① 微量元素組成及其地球化學特徵
1.微量元素組成
油頁岩中微量元素含量受多種因素控制，元素地球化學性質復雜，礦區不同層位油頁岩微量元素含量變化較大(表4-18)，以Ba含量最高，微量元素均未達到工業品位。油頁岩段中V、Cr、Co、Ga、Rb、Nb、Cs、Ba、Pb、Cu、Zn元素的平均含量較中-下煤層間油頁岩層明顯富集;Th、U、Ni、Zr元素平均含量與中-下煤層間油頁岩層很相近;中-下煤層間油頁岩層富集Sr元素。
2.微量元素地球化學特徵
微量元素Sr、Ba化學性質十分相似，它們均可以形成可溶性重碳酸鹽、氯化物和硫酸鹽進入水溶液中，與鍶相比，鋇的化合物溶解度要低如河水所攜帶的Ba2+在與SO2-4相遇時很容易形成難溶硫酸鋇而發生沉澱作用因而多數鋇元素在近岸沉積物中富集，碳酸鹽礦物對鍶的捕獲能力較強，因此，Sr/Ba值常用來作為區分淡水和鹹水的沉積標志，鹹水沉積時Sr/Ba＞1;淡水沉積時Sr/Ba＜1，礦區不同層位油頁岩Sr/Ba值為0.20～0.89，均小於1，說明其古鹽度很低，反映出湖水介質屬淡水內陸湖盆環境的特徵，通過分析比較，發現油頁岩段中部Sr/Ba比值變化較大，表明沉積水體的鹽度在一定范圍內具明顯的波動性，沉積環境也在不斷地變化。
表4-48 達連河礦區油頁岩微量元素分析結果表WB10-6
表4-19 達連河礦區油頁段元素相關素數表
元素V、Cr、Co、Ni為鐵族微量元素，V、Ni含量與粘土礦物、有機質含量及沉積物沉積時含氧程度關系密切，一般V/Ni比值與沉積時氧化還原電位有關，礦區油頁岩V/Ni比值為1.14～6.17，總體反映的是弱氧化—弱還原的沉積環境。
3.微量元素的相關性
微量元素的相關性主要受元素的地球化學性質、沉積環境、表生作用及成岩作用的影響，這些作用使元素發生分異而相關性變差，礦區油頁岩段微量元素R型聚類分析結果表明(表4-19)，在相關系數檢驗水平是0.9時，REE與Co正相關，Al2O3與Rb、Cs、Zr、Nb、Cu、Zn相關性好，Cr與Ni正相關，而其他微量元素的相關性相對較差(圖4-18)，分析認為由於研究區古氣候、物源區母岩風化作用、沉積環境發生了較大變化，導致了微量元素之間的相關性呈現較復雜現象。
圖4-18 達連河礦區油頁岩段微量元素R型聚類分析圖
② 化學中常量元素和微量元素有哪些
已被確認與人體健康和生命有關的必需微量元素有18種，即有鐵、銅、鋅、鈷、錳、鉻、硒、碘、鎳、氟、鉬、釩、錫、硅、鍶、硼、銣、砷等。這每種微量元素都有其特殊的生理功能。
所謂微量元素，在環境地球化學中，是指僅佔地球組成部分的0.01%的60餘種元素，它們的含量一般在1×10-8～1×10-88之間。在醫學領域，從人體的結構來看，占人體總重量萬分之一以下者即為微量元素。
③ 地球化學微量元素包括稀土元素嗎
稀有元素包括鋰、銣、銫、鈹、鋯、鉿、鈮、鉭8種元素,這些元素都屬於地殼中豐度值較低（除鋯外都低於4ppm）的親石元素，並常在酸性岩類或鹼性岩類的分異體或交代體中以多種獨立礦物形式富集。
典型分散元素如鍺、鎵、鉈、銦等
微量元素有許多同義詞和近義詞，如痕量元素、微跡元素、次要元素、少量元素、雜質元素、附屬（副）元素、稀有元素、分散元素等。
稀土就是化學元素周期表中鑭系元素——鑭(La）、鈰(Ce）、鐠(Pr）、釹(Nd）、鉕(Pm）、釤(Sm）、銪(Eu）、釓(Gd）、鋱(Tb）、鏑(Dy）、鈥(Ho）、鉺(Er）、銩(Tm）、鐿(Yb）、鑥(Lu），以及與鑭系的15個元素密切相關的元素—釔(Y)和鈧(Sc)共17種元素，稱為稀土元素。
④ 十四種必需微量元素名稱
一， 人體需要哪些元素？
所謂微量元素，在環境地球化學中，是指僅佔地球組成部分的0.01%的60餘種元素，它們的含量一般在1×10-8～1×10-88之間。在醫學領域，從人體的結構來看，占人體總重量萬分之一以下者即為微量元素。根據機體對微量元素的需要情況，那些對維持生物體正常生命活動不可缺少的，必須通過食物攝入且每日膳食需要量都在100mg以下的微量元素稱為必需微量元素。人體是由40多種元素構成的，根據元素在體內含量不同，可將體內元素分為兩類：其一為常量元素，占體重的99.9%，包括碳、氫、氧、磷、硫、鈣、鉀、鎂、鈉、氯等10種，它們構成機體組織，並在體內起電解質作用；其二為微量元素，占體重的0.05%左右，包括鐵、銅、鋅、鉻、鈷、錳、鎳、錫、硅、硒、鉬、碘、氟、釩等14種，這些微量元素在體內含量雖然微乎其微，但卻能起到重要的生理作用。人體必需微量元素共8種，包括碘、鋅、硒、銅、鉬、鉻、鈷、鐵。微量元素是指在機體內其含量不及體重萬分之一的元素。
二， 這些微量元素為什麼對生命活動有十分重要的作用
總的來說，微量元素在人體中的主要功能是：
（1）在酶系統中起特異的活化中心作用。
微量元素使酶蛋白的亞單位保持在一起，或把酶作用的化學物質結合於酶的活性中心。鐵、銅、鋅、鑽、錳、鋁等，能和疏基、膠基、異吡唑基、按基、羥基等配位基或分子基因相絡合，形成絡合物，存在於蛋白質的側鏈上。
（2）在激素和維生素中起特異的生理作用
某些微量元素是激素或維生素的成分和重要的活性部分，如缺少這些微量元素，就不能合成相應的激素或維生素，機體的生理功能就必然會受到影響。如甲狀腺激素中的碘和維生素B12中的鑽都是這類微量元素。
（3）輸送元素的作用
某些微量元素在體內有輸送普通元素的作用。如鐵是血紅蛋白中氧的攜帶者，沒有鐵就不能合成血紅蛋白，氧就無法輸送，組織細胞就不能進行新陳代謝，機體就不能生存。
（4）調節體液滲透壓和酸鹼平衡。微量元素在體液內，與鉀、鈉、鈣、鎂等離子協同，可起調節滲透壓和體液酸鹼度的作用，保持人體的生理功能正常進行。
（5）影響核酸代謝。 核酸是遺傳信息的攜帶者，核酸中含有相當多的鉻、鐵、鋅、錳、銅、鎳等微量元素，這些微量元素，可以影響核酸的代謝。因此，微量元素在遺傳中起著重要的作用。
（6）防癌、抗癌作用。 有些微量元素，有一定的防癌、抗癌作用。如鐵、硒等對胃腸道癌有桔抗作用；鎂對惡性淋巴病和慢性白血病有抬抗作用；鋅對食管癌、肺癌有桔抗作用；碘對甲狀腺癌和乳腺癌有桔抗作用。
這些元素的功用具體分述如下：
碘是合成甲狀腺激素的重要微量元素，甲狀腺激素通過血液作用於靶器官，尤其是肝、腎、肌肉、心臟和發育中的大腦。碘缺乏與碘過量，都於健康不利。碘缺乏可影響兒童身高、體重、骨骼、肌肉的增長和性發育，其中對於胎兒和嬰幼兒腦發育與神經系統發育形成的損傷不可逆轉。碘過量可以引起中毒及發育不良，尤其是對於嬰幼兒的影響更為明顯。臨床資料顯示，長期攝入過量的碘，可以引起急性甲亢、甲狀腺腫，嚴重的還可以引發甲狀腺癌。盡管多數人對碘有較高的耐受性，但由於嬰幼兒身體發育尚不健全，對於碘過量反應可能會靈敏。
鐵。鐵在人體中含量約為4—5克。鐵在人體中的功能主要是參與血紅蛋白的形成而促進造血。在血紅蛋白中的含量約為72%。鐵元素在菠菜、瘦肉、蛋黃、動物肝臟中含量較高。
銅。正常成人體內含銅100—200毫克。其主要功能是參與造血過程；增強抗病能力；參與色素的形成。銅在動物肝臟、腎、魚、蝦、蛤蜊中含量較高；果汁、紅糖中也有一定含量。
鋅。對人體多種生理功能起著重要作用。參與多種酶的合成；加速生長發育；增強創傷組織再生能力；增強抵抗力；促進性機能。鋅在魚類、肉類、動物肝腎中含量較高。
氟。是骨骼和牙齒的正常成分。可預防齲齒，防止老年人的骨質疏鬆。含氟量較多的食物有糧食(小麥、黑麥粉)、水果、茶葉、肉、青菜、西紅柿、土豆、鯉魚、牛肉等。
硒。成年人每天約需0.4毫克。硒具有抗氧化，保護紅細胞的功用，並發現有預防癌症的作用。硒在小麥、玉米、大白菜、南瓜、大蒜和海產品中含量較豐富。
碘。通過甲狀腺素發揮生理作用，如促進蛋白質合成；活化100多種酶；調節能量轉換；加速生長發育；維持中樞神經系統結構。碘海帶、紫菜、海魚、海鹽等中含量豐富。
微量元素與人類健康有密切關系。它們的攝入過量、不足、或缺乏都會不同程度地引起人體生理的異常或發生疾病。微量元素最突出的作用是與生命活力密切相關，僅僅像火柴頭那樣大小或更少的量就能發揮巨大的生理作用。值得注意的是這些微量元素必須直接或間接由土壤供給。根據科學研究，到目前為止，已被確認與人體健康和生命有關的必需微量元素有18種，即有鐵、銅、鋅、鈷、錳、鉻、硒、碘、鎳、氟、鉬、釩、錫、硅、鍶、硼、銣、砷等。這每種微量元素都有其特殊的生理功能。盡管它們在人體內含量極小，但它們對維持人體中的一些決定性的新陳代謝卻是十分必要的。一旦缺少了這些必需的微量元素，人體就會出現疾病，甚至危及生命。國外曾有報道：機體內含鐵、銅、鋅總量減少，均可減弱免疫機制(抵抗疾病力量)，降低抗病能力，助長細菌感染，而且感染後的死亡率亦較高。微量元素在抗病、防癌、延年益壽等方面都還起著不可忽視的作用。
微量元素與人類健康密切相關。近年來，微量元素被認為是關繫到人類健康和長壽的一個充滿希望的新領域，已引起國內外營養界和醫學界的普遍重視。那麼，微量元素與健康有什麼樣的關系呢?下面我們看看部分微量元素是如何影響人體健康的。
鈷元素。是維生素B12的重要組成部分。鈷對蛋白質、脂肪、糖類代謝、血紅蛋白的合成都具有重要的作用，並可擴張血管，降低血壓。但鈷過量可引起紅細胞過多症，還可引起胃腸功能紊亂，耳聾、心肌缺血。
氟元素。氟是人體骨骼和牙齒的正常成分。它可預防齲齒、防止老年人的骨質疏鬆。但是，過多吃進氟元素，又會發生氟中毒，得「牙斑病」。體內含氟量過多時，還可產生氟骨病，引起自發性骨折。
鉻元素。可協助胰島素發揮作用，防止動脈硬化，促進蛋白質代謝合成，促進生長發育。但當鉻含量增高，如長期吸入鉻酸鹽粉，可誘發肺癌。
由此看來，微量元素雖對人體特別重要，但攝入量過多過少都能引起疾病。目前發現許多地方病和某些腫瘤都與微量元素有關。
近幾年來，醫學界對微量元素的研究日益加深，這些看來不起眼的元素，對人的健康有著舉足輕重的作用。當然，少女健美也離不開它。
鎂元素是構成人體內多種酶的重要來源。鎂盡管在人體中的含量微乎其微，可缺乏鎂元素人們就會精神疲憊、面黃肌瘦、皮膚粗糙，甚至情緒不穩定，面部、四肢肌肉顫抖。少女一旦出現上述症狀，就應當檢查一下鎂元素是否正常。如果鎂元素缺乏或偏低，則可適當服用具有補鎂作用的葯物。據研究，無花果、香蕉、杏仁、冬瓜子、玉米、紅薯、黃瓜、珍珠粉、蘑菇、柿子、黃豆、紫菜、橘子等，含有豐富的鎂元素。
鋅是人體中最重要的微量元素之一，主要集中在肝內和肌肉、皮膚之中。當鋅缺乏時，會引起少女食慾減退、免疫功能低下、眼睛呆滯無神、皮膚粗糙易感染、貧血、視力下降、毛發枯燥，甚至引起肝脾腫大，從而導致發育緩慢。部分少女顏面痤瘡、粉刺較多，也與鋅元素缺乏有關。鋅缺乏同樣可用食補。一些動物食品，諸如牡蠣、魚類、動物肝臟、肉類、蛋中含有大量的鋅元素。
鐵元素在成人體內約含3-5克，其中60-70%存在於血紅蛋白內。缺鐵常常導致貧血，這不僅可使少女容顏遜色，還會對整個身體帶來麻煩，以致發生頭暈、心慌、體力下降、記憶力減退、注意力不集中、抗病能力低下等症狀，失去少女健美的基礎。動物血、動物肝臟、芝麻醬、黑木耳、蘑菇、海藻類、豆製品、海蝦、海參、烏魚、菠菜、黃豆等，均含有大量的鐵元素，可適當增加進食量。
銅含量在體內減少時，會影響鐵的吸收，導致鐵的利用障礙，最終發生缺鐵性貧血。銅還與人體皮膚的彈性、潤澤有密切的關系。銅缺乏時，會引起少女皮膚乾燥粗糙、面色蒼白、免疫力下降，甚至影響今後的生育功能。(王麗）
三，你知道人體中這些微量元素的補充來源嗎
礦物質是構成人體組織和維持正常生理功能所必需的各種元素的總稱，有鐵、銅、碘、鋅、硒、錳、鉬、鈷、鉻、錫、釩、硅共14種。存在數量極少，在機體內含量少於0.005%的元素，被稱為微量元素。它們在體內不能自行合成，必須由外界環境供給，並且在人體組織的生理作用中發揮著重要的功能，是維持機體酸鹼平衡和正常滲透壓的必要條件。
在人體的新陳代謝過程中，每天都有一定數量的礦物質通過糞便、尿液、汗液、頭發等途徑排出體外，因此必須通過飲食予以補充。但是由於某些微量元素在體內，其生理作用劑量與中毒劑量接近，因此過量攝入不但無益反而有害。尤其在孕期，補充微量元素強化食品時應予以注意。從無機鹽在食物中的分布以及吸收情況來看，在我國人群中比較容易缺乏的礦物質有鈣、鐵、鋅。
從營養缺乏病發生、發展的一般規律來看，在患者沒出現臨床症狀之前，在其血、尿活體組織(如毛發、指甲等)中可發現一些微量元素及其代謝衍生物的變化，目前也確實有一些醫療機構通過檢查頭發或者血液中的微量元素，來判斷是否缺乏。但從科學角度講，這種檢測手段並不完全可信，或者沒有太多的參考價值。因為人體是一個能夠自我平衡的靈敏反應的整體，當身體內缺乏某種元素時，能夠及時調整以補充其不足。然而當這一代償能力不能補充人體的繼續消耗時，才會表現出臨床化驗指標的異常，再持續一段時間才會表現出臨床的症狀。由於微量元素的檢查需要非常嚴格的取樣程度和高精尖的儀器設備，如果正規檢查則需要較高的檢查費用，這在一般的醫療機構是無法做到的，而等到臨床上已經出現症狀時則只能通過葯物來治療了。
健康的人體對鋅的需求量很低。一般生理需要量，1歲以下3~5毫克/天，寶寶僅需6~8毫克/天。如果長期補鋅過多，容易引起或加重缺鐵性貧血。 補充維生素不能只靠吃維生素片人體不能合成維生素，必須從食物中獲得。加上很多廣告宣傳中，維生素的作用往往被無限誇大。人們認為應該多補充各種維生素，不然身體不健康。其實如果膳食安排得當，一般不會缺乏維生素，過多地服用維生素並不能使身體更強壯、更有活力。不同的維生素來自不同的食物，在日常飲食中要吃多種多樣的食物，以獲得充足的各種維生素，不能只靠吃維生素葯片。膳食平衡是補充微量元素的關鍵微量元素的補充應盡量從天然食物中攝取。例如，動物內臟、血、黃豆粉均含有豐富的鐵，瘦肉、紅糖、蛋黃、乾果也是鐵的良好來源；含碘量豐富的食物為海產品，如海帶、紫菜、鮮魚、蚶干、干貝、淡菜、海參、海蜇等。據2004年發布的「中國居民營養與健康狀況調查」結果顯示，我國居民正面臨營養過剩與營養缺乏的雙重挑戰。與膳食密切相關的慢性非傳染性疾病患病率上升迅速，居民普遍缺乏微量元素。肥胖等引致慢性病的重要因素的發生率還會大幅增加。
不同的食物含有不同的營養物質，而不同食物的組合、互補，可提高食物的營養價值。例如谷類和豆類混食，可提高蛋白質的質量，因為谷類缺乏賴氨酸，而豆類缺乏蛋氨酸，兩者結合可以取長補短。因此，每天應吃谷類、豆類、薯類、蔬菜、鮮果等幾大類食物，加上適量油脂等調味品，並要經常變換花樣。此外，應注意不要把可能影響營養功效的食物同一餐食用，如菠菜中草酸含量高，與豆腐同食，其中的草酸與鈣可變成草酸鹽，影響鈣的吸收。
人是恆溫動物，無論是天寒地凍還是烈日炎炎，體溫都維持在36.5至37攝氏度之間，且主要是通過產熱與散熱的平衡來調節。高溫中，人體為了散發體內的熱，一天的汗量可以多達3至10升。從理論上講，人體在每流出和蒸發1公升汗液的同時，便能從身體帶走580千卡的熱量。在流出的汗液中，除水分外，還有鈉、鉀、鈣、鎂等微量元素和無機鹽。這些物質對於人體是極為珍貴的。另外，汗液中還含有乳酸、尿素、氨、氨基酸等含氮物質，特別是高溫能加速人體組織蛋白的分解，汗液中含有較多的賴氨酸；大量流汗還會造成人體內過多的水溶性維生素如維生素C、B1、B2等流失。因此，在炎熱的夏季要注意補充微量元素。
微量元素的補充主要依靠食物，因此人們的飲食應當豐富多樣、粗細搭配，以維持體內微量元素含量的正常與均衡，如有明顯缺乏或過量引起相關疾病者應盡早就醫及時給予葯物治療。
鐵：動物性食物中，如肝臟、動物血、肉類和魚類所含的鐵為血紅素鐵，血紅素鐵也稱亞鐵，能直接被腸道吸收。植物性食品中的谷類、水果、蔬菜、豆類及動物性食品中的牛奶、雞蛋所含的鐵為非血紅素鐵，這種鐵也叫高鐵，以絡合物形式存在，絡合物的有機部分為蛋白質、氨基酸或有機酸，此種鐵須先在胃酸作用下與有機酸部分分開，成為亞鐵離子，才能被腸道吸收。所以動物性食品中的鐵比植物性食品中的鐵容易吸收。為預防鐵缺乏，應該首選動物性食品。
鋅：動物性食品中的牛肉、豬肉、羊肉、魚類、牡蠣含鋅量高。植物性食品中的蔬菜、麵粉含鋅量少，且難吸收。
銅：含銅最多的食品是肝臟，大多數的海產食品，如蝦、蟹含銅較多。豆類、果類、乳類含銅較少。
碘：因海水含碘豐富，所以海產品都含有碘，特別是海帶、紫菜含碘最多。
硒：穀物、肉類、海產品含量高，除缺硒地區外，一般膳食不缺硒。
因各種食品含微量元素多少不同，為預防微量元素缺乏，應吃多種食物做成的混合食物，不能偏食、挑食.
⑤ 微量元素的分類
微量元素經常成組進行研究,偏離成組行為或有規律變化的行為可以作為成岩過程的標志。具有類似行為的微量元素組合也能夠幫助我們簡化那些難用的數據。可以根據微量元素在周期表上的位置,或者根據它們在岩漿過程中的行為以及元素的離子半徑和電荷進行分類。
1.一般性分類
White (2013)把在地球中的硅酸鹽部分,即總硅酸鹽地球 (Bulk Silicate Earth-BSE)中,摩爾豐度超過 1%的7 種元素O、Mg、Si、Fe、Al、Ca和Na以外的元素都歸為微量元素。在周期表上,元素又被分為揮發性元素 (H、N、He、Ne、Ar、Kr、Xe)、半揮發性元素 (C、As、Sb、S、Se、Te 和鹵族元素)、鹼性/鹼土微量元素 (Li、K、Rb、Sr、Ba)、第一過渡系列金屬元素、稀土元素、高場強元素、貴金屬元素以及 U/Th衰變系列元素等。
Rollinson (1993)指出,周期表中上述各組元素都具有特殊的地球化學意義,其中最明顯的是以下三組元素:原子序數從57～71的鑭系元素或稀土元素 (REE)、原子序數為44～46和76～79號的鉑族元素 (PGE)或稱為貴金屬元素 (包括 Au)以及原子序數為21～30的第一過渡系列元素 (包括 Fe 和 Mn)。這三組元素相應都有類似的地球化學性質,因此在地質作用過程中具有相似的地球化學行為。但情況並非完全如此,這是由於地質過程能夠利用元素的顯微化學差異將一種元素與該組其他元素分離。因此微量元素地球化學的任務之一就是發現究竟是哪種地質過程產生了這樣的效應,並定量研究這種特殊過程的強度和廣度。
2.根據分配系數進行分類
在建立微量元素的分配系數後,可以根據微量元素在內生地質作用即岩漿過程中固相和液相 (氣相)之間的分配行為將微量元素分為相容元素與不相容元素兩類 (圖5-16)。
圖5-16 一些元素的離子半徑與化合價關系圖
(據Marshall et al.,1999)
當地幔物質發生熔融時,微量元素將展現出對於熔體相或固相的偏愛。固相部分熔融或岩漿結晶過程中偏愛固相的微量元素被稱為相容元素 (compatible element),比如那些偏愛進入像橄欖石和輝石等普通礦物的Mg 和 Fe 位置的元素;偏愛熔體相的元素被稱為不相容元素 (incompatible element)或濕親岩漿元素 (hygromagmatophile element),比如那些在硅酸鹽熔體分離結晶過程中被排擠出主礦物晶格而聚集於殘余熔體中的元素。根據微量元素分配系數,凡是在固相(礦物)和液相(熔體)之間分配系數
在實際地質過程中,元素的相容和不相容性有程度上的差異,在不同組成的熔體中,微量元素的行為會發生改變。如在地幔礦物中磷是不相容元素,在部分熔融過程中將很快集中於熔體相中,但是在花崗岩中,即使作為微量元素,磷也是相容元素,因為它被容納於少量副礦物磷灰石中。
3.根據元素電荷與離子半徑的比值進行的分類
根據元素離子的電荷/半徑比值可以對不相容元素進行再分類。具有類似比值的元素呈現非常相似的地球化學行為。
元素的離子電位等於離子電荷與離子半徑之比值。離子電位又被稱為場強 (field strength),指陽離子單位表面積所帶的靜電荷,表徵離子在化學反應中吸引價電子的能力。根據場強將微量不相容元素分為高場強元素和低場強元素 (圖5-16)。
根據離子電位,進一步將大離子和/或高電價的不相容元素分為大離子親石元素 (Large Ion Lithophile Element,LILE)和高場強元素 (High Field Strength Element,HFSE)。
高場強元素的離子電位大於 2.0,它們是離子半徑小的高電荷陽離子。在地球化學上,高場強元素包括所有+3 價、+4 價的離子,還有部分+5 價和+6 價的離子,如Ti3+、Zr4+、Hf4+、Ta4+、Nb5+、Th4+、U4+、U6+、部分稀土元素、鉑族元素等。雖然它們也適應於許多礦物中的陽離子位置,但是這些攜帶較多電荷的小離子能產生較強的靜電場,很難替代普通造岩礦物中的主量元素,需要更多的補償類質同象才能達到電荷平衡,這樣的替代在能量上是不利的。Zr、Hf 是中等不相容元素,Nb、Ta 是高度不相容元素,它們的電負性略大於鹼性、鹼土以及 REE 元素,使得它們在成鍵時具有更強的共價鍵性,也不利於與礦物中的元素呈類質同象替代。
高場強元素一般在水溶液中特別難溶,在風化和變質過程中非常不活潑,可以用於火成岩形成構造環境的判別,與那些來自離散板塊邊緣的元素相比,來自會聚板塊邊緣的火成岩虧損高場強元素,這被認為是與消減帶有關岩漿作用的鑒別特徵。雖然它們的虧損原因還不十分理解,至少部分是因為這些元素的溶解度低,造成在削減洋殼搬運它們進入岩漿產生帶因脫水產生的水溶液中發生虧損,可以用於研究古火成岩岩套的形成環境。
大離子親石元素又稱為低場強元素 (Low Field Strength Elements,LHSE),它們的離子電位小於 2.0 ,是離子半徑大的低電荷陽離子。包括 K、Rb、Cs、Sr、Ba、REE、Th和U。目前認為,此類元素局限於具有較小離子電位的親石元素,它們的離子半徑大於Ca2+和Na+,一般是那些形成造岩礦物的最大陽離子。根據這一定義,低場強的大離子親石元素局限於K、Rb、Cs、Sr、Ba和輕稀土元素LREE (Marshall et al.,1999)。
該組元素的離子半徑和電荷制約了它們在岩漿過程中的行為。在玄武岩和超基性岩中有兩類陽離子晶格位置:被Si和Al占據的小的四面體位置 (有時為 Fe3+和 Ti4+),和被Ca、Mg或Fe甚至Na占據的更大的八面體位置。鹼性和鹼土元素的離子半徑大於八面體位置,這些元素在這些位置替代時會造成晶格的局部畸變,這在能量上不利。因此當熔融或結晶作用發生時,這些元素偏向於集中在熔體相中。從元素的活動性上,低場強元素活動性較強,屬於活潑元素,在地質歷史的地幔部分熔融過程中,伴隨著熔體噴發或侵入進入地殼,使得地殼特別是上地殼富集這些不相容元素。
圖5-17是White提出的地球化學分類周期表,分類主要依據的是元素的地球化學行為。以展開式元素周期表為基礎,根據元素在地質過程中的地球化學行為,將元素分為9類:①揮發性元素,包括5個惰性氣體元素和 H、N;②半揮發性元素,包括鹵族元素、半揮發元素S、Se、Te、As、Sb 以及 C;③主量元素,指構成地球和地殼物質主要組成的元素,如 O、Al、Si、Na、Mg、Ca、Fe;④第一過渡系列元素;⑤高場強元素;⑥貴金屬元素;⑦鹼性 鹼土微量元素;⑧稀土及其相關元素;⑨U/Th衰變系列元素。
圖5-17 根據元素地球化學行為分類的地球化學周期表
(據 White,2013)
⑥ 微量元素地球化學
義縣期火山岩的微量元素分布狀況概述如下。
1.微量元素的含量變化
1）相容元素：由前列表3-5-2可見，義縣期火山岩中相容元素（Cr、Ni、Co、V、Sc），從初始期—主期—晚期—末期其含量呈明顯降低趨勢。初始噴發期的鉀質粗面玄武岩、橄欖玄武粗安岩中，Cr為390.3～154.3 μg/g、Ni為208.5～102.0 μg/g、Co為44.1～31.7 μg/g、Sc為22.1～17.4 μg/g等元素含量介於上地幔與地殼之間，而V為209.4～138.7 μg/g較高。與中國玄武岩類對比，其Cr、Ni較高，而Co、V和Sc偏低。四合屯地區義縣旋迴初始噴發期的鉀質粗面玄武岩和橄欖玄武粗安岩類Cr、Ni明顯偏高，而Co、V和Sc偏低。其中，部分樣品的Cr、Ni含量分別達到1003.7～466.4 μg/g和303.9～234.7 μg/g，遠大於洋殼值，說明其來源可能深達地幔。主噴發期的安粗岩和粗面英安岩類，上述相容元素含量與初始期岩石比較均相應降低，有的如V、Sc降低尚較明顯；如與中國玄武安山岩和安山岩對比，則Cr、Co相近，Ni略高，V、Sc明顯偏低。晚噴發期的安粗岩和粗面英安岩等與主期岩石對比，Cr、Ni、Co、V和Sc均明顯偏低。其中，Cr、Ni低幾十倍，Co、V低1～2倍，Sc略低。末期的流紋岩及粗面英安岩類的Cr、Ni含量略有增高，但Co、V和Sc更加偏低。總的看，義縣旋迴火山岩，從早到晚相容元素含量呈明顯降低趨勢。此外，與初始噴發期相伴的潛火山相岩石同中國玄武岩相比，其Cr、Ni含量明顯偏高，Co相近，V略高或相近，Sc略低；與主噴發期相伴的潛火山相岩石，其Cr、Ni、Co、V 和Sc均明顯的低，有的低40～25倍，如Cr、Ni，有的（Co、V、Sc）低7～2倍。
2）大離子親石元素（Rb、Sr、Ba、Pb 等）：義縣旋迴初始噴發期火山岩的大離子親石元素含量為Rb（52.7～33.5μg/g）、Sr（158.1～855.1μg/g）、Ba（2306.0～864.7μg/g）、Pb（11.6～6.4μg/g），其中 Rb介於上地幔與地殼之間，而 Sr、Ba、Pb 極高。與中國玄武岩對比，除Pb略高或相近外，Rb、Sr、Ba均明顯偏高，一般高2 倍左右；主噴發期的岩石與中國玄武安山岩和安山岩對比，Rb、Sr、Ba 亦明顯偏高，Rb 高 0.5 倍左右，Sr、Ba 高 2～3 倍，Pb相近；晚期的火山岩，大部分Rb高2～3 倍，Sr略高或高 1～2 倍，Ba高 2～3 倍。潛火山相岩石，與初始期相伴者，同中國玄武岩對比，Rb，Sr，Ba均偏高，Pb相近，Rb高0.5～1倍，Sr和 Ba高2～2.5倍。與主噴發期相伴者，同中國玄武安山岩和安山岩對比，Rb高出3～6倍，Sr相近，Ba高出2～4倍，Pb最為富集，高出2倍以上。
圖3-5-4 義縣-北票地區義縣期火山岩稀土元素分布模式圖
3）不相容元素（Nb、Ta、Zr、Hf）：義縣旋迴初始噴發期火山岩的不相容元素含量為Nb（30.45～11.14 μg/g）、Ta（1.25～0.58 μg/g）、Zr（323.9～163.8 μg/g）、Hf（8.51～4.60 μg/g），與上地幔和地殼相比，Nb較高；同中國玄武岩對比，Nb、Ta均明顯偏低，Nb為其0.5倍或略高，Ta為0.5倍或略低，Zr、Hf極高，Ta相近。主噴發期火山岩同中國玄武安山岩和安山岩對比，Nb、Ta亦明顯偏低，多為其0.5倍或更低。Zr、Hf則偏高，尤其是Hf晚噴發期火山岩與其對比，部分樣品Nb、Ta偏高，其餘相近；Zr、Hf明顯偏高，Zr、Hf均高出0.5～12倍，有意思的是其Nb、Ta、Zr、Hf含量與主噴發期火山岩上部層位的樣品相當。末期火山岩的Nb、Ta、Zr、Hf含量均偏低。主期、晚期和末期火山岩的Nb、Ta、Zr、Hf含量與初期相比有逐漸增高的趨勢。在潛火山相岩石中，與初始噴發期伴隨者，同其周圍的火山岩對比，亦是Nb、Ta偏低，個別Nb高，Zr、Hf偏高。與主噴發期伴隨者，與火山岩對比則不同，其Nb、Ta、Zr、Hf均異常高，Nb高0.5～1倍，Ta高0.5倍多，Zr、Hf高1.5～2倍。
4）放射性元素（Th、U）：本區初始期火山岩Th（3.11～9.13 μg/g）高於上地幔，與地殼相近，V（0.28～1.18 μg/g）介於上地幔與地殼間，同中國玄武岩對比，其Th均略偏高，少數高1～2倍。U少數略高，多數偏低。主期火山岩同中國玄武安山岩和安山岩對比，Th明顯偏高，部分高1～2倍，U亦多數偏高，少數偏低。晚期和末期火山岩與之對比，Th和U均明顯偏高，Th高1～3倍，U高0.5～2倍。顯然，義縣旋迴火山岩，由初期—主期—晚期—末期，Th、U含量是逐漸增高的。潛火山相岩石與其周圍火山岩對比大體相近，主期潛火山岩中，Th高3～4倍，U高2～3倍。
2.微量元素配分模式
圖3-5-5為義縣期火山岩微量元素原始地幔標准化模式圖，即蛛網圖。由圖可見，義縣旋迴初始噴發期（a）、主期（b）火山岩的蛛網圖，極其相似，表現出大離子親石元素的明顯富集，Ba、K、La、Ce、Sr、Nm、Sm、Eu均呈尖峰或隆起狀態，而Nb、Ta、P、Zr、Hf、Ti則顯示不同程度的虧損，均為凹形谷。這可能是鋯石、磷灰石和鈦鐵礦分離結晶的結果（李伍平等，2001）。其中，Nb、Ta、P、Ti虧損較明顯，而Zr、Hf較微弱。Th、U亦明顯虧損。這在四合屯地區的初始噴發期火山岩蛛網圖（e）中表現更加明顯。特別是Gp2號樣品，其Ba、La、Eu、Tb的富集和Th、U、Nb、Ta的虧損更加突出。在晚期（c）和末期（d）火山岩微量元素蛛網圖與初期和晚期的雖大體相似，但有明顯差別，由於Rb 和Th、U 的含量增加，Ba峰不再突出，La、Ce 峰顯著，Sr 則為某種程度的相對虧損，而Zr、Hf 虧損就極其微弱了。潛火山相岩石微量元素蛛網圖與相應期次的火山熔岩有某種程度的相似，但不同期次的潛火山相岩石間，彼此有較大差別。與初始期岩石對比，主期岩石在Nb、Ta、Zr、Hf上相對富集，而Sr相對虧損，表現其在蛛網圖上的投影有相應變化。反映出主期潛火山相岩石形成中有較多地殼物質混染。
3.微量元素豐度和特徵元素比值的判別意義
根據表3-5-2給出的稀土元素、微量元素（如Rb、Ba、Tu、Zr、Hf、Sm、Ce、Sr、Cr、Sc、Nb、Ta、Y）的含量看，與板內玄武岩，特別是與板內鹼性玄武岩相近，部分與火山弧的橄欖安粗岩相近。義縣期火山岩中w（SiO2）＜56%，w（MgO）＞8%和Sr＞200 μg/g的粗面玄武岩-玄武粗安岩樣品，其Zr/Nb、La/Nb、Ba/Nb、Ba/Th、Rb/Nb、K/Nb、Th/Nb、Ba/La比值多與大陸地殼十分相近，只有Th/La值與原始地幔的Th/La值相近。
圖3-5-5 北票—義縣地區義縣組火山岩微量元素蛛網圖