微量元素的定义（微量定义元素是指什么）

虽然微量元素丰度很低,只是组成我们所研究体系的很小一部分,由于以下原因,它们所提供的地球化学和地质学信息量的宏大与重要却与它们的丰度不成比例。首先,微量元素的含量变化幅度远大于主量元素,经常达到许多数量级 (图5-1)。这是由于微量元素的含量变化范围不像主量元素那样受到限制或相互制约,后者总量之和必须达到100%,因此它们的含量不是独立的,而是相互制约的。其次,微量元素涵盖的元素种类远大于主量元素。在大多数地球化学体系中,10 种或少于 10 种的主量元素构成了体系99%以上的组成,余下80 种微量元素虽然含量所占份额很低,但每个元素都有其特殊的化学性质,甚至是独特的性质,每种元素的含量变化均蕴含着独特的地球化学信息。因此微量元素所提供的信息量远大于主量元素。第三,一个元素的含量越低,它的行为越有可能具有规则,即溶液化学的理想行为,越不易受到与其绝对丰度有关因素的影响。因此微量元素可以提供控制岩石演化外部变量的信息 (White,2013;Shaw,2006)。

图5-1 西班牙中部 Pena Negar 杂岩体 83 个花岗岩类岩石的分析数据

(据Shaw,2006)

表明微量元素 Li和B的含量变化范围超过2个数量级,而主量元素SiO2 和K2 O的变化范围则很小。微量元素含量对于形成条件的变化更为敏感

微量元素的行为变化很大,且有选择性,对于主量元素不敏感的过程非常敏感。比如地幔中发生部分熔融的深度,地幔熔融形成熔体的组成与压力的关系不大,即总是形成玄武岩浆。然而一定的微量元素对于部分熔融的深度却十分敏感,这是由于微量元素的分配系数是压力的函数。在更大尺度上,地幔的组成似乎是相对均一的,或者至少在产生玄武岩浆的那部分是均一的,实际情况也确实如此,因为仅仅根据形成的岩浆中的主量元素很难证明地幔的非均一性。与此形成鲜明对比,已有充分证据证明地幔中微量元素的浓度变化范围相当大,微量元素特别是与同位素比值结合在一起,能够提供显示不同地幔储库变化的化学指纹。

什么是微量元素? 从字面意思上,是指以低丰度存在于岩石、矿物或流体中的元素。一般习惯于将各种地质体系中呈微量或痕量 (

微量 (trace)元素,又可以称为痕量元素,是指那些不形成特征矿物的元素,或不构成体系中化学计量组分的元素,或对矿物/熔体组成不构成化学计量约束的元素。这一定义尚有些模糊:一方面一个元素在一个体系中是微量元素,在另一个体系中却不是。如元素 K在大洋中脊玄武岩中的丰度很少超过1500×10-6 ,从来不能以自己独立相的形式存在,应是微量元素,但在花岗岩中肯定不是一种微量元素。此外,上述定义也不适用于流体体系。如海水只有一个相——流体相,因此没有化学计量的问题。除了Cl-、

、

、

、Mg2+、Ca2+、K+和Na+ (当然还有H2 O)以外,其他都是微量元素。微量元素的第二个定义是指在相当大程度上不会影响体系的化学或物理性质的元素。这也有问题,如微量元素或至少是少量元素可以影响矿物的颜色,如铬透辉石的绿色等;再如CO2 ,在大气圈中的丰度只有360×10-6 ,但却对大气圈对于红外辐射的透明度甚至气候产生深刻的影响。微量元素的第三个定义 (严格定义):只要在所研究的客体 (地质体、岩石、矿物等)中的含量 (活度/浓度)低到可以近似地用稀溶液定律描述其行为,该元素可称为微量元素 (Marshall et al.,1999;White,2013)。表明微量元素都是具有足够稀释浓度的元素。

在微量元素和主量元素之间还可以划出一类称为少量元素 (minor elements),又称为副元素 (Hawkes et al.,1962;Shaw,2006)。这类元素是指构成重要副矿物的主要组成和/或在较大程度上进入主要矿物结构的元素。它们的丰度在 0.1%～1%之间,或0.1%～0.3% (Marshall et al.,1999)。如 H、C、S、K、P、Ti、Cr、Mn、F等,有时在它们构成相的化学计量组成意义上是主量元素,形成磷灰石、萤石和锆石等。少数情况下,许多微量元素也可以形成自己的独立矿物,在其中成为主要组分。例如铬铁矿(FeCr2 O4 )中的Cr和独居石 (Ce,La)PO4 中的Ce和La等。

由于微量元素在体系中的低浓度 (或活度),使得它们难以形成一种独立相,而是以次要组分存在于其他组分所形成的矿物固溶体、熔体或溶液中。

在矿物中,微量元素主要以下列形式存在:

表面吸附 (surface adsorption) 外来离子被吸附在晶体表面的扩散层内,与那些化学键不完全饱和的表面原子呈静电相互作用;

吸留 (occlusion) 在晶体的增生中吸附在晶面的杂质被后来增生的晶层所圈闭;

在固溶体中呈类质同象替代主要组分 在晶体晶格的规则位置微量元素替代主要组分;

间隙固溶体 (interstitial solid solution) 与上类似,只是微量元素占据的是晶格中的间隙位置。

目前的测定表明在很低的痕量 (ultratrace concentration levels)水平上,前两种情况可能起作用。其中第一种情况主要与具有高表面质量比的矿物有关,如胶体的情况。后两种作用是在地球化学中最为重要的过程,可以归结为热力学原因。所以大多数情况下微量元素在矿物中是呈固溶体形式存在的 (Ottonello,1997)。