巖漿作用中微量元素的定量模型

1、第二章 微量元素地球化學(xué),2/58,本 章 主 要 內(nèi) 容,第一節(jié) 微量元素基本概念,第二節(jié) 共存相中微量元素的分配規(guī)律,第三節(jié) 巖漿作用中微量元素的定量模型,第四節(jié) 稀土元素元素地球化學(xué),第五節(jié) 微量元素地球化學(xué)應(yīng)用,3/58,Geochemistry,第二章 微量元素地球化學(xué) Ch2 Trace Element Geochemistry,第三節(jié) 巖漿作用中微量元素的定量模型,地 球 化 學(xué),4/58,巖漿過程是指巖漿起源、形成、演化和固結(jié)成巖的一系列作用 部分熔融是形成巖漿的重要途徑，而引起巖漿成分發(fā)生變化主要是分離結(jié)晶作用、混染和混合作用 無論上述哪種作用均涉及結(jié)晶固相和熔體相的共存，微

2、量元素在結(jié)晶固相和熔體相的分配系數(shù)代表了共存相中微量元素的濃度的變化趨勢(shì)。,什么是定量模型？,5/58,因此，利用微量元素分配的這一特點(diǎn)和共存相中的濃度關(guān)系就可以從數(shù)值上來模擬估算巖漿生成演化過程中的有關(guān)參數(shù) 如部分熔融程度、分離結(jié)晶程度、殘留固相或分離相的組成等，我們把這種估算稱為定量模型,什么是定量模型？,6/58,一、結(jié)晶作用模型 1、分離結(jié)晶作用 2、平衡結(jié)晶作用 二、部分熔融作用模型 分批熔融（平衡熔融） 分離熔融 收集熔融,本講主要研究?jī)?nèi)容,7/58,熔體中結(jié)晶有兩種平衡方式： 1. 分離結(jié)晶作用，也稱為雷利分離作用 Fractional crystallization 晶體與熔體

3、僅具有表面平衡，這是因?yàn)槲⒘吭卦诰w內(nèi)部的擴(kuò)散速度遠(yuǎn)低于熔體中的擴(kuò)散速度，或者晶體形成后很快離開熔體，使得元素在晶體邊緣和核心分布不均一，而導(dǎo)致熔體僅與晶體邊緣達(dá)到了局部平衡，但與晶體內(nèi)部不平衡。,一、結(jié)晶作用模型,8/58,2. 平衡結(jié)晶作用 Equilibrium crystallization 礦物晶體在緩慢冷凝條件下結(jié)晶并與熔體始終保持平衡，其結(jié)果形成成分均一、沒有環(huán)帶的礦物晶體。,一、結(jié)晶作用模型,9/58,研究一個(gè)包含不同組分的物質(zhì)的量為n的有限巖漿庫，其中包括有y摩爾的微量元素i, 則體系中微量元素i的摩爾分?jǐn)?shù)Xiy/n。 當(dāng)一個(gè)含元素i的礦物結(jié)晶時(shí)，由于i在晶體中擴(kuò)散緩慢或晶

4、體下沉而使得晶體的每個(gè)相繼的層未能與殘余熔體保持平衡，則在一個(gè)短時(shí)間t之后： n to n-dn y to y-dy,(一) 分離結(jié)晶作用定量模型,一、結(jié)晶作用模型,10/58,此刻晶體和熔體中i的摩爾份數(shù)分別為：,由能斯特分配定律：,一、結(jié)晶作用模型,11/58,因此有下列近似：,上式對(duì)n進(jìn)行微分：,一、結(jié)晶作用模型,12/58,將(1)式代入(2)式，得：,一、結(jié)晶作用模型,13/58,如果KD為常數(shù)，對(duì)3式積分得：,一、結(jié)晶作用模型,14/58,n/n0為殘余熔體占原始熔體的分?jǐn)?shù)，F(xiàn)表示； 則1-F為巖漿的結(jié)晶度。,稱之為雷利分餾定律 Rayleigh fraction law,一、結(jié)晶

5、作用模型,15/58,殘余熔體中微量元素i的摩爾分?jǐn)?shù),初始熔體中微量元素i的摩爾分?jǐn)?shù),由于：,一、結(jié)晶作用模型,16/58,一、結(jié)晶作用模型,如果采用質(zhì)量濃度和總體分布系數(shù)，則有：,17/58,利用瑞利分餾定律，將巖漿中某微量元素的瞬間濃度相對(duì)于該元素的原始濃度比值（XTr熔體/X0Tr熔體）作為縱坐標(biāo)，以反映巖漿結(jié)晶程度的F為橫坐標(biāo)，并賦于KD不同的值，就可做出反映元素行為的圖解：,巖漿結(jié)晶過程中分配系數(shù)與 微量元素在熔體中濃度的關(guān)系,一、結(jié)晶作用模型,18/58,制作過程,一、結(jié)晶作用模型,19/58,當(dāng)KD1的微量元素，均隨F值10（代表結(jié)晶程度不斷提高），而在殘余熔體中富集起來，這些元

6、素稱之為不相容元素（incompatible elements），如W、Sn、Mo、Cu等（微觀角度：殘余富集）。,不相容元素（incompatible elements）,一、結(jié)晶作用模型,20/58,當(dāng)KD1的微量元素，則傾向在礦物晶體中富集，隨礦物晶出，在殘余熔漿中逐漸貧化，這些元素稱之為相容元素（compatible elements），如Ni、Co、Cr等。,相容元素（compatible elements）,一、結(jié)晶作用模型,21/58,當(dāng)D=0時(shí),Cil/Ci0=1/F,即微量元素i在分離結(jié)晶作用過程中幾乎全部保留在殘余熔體中,而不進(jìn)入結(jié)晶相。 Cil/Ci0=1/F,也就是殘余

7、熔體中微量元素i的濃度與殘余熔體分?jǐn)?shù)(F)的倒數(shù)成正比,這也是巖漿結(jié)晶分異過程中微量元素i的可能濃集的極限值。,一、結(jié)晶作用模型,22/58,當(dāng)D=0時(shí)， 換句話說,微量元素i隨巖漿分異結(jié)晶,其濃度不可能超過原始巖漿中微量元素的濃度與(F)的比值。 這是衡量某一巖體是否是巖漿分離結(jié)晶作用成巖機(jī)制的重要標(biāo)志。,一、結(jié)晶作用模型,23/58,在平衡結(jié)晶過程中，一微量元素i在固相和液相中的濃度可由質(zhì)量平衡獲得：,(二) 平衡結(jié)晶作用定量模型,一、結(jié)晶作用模型,24/58,又因,一、結(jié)晶作用模型,25/58,平衡結(jié)晶模型,一、結(jié)晶作用模型,26/58,一、結(jié)晶作用模型,27/58,=(1-F),一、結(jié)

8、晶作用模型,28/58,結(jié)晶作用模型的推導(dǎo)過程是以下面兩點(diǎn)假定為前提的： 在整個(gè)結(jié)晶過程中分配系數(shù)始終保持恒定； 自巖漿中結(jié)晶的礦物種類及相對(duì)比例不變，以保證總體分配系數(shù)為常數(shù)。,結(jié)晶作用模型限制條件,一、結(jié)晶作用模型,29/58,K Rb 大洋拉斑玄武巖 0.08% 1ppm 堿性玄武巖 0.9%18ppm 證明堿性玄武巖不可能通過大洋拉斑玄武巖漿的簡(jiǎn)單結(jié)晶分異而形成（0.02） 將堿性玄武巖作為中K、Rb的含量作為殘余巖漿中的濃度，可以得出F=0.0846(對(duì)于K)或F0.0524（對(duì)于Rb）,這分別相當(dāng)于巖漿結(jié)晶了91.5%和94.8%。 根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，看來要從拉斑玄武巖漿通過固結(jié)9

9、0%以上的組分（結(jié)晶轉(zhuǎn)入固相），而不明顯改變其它組分的含量是難以想象的。,應(yīng)用實(shí)例： 已知大洋拉玄武巖與堿性玄武巖的K, Rb含量如下：,一、結(jié)晶作用模型,30/58,部分熔融可分為以下三種端元模式： 分批熔融(batch melting)或平衡熔融 分離熔融(fractional melting) 收集熔融(collection melting),二、部分熔融作用模型,31/58,在整個(gè)部分熔融過程中，熔體與殘余固相連續(xù)地再平衡，直到熔體移出。,批式部分熔融示意圖,(一) 分批熔融(batch melting)或平衡熔融,二、部分熔融作用模型,32/58,設(shè)： F為固相部分熔融的程度(百分?jǐn)?shù)

10、) C0為固相中某微量元素的初始平均濃度 CL為固相熔到F時(shí)熔體相中該微量元素的平均濃度 CRS為固相熔融到F時(shí)殘余固相中該元素的濃度 DRS為殘余固相和熔體相之間的總分配系數(shù),二、部分熔融作用模型,(一) 分批熔融(batch melting)或平衡熔融,33/58,為殘余固相中相(礦物)的重量分?jǐn)?shù) 為微量元素在相和熔體相之間的分配系數(shù),二、部分熔融作用模型,34/58,根據(jù)質(zhì)量平衡原理有: C0CLF十CRS(1-F) 根據(jù)分配系數(shù)定義有: CRS=CLDRS 下式代入上式可得:,二、部分熔融作用模型,35/58,分批熔融(batch melting)或平衡熔融,二、部分熔融作用模型,36

11、/58,當(dāng)F0時(shí)，部分熔融很少， CiL/Ci0=1/D，即微量元素在所形成的熔體中的富集或貧化程度最大。 隨著F的增大,則熔體中微量元素的富集和貧化程度逐漸減少。 當(dāng)巖石全熔,即 F1 時(shí),熔體中元素的濃度與母巖中該元素的濃度趨于一致。,二、部分熔融作用模型,37/58,總分配系數(shù) D1 的元素（不相容元素）,在熔體中富集, 但其最大的富集濃度不能超出D=0的曲線 當(dāng)D=0， CiL/Ci0=1/F， 這與前面所闡述的結(jié)晶分異過程一致。,二、部分熔融作用模型,38/58,總分配系數(shù) Di1 的元素稱相容元素，在部分熔融的熔體中發(fā)生貧化,貧化的速度隨F的增大呈現(xiàn)出變緩的特征,這與結(jié)晶分異過程,

12、隨結(jié)晶程度增大(F值減小)表現(xiàn)為元素在殘余巖漿中的急劇貧化有顯著的差別。 這一差別可以作為判別巖漿系列是巖漿結(jié)晶分異的產(chǎn)物、還是由部分熔融機(jī)制形成的標(biāo)志。,二、部分熔融作用模型,39/58,上兩式代表了批式熔融條件下熔體相和殘余固相微量元素濃度的表達(dá)式。 如果在研究中能識(shí)別屬于熔體相和殘余固相的巖石，就可依照上述二式解出初始固相微量元素濃度和固相部分熔融程度。,二、部分熔融作用模型,40/58,以上所研究的模型是基于這樣的一個(gè)假設(shè)，即在熔融過程中，原始固相中某一礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（X0a）等于熔融質(zhì)殘余固相中該礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（Xa）的進(jìn)入到熔體中該礦物相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（Pa）。簡(jiǎn)單地說就是在熔融過程中

13、原始固相中的各礦物按其比例進(jìn)入到熔體相中。此時(shí)有下列關(guān)系存在： X0X P 及 D0DRSP（總分配系數(shù)） 實(shí)際上，一般巖石中的各礦物是不會(huì)按實(shí)比熔融的，而且各相提供熔體的相對(duì)數(shù)量也不會(huì)保持不變的，這時(shí)，上述關(guān)系就不能成立。,非實(shí)比熔融情況,二、部分熔融作用模型,41/58,二、部分熔融作用模型,此時(shí)，微量元素模型可改寫為：,42/58,(二)分離熔融(Fractional melting),非實(shí)比熔融,實(shí)比熔融,二、部分熔融作用模型,43/58,二、部分熔融作用模型,二、部分熔融作用模型,44/58,如果每一分從固相中分離出來的熔體都聚集在一個(gè)地方，構(gòu)成巖漿房，則當(dāng)固相熔融到F時(shí)該巖漿房中微量元素的豐度為熔體相平均濃度，可表示為：,二、部分熔融作用模型,（三） 收集熔融、聚集熔融,45/58,變換可得：,二、部分熔融作用模型,（三） 收集熔融、聚集熔融,46/58,二、部分熔融作用模型,其非實(shí)比模型為：,47/58,二、部分熔融作用模型,48/58,思考題,相容元素與不相容元素概念（考點(diǎn)） 在巖漿分異結(jié)晶過程中元素分配的定量模型、特征及地球化學(xué)應(yīng)用 （重點(diǎn)考查內(nèi)容） 在部分熔融過程中元素分配的定量模型、特征及地球化學(xué)應(yīng)用,49/58,作 業(yè),某原始巖漿中Ni含量為4