微量元素地球化學(xué)的發(fā)展(共5頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上地球化學(xué)論文 題目：_微量元素地球化學(xué)的發(fā)展 年級：_2010級_專業(yè)：_地質(zhì)學(xué)_學(xué)號：_姓名：_郭鵬_ 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院思想政治理論教研室年 月 日微量元素地球化學(xué)的發(fā)展【摘要】近年來，微量元素地球化學(xué)得到了迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用。作為地球化學(xué)領(lǐng)域里的一個重要分支學(xué)科，微量元素地球化學(xué)研究微量元素在地球及其子系統(tǒng)中的分布、化學(xué)作用及化學(xué)演化，它根據(jù)系統(tǒng)的特征和微量元素的特性，闡明他們在地球系統(tǒng)中的分布、分配、在自然體系中的性狀、在自然界的遷移和演化的歷史。【關(guān)鍵字】微量元素 地球化學(xué) 化學(xué)作用 化學(xué)演化微量元素地球化學(xué)經(jīng)歷了兩個主要的發(fā)展時期：在20世紀(jì)60年代前，

2、主要通過元素的原子、離子半徑，電荷、極化性質(zhì)、電負(fù)性等特性研究微量元素在地球各系統(tǒng)及不同礦物、巖石中的分配和分布，即從微觀的角度來認(rèn)識微量元素的分布及其在自然界的結(jié)合規(guī)律；自20世紀(jì)70年代起，微量元素地球化學(xué)的研究從定性向定量，從微觀向宏觀方向發(fā)展，進(jìn)入了建立定量理論模型階段。微量元素可作為地質(zhì)地球化學(xué)過程的示蹤劑，在解決當(dāng)代地球科學(xué)的基礎(chǔ)理論問題如天體、地球、生命和元素的起源，為人類提供充足資源和良好生存環(huán)境等方面正發(fā)揮著重要的作用。至今，微量元素地球化學(xué)的研究幾乎涉及地學(xué)的所有領(lǐng)域，包括對地幔的不均一性、古構(gòu)造環(huán)境的恢復(fù)、成巖成礦物源的示蹤、全球及局域環(huán)境的監(jiān)測等問題的研究。微量元素地球

3、化學(xué)研究的思路及方法可以歸納為：通過觀察自然界中之“微”(微量元素)來認(rèn)識地球之“著”(系統(tǒng)特征和其中的自然作用過程)；在獲得高精度數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用各種先進(jìn)理論(如分配定律、耗散結(jié)構(gòu)理論、協(xié)同論等)來認(rèn)識地學(xué)的宏觀規(guī)律。近20年來，微量元素地球化學(xué)理論迅速發(fā)展、開辟了地球科學(xué)研究向定量、動態(tài)過程方向發(fā)展的新途徑。微量元素在地球系統(tǒng)中不是孤立存在的，它們與各種地球物質(zhì)和地質(zhì)過程相聯(lián)系。它們在各種地球化學(xué)體系的分散和集中與自身獨特的賦存形式和共生組合有關(guān)。微量元素參與各種地球化學(xué)作用作用過程中體系物理化學(xué)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變、作用物質(zhì)的質(zhì)量遷移、能量輸運及動量傳遞等，必然在微量元素組成上打上作用隨時間演化

4、的烙印。為此，通過觀察、捕捉微量元素提供的地球化學(xué)作用的時-空信息，可用來解析各種復(fù)雜的地質(zhì)作用的原因和條件、追蹤作用演化歷史，使為地球科學(xué)基礎(chǔ)理論的發(fā)展、為人類提供充足資源和良好生存環(huán)境等做貢獻(xiàn)成為可能。微量元素地球化學(xué)的核心是“示蹤”，因此本進(jìn)展主要說明微量元素地球化學(xué)示蹤作用的研究進(jìn)展。1殼幔作用微量元素地球化學(xué)示蹤板塊構(gòu)造學(xué)說的興起，使恢復(fù)地殼小各種巖石或礦床形成時構(gòu)造環(huán)境的研究越來越引起注意。按照現(xiàn)代地球科學(xué)的理論，大規(guī)模的構(gòu)造活動主要起源于巖石圈深部，軟流圈熱動力狀態(tài)的變化和運動的不均一性導(dǎo)致了地球物質(zhì)的大規(guī)模運動。這種運動推動著巖石圈的演化。一般根據(jù)地球物理資料來研究地殼結(jié)構(gòu)，并

5、根據(jù)巖石組合類型恢復(fù)占構(gòu)造環(huán)境(俯沖帶、島弧、洋中脊、弧后、板塊內(nèi)部等)，但近年來的研究表明，由于不同構(gòu)造環(huán)境的物質(zhì)、熱源、物理化學(xué)條件及動力學(xué)機(jī)制等方面存在差異形成巖石的微量元素含量與組合(包括同位素組成)有較明顯的不同。例如，洋中脊玄武巖的熱源為上隆的軟流層，物源為單純洋殼的地幔，并處于拉張的動力學(xué)狀態(tài)，又無陸殼的污染(僅與海水互相作用)，決定了它們特定的微量元素組成特征，即富集Ti、Mn、P、Co、Ni、Cr、V、Cu、Zn、Au、Ag、Mo等元素。在陸殼環(huán)境內(nèi)，物質(zhì)組成、熱源、物理化學(xué)條件及動力學(xué)機(jī)制與洋殼環(huán)境迥異經(jīng)過殼-幔分異和長期地殼演化，在大陸地殼中富集的微量元素為REE、W、S

6、n、U、Th、Be、Pb、Cs、Ta等。板塊運動使得洋殼與陸殼之間，以及它們與上地幔之間不斷發(fā)生物質(zhì)交換，生成巖漿的成分隨所處構(gòu)造環(huán)境不同而不同由圖可見，覆蓋在洋殼上的沉積物隨板塊俯沖被帶到大陸上地幔，在地幔高溫下熔融，并與板塊上面大陸地幔物質(zhì)混合，使俯沖帶大陸地幔楔成分變得十分復(fù)雜。沉積物中水分子的加人降低了地幔物質(zhì)的熔點。根據(jù)部分熔融過程元素的分配特點，地幔巖石中大離子親石元素K、Rb、Sr、U、Th、REE等向上部的富集越來越強(qiáng)烈，造成了俯沖帶下大陸地幔殘留巖石中貧大離子親石元素。地幔的對流作用使這部分物質(zhì)循環(huán)到洋底地幔中，成為大洋中脊拉斑玄武巖(MORB)的巖漿源，造成了洋中脊玄武巖嚴(yán)

7、重下?lián)p大離子親石元素，而島弧巖漿則富集大離子親石元素。因此，在橫穿板塊俯沖帶的剖面上，隨著俯沖深度加大形成了拉斑玄武巖系列、鈣堿系列和堿性系列火山巖(巖漿巖)的依次排列，它們的化學(xué)成分，尤其是微量元素含量和組合也呈現(xiàn)規(guī)律性變化成分極性。除了K2O和總堿含量外，下列微量元素也顯示出橫穿島弧的成分遞變現(xiàn)象。有大洋到大陸，依次為：K，K+Na，Rb，Sr，Ba，Cs，P，Pb，UThREE，Rb/Sr，La/Yb，F(xiàn)e，Y，HREE，K/Rb，Na/K。圖1 俯沖帶地殼與地幔的地球化學(xué)循環(huán)2 地質(zhì)作用物理化學(xué)條件示蹤微量元素地質(zhì)溫度計和壓力計是微量元素在地球化學(xué)中的另一應(yīng)用。方程2.1和2.2是溫度

8、壓力計的理論基礎(chǔ)。基于微量元素在平衡兩相中的分配原理的溫壓計比用主成分的分配作為溫壓計更為簡便，因為微量元素在平衡兩相中的分配服從亨利定律，不需要考慮組分濃度和活度的關(guān)系。B+-=HlnKD （2.1） RT)F-1(CRS+F×CL=CS （2.2）已經(jīng)用天然物質(zhì)和人工配制物質(zhì)制作了各種類型的地質(zhì)溫度計。比較理想和靈敏的地質(zhì)溫壓計應(yīng)該選用有較大的H的平衡礦物對。常用的微量元素溫度計有Ni在橄欖石和輝石中的分配，主要用于基性巖石的結(jié)晶溫度計算；Sr，Ba和REE在斜長石和基質(zhì)間的分配，用于中、酸性侵入巖溫度計算；以及Rb在金云母和透長石間的分配，F(xiàn)在云母和磷灰石之間的分配等。地質(zhì)壓力

9、計是基于微量元素分配的方程式中產(chǎn)物和反應(yīng)物間的摩爾體積差隨壓力變化而制作的，目前有Ca在橄欖石和單斜輝石間分配的壓力計，黃鐵礦中Se、Te分配的壓力計等。邊緣海沉積物及珊瑚等的微量元素和同位素地球化學(xué)特征具有典型的“氣候效應(yīng)”，尤其是對晚第四紀(jì)冰期與間冰期地球化學(xué)變異規(guī)律的研究，為探討全球變化提供了重要依據(jù)。如珊瑚具有與樹木類似的年輪，其定年可以很準(zhǔn)確，分辨率可達(dá)到一周或數(shù)天。珊瑚中微量元素是珊瑚形成(鈣化)過程中直接從海水進(jìn)入珊瑚骨骼中，其含量由微量元素在海水和珊瑚(文石)之間的分配系數(shù)以及海水中這些元素的濃度所決定，而微量元素的分配系數(shù)主要受溫度控制，因此，珊瑚中微量元素成為靈敏的溫度計。

10、Sr/Ca溫度計超過同位素方法，Sr/Ca, Ba/Ca、Cd/Ca、Pb/Ca、Mn/Ca等比值是海洋氣候環(huán)境變化的靈敏指標(biāo)，顯示鹽度、水均衡、徑流、人為輸人、營養(yǎng)循環(huán)等特征。有孔蟲殼體的Cd/Ca和硅藻殼體中的Ba/Si值可以反映古生產(chǎn)力。如青海湖近代沉積物巖芯中介形蟲殼體的Mg/Ca, Sr/Ca值反映了湖區(qū)1. 2萬年以來氣候的變化。珊瑚U/Ca溫度計具有很高的研究和應(yīng)用價值。Min等（1995）對New Caledonia和Tahiti的珊瑚研究而獲得的U/Ca溫度計分別為t ()=(48.8- 21.5)×106 (U/Ca)和t()=(49.2-23. 3 )×

11、;106 (U/Ca) （2.3）式中，U/Ca為原子比。(張本仁等，2005)韋剛健等(1998)用ID(同位素稀釋)-ICP-MS技術(shù)測定了南海北部28個濱海珊瑚樣品中微量U, 建立了南海北部近岸海域的珊瑚溫度計，海洋表面平均溫度t的關(guān)系式為t()=(75.4±3.0)(41.1±1.37)×106（RU/ Ca） （2.4）式中，RU/Ca為珊瑚中U/Ca原子比。以此關(guān)系式獲得了南海北部的海洋表面平均溫度變化，該溫度計精度為±0.50.。U/Ca溫度計優(yōu)點是靈敏度高，相對變化率為-2%-4%/。 3沉積巖物質(zhì)來源沉積巖的物質(zhì)來源是一個復(fù)雜的問題，它

12、涉及到地表出露的各種巖石，如火成巖、變質(zhì)巖和沉積巖，而且沉積巖的形成不是一次的，常常是經(jīng)歷了多階段循環(huán)、混合的結(jié)果，因此，確定其物質(zhì)來源較困難。目前常用巖石學(xué)對比分析、古地理環(huán)境恢復(fù)等方法，近年來又發(fā)展了用副礦物中微量元素含量分布對比分析方法，主要采用鋯石、鈦鐵礦等。以砂巖為例，巖石中最穩(wěn)定的礦物鋯石和鈦鐵礦是探討砂巖物質(zhì)來源較為理想的副礦物，其特點是：在砂巖中分布較廣，即在各種砂巖中都有不同含量的分布；與其他礦物比較，它們也最為穩(wěn)定，在源巖物質(zhì)經(jīng)風(fēng)化、剝蝕、搬運和成巖作用過程中均能保留下來并很少受蝕變作用。而它們的微量元素含量，如鋯石中的鉿，鈦鐵礦中Cr、Ni、V、Cu、Mn、Mg等對中于不

13、同巖石是較靈敏的指示劑。不同類型巖石中，鋯石中的鉿含量，特別是鋯鉿比明顯有差異，同一成因類型的不同侵入體之間也有差別。因此，以鋯石或鈦鐵礦中微量元素含量分布進(jìn)行源區(qū)探索較為有效。（趙振華，1997）以鋯石為例，可以設(shè)想一砂巖是經(jīng)過兩階段形成，在一個流域盆地中，第一階段的砂來自盆地中的火成巖 、變質(zhì)巖和沉積巖，每一種巖石的鋯石都有它們自己特征的鉿濃度分布，三種巖石以不同的比例混合構(gòu)成了第一階段砂的鋯石中鉿的分布譜。當(dāng)?shù)谝浑A段砂被埋藏、成巖并上升，然后被剝蝕，將產(chǎn)生第二種砂。這種砂中所含鉿的成分與第一種砂相似，第一種砂稱為第二種砂的直接源，流域盆地的有關(guān)巖石為其源巖。如果第二種砂在不同的沉積環(huán)境中

14、沉積，如一部分在三角洲，一部分在深海，則可以通過比較這兩種砂中鋯石的成分來揭示它們之間的成因聯(lián)系。兩種相似的砂在鋯石成分中應(yīng)有相似的統(tǒng)計分布。成因上無關(guān)的砂巖所含鋯石的鉿的分布譜應(yīng)不同，因為它們來自不同的直接源和源巖。根據(jù)海水和淡水中含量差異顯著的微量元素，可以區(qū)別海相和陸相沉積物。B：現(xiàn)代海水中B為4.7×10-6，淡水中一般不含B，內(nèi)陸鹽湖中硼含量較高。因此，海相沉積物硼含量高（100×10-6或更高），湖相沉積物硼含量最低，成鹽潟湖相中含鹽粘土硼含量可達(dá)100×10-6以上。Sr/Ba：Sr比Ba遷移能力強(qiáng)，淡水與海水相混時，Ba易成BaSO4沉淀，因此，在淡水沉積中Sr/Ba1，而在海相沉積中Sr/Ba1。Sr/Ca：湖水和河水以Sr/Ca值低為其特征，海水則較大；Rb/K值和V/Ni值：海相均高于淡水相。Sr、Ni、Co、Mn、Ba等可作為區(qū)分礁相和非礁相灰?guī)r的指標(biāo)元素。一般情況下非礁相灰?guī)r中鍶含量比礁相灰?guī)r高得多。對加拿大阿爾伯達(dá)泥盆紀(jì)灰?guī)r的研究表明，非礁相灰?guī)r中鍶 鋇、鎳、鈷、鉻、釩含量比礁灰?guī)r高得多。對日本高知縣佐川地區(qū)灰?guī)r研究也有類似結(jié)果，在上、中、下三層不同的灰?guī)r中，中層為礁灰?guī)r，微量元素