微量元素地球化學

　　研究微量元素在地球（包括天體）各部分的分佈、化學作用及化學演化的學科。元素地球化學的一個分支。地殼中除氧、矽、鋁、鐵、鈣、鎂、鈉、鉀、鈦9種元素（它們的總重量豐度占地殼品質的99%左右）外的其他元素統稱為微量元素，或痕量元素、雜質元素。它們在巖石和礦物中的含量一般在1%或0.1%以下，含量單位常以10⁻⁶或或10⁻⁹表示。由於微量元素在地質體系中含量很低，其地球化學行為可以近似地用稀溶液定律描述，因此，微量元素的遷移和分配特征可作為地質作用的示蹤劑。

　　微量元素在自然界的存在形式主要為：在固溶體中替代主要相的原子（類質同象）；形成獨立礦物（如鋯石、鈮鐵礦）；在主晶格的間隙缺陷中；在快速結晶過程中陷入囚禁帶內。根據微量元素在固–液相（氣相）間分配系數特征，可將其劃分為不相容元素和相容元素。不相容元素在巖漿熔體結晶過程中不易進入結晶的固相，而主要保留在與固相共存的熔體或溶液中；其分配系數小於0.1的為強不相容元素。相容元素的分配系數值等於或大於1。許多不相容元素具有大的離子半徑，稱為大離子親石元素(LILE)。對具有較高離子電荷，離子電位＞3的微量元素，稱為高場強元素(HFSE)，如釷、鈮、鉭、鋯、鉿、重稀土等。根據微量元素在變質、風化或交代作用中的活動性大小，可將其劃分為活動元素和不活動元素。在宇宙化學中按其高溫還原條件下的行為劃分為難熔元素與揮發性元素。

　　微量元素地球化學行為服從稀溶液定律（亨利定律），當其所處體系的成分、物理化學條件改變時，微量元素的濃度可發生較大的甚至數量級的變化，由此而成為重要的地球化學示蹤劑。不同類型的微量元素含量與組合有一定的差異，據此可劃分巖石類型（如花崗巖類、玄武巖類等）。元素活動性是恢復變質巖原巖的基本依據。

　　微量元素在平衡共存相（如熔漿–礦物）之間的分配系數K與體系的溫度、壓力、成分有關。在恒壓條件下分配系數的自然對數與體系絕對溫度的倒數成正比：

式中Δ H為反應焓變， R為氣體常數， T為絕對溫度， B為常數。

　　據此，微量元素可作地質溫度計。一些多價態微量元素如鈰、釩、鉻等，其濃度比值的變化可指示體系的氧逸度。

　　巖漿巖成巖過程的定量模型主要建立於微量元素的分配規律：對於源巖部分熔融形成巖漿的過程，可用

計算 式中 C ⁱ _L為巖漿中微量元素i的濃度， C ⁱ ₀為該元素在源巖中的濃度， F為部分熔融的程度， D為該元素的總分配系數。

　　對於巖漿分離結晶作用過程可用下式描述：

C ⁱ _L＝ C ⁱ _OL F ^D－1 式中 C ⁱ _OL為原始巖漿中元素i的濃度， C ⁱ _L為微量元素在分異的熔體中的濃度， F為原始巖漿分離結晶剩餘的比例（結晶度、固結程度）， D為微量元素i在結晶相與熔體之間的總分配系數。對於較復雜的成巖過程，如由兩個以上母體源經混合作用形成巖漿的過程，以及分離結晶和圍巖混染等作用，總分配系數 D可用相應的表達式求得，對過程的演化也有相應的模型描述。

　　不同構造環境形成的同一類巖石的微量元素組合有一定差異，如島弧巖漿系列富大離子親石元素，洋中脊玄武巖則相反。已建立瞭玄武巖類、花崗巖類和沉積巖形成構造環境的微量元素判別圖解。微量元素廣泛應用於成礦作用研究，如含礦與不含礦判別、成礦溶液性質、成礦階段劃分及蝕變特點等研究。在重要地質界限層（如白堊–第三紀、二疊–三疊紀）中，微量元素，如銥的濃度變化成為研究全球事件，如生物大規模滅絕的重要依據。在環境地球化學研究中也廣泛應用微量元素示蹤。

　　微量元素與同位素比值相結合是化學地球動力學及地球、行星演化研究的重要依據，例如，用Li、Be、B、Rb、Ba、U、Th、Nb、Ta、Pb、As、Sb等及Li、Be和B同位素探討俯沖帶流體的特征；用Nb/U、Ce/Pb、La/Nb、Ba/Nb、Ba/Th、Ba/La、Zr/Nb、Th/Nb、Rb/Nb等比值和Sm–Nd、Re–Os、U/Pb等同位素探討殼幔相互作用、不同地幔端員的識別、劃分及其交代作用等研究。

　　

推薦書目

　趙振華. 微量元素地球化學原理. 北京: 科學出版社, 1997.