关于微量元素地球化学介绍

[拼音]：weiliang yuansu diqiu huaxue

[外文]：geochemistry of trace elements

元素地球化学的一个研究领域。主要研究自然物质和自然体系中微量元素的分布规律、存在形式、活动特点、控制因素及其地球化学意义。微量元素是指构成物质的常量元素或主要元素之外的，用现代分析技术可检测出的所有其他化学元素。在地球化学和地质学研究中，习惯上将矿物中不记入分子式而在该矿物中存在的元素，岩石和沉积物中含量低于1％或0.1％的元素，以及在矿床中含量很低不具独立开采价值（部分可以综合利用）的伴生元素统称为微量元素。微量元素有许多同义词和近义词，如痕量元素、微迹元素、次要元素、少量元素、杂质元素、附属（副）元素、稀有元素、分散元素等。其中痕量元素、微迹元素与微量元素完全同义；次要元素、少量元素、附属元素多指那些含量介于常量元素与微量元素之间的化学元素。稀有元素包括锂、铷、铯、铍、锆、铪、铌、钽8种元素,这些元素都属于地壳中丰度值较低（除锆外都低于4ppm）的亲石元素，并常在酸性岩类或碱性岩类的分异体或交代体中以多种独立矿物形式富集。稀有元素地球化学以研究这一组元素的性质、行为和自然富集规律为主要内容。分散元素指一组在地壳中主要以类质同象等分散状态存在而很少形成独立矿物和明显富集的元素，典型分散元素如锗、镓、铊、铟等。因此，不同含义的近义词也表述了根据某方面特征对微量元素的分类。微量元素还可以按其在具体地质作用中的活动性质加以划分，如在岩浆分异中可分为相容元素和不相容元素;在强调元素活化转移难易程度时,可分为易活化元素和难活化元素。

地壳中的分布特征和赋存形式

微量元素的总重量占地壳的0.126％,丰度最低可小于0.001ppm。在地壳的各种分异作用中，它们对环境的变化比常量元素更敏感。因此，微量元素的分布不仅在时间上随地质演化表现出明显的变化，而且在空间上也具有显著的区域差异。在岩石和矿物中，常量元素大多服从正态分布，而微量元素除某些近似均匀分散于矿物中呈正态分布外，大多因其选择性富集在某种矿物内而呈对数正态分布。

微量元素在自然界可呈活动状态和非活动状态存在。非活动赋存状态主要有类质同象、固溶体分凝物、机械混入物、吸附状态、与有机物质结合的形式，以及形成独立矿物等（见元素的赋存状态）。

微量元素的活动形式主要呈离子、可溶化合物和络合物、水溶胶、气溶胶、悬浮态和气体等。绝大多数金属元素溶解时以络合物形式迁移。

微量元素地球化学指示剂

微量元素在具体地质体中的浓度和分配随介质条件的变化往往发生较大的变动，它们的地球化学行为受有关性质相近的常量元素支配。因此，微量元素的含量和分配以及与相近似元素的比值，可作为各种成岩成矿物理化学条件的灵敏指示剂。指示剂除了常用来确定作用的演化过程和形成阶段之外，主要可定量推算成岩成矿作用的温度、压力、物质浓度、酸碱度和氧化－还原条件。其中以矿物微量元素温度计和压力计研究较多。经常使用和效果较好的元素有钒、钛、铬、钴、镍、钪、锶、钡、锂、铷、铊、铀、钍、氟、氯、铱、锇、稀土等,常用的元素对比值有钾/铷、钾/铊、锶/钡、镓/铝、锂/镁、镍/钴、铬/钒、 锌/镉、锆/铪，铌/钽、氟/氯、金/银、硫/硒、硒/碲等和稀土比值。

分配系数和微量元素定量模型

当元素 t在体系中浓度很低,以至于它在体系中的分配符合亨利定律时,在一定温度压力的平衡条件下，以相同形式分布于A、B两相中，t的浓度(C)比值为一常数：

其中称为分配系数。当体系中存在易被 t置换的常量元素m时，可以得到另一种常数：

其中称为复合分配系数，s和t分别特指固相和液相。以上都是能斯脱分配定律的不同形式。

在非平衡条件下，t和m在固液相中的分配符合以下关系：

其中λ称为对数分配系数，N孎和N孉分别为结晶前t和m的总克分子数,而N和N姯分别为结晶时某一阶段t和m在液相中的积分克分子数。若设 Q0和Q1分别为结晶某时刻整个体系和液相的重量或体积，则相应地有：

以上为道纳尔-霍斯金定律的不同形式。

目前已提出了多种描述岩浆作用过程的微量元素定量模型，其中最基本的和最常用的有以下几种：

（1）分离结晶作用 是一种非平衡过程，表达式为

其中k为元素t在岩浆结晶某时刻的总体分配系数,F为残余岩浆的质量比（熔融度）。在结晶某一阶段固相中微量元素t的平均浓度为

如果晶体生长暂时与岩浆平衡，然后因沉淀而从熔体中被清除而不能继续达到平衡，如此反复若干次，则这种结晶过程称为批次平衡结晶作用。当有 n批矿物结晶后，熔体中微量元素t的浓度为

（2）平衡部分熔融 是一种平衡过程，微量元素分配表达式为

其中 kr为残余矿物的总体分配系数。如果熔体与岩石暂时保持平衡，当条件具备时，这批熔体向上排出，由此反复多次，则这种过程称为批次平衡熔融过程。可表达为

微量元素定量模型的发展已由单纯岩浆作用扩大到岩浆热液、岩浆喷气和同化混染作用。与热力学相结合的分配理论在微量元素地球化学中具有越来越重要的地位。

地质领域中的应用

（1）地层的划分和对比。对哑地层（包括变质岩和火山岩）的划分和对比是地层地质研究的难题。微量元素地球化学研究证明，一定的层组有特定的微量元素组合和标志元素。

（2）地质构造研究。在地质测量中，结合微量元素地球化学的研究，可以从元素分配和迁移来认识地质构造的形成和发展历史，并有助于地质界限的划分。无论是全球构造、区域构造和局部构造均与微量元素的区域性分布和局部集散有密切的关系。

（3）岩体和岩石研究。微量元素广泛用于岩体成岩阶段、期相、时代、成因、蚀变、剥蚀和含矿性的区分和研究，以及变质岩的成因和原岩识别的研究。

（4）含矿建造的研究。含有一系列具有成矿元素初步富集层位的沉积建造，是许多金属矿床的重要物质来源。其中，成矿元素（如钨或金）仅以ppm甚至ppb量级略有富集。因此，主要借助于微量元素地球化学的方法来进行研究。

（5）矿床研究。微量元素地球化学研究可以提供矿石形成的温度、矿液组分以及成矿过程中各种物理化学条件变化等方面的资料，并可获得有关矿床成因的信息。许多矿石都含有多种次要有益组分，微量元素地球化学的研究可对评价矿石质量、可选性和综合利用提供基本的资料依据。由于微量元素常在矿床周围形成含量异常的分散晕，因此，其含量、变异系数、浓度分带和比值等参数是寻找隐伏矿体的重要标志。

微量元素在其他领域中，如行星演化、地幔性质、自然景观、环境质量评价和水文、农林等，也有广泛的应用。

参考书目

1. 中国科学院贵阳地球化学研究所著：《华南花岗岩类的地球化学》，科学出版社，北京，1979。
2. 涂光炽等编著：《地球化学》，上海科学技术出版社，上海，1984。