1、微量元素在地学中的应用 在地球化学中，微量元素是一个相对概念，通常将自然体系中含量低于 0.1%的元素称为微量元素。一般认为：微量元素以低浓度（活度）为主要特征， 其行为服从稀溶液定律（亨利定律）和分配定律；自己往往不能形成独立矿物， 而被容纳在由其他组分所组成的矿物固溶体、熔体或流体相中，在大多数情况 下，微量元素以类质同象形式进入固溶体。由于在不同条件下，微量元素的演 化规律基本一致，所以可以指示物质的来源和地质体的成因。 微量元素地球化学研究已经从定性向定量，从微观向宏观的方向发展，因 而有可能建立各种地球化学作用过程元素演化的定量理论模型，而这种理论模 型是基于能斯特定律和分配系数的。
2、能斯特分配定律表达式： , 、 表示微量元素i在、中的摩尔浓度， ) , ( / ) ( P T D RT i i K e b b i i i b i b 、 分别是微量元素i在 和 相中的化学势，R 为气体常数。能斯特 i i 分配定律表明在温度、压力一定的条件下，微量元素 i（溶质）在两相平 衡分配时其浓度比为一常数 （K D ）, K D 称为分配系数。在一定浓度范围内 K D 与 i 的浓度无关，只与温度、压力有关。需要强调的是能斯特分配系数 （K D ）仅适用于服从稀溶液定律的微量元素，其他元素需采用该元素在两相 中的活度比值作为分配系数（ K= ） 。 i i a a 在分配系数的
3、基础上，学者们建立了模拟岩浆作用过程中微量元素分配演 化的多种定量模型，其中最主要的有两种：一种是由岩石形成岩浆的部分熔融 模型，另一种是岩浆熔体结晶分异的作用模型。岩浆形成过程中部分熔融模型 可以用来定量分析元素的集中与贫化程度、分析成矿作用、析岩浆源区的化学 特征及岩石成因；而岩浆熔体结晶分异的作用模型可以定量研究岩浆结过程中 微量元素的化学演化、分析成矿问题。 由平衡部分熔融和分离结晶作用中微量元素定量模型，可以根据微量元素 分配系数的研究来对成岩过程进行鉴别。 Allegre等人（1978）提出了判别部分熔融和分离结晶的方法： (1)固液相分配系数高的相容元素，如Ni,Cr等，在分离结
4、晶作用过程中 它们的浓度变化很大，但在部分熔融过程中则变化缓慢。 (2)固液相分配系数低的微量元素，如Ta、Th、La、Ce等（称为超岩浆 元素） ，它们总分配系数很低，近于零，与0.20.5比较可忽略不计。在部分 熔融过程中这些元素浓度变化大，但在分离结晶作用过程中则变化缓慢。 (3)固液相分配系数中等的微量元素，如HREE、Zr、Hf等（称亲岩浆元 素） ，它们的总分配系数与 1 比较可忽略不计。 利用微量元素的分配系数还可以完成成岩成矿物理化学条件示踪，体现在 微量元素地质温度计和地质压力计的使用上。 1. 微量元素地质温度计分配系数（KD）与体系温度的倒数成线型关系：lnK D =-(
5、H/RT)+B 在实测时，测出H和B值（由不同温度条件下测得分配系数值， 用最小二乘法计算出H和B值） 。在适用范围内H可看作常数，理想的地质 温度计应具有尽可能大的H值。 2.微量元素地质压力计 与温度相比，微量元素分配系数与压力关系的研究较少，其原因有客 观上分配系数对压力变化的不敏感，也有实验技术条件的限制。从理论上来说，在恒温条件下，分配系数与压力的关系为ln K D /p=-V 0 /RT该式是微量元素地质压力计的理论基础。在理论上微量元素压力计应 用于H小和V大的反应。为此，在选择实验对象时应注意这点。 微量元素可用于成岩成矿构造环境的判别。由于不同构造环境的物质、热 源、物理化学
6、条件及动力学机制等方面存在差异，形成岩石的微量元素含量与 组合（包括同位素组成）有较明显的不同。例如，洋中脊玄武岩的热源为上隆 的软流层，物源为单纯洋壳的地幔，决定了它们富集 Ti、Mn、P、Co、Ni、Cr、V、Cu、Zn、Au、Ag、Mo等元素。在陆壳环境内，物 质组成、热源、物理化学条件及动力学机制与洋壳环境迥异，经过壳-幔分异和 长期地壳演化，在大陆地壳中富集的微量元素为 REE、W、Sn、U、Th、Be、Pb、Cs、Ta等。 微量元素的研究还可能为地球历史中的灾变事件提供地球化学证据。1980 年Alvarez等人在意大利亚平宁山脉的古比奥镇（Gubbio）附近的白垩纪第 三纪界线上
7、约2cm厚海相粘土层中铱元素（Ir）含量高达9.110-9，高出上 下石灰岩层30倍左右。1982年至今，世界各地已有50多处白垩纪第三纪界 线地层中发现了铱异常。虽然地幔铱的丰度为3.410 -9 ，含铱矿床中铱的含量 更高，但是无论何种机制也无法使它们成为大范围铱异常的源区。因为在地球 上很难找到答案，所以就有人推测这种全球性的铱异常是由地外天体撞击地球 造成的。 另外，微量元素的用途还有几下几点：1.利用其可对变质岩层和火山岩层 进行划分对比，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. 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。3.微量元素中的稀土元素可用于分析岩石成因、恢复变质岩原岩、研 究地壳演化史。 资环学院 地质学 刘熙 20091170070
