元素在固结相中的存在形式能反映地质体的成因和物理化学条件。研究元素的存在形式可以判断已发生的地球化学作用的机制、迁移条件和演化历史。自然界元素在固相状态的主要存在形式如下。
1.独立矿物
独立矿物是指能用肉眼或在显微镜下进行观察和鉴定的矿物,一般粒径大于0.001mm。在地球化学系统中某一元素形成了独立的矿物相,说明在体系中相化合的组分达到了一定的活度,其浓度和形成的物理化学条件可通过相图进行分析和研究。如地质体系中宏量元素能形成造岩矿物或矿石矿物,微量元素常形成副矿物或杂质矿物。矿物结晶颗粒大小和晶形发育程度与其结晶和化学反应的动力学条件有关。因此,研究元素的独立矿物形式可以提供判断地球化学作用性质和条件的多种信息。
2.类质同象形式
类质同象形式 (或称为结构混入物态),是指元素以离子或原子质点占据共生元素矿物晶格的结点位置,而不改变晶格类型,且不引起晶格常数的明显变化,也称为固溶体相存在形式。微量元素参与主元素晶格不破坏矿物晶格,用机械和化学的方法都不能使之分离。类质同象形式是地球化学作用中微量和宏量元素常形成的固结形态,应用分配定律可计算多种形成环境参数。
3.超显微非结构混入物
超显微非结构混入物 (或称为超显微包体),元素呈微细化合物形态被包裹在其他矿物中或附着于主要矿物表面以及充填于其颗粒间隙中,一般粒径小于 0.001mm,难于使用矿物学方法观察研究。如在岩浆岩中的 Au、Ag、Pb、Bi、Hg 等,常可以呈超细硫化物存在,在沉积岩和土壤中这种以超显微非结构混入物形式存在的元素和化学形式更多。大多处于与岩石的主要成分弱结合,并为易活化的化学形式,因此属于活动态。
4.吸附状态
胶体以及晶体表面或解理面由于晶格电荷不平衡而吸附异性离子的现象。元素处于离子或分子化学形态,被吸附剂表面的静电吸附,是一种结合力较弱、易于被其他离子替代、交换而发生分离的存在形式。
5.有机物质相及元素与有机质结合态
地质体系中亲生物元素常形成独立的有机化合物相,它们大多与生物活动有关。其中,金属或离子也可以与有机化合物化合或被有机质胶体吸附,如血液中的铁、骨骼中的钙和脑细胞中的磷等。此外,微量金属元素加入有机物常形成金属有机化合物或金属有机络合物,如铜乙二胺络离子( [ Cu(H2O)2en]2+)等。生物活动及有机物质对元素的迁移富集有重要意义。
一种元素在同一地质体中可以有多种存在形式,如Nb 等微量元素在花岗岩中主要以类质同象形式存在,但当其含量较高时也可以有 Nb 的独立矿物形成。又如 Pb 在热液矿脉中主要以方铅矿和铅硫盐形式存在,同时有部分Pb 以类质同象形式进入其他硫化物或硅酸盐矿物中。元素在同一地质产物中存在于多种化合物相态,多种相态之间处于某种热力学平衡,称为地球化学分配,其分配关系受环境温度、压力等条件制约。
同样,在地质作用过程中元素的存在形式不是一成不变的,以Pb 为例,岩浆熔体中为简单离子Pb2+或PbS分子存在;岩浆岩中类质同象进入长石等矿物,少量呈微细颗粒的PbS分子非结构混入物形式;热液作用阶段与 Cl-、F-、HS-等结合成络离子,在热液脉中形成方铅矿和铅硫盐,部分以类质同象形式进入其他硫化物矿物中。在地表经风化作用后转变成白铅矿;在还原的沉积盆地中又可以生成方铅矿。