布非常吻合。

11.硼元素的地球化学分布特征

从硼元素丰度值在区域上变化比较大的元素，在北区浓集比为0.89，变化系数为0.39；南区浓集比1.184，变化系数高达0.839。从统计的地质单元地球化学参数分析，硼主要富集在沉积岩系和浅变质岩系，而在片麻岩中含量比较低。在地球化学图上，沉积岩和甘陶河群浅变质岩系区硼富集至200×10^-6以上，片麻岩区硼的浓度背景值为（25～32）×10^-6。有效硼富集区也集中于南部沉积岩系和甘陶河群浅变质岩系（图1-2-6）。有效硼与全硼之间存在数量关系，在相似的条件下，全硼含量高的土壤有效硼含量也高。从元氏、平山等地的有效硼分析结果表明，片麻岩区的有效硼含量一般为（0.3～0.5）×10^-6，属缺乏至极度缺乏范围内，局部达到正常范围之间。

图1-2-5 土壤表层有效锌含量分布图

图1-2-6 土壤表层有效硼含量分布图

12.硒元素地球化学分布特征

硒是人体必需的微量元素，硒的地球化学背景直接影响果实中的硒的含量，进而影响人体的健康。硒的地球化学背景资料在全国范围内现在还比较少。石家庄市山区仅有平山、灵寿、行唐一带的分析结果。平均值为0.15×10^-6，显著高于地壳中的丰度（0.05×10^-6）。变化系数为0.38，属弱分异型。主要富集区有：南甸—中石殿一带，一般富集为（0.16～0.27）×10^-6，柳家庄、西刘庄、胡家庄富集区的含量为（0.16～0.37）×10^-6，上连庄—李家沟一带面积最大，一般为（0.2～0.44）×10^-6，王家湾、会口—九岭一带富集为（0.2～0.36）×10^-6，孟家庄—宅北一带富集为（0.2～0.36）×10^-6，洞沟、腔子、西沙岭、大地富集区的含量一般为（0.2～0.37）×10^-6。可以充分利用这些富集区，开发功能性食品。

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