火成岩化学成分和矿物成分和分类

相容元素和不相容元素



相容元素：分配系数大于1，元素主要集中在结晶相 （固相中富集）－－在岩浆结晶早期含量高－ Fe,Mg,Ca… ...。 不相容元素：分配系数小于1，元素主要集中在液相 （液相中富集）－－在岩浆结晶晚期(分异后的岩浆结 晶)含量高（富集）。－－两类： 1，高场强元素（HFSE or HFS）:半径小，电荷高、高 场强，REE,Th,U,Zr,Hf,Ti,Nb,Ta,Pb4+ 2,大离子半径亲石元素（LILE or LIL） ：半径大，电 荷低低场强元素:K,Rb,Cs,Ba,Sr,Eu2+,Pb2+ 根据元素分配系数可以预测它们在岩浆结晶过程中的行 为。
（1）SiO2：是最重要的成分，含量高，是 岩石酸性程度（基性程度）的标志。随着 SiO2含量的变化，其它氧化物呈现规律性 的增加或减少。 超基性岩SiO2<45% 基性岩SiO2=4553% 中性岩SiO2=53-66% 酸性岩 SiO2>66% （2）Al2O3 ：在火成岩中含量仅次于SiO2， SiO2 、Al2O3 与 CaO、Na2O、 K2O一起组 成长石和副长石类矿物；与FeO*、MgO、 CaO等结合形成辉石、角闪石、黑云母等 矿物。
Nernst分配系数
用分配系数来描述微量元素在物相间的分配。 在微量元素地球化学中，常用Nernst分配系数 描述微量元素在矿物和熔体之间的平衡分布， Nernst分配系数定义为： Kd＝Ci(矿物)/Ci(熔体) 其中Kd是Nemn Nernst分配系数，Ci(矿物)是元 素i在矿物中的含量，ci(熔体)是元素i在熔体中 的含量，其单位可以是则％，也可以是ppm
4. 同位素(Isotope)： 1400种



Байду номын сангаас
（1）传统的稳定同位素：炭、氢、氧、硫/非传统 Fe/Cu/Zn/Mo/As/Se/Ca/Li等同位素 研究意义：传统主要用来获得岩浆源区的信息；非 传统Mg、Fe同位素，制约早期行星演化, Cu和Zn同位 素环境演化。 16O,17O,18O,其中16O和18O在地质作用过程中分馏明显, 分馏造成不同源区的氧同位素组成会有明显不同. S 花岗岩>10%。;M型<6%。不同的稳定性同位素之间质 量上存在差异，在生物、物理和化学反应过程中的表 现不尽相同，从而导致反应物和生成物在同位素组成 上的差异，这一现象叫做同位素分馏效应(isotopic fractionational effect) ）

岩浆体系中微量元素的行为；亨利 定律—关于分配系数

事实上，理想状态很少，但如果溶液非常稀薄时，组分 和活度之间会呈正比例变化： ai=hiXi---亨利定律 稀溶液定律：在组分i的稀溶液中（摩尔分数Xi--0）, 物质i的蒸气压和组成呈线性关系 Ki=Pi/Xi 地球化学表达：在一定温度、压力条件下，当两个共存 地质相A,B平衡时，以相同形式均匀赋存于其中的微量 组分i在这两相中的浓度比值为一常数：kiA/B=CiA/CiB （简单分配系数，Simple partition coefficient)
火成岩的成分
--化学成份和矿物成分
2015 .11.3
一、火成岩的化学成分



1,常量元素：O、Si、Al、Fe、Mg、Ca、Na、K、Mn、Ti、 P、H、C等，其中O最多。在岩浆结晶过程中这些元素相 互结合，组成各种矿物。 主要化学成分通常以氧化物形式来表示：如SiO2 、 Al2O3 、Fe2O3 、 FeO 、MgO、CaO、Na2O、K2O、MnO、 TiO2、P2O5、H2O、CO2 等 。 实际上在岩浆中这些元素并非以氧化物形式存在，而多 是呈离子、原子或离子团的形式存在，如： Mg2＋、 Na +、 [SiO4]4-

火山岩（Na2O+K2O）—SiO2 （TAS）的 化学分类图(据 Le Bas et al., 1986)
15 13 11 9 7 5 3 1 37 49 53 41 45 超基性 基性 45 52 57 61 中性 63 69 65 酸性 73 77 Wt% 碱玄质 响岩 副长石岩 响岩质 碱玄岩 Na 2 O+K 2Owt% 响岩 粗面岩 (Q＜20%) 粗面英安岩 (Q＞20%) 粗安岩
洋岛玄武岩n( 87Sr)/n(86Sr).(0.70280)比洋 底和洋中脊玄武岩 n( 87Sr)/n(86Sr).(0.70437)低，意味后者源 区的n(Rb)/n(Sr).比前者高；洋底和洋中脊 玄武岩不易受到古老的硅铝层混染，这就 说明历史上地幔的一部分可能发生过Rb的 富集，而洋岛玄武岩可能来自更原始的地 幔－－地幔柱物质，这和地幔热点含较高 的U,Th,K相一致。 这种地幔的不均一被认为已经存在至少2Ga.
•2.主要元素的组成及其意义



从本质上来看，火成岩石的化学成分受其源区的 化学成分和矿物成分所制约。 熔体的主要元素和微量元素组成由部分熔融过程 类型和部分熔融程度而决定，尽管熔体在从源区 迁出上侵定位的过程中或许受到很大程度的调整。 火成岩石的放射性成因同位素组成能够准确地限 定其派区的性质，因为其初始比值在部分熔融和 岩浆房过程中保持恒定。 源区的本身成分是曾经发生在源区的各种地质过 程共同作用的结果。
流纹岩
( Ol＜10% ) 玄武 碧玄岩 粗安岩 粗面 玄武岩 玄武 玄武岩 安山岩 安山岩 英安岩
TAS图解的适用性 （1） 适用于非高镁 火山熔岩； （2） 所使用的岩石 应为未蚀变（或一些 低级变质）的新鲜岩 石； （3） H2O<2%,CO 2<0.5%（烧失量<2. 5%)； （4） 去掉挥发份后， 以100%重新计算各 氧化物的含量，然后 投图
哈克图解：
SiO2-其它氧化物 的相关图 1．分离结晶作用 2，研究同化作用 和分离结晶作用 （AFC图） 3．部分熔融作用
火成岩主要造岩氧化物含量的大致范围：

SiO2 34～75% 少数可达80% Al2O3 10～20% 在纯橄榄岩中较低 MgO 1～35% CaO 0～15% 但某些辉长岩中达 23% Fe2O3+FeO 1～15% 一般FeO>Fe2O3 Na2O 0～15% 霞石岩中可达 19.48% K2O 一般<10% 白榴石岩中可达 17.94% H2O+(结晶水)和H2O-(吸附水) 一般<2% ， 个别达 10% TiO2 0～2% 很少超过5% P2O5 0～0.5% 很少超过3% MnO 0～0.3% 很少超过2%
(1)里特曼(组合)指数(δ) δ=[ω(Na2O+K2O)2]/[ ω(Si O2)-43] δ<3.3者称为钙碱性岩, δ ＝3.3～9者为碱性岩 （alkaline rocks）, δ>9 者为过碱性岩。 (2) SiO2—(Na2O+K2O)图 解：该图解是较常使用的碱 度系列划分图解，可将火成 岩划分为碱性系列（A)和亚
3.稀土元素和微量元素：成因意义
微量元素（痕量元素）(Trace elements)： < 0.1%。一般不以独立的矿物相出现。 主要以类质同像形式替代矿物中的主要元素， 其次是保存在快速固结和冷凝的火山玻璃或气 -液包裹体中， 第三是吸附在矿物表面或以杂质的形式存在于 矿物矿物晶体缺陷的间隙中。
根据：岩浆体系中微量元素的 行为



相容元素（compatible element ） 当地幔发生部分熔融作用时，微量元素择优进入固体 (矿物)相的微量元素被称为相容元素，(如Cr、Ni、Co、 V等 ) ； 这些元素的离子半径、电荷、晶体场等晶体化学性质 与构成结晶矿物的主要元素（Fe\Mg）相似，因此，在 固-液相反应或平衡中易于呈类质同象形式进入有关矿 物相。 固-液相分配系数近于1.
岩石地球化学的研究

1)，野外的地质关系是利用地球化学数据进行研究的 前提。如果野外关系没有观察清楚，即便最好的地球 化学数据也可能给出模棱两可的解释。 2)，如何利用岩石地球化学数据来识别岩石形成的地 质过程；火成作用、沉积作用和变质作用过程的主要 地球化学指纹或者特征。


3)，地球化学数据的质量决定了研究的价值，任何的 分析都必须考虑方法的精度，准确度和检验限。




（2）放射性同位素：火成岩研究中具有重要意义的放 射性同位素主要有 K-Ar、Rb-Sr、Sm-Nd、U-Pb、Th-Pb、 Re-Os 和 Lu-Hf。 Sr有四种同位素,88Sr,86Sr,87Sr,84Sr,其中88Sr, 86Sr, 84Sr的丰度不变,87Sr可以由87Rb经过放射性,衰变 产生,-原岩的(86Sr/87Sr)n;87Rb的衰变时间 Rb(27,天然87Rb(放射), 85Rb)-K+; Sr(23,天然四个，稳定，88Sr, 87Sr, 86Sr, 84Sr)-Ca+; 87Rb→ 87Sr+β+ν+Q 岩石中87Sr组成是变化的，取决于该矿物及岩石的年龄 及其n(Rb)/n(Sr).



（3）Na2O和K2O ：是碱性长石的主要组成部分， 当其含量较高时还可形成碱性暗色矿物和副长石。 a. Al2O3< Na2O +K2O（分子数比，下同）：碱 过饱和岩石 b. Al2O3> Na2O +K2O+CaO（分子数比）：铝过 饱和岩石 c. Na2O +K2O < Al2O3 < Na2O +K2O+CaO ：钙 碱性岩 （4）FeO*、MgO、MnO与SiO2 结合形成橄榄石、 辉石等矿物。 （5）TiO2与FeO组成钛铁矿，与CaO结合生成榍 石，与P2O5、CaO结合则形成磷灰石。TiO2结合 形成橄榄石、辉石等矿物。

Li、V、Cr、Co、Ni、Cu、Pb、Th、U、Zn、 Rb、Sr、Ba、Zr、Nb、Ta、Au、Ag、Pt、W、 Sb、Bi、Sn 稀土元素（REE）：La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、 Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y 挥发分(V)：主要是H2O和CO2 ，其次是 SO2、 SO3 、 CO 、 N2、HCl、Cl2、F、H2S 、CH4 其总量一般<10％。挥发分通常溶解在岩浆中， 溶解度随压力增加而增大，随温度的增加而降 低。
岩浆过程的同位素示踪

岩浆分离结晶过程中，Sr趋向斜长石中，而Rb 留在液相中，结果是结晶过程中残余岩浆的 n(Rb)/n(Sr).值逐步增加。（热变质作用，风 化，沉积等作用影响明显！）
•研究意义：主要以此确定火成岩的形成年龄和岩浆源区及岩 浆演化的示踪。I 花岗岩<0.708;S花岗岩>0.708;直线的截距 (86Sr/87Sr)0;前提是新鲜和比较年轻.
不相容元素（ inconsistent element）



择优进入熔体相的微量元素叫做不相容元素，即它们 不能被矿物品格所容纳，只能进入熔体相－亲岩浆元 素 (hy-gromagmatophile elements) 。 在岩浆或热液的矿物结晶过程中趋向于在液相中富集 的某些微量元素(如Sn、Li、Rb、Sr、Cs、Be、Ba、Zr、 Hf、Nb、Ta、Th、u和稀土元素)。 固-液相分配系数近于零
高场强元素(HFS)



元素的电荷／半径比值常称为场强，相当于离子势，具 有小半经和高电价阳离子的元素称为高场强元素(HFS)， 其离子势>2.0。大半径且低电价阳离子的元素称为低场 强元素(LFS ) ，其离子势<2.0。低场强元素又叫大离 子亲石元素(LILF). 高场强元素包括镧系元素，Sc和Y，以及Th，U，Pb， Zr，Hf，Ti，Nb和Ta，具有极为相似的电价和半径。 低场强的大离子亲石元素包括Cs，Rb，K和Ba，还可以 加上Sr，二价的Eu和二价的Pb,它们的半径几乎相同。 他们通常具有低的分配系数D≤0.1（较多在熔液体相富 集）
分配系数D





微量元素在岩浆中的地球化学行为和岩浆的性质、成 因及演化过程密切相关。－－具有指征性的要素 1，戈尔斯密特（ Goldschmidt,1937）（元素置换） 定律：一个离子的大小和电荷与另外一个离子大小和 电荷相似，那么在晶体结构中两者可相互替代。 －－－类质同像： 完全类质同像：任意比例互溶，形成一系列组成比例 不同的混晶，镁－铁橄榄石，钙长石－钠长石－斜长 石 部分类质同像：碱性长石：钾长石－钠长石。