第章微量元素地球化学岩浆作用模型.ppt

20 五月 2023第章微量元素地球化学第章微量元素地球化学岩浆作用模型岩浆作用模型4.2 岩浆作用过程中微量元素分配岩浆作用过程中微量元素分配演化的定量模型演化的定量模型*24.2.1 岩浆形成过程中部分熔融的定量模型岩浆形成过程中部分熔融的定量模型4.2.2 岩浆结晶过程中结晶作用模型岩浆结晶过程中结晶作用模型2013/10/11自然体系如岩自然体系如岩浆浆作用中，作用中，元素在不同相元素在不同相间间的分配并的分配并非是静非是静态态的分配，的分配，而是而是动态动态演演进进式式的分配。的分配。例如例如橄橄榄榄石自玄武岩石自玄武岩浆浆中中结结晶晶(Ni在橄在橄榄榄石与熔体石与熔体间间的分配系数的分配系数14)，随着晶体内部随着晶体内部结结晶晶Ni将在晶体核将在晶体核心富集，心富集，同同时时使与之平衡的熔体中使与之平衡的熔体中Ni浓浓度降低度降低当晶体外当晶体外层层依次依次结结晶晶时时，尽管尽管Ni的分配系数的分配系数不不变变，但是在熔体中但是在熔体中Ni浓浓度愈来愈低的情况下度愈来愈低的情况下进进行分配的，行分配的，结结果不果不仅仅橄橄榄榄石晶体核心到石晶体核心到边缘边缘Ni浓浓度逐度逐渐变渐变低，低，而且而且熔体中的熔体中的Ni也随橄也随橄榄榄石晶出而愈益石晶出而愈益贫贫化化。32013/10/11F岩浆作用岩浆作用指岩浆形成、演化和固结成岩的一系列作指岩浆形成、演化和固结成岩的一系列作用。用。岩浆作用过程中，往往经历岩浆作用过程中，往往经历部分熔融作用、部分熔融作用、同化混染、岩浆混合和结晶作用同化混染、岩浆混合和结晶作用等过程。等过程。F微量元素在矿物和熔体之间的分配可能导致在岩浆微量元素在矿物和熔体之间的分配可能导致在岩浆作用过程中微量元素的浓度变化达作用过程中微量元素的浓度变化达几个数量级几个数量级。因此，微量元素分配的定量研究可以用来作为岩因此，微量元素分配的定量研究可以用来作为岩浆演化高度灵敏的浆演化高度灵敏的指示剂指示剂。42013/10/11l如果在开放体系中，如果在开放体系中，岩浆分异通过以下两种过程岩浆分异通过以下两种过程进行进行:l与其它固体混染物的与其它固体混染物的同化作用同化作用(Assimilation of an initially solid contaminant)l两种以上成分不同的岩浆的两种以上成分不同的岩浆的混合作用混合作用(Mixing of two or more contrasting magmas)52013/10/11岩浆作用岩浆作用*6源区部分熔融原始岩浆快速上升喷出地表火山岩火山岩结晶分异结晶分异同化混染同化混染侵入侵入上升的地幔柱头上升的地幔柱头软流圈软流圈岩石圈地幔岩石圈地幔中下地壳中下地壳2013/10/11研究微量元素在岩浆过程中的分配演化规律，仅仅研究微量元素在岩浆过程中的分配演化规律，仅仅依靠简单的分配定律显然不够，依靠简单的分配定律显然不够，还必须研制出适还必须研制出适用于表征地质体系各类作用过程微量元素行为的用于表征地质体系各类作用过程微量元素行为的数数学模型学模型。径过努力，地球化学已径有了模拟多种岩浆作用过径过努力，地球化学已径有了模拟多种岩浆作用过程中元素分配演化的定量模型程中元素分配演化的定量模型。最常用的为最常用的为分离结分离结晶和部分熔融过程模型晶和部分熔融过程模型。这些模型都是以微量元素这些模型都是以微量元素在晶体相与熔体相之间的分配系数为基础的。在晶体相与熔体相之间的分配系数为基础的。72013/10/114.2.1岩浆形成过程中部分熔融的定量模型岩浆形成过程中部分熔融的定量模型l微量元素一般原则也可用于岩浆部分熔融，说明随熔微量元素一般原则也可用于岩浆部分熔融，说明随熔融进行融进行Tr在形成岩浆中富集或贫化的趋势。三种端元在形成岩浆中富集或贫化的趋势。三种端元模式模式:l 批批次次或或平平衡衡熔熔融融(batch melting):部部分分熔熔融融过过程程中中熔熔体体与与残残余余固固相相发发生生连连续续再再平平衡衡，直直到到熔熔体体移移出出-平平衡衡部部分熔融。分熔融。l 分分馏馏熔熔融融(fractional melting):部部分分熔熔融融产产生生的的无无限限小量熔体连续地自残余相移出。小量熔体连续地自残余相移出。l 收收集集熔熔融融(collection melting):部部分分熔熔融融产产生生的的熔熔体体连连续续自自残残余余相相移移出出，聚聚集集于于一一个个岩岩浆浆房房中中，经经充充分分混混合最后得出一种平均成分。合最后得出一种平均成分。82013/10/114.2.1 岩浆形成过程中部分熔融的定岩浆形成过程中部分熔融的定量模型量模型F1.平衡部分熔融平衡部分熔融F2.定量模型假设定量模型假设F3.定量模型定量模型*92013/10/111.平衡部分熔融平衡部分熔融岩浆形成最常见和最可能的就是岩浆形成最常见和最可能的就是平衡部分平衡部分熔融（熔融（equilibrium melting），），在整个部在整个部分熔融过程中，熔体与残留固体始终保持分熔融过程中，熔体与残留固体始终保持平衡，直到熔体离去，这种熔融又称平衡，直到熔体离去，这种熔融又称批次批次熔融、平衡熔融或一次熔融熔融、平衡熔融或一次熔融。102013/10/11 在整个部分熔融过程中在整个部分熔融过程中微量元素微量元素在固相在固相和液相之间的总分配系数始终保持不变；和液相之间的总分配系数始终保持不变；整个熔融过程中整个熔融过程中残余固相中各矿物相对残余固相中各矿物相对形成熔体的贡献比例保持不变。形成熔体的贡献比例保持不变。*112013/10/11推推导导出批次熔融定量模型出批次熔融定量模型:(5.1)CiL-元元素素i在在形形成成熔熔体体中中的的浓浓度度，Ci0-i在在原原始始固固相相中中的的浓浓度度，D0-熔熔融融开开始始时时i在在母母岩岩矿矿物物集集合合体体与与熔熔体体之之间间的的总总分分配配系系数数，F-形形成成熔熔体体占占母母岩岩重重量量百百分分数数，反反映映部部分分熔熔融融程程度度(0到到1熔熔融融程程度度增增大大)。P-元元素素在在被被熔熔参参加加熔熔体体的的那那些些矿矿物物与与熔熔体体间间的的总分配系数。总分配系数。3.定量模型定量模型122013/10/11如果熔融如果熔融过过程中原始固相中某一程中原始固相中某一矿矿物物质质量百分数量百分数Wi0等于等于熔融后残余固相中熔融后残余固相中该该矿矿物的重量百分数物的重量百分数Wi和和进进入到熔体中入到熔体中该矿该矿物相的重量百分数物相的重量百分数Pi，Wi0WiPi，则则D0DP，即如果各种，即如果各种矿矿物相的熔化物相的熔化是按照它是按照它们们在母岩中的在母岩中的标标准比例准比例进进行，熔化行，熔化过过程程中式中式D 中的中的Wi保持不保持不变变，或形成的熔体与母，或形成的熔体与母岩具有相同成分，岩具有相同成分，PD0，式，式(5.1)简简化化为为:或D0代替了代替了P，为为模式批次熔融模型模式批次熔融模型(modal melting)。(5.2)(5.3)132013/10/11地壳中要确定一种地壳中要确定一种岩岩浆浆形成的源岩及其形成的源岩及其矿矿物成分物成分一般很困一般很困难难，式，式(5.1)的的应应用受到很大限制。用受到很大限制。但部分熔融的但部分熔融的残余固相往往可在岩石深源包体中残余固相往往可在岩石深源包体中找到找到，所以赫所以赫尔尔托根和吉托根和吉贝贝尔尔斯斯(1976)考考虑虑在方在方程式中只包含可能程式中只包含可能为为母岩的母岩的Tr浓浓度，熔体自残余度，熔体自残余体移出体移出时时残余固相的残余固相的矿矿物成分以及部分熔融程度。物成分以及部分熔融程度。证证明明熔体移出时熔体移出时Tr在残余固体与熔体之间的总分在残余固体与熔体之间的总分配系数配系数D由下式给出：由下式给出：D(D0PF)/(1-F)(5.4)代入式代入式(5.1)得：得：Cil/Ci01/D(1F)+F (5.5)142013/10/11 CiL/COi1/D(1F)+F F公式中各参数含义：公式中各参数含义：uCiL熔体中某元素浓度熔体中某元素浓度uCOi母体或母岩中某元素浓度母体或母岩中某元素浓度uF部分熔融程度：部分熔融程度：F=0，熔融开始，熔融开始，u F=1,熔融结束熔融结束uD残余固相与熔体间的分配系数残余固相与熔体间的分配系数u此式即此式即为为常用的批次熔融的定量模型。常用的批次熔融的定量模型。*152013/10/11l表明当熔体自残余体移出表明当熔体自残余体移出时时，Cil/Ci0(给给定微量元定微量元素在熔体中的素在熔体中的浓浓度与在母岩中原始度与在母岩中原始浓浓度的比率度的比率)只只依依赖赖于于该该元素在残余固体与熔体元素在残余固体与熔体间间的的总总分配系数分配系数D及部分熔融程度及部分熔融程度F。l而而Tr在残余固相中的在残余固相中的浓浓度度(Cis)与母岩中与母岩中该该元素的元素的原始原始浓浓度度(Ci0)之比之比值值(Cil/Ci0)，可以根据可以根据Cis/Ci0Cil/Ci0D 这这种关系式种关系式计计算出来，因算出来，因为为根据分配系数根据分配系数的定的定义义：DCis/Cil。CiL/COi1/D(1F)+F*174.部分熔融过程中部分熔融过程中微量元素的行为微量元素的行为2013/10/11 当当F 0（cL/co1/D）即部分熔融程度低时，微量元即部分熔融程度低时，微量元素在所形成的熔体中的素在所形成的熔体中的富集和贫富集和贫化程度最大化程度最大；随着随着F的增大，则熔体中的微的增大，则熔体中的微量元素的富集和贫化程度逐渐减量元素的富集和贫化程度逐渐减小。小。熔融程度很低时熔融程度很低时D1的的不相不相容元素富集达到最大。容元素富集达到最大。如果知如果知道某道某Tr在低度部分熔融岩浆中浓在低度部分熔融岩浆中浓度和度和D值，值，据方程估计该元素在据方程估计该元素在源区中浓度。源区中浓度。F1时，即当岩石全部熔融，熔时，即当岩石全部熔融，熔体中元素的浓度与母岩中该元素的体中元素的浓度与母岩中该元素的浓度趋于一致；浓度趋于一致；2013/10/11 总分配系数总分配系数D 11的的相容元相容元素素：在部分熔融的熔体中贫化，在部分熔融的熔体中贫化，贫化的速度随贫化的速度随F F值的增大呈值的增大呈现出变缓的特征现出变缓的特征。微量元素在两相间分配系数角度给相容元素和不相容元素进行了定义。在岩浆结晶过程中容易以类质同象进入固相或矿物相的元素，叫相容元素；反之就是不相容元素。2013/10/11195.批次熔融实例批次熔融实例l假定有一含假定有一含斜斜长长石石45%，单单斜斜辉辉石石37%，橄橄榄榄石石18%的的辉长辉长岩源岩岩源岩经历经历部分熔融，部分熔融，用用批次熔融模型批次熔融模型计计算当算当F=0.05，0.1，0.15，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9时时Rb、Sr的的Cl/Co。绘制每种元素的Cl/Covs.F的演化的演化图图解。解。202013/10/112013/10/112013/10/112013/10/11当已知当已知F、D和和现现在地在地质质体的微量体的微量元素元素浓浓度，度，就可以就可以预测预测或或计计算原岩算原岩微量含量。微量含量。4.2.2 岩浆结晶作用模型岩浆结晶作用模型*242013/10/11矿物从熔体中结晶的两种可能过程矿物从熔体中结晶的两种可能过程:a.晶体与熔体仅具表面平衡，晶体与熔体仅具表面平衡，这是因为微量这是因为微量元素在晶体内部扩散速度远低于在熔体中的扩散元素在晶体内部扩散速度远低于在熔体中的扩散速度，使元素在晶体边缘和核心分布不均匀，导速度，使元素在晶体边缘和核心分布不均匀，导致熔体仅与晶体边缘达到局部平衡，而与晶体内致熔体仅与晶体边缘达到局部平衡，而与晶体内部不平衡。或者晶体形成后很快离开熔体部不平衡。或者晶体形成后很快离开熔体(重力下重力下沉等使晶体不断从熔体中移出沉等使晶体不断从熔体中移出)。b.晶体晶体在缓慢冷凝条件下结晶并与熔体始终保持在缓慢冷凝条件下结晶并与熔体始终保持平衡，平衡，形成成分均一，没有环带的矿物。形成成分均一，没有环带的矿物。前者为分离结晶作用，又称瑞利分馏作用；后者前者为分离结晶作用，又称瑞利分馏作用；后者称平衡结晶作用。称平衡结晶作用。252013/10/11第一种情形：第一种情形：微量元素在晶体中扩散的速度微量元素在晶体中扩散的速度比在熔体中慢得多，来不及取得完全平衡，比在熔体中慢得多，来不及取得完全平衡，或者是矿物快速从熔体中晶出，矿物与熔体或者是矿物快速从熔体中晶出，矿物与熔体仅具表面平衡，从而造成矿物的核、边成分仅具表面平衡，从而造成矿物的核、边成分不均匀，形成矿物的环带结构，即不均匀，形成矿物的环带结构，即不平衡分不平衡分离结晶；离结晶；第二种情形：第二种情形：微量元素在熔体中扩散的速度微量元素在熔体中扩散的速度比在晶体（矿物）中慢得多。比在晶体（矿物）中慢得多。此中情况自然此中情况自然界极少。界极少。*26分离结晶作用元素扩散类型分离结晶作用元素扩散类型2013/10/111 1、结晶矿物与熔体只是表面平衡、结晶矿物与熔体只是表面平衡原因：原因：微量元素在晶体中的扩散要比在熔体微量元素在晶体中的扩散要比在熔体中慢得多，使得微量元素在晶体边缘和晶体中慢得多，使得微量元素在晶体边缘和晶体核部的分布不均一，导致晶体边缘与熔体能核部的分布不均一，导致晶体边缘与熔体能达到平衡，而晶体内部则不能与熔体平衡，达到平衡，而晶体内部则不能与熔体平衡，形成的晶体形成的晶体具环带状构造。具环带状构造。*272013/10/112、定量模型定量模型瑞利分馏定律（瑞利分馏定律（Rayleigh fractionation law）*282013/10/11 ciL/ci0.L=F（D-1）uciL 残余熔体中元素浓度残余熔体中元素浓度uci0.L原始熔体中元素浓度原始熔体中元素浓度uF为为残留熔体占原始熔体的分数残留熔体占原始熔体的分数uF=1岩浆开始结晶岩浆开始结晶uF=0结晶完全结晶完全u1F反映岩浆的结晶程度反映岩浆的结晶程度uD矿物和熔体间的总分配系数矿物和熔体间的总分配系数*292013/10/11*302013/10/11F 总分配系数总分配系数D1的元素（相容元素）的元素（相容元素）在在分离结晶过程中倾分离结晶过程中倾向于在矿物中富集，向于在矿物中富集，并随矿物晶体的不断并随矿物晶体的不断析出，微量元素在残析出，微量元素在残余熔体随结晶度加大余熔体随结晶度加大而迅速贫化。而迅速贫化。F而在而在 部分熔融中相部分熔融中相容元素浓度随熔融程容元素浓度随熔融程度度(F)增大缓慢增大。增大缓慢增大。应用这种差别，应用这种差别，可以可以判别一个岩浆系列是判别一个岩浆系列是岩浆分异结晶的产物，岩浆分异结晶的产物，还是由部分熔融所成还是由部分熔融所成。重点和难点重点和难点1.岩浆形成机制的两个定量模型（即公式）岩浆形成机制的两个定量模型（即公式）：部分熔融和分离结晶模型；：部分熔融和分离结晶模型；2.D不同的微量元素在岩浆演化过程中的不同的微量元素在岩浆演化过程中的行为行为3.计算、作图、描述元素行为计算、作图、描述元素行为*322013/10/11