12-微量元素地球化学

3.岩浆过程中微量元素定量模型
③ D>1的相容元素在部分熔融 形成的熔体中贫化。与分异结 晶不同，部分熔融中相容元素 浓度随熔融程度(F)增大缓慢增 大; 而在分异结晶中，相容元素 随结晶程度增大(F减小)在残余 岩浆中迅速贫化。 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。
容元素）是常见的两类基性火山岩。
成因探讨：
1、碱性玄武岩是由拉斑玄武岩经结晶分异富集强
不相容的碱金属而形成的；
2、由于地幔岩浆侵入地壳时，可能因受到地壳的
混染而碱金属含量增高。
已知大洋拉斑玄武岩的Rb含量约为1ppm，而碱性玄武 岩 Rb 的平均含量为 18ppm 。在玄武岩中主要的造岩矿物 为橄榄石、斜方辉石、单斜辉石和高钙斜长石。 Rb 在玄 武质岩石造岩矿物与熔体间的分配系数为： K ol/m≈0 (橄榄石-熔体)、K opx/m≈0 (斜方辉石-熔体) （碱金属很难进入Ol和Opx）
在分离结晶作用过程中，强不相容和中等不相容元素
的瑞利方程CiL/Ci0=FDi-1可进一步整理为 ：
CHL=CH0/F (强不相容元素) CML=CM0/F (中等不相容元素)
将上两式作相除，有：CHL/CML=CH0/CM0=常数
在 CHL vs CHL / CML 的图解上， 主要受到分离结 晶作用影响的岩 浆岩样品将近水 平方向分布；而 受平衡部分熔融 作用影响的岩浆 岩样品将斜率为 DM/CM0的直线 分布。 冰岛Reykjanes海岭火山岩中两类不同成因的火山岩
于熔体中Ni浓度愈来愈低，结果出现橄榄石晶体从核心
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。
因此，仅仅依靠简单的分配 定律显然不够，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。最常用的为结晶分异和 部分熔融过程模型。
斜长石中的元素分带
3.岩浆过程中微量元素定量模型
3.1结晶分异过程 矿物从熔体中结晶的两种平衡方式: 1.晶体与熔体仅具表面平衡，所形成晶体具环带状构造。 a、微量元素在晶体中扩散速度比在熔体中慢，且晶 体形成后很快离开熔体； b、微量元素在熔体中扩散速度比晶体生长速度慢。
2.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。
0.01
F
0.8
1
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
溶体增加的方向
3.岩浆过程中微量元素定量模型
部分熔融Cil/Ci0与F关系。 Cil/Ci0＝1/[D(1－F)+F] ① 当F→0， Cil/Ci0→1/D， 形成 熔体中微量元素富集或贫化程度最 大。随F增大，熔体中微量元素富 集或贫化程度减小。当F→1， Cil/Ci0=1。 熔体中元素浓度完全与 母岩中原始浓度一致。 ② D<1的不相容元素在形成熔体中 富集，最大富集浓度不会超出D＝ 0的曲线，D＝0时， Cil/Ci0＝1/F， 与分异结晶一致，部分熔融的开始 相当于结晶分异的结束。
平衡部分熔融过程的定量模型：假设产生的全部熔体 与残留相保持平衡
岩浆 F 源岩 1-F 残留相
ci o
ci s
考虑源岩中微量元素i的量和岩浆+残留相中的量相等，可得方程： cio= Fcil + (1-F) cis
3.岩浆过程中微量元素定量模型
变换方程：cio = Fcil + (1-F) cis 用 cil 除方程两边，得： cio/ cil = F + (1-F) (cis/cil) 由于(cis/cil) 就是元素i的总体分配系数Di，因此得到： cio/ cil = F + (1-F)Di 将方程两边上下对换，得到： ci l = o ci
3.岩浆过程中微量元素定量模型
部分熔融研究的意义 1）定量分析元素的集中与贫化程度 如地幔岩石部分熔融作用决定了不相容元素在地壳 中相对富集，了解硅酸盐地球不同圈层化学演化趋势。 2）对分析成矿作用具有理论意义 低度部分熔融作用有利于强不相容元素成矿，而高度 部分熔融程度有利于不相容程度低或相容元素相对富集。 3）认识岩浆源区的化学特征及岩石成因 不相容程度低的元素可对源区化学组成进行指示，而 不相容程度高的元素可对确定发生部分熔融的程度(F值) 提供依据，进而对源区岩浆事件热状态与构造背景进行 探讨。
1 F+(1-F)Di 1 = Di+(1-Di)F
如果Di = 1，则： cil/ cio = 1 如果Di 1，则： cil/ cio 1/F
3.岩浆过程中微量元素定量模型
如果Di = 1，则： cil/ cio = 1；Di 1，则： cil/ cio 1/F
100
10
•应用瑞利方程(非平衡) : •应用岩浆平衡结晶模型:
F=3.70%。
CiL/Ci0=FDi-1，得到F=5.87%
(式中CiL和Ci0分别等于18和1ppm，DRb=0.0193)， CiL/Ci0=1/ [Di(1-F)+F] ，得到
岩浆结晶程度F值已接近于0，表明理论上拉斑玄武岩经 结晶分异作用可满足碱性玄武岩Rb的含量要求，但此时 拉斑玄武岩已接近完成结晶作用。故大量碱性玄武岩的 形成不可能是经由拉斑玄武质岩浆结晶分异形成。
平 衡 部 分 熔 融 的 产 物 。
岗 闪 长 岩 和 二 云 母 花 岗 岩 系 列 则 应 为
过 分 异 结 晶 过 程 形 成 ， 而 闪 长 岩 、 花
3.岩浆过程中微量元素定量模型
岩浆作用过程的研究 岩浆作用过程应包括了从源区岩石的部分熔融，移 出源区后的结晶分异过程。无论在部分熔融过程还是岩 浆结晶分异过程，均可对元素的分配行为产生影响。 在地质研究中，研究者面对的地质样品是岩浆综合 了两过程化学演化经结晶固化后的结果。因此，研究者 总是希望从地质样品中寻找能反映这些过程的地球化学 信息，进而对岩浆岩的成因与岩浆化学演化过程进行分 析。
K cpx/m=0.003(单斜辉石-熔体)、K pl/m=0.05(斜长石-熔体)
玄武岩中造岩矿物的组成比例为：
Opx：cpx：pl=0.05：0.60：0.35
由此计算获得的Rb总分配系数(岩石/熔体)为：
DRb=0.0030.6+0.05 0.35=0.0193
若拉斑玄武岩经结晶分异作用，其残余岩浆中Rb的 含量水平能达到碱性玄武岩的Rb含量：
3.岩浆过程中微量元素定量模型
平衡结晶作用
右图为不同分配系数
的微量元素在平衡结晶
过程中，熔体中元素含
量随F值的变化趋势。请
注意对比平衡与非平衡
过程中微量元素含量的 演化特点。 矿物结晶程度增加方向
3.岩浆过程中微量元素定量模型
结晶过程元素分配模型的研究意义——探讨岩石成因
拉斑玄武岩和碱性玄武岩（富集碱金属以及其它的不相
D1
略升
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
极低
极低
分异结晶作用的晚期 D1 D1 几无 骤升 几无 骤升 缓降至1 缓升至1
3.岩浆过程中微量元素定量模型
ci l 结晶作用模型： o = F(D-1) ci
当D1，cil/cio= 1/F。元素i在残 余岩浆中浓度主要与结晶程度有 关，可作为结晶分异程度的指示。 如果D 1，cil/cio= 1。即元素i在 岩浆中和结晶相中的浓度都没有 大的变化。 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）变化都非常平稳，也可 以用来指示岩浆演化的进程。
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。
3.岩浆过程中微量元素定量模型
分离结晶过程的定量模型 设结晶的矿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：Xi熔体＝Xi0· F(D－1)
残余岩浆 原始岩浆
ci l
F
c il (D-1) = F o ci
c iR (D-1) = DF o ci c is 1-FD = o ci 1-F
(2) 对于固 - 液相分配系数低的强不相容元素（接近 0 ）， 与0.2-0.5比较可忽略不计。在部分熔融过程中 (图解上 主要为部分熔融程度F=0-0.3的范围)，熔体中这类元素 的浓度变化较大，但在分离结晶作用过程，熔体中这类 元素的含量变化相对较缓。 (3)对于固-液相分配系数中等的不相容元素，它们的总 分配系数与1比较，可近似地忽略不计。
HREE，Zr或Hf为典型M
•在部分 熔融过 程中 ， 对于强 不相容 元素 (H—highly
incompatible elements) 和中等程度不相容元素 (M— moderation incompatible elements) ， 它 们 的 CiL/Ci0=1/[Di(1-F)+F] 方程可进一步整理为： CHLCH0/F (强不相容元素) D(1-F)0 CMLCM0/(DM+F) (中等不相容元素)DF0 两式相除： CHL/CML=(CH0/CM0)(1+DM/F)=CH0/CM0+ CHLDM/CM0
3.岩浆过程中微量元素定量模型
平衡结晶作用
矿物与熔体连续再平衡，形成无环带晶体，用于描述平 衡部分熔融的方程式也适用于该过程：
0 C i l Ci ＝ D(1 F ) F
以下面假定为前提: ① 整个结晶过程中晶体与熔体之间 具有表面平衡，且分配系数或总分配系数始终保持固 定; ② 自岩浆中结晶的矿物种类及其相对比例保持固定。 两种假定均偏离真实岩浆结晶过程。但解决实际问题 的效果令人满意。
3.岩浆过程中微量元素定量模型
3.2部分熔融过程
如果熔融区滞留熔体，一直 与残留相保持某种程度的平 衡，称为平衡部分熔融过程 如果熔体一产生就很快离开 熔融区，而移至别处汇聚， 称为分离部分熔融过程。 如果产生熔体的量，每达到 一定程度，就离开熔融区， 而移至别处汇聚，称为批式 部分熔融过程。
3.岩浆过程中微量元素定量模型
Biggest difference for compatible elements (e.g. Ni, Co)
3.岩浆过程中微量元素定量模型
Allegre等(1978) 对比结晶与熔融过程中不同性质的微量 元素行为，可总结出以下规律：
(1)固- 液相分配系数高的相容元素，在分离结晶作用过 程中浓度变化很大，但在部分熔融过程中则变化缓慢。
ci l = 1 ci o Di(1-F)+F 溶体 0.01
0.1 0.5
100
10
ci s = Di cio Di+F(1-Di) 残留体
D = 10
5 2 0.5 0.1 D = 0.01
ci l ci o
1
2 5
0.1
ci s ci o
1
D = 10
0.1
0.01 0 0.2 0.4 0.6
5.微量元素的示踪意义
Treuil和Joron(1973,1975)利用REE和其它微量元素在部
分熔融和分异结晶过程中分配行为的差别，创制了岩浆 岩形成机制判别图解法: 划分“超亲岩浆元素”(H)和“亲岩浆元素”(M) H—总分配系数小到相对于0.2-0.5可忽略不计. M—总分配系数小到相对于1可忽略不计. La，Ta，Th和Ce为典型H
ci o
瞬时结晶相
ci R
平均结晶相 cis
1-F
3.岩浆过程中微量元素定量模型
ci l (D-1) = F ci o
残余岩浆中
100
100
ci R (D-1) = DF ci o
瞬时结晶相中
100
平均结晶相中 ci s 1-FD = o ci 1-F
10
1
0.01 0.1 0.5
2
10
10
1
0.5 2 5 0.1 10 0.01
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
1
0.5
10 5 2
0.1
5 D = 10
0.1
0.1
0.1
0.01
0.01 0 0.2 0.4 0.6 0.8
0.01 0 0.2 0.4 0.6 0.8
0.01
溶体减少
F
1
晶体增加
F 晶体增加
F
1
3.岩浆过程中微量元素定量模型
分异结晶作用的早期 残余岩浆 D1 迅速降低 瞬时结晶相 平均结晶相 开始特高， 开始特高， 迅速降低 缓慢降低
上次课回顾
微量元素 稀溶液定律 能斯特分配定律、能斯特分配系 数、影响分配系数的因素、分配系 数的应用
五、微量元素地球化学-2
3.岩浆过程中微量元素定量模型
橄榄石自玄武岩浆中结晶，Ni将在晶体核心富集
（Ni在橄榄石与熔体间的分配系数≈14），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，由