地球化学课件第3章_微量元素地球化学教材.doc

第三章 微量元素地球化学 近20年来微量元素地球化学，尤其是稀土元素地球化学得到了迅猛发展和广泛应用。上世纪60年代之前，微量元素的研究主要是了解和查明微量元素在陨石、地球各圈层以及不同地质体中的分布、演化和迁移规律，研究对象为上部地壳。60－80年代，开始利用微量元素作为示踪剂或指示剂研究成岩、成矿作用，例如进行岩石类型划分、原岩恢复、成岩成矿物质来源及其物理化学条件分析等。20世纪90年代以来，微量元素地球化学进入定量模型和理论发展阶段，主要利用微量元素的特有的地球化学性质、结合热力学有关理论，建立微量元素地球化学模型，对成岩、成矿的熔融与结晶作用过程进行定量理论计算，使微量元素地球化学形成了独特的理论体系和研究方法。实际上，微量元素地球化学是和现代分析技术的发展相伴生的，早期的分析仪器主要是光谱和X-衍射，随着电感耦合等离子发射光谱、中子活化、电子探针、离子探针以及同位素质谱稀释法的发展和应用，使得大量快速的精确的微区微粒的微量元素测定成为可能。 目前，微量元素研究涉及地球化学和地质学的一切领域，大至地球和天体的形成和演化、小至矿物晶格中的元素分配。同时，微量元素与同位素的结合，可以更加准确全面地理解地质、地球化学过程，所以说，微量元素地球化学的应用和发展有助于各项地质研究，包括油气地质研究。 第一节 微量元素的概念和类型 一、微量元素的概念 微量元素(trace element)，又称痕量元素，目前未有统一认可的严格定义。习惯上把研究体系(矿物岩石等)中元素含1%的量大于称为主要元素或常量元素(major，common element)，把含量在1%-0.1%称为次要元素(minor，subordinate element)，而把含量小于0.1%称之为微量元素。有人也把次要元素当作微量元素的。这取决于研究者的兴趣和研究目的。有人认为，在地壳中除O、Si、Al、Fe等几个丰度最大的元素外，其余均可称为微量元素。也就是说微量元素是相对的，因研究对象不同而异。例如，在伟晶岩中，许多地壳丰度极低的元素可以达到相当程度的富集。一般来说，锆是微量元素，但在锆石中则成为主要元素，多数场合钾钠是常量元素，在陨石中它们被视为微量元素，而镍被看作主元素。因此，当我们讨论微量元素时，必需指出其所处体系。 Gast(1966)认为，微量元素是指“不作为体系中任何相的主要化学组份存在的元素”。某些学者依据微量元亲在所研究的各种地质体系中的浓度是否低到可以近似地用稀溶液的亨利定律来描述其行为作为判断是否属于微量元素的准则，应该说这样的定 义是严格准确的。近年来对微量元素在硅酸盐体系中服从享利定律的程度已进行了许多的实验研究，但得出的结果往往很不一致，例如，Mysen(l979)的实验结果表明，关于Ni在橄榄石和硅酸盐熔体之间的分配，只有橄榄石中Ni的浓度低于大约1000ppm时，才遵守亨利定律，而Drake和Holioway(1981)的实验却表明橄榄石中Ni的浓度范围在10-6000ppm时，均遵循亨利定律。因此，虽然可以从无机化学和热力学角度给微量元素下一个严格的定义，由于缺乏确定地质体系中某个微量元素行为服从亨利定律的浓度范围的精确、有效的方法，在很多情况下，对某些元素很难严格定义属于微量元素的浓度上限。 二、微量元素分类 由于微量元素概念的相对性，它的地球化学分类，目前尚无统一的标准，常因研究对象如研究目的不同而异，现有的分类是一种相对的人为的做法。其目的是使微量元素能更充分的为地球化学研究服务。 按元素周期表、依化学性质，可以分为稀碱金属(Li、Rb、Cs等)，稀有元素(Be、Nb、Ta、Zr、Hf等)，稀土元素(La、Ce、Nd等)，过渡族元素(Fe、Co、Ni、Cu、Zn等)。 按地球化学作用过程中，当固相(结晶相)和液相(熔体相、流体相)共存时，若微量元素易进入固相，称为相容元素(compatible element)，反之，若微量元素易进入液相，称为不相容元素(incompatible element)。这是微量元素地球化学中最常用的一种分类方法。由于微量元素在结晶化学和地球化学性质上的差异，它们在固相和液相中的分配是不均匀的。例如，在固体地幔玄武岩熔体体系中，微量元素Cr、Ni、Co易保留在固相，为相容元素，而Sr、Zr、Nb、Ba等易进入熔体相，为不相容元素。又如，在岩浆结晶作用过程中，某些微量元素易进入结晶相，在液相中的浓度则逐渐降低，Eu易进入斜长石、Yb易进入石榴石、V易进入磁铁矿等，它们称为相容元素。相反，有些微量元素则在晚期的结晶相和残余熔体中富集，如U、Th、Li、Be、B等，为不相容元素。 从分配系数(这里总是指固相对液相的分配)概念出发，相容元素的总分配系数大于1，而不相容元素的总分配系数小于1，这是从热力学