微量元素在地學中的應用(論述)

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1、微量元素在地學中的應用在地球化學中，微量元素是一個相對概念，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)的來源和地質(zhì)體的成因。微量元素地球化學研究已經(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作用過程元素演化的定量

2、理論模型，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相中的化學勢，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的濃度無關(guān)，只與溫度、壓力有關(guān)。需要強調(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)的基礎上，學者們建立了模擬巖漿作用過程中微

3、量元素分配演化的多種定量模型，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。巖漿形成過程中部分熔融模型可以用來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)過程中微量元素的化學演化、分析成礦問題。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)的研究來對成巖過程進行鑒別。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,

4、Cr等，在分離結(jié)晶作用過程中它們的濃度變化很大，但在部分熔融過程中則變化緩慢。(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。在部分熔融過程中這些元素濃度變化大，但在分離結(jié)晶作用過程中則變化緩慢。(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。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條件示蹤，體現(xiàn)在微量元素地質(zhì)溫度計和地質(zhì)壓力計的使用上。1.微量元素地質(zhì)溫

5、度計分配系數(shù)（KD）與體系溫度的倒數(shù)成線型關(guān)系：lnKD=-(ΔH/RT)+B在實測時，測出ΔH和B值（由不同溫度條件下測得分配系數(shù)值，用最小二乘法計算出ΔH和B值）。在適用范圍內(nèi)ΔH可看作常數(shù)，理想的地質(zhì)溫度計應具有盡可能大的ΔH值。2.微量元素地質(zhì)壓力計與溫度相比，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)對壓力變化的不敏感，也有實驗技術(shù)條件的限制。從理論上來說，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)壓力計的理論基礎。在理論上微量元素壓力計應用于ΔH小和Δ

6、V大的反應。為此，在選擇實驗對象時應注意這點。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、物理化學條件及動力學機制等方面存在差異，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、物理化學條件及動力學機制與洋殼環(huán)境迥異，經(jīng)過殼-幔分異和長期地殼演化，在大陸地殼中富集的微量元素為REE、W、Sn、U、Th、Be、

7、Pb、Cs、Ta等。微量元素的研究還可能為地球歷史中的災變事件提供地球化學證據(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—第三紀界線上約2cm厚海相粘土層中銥元素（Ir）含量高達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—第三紀界線地層中發(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，但是無論何種機制也無法使它們成為大范圍銥異常的源區(qū)。因為在地球上很難找到答案，所以就有人推測這種全球性的銥異常是由地外天體撞擊

8、地球造成的。另外，微量元素的用途還有幾下幾點：1.利用其可對變質(zhì)巖層和火山巖層進行劃分對比，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志元素。2.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，并可獲得有關(guān)礦床成因的信息。3.微量元素