微量元素在主要地質作用過程中的活動行為

微量元素在主要地質作用過程中的活動行為第一頁，共七十三頁，2022年，8月28日3.主要地質作用中的微量元素行為

3.1巖漿作用中的微量元素行為3.2變質作用中的微量元素行為3.3流體作用中的微量元素行為3.3風化/沉積作用中的微量元素行為第二頁，共七十三頁，2022年，8月28日第三頁，共七十三頁，2022年，8月28日1、

島弧玄武巖的HFSE和LILE之間的解耦現(xiàn)象（主要表現(xiàn)為LILE的富集以及Nb的虧損），洋殼在俯沖過程中的流體析出對地幔楔交代，形成富集型地幔，而島弧玄武巖是否主要來自該富集型地幔的部分熔融？？2、島弧玄武巖和洋島玄武巖的主要差別在地球化學特征上的表現(xiàn)是什么？第四頁，共七十三頁，2022年，8月28日3.1巖漿作用中的微量元素行為第五頁，共七十三頁，2022年，8月28日Fe-Ni核橄欖巖(地幔)玄武巖安山巖流紋巖Bulkearth地殼巖石第六頁，共七十三頁，2022年，8月28日巖漿產生的實質就是固態(tài)物質向液態(tài)轉變的過程，當?shù)貧せ虻蒯r石所處環(huán)境的溫度升高或壓力降低時，巖石就可能發(fā)生熔融，所產生的熔體與原巖分離后就形成原生巖漿；部分熔融過程中，較早被熔融的組分稱為易熔組分，較難熔融的組分稱為難熔（或耐熔）組分。第七頁，共七十三頁，2022年，8月28日巖漿形成后由于密度及壓力差，因而會向上部遷移，并最終形成侵入巖或火山巖。在巖漿成巖過程中，會發(fā)生一系列物理化學變化及和圍巖之間的物質交換（主要包括分離結晶作用、同化混染及巖漿不混溶作用），而導致巖漿成分的演化，并最終形成巖石系列。第八頁，共七十三頁，2022年，8月28日部分熔融作用（PM）分離結晶作用（FC）同化混染作用（A）同化混染-分離結晶作用（AFC）第九頁，共七十三頁，2022年，8月28日部分熔融作用（PM）巖漿產生的實質就是固態(tài)物質向液態(tài)轉變的過程二輝橄欖巖/Lherzolite：Ol+Cpx+Opx純橄欖巖/Dunite和方輝橄欖巖/harzburgite:Ol+Opx+/-Cpx1510500.0Wt.%Al2O3純橄欖巖方輝橄欖巖二輝橄欖巖拉斑玄武巖部分熔融Wt.%TiO20.20.40.60.8殘余固相第十頁，共七十三頁，2022年，8月28日部分熔融過程FromNiu,JPetrol.(1997),38(8):1047-1074第十一頁，共七十三頁，2022年，8月28日部分熔融模型批次(式)熔融BatchMelting熔體在某一臨界點被釋放并向上遷移之前始終停留在原地；平衡熔融作用；第十二頁，共七十三頁，2022年，8月28日熔融前后質量守恒！iiiabCo

*wo=Ca*wa+Cb*wbo第十三頁，共七十三頁，2022年，8月28日巖漿演化模型

——批次熔融公式1CL=熔體中微量元素i的濃度C0=熔融前的源巖中微量元素i的濃度F=熔體的重量百分數(shù)(=熔體/(熔體+巖石))第十四頁，共七十三頁，2022年，8月28日批次熔融對不同Di值時，CL/CO對F變化Di=1.0FromWinter(2001)AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology.PrenticeHall.第十五頁，共七十三頁，2022年，8月28日FromWinter(2001)AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology.PrenticeHall.熔體中元素i的濃度非常低尤其在低度部分熔融時(即低F值)更低Di?1.0(相容元素)第十六頁，共七十三頁，2022年，8月28日FromWinter(2001)AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology.PrenticeHall.高度富集在部分熔融產生的最初的少量熔體里此后，隨F值增加而快速降低Di<<1.0

(高度不相容元素)第十七頁，共七十三頁，2022年，8月28日FromWinter(2001)AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology.PrenticeHall.如果F1，熔體中每個元素的濃度=源巖中的濃度(CL/CO

1)F1CL/CO

1第十八頁，共七十三頁，2022年，8月28日F0CL/CO

1/Di如果我們知道低度批次部分熔融（F0）所產生熔體中元素i的濃度，那么我們就可以估計該元素在源巖中的濃度(CO)equilibriumbatchmelting.FromWinter(2001)AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology.PrenticeHall.第十九頁，共七十三頁，2022年，8月28日對于高度不相容元素，Di

0CL/CO=1/F因此，如果我們知道某高度不相容元素在巖漿和源巖中的濃度，那么我們就可以確定部分熔融程度。第二十頁，共七十三頁，2022年，8月28日文獻AllegreC.J.andMinsterJ.F.,1978.QuantitativeModelsofTraceElementBehaviorinMagmaticProcesses.EarthandPlanetaryScienceLetters,38:1-25.第二十一頁，共七十三頁，2022年，8月28日例:玄武巖部分熔融中Rb和Sr變化MineralModeDensityWtpropWt%ol153.6540.18cpx333.4112.20.37plag512.7137.70.45Sum303.91.00MineralModeDensityWtpropWt%Gar50？？？cpx49？？？Ap1？？？Sum？1.00第二十二頁，共七十三頁，2022年，8月28日OlivineOpxCpxGarnetPlagAmphMagnetiteRb0.0100.0220.0310.0420.0710.29

Sr0.0140.0400.0600.0121.8300.46

Ba0.0100.0130.0260.0230.230.42

Ni14570.9550.016.829Cr0.7010341.3450.012.007.4La0.0070.030.0560.0010.1480.5442Ce0.0060.020.0920.0070.0820.8432Nd0.0060.030.2300.0260.0551.3402Sm0.0070.050.4450.1020.0391.8041Eu0.0070.050.4740.2430.1/1.5*1.5571Dy0.0130.150.5821.9400.0232.0241Er0.0260.230.5834.7000.0201.7401.5Yb0.0490.340.5426.1670.0231.6421.4Lu0.0450.420.5066.9500.0191.563DatafromRollinson(1993).*Eu3+/Eu2+ItalicsareestimatedRareEarthElements第二十三頁，共七十三頁，2022年，8月28日ConversionfrommodetoweightpercentMineralModeDensityWtpropWt%ol153.6540.18cpx333.4112.20.37plag512.7137.70.45Sum303.91.00舉例:玄武巖中Rb和Sr將礦物模式比列，計算為百分含量；計算總分配系數(shù)：DRb=0.045DSr=0.848第二十四頁，共七十三頁，2022年，8月28日BatchFractionationModelforRbandSrCL/CO=1/(D(1-F)+F)DRbDSrF0.0450.848Rb/Sr0.059.351.148.190.16.491.135.730.154.981.124.430.24.031.123.610.32.921.102.660.42.291.082.110.51.891.071.760.61.601.051.520.71.391.041.340.81.231.031.200.91.101.011.09FromWinter(2001)AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology.PrenticeHall.3.利用批次熔融模型計算不同F(xiàn)值時的CL/CO第二十五頁，共七十三頁，2022年，8月28日FromWinter(2001)AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology.PrenticeHall.4.繪制CL/CO

對F圖（對Sr同位素演化的指示）第二十六頁，共七十三頁，2022年，8月28日分離熔融作用（FractionalMelting）

逐漸增加的批次熔融Di=1Di>1Di<1第二十七頁，共七十三頁，2022年，8月28日第二十八頁，共七十三頁，2022年，8月28日分離熔融作用（FractionalMelting）：熔體一旦形成，立即分離出去批次熔融第二十九頁，共七十三頁，2022年，8月28日分離熔融作用第三十頁，共七十三頁，2022年，8月28日PartitioncoefficientsandEarthdifferentiation分配系數(shù)可以通過實驗測定,也可以利用天然樣品進行估算相對大小.如利用大陸地殼總成分推斷原始地幔通過部分熔融形成大陸地殼過程（假設為批次熔融作用）中元素的分配系數(shù)大小。ContinentalcrustMid-oceanridgebasalt按照大陸地殼中這些元素相對于硅酸鹽地球（BSE）富集程度排列，定性地反映了分配系數(shù)大小。如果我們設定DRb=0,形成大陸地殼的熔融程度為F=1.6%，那么我們就可以了解其他元的D值。Hofmann,1988第三十一頁，共七十三頁，2022年，8月28日PartitioncoefficientsandEarthdifferentiationThehumpedpatternofmid-oceanridgebasaltsinthesefigurescanbemodeledasresultingfrom8%meltingofthesourcepreviouslydepletedofincompatibleelementsby1.6%meltingtoformthecontinentalcrust.Thisdemonstratesthattheuppermantleisthecomplementarydepletedreservoirtothecontinents.ContinentalcrustMid-oceanridgebasaltHofmann,1988第三十二頁，共七十三頁，2022年，8月28日PartitioncoefficientsandEarthdifferentiationD=Cliquid/CresidueF~Cresidue/Cliquid@D~0第三十三頁，共七十三頁，2022年，8月28日Hoffman,2003第三十四頁，共七十三頁，2022年，8月28日計算實例OlivineOpxCpxGarnetPlagAmphMagnetiteRb0.0100.0220.0310.0420.0710.29

Sr0.0140.0400.0600.0121.8300.46

Ba0.0100.0130.0260.0230.230.42

Ni14570.9550.016.829Cr0.7010341.3450.012.007.4La0.0070.030.0560.0010.1480.5442Ce0.0060.020.0920.0070.0820.8432Nd0.0060.030.2300.0260.0551.3402Sm0.0070.050.4450.1020.0391.8041Eu0.0070.050.4740.2430.1/1.5*1.5571Dy0.0130.150.5821.9400.0232.0241Er0.0260.230.5834.7000.0201.7401.5Yb0.0490.340.5426.1670.0231.6421.4Lu0.0450.420.5066.9500.0191.563DatafromRollinson(1993).*Eu3+/Eu2+ItalicsareestimatedRareEarthElements一般認為MORB由虧損地幔部分熔融形成，如果我們知道MORB和虧損地幔微量元素含量，那么我們如何估計形成玄武巖的熔融程度。第三十五頁，共七十三頁，2022年，8月28日REEcompositions

DMNorthAtlanticMORBLa0.0805.673Ce0.53811.88Nd0.7388.507Sm0.3053.094Eu0.1191.109Gd0.4302.959Tb0.0800.723Dy0.5594.049Er0.3812.732Tm0.0600.639Yb0.3922.855Lu0.0610.429第三十六頁，共七十三頁，2022年，8月28日利用批次熔融模型繪制該圖解D=Cliquid/CresidueF~Cresidue/Cliquid@D~0相當于不同元素第三十七頁，共七十三頁，2022年，8月28日結晶分離作用

CrystalFractionation第三十八頁，共七十三頁，2022年，8月28日礦物在巖漿中晶出的可能過程礦物與熔體連續(xù)再平衡，形成無環(huán)帶晶體，即平衡結晶作用。分離結晶作用，礦物和熔體之間只有表面平衡。第三十九頁，共七十三頁，2022年，8月28日礦物與熔體連續(xù)再平衡類似于平衡部分熔融作用，可以用平衡部分熔融方程式進行描述。第四十頁，共七十三頁，2022年，8月28日分離結晶作用

Fractionalcrystallization/Rayleighfractionation微量元素在晶體中的擴散速度比在熔體中慢的多，來不及取得完全平衡；礦物從熔體中晶體后快速與熔體分離。微量元素在熔體中的擴散速度比礦物中慢的多。第四十一頁，共七十三頁，2022年，8月28日瑞利分餾定律/

RayleighfractionationF=殘余熔體/原始熔體（熔體+結晶相）

1-F=結晶固相的分數(shù)，分離結晶程度平衡部分熔融作用

F=熔體/母巖(或巖石+熔體)第四十二頁，共七十三頁，2022年，8月28日第四十三頁，共七十三頁，2022年，8月28日第四十四頁，共七十三頁，2022年，8月28日同化混染作用（A）BACC=A+B圍巖巖漿第四十五頁，共七十三頁，2022年，8月28日同化混染作用（A）第四十六頁，共七十三頁，2022年，8月28日第四十七頁，共七十三頁，2022年，8月28日同化混染-分離結晶作用（AFC）圍巖巖漿+第四十八頁，共七十三頁，2022年，8月28日DePaolo,DJ(1981):Traceelementandisotopiceffectsofcombinedwallrockassimilationandfractionalcrystallization.Earth.Planet.Sci.Lett.,53:189-202Powell,R(1984):Inversionoftheassimilationandfractionalcrystallisation(AFC)equations:Characterizationofcontaminantsfromtheisotopeandtraceelementrelationshipsinvolcanicsuites.J.Geol.Soc.Lond.,141:447-52第四十九頁，共七十三頁，2022年，8月28日Bohrson,W.A.andSpera,F.J.,2003.Energy-constrainedopen-systemGeochemical,thermalandmassenergyconstrainedrecharge,assimilationcrystallization(EC-RAFC).Geochem.Geophys.Geosyst,4(2):8002,doi:10.1029/2002GC000316.第五十頁，共七十三頁，2022年，8月28日第五十一頁，共七十三頁，2022年，8月28日第五十二頁，共七十三頁，2022年，8月28日Gaoetal.,2004,Nature第五十三頁，共七十三頁，2022年，8月28日混合作用的影響：微量元素的絕對組成礦物組合變化導致元素的地球化學行為改變第五十四頁，共七十三頁，2022年，8月28日3.2變質作用中的微量元素行為封閉體系變化開放體系變化流體的加入流體的釋放變質作用的實質就是原巖礦物的分解、重結晶，最后形成新礦物，因此組成礦物的元素也隨礦物的相變會有一個重新再分配過程。第五十五頁，共七十三頁，2022年，8月28日封閉體系中微量元素變化的特征封閉體系中微量元素的地球化學行為（分配與分布）簡單地取決于礦物相的變化；礦物相的改變引起元素的重新分配；溫度、壓力條件決定元素的分配特征；第五十六頁，共七十三頁，2022年，8月28日在干（無水）體系下輝長巖（假定礦物組合為單斜輝石+斜長石+鈦磁鐵礦）經歷超高壓作用變質為榴輝巖（假定礦物組合為石榴石+綠輝石+金紅石）的過程中，富Sr的斜長石相變?yōu)槭袷?。由于Sr在石榴石和金紅石中均屬于強不相容元素，但在綠輝石中屬于弱不相容元素。因此，斜長石相變分解釋放出的Sr在榴輝巖體系中會在很大程度上轉移到綠輝石中。應用實例第五十七頁，共七十三頁，2022年，8月28日輝長巖榴輝巖榴輝巖相變質HREE集中在cpx中HREE集中在gt中

DGarnetClinopyroxenePlagioclase

DGrt/DCpxDPl/DCpxLa0.01640.05150.270.3185.2427Ce0.0650.1080.200.6021.8519Nd0.3630.2770.141.3100.5054Sm1.10.4620.112.3810.2381Eu2.020.4580.734.4101.5939Dy4.130.7110.0555.8090.0774Er3.950.660.0415.9850.0621Yb3.880.6330.0316.1300.0490Lu3.790.6230.025

6.0830.0401第五十八頁，共七十三頁，2022年，8月28日Nb和Ti在泥質巖進變質作用過程中由于鈦鐵礦向金紅石逐漸轉變而引起的重新再分配示意圖(Luvizottoetal.,2009)第五十九頁，共七十三頁，2022年，8月28日第六十頁，共七十三頁，2022年，8月28日微量元素在開放體系中的變化特征微量元素的地球化學行為取決于礦物相的變化；礦物相的改變引起元素的重新分配；溫度、壓力條件決定元素的分配特征；流體的加入/釋放地殼加厚過程中角閃巖相向麻粒巖相的變質作用,含水礦物脫水的流體遷出；麻粒巖或榴輝巖向角閃巖轉變的退變質作用過程中則會引入流體。元素在流體和礦物相之間的分配由于流體引入而引起的微量元素變化及活動性主要與流體本身的性質有關。如PanandFleet(1996)的研究發(fā)現(xiàn)如果麻粒巖相變質作用過程中出現(xiàn)富F流體，則會引起REE和HFSE的顯著遷移.第六十一頁，共七十三頁，2022年，8月28日Nb和Rb的行為如何？第六十二頁，共七十三頁，2022年，8月28日Subductionzonebasalt第六十三頁，共七十三頁，2022年，8月28日在洋殼俯沖過程中，俯沖板片上的大洋沉積物和蝕變大洋玄武巖由于P-T條件不斷升高，會依次經歷綠片巖相、角閃巖相和榴輝巖相的變質作用，俯沖至大約80km會出現(xiàn)金紅石，該過程實質上就是俯沖帶變質流體的形成和釋放過程。11010010001101001000DNbDTaGreenandPearson(1987)Green(2000)Schmidtetal.(2004)Klemmeetal.(2005)HorngandHess(2000)Xiongetal.(2005)DTa/DNb=1DTa/DNb=10第六十四頁，共七十三頁，2022年，8月28日西天山流體滲透作用誘