微量元素地球化学的发展

1地球化学论文题目：___微量元素地球化学的发展年级：__________2010级________________专业：_________地质学__________________学号：_________03210301________________姓名：__________郭鹏__________________中国地质大学长城学院思想政治理论教研室年月日微量元素地球化学的发展2【摘要】近年来，微量元素地球化学得到了迅猛发展和广泛应用。作为地球化学领域里的一个重要分支学科，微量元素地球化学研究微量元素在地球及其子系统中的分布、化学作用及化学演化，它根据系统的特征和微量元素的特性，阐明他们在地球系统中的分布、分配、在自然体系中的性状、在自然界的迁移和演化的历史。【关键字】微量元素地球化学化学作用化学演化微量元素地球化学经历了两个主要的发展时期：在20世纪60年代前，主要通过元素的原子、离子半径，电荷、极化性质、电负性等特性．研究微量元素在地球各系统及不同矿物、岩石中的分配和分布，即从微观的角度来认识微量元素的分布及其在自然界的结合规律；自20世纪70年代起，微量元素地球化学的研究从定性向定量，从微观向宏观方向发展，进入了建立定量理论模型阶段。微量元素可作为地质地球化学过程的示踪剂，在解决当代地球科学的基础理论问题——如天体、地球、生命和元素的起源，为人类提供充足资源和良好生存环境等方面正发挥着重要的作用。至今，微量元素地球化学的研究几乎涉及地学的所有领域，包括对地幔的不均一性、古构造环境的恢复、成岩成矿物源的示踪、全球及局域环境的监测等问题的研究。微量元素地球化学研究的思路及方法可以归纳为：①通过观察自然界中之“微”(微量元素)来认识地球之“著”(系统特征和其中的自然作用过程)；②在获得高精度数据的基础上，应用各种先进理论(如分配定律、耗散结构理论、协同论等)来认识地学的宏观规律。近20年来，微量元素地球化学理论迅速发展、开辟了地球科学研究向定量、动态过程方向发展的新途径。微量元素在地球系统中不是孤立存在的，它们与各种地球物质和地质过程相联系。它们在各种地球化学体系的分散和集中与自身独特的赋存形式和共生组合有关。微量元素参与各种地球化学作用．作用过程中体系物理化学状态的转变、作用物质的质量迁移、能量输运及动量传递等，必然在微量元素组成上打上作用随时间演化的烙印。为此，通过观察、捕捉微量元素提供的地球化学作用的时-空信息，可用来解析各种复杂的地质作用的原因和条件、追踪作用演化历史，使为地球科学基础理论的发展、为人类提供充足资源和良好生存环境等做贡献成为可能。微量元素地球化学的核心是“示踪”，因此本进展主要说明微量元素地球化学示踪作用的研究进展。1壳幔作用微量元素地球化学示踪板块构造学说的兴起，使恢复地壳小各种岩石或矿床形成时构造环境的研究越来越引起注意。按照现代地球科学的理论，大规模的构造活动主要起源于岩石圈深部，软流圈热动力状态的变化和运动的不均一性导致了地球物质的大规模运动。这种运动推动着岩石圈的演化。一般根据地球物理资料来研究地壳结构，并根据岩石组合类型恢复占构造环境(俯冲带、岛弧、洋中脊、弧后、板块内部等)，但近年来的研究表明，由于不同构造环境的物质、热源、物理化学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，并处于拉张的动力学状态，又无陆壳的污染(仅与海水互相作用)，决定了它们特定的微量元素组成特征，即富集Ti、Mn、P、Co、Ni、Cr、3V、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。板块运动使得洋壳与陆壳之间，以及它们与上地幔之间不断发生物质交换，生成岩浆的成分随所处构造环境不同而不同由图可见，覆盖在洋壳上的沉积物随板块俯冲被带到大陆上地幔，在地幔高温下熔融，并与板块上面大陆地幔物质混合，使俯冲带大陆地幔楔成分变得十分复杂。沉积物中水分子的加人降低了地幔物质的熔点。根据部分熔融过程元素的分配特点，地幔岩石中大离子亲石元素K、Rb、Sr、U、Th、REE等向上部的富集越来越强烈，造成了俯冲带下大陆地幔残留岩石中贫大离子亲石元素。地幔的对流作用使这部分物质循环到洋底地幔中，成为大洋中脊拉斑玄武岩(MORB)的岩浆源，造成了洋中脊玄武岩严重下损大离子亲石元素，而岛弧岩浆则富集大离子亲石元素。因此，在横穿板块俯冲带的剖面上，随着俯冲深度加大形成了拉斑玄武岩系列、钙碱系列和碱性系列火山岩(岩浆岩)的依次排列，它们的化学成分，尤其是微量元素含量和组合也呈现规律性变化——成分极性。除了K2O和总碱含量外，下列微量元素也显示出横穿岛弧的成分递变现象。有大洋到大陆，依次为：K，K+Na，Rb，Sr，Ba，Cs，P，Pb，U．Th．REE，Rb/Sr，La/Yb，Fe，Y，HREE，K/Rb，Na/K。图1俯冲带地壳与地幔的地球化学循环2地质作用物理化学条件示踪微量元素地质温度计和压力计是微量元素在地球化学中的另一应用。方程2.1和2.2是温度压力计的理论基础。基于微量元素在平衡两相中的分配原理的温压计比用主成分的分配作为温压计更为简便，因为微量元素在平衡两相中的分配服从亨利定律，不需要考虑组分浓度和活度的关系。BΔHlnKD（2.1）RTF1CRSFCLCS（2.2）已经用天然物质和人工配制物质制作了各种类型的地质温度计。比较理想和灵敏的地质温压计应该选用有较大的ΔH的平衡矿物对。常用的微量元素温度计有Ni在橄榄石和辉石中的分配，主要用于基性岩石的结晶温度计算；Sr，Ba和REE在斜长石和基质间的分配，用于中、酸性侵入岩温度计算；以及Rb在金云母和透长石间的分配，F在云母和磷灰石之间的分配等。地质压力计是基于微量元素分配的方程式中产物和反应物间4的摩尔体积差随压力变化而制作的，目前有Ca在橄榄石和单斜辉石间分配的压力计，黄铁矿中Se、Te分配的压力计等。边缘海沉积物及珊瑚等的微量元素和同位素地球化学特征具有典型的“气候效应”，尤其是对晚第四纪冰期与间冰期地球化学变异规律的研究，为探讨全球变化提供了重要依据。如珊瑚具有与树木类似的年轮，其定年可以很准确，分辨率可达到一周或数天。珊瑚中微量元素是珊瑚形成(钙化)过程中直接从海水进入珊瑚骨骼中，其含量由微量元素在海水和珊瑚(文石)之间的分配系数以及海水中这些元素的浓度所决定，而微量元素的分配系数主要受温度控制，因此，珊瑚中微量元素成为灵敏的温度计。Sr/Ca温度计超过同位素方法，Sr/Ca,Ba/Ca、Cd/Ca、Pb/Ca、Mn/Ca等比值是海洋气候环境变化的灵敏指标，显示盐度、水均衡、径流、人为输人、营养循环等特征。有孔虫壳体的Cd/Ca和硅藻壳体中的Ba/Si值可以反映古生产力。如青海湖近代沉积物岩芯中介形虫壳体的Mg/Ca,Sr/Ca值反映了湖区1.2万年以来气候的变化。珊瑚U/Ca温度计具有很高的研究和应用价值。Min等（1995）对NewCaledonia和Tahiti的珊瑚研究而获得的U/Ca温度计分别为t(℃)=(48.8-21.5)×106(U/Ca)和t(℃)=(49.2-23.3)×106(U/Ca)（2.3）式中，U/Ca为原子比。(张本仁等，2005)韦刚健等(1998)用ID(同位素稀释)-ICP-MS技术测定了南海北部28个滨海珊瑚样品中微量U,建立了南海北部近岸海域的珊瑚温度计，海洋表面平均温度t的关系式为t(℃)=[(75.4±3.0)~(41.1±1.37)]×106（RU/Ca）（2.4）式中，RU/Ca为珊瑚中U/Ca原子比。以此关系式获得了南海北部的海洋表面平均温度变化，该温度计精度为±0.50℃.。U/Ca温度计优点是灵敏度高，相对变化率为-2%-4%/℃。3沉积岩物质来源沉积岩的物质来源是一个复杂的问题，它涉及到地表出露的各种岩石，如火成岩、变质岩和沉积岩，而且沉积岩的形成不是一次的，常常是经历了多阶段循环、混合的结果，因此，确定其物质来源较困难。目前常用岩石学对比分析、古地理环境恢复等方法，近年来又发展了用副矿物中微量元素含量分布对比分析方法，主要采用锆石、钛铁矿等。以砂岩为例，岩石中最稳定的矿物锆石和钛铁矿是探讨砂岩物质来源较为理想的副矿物，其特点是：在砂岩中分布较广，即在各种砂岩中都有不同含量的分布；与其他矿物比较，它们也最为稳定，在源岩物质经风化、剥蚀、搬运和成岩作用过程中均能保留下来并很少受蚀变作用。而它们的微量元素含量，如锆石中的铪，钛铁矿中Cr、Ni、V、Cu、Mn、Mg等对中于不同岩石是较灵敏的指示剂。不同类型岩石中，锆石中的铪含量，特别是锆铪比明显有差异，同一成因类型的不同侵入体之间也有差别。因此，以锆石或钛铁矿中微量元素含量分布进行源区探索较为有效。（赵振华，1997）以锆石为例，可以设想一砂岩是经过两阶段形成，在一个流域盆地中，第一阶段的砂来自盆地中的火成岩、变质岩和沉积岩，每一种岩石的锆石都有它们自己特征的铪浓度分布，三种岩石以不同的比例混合构成了第一阶段砂的锆石中铪的分布谱。当第一阶段砂被埋藏、成岩并上升，然后被剥蚀，将产生第二种砂。这种砂中所含铪的成分与第一种砂相似，第一种砂称为第二种砂的直接源，流域盆地的有关岩石为其源岩。如果第二种砂在不同的沉积环境中沉积，如一部分在三角洲，一部分在深海，则可以通过比较这两种砂中锆石的成分来揭示它们之间的成因联系。两种相似的砂在锆石成分中应有相似的统计分布。成因上无关的砂岩所含锆石的铪的分布谱应不同，因为它们来自不同的直接源和源岩。根据海水和淡水中含量差异显著的微量元素，可以区别海相和陆相沉积物。5B：现代海水中B为4.7×10-6，淡水中一般不含B，内陆盐湖中硼含量较高。因此，海相沉积物硼含量高（100×10-6或更高），湖相沉积物硼含量最低，成盐潟湖相中含盐粘土硼含量可达100×10-6以上。Sr/Ba：Sr比Ba迁移能力强，淡水与海水相混时，Ba易成BaSO4沉淀，因此，在淡水沉积中Sr/Ba＜1，而在海相沉积中Sr/Ba＞1。Sr/Ca：湖水和河水以Sr/Ca值低为其特征，海水则较大；Rb/K值和V/Ni值：海相均高于淡水相。Sr、Ni、Co、Mn、Ba等可作为区分礁相和非礁相灰岩的指标元素。一般情况下非礁相灰岩中锶含量比礁相灰岩高得多。对加拿大阿尔伯达泥盆纪灰岩的研究表明，非礁相灰岩中锶钡、镍、钴、铬、钒含量比礁灰岩高得多。对日本高知县佐川地区灰岩研究也有类似结果，在上、中、下三层不同的灰岩中，中层为礁灰岩，微量元素含量最低，下层靠近陆侧形成，微量元素含量高；上层靠海形成，富Sr、Mg、K。参考文献：[1]陈道公.地球化学[M].合肥：中国科学技术大学出版社，2009.[2]韩吟文，马振东.地球化学[M].北京：地质出版社，2003.[3]韦刚健，李献华，聂宝福等.南海北部滨海珊瑚高分辨率Mg/Ca温度计[J].科学通报，1998,43[4]张本仁，傅家谟.地球化学进展[M].北京：化学工业出版社，2005.[5]赵振华.微量元素地球化学原理[M].北京：地质出版社，1997.