1、第章微量元素地球化学岩浆作用模型4.2 岩浆作用过程中微量元素分配岩浆作用过程中微量元素分配演化的定量模型演化的定量模型2022-6-2324.2.1 岩浆形成过程中部分熔融的定量模型岩浆形成过程中部分熔融的定量模型4.2.2 岩浆结晶过程中结晶作用模型岩浆结晶过程中结晶作用模型2013/10/11自然体系如岩浆作用中，自然体系如岩浆作用中， 元素在不同相间的分配元素在不同相间的分配并非是静态的分配，并非是静态的分配， 而是而是动态演进式动态演进式的分配。的分配。 例如例如橄榄石自玄武岩浆中结晶橄榄石自玄武岩浆中结晶(Ni在橄榄石与熔体在橄榄石与熔体间的分配系数间的分配系数14)， 随着晶体内
2、部结晶随着晶体内部结晶Ni将在晶体将在晶体核心富集，核心富集， 同时使与之平衡的熔体中同时使与之平衡的熔体中Ni浓度降低浓度降低当晶体外层依次结晶时，当晶体外层依次结晶时， 尽管尽管Ni的分配系数的分配系数不变，不变， 但是在熔体中但是在熔体中Ni浓度愈来愈低的情况下进行分配的，浓度愈来愈低的情况下进行分配的， 结果不仅橄榄石晶体核心到边缘结果不仅橄榄石晶体核心到边缘Ni浓度逐渐变低，浓度逐渐变低， 而且而且熔体中的熔体中的Ni也随橄榄石晶出而愈益贫化也随橄榄石晶出而愈益贫化。32013/10/11F岩浆作用岩浆作用指岩浆形成、演化和固结成岩的一系列指岩浆形成、演化和固结成岩的一系列作用。作用
3、。 岩浆作用过程中，往往经历岩浆作用过程中，往往经历部分熔融作用、部分熔融作用、同化混染、岩浆混合和结晶作用同化混染、岩浆混合和结晶作用等过程。等过程。F微量元素在矿物和熔体之间的分配可能导致在岩微量元素在矿物和熔体之间的分配可能导致在岩浆作用过程中微量元素的浓度变化达浆作用过程中微量元素的浓度变化达几个数量级几个数量级。因此，微量元素分配的定量研究可以用来作为岩因此，微量元素分配的定量研究可以用来作为岩浆演化高度灵敏的浆演化高度灵敏的指示剂指示剂。42013/10/11l 如果在开放体系中，如果在开放体系中， 岩浆分异通过以下两种过程岩浆分异通过以下两种过程进行进行: :l 与其它固体混染物
4、的与其它固体混染物的同化作用同化作用(Assimilation of an initially solid contaminant)l 两种以上成分不同的岩浆的两种以上成分不同的岩浆的混合作用混合作用(Mixing of two or more contrasting magmas)52013/10/11岩浆作用岩浆作用2022-6-236源区部分熔融原始岩浆快速上升喷出地表火山岩火山岩结晶分异结晶分异同化混染同化混染侵入侵入上升的地幔柱头上升的地幔柱头软流圈软流圈岩石圈地幔岩石圈地幔中下地壳中下地壳2013/10/11研究微量元素在岩浆过程中的分配演化规律，仅研究微量元素在岩浆过程中的分配演
5、化规律，仅仅依靠简单的分配定律显然不够，仅依靠简单的分配定律显然不够， 还必须研制出还必须研制出适用于表征地质体系各类作用过程微量元素行为的适用于表征地质体系各类作用过程微量元素行为的数学模型数学模型。径过努力，地球化学已径有了模拟多种岩浆作用径过努力，地球化学已径有了模拟多种岩浆作用过程中元素分配演化的定量模型过程中元素分配演化的定量模型。最常用的为最常用的为分离分离结晶和部分熔融过程模型结晶和部分熔融过程模型。这些模型都是以微量元这些模型都是以微量元素在晶体相与熔体相之间的分配系数为基础的。素在晶体相与熔体相之间的分配系数为基础的。72013/10/114.2.1岩浆形成过程中部分熔融的定
6、量模型岩浆形成过程中部分熔融的定量模型l 微量元素一般原则也可用于岩浆部分熔融，说明随熔微量元素一般原则也可用于岩浆部分熔融，说明随熔融进行融进行Tr在形成岩浆中富集或贫化的趋势。三种端元在形成岩浆中富集或贫化的趋势。三种端元模式模式:l 批次或平衡熔融批次或平衡熔融(batch melting): 部分熔融过程中部分熔融过程中熔体与残余固相发生连续再平衡，直到熔体移出熔体与残余固相发生连续再平衡，直到熔体移出-平平衡部分熔融。衡部分熔融。l 分馏熔融分馏熔融(fractional melting): 部分熔融产生的无限部分熔融产生的无限小量熔体连续地自残余相移出。小量熔体连续地自残余相移出。
7、l 收集熔融收集熔融(collection melting): 部分熔融产生的熔体部分熔融产生的熔体连续自残余相移出，聚集于一个岩浆房中，经充分混连续自残余相移出，聚集于一个岩浆房中，经充分混合最后得出一种平均成分。合最后得出一种平均成分。 82013/10/114.2.1 岩浆形成过程中部分熔融的定岩浆形成过程中部分熔融的定量模型量模型F1. 平衡部分熔融平衡部分熔融F2. .定量模型假设定量模型假设F3. .定量模型定量模型2022-6-2392013/10/111. 平衡部分熔融平衡部分熔融岩浆形成最常见和最可能的就是岩浆形成最常见和最可能的就是平衡部平衡部分熔融（分熔融（equilib
8、rium melting），），在整个在整个部分熔融过程中，熔体与残留固体始终保部分熔融过程中，熔体与残留固体始终保持平衡，直到熔体离去，这种熔融又称持平衡，直到熔体离去，这种熔融又称批批次熔融、平衡熔融或一次熔融次熔融、平衡熔融或一次熔融。104.2.1岩浆形成过程中部分熔融的定量模型岩浆形成过程中部分熔融的定量模型2013/10/11 在整个部分熔融过程中在整个部分熔融过程中微量元素微量元素在固相在固相和液相之间的总分配系数始终保持不变；和液相之间的总分配系数始终保持不变； 整个熔融过程中整个熔融过程中残余固相中各矿物相对残余固相中各矿物相对形成熔体的贡献比例保持不变。形成熔体的贡献比例保
9、持不变。2022-6-23112. 定量模型定量模型2个假设个假设2013/10/11推导出批次熔融定量模型推导出批次熔融定量模型:)1(100PFDCCili(5.1)CiL-元素元素i在形成熔体中的浓度，在形成熔体中的浓度，Ci0-i在原始固相中的浓度，在原始固相中的浓度，D0-熔融开始时熔融开始时i在母岩矿物集合体与熔体之间的总分配系数，在母岩矿物集合体与熔体之间的总分配系数，F-形成熔体占母岩重量百分数，反映部分熔融程度形成熔体占母岩重量百分数，反映部分熔融程度(0到到1熔熔融程度增大融程度增大)。 P-元素在被熔参加熔体的那些矿物与熔体间元素在被熔参加熔体的那些矿物与熔体间的总分配系
10、数。的总分配系数。3. 定量模型定量模型122013/10/11如果熔融过程中原始固相中某一矿物质量百分数如果熔融过程中原始固相中某一矿物质量百分数Wi0等于等于熔融后残余固相中该熔融后残余固相中该矿物的重量百分数矿物的重量百分数Wi和进入到熔体中该矿物相的重量百分数和进入到熔体中该矿物相的重量百分数Pi，Wi0WiPi，则，则D0DP，即如果各种矿物相的熔化，即如果各种矿物相的熔化是按照它们在母岩中的标准比例进行，熔化过程是按照它们在母岩中的标准比例进行，熔化过程中式中式D 中的中的Wi保持不变，或形成的熔体与母保持不变，或形成的熔体与母岩具有相同成分，岩具有相同成分，PD0，式，式(5.1
11、)简化为简化为: 或D0代替了代替了P， 为模式批次熔融模型为模式批次熔融模型(modal melting)。 WKiinDi1)1(1000DFDCCili)1(100FFDCCili(5.2)(5.3)132013/10/11地壳中要确定一种地壳中要确定一种岩浆形成的源岩及其矿物成分岩浆形成的源岩及其矿物成分一般很困难一般很困难，式，式(5.1)的应用受到很大限制。的应用受到很大限制。但部分熔融的但部分熔融的残余固相往往可在岩石深源包体中残余固相往往可在岩石深源包体中找到找到， 所以赫尔托根和吉贝尔斯所以赫尔托根和吉贝尔斯(1976)考虑在方考虑在方程式中只包含可能为母岩的程式中只包含可能
12、为母岩的Tr浓度，熔体自残余浓度，熔体自残余体移出时残余固相的矿物成分以及部分熔融程度。体移出时残余固相的矿物成分以及部分熔融程度。 证明证明熔体移出时熔体移出时Tr在残余固体与熔体之间的总分在残余固体与熔体之间的总分配系数配系数D由下式给出：由下式给出： D(D0PF)/(1-F) (5.4) 代入式代入式(5.1)得：得： Cil/Ci01/D(1F)+F (5.5)142013/10/11 CiL/COi1/D(1F)+F F公式中各参数含义：公式中各参数含义：uCiL熔体中某元素浓度熔体中某元素浓度uCOi母体或母岩中某元素浓度母体或母岩中某元素浓度uF部分熔融程度：部分熔融程度：F=
13、0，熔融开始，熔融开始，u F=1, 熔融结束熔融结束uD残余固相与熔体间的分配系数残余固相与熔体间的分配系数u此式即为常用的批次熔融的定量模型。此式即为常用的批次熔融的定量模型。2022-6-23152013/10/11l 表明当熔体自残余体移出时表明当熔体自残余体移出时， Cil/Ci0(给定微量元给定微量元素在熔体中的浓度与在母岩中原始浓度的比率素在熔体中的浓度与在母岩中原始浓度的比率)只只依赖于该元素在残余固体与熔体间的总分配系数依赖于该元素在残余固体与熔体间的总分配系数D及部分熔融程度及部分熔融程度F。 l 而而Tr在残余固相中的浓度在残余固相中的浓度(Cis)与母岩中该元素的与母岩
14、中该元素的原始浓度原始浓度(Ci0)之比值之比值(Cil/Ci0)， 可以根据可以根据Cis/Ci0Cil/Ci0D 这种关系式计算出来，因为根据分配系数这种关系式计算出来，因为根据分配系数的定义：的定义：DCis/Cil。 CiL/COi1/D(1F)+F 2022-6-23174 .部分熔融过程中部分熔融过程中微量元素的行为微量元素的行为2013/10/11 当当F 0（ cL/co1/D ）即部分熔融程度低时，微量元即部分熔融程度低时，微量元素在所形成的熔体中的素在所形成的熔体中的富集和贫富集和贫化程度最大化程度最大；随着随着F的增大，则熔体中的微的增大，则熔体中的微量元素的富集和贫化程
15、度逐渐减量元素的富集和贫化程度逐渐减小。小。 熔融程度很低时熔融程度很低时D1的的不相不相容元素富集达到最大。容元素富集达到最大。 如果知如果知道某道某Tr在低度部分熔融岩浆中浓在低度部分熔融岩浆中浓度和度和D值，值， 据方程估计该元素在据方程估计该元素在源区中浓度。源区中浓度。F1时，即当岩石全部熔融，熔时，即当岩石全部熔融，熔体中元素的浓度与母岩中该元素的体中元素的浓度与母岩中该元素的浓度趋于一致；浓度趋于一致；2013/10/11 总分配系数总分配系数D 11的的相容相容元素元素：在部分熔融的熔体中贫在部分熔融的熔体中贫化，贫化的速度随化，贫化的速度随F F值的增值的增大呈现出变缓的特征
16、大呈现出变缓的特征。 微量元素在两相间分配系数角度给相容元素和不相容元素进行了定义。 在岩浆结晶过程中容易以类质同象进入固相或矿物相的元素，叫相容元素； 反之就是不相容元素。2013/10/11195. 批次熔融实例批次熔融实例l假定有一含假定有一含斜长石斜长石45%， 单斜辉石单斜辉石37%， 橄榄石橄榄石18%的辉长岩源岩经历部分熔融，的辉长岩源岩经历部分熔融， 用用批次熔融模型计算当批次熔融模型计算当F=0.05，0.1，0.15，0.2， 0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9时时Rb、Sr的的Cl/Co。绘制每种元素的Cl/Covs.F的演化图的演化图解。解。2020
17、13/10/112013/10/112013/10/112013/10/11 当已知当已知F、D和现在地和现在地质体的微量质体的微量元素浓度，元素浓度，就可以预测就可以预测或计算原岩或计算原岩微量含量。微量含量。4.2.2 岩浆结晶作用模型岩浆结晶作用模型2022-6-23242013/10/11矿物从熔体中结晶的两种可能过程矿物从熔体中结晶的两种可能过程:a.晶体与熔体仅具表面平衡，晶体与熔体仅具表面平衡， 这是因为微量这是因为微量元素在晶体内部扩散速度远低于在熔体中的扩散元素在晶体内部扩散速度远低于在熔体中的扩散速度，使元素在晶体边缘和核心分布不均匀，导速度，使元素在晶体边缘和核心分布不均
18、匀，导致熔体仅与晶体边缘达到局部平衡，而与晶体内致熔体仅与晶体边缘达到局部平衡，而与晶体内部不平衡。或者晶体形成后很快离开熔体部不平衡。或者晶体形成后很快离开熔体(重力下重力下沉等使晶体不断从熔体中移出沉等使晶体不断从熔体中移出)。b.晶体晶体在缓慢冷凝条件下结晶并与熔体始终保持在缓慢冷凝条件下结晶并与熔体始终保持平衡，平衡， 形成成分均一，没有环带的矿物。形成成分均一，没有环带的矿物。前者为分离结晶作用，又称瑞利分馏作用；后者前者为分离结晶作用，又称瑞利分馏作用；后者称平衡结晶作用。称平衡结晶作用。252013/10/11第一种情形：第一种情形：微量元素在晶体中扩散的速微量元素在晶体中扩散的
19、速度比在熔体中慢得多，来不及取得完全平衡，度比在熔体中慢得多，来不及取得完全平衡，或者是矿物快速从熔体中晶出，矿物与熔体或者是矿物快速从熔体中晶出，矿物与熔体仅具表面平衡，从而造成矿物的核、边成分仅具表面平衡，从而造成矿物的核、边成分不均匀，形成矿物的环带结构，即不均匀，形成矿物的环带结构，即不平衡分不平衡分离结晶；离结晶；第二种情形：第二种情形：微量元素在熔体中扩散的速微量元素在熔体中扩散的速度比在晶体（矿物）中慢得多。度比在晶体（矿物）中慢得多。此中情况自此中情况自然界极少。然界极少。2022-6-23262013/10/111 1、结晶矿物与熔体只是表面平衡、结晶矿物与熔体只是表面平衡原
20、因：原因：微量元素在晶体中的扩散要比在熔体微量元素在晶体中的扩散要比在熔体中慢得多，使得微量元素在晶体边缘和晶体中慢得多，使得微量元素在晶体边缘和晶体核部的分布不均一，导致晶体边缘与熔体能核部的分布不均一，导致晶体边缘与熔体能达到平衡，而晶体内部则不能与熔体平衡，达到平衡，而晶体内部则不能与熔体平衡，形成的晶体形成的晶体具环带状构造。具环带状构造。2022-6-23272013/10/112、定量模型定量模型瑞利分馏定律（瑞利分馏定律（Rayleigh fractionation law）2022-6-23282013/10/11ciL/ci0.L=F（D-1）uciL 残余熔体中元素浓度残余
21、熔体中元素浓度uci0.L原始熔体中元素浓度原始熔体中元素浓度uF为为残留熔体占原始熔体的分数残留熔体占原始熔体的分数uF=1岩浆开始结晶岩浆开始结晶uF=0结晶完全结晶完全u1F反映岩浆的结晶程度反映岩浆的结晶程度uD矿物和熔体间的总分配系数矿物和熔体间的总分配系数2022-6-23292013/10/112022-6-23302013/10/11F 总分配系数总分配系数D1的元素（相容元素）的元素（相容元素）在在分离结晶过程中倾分离结晶过程中倾向于在矿物中富集，向于在矿物中富集，并随矿物晶体的不断并随矿物晶体的不断析出，微量元素在残析出，微量元素在残余熔体随结晶度加大余熔体随结晶度加大而迅
22、速贫化。而迅速贫化。 F而在而在 部分熔融中相部分熔融中相容元素浓度随熔融程容元素浓度随熔融程度度(F)增大缓慢增大。增大缓慢增大。应用这种差别，应用这种差别， 可以可以判别一个岩浆系列是判别一个岩浆系列是岩浆分异结晶的产物，岩浆分异结晶的产物， 还是由部分熔融所成还是由部分熔融所成。重点和难点重点和难点1.岩浆形成机制的两个定量模型（即公岩浆形成机制的两个定量模型（即公式）：部分熔融和分离结晶模型；式）：部分熔融和分离结晶模型；2.不同的微量元素在岩浆演化过程中的不同的微量元素在岩浆演化过程中的行为行为3. 计算、作图、描述元素行为计算、作图、描述元素行为2022-6-23322013/10/11
