第4章地球化學(xué)

第四章微量元素地球化學(xué)

(GeochemistryofTraceElements)本章的主要內(nèi)容：基本概念微量元素在共存相中的分配巖漿作用過程中微量元素的定量分配模型稀土元素地球化學(xué)微量元素的示蹤意義4.3巖漿作用中微量元素分配演化定量模型自然體系如巖漿作用中，元素在不同相間的分配并非是靜態(tài)的分配，而是動(dòng)態(tài)演進(jìn)式的分配。例如橄欖石自玄武巖漿中結(jié)晶(Ni在橄欖石與熔體間的分配系數(shù)≈14)，隨著晶體內(nèi)部結(jié)晶Ni將在晶體核心富集，同時(shí)使與之平衡的熔體中Ni濃度降低。當(dāng)晶體外層依次結(jié)晶時(shí)，盡管Ni的分配系數(shù)不變，但是在熔體中Ni濃度愈來愈低的情況下進(jìn)行分配的，結(jié)果不僅橄欖石晶體核心到邊緣Ni濃度逐漸變低，而且熔體中的Ni也隨橄欖石晶出而愈益貧化。上述情況表明，研究微量元素在巖漿過程中的分配演化規(guī)律，僅僅依靠簡單的分配定律顯然不夠，還必須研制出適用于表征地質(zhì)體系各類作用過程微量元素行為的數(shù)學(xué)模型。經(jīng)過努力，地球化學(xué)已徑有了模擬多種巖漿作用過程中元素分配演化的定量模型。最常用的為結(jié)晶分異和部分熔融過程模型。這些模型都是以微量元素在晶體相與熔體相之間的分配系數(shù)為基礎(chǔ)的。4.3巖漿作用中微量元素分配演化定量模型4.3.1巖漿結(jié)晶過程中元素分配演化定量模型巖漿作用指巖漿形成，演化和固結(jié)成巖的一系列作用。巖漿作用過程中，往往經(jīng)歷部分熔融作用，同化混染，巖漿混合和結(jié)晶作用等過程。微量元素在礦物和熔體之間的分配可能導(dǎo)致在巖漿作用過程中微量元素的濃度變化達(dá)幾個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，微量元素分配的定量研究可以用來作為巖漿演化高度靈敏的指示劑。源自地幔和深部地殼上升的原始巖漿在封閉體系中通過以下幾種過程發(fā)生分異(differentiation)晶體-熔體分異(Crystal-meltfractionation):

晶出礦物和殘余熔漿兩相。不混溶熔體的物理分離(Physicalseparationofimmisciblemelts):巖漿或流體分異成兩種以上互不相溶的液相，通?？赡苁橇蚧铮杷猁}兩相，或富硅+富鐵的兩種硅酸鹽熔體相等。如果分離出的兩相都為熔體，稱為巖漿熔離作用。熔體-流體分離(Melt-fluidseparation):巖漿活動(dòng)過程中揮發(fā)分的逸出。由于壓力突然降低或溫度下降到流體飽和以下?！獛r漿結(jié)晶過程的定量模型如果在開放體系中，巖漿分異通過以下兩種過程進(jìn)行:與其它固體混染物的同化作用(Assimilationofaninitiallysolidcontaminant)兩種以上成分不同的巖漿的混合作用(Mixingoftwoormorecontrastingmagmas)—巖漿結(jié)晶過程的定量模型礦物從熔體中結(jié)晶的兩種平衡方式:

1.晶體與熔體僅具表面平衡，這是因?yàn)槲⒘吭卦诰w內(nèi)部擴(kuò)散速度遠(yuǎn)低于在熔體中的擴(kuò)散速度，使元素在晶體邊緣和核心分布不均勻，導(dǎo)致熔體僅與晶體邊緣達(dá)到局部平衡，而與晶體內(nèi)部不平衡?；蛘呔w形成后很快離開熔體（重力下沉等使晶體不斷從熔體中移出）。2.晶體在緩慢冷凝條件下結(jié)晶并與熔體始終保持平衡，形成成分均一，沒有環(huán)帶的礦物。

前者為分異結(jié)晶作用，又稱瑞利分餾作用；后者稱平衡結(jié)晶作用。—巖漿結(jié)晶過程的定量模型鋯石環(huán)帶

輝長巖巖漿溫度高環(huán)帶寬

花崗巖巖漿溫度低環(huán)帶窄巖漿鋯石輝長巖巖漿溫度高環(huán)帶寬典型巖漿鋯石的CL特征不同變質(zhì)鋯石的CL結(jié)構(gòu)類型無分帶特征鋯石弱分帶鋯石扇形分帶鋯石面狀分帶鋯石無環(huán)帶礦物(1)

分異結(jié)晶作用(FractionalsegregationorRayleighfractionation)一個(gè)包含不同組分總摩爾數(shù)為n的有限巖漿房，其中有y摩爾微量元素i(如Ni)。體系中i的摩爾分?jǐn)?shù)為Xi＝y(tǒng)/n。當(dāng)一種含i的礦物結(jié)晶時(shí)，如果每個(gè)相繼晶體內(nèi)層來不及與殘余熔體保持平衡，或由于i在晶體中擴(kuò)散緩慢，或由于晶體下沉使晶體每個(gè)相繼內(nèi)層未能與殘余熔體保持平衡。在一個(gè)短時(shí)間之后，n變?yōu)閚-dn，y變?yōu)閥-dy，

此時(shí)晶體與熔體中i的摩爾濃度分別為:—巖漿結(jié)晶過程的定量模型

Xi晶體＝dy/dn

Xi熔體＝(y－dy)/(n－dn)(4.11)i為微量元素服從亨利定律，據(jù)分配定律:

Xi晶體＝dy/dn＝KDXi熔體

(4.12)dy/dn可直接用Xi熔體表示。4.11右邊，相對y，dy可忽略不計(jì)，相對于n，dn可忽略不計(jì)。有:

Xi熔體＝y(tǒng)/n，所以y＝n·Xi熔體上式兩邊對n微分:

dy/dn＝ndXi熔體/dn＋Xi熔體

將4.12代入上式得:

KDXi熔體＝ndXi熔體/dn＋Xi熔體

(4.13)

整理后:

·dXi熔體＝(1/n)·dn(4.14)—巖漿結(jié)晶過程的定量模型如果在結(jié)晶過程中KD為常數(shù)，對上式在Xi0和Xi熔體之間以及初始熔體量n0和任何時(shí)刻n值之間積分，得出分異結(jié)晶過程中該微量元素濃度的總體變化:(4.15)

(KD－1)(4.16)(n/n0)為殘余熔體占原始熔體的百分?jǐn)?shù)，以F表示，1-F反映巖漿的結(jié)晶程度，有：

Xi熔體＝Xi0·

F(KD－1)(4.17)

—巖漿結(jié)晶過程的定量模型上式就是瑞利分餾定律(Rayleighfractionationlaw)。Xi熔體是殘余巖漿中微量元素i的摩爾濃度，Xi0為初始母巖漿中i的摩爾濃度，KD為i在晶體和熔體之間的分配系數(shù)。將式4.17代入式4.12得出Tr在晶體中濃度隨F變化的關(guān)系式:Xi晶體＝KDXi0F(KD－1)(4.18)巖漿結(jié)晶形成一種以上的礦物，用總分配系數(shù)D代替KD:

Xi熔體＝Xi0F(D－1)(4.19)Xi晶體＝DXi0F(D－1)(4.20)—巖漿分異作用的模型結(jié)晶作用模型—Cil/Ci0＝F(D－1)殘余熔體Tr濃度取決于原始熔體Tr濃度，殘余熔體占原始熔體百分?jǐn)?shù)F及分配系數(shù)D。分異結(jié)晶過程Tr濃度變化圖--以Tr在殘余熔體中濃度與原始熔體中濃度比值(Cil/Ci0)為縱坐標(biāo)，F(xiàn)為橫坐標(biāo)，D賦予不同值。隨F減小，結(jié)晶程度增大，殘余熔體占原始熔體分?jǐn)?shù)減少:D<1的元素在殘漿中富集—不相容元素;D>1的元素在晶體中富集，并隨礦物晶出逐步在殘余巖漿中貧化—相容元素?！獛r漿分異作用的模型(2)平衡結(jié)晶作用(EquilibriumcrystallizationorBatchsegregation)根據(jù)平衡結(jié)晶作用的條件，按照類似推導(dǎo)方法，得出平衡結(jié)晶過程中微量元素定量模型:

Cil＝(4.23)以下面假定為前提:①整個(gè)結(jié)晶過程中晶體與熔體之間具有表面平衡，且分配系數(shù)或總分配系數(shù)始終保持固定；②自巖漿中結(jié)晶的礦物種類及其相對比例保持固定。兩種假定均偏離真實(shí)巖漿結(jié)晶過程。但解決實(shí)際問題的效果令人滿意?！獛r漿結(jié)晶過程的定量模型4.3.2巖漿部分熔融中元素分配演化定量模型微量元素一般原則也可用于巖漿部分熔融，說明隨熔融進(jìn)行T