微量元素在地學(xué)中的應(yīng)用(論述)

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1、微量元素在地學(xué)中的應(yīng)用在地球化學(xué)中，微量元素是一個(gè)相對(duì)概念，通常將自然體系中含量低于0.1%的元素稱為微量元素。一般認(rèn)為：微量元素以低濃度（活度）為主要特征，其行為服從稀溶液定律（亨利定律）和分配定律；自己往往不能形成獨(dú)立礦物，而被容納在由其他組分所組成的礦物固溶體、熔體或流體相中，在大多數(shù)情況下，微量元素以類質(zhì)同象形式進(jìn)入固溶體。由于在不同條件下，微量元素的演化規(guī)律基本一致，所以可以指示物質(zhì)的來(lái)源和地質(zhì)體的成因。微量元素地球化學(xué)研究已經(jīng)從定性向定量，從微觀向宏觀的方向發(fā)展，因而有可能建立各種地球化學(xué)作用過(guò)程元素演化的定量理論模

2、型，而這種理論模型是基于能斯特定律和分配系數(shù)的。能斯特分配定律表達(dá)式：,、表示微量元素i在α、β中的摩爾濃度，、分別是微量元素i在α和β相中的化學(xué)勢(shì)，R為氣體常數(shù)。能斯特分配定律表明在溫度、壓力一定的條件下，微量元素i（溶質(zhì)）在兩相平衡分配時(shí)其濃度比為一常數(shù)（KD）,KD稱為分配系數(shù)。在一定濃度范圍內(nèi)KD與i的濃度無(wú)關(guān)，只與溫度、壓力有關(guān)。需要強(qiáng)調(diào)的是能斯特分配系數(shù)（KD）僅適用于服從稀溶液定律的微量元素，其他元素需采用該元素在兩相中的活度比值作為分配系數(shù)（K=）。在分配系數(shù)的基礎(chǔ)上，學(xué)者們建立了模擬巖漿作用過(guò)程中微量元素分配演

3、化的多種定量模型，其中最主要的有兩種：一種是由巖石形成巖漿的部分熔融模型，另一種是巖漿熔體結(jié)晶分異的作用模型。巖漿形成過(guò)程中部分熔融模型可以用來(lái)定量分析元素的集中與貧化程度、分析成礦作用、析巖漿源區(qū)的化學(xué)特征及巖石成因；而巖漿熔體結(jié)晶分異的作用模型可以定量研究巖漿結(jié)過(guò)程中微量元素的化學(xué)演化、分析成礦問(wèn)題。由平衡部分熔融和分離結(jié)晶作用中微量元素定量模型，可以根據(jù)微量元素分配系數(shù)的研究來(lái)對(duì)成巖過(guò)程進(jìn)行鑒別。Allegre等人（1978）提出了判別部分熔融和分離結(jié)晶的方法：(1)固—液相分配系數(shù)高的相容元素，如Ni,Cr等，在分離結(jié)晶

4、作用過(guò)程中它們的濃度變化很大，但在部分熔融過(guò)程中則變化緩慢。(2)固—液相分配系數(shù)低的微量元素，如Ta、Th、La、Ce等（稱為超巖漿元素），它們總分配系數(shù)很低，近于零，與0.2～0.5比較可忽略不計(jì)。在部分熔融過(guò)程中這些元素濃度變化大，但在分離結(jié)晶作用過(guò)程中則變化緩慢。(3)固—液相分配系數(shù)中等的微量元素，如HREE、Zr、Hf等（稱親巖漿元素），它們的總分配系數(shù)與1比較可忽略不計(jì)。利用微量元素的分配系數(shù)還可以完成成巖成礦物理化學(xué)條件示蹤，體現(xiàn)在微量元素地質(zhì)溫度計(jì)和地質(zhì)壓力計(jì)的使用上。1.微量元素地質(zhì)溫度計(jì)分配系數(shù)（KD）與體

5、系溫度的倒數(shù)成線型關(guān)系：lnKD=-(ΔH/RT)+B在實(shí)測(cè)時(shí)，測(cè)出ΔH和B值（由不同溫度條件下測(cè)得分配系數(shù)值，用最小二乘法計(jì)算出ΔH和B值）。在適用范圍內(nèi)ΔH可看作常數(shù)，理想的地質(zhì)溫度計(jì)應(yīng)具有盡可能大的ΔH值。2.微量元素地質(zhì)壓力計(jì)與溫度相比，微量元素分配系數(shù)與壓力關(guān)系的研究較少，其原因有客觀上分配系數(shù)對(duì)壓力變化的不敏感，也有實(shí)驗(yàn)技術(shù)條件的限制。從理論上來(lái)說(shuō)，在恒溫條件下，分配系數(shù)與壓力的關(guān)系為lnKD/p=-ΔV0/RT?該式是微量元素地質(zhì)壓力計(jì)的理論基礎(chǔ)。在理論上微量元素壓力計(jì)應(yīng)用于ΔH小和ΔV大的反應(yīng)。為此，在選擇實(shí)驗(yàn)對(duì)

6、象時(shí)應(yīng)注意這點(diǎn)。微量元素可用于成巖成礦構(gòu)造環(huán)境的判別。由于不同構(gòu)造環(huán)境的物質(zhì)、熱源、物理化學(xué)條件及動(dòng)力學(xué)機(jī)制等方面存在差異，形成巖石的微量元素含量與組合（包括同位素組成）有較明顯的不同。例如，洋中脊玄武巖的熱源為上隆的軟流層，物源為單純洋殼的地幔，決定了它們富集Ti、Mn、P、Co、Ni、Cr、V、Cu、Zn、Au、Ag、Mo等元素。在陸殼環(huán)境內(nèi)，物質(zhì)組成、熱源、物理化學(xué)條件及動(dòng)力學(xué)機(jī)制與洋殼環(huán)境迥異，經(jīng)過(guò)殼-幔分異和長(zhǎng)期地殼演化，在大陸地殼中富集的微量元素為REE、W、Sn、U、Th、Be、Pb、Cs、Ta等。微量元素的研究還

7、可能為地球歷史中的災(zāi)變事件提供地球化學(xué)證據(jù)。1980年Alvarez等人在意大利亞平寧山脈的古比奧鎮(zhèn)（Gubbio）附近的白堊紀(jì)—第三紀(jì)界線上約2cm厚海相粘土層中銥元素（Ir）含量高達(dá)9.1×10-9，高出上下石灰?guī)r層30倍左右。1982年至今，世界各地已有50多處白堊紀(jì)—第三紀(jì)界線地層中發(fā)現(xiàn)了銥異常。雖然地幔銥的豐度為3.4×10-9，含銥礦床中銥的含量更高，但是無(wú)論何種機(jī)制也無(wú)法使它們成為大范圍銥異常的源區(qū)。因?yàn)樵诘厍蛏虾茈y找到答案，所以就有人推測(cè)這種全球性的銥異常是由地外天體撞擊地球造成的。另外，微量元素的用途還有幾下幾

8、點(diǎn)：1.利用其可對(duì)變質(zhì)巖層和火山巖層進(jìn)行劃分對(duì)比，微量元素地球化學(xué)研究證明，一定的層組有特定的微量元素組合和標(biāo)志元素。2.微量元素地球化學(xué)研究可以提供礦石形成的溫度、礦液組分以及成礦過(guò)程中各種物理化學(xué)條件變化等方面的資料，并可獲得有關(guān)礦床成因的信息。3.微量元素