分配系数的测定及其影响因素

5.1.3.1 分配系数的测定

根据能斯特定律，分配系数需测定平衡体系中固相（结晶相）和液相（基质）两部分的微量元素浓度。目前常用两种方法测定微量元素浓度：直接测定法和实验测定法。

直接测定法：直接测定地质体中两平衡共存相的微量元素浓度，再按能斯特分配定律计算出分配系数。例如，测定火山岩中斑晶矿物和基质，或测定现代火山熔岩流中的矿物与淬火熔体（玻璃）或测定岩石中的共存矿物的分配系数。目前应用最广泛的是斑晶-基质法，火山岩中斑晶矿物代表熔体结晶过程中的固相，基质或淬火熔体代表熔体相———岩浆，两相中微量元素比值即为该元素的分配系数。1981年 Books用珍珠黑曜岩中褐帘石和玻璃间的稀土元素的浓度，分别计算出了它们各自的分配系数，见表5.1。值得注意的是：由于斑晶中含有杂质，要获得纯的矿物难度很大；斑晶边缘与核心部分微量元素的浓度不同，各部分的分配系数是不一致的；实际难以知道体系是在什么温度、压力条件下达到平衡的。鉴于以上原因，自20世纪60年代末开始，不少学者利用实验方法测定分配参数。

表5.1 珍珠黑曜岩中褐帘石的分配系数

实验测定法：用化学试剂合成与天然岩浆成分相似的玻璃物质；或者直接采用天然物质（如拉斑玄武岩）作为初始物质，实验使一种矿物和熔体，或者两种矿物间达到平衡，并使微量元素在两相中达到溶解平衡，然后测定元素在两相中的浓度，得出分配系数。实验测定分配系数的方法虽不断改善，但仍难以证明实验是否达到平衡以及难以选纯矿物，加上为了精确测定微量元素，实验过程中元素的浓度远远高于自然体系，这些都是应用实验结果研究问题的难题。迄今以实验方法获得的分配系数数据也较少见。

5.1.3.2 影响分配系数的因素

微量元素的分配受体系总成分、温度和压力等因素的影响。

（1）体系化学成分的影响。岩浆化学成分的变化在很大程度上取决于硅酸盐熔体的结构。不少研究表明，酸性岩浆熔体结构与基性岩浆熔体结构的 Si∶O分子比率是不同的，它决定了熔体中桥氧（Si-O-Si），非桥氧（Si-O-Me），自由氧（Me-O-Me）的比例及Si-O四面体结构团的聚合作用的程度，因此在两种硅酸盐熔体共存时微量元素的分配情况明显不同。Watson（1976）、Ryerson（1978）等实验表明：Cs、Ba、Sr、La、Sm、Gd、Lu、Cr、Nb、Ta 等微量元素在不混熔的基性和酸性熔体中的分配存在较大的差异，分配在酸性熔体中的Cs是基性熔体的3倍，Ba、Sr为 1.5 倍，其他元素为 2.3～4.3 倍。体系化学成分对微量元素分配系数影响的另一个较好的实例，是火山岩中斜长石矿物系列对稀土元素分配系数的控制（表5.2），其中元素 Eu随各火山岩中斜长石中钙长石（anorthite）含量的增多，其分配系数趋于减小。

表5.2 不同成分斜长石的稀土元素分配系数

（2）温度对分配系数的影响。由能斯特定律可导出：

地球化学

式中：ΔH 表示微量元素在两相中的热焓变化；B 是积分常数；R 是气体常数，分配系数的自然对数与体系温度的倒数呈线性关系，这就是设计微量元素地质温度计的基础原理。

图5.1 石榴子石橄榄岩中分配系数与压力的关系

（3）压力对分配系数的影响。由于各种条件的限制，目前在这方面报道的资料很少，但是有一点已通过实验证实：在相当于上地幔压力条件下，稀土元素在富水的蒸汽和石榴子石、单斜辉石、斜方辉石、橄榄石之间的分配系数为1～200，分配系数随压力的增大而迅速增加（图5.1）。

综上所述，分配系数在不同程度上受到体系的化学成分、温度、压力等诸多因素的影响，为此我们在选用分配系数时，要尽量选择与所研究的体系条件相近（化学成分、温度、压力）的分配系数值，这样分析、解决问题的效果会更客观些。