微量元素地球化學

微量元素地球化學

正文

元素地球化學的一個研究領域。主要研究自然物質和自然體系中微量元素的分布規律、存在形式、活動特點、控制因素及其地球化學意義。微量元素是指構成物質的常量元素或主要元素之外的，用現代分析技術可檢測出的所有其他化學元素。在地球化學和地質學研究中，習慣上將礦物中不記入分子式而在該礦物中存在的元素，岩石和沉積物中含量低於1％或0.1％的元素，以及在礦床中含量很低不具獨立開採價值（部分可以綜合利用）的伴生元素統稱為微量元素。微量元素有許多同義詞和近義詞，如痕量元素、微跡元素、次要元素、少量元素、雜質元素、附屬（副）元素、稀有元素、分散元素等。其中痕量元素、微跡元素與微量元素完全同義；次要元素、少量元素、附屬元素多指那些含量介於常量元素與微量元素之間的化學元素。稀有元素包括鋰、銣、銫、鈹、鋯、鉿、鈮、鉭8種元素,這些元素都屬於地殼中豐度值較低（除鋯外都低於4ppm）的親石元素，並常在酸性岩類或鹼性岩類的分異體或交代體中以多種獨立礦物形式富集。稀有元素地球化學以研究這一組元素的性質、行為和自然富集規律為主要內容。分散元素指一組在地殼中主要以類質同象等分散狀態存在而很少形成獨立礦物和明顯富集的元素，典型分散元素如鍺、鎵、鉈、銦等。因此，不同含義的近義詞也表述了根據某方面特徵對微量元素的分類。微量元素還可以按其在具體地質作用中的活動性質加以劃分，如在岩漿分異中可分為相容元素和不相容元素;在強調元素活化轉移難易程度時,可分為易活化元素和難活化元素。
地殼中的分布特徵和賦存形式　微量元素的總重量占地殼的0.126％,豐度最低可小於0.001ppm。在地殼的各種分異作用中，它們對環境的變化比常量元素更敏感。因此，微量元素的分布不僅在時間上隨地質演化表現出明顯的變化，而且在空間上也具有顯著的區域差異。在岩石和礦物中，常量元素大多服從常態分配，而微量元素除某些近似均勻分散於礦物中呈常態分配外，大多因其選擇性富集在某種礦物內而呈對數常態分配。
微量元素在自然界可呈活動狀態和非活動狀態存在。非活動賦存狀態主要有類質同象、固溶體分凝物、機械混入物、吸附狀態、與有機物質結合的形式，以及形成獨立礦物等（見元素的賦存狀態）。
微量元素的活動形式主要呈離子、可溶化合物和絡合物、水溶膠、氣溶膠、懸浮態和氣體等。絕大多數金屬元素溶解時以絡合物形式遷移。
微量元素地球化學指示劑　微量元素在具體地質體中的濃度和分配隨介質條件的變化往往發生較大的變動，它們的地球化學行為受有關性質相近的常量元素支配。因此，微量元素的含量和分配以及與相近似元素的比值，可作為各種成岩成礦物理化學條件的靈敏指示劑。指示劑除了常用來確定作用的演化過程和形成階段之外，主要可定量推算成岩成礦作用的溫度、壓力、物質濃度、酸鹼度和氧化－還原條件。其中以礦物微量元素溫度計和壓力計研究較多。經常使用和效果較好的元素有釩、鈦、鉻、鈷、鎳、鈧、鍶、鋇、鋰、銣、鉈、鈾、釷、氟、氯、銥、鋨、稀土等,常用的元素對比值有鉀/銣、鉀/鉈、鍶/鋇、鎵/鋁、鋰/鎂、鎳/鈷、鉻/釩、 鋅/鎘、鋯/鉿，鈮/鉭、氟/氯、金/銀、硫/硒、硒/碲等和稀土比值。
分配係數和微量元素定量模型　當元素 t在體系中濃度很低,以至於它在體系中的分配符合亨利定律時,在一定溫度壓力的平衡條件下，以相同形式分布於A、B兩相中，t的濃度(C)比值為一常數：

其中稱為分配係數。當體系中存在易被 t置換的常量元素m時，可以得到另一種常數：

其中稱為複合分配係數，s和t分別特指固相和液相。以上都是能斯脫分配定律的不同形式。
在非平衡條件下，t和m在固液相中的分配符合以下關係：

其中λ稱為對數分配係數，N孎和N孉分別為結晶前t和m的總克分子數,而N和N姯分別為結晶時某一階段t和m在液相中的積分克分子數。若設 Q0和Q1分別為結晶某時刻整個體系和液相的重量或體積，則相應地有：

以上為道納爾-霍斯金定律的不同形式。
目前已提出了多種描述岩漿作用過程的微量元素定量模型，其中最基本的和最常用的有以下幾種：
①分離結晶作用　是一種非平衡過程，表達式為

其中k為元素t在岩漿結晶某時刻的總體分配係數,F為殘餘岩漿的質量比（熔融度）。在結晶某一階段固相中微量元素t的平均濃度為

如果晶體生長暫時與岩漿平衡，然後因沉澱而從熔體中被清除而不能繼續達到平衡，如此反覆若干次，則這種結晶過程稱為批次平衡結晶作用。當有 n批礦物結晶後，熔體中微量元素t的濃度為

②平衡部分熔融　是一種平衡過程，微量元素分配表達式為

其中 kr為殘餘礦物的總體分配係數。如果熔體與岩石暫時保持平衡，當條件具備時，這批熔體向上排出，由此反覆多次，則這種過程稱為批次平衡熔融過程。可表達為

微量元素定量模型的發展已由單純岩漿作用擴大到岩漿熱液、岩漿噴氣和同化混染作用。與熱力學相結合的分配理論在微量元素地球化學中具有越來越重要的地位。
地質領域中的套用　①地層的劃分和對比。對啞地層（包括變質岩和火山岩）的劃分和對比是地層地質研究的難題。微量元素地球化學研究證明，一定的層組有特定的微量元素組合和標誌元素。②地質構造研究。在地質測量中，結合微量元素地球化學的研究，可以從元素分配和遷移來認識地質構造的形成和發展歷史，並有助於地質界限的劃分。無論是全球構造、區域構造和局部構造均與微量元素的區域性分布和局部集散有密切的關係。③岩體和岩石研究。微量元素廣泛用於岩體成岩階段、期相、時代、成因、蝕變、剝蝕和含礦性的區分和研究，以及變質岩的成因和原岩識別的研究。④含礦建造的研究。含有一系列具有成礦元素初步富集層位的沉積建造，是許多金屬礦床的重要物質來源。其中，成礦元素（如鎢或金）僅以ppm甚至ppb量級略有富集。因此，主要藉助於微量元素地球化學的方法來進行研究。⑤礦床研究。微量元素地球化學研究可以提供礦石形成的溫度、礦液組分以及成礦過程中各種物理化學條件變化等方面的資料，並可獲得有關礦床成因的信息。許多礦石都含有多種次要有益組分，微量元素地球化學的研究可對評價礦石質量、可選性和綜合利用提供基本的資料依據。由於微量元素常在礦床周圍形成含量異常的分散暈，因此，其含量、變異係數、濃度分帶和比值等參數是尋找隱伏礦體的重要標誌。
微量元素在其他領域中，如行星演化、地幔性質、自然景觀、環境質量評價和水文、農林等，也有廣泛的套用。
參考書目
　中國科學院貴陽地球化學研究所著：《華南花崗岩類的地球化學》，科學出版社，北京，1979。
　塗光熾等編著：《地球化學》，上海科學技術出版社，上海，1984。

配圖

相關連線