微量元素在主要地質(zhì)作用過(guò)程中的活動(dòng)行為

微量元素地球化學(xué)

TraceElementGeochemistry

“Geochemistryreallyisforeveryone!”

ByFersman(1958)3.主要地質(zhì)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(zhì)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(fēng)化/沉積作用中的微量元素行為1、

島弧玄武巖的HFSE和LILE之間的解耦現(xiàn)象（主要表現(xiàn)為L(zhǎng)ILE的富集以及Nb的虧損），洋殼在俯沖過(guò)程中的流體析出對(duì)地幔楔交代，形成富集型地幔，而島弧玄武巖是否主要來(lái)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(xué)特征上的表現(xiàn)是什么？3.1巖漿作用中的微量元素行為Fe-Ni核橄欖巖(地幔)玄武巖安山巖流紋巖Bulkearth地殼巖石巖漿產(chǎn)生的實(shí)質(zhì)就是固態(tài)物質(zhì)向液態(tài)轉(zhuǎn)變的過(guò)程，當(dāng)?shù)貧せ虻蒯r石所處環(huán)境的溫度升高或壓力降低時(shí)，巖石就可能發(fā)生熔融，所產(chǎn)生的熔體與原巖分離后就形成原生巖漿；部分熔融過(guò)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。巖漿形成后由于密度及壓力差，因而會(huì)向上部遷移，并最終形成侵入巖或火山巖。在巖漿成巖過(guò)程中，會(huì)發(fā)生一系列物理化學(xué)變化及和圍巖之間的物質(zhì)交換（主要包括分離結(jié)晶作用、同化混染及巖漿不混溶作用），而導(dǎo)致巖漿成分的演化，并最終形成巖石系列。部分熔融作用（PM）分離結(jié)晶作用（FC）同化混染作用（A）同化混染-分離結(jié)晶作用（AFC）部分熔融作用（PM）巖漿產(chǎn)生的實(shí)質(zhì)就是固態(tài)物質(zhì)向液態(tài)轉(zhuǎn)變的過(guò)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殘余固相部分熔融過(guò)程FromNiu,JPetrol.(1997),38(8):1047-1074部分熔融模型批次(式)熔融BatchMelting熔體在某一臨界點(diǎn)被釋放并向上遷移之前始終停留在原地；平衡熔融作用；熔融前后質(zhì)量守恒！iiiabCo

*wo=Ca*wa

+Cb

*wbo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?jǐn)?shù)(=熔體/(熔體+巖石))批次熔融對(duì)不同Di值時(shí)，CL/CO對(duì)F變化Di=1.0

FromWinter(2001)AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology.PrenticeHall.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(shí)(即低F值)更低Di?1.0(相容元素)FromWinter(2001)AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology.PrenticeHall.高度富集在部分熔融產(chǎn)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)FromWinter(2001)AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology.PrenticeHall.如果F

1，熔體中每個(gè)元素的濃度=源巖中的濃度

(CL/CO

1)F1CL/CO

1F

0CL/CO

1/Di如果我們知道低度批次部分熔融（F

0）所產(chǎn)生熔體中元素i的濃度，那么我們就可以估計(jì)該元素在源巖中的濃度

(CO)equilibriumbatchmelting.FromWinter(2001)AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology.PrenticeHall.對(duì)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。文獻(xiàn)AllegreC.J.andMinsterJ.F.,1978.QuantitativeModelsofTraceElementBehaviorinMagmaticProcesses.EarthandPlanetaryScienceLetters,38:1-25.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？1.00OlivineOpxCpxGarnetPlagAmphMagnetiteRb0.0100.0220.0310.0420.0710.29

Sr0.0140.0400.0600.0121.8300.46

Ba0.0100.0130.0260.0230.230.42

Ni14570.9550.016.829Cr0.7010341.3450.012.007.4La0.0070.030.0560.0010.1480.5442Ce0.0060.020.0920.0070.0820.8432Nd0.0060.030.2300.0260.0551.3402Sm0.0070.050.4450.1020.0391.8041Eu0.0070.050.4740.243

0.1/1.5*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+Italics

areestimatedRareEarthElementsConversionfrommodetoweightpercentMineralModeDensityWtpropWt%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(jì)算為百分含量；計(jì)算總分配系數(shù)：DRb=0.045DSr=0.848BatchFractionationModelforRbandSrCL/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(jì)算不同F(xiàn)值時(shí)的CL/COFromWinter(2001)AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology.PrenticeHall.4.繪制CL/CO

對(duì)

F圖（對(duì)Sr同位素演化的指示）分離熔融作用（FractionalMelting）

逐漸增加的批次熔融Di=1Di>1Di<1分離熔融作用（FractionalMelting）：熔體一旦形成，立即分離出去批次熔融分離熔融作用PartitioncoefficientsandEarthdifferentiation分配系數(shù)可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定,也可以利用天然樣品進(jìn)行估算相對(duì)大小.如利用大陸地殼總成分推斷原始地幔通過(guò)部分熔融形成大陸地殼過(guò)程（假設(shè)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(duì)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?cè)O(shè)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,1988PartitioncoefficientsandEarthdifferentiationThehumpedpatternofmid-oceanridgebasaltsinthesefigurescanbemodeledasresultingfrom8%meltingofthesourcepreviouslydepletedofincompatibleelementsby1.6%meltingtoformthecontinentalcrust.Thisdemonstratesthattheuppermantleisthecomplementarydepletedreservoirtothecontinents.ContinentalcrustMid-oceanridgebasaltHofmann,1988PartitioncoefficientsandEarthdifferentiationD=Cliquid/CresidueF~Cresidue/Cliquid

@D~0Hoffman,2003計(jì)算實(shí)例OlivineOpxCpxGarnetPlagAmphMagnetiteRb0.0100.0220.0310.0420.0710.29

Sr0.0140.0400.0600.0121.8300.46

Ba0.0100.0130.0260.0230.230.42

Ni14570.9550.016.829Cr0.7010341.3450.012.007.4La0.0070.030.0560.0010.1480.5442Ce0.0060.020.0920.0070.0820.8432Nd0.0060.030.2300.0260.0551.3402Sm0.0070.050.4450.1020.0391.8041Eu0.0070.050.4740.243

0.1/1.5*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+Italics

areestimatedRareEarthElements一般認(rèn)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?nèi)绾喂烙?jì)形成玄武巖的熔融程度。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利用批次熔融模型繪制該圖解D=Cliquid/CresidueF~Cresidue/Cliquid

@D~0相當(dāng)于不同元素結(jié)晶分離作用

CrystalFractionation礦物在巖漿中晶出的可能過(guò)程礦物與熔體連續(xù)再平衡，形成無(wú)環(huán)帶晶體，即平衡結(jié)晶作用。分離結(jié)晶作用，礦物和熔體之間只有表面平衡。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(jìn)行描述。分離結(jié)晶作用

Fractionalcrystallization/Rayleighfractionation微量元素在晶體中的擴(kuò)散速度比在熔體中慢的多，來(lái)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(kuò)散速度比礦物中慢的多。瑞利分餾定律/

Rayleighfractionation

F=殘余熔體/原始熔體（熔體+結(jié)晶相）

1-F=結(jié)晶固相的分?jǐn)?shù)，分離結(jié)晶程度平衡部分熔融作用

F=熔體/母巖(或巖石+熔體)同化混染作用（A）BACC=A+B圍巖巖漿同化混染作用（A）同化混染-分離結(jié)晶作用（AFC）圍巖巖漿+DePaolo,DJ(1981):Traceelementandisotopiceffectsofcombinedwallrockassimilationandfractionalcrystallization.Earth.Planet.Sci.Lett.,53:189-202Powell,R(1984):Inversionoftheassimilationandfractionalcrystallisation(AFC)equations:Characterizationofcontaminantsfromtheisotopeandtraceelementrelationshipsinvolcanicsuites.J.Geol.Soc.Lond.,141:447-52Bohrson,W.A.andSpera,F.J.,2003.Energy-constrainedopen-systemGeochemical,thermalandmassenergyconstrainedrecharge,assimilationcrystallization(EC-RAFC).Geochem.Geophys.Geosyst,4(2):8002,doi:10.1029/2002GC000316.Gaoetal.,2004,Nature混合作用的影響：微量元素的絕對(duì)組成礦物組合變化導(dǎo)致元素的地球化學(xué)行為改變3.2變質(zhì)作用中的微量元素行為封閉體系變化開(kāi)放體系變化流體的加入流體的釋放變質(zhì)作用的實(shí)質(zhì)就是原巖礦物的分解、重結(jié)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(huì)有一個(gè)重新再分配過(guò)程。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(xué)行為（分配與分布）簡(jiǎn)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；在干（無(wú)水）體系下輝長(zhǎng)巖（假定礦物組合為單斜輝石+斜長(zhǎng)石+鈦磁鐵礦）經(jīng)歷超高壓作用變質(zhì)為榴輝巖（假定礦物組合為石榴石+綠輝石+金紅石）的過(guò)程中，富Sr的斜長(zhǎng)石相變?yōu)槭袷?。由于Sr在石榴石和金紅石中均屬于強(qiáng)不相容元素，但在綠輝石中屬于弱不相容元素。因此，斜長(zhǎng)石相變分解釋放出的Sr在榴輝巖體系中會(huì)在很大程度上轉(zhuǎn)移到綠輝石中。應(yīng)用實(shí)例輝長(zhǎng)巖榴輝巖榴輝巖相變質(zhì)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

6.0830.0401Nb和Ti在泥質(zhì)巖進(jìn)變質(zhì)作用過(guò)程中由于鈦鐵礦向金紅石逐漸轉(zhuǎn)變而引起的重新再分配示意圖(Luvizottoetal.,2009)微量元素在開(kāi)放體系中的變化特征微量元素的地球化學(xué)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(guò)程中角閃巖相向麻粒巖相的變質(zhì)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(zhuǎn)變的退變質(zhì)作用過(guò)程中則會(huì)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(dòng)性主要與流體本身的性質(zhì)有關(guān)。如PanandFleet(1996)的研究發(fā)現(xiàn)如果麻粒巖相變質(zhì)作用過(guò)程中出現(xiàn)富F流體，則會(huì)引起REE和HFSE的顯著遷移.Nb和Rb的行為如何？Subductionzonebasalt在洋殼俯沖過(guò)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(huì)依次經(jīng)歷綠片巖相、角閃巖相和榴輝巖相的變質(zhì)作用，俯沖至大約80km會(huì)出現(xiàn)金紅石，該過(guò)程實(shí)質(zhì)上就是俯沖帶變質(zhì)流體的形成和釋放過(guò)程。11010010001101001000DNbDTaGreenandPearson(1987)Green(2000)Schmidtetal.(2004)Klemmeetal.(2005)HorngandHess(2000)Xiongetal.(2005)DTa/DNb=1DTa/DNb=10西天山流體滲透作用誘發(fā)榴輝巖向藍(lán)片巖轉(zhuǎn)化過(guò)程中元素的遷移示意圖(vander

Straatenetal.2008)。3.3流體作用中的微量元素行為類似于用相容性（Compatibility）描述微量元素在巖漿作用過(guò)程中的行為一樣，微量元素在流體作用中的地球化學(xué)行為通常用活動(dòng)性（Mobility）予以定性描述。根據(jù)元素活動(dòng)遷移的難易程度時(shí)，把微量元素可分為易活動(dòng)元素和難活動(dòng)元素。流體作用分為兩類：低溫流體作用和高溫流體作用。低溫流體作用指地表和近地表?xiàng)l件下的流體活動(dòng)作用，如風(fēng)化作用中的流體活動(dòng)；高溫流體作用則指與巖漿作用、變質(zhì)作用和交代作用等相關(guān)的流體活動(dòng)作用。Kogisoetal.(1997)高溫流體作用中的微量元素行為Kogisoetal.(1997)大離子親石元素和輕稀土元素能夠被水流體有效遷移，其中Pb的活動(dòng)性最高；相反，高場(chǎng)強(qiáng)元素和重稀土元素在水流體中的活動(dòng)性很低。在俯沖洋殼脫水過(guò)程中，Pb、Nd和R