1、7 硅酸盐熔融体系的地球化学,讲课重点： 地幔岩部分熔融模型与玄武岩浆、花岗岩浆的形成； 岩浆结晶中主要元素的地化行为和微量元素的分配定量模型。,主要内容： 7.1 地幔物质的部分熔融与玄武岩浆的形成 7.1.1 地幔的部分熔融;7.1.2 地幔岩部分熔融模型和批次熔融、分馏熔融 7.2 地壳物质的部分熔融与花岗岩成因 7.2.1 地壳物质形成花岗岩的证据和地壳物质部分熔融实验 7.2.2 花岗岩浆的形成及成因分类; 7.2.3 部分熔融与陆壳的演化 7.3 硅酸盐熔体结构与岩浆中主要阳离子的结构作用 7.3.1 岩浆的成分; 7.3.2 硅酸盐熔体的聚合作用与结构模型 7.3.3 岩浆中主要
2、阳离子的结构作用 7.4 微量元素在岩浆结晶中的定量模型-瑞利分馏定律 7.4.1 微量元素在岩浆结晶中的定量模型-瑞利分馏定律公式 7.4.2 微量元素Ba、Cu、Mn、Ca、Sc、Co、Cr、Ni在岩浆结晶时的行为,7 硅酸盐熔融体系的地球化学 7.1 地幔物质的部分熔融与玄武岩浆形成,7.1.1地幔物质的部分熔融 7.1.1.1 部分熔融定义在地球深处某些热量聚集的部位,固相岩石由冷到热慢慢升温,易熔组分先熔,形成岩浆,难熔组分残留为固相,在很大范围内处于半熔状态,称为部分熔融。 7.1.1.2 与部分熔融有关的问题:(1)热量来源地球的内能：包括放射同位素衰变能、地球分异的位能等等。(
3、2)岩浆产生的地质条件构造断裂：减压带，岩浆上升通道。(3)岩浆成分易熔组分Si、Al、K、Na和H2O， 6500C开始熔融；难熔组分Mg、Fe、Ca、Ti、P，10000C 以上熔融。(4)母岩含水和CO2含水降低熔融温度和岩浆粘度。(5)压力_干压;水压.(6)地球没有统一的”岩浆源”每一股岩浆都有自己的特殊性即因部分熔融程度、构造部位、压力、温度、母岩成分等不同.,7 硅酸盐熔融体系的地球化学 7.1 地幔物质的部分熔融与玄武岩浆形成,7.1.1.3 地幔岩分异出玄武岩浆的证据:美国夏威夷和苏联勘察加半岛进行环太平洋火山活动的地球物理测量,地震波计算出的地震源为 60 70 KM处(固
4、体岩石),岩浆源应深于地震源，超出莫霍面,来自6090 KM的上地幔。(2)夏威夷火山熔点测温为10001500 0C，用地热增温率计算大于40KM。 (dT/dH)=10C/33M : 20KM- 6000C； 100KM-14000C； 500KM-18000C； 地心-2000-50000C。 测得火山喷出的玄武岩浆来自地下6090 KM 处.,7.1.1.3(3)世界各地大量玄武岩中有二辉橄榄岩包体,后者为地幔岩成 分。(4)基性岩、超基性岩分布于超壳大断裂带附近上地幔物质上 侵通道。(5)同位素证据: 玄武岩中34S=1.3 ; (87Sr/86Sr)=0.7010.706.(6)玄
5、武岩中微量元素:Nb Ta ; Zr Hf ; U Th ; Hree Lree.(7)实验证明玄武岩浆产生于: T = 1000-1200; P = 30-80 Kb; H = 30-150 KM.,岩浆产生,7.1.1.3,7.1.1.3,俯冲带岩浆产生,7.1.1.4 林伍德模式: 地幔岩 = 3橄榄岩 +1玄武岩 成分:橄榄石 70% ; 辉石 20% ; 长石 10% . 7.1.1.5 地幔岩部分熔融举例： 2MgSiO3(顽火辉石) Mg2SiO3 (残留相)+SiO2(熔体相) 1557 0C 1910 0C 690 0C残留相 D 1,相容元素,难熔组分.如:橄榄石、斜方辉石
6、等;熔体相_ D P1 (H2O),P1 (H2O),T,P2 (H2O),有水参与时,水压越大熔点降低越多,7.1.2.7,夏威夷玄武岩的稀土模式,地幔部分熔融的三元相图,7.1.2.9,7 硅酸盐熔融体系的地球化学 7.2 地壳物质的部分熔融与花岗岩成因,7.2.1地壳物质形成花岗岩的证据和地壳物质部分熔融实验 7.2.1.1 证据(1) 野外观察: A. 花岗岩只在大陆有,大陆花岗岩不与玄武岩共生; B. 海相玄武岩不与花岗岩共生; 目前仅在冰岛和格凌兰发现大基性岩岩基可分异少量的花岗闪长岩,但没有真正的花岗岩. C. 有的花岗岩有层理,个别有化石,与围岩呈渐变关系. D. 花岗岩以“岩
7、基” 、 “岩珠”出现,没有“底”和岩浆上涌通道. E. 月球和其它行星只有玄武岩,没有花岗岩. F. 构造环境:玄武岩-拉张环境,例如洋脊玄武岩,玄武岩占喷发 岩的 98 % ; 花岗岩-挤压环境,与造山带有关. (2)同位素证据: 玄武岩 87 Sr/86 Sr =0.702-0.706 花岗岩 87 Sr/86 Sr =0.705-1.003 (3) 实验证明:粘土岩 、杂砂岩熔体可以形成花岗岩成分.,7 硅酸盐熔融体系的地球化学 7.2 地壳物质的部分熔融与花岗岩成因,7.2.1.2 地壳物质的部分熔融实验 实验 (1) : 温克勒和普拉坦 (1968): 原料:德国荷皮因格姆矿床的制
8、瓦粘土; 成分:伊利石-60% ; 石英-24% ; 高岭土5-10% ;蒙脱石少量. 实验:制瓦粘土在7150C 、 PH2O =2108 Pa时开始熔化 温度 715 0C 矿物 细晶岩 熔融程度 0 % 725-730 0C 花岗岩 780 0C 花岗闪长岩 50-55 % 实验(2) : 原料:德国西捷麦列尔河谷采石场的杂砂岩; 成分: 斜长石-30 % ; 石英 34 % ; 白云母 -20 % ; 绿泥石12 %; 碳酸岩1 %; 金属矿物-4 %. 实验结果(见下表):,地壳物质部分熔融实验,熔体组分的百分含量,7.2.1.2,花岗闪长岩,7 硅酸盐熔融体系的地球化学 7.2 地
9、壳物质的部分熔融与花岗岩成因,7.2.2 花岗岩浆形成 7.2.2.1 成因分类 1) 玄武岩浆分异出花岗岩(幔源):1928年,鲍文根据对玄武岩浆结晶过程的地质观测和实验研究,提出著名反应原理暗色矿物和浅色矿物的反应系列,并据此推断花岗岩由玄武岩浆经结晶分异而形成的. 实例:格陵兰的斯盖嘠和加拿大的MUSKOX巨大侵入体分异出少量花岗闪长岩. 2) 地壳物质部分熔融:已经形成地壳的固体岩石部分熔融. 3) 花岗岩化:是超变质混合岩化区域变质的交代变质成因. 按花岗岩形成的构造部位 成因方式和特征矿物分类: 例如: I 型、S型、M 型、A型; 钛铁矿型和磁铁矿型等;,7 硅酸盐熔融体系的地球
10、化学 7.2 地壳物质的部分熔融与花岗岩成因,7.2.2 花岗岩浆形成 7.2.2.2 成因分类的元素特征 M型大洋岛孤型斜长花岗岩为主（与岛弧火山岩共生）（87Sr/86Sr）0.704；（AlKNa+Ca）1.0 ； 斑岩型Cu.Au矿化活动大陆板块边缘型科迪勒拉I型（87Sr/86Sr）0.706 ； （AlKNa+Ca）1.05；与辉长岩共生的英云闪长岩或二长花岗岩，斑岩型Cu、Mo矿化（或与安山岩或英安岩共生）造山期后隆起型加里东I型 0.705 （87Sr/86Sr）0.709；（AlKNa+Ca）1；花岗闪长岩和花岗岩为主，矿化通常不强。,7.2.2.2克拉通褶皱带和大陆碰撞型S
11、型（ 87Sr/86Sr） 0.708； （AlKNa+Ca）1.05；过铝质花岗岩组合，云英岩型和脉型W、Sn矿化稳定褶皱带和克拉通穹隆和裂谷型A型（ 87Sr/86Sr） 0.7030.712，变化范围大；（AlKNa+Ca）过碱性的，相对富F。 Nb-Fe矿 SnO2和萤石CaF2矿化,花岗岩分类特征(续),花岗岩分类特征,7.2.2.6,7 硅酸盐熔融体系的地球化学 7.2 地壳物质的部分熔融与花岗岩成因,7.2.3 部分熔融与陆壳的演化 7.2.3.1 地壳热流值,7.2.3.2,陆壳形成模式,大陆增生模式,地壳(体积%),年龄(109年)陆壳增长的三种模式,7.2.3.3,7.2.
12、3.4,壳幔混合,全球大陆增生,7.2.3.5,北美大陆增生,7.2.3.6,北美大陆增生,7.2.3.7,中国陆壳年龄,7.2.3.8,华南陆壳年龄,7.2.3.9,华南陆壳年龄,7.2.3.10,陆壳演化,7.2.3.11,陆壳演化,7.2.3.12,陆壳元素演化,7.2.3.13,陆壳元素演化,7.2.3.14,陆壳元素演化,7.2.3.16,华南元素演化,7.2.3.17,华南元素演化,7.2.3.18,华南元素演化,7.2.3.19,地壳运动(海底扩张),7.2.3.20,地壳运动(大陆飘移),7.2.3.20,地壳运动(大陆飘移),7.2.3.21,地壳运动(岛链),7.2.3.2
13、2,地壳运动(海底扩张),7.2.3.23,7 硅酸盐熔融体系的地球化学 7.3 硅酸盐熔体结构与岩浆中主要阳离子的结构作用 7.3.1 岩浆成分,7.3.1.1 元素成分1) 八种造岩元素:O、Si、Al、Fe、Mg、Ca、Na、K占岩浆的 90%以上。2) 微量元素： 1-0.1%的有:P、Ti、H、Mn、S、Ba、Sr、Rb、Cs、Li、 Sc、Zr、W、Sn、Nb、Ce、La、V、Cr、Ni、Co、Cu、 Zn、Pb 1 时: 全部Al3+和与Al3+数目相等的K+Na+ 进入四面体,为造网离子; 当(K+Na+)/ Al3+ 1 时: 与K+Na+数目相等的Al3+进 入四面体,为造
14、网离子;其余Al3+为变网离子.3) Fe3+-四配位(造网离子); 六配位(变网离子)4) Fe2+、Mg2+、Ca2+、Na+、K+ -全部变网离子,7.3.2.2 硅酸岩熔体的聚合的结构模型:1)群聚态组:是指岩浆熔体内复杂的絡阴离子团有序结构的局部区域(近程有序),其内部结构与晶体结构相似,边缘有序度低且与熔体处于动态平衡中.2)硅氧四面体群聚态组结构(后7.1表):形成岩浆岩中广泛的硅酸盐矿物3)桥氧、非桥氧、自由氧和极化、脱极化: Me-O-Me 自由氧 极化 Si-O-Me 非桥氧 Si-O-Si 桥氧 脱极化4)金属氧化群聚态组:形成岩浆岩中广泛分布的副矿物。 MeN+ +XO
15、2-=( MeOX )-2X+N 高价元素可形成金属氧化群聚态组: P、Ti、Zr、Hf 、 W、Sn、Nb、Ta ,硅氧四面体,7.3.3 岩浆中主要阳离子的结构作用7.3.3.1硅氧四面体,硅氧四面体,7.3.3.2,晶格能,7.3.3.3,7 硅酸盐熔融体系的地球化学 7.4 微量元素在岩浆结晶分异中的定量模型-瑞利分馏定律,7.4.1 瑞利分馏定律 7.4.1.1 公式推导:体系中微量元素Tr的摩尔份数为: XTr =Y(Tr组分mol) / n(所有组分mol) 当含Tr的矿物晶出时,新生晶体中的Tr浓度为: XTr晶 = dY(新生晶体中Tr mol) /dn(新生晶体中所有组分m
16、ol) XTr晶 = KD. XTr熔体 = ( dY/dn ) -(1) 而残余熔浆中Tr浓度为 : XTr残熔 = (Y-dY) / ( n-dn) =Y / n -(2) (2)式变形为: Y= n. XTr熔体 -(3),(3)式两边微分: dY=d(n. XTr熔体 ) =n.d XTr熔体 + XTr熔体 .dn -(4) 将(4)式两边除以 dn得:( dY/dn )= (n.dXTr熔/dn)+ XTr熔 -(5)将(5)式代入(1)式得:KD.XTr熔 = ( dY/dn )= (n.dXTr熔/dn)+ XTr熔 -(6)整理(6)式KD. KD.XTr熔 - XTr熔 =
17、 n.d XTr熔 /dn (KD 1). XTr熔 = n.dXTr熔/dn dn/n = (d XTr熔 )/(KD 1). XTr熔 -(7),7.4.1.1,对(7)式积分:左 =01 dn/n =ln n1 ln n0 =ln (n1/n0)右 =01 dXTr熔 /(KD 1). XTr熔 =1/(KD 1).ln (XTr熔 / XTr0熔)；左 = 右 ln (n1/n0) = 1/(KD 1).ln (XTr熔 / XTr0熔)(n1/n0)(KD 1) = XTr熔 / XTr0熔 -(8)令(n1/n0 )= F ,则(8)式为: F(KD 1) = XTr熔 / XTr
18、0熔 XTr熔 = XTr0熔. F(KD 1) -瑞利分馏定律公式XTr晶= KD * XTr熔 = KD * XTr0熔. F(KD 1) 在上述基础上，shaw(1970)等导出了微量元素在部分熔融的定量模型： XTr熔 / XTr0熔=1/D（1-F）+F,7.4.1.1,7 硅酸盐熔融体系的地球化学 7.4 微量元素在岩浆结晶分异中的定量模型-瑞利分馏定律,7.4.2 微量元素Ba、Cu、Mn、Ca、Sc、Co、Cr、Ni在岩浆结晶时的行为,7.4.2.1 熔融和结晶图,7.4.2.2 岩浆结晶分异过程中微量元素的分配,Cl/C0=F(D-1)Cs/C0=D*F(D-1),微量元素结
19、晶次序,7.4.2.3 晶体场理论对微量元素晶出行为的制约： 结晶次序:在岩浆结晶过程中，八面体择位能OSPE大的过渡金属离子优先进入矿物晶格中,lgR,lgR,Fe,7 硅酸盐熔融体系的地球化学 7.4 微量元素在岩浆结晶分异中的定量模型-瑞利分馏定律,7.4.3 岩浆岩中元素结晶特征 7.4.3.1 超基性岩和基性岩 1）根据d能原理，首先晶出的是能量大的元素 : 早 OSPE值大 晚 小 2）原子序数为偶数：8O、12Mg、14Si、16S、20Ca、22Ti、24Cr 、 26Fe 28Ni 78Pt，占97%，超基性岩尤突出；基性岩中Na、Al、K加入长石晶格，奇数元素增加。 3）4
20、Q型：原子核稳定性大-16O、24Mg、28Si、32S、40Ca、48Ti、52Cr、56Fe等。 4）电价为偶数价，尤以2+为主：如：Mg2+、Fe2+、Ni2+、Ca2+、 Si4+、Ti4+及O-2、S-2等， 奇数化合价元素较少 Na+、K+、Al3+,5）超基性岩和基性岩浆的结晶是在缺氧条件下，故变价元素为低价：Fe2+、Ti3+、V3+、Cr3+。这时铁形成硫化物为磁黄铁矿FeS,而不是黄铁矿FeS2 ,有自然碳（金刚石）C0. 6）类质同象极为发育：（高温条件完全类质同象）等价类质同象：橄榄石中 Fe2+Mg2+； Ni2+Co2+Fe2+Mg2+ ; 普通辉石 Mn2+Fe2
21、+; Pt元素相互置换等。异价类质同象：橄榄石中 Sc3+Mg2+ ; 磁铁矿中 Ni2+ V3+ Mg2+ Fe2+Fe3+ ; 钛铁矿中 Nb5+Ti4+7）聚集Fe族元素：Sc3+、 Ti、 V、 Cr、 Mn、 Fe Co、 Ni 变价离子,不对称性,染色性高，顺磁性强，颜色很深（Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt）.,7.4.3.1,8）矿物晶格能大，耐高温，高硬度。化学性质稳定： 耐高温：刚玉、铬铁矿、钛铁矿 高硬度：金刚石、尖晶石、铬铁矿 化学性质稳定：金刚石、刚玉、铂族元素、Au等 9）超基性、基性岩中MgO/FeO与矿化： MgO/Fe 146.5 镁质超基性岩 Cr (尖晶
22、石)、pt矿化 6.5-2 铁质超基性岩 Cu、Ni、pt矿化 20.2 富铁超基性岩 Fe、pt矿化 2 铁质基性岩 Fe矿 硫化物88% 0.5 富Fe质基性岩 氧化物(Fe3+较高的Eh值),7.4.3.1,7 硅酸盐熔融体系的地球化学 7.4 微量元素在岩浆结晶分异中的定量模型-瑞利分馏定律,7.4.3 岩浆岩中元素结晶特征 7.4.3.2 酸性岩1）除O、Si以外、原子序数为偶数和电价为偶数的元素大 大降低，如Fe2+、Mg2+、Ca2+； 奇数序和奇价元素大大增加：如Al3+.K+2）化合价岐化现象：低价:Li+、Be2+ 、 F-1、Na+1、K+1、Rb+1、Cs+1、Ba+2
23、高价:Ree3+、Zr4+、Hf4+、Nb5+、Ta5+、U+6、Th4+、W6+、Sn4+,3）碱金属K、Rb、Cs含量和Si含量升高；4）易挥发性化合物含量升高：F-、Cl-、OH-、P等5）矿物熔点低主要矿物：长石、石英、黑云母、白云母6）副矿物种类多：锆石、磷灰石、榍石、褐帘石、独居石、 电气石、 锡石、萤石、金红石、磁铁矿.,7.4.3.2,思考题：一.名词解释： 1.部分熔融 2.批次熔融 3.分馏熔融 4.花岗岩化作用 5.群聚态组 6.桥氧、非桥氧、自由氧 7.岩浆的结晶分异 作用;8.八面体择位能 二.试述地幔岩部分熔融与玄武岩浆成因机制; 三.简述各类花岗岩的一般特征; 四
24、.叙述主要元素O、Si、Al、Fe、Mg、Ca、Na、K在岩浆结晶 过程中的行为。 五.推导微量元素在岩浆分异结晶中的定量模型-瑞利分馏 定律公式, 并叙述微量元素Ba、Cu、Mn、Ga、Sc、Co、Cr、 Ni在部分熔融过程中的行为。,花岗岩化作用:一般发生在大规模的造山带，并与中、高级区域变质作用伴生；花岗岩化作用最重要的机制是交代作用 .作用的过程为:由于上地幔的去气、去碱、去硅作用，以及温度、压力显著升高的下部地壳中水、钾、钠、硅等的活化转移,形成“岩汁” 。“岩汁”，借助裂隙和孔隙，向上和向周围扩散。进行交代结晶作用，使原有岩石中花岗岩质成分不断增加，总成分逐步接近花岗岩。花岗岩化作
25、用常常是不均匀的，因此形成条带状、网脉和斑杂状等构造；结构上常具变斑状、蠕虫状、残留状等交代结构。矿物成分上可以有变质矿物的残留。因此,花岗岩化作用的不均一性，可形成各种混合花岗岩。岩浆的结晶分异作用:指硅酸盐熔融体在冷却过程中，因熔融组分的熔点不同而分别结晶析出、形成系列其矿物和化学成分不同的岩石的地质作用；其最基本的模型为鲍温反应系列，另外还受挥发份、压力、氧逸度、微量元素的分异规律等控制。以下三个概念是指硅酸盐熔体中氧的结构状态。桥氧：是连结两个Si-O四面体的氧，与两个Si4+或取代Si4+的四次配位阳离子相联。 表示为Si-O-Si 或O0非桥氧：是联结一个Si4+和一个非四次配位阳离子的氧，表示为Si -O-Me或O-；自由氧：是连结两个非四次配位阳离子的氧，表示为Me-O-Me或O2-,
