10第4章微量元素地球化学-岩浆作用模型2

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岩浆作用
火山岩 快 速 上 升 喷 出 地 表
结晶分异 同化混染
上升的地幔柱头 源区部分熔融 原始岩浆
软流圈
岩石圈地幔 中下地壳
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☞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过程微量元素行为的
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
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，
核心富集， 同时使与之平衡的熔体中Ni浓度降低
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。
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分离结晶作用元素扩散类型
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，即不平衡分 离结晶； 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。此中情况自 然界极少。
第4章
微量元素地球化学
-岩浆过程之定量模型
4.2 岩浆作用过程中微量元素分配
演化的定量模型
4.2.1 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
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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。
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3、分离结晶过程中微量 元素的行为
① 总分配系数D<1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。 ②当D ＝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；
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重点和难点
☞1.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； ☞2. D不同的微量元素在岩浆演化过程中的 行为 ☞3. 计算、作图、描述元素行为
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作业： 估算分离结晶程度F
• 已知一具原生岩浆性质的碧玄岩的Ni含量 为290ppm，与其互层的拉斑玄武岩中Ni 含量为155ppm，且已经证明拉斑玄武岩 为该碧玄岩浆分离结晶形成的残余岩浆， 试问：若分离结晶产物为二辉岩，分离结 晶程度是多少？ • 已知KOpx/LDNi=6.6， KCpx/LDNi=4， xOpx:xCpx=0.5:0.5 • ciL/ci0.L=F（D-1）
☞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，Wi0＝ Wi＝Pi，则D0＝D＝P，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，P＝D0，式(5.1)简化为: C 1 (5.2) [D F(1 D )] C ☞ 或 C 1 (5.3) [D (1 F ) F )] C
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。
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• 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。
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5. 批次熔融实例
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D K Wj
i j i i D
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n
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• 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。
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4.2.2 岩浆结晶作用模型
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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， 这是因为微量
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2. 定量模型2个假设
• ① 在整个部分熔融过程中微量元素在固相
和液相之间的总分配系数始终保持不变；
• ② 整个熔融过程中残余固相中各矿物相对
形成熔体的贡献比例保持不变。
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3. 定量模型
☞推导出批次熔融定量模型:
C 1 0 D 0 F(1 P ) Ci
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2、定量模型
• 瑞利分馏定律（Rayleigh fractionation law）
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ciL
ciL/ci0.L=F（D-1）
残余熔体中元素浓度 ci0.L原始熔体中元素浓度 F为残留熔体占原始熔体的分数 F=1岩浆开始结晶 F=0结晶完全 1－F反映岩浆的结晶程度 D矿物和熔体间的总分配系数
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1、结晶矿物与熔体只是表面平衡
–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，而晶体内部则不能与熔体平衡， 形成的晶体具环带状构造。
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岩浆作用指岩浆形成、演化和固结成岩的一系列
作用。 岩浆作用过程中，往往经历部分熔融作用、
同化混染、岩浆混合和结晶作用等过程。
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
浆演化高度灵敏的指示剂。
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如果在开放体系中， 岩浆分异通过以下两种过程 进行: 与其它固体混染物的同化作用(Assimilation of an initially solid contaminant) 两种以上成分不同的岩浆的混合作用(Mixing of two or more contrasting magmas)
n i 1
Wi KDi
l i i
0
0
0
l i i
0
0
☞D0代替了P， 为模式批次熔融模型(modal
melting)。
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☞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 体移出时残余固相的矿物成分以及部分熔融程度。 证明熔体移出时Tr在残余固体与熔体之间的总分 配系数D由下式给出： D＝(D0－PF)/(1-F) (5.4) ☞ 代入式(5.1)得： Cil/Ci0＝1/[D(1－F)+F] (5.5)
CiL/COi＝1/[D(1－F)+F]
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。 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/Ci0＝ Cil/Ci0D 这种关系式计算出来，因为根据分配系数 的定义：D＝Cis/Cil。
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。
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4.2.1岩浆形成过程中部分熔融的定量模型
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Tr在形成岩浆中富集或贫化的趋势。三种端元 模式: ① 批次或平衡熔融(batch melting): 部分熔融过程中 熔体与残余固相发生连续再平衡，直到熔体移出 - 平 衡部分熔融。 ② 分馏熔融(fractional melting): 部分熔融产生的无限 小量熔体连续地自残余相移出。 ③ 收集熔融(collection melting): 部分熔融产生的熔体 连续自残余相移出，聚集于一个岩浆房中，经充分混 合最后得出一种平均成分。
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 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(重力下 沉等使晶体不断从熔体中移出)。 ☞b.晶体在缓慢冷凝条件下结晶并与熔体始终保持 平衡， 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 称平衡结晶作用。
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4 .部分熔融过程中 微量元素的行为
♣① 当F →0（ cL/co→1/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。 ♣F→1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；
③总分配系数D >1
的元素（相容元素） 在分离结晶过程中倾 向于在矿物中富集， 并随矿物晶体的不断 析出，微量元素在残 余熔体随结晶度加大 而迅速贫化。 而在 部分熔融中相 容元素浓度随熔融程 度(F)增大缓慢增大。 应用这种差别， 可以 判别一个岩浆系列是 岩浆分异结晶的产物， 还是由部分熔融所成。
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CiL/COi＝1/[D(1－F)+F]
公式中各参数含义：
CiL熔体中某元素浓度 COi母体或母岩中某元素浓度
F部分熔融程度：F=0，熔融开始，
F=1, 熔融结束 D残余固相与熔体间的分配系数

此式即为常用的批次熔融的定量模型。
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② 总分配系数D <1的不
相容元素： 在熔体中富集，但其 最大的富集浓度不能超出 D =0的曲线。 当Di=0， c L / c o =1/F，这
与岩浆结晶分异过程中的情况相 同，部分熔融的开始相当于结晶 分异的结束。
③ 总分配系数D >1的相容
l i
(Байду номын сангаас.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。
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4.2.1 岩浆形成过程中部分熔融的定 量模型
1. 平衡部分熔融 2.定量模型假设 3.定量模型
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4.2.1岩浆形成过程中部分熔融的定量模型
1. 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，这种熔融又称批 次熔融、平衡熔融或一次熔融。
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。
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