微量元素在地球化学中的应用

微量元素的定义

在地球化学体系里,人们常把相对于地壳中的主量元素含量低于千分之一的元素称为微量元素。主量与微量元素在自然界中不同体系中是相对的概念,常因所处的体系不同而又所差异。譬如K在地壳整体中是主量元素,但在陨石中却被视为微量元素;Zr在锆石中是常量元素,但是在多数情况下为微量元素;Cr在大多数地壳岩石中为微量元素,但在超基性岩中可呈常量元素。所以不同的学者对微量元素作出了不同的定义。1968年Gast对微量元素的定义是:指的是不作为体系中任何相的的主要化学计算组分存在的元素。还有学者根据元素在所研究的地球化学体系中的浓度低到可以服从稀溶液定律的范围。则称该元素为微量元素。因此,总结微量元素有3个特征:一、难以用严格的定义来对微量元素的概念进行描述;二、微量元素的概念在自然界中是相对的,应基于所研究的体系;三、低浓度是微量元素的核心特征,在宏观上常表现为不能形成独立矿物相。 微量元素地球化学的研究意义

虽然微量元素只占体系质量的较少部分,但其提供的地质-地球化学信息远超出了其含量信息本身,因此研究微量元素有重大的意义。微量元素的种类远多于常量元素,且含量的变化范围大于常量元素。因此,微量元素可对地质过程和环境提供提供灵敏的指示,譬如REE中Eu对岩浆结晶过程中斜长石结晶分异的指示,Ce对体系氧化-还原性质的指示等。此外,岩浆源区和微量元素的组成密切相关,而常量元素难以充分显示。譬如不同性质、不同深部的地幔岩石部分熔融

形成的岩浆总是表现为玄武质组成,不同熔融程度形成的岩浆在主量元素组成上难以反映明显的区别,但是在微量元素上却差别明显,这就是利用微量元素地球化学研究岩浆成因和过程的意义所在。更重要的是微量元素地球化学对于人类认识地球的演化具有重要意义。例如,通过对地幔及其岩浆中亲铁元素丰度的研究,证实地核与地球硅酸盐岩部分的分离在地球从环绕太阳系的气-尘团中完全增生出来以前已基本完成;通过对微量元素气体元素丰度和同位素组成的研究,获得在地球形成早期数亿年内,地球发生过强烈的去气作用;大量的观察和研究表明,地球不同构造环境形成的岩浆,其微量元素(及其同位素组成具有相对对应的地球化学配分模式,为认识地球演化和识别构造事件提供了重要手段。 二、微量元素在判别构造环境中的应用

大量地球化学研究表明,构建微量元素构造环境判别图解的基础是不同种类的岩石中的元素组合、比值的变化是该岩石形成时所处大地构造环境的反映。或者,同类岩石产出的构造环境不同,相关的成岩过程的物理化学条件也有明显的差异,造成了岩石中元素,特别是微量元素组合及比值等不同。以俯冲带为例,随洋壳俯冲深度增加,变质程度由角闪岩相过渡为角闪榴辉岩相。榴辉岩相,相应地,在岛弧岩浆系统中靠近洋壳方向形成拉斑玄武岩,在俯冲带内侧大陆方向则形成高铝玄武岩和碱性岩。这导致了横越岛弧或活动大陆边缘,随俯冲深度增加,由大洋向大陆方向岛弧岩浆显示微量元素的成分(含量、

比值)极性变化,如K→Rb→Sr→Ba→Cs→P→Pb→U→Th→REE等逐渐增加。

上世纪70年代,英国学者Pearce和Cann提出了依据化学成分限定岩浆起源的大地构造图解。几乎在所有图解中主要是以不活动的高场强元素和稀土元素为基础构建的。由于它们在溶液中强烈的不活动性,使它们的组合特点可以反映岩石所形成的构造环境。主要是Zr、Hf、Nb、Ta、Ti、Th、P、Y、Yb等。对于花岗岩类,在形成过程中常常经历强烈的结晶分异作用,因此在花岗岩的判别图解中,加入了对分离结晶作用非常敏感的强不相容元素Rb。其次,在构建图解中为了提高判别效果,即减少重叠区和多解性,往往不是单元素-单元素图,而是比值-比值图、单元素-比值图,如Ti/Y-Nb/Y;Zr/Y-Ti/Y;K2O/Ta-Ta/Yb;TiO2-Y/Nb;Nb/Y-Zr/P2O5等。选择这些元素比值主要是基于它们在成岩过程中(部分熔融、分离结晶)的地球化学行为,它们的行为非常相似,对部分熔融和分离结晶作用不敏感,因而可以反映源区特征。板内玄武岩比其它类型玄武岩有较高的Ti/Y和Nb/Y比值,反映了其源区相对于MORB和火山弧玄武岩经历了地幔交代的富集作用,因此可用这些比值将板内玄武岩与MORB和火山弧玄武岩分开。

2.1岩石的源区与其形成的构造环境密切相关

Pearce构建的构造环境判别图解将岩石的源区与其形成的构造环境联系起来。不同构造环境的花岗岩的源区(Pearce,1996)如洋脊花岗岩:与陆壳无相互作用的普通亏损地幔;板内花岗岩:与陆壳不同程

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