第章微量元素地球化学岩浆作用模型.pptx

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1、自然体系如岩浆作用中，元素在不同相间的分配并非是静态的分配，而是动态演进式的分配。例如橄榄石自玄武岩浆中结晶(Ni在橄榄石与熔体间的分配系数14)，随着晶体内部结晶Ni将在晶体核心富集，同时使与之平衡的熔体中Ni浓度降低当晶体外层依次结晶时，尽管Ni的分配系数不变，但是在熔体中Ni浓度愈来愈低的情况下进行分配的，结果不仅橄榄石晶体核心到边缘Ni浓度逐渐变低，而且熔体中的Ni也随橄榄石晶出而愈益贫化。12013/10/11第1页/共29页F岩浆作用岩浆作用指岩浆形成、演化和固结成岩的一系指岩浆形成、演化和固结成岩的一系列作用。列作用。岩浆作用过程中，往往经历岩浆作用过程中，往往经历部分熔融部分熔

2、融作用、同化混染、岩浆混合和结晶作用作用、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岩浆作用过程中微量元素的浓度变化达几个数量几个数量级级。因此，微量元素分配的定量研究可以用来作因此，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为岩浆演化高度灵敏的指示剂指示剂。22013/10/11第2页/共29页l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岩浆分异通过以下两种过程进行程进行: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(Assimilatio

3、n 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)32013/10/11第3页/共29页岩浆作用岩浆作用2023/2/174源区部分熔融原始岩浆快速上升喷出地表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第4页/共29页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，还必须研制出适用于表征地质体系各类作用

4、过程微量元素行为的数学模型。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。最常用的为分离结晶和部分熔融过程模型。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。52013/10/11第5页/共29页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，说明随熔融进行熔融进行Tr在形成岩浆中富集或贫化的趋势。三种在形成岩浆中富集或贫化的趋势。三种端元模式端元模式: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

5、续再再平平衡衡，直直到到熔熔体体移移出出-平衡部分熔融。平衡部分熔融。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限小量熔体连续地自残余相移出。无限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，经经充分混合最后得出一种平均成分。充分混合最后得出一种平均成分。62013/10/11第6页/共29页岩浆形成过程中部分熔融的定量模型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

6、型定量模型2023/2/1772013/10/11第7页/共29页1.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平衡部分熔融（equilibrium melting），在在整个部分熔融过程中，熔体与残留固体始终保持平衡，直到熔体离去，这种整个部分熔融过程中，熔体与残留固体始终保持平衡，直到熔体离去，这种熔融又称熔融又称批次熔融、平衡熔融或一次熔融批次熔融、平衡熔融或一次熔融。8岩浆形成过程中部分熔融的定量模型2013/10/11第8页/共29页 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和液相之间的总分配系数始终保持不在固相和液相之间的总分配系数始终保持不变；变；

7、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。2023/2/1792.定量模型2个假设2013/10/11第9页/共29页推导出批次熔融定量模型:(5.1)CiL-元素i在形成熔体中的浓度，Ci0-i在原始固相中的浓度，D0-熔融开始时i在母岩矿物集合体与熔体之间的总分配系数，F-形成熔体占母岩重量百分数，反映部分熔融程度(0到1熔融程度增大)。P-元素在被熔参加熔体的那些矿物与熔体间的总分配系数。3.定量模型102013/10/11第10页/共29页如果熔融过程中原始固相中某一矿物质量百分数Wi0等于熔融后残余固相

8、中该矿物的重量百分数Wi和进入到熔体中该矿物相的重量百分数Pi，Wi0WiPi，则D0DP，即如果各种矿物相的熔化是按照它们在母岩中的标准比例进行，熔化过程中式D 中的Wi保持不变，或形成的熔体与母岩具有相同成分，PD0，式(5.1)简化为:或D0代替了P，为模式批次熔融模型(modal melting)。(5.2)(5.3)112013/10/11第11页/共29页地壳中要确定一种岩浆形成的源岩及其矿物成分一般很困难，式(5.1)的应用受到很大限制。但部分熔融的残余固相往往可在岩石深源包体中找到，所以赫尔托根和吉贝尔斯(1976)考虑在方程式中只包含可能为母岩的Tr浓度，熔体自残余体移出时残

9、余固相的矿物成分以及部分熔融程度。证明熔体移出时熔体移出时Tr在残余固体与熔在残余固体与熔体之间的总分配系数体之间的总分配系数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)122013/10/11第12页/共29页 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uCOi母体或母岩中某元素浓度uF部分熔融程度：F=0，熔融开始，u F=1,熔融结束uD残余固相与熔体间的分配系数u此式即为常用的批次熔融的定量模型。2023/2/17132013/10/11第1

10、3页/共29页l表明当熔体自残余体移出时，Cil/Ci0(给定微量元素在熔体中的浓度与在母岩中原始浓度的比率)只依赖于该元素在残余固体与熔体间的总分配系数D及部分熔融程度F。l而Tr在残余固相中的浓度(Cis)与母岩中该元素的原始浓度(Ci0)之比值(Cil/Ci0)，可以根据Cis/Ci0Cil/Ci0D 这种关系式计算出来，因为根据分配系数的定义：DCis/Cil。CiL/COi1/D(1F)+F 第14页/共29页2023/2/17154.部分熔融过程中微量元素的行为2013/10/11 当F 0（cL/co1/D）即部分熔融程度低时，微量元素在所形成的熔体中的富集和贫化程度最大；随着F

11、的增大，则熔体中的微量元素的富集和贫化程度逐渐减小。熔融程度很低时D1的不相容元素富集达到最大。如果知道某Tr在低度部分熔融岩浆中浓度和D值，据方程估计该元素在源区中浓度。F1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浓度趋于一致；第15页/共29页2013/10/11 总分配系数D 1的相容元素：在部分熔融的熔体中贫化，贫化的速度随F值的增大呈现出变缓的特征。第16页/共29页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。2013/10/1117第17页/共29页5.批次熔融实例

12、批次熔融实例l假定有一含斜长石45%，单斜辉石37%，橄榄石18%的辉长岩源岩经历部分熔融，用批次熔融模型计算当F=0.05，0.1，0.15，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9时Rb、Sr的Cl/Co。绘制每种元素的Cl/Covs.F的演化图解。182013/10/11第18页/共29页2013/10/11第19页/共29页2013/10/11第20页/共29页2013/10/11当已知F、D和现在地质体的微量元素浓度，就可以预测或计算原岩微量含量。第21页/共29页 岩浆结晶作用模型岩浆结晶作用模型2023/2/17222013/10/11第22页/共29页矿物

13、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，这是因为微量元素在晶体内部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速度，使元素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，导致熔体仅与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，而与晶体内部不平衡。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或者晶体形成后很快离开熔体(重力下沉等使晶重力下沉等使晶体不断从熔体中移出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在缓慢冷凝条件下结晶并与熔

14、体始终保持平衡，持平衡，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。者称平衡结晶作用。232013/10/11第23页/共29页第一种情形：第一种情形：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，或者是矿物快速从熔体中晶出，矿物与熔体仅具表面平衡，从而造成矿物平衡，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、边成分不均匀，形成矿物的环带结构，即的核、边成分不均匀，形成矿物的环带结

15、构，即不平衡分离结晶；不平衡分离结晶；第二种情形：第二种情形：微量元素在熔体中扩散的速度比在晶体（矿物）中慢得多。微量元素在熔体中扩散的速度比在晶体（矿物）中慢得多。此中情此中情况自然界极少。况自然界极少。2023/2/1724分离结晶作用元素扩散类型2013/10/11第24页/共29页1 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中慢得多，使得微量元素在晶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，而晶体边缘和晶体核部的分布不均一，导致晶体边缘与熔体能达到平

16、衡，而晶体内部则不能与熔体平衡，形成的晶体体内部则不能与熔体平衡，形成的晶体具环带状构造。具环带状构造。2023/2/17252013/10/11第25页/共29页2、定量模型定量模型瑞利分馏定律（Rayleigh fractionation law）2023/2/17262013/10/11第26页/共29页 ciL/ci0.L=F（D-1）uciL 残余熔体中元素浓度uci0.L原始熔体中元素浓度uF为残留熔体占原始熔体的分数uF=1岩浆开始结晶uF=0结晶完全u1F反映岩浆的结晶程度uD矿物和熔体间的总分配系数2023/2/17272013/10/11第27页/共29页2023/2/17282013/10/11F 总分配系数D1的元素（不相容元素）随F值从1 0（即结晶程度增加），微量元素在残余熔体中富集程度增强。F当D D 0 0时，微量元素i在分离结晶过程中几乎全部保留在残余熔体中，而不进入结晶相时；3、分离结晶过程中微量元素的行为第28页/共29页2013/10/11感谢您的观看！第29页/共29页