8 第七章 岩浆化学作用

组分组成的矿物（长英质矿物）要求的熔融温度较低，它们在岩石部分熔融过 程中总是最先被熔出，因此，经部分熔融产生的岩浆在冷凝后再结晶形成的岩 百总是比原岩的酸性程度要高；同时，由于MgO、FeO、CaO等构成的矿物 （镁铁质矿物）要求的熔融温度较高，在岩石发生部分熔融时这些矿物较难被 熔出，因此经历过熔融作用后残留的岩石总是比原岩的基性程度要高。
27二、岩浆演化过程元源自的行为1、岩浆演化过程主量元素的行为
在岩浆结晶演化过程中，随着硅氧络阴离子团聚合程度增高（岛状→ 单链→双链→层状和架状），配离子之间公用氧的数目不断增加，配离子 中氧的有效电价逐渐降低，吸引自由阳离子的能力逐渐减弱，这决定了不 同聚合程度的硅氧络合阴离子与不同阳离子相结合的稳定性。 析出顺序：Mg→Fe→Ca→Na（K）
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一、岩浆的成分与性质
7.1.3 岩浆的性质
3、氧化还原条件 与岩浆的形成环境有关，深源岩浆形成与较还原的环境，生成的岩 浆氧化还原电位较低。 主要标志是变价元素的价态，一般岩石的ω（Fe2＋）/ ω（Fe3＋） >1，岩浆形成于还原环境， ω（Fe2＋）/ ω（Fe3＋）<1，形成于氧化 环境。挥发分也可指示岩浆的形成环境： 还原环境：CO、CH4、H2的含量高； 氧化环境：CO2、H2O、SO2含量高。 3Fe2O3＋CO→2Fe3O4＋CO2 3Fe2O3＋H2→2Fe3O4＋H2O
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二、岩浆演化过程元素的行为
在岩浆作用过程中，主量元素进入岩浆或从岩浆中晶出的 顺序主要受结晶相－熔浆相的相平衡条件控制（热力学控 制）；微量元素在结晶相－熔浆相间的分配主要受类质同象 规律控制（化学规律控制），间接受结晶相－熔浆相的相平 衡控制。 不同成分的原岩体系发生部分熔融（岩浆结晶）时，熔出 （结晶）的矿物相可以不同，因而在不同的岩浆演化过程中 微量元素在两相的分配系数（相容/不相容性的强弱）可能会 有一定变化，但总的特征是一致的。
连接，表示为M-O-M（图7.1）。
熔体中桥氧的比例越高，熔体的聚合程度也越高。
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一、岩浆的成分与性质
7.1.2 岩浆熔体结构
（3）阳离子的种类对硅酸盐熔体的结构有重大影响。 阳离子的电负性和电离势直接影响非桥氧的生成焓及熔体的混合自由 能，影响三种结构态氧在熔体中的比例和分布状态，从而影响熔体的聚合 程度。根据阳离子对聚合作用的贡献，可将它们分为两类： ①成网阳离子，位于Si-O四面体中心，在熔体中一般呈四次配位，起 着形成网络、增强聚合程度的作用。如Si、Ti，一部分Al和Fe，以及当Al、 Si间发生置换时起平衡电荷作用的Na、K等离子； ②变网阳离子，与非桥氧和自由氧联结的阳离子，与氧呈六次或更高 次配位，位于Si（Ti）－O四面体之间，起着降低聚合程度的作用。如Fe、 Mn、Mg、Ca及一部分Al、Fe、Na、K等。
前提：构造运动和构造环境起着沟通岩浆物源、约束过程发生的场 所和运移的途径、制约热动力学和物理化学条件等的作用。 不同构造环境中的热力学和物理化学条件不相同，会影响源岩的部 分熔融程度和熔浆成分的演化。 消减带组分（SZC）：岩浆中高场强元素（HFSE）相对大离子亲 石元素（LILE）亏损。 同位素的母体与子体相容性不同会造成相对分离，所以不同构造环 境的同位素初始值不同，其演化曲线也不一样。
7.1.1 岩浆起源与化学组成
花岗岩：陆壳岩石部分熔融的产物；
玄武岩：起源于上地幔不同深度和不同性质的橄榄质岩石 或者地幔柱； 安山岩：主要产生于俯冲带，具有多源性，（底侵玄武岩 部分熔融）；
原生岩浆：由部分熔融产生的岩浆；
岩浆过程：分离结晶、岩浆不混溶、岩浆混溶、同化混染
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一、岩浆的成分与性质
7.1.2 岩浆熔体结构
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CO2溶解度随温度的变化 （据Papale，1997）
在1323K流纹岩中CO2溶解度随 压力的变化 （据Papale，1997）
挥发分在不同岩浆类型中的溶解度
霞石
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夏威夷夏玄武岩
白榴石岩 霞石 碱性玄武岩 橄榄粗安岩
歪长粗面岩 粗面岩
CO2在不同岩浆类型中的溶解度（据Papale；1999）
本章内容
1.岩浆的成分与性质 2.岩浆演化过程元素的行为 3.岩浆源区和构造环境的判别
4.岩浆的演化机制与岩浆成矿
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一、岩浆的成分与性质
岩浆起源与化学组成 岩浆熔体结构
岩浆的性质
岩浆中的挥发分
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一、岩浆的成分与性质
7.1.1 岩浆起源与化学组成
当地壳或地幔岩石发生部分熔融时，由于由SiO2、Na2O、K2O、Al2O3等
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二、岩浆演化过程元素的行为
2、岩浆演化过程微量元素的行为
按微量元素在岩浆演化过程的类质同象行为差异，微量元素的分类：
（1）主要以类质同象方式进入长石、石英等矿物（K、Na、Ca的铝 硅酸盐矿物，也被称为长英质矿物）的微量元素，这些铝硅酸盐矿物在 岩浆结晶过程属于较晚结晶的矿物，在岩石的部分熔融过程中属于较易 熔融的相。多为强或较强的不相容元素，半径大，亲氧性突出，成为大 离子亲石元素（LILE）。 （2）主要以类质同象方式进入橄榄石、辉石等（Mg、Fe的硅酸盐 矿物，也被称为镁铁质矿物）的微量元素，如Ni、Co等，为较强的相容 元素。 （3）主要进入副矿物（如金红石、锆石、铌钽矿物）的微量元素， 如Ti、Nb、Ta、Zr等。半径小，电价高，称为高场强元素（HFSE）。 岩浆形成过程属于相容元素，结晶过程属于不相容元素。
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第七章 岩浆化学作用
在部分熔融过程中，较早被熔融的组分称为易熔组分，较难被熔融的
组分称为难熔（耐熔）组分。 新产生的熔浆相中优先富集的元素，称为不相容元素，在残余固相中
相对富集的元素，称为相容元素。
岩浆地球化学不仅研究岩浆形成和演化的化学过程，而且 关注在岩浆演化过程中元素的化学行为。
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第七章 岩浆化学作用
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一、岩浆的成分与性质
7.1.3 岩浆的性质
2、岩浆的酸碱度 在岩浆系统中，酸碱度用［O2－］来衡量， ［O2－］高时岩浆的碱 度强，酸碱度影响结晶相的结晶顺序和元素的迁移能力。例如： （1） ［O2－］高时，发生如下反应： 2K＋＋O2－→K2O；SiO2＋O2－ →SiO32－ 在发生上述反应时，碱性组分将提前结晶。 （2）两性元素（如Be、Al）在酸性条件下是变网阳离子，在碱性 条件下成为成网阳离子，可发生如下反应： BeO＋3O2－ →［BeO4］6－ Al2O3＋5O2－→2［AlO4］5－
岩浆中的成分按其含量高低可以划分为：
（1）基本组分（WB>1%）：如SiO2 、Na2O、K2O、Al2O3 、 MgO、 FeO、CaO等； （2）次要组分（WB为1%～0.1％）：如TiO2、P2O5、MnO、CO2、SO2
（3）微量组分（WB<0.1%）：除上述元素之外的其它元素。
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一、岩浆的成分与性质
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2、岩浆与热液
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二、岩浆演化过程元素的行为
1、岩浆演化过程主量元素的行为
主量元素：Si、Al、Fe、Ca、Mg、Na、K8种元素，占岩浆质量的 90％。 熔融度较低时， Na、K、 Si、Al的矿物被熔融； 熔融度较大时，Fe、Ca、Mg的矿物开始被熔融，熔浆的碱度和 SiO2含量降低。 应用部分熔融过程主要量元素的行为可以判断原岩的部分熔融程度： 富K、Na的碱性玄武岩是地幔岩熔融程度小于5％的产物； 当地幔岩石部分熔融程度达到10～30％时形成钙碱性玄武岩； F超过40～50％时将产生科马提岩。
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岩浆中的二氧化碳
岩浆中CO2的分子结构 （据Kubicki和Stolper，1995）
岩浆网状碳酸盐结构图 （据Kubicki和Stolper，1995）
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一、岩浆的成分与性质
7.1.3 岩浆的性质
1、岩浆的粘度 岩浆的粘度是由岩浆的结构决定的，而岩浆的结构与岩浆的组成有 关。 通常，酸性岩>基性（碱性）岩；其它离子增加或Si含量相对降低时， 岩浆的粘度下降。 岩浆的粘度影响岩浆分异和元素的迁移。
（2）若火成岩中相容元素（如Ni、 Co、Cr）含量变化小，同时不 相容元素比值［如w(Sr/w(Ba)、w(La)/w(Sm)]变化大，则为部分熔融 形成的。 （3）岩浆的结晶分异演化程度对探讨成岩过程和含矿潜力有重要意 义。
微量元素是否类质同象进入主要造岩矿物晶格，是它们是否能在晚 期及其后的地质作用过程富集成矿的关键。
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水在硅酸盐中可能存在的形式
关于水在硅酸盐熔体中的存在形式目前有三种观点 (Stolper,1982)： ①认为聚合的铝硅酸盐网被破坏形成非桥氧； ②认为通过H+对变网离子(Na，K)的置换而使水溶解在铝硅酸盐熔 体中； ③认为水在铝硅酸盐熔体中的溶解机理取决于总的水含量，当熔 体中含水量低于30mol%时，分子水与成网离子Al3+ 反应形成Al-(OH) 及少量Si-(OH)键；当含水量高于30mo1%时，熔体中占主导地位的是 分子水，而且是在平衡电价的位置上H+置换Na+并生成NaOH分子或水 的复合物Na+(H2O)n。
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图 面 上 H2O 含量据相应岩石中 高压熔体包裹体测 定。H2O来自下伏 消减板片，全岩微 量元素丰度变化是 地幔楔湿熔融结果。 H2O 含 量 与 HFSE （ 特 别 是 Nb ） 呈 负相关，与LILE、 LREE正 相 关 ， 因 此大部分低LILE、 LREE 、 高 HFSE 的基性岩是未修饰 的地幔减压熔融的 结果（Cervantes & Wallace, 2003, Geology, 31, 235~8）
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鲍文反应系列
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2、岩浆演化过程微量元素的行为
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二、岩浆演化过程元素的行为