微量元素地球化学.ppt

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1、现代地球化学现代地球化学微量元素地球化学微量元素地球化学岩浆岩中主要造岩矿物和副矿物的分子式岩浆岩中主要造岩矿物和副矿物的分子式Q/Qtz石 英 QuartzSiO2Kf 钾长石 OrthoclaseKAlSi3O8Ab钠长石 AlbiteNaAlSi3O8An钙长石 AnorthiteCaAl2Si2O8Ne霞 石 Nepheline NaAlSiO4Bi黑云母 BiotiteK(Mg,Fe)3AlSi3O10(OH,F)2Hb/Amp角闪石 Hornblende(Ca,Na)23(Mg,Fe2+,Fe3+,Al)5(Al,Si)4O112(OH)2Cpx透辉石 DioriteCaMgSi2

2、O6Opx紫苏辉石Orthopyroxene(Mg,Fe)2Si2O6Ol橄榄石 Olivine(Mg,Fe)2SiO4Mt磁铁矿 MagnetiteFe3O4Ilm钛铁矿 IlmaniteFeTiO3Ap磷灰石 ApatiteCa5PO43(F,Cl,OH)Sph/Ti榍 石 TitaniteCaTiSiO4(O,OH,Cl,F)Sp尖晶石 SpinelMgAl2O4Grt石榴石 Garnet(Fe,Mg,Ca)3Al2SiO43Zr锆 石 Zircon ZrSiO4第一部分第一部分微量元素地球化学的一些基本理论问题微量元素地球化学的一些基本理论问题1.1 1.1 微量元素的定义微量元素的定

3、义1.2 1.2 微量元素在地质体中的赋存型式微量元素在地质体中的赋存型式1.3 1.3 微量元素分类微量元素分类1.4 1.4 支配微量元素地球化学行为的主要物理化学定律支配微量元素地球化学行为的主要物理化学定律 a.a.Goldschmidt三定律三定律 b.化学势、逸度、活度化学势、逸度、活度 c.c.固熔体、稀溶液与亨利定律固熔体、稀溶液与亨利定律 d.d.NernstNernst分配定律与分配系数（分配定律与分配系数（k ki i=ci is s/ci il l）e.e.分配系数的含义分配系数的含义 f.f.影响分配系数的主要因素影响分配系数的主要因素 g.g.分配系数的测定分配系数

4、的测定vGast（1968）不作为体系中任何相的组分存在的元素不作为体系中任何相的组分存在的元素v伯伯恩恩斯斯（晶晶体体场场理理论论的的矿矿物物学学应应用用）只只要要某某元元素素在在体体系系中中的的含量低到可以用稀溶液定律来描述其行为，即可称微量元素含量低到可以用稀溶液定律来描述其行为，即可称微量元素v微量元素的概念是相对的微量元素的概念是相对的 K：花岗岩中常量元素，超基性岩中微量元素花岗岩中常量元素，超基性岩中微量元素 Ni：地壳岩石中微量元素，陨石中常量元素地壳岩石中微量元素，陨石中常量元素 Li，B：伟晶岩中常量元素伟晶岩中常量元素v对对于于地地壳壳，O，Si，Al，Fe，Mg，Ca，

5、Na，K，Ti常常量量元元素素，其他是微量元素其他是微量元素 （1）Si，酸度，基性中性酸性，岩石分类，酸度，基性中性酸性，岩石分类 （2）K,Na，碱度，岩浆系列，碱度，岩浆系列:拉斑、钙碱、高钾钙碱、橄榄安粗拉斑、钙碱、高钾钙碱、橄榄安粗/钾玄钾玄 （3）Mg,Fe,Mn，镁铁，镁铁/超镁铁超镁铁 （4）Al，花岗岩类铝饱和度，花岗岩类铝饱和度 （5）Ca1.1 1.1 1.1 1.1 微量元素的定义微量元素的定义微量元素的定义微量元素的定义独立矿物独立矿物 U、Hf ZrSiO4类类 质质 同同 像像 替替 代代 !Sr、Eu Ca Pb、Ba K1.2.1.2.1.2.1.2.微量元素

6、在地质体中的赋存型式微量元素在地质体中的赋存型式微量元素在地质体中的赋存型式微量元素在地质体中的赋存型式晶格缺陷晶格缺陷吸附（如胶体）吸附（如胶体）1.3 1.3 1.3 1.3 微量元素分类微量元素分类微量元素分类微量元素分类v基本的化学分类基本的化学分类vGoldschmidt分类分类v一般的地球化学分类一般的地球化学分类v常用分类常用分类v对元素分类的说明对元素分类的说明主要考虑元素在岩浆过程中的特点主要考虑元素在岩浆过程中的特点各种分类之间不一定有对应关系各种分类之间不一定有对应关系v基本的化学分类基本的化学分类vGoldschmidt分类分类亲亲石石 亲铁亲铁 亲铜亲铜 亲气亲气地球

7、的组分分异，由元素的地球的组分分异，由元素的性质决定。性质决定。元素在周期表中的位置：元素在周期表中的位置：亲铁元素亲铁元素:地核地核亲石元素亲石元素:地幔与地壳地幔与地壳亲气元素亲气元素:大气圈和水圈大气圈和水圈v一般的地球化学分类一般的地球化学分类v常用分类常用分类主元素（主元素（major elements）过渡过渡(族族)元素元素（transition elements）稀土元素稀土元素(REE)铂族元素铂族元素(PGE)惰性气体元素惰性气体元素(Noble gas)高场强元素高场强元素(HFS)离子半径小，电价高 Zr、Hf、Nb、Ta、Ti大离子亲石元素大离子亲石元素(LIL)离子

8、半径大，电价低 K、Rb、Sr、Ba、Pb不相容元素不相容元素(uncompatible)：K K或D D1，倾向于富集在熔体相相容元素相容元素(compatible)：K K或D D 1，倾向于富集在结晶相 Ni、Cr、Co1 2 3 4 5 6离子电价离子半径离子半径10-10m1.00.21.80.61.4GoldschmidtGoldschmidt定律一定律一两两个个离离子子，如如果果他他们们具具有有相相同同的的电电电电价价和和离离离离子子子子半半半半径径径径，则则易易于于交交换，并以与他们在整个体系中相同的比例进入固熔体换，并以与他们在整个体系中相同的比例进入固熔体正正因因为为如如此

9、此，许许多多微微量量元元素素，会会以以类类质质同同像像替替代代的的方方式式，和和与与各各自自电电价价和和离子半径离子半径相近的常量元素（主元素）一起进入固体相。例如：相近的常量元素（主元素）一起进入固体相。例如：Sr、Eu CaRb、Pb、Ba KNi Mg1.4 1.4 1.4 1.4 支配微量元素地球化学行为的主要物理化学定律支配微量元素地球化学行为的主要物理化学定律支配微量元素地球化学行为的主要物理化学定律支配微量元素地球化学行为的主要物理化学定律1.4a 1.4a GoldschmidtGoldschmidt三定律三定律三定律三定律GoldschmidtGoldschmidt定律二定律

10、二两两个个离离子子，如如果果他他们们具具有有相相同同的的电电电电价价，和和相相似似的的离离离离子子子子半半半半径径径径，则较小的离子倾向于进入固体相则较小的离子倾向于进入固体相Mg2+比Fe2+的离子半径小，因此，在橄榄石与熔体的平衡体系中，橄榄石中Mg的含量高于熔体Nb,TaZr,HfGoldschmidtGoldschmidt定律三定律三两两个个离离子子，如如果果他他们们具具有有相相似似的的离离离离子子子子半半半半径径径径，但但但但是是是是电电电电价价不不同同，那么，那么，电价电价高的离子倾向于进入固体相高的离子倾向于进入固体相如，相对于如，相对于Fe2+、Mg2+，Cr3+、Ti4+总是

11、倾向于进入固体相总是倾向于进入固体相1.4b 1.4b 1.4b 1.4b 化学势、化学势、化学势、化学势、逸度、活度逸度、活度逸度、活度逸度、活度化学势化学势化学势化学势 ：物质的物质的物质的物质的各分子各分子各分子各分子GibbsGibbs自由能自由能自由能自由能对于实际气体溶液体系，组分对于实际气体溶液体系，组分对于实际气体溶液体系，组分对于实际气体溶液体系，组分i i i i的化学势为：的化学势为：的化学势为：的化学势为：i i i i=i i i i0 0 0 0+RT+RT+RT+RTLnfLnfLnfLnfi i i i f f f fi i i i 为逸度为逸度为逸度为逸度 对

12、于溶液和固熔体体系，组分对于溶液和固熔体体系，组分对于溶液和固熔体体系，组分对于溶液和固熔体体系，组分i i i i的化学势为：的化学势为：的化学势为：的化学势为：i i i i=i i i i0 0 0 0+RT+RT+RT+RTLnLnLnLna ai i i i a ai i i i 为活度为活度为活度为活度 a ai i i i =i i i i x x x x i i i i i i i i 为为为为活活活活度度度度系系系系数数数数，代代代代表表表表实实实实际际际际溶溶溶溶液液液液对对对对理理理理想想想想溶溶溶溶液液液液的的的的偏偏偏偏差差差差，与与与与系系系系统统统统的的的的组组组

13、组分、熔体的结构、温度、压力等有关。分、熔体的结构、温度、压力等有关。分、熔体的结构、温度、压力等有关。分、熔体的结构、温度、压力等有关。1.4c 1.4c 1.4c 1.4c 固熔体、稀溶液与亨利定律固熔体、稀溶液与亨利定律固熔体、稀溶液与亨利定律固熔体、稀溶液与亨利定律固熔体固熔体：一般采用研究溶液体系发展出来的理论模型来处理固体：一般采用研究溶液体系发展出来的理论模型来处理固体ai i =i i x x i iai ix x i i0 01.01.0亨利定律亨利定律：vv当当组组分分i i的的含含量量x xi i无无限限小小时时，其其活活度度ai i正正比比与与组组分分含含量量x xi

14、iai i =i i x xi ivv i i是是组组分分i i的的亨亨利利常常数数，与与组组分分含含量量x xi i无无关关，与与P P、T T条件有关条件有关1.4d 1.4d 1.4d 1.4d NernstNernstNernstNernst分配定律与分配系数分配定律与分配系数分配定律与分配系数分配定律与分配系数vv考考虑虑微微量量元元素素在在固固体体相相和和液液体体相相之之间间的的分分配配关关系系，这这2 2相相的的关关系系是是 地质过程中最主要的关系。地质过程中最主要的关系。微量元素微量元素j j，溶质，在稀溶液体系中；溶质，在稀溶液体系中；2 2相，相，相相，相相vv元素元素j

15、j在在2 2相中的分配达到平衡时，他们的相中的分配达到平衡时，他们的化学势相等化学势相等 元素j在相有：j j =j j0,0,+RT+RTLnLnaj j 元素j在相有：j j =j j0,0,+RT+RTLnLnaj j 达到两相平衡：j j =j j 则有：j j0,0,+RT+RTLnLnaj j =j j0,0,+RT+RTLnLnaj j 得到：LnLn(aj j/aj j )=(j j0,0,-j j0,0,)/)/RTRTvv由于：由于：aj j =j j x xj j 因此有因此有 aj j/aj j =(x xj j/x xj j )(j j/j j )故得到：故得到：x

16、x x xj j /x x x xj j =(j j/j j )EXP EXP (j j0,0,-j j0,0,)/)/RT RT =KD(P，T)显然，在显然，在P P、T T恒定的条件下，恒定的条件下，xjxj/xj/xj 是一个常数是一个常数v能斯特能斯特(NernstNernst)分配定律分配定律：在给定的：在给定的P P、T T条件下，微量元素条件下，微量元素j j在在2 2相相间达到平衡时，其在间达到平衡时，其在2 2相的浓度比相的浓度比不随组分含量改变不随组分含量改变，为一个常数，为一个常数K KD D(P P，T T)。vv当当 为固相（矿物和岩石），为固相（矿物和岩石），为熔

17、体相时，为熔体相时，上述常数就是上述常数就是分配系数分配系数，一般表达为：一般表达为：K K K Ki i=c ci i i is s s s/c ci i i il l l l 用C而不用X X来代表组分i在固相s s和液相l中的浓度。因为对于热力学的目的，mol比值方便；而对于地球化学，重量比值更简便vv总体分配系数总体分配系数总体分配系数总体分配系数D：如果与溶液相平衡的结晶相（矿物相）超过一个，如果与溶液相平衡的结晶相（矿物相）超过一个，组分组分i i在结晶相和液相间的分配系数在结晶相和液相间的分配系数Di i为所有种类的结晶相与液相间为所有种类的结晶相与液相间分配系数分配系数K Ki

18、 i的加权和的加权和 Di i=K Ki i /l l l l x x 这里：这里：K Ki i /l l l l 是组分是组分i i在在结晶相结晶相 和液相和液相l l l l间的分配系数间的分配系数 x x 是是结晶相结晶相 在整个固相中所占的比例在整个固相中所占的比例 1.4e 1.4e 1.4e 1.4e 分配系数的含义分配系数的含义分配系数的含义分配系数的含义分配系数可以浅略理解成在晶体/溶体的体系中，元素进入晶体的能力不相容元素：不相容元素：K K或D D1，倾向于富集在熔体相相容元素：相容元素：K K或D D 1，倾向于富集在结晶相v不相容元素可以分为不相容元素可以分为2组组高场

19、强高场强元素元素(HFSE)，有：有：REE,Th,U,Ce,Pb4+,Zr,Hf,Ti,Nb,Ta等等大离子亲石大离子亲石元素元素(LILE)，有：有：K,Rb,Cs,Ba,Pb2+,Sr,Eu2+等。等。LILE活动性更强，特别是有流体参与的系统活动性更强，特别是有流体参与的系统微微量量元元素素的的相相容容或或不不相相容容，取取决决于于所所涉涉及及的的体体系系，取取决决于于矿物与熔体的类型。矿物与熔体的类型。离子半径的影响离子半径的影响vvLaLa系收缩造成稀土元素（系收缩造成稀土元素（REEREE）离子半径递减，相应的单斜辉石/玄武质岩浆之间的分配系数递增K KREEREE单斜辉石/玄武

20、质岩浆1.4f 1.4f 1.4f 1.4f 影响分配系数的主要因素及分配系数的测定影响分配系数的主要因素及分配系数的测定影响分配系数的主要因素及分配系数的测定影响分配系数的主要因素及分配系数的测定影响分配系数影响分配系数影响分配系数影响分配系数K Ki i的主要外部因素有：的主要外部因素有：的主要外部因素有：的主要外部因素有：离子半径离子半径,体系的组分体系的组分,温度温度,压力压力,氧逸度氧逸度体系组分的影响体系组分的影响vv体系组分对分配系体系组分对分配系数的影响主要反映数的影响主要反映在熔体在熔体(岩浆岩浆)的组的组分变化上分变化上随着岩浆组成随着岩浆组成从基从基从基从基性向中酸性演化

21、性向中酸性演化性向中酸性演化性向中酸性演化，稀土元素在角闪石稀土元素在角闪石和岩浆之间的分配和岩浆之间的分配系数系数渐次升高，变渐次升高，变化幅度极大。化幅度极大。各类岩浆中，角闪石REE的分配系数SiOSiO2 2含量影响含量影响SiOSiO2 2含量升高，分配系数升高含量升高，分配系数升高LnDSm榍石LnDSm榍石熔体熔体(岩浆岩浆)组分对稀土元素分配系数的影响组分对稀土元素分配系数的影响不全是升高！不全是升高！不全是升高！不全是升高！玄武质熔体玄武质熔体安山质熔体安山质熔体流纹质熔体流纹质熔体稀土元素稀土元素稀土元素稀土元素稀土元素稀土元素分配系数分配系数分配系数分配系数分配系数分配系

22、数温度压力的影响温度压力的影响温度温度温度温度升高，分配系数降低，表明高温下离子倾向于进入溶体升高，分配系数降低，表明高温下离子倾向于进入溶体压力压力压力压力升高，分配系数升高，表明高压下离子倾向于进入固相升高，分配系数升高，表明高压下离子倾向于进入固相LnDHo辉石氧逸度的影响氧逸度的影响氧逸度氧逸度氧逸度氧逸度升高，升高，EuEu在在斜长石/玄武质岩浆间的分配系数分配系数K KEu降低降低K KEu斜长石/玄武质岩浆1.4g 1.4g 1.4g 1.4g 分配系数的测定分配系数的测定分配系数的测定分配系数的测定vv直接测定：火山岩斑晶基质法直接测定：火山岩斑晶基质法vv实验方法实验方法第二

23、部分第二部分岩浆过程的微量元素定量模型岩浆过程的微量元素定量模型2.1 部分熔融过程部分熔融过程2.2 结晶过程：分离结晶过程，结晶过程：分离结晶过程，Rayligh分馏定律分馏定律2.3 分离部分熔融模型分离部分熔融模型2.4 混合模型混合模型2.5 其他模型：其他模型：同化混染和分离结晶作用联合模型同化混染和分离结晶作用联合模型(AFC)2.6 岩浆过程的鉴别（部分熔融、分离结晶）岩浆过程的鉴别（部分熔融、分离结晶）2.1 2.1 部分熔融过程部分熔融过程部分熔融过程部分熔融过程2.1a 对部分熔融过程的理解对部分熔融过程的理解o部分熔融过程很重要。地球的圈层分异，地壳的生长和演变，在物质

24、上，主要是通过岩浆作用来实现的。岩浆发生的唯一方式，是先存岩石的部分熔融。o如果熔体一直在熔融区滞留，产生的全部熔体就会作为一个整体，与残留相保持某种程度的平衡，从而接近平衡平衡平衡平衡部分熔融过程部分熔融过程部分熔融过程部分熔融过程；o如果熔体一产生就很快离开熔融区，而移至别处汇聚，那么，在熔融区，与残留相平衡共存的熔体始终只是刚刚产生那一小部分。这样的过程，称为分离部分熔分离部分熔分离部分熔分离部分熔融过程融过程融过程融过程。现在的上地幔接近分离部分熔融的残留相。o如果随着部分熔融的发展，产生熔体的量，每达到一定程度，就离开熔融区，而移至别处汇聚。这样的过程，称为批式部分熔融过程批式部分熔

25、融过程批式部分熔融过程批式部分熔融过程(batch partial melting)。这样的过程，接近地质实际。2.1b 平衡部分熔融过程的定量模型平衡部分熔融过程的定量模型o假设，产生的全部熔体与残留相保持平衡源岩源岩残留相残留相岩浆岩浆F1-Fc ci i i io o o oc ci i i il l l l c ci i i is s s so考虑源岩中微量元素i的量和岩浆+残留相中的量相等，可得下列方程：c ci i i io o o o=F Fc ci i i il l l l +(1-F)(1-F)c ci i i is s s s 变换方程：c ci i i io o o o=

26、F Fc ci i i il l l l +(1-F)(1-F)c ci i i is s s s 用用 c ci i i il l l l 除方程两边，得：c ci i i io o o o/c ci i i il l l l=F F +(1-F)(1-F)(c ci i i is s s s/c ci i i il l l l)由于由于(c ci i i is s s s/c ci i i il l l l)就是元素就是元素i i的总体分配系数的总体分配系数Di i，因此得到：c ci i i io o o o/c ci i i il l l l=F F +(1-F)(1-F)Di i将方

27、程两边上下对换，得到：c ci i i il l l l 1 11 1 c ci i i io o o o F F+(1-F)(1-F)Di i Di i+(1-(1-Di i)F)F =vv说明：上述过程的一个假设条件是，残留相中的矿物说明：上述过程的一个假设条件是，残留相中的矿物种类和比例（例如：种类和比例（例如：a a，b b，c c三种矿物）与源岩的矿三种矿物）与源岩的矿物种类和比例相同。或者说，在熔融过程中，源岩的物种类和比例相同。或者说，在熔融过程中，源岩的矿物组分等比例地进入熔体。矿物组分等比例地进入熔体。vv如果源岩的矿物组分不是等比例地进入熔体，严格说如果源岩的矿物组分不是等

28、比例地进入熔体，严格说来，部分熔融的微量元素方程应该是：来，部分熔融的微量元素方程应该是：c ci i i il l l l 1 1 c ci i i io o o o Di i+(1-(1-Pi i)F)F =这里，这里，Di i是微量元素i在源岩与熔体间的分配系数 Pi i是微量元素i在残留相与熔体间的分配系数vv对平衡部分熔融过程中，微量元素的变化情况作如下简对平衡部分熔融过程中，微量元素的变化情况作如下简单的分析：单的分析：c ci i i il l l l 1 11 1 c ci i i io o o o F F+(1-F)(1-F)Di i Di i+(1-(1-Di i)F)F

29、=vv如果如果Di i=1=1，则：则：c ci i i il l l l/c ci i i io o o o =1=1vv如果如果Di i 1 1，则：则：c ci i i il l l l/c ci i i io o o o 1/1/F F2.1c 平衡部分熔融过程微量元素的变化规律平衡部分熔融过程微量元素的变化规律c ci i i is s s s Di ic ci i i io o o o Di i+F F(1-(1-Di i)=c ci i i il l l l 1 1c ci i i io o o o Di i(1-F)(1-F)+F F=溶体溶体溶体溶体残留体残留体残留体残留体溶

30、体增加的方向溶体增加的方向0.01FFc ci i i il l l l c ci i i io o o o c ci i i is s c ci i i io o o o 0.10.525D D=1020.10.5D D=0.015D D=10平衡部分熔融过程微量元素变化的主要特征平衡部分熔融过程微量元素变化的主要特征平衡部分熔融过程微量元素变化的主要特征平衡部分熔融过程微量元素变化的主要特征v不相容元素在溶体中富集，不相容元素在溶体中富集，分配系数越小，富集程度越高；分配系数越小，富集程度越高；部分熔融程度越低，富集程度越高部分熔融程度越低，富集程度越高v不相容元素在残留体中亏损不相容元素

31、在残留体中亏损分配系数越小，亏损程度越高；分配系数越小，亏损程度越高；v相容元素在溶体中的含量低于源岩相容元素在溶体中的含量低于源岩分配系数越大，亏损程度越高分配系数越大，亏损程度越高2.2 2.2 结晶过程结晶过程结晶过程结晶过程2.2a 对结晶过程的理解对结晶过程的理解o结晶作用是岩浆演化的基本过程；o结晶过程倾向于导致岩浆全部结晶，即100变成结晶相；o矿物结晶过程中，矿物表面与残余岩浆之间可以一直保持平衡；但是，矿物内部与残余岩浆脱离接触，难以继续保持平衡。因此，平衡结晶过程很少实现。实际的结晶过程是一种保持表面平衡的过程，接近分离结晶过程分离结晶过程分离结晶过程分离结晶过程。o在岩浆

32、结晶过程中存在矿物结晶次序的差别，一些矿物先结晶，一些矿物后结晶，如鲍文反应序列所示。由于重力等作用，先结晶的矿物可能发生堆积，与残余岩浆分离。这也会造成分离结晶作用分离结晶作用分离结晶作用分离结晶作用。o岩浆分离结晶的程度，取决于岩浆的类型和粘度、结晶的速度等条件。o岩浆喷出地表之前，结晶作用已经在进行，可形成斑晶（A）o斑晶矿物的环带指示了表面平衡过程(B)o斜长石先结晶，辉石晚结晶(C)角闪石斑晶角闪石斑晶斜长石斑晶斜长石斑晶ABCo岩浆比重、矿物比重的差别，以及重力、岩浆动力等因素造成分离结晶作用辉石岩方辉橄榄岩纯橄榄岩2.2b 分离结晶过程的定量模型分离结晶过程的定量模型o设结晶的矿

33、物与残余岩浆保持表面平衡，因此，结晶过程符合Rayligh分馏定律。分馏定律。残余岩浆残余岩浆原始岩浆原始岩浆c ci i i io o o oc ci i i il l l l c ci i i iR R R RF瞬时结晶相瞬时结晶相c ci i i is s s s1-F平均结晶相平均结晶相c ci i i il l l lc ci i i io o o o=F F F F(D-1)(D-1)c ci i i iR Rc ci i i io o o o=DFDFDFDF(D-1)(D-1)o微量元素i在残余岩浆、瞬时结晶相，平均结晶相中的浓度分别记为：c ci i i il l l l、c

34、 ci i i iR R、c ci i i is s。根据Rayligh分馏定律，得到下列方程：c ci i i is s 1-1-F F F FD Dc ci i i io o o o 1 1-F-F-F-F=2.2c 分离结晶过程微量元素的变化规律分离结晶过程微量元素的变化规律c ci i i il l l lc ci i i io o o o=F F F F(D-1)(D-1)c ci i i iR Rc ci i i io o o o=DFDFDFDF(D-1)(D-1)溶体减少溶体减少FFF晶体增加晶体增加晶体增加晶体增加 残余岩浆中残余岩浆中 瞬时结晶相中瞬时结晶相中 平均结晶相中

35、平均结晶相中0.010.10.5D D=10520.010.10.510520.010.10.51052c ci i i is s 1-1-F F F FD Dc ci i i io o o o 1 1-F-F-F-F=分离结晶作用的早期分离结晶作用的早期残余岩浆残余岩浆瞬时结晶相瞬时结晶相平均结晶相平均结晶相D D1 1迅速降低迅速降低开始特高，开始特高，开始特高，开始特高，迅速降低迅速降低开始特高开始特高开始特高开始特高，缓慢降低缓慢降低D D1 1略升略升极低极低极低极低 分离结晶作用的晚期分离结晶作用的晚期D D1 1几无几无几无几无缓降至缓降至1 1D D1 1骤升骤升骤升骤升骤升骤

36、升骤升骤升缓升至缓升至1 1分离结晶过程中微量元素变化的主要特征分离结晶过程中微量元素变化的主要特征c ci i i il l l lc ci i i io o o o=F F F F(D-1)(D-1)o当D1 1，这样的元素称为超岩浆元素超岩浆元素H。上式变为：c cH H H Hl l l l/c cH H H Ho o o o=1 1/F/F/F/F。超岩浆元素H在残余岩浆中的浓度主要与结晶程度有关，可以作为结晶分异程度的指示：F F F F=c cH H H Ho o o o /c cH H H Hl l l l o如果D 1 1，上式变为：c ci i i il l l l/c c

37、i i i io o o o=1 1 即元素i在岩浆中和结晶相中的浓度都没有大的变化。o当D 0.2-0.5，元素在岩浆结晶的大部分阶段（除了岩浆结晶的最晚期）的变化都非常平稳，也可以用来指示岩浆演化的进程。2.3 2.3 分离部分熔融模型分离部分熔融模型分离部分熔融模型分离部分熔融模型o熔体一产生就很快离开熔融区，而移至别处汇聚。在熔融区，与残留相平衡共存的熔体始终只是新近产生小部分。这样的过程，称为分离部分熔融过程分离部分熔融过程分离部分熔融过程分离部分熔融过程。现在的上地幔接近分离部分熔融的残留相。o对于这一过程，微量元素i在新生成溶体中的浓度c ci i i il l l l与部分熔融

38、程度F的关系，采用微分方程的方法，得到下列方程：c ci i i il l l l 1 1 P FP FP FP Fc ci i i io o o o D DD DD DD D=(1 1-)-)-)-)1 1P P P P(-(-(-(-1 1)o当P=DP=DP=DP=D时时时时，上式简化为：c ci i i il l l l 1 1c ci i i io o o o D D D D=(1 1-F)F)F)F)1 1D D D D(-(-(-(-1 1)o对这一方程所揭示的过程作简单的分析：c ci i i il l l l 1 1c ci i i io o o o D D D D=(1 1

39、-F)F)F)F)1 1D D D D(-(-(-(-1 1)D D=0.10.0510520.010.250.50.75溶体增加溶体增加Fo对于不相容元素i，如果D1，例如在0.01以下，即使部分熔融程度较低，例如F0.1，元素i在新生溶体中的含量也急剧下降。o地幔在地质历史上经历了普遍的部分熔融，因此，现在的地幔应该主要是亏损地幔，D1的不相容元素含量极低。o如果地幔的哪个部位强不相容元素含量高，则该区地幔一定经历了另外的过程，如流体交代、地壳混染，等。o在岩石圈（壳幔）体系中，岩浆的发生和演化过程，都有可能存在不同来源物质的混合。最常见的，就是幔源岩浆与地壳物质的混合。2.2.4 4 混

40、合模型混合模型混合模型混合模型二元混合二元混合三元混合三元混合混合作用混合作用Sr-Nd同位素同位素混合作用同位素和微量元素混合作用同位素和微量元素混合作用通用的数学表达混合作用通用的数学表达2.2.5 5 其他模型其他模型其他模型其他模型同化混染和分离结晶作用联合模型同化混染和分离结晶作用联合模型(AFC)复杂，实用模型！复杂，实用模型！2.6 2.6 岩浆过程的鉴别岩浆过程的鉴别岩浆过程的鉴别岩浆过程的鉴别针针对对火火山山岩岩，鉴鉴别别其其岩岩浆浆演演化化是是部部分分熔熔融融主主导导，还还是是分分离离结结晶为主导，这是非常重要的研究。晶为主导，这是非常重要的研究。注意：注意：岩浆喷出后，结

41、晶分异非常有限，故多考虑岩浆喷出后，结晶分异非常有限，故多考虑c ci i i il l l l/c ci i i io o o o的的变化变化(1)将微量元素分为将微量元素分为3类，其行为存在明显差别：类，其行为存在明显差别：相容元素相容元素G G，D 1 1。NiNi、CrCr、PGEPGE、HREEHREE（某些情况下，如存在石榴石）某些情况下，如存在石榴石）分离结晶过程中，浓度变化大部分熔融过程中，浓度变化小超岩浆元素超岩浆元素HH(亲湿岩浆元素亲湿岩浆元素)，高高不相容，不相容，D1 1。ZrZr、HfHf、TaTa、ThTh、LREELREE分离结晶过程中，浓度变化小部分熔融过程中

42、，浓度变化大岩浆元素岩浆元素MMMM，中等到弱不相容，中等到弱不相容，D 0.20.20.50.5。HREE是典型是典型两类过程中，浓度变化都比较平缓(2)相容元素相容元素G G与超岩浆元素与超岩浆元素HH的关系的关系(3)超岩浆元素对结晶超岩浆元素对结晶作用过程的指示作用作用过程的指示作用考虑结晶作用，对于某个微量元素i，有：c ci i i il l l l/c ci i i io o o o=F=F=F=F(D-(D-(D-(D-1 1)，也可写成：也可写成：也可写成：也可写成：c ci i i il l l l=c ci i i io o o o F F F F(D-(D-(D-(D-

43、1 1)如果有某个超岩浆元素H H H H存在，考虑到：F F F F=c cH H H Ho o o o /c cH H H Hl l l l有：c ci i i il l l l =c ci i i io o o o (c cH H H Ho o o o /c cH H H Hl l l l)(D-(D-(D-(D-1 1)取对数：LnLnc ci i i il l l l =LnLnc ci i i io o o o +(D-(D-(D-(D-1 1)LnLnc cH H H Ho o o o-(D-(D-(D-(D-1 1)LnLnc cH H H Hl l l l如果D D D D基

44、本不变，这就是一个直线方程：LnLnci il l=A+B=A+B LnLncH Hl l其中：A=LnLnc ci i i io o o o +(D-(D-(D-(D-1 1)LnLnc cH H H Ho o o o；B=1 1-D D D DLnLncH Hl lLnLnci il lD D D D 1 1D D D D1,B1考察方程：LnLnci il l=A+B=A+B LnLncH Hl l A=LnLnc ci i i io o o o +(D-(D-(D-(D-1 1)LnLnc cH H H Ho o o o；B=1 1-D D D D如果D D D D 1 1，斜率为负值

45、如果D D D D 1 1，斜率为正值如果D D D D 1 1，斜率接近1 1LnLncH Hl lD D D D 1 1(a)(a)(a)(a)对于分离结晶作用对于分离结晶作用对于分离结晶作用对于分离结晶作用，有：c cH H H Hl l l l/c cH H H Ho o o o=F F F F(D-(D-(D-(D-1 1)，1 1/F/F/F/F （D D1 1 1 1）c cMMMMl l l l/c cMMMMo o o o=F F F F(D-(D-(D-(D-1 1)，1 1/F/F/F/F （D D 1 1 1 1）故：c cH H H Hl l l l/c cH H H

46、 Ho o o o c cMMMMl l l l/c cMMMMo o o o 变换得到：c cH H H Hl l l l/c cMMMMl l l l =c cH H H Ho o o o/c cMMMMo o o o =常数如果选择H=La,M=Sm 则有右图显示的关系(4)分分离离结结晶晶和和部部分分熔熔融融过过程程中中，岩岩浆浆元元素素MMMM和和超超岩岩浆浆元素元素H H H H的关系的关系超岩浆元素H H H H，D1，与0.20.5相比可以不计；岩浆元素MMMM，D0.20.5，与1 相比，可以不计。(b)(b)(b)(b)对于平衡部分熔融作用对于平衡部分熔融作用对于平衡部分熔

47、融作用对于平衡部分熔融作用，有：c cH H H Hl l l l 1 11 1c cH H H Ho o o o F F+(1-F)(1-F)DH H F F =c cMMMMl l l l 1 11 1c cMMMMo o o o DMM+F F(1-(1-DMM)DMM+F F =（D D1 1 1 1）（D D 1 1 1 1）c cH H H Ho o o oc cH H H Hl l l lF F=c cMMMMo o o oc cMMMMl l l l=DMM+F F可以变为：和 c cMMMMo o o oc cMMMMl l l l=DMM+c cH H H Ho o o o

48、c cH H H Hl l l l两式合并可得：c cH H H Hl l l lc cMMMMo o o o两边同乘以 ，得到：c cH H H Hl l l lc cMMMMl l l l=c cH H H Hl l l l +c cH H H Ho o o oc cMMMMo o o oDMMc cMMMMo o o o这一方程实际上是一个斜率B 的直线方程：c cH H H Hl l l lc cMMMMl l l l=BCBCBCBCH H H Hl l l l +A+A+A+ADMMc cMMMMo o o o=如果选择H=La,M=Sm 则有右图显示的关系第三部分第三部分稀土元素

49、地球化学稀土元素地球化学3.1 3.1 稀土元素的基本地球化学性质稀土元素的基本地球化学性质3.2 3.2 稀土元素在岩石和矿物中的分布稀土元素在岩石和矿物中的分布3.3 3.3 稀土元素的地球化学应用稀土元素的地球化学应用vREE化学性质相似，地质过程中，表现出整体运移特征化学性质相似，地质过程中，表现出整体运移特征地幔 基性地壳 中酸性地壳，REE总量渐次增加vREE之间性质存在有规律的微小差别，地质过程中，富之间性质存在有规律的微小差别，地质过程中，富集和亏损的程度呈有规律的变化，可以用来精细刻划地集和亏损的程度呈有规律的变化，可以用来精细刻划地质过程质过程v稀土元素：稀土元素：La系系

50、+Yv稀土元素在元素周期表中占一个格，化学性质基本相似。但是，稀土元素在元素周期表中占一个格，化学性质基本相似。但是，随着原子序数的增加，电子充填次外层随着原子序数的增加，电子充填次外层(4f)，其余各层不变。其余各层不变。3.1 3.1 3.1 3.1 稀土元素的基本地球化学性质稀土元素的基本地球化学性质稀土元素的基本地球化学性质稀土元素的基本地球化学性质vLa系收缩：系收缩：这样的结构造成电子层之间的引力连续的增加，造这样的结构造成电子层之间的引力连续的增加，造成原子成原子/离子半径渐次减小：离子半径渐次减小：RE3+=1.14 0.85vREE的结构决定，离子一般呈的结构决定，离子一般呈