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当代地球化学当代地球化学微量元素地球化学微量元素地球化学第1页岩浆岩中主要造岩矿物和副矿物分子式岩浆岩中主要造岩矿物和副矿物分子式Q/Qtz石 英 QuartzSiO2Kf 钾长石 OrthoclaseKAlSi3O8Ab钠长石 AlbiteNaAlSi3O8An钙长石 AnorthiteCaAl2Si2O8Ne霞 石 Nepheline NaAlSiO4Bi黑云母 BiotiteK(Mg,Fe)3AlSi3O10(OH,F)2Hb/Amp角闪石 Hornblende(Ca,Na)23(Mg,Fe2+,Fe3+,Al)5(Al,Si)4O112(OH)2Cpx透辉石 DioriteCaMgSi2O6Opx紫苏辉石Orthopyroxene(Mg,Fe)2Si2O6Ol橄榄石 Olivine(Mg,Fe)2SiO4Mt磁铁矿 MagnetiteFe3O4Ilm钛铁矿 IlmaniteFeTiO3Ap磷灰石 ApatiteCa5PO43(F,Cl,OH)Sph/Ti榍 石 TitaniteCaTiSiO4(O,OH,Cl,F)Sp尖晶石 SpinelMgAl2O4Grt石榴石 Garnet(Fe,Mg,Ca)3Al2SiO43Zr锆 石 Zircon ZrSiO4第2页第一部分第一部分微量元素地球化学一些基本理论问题微量元素地球化学一些基本理论问题1.1 1.1 微量元素定义微量元素定义1.2 1.2 微量元素在地质体中赋存型式微量元素在地质体中赋存型式1.3 1.3 微量元素分类微量元素分类1.4 1.4 支配微量元素地球化学行为主要物理化学定律支配微量元素地球化学行为主要物理化学定律 a.a.Goldschmidt三定律三定律 b.化学势、逸度、活度化学势、逸度、活度 c.c.固熔体、稀溶液与亨利定律固熔体、稀溶液与亨利定律 d.Nernst d.Nernst分配定律与分配系数（分配定律与分配系数（k ki i=ci is/ci il）e.e.分配系数含义分配系数含义 f.f.影响分配系数主要原因影响分配系数主要原因 g.g.分配系数测定分配系数测定第3页vGast（1968）不作为体系中任何相组分存在元素）不作为体系中任何相组分存在元素v伯伯恩恩斯斯（晶晶体体场场理理论论矿矿物物学学应应用用）只只要要某某元元素素在在体体系系中中含含量量低到能够用稀溶液定律来描述其行为，即可称微量元素低到能够用稀溶液定律来描述其行为，即可称微量元素v微量元素概念是相正确微量元素概念是相正确 K：花岗岩中常量元素，超基性岩中微量元素：花岗岩中常量元素，超基性岩中微量元素 Ni：地壳岩石中微量元素，陨石中常量元素：地壳岩石中微量元素，陨石中常量元素 Li，B：伟晶岩中常量元素：伟晶岩中常量元素v对对于于地地壳壳，O，Si，Al，Fe，Mg，Ca，Na，K，Ti常常量量元元素素，其它是微量元素其它是微量元素 （1）Si，酸度，基性中性酸性，岩石分类，酸度，基性中性酸性，岩石分类 （2）K,Na，碱度，岩浆系列，碱度，岩浆系列:拉斑、钙碱、高钾钙碱、橄榄安粗拉斑、钙碱、高钾钙碱、橄榄安粗/钾玄钾玄 （3）Mg,Fe,Mn，镁铁，镁铁/超镁铁超镁铁 （4）Al，花岗岩类铝饱和度，花岗岩类铝饱和度 （5）Ca1.1 1.1 1.1 1.1 微量元素定义微量元素定义微量元素定义微量元素定义第4页独立矿物独立矿物 U、Hf ZrSiO4类类 质质 同同 像像 替替 换换 !Sr、Eu Ca Pb、Ba K1.2.1.2.1.2.1.2.微量元素在地质体中赋存型式微量元素在地质体中赋存型式微量元素在地质体中赋存型式微量元素在地质体中赋存型式晶格缺点晶格缺点吸附（如胶体）吸附（如胶体）第5页1.3 1.3 1.3 1.3 微量元素分类微量元素分类微量元素分类微量元素分类v基本化学分类基本化学分类vGoldschmidt分类分类v普通地球化学分类普通地球化学分类v惯用分类惯用分类v对元素分类说明对元素分类说明主要考虑元素在岩浆过程中特点主要考虑元素在岩浆过程中特点各种分类之间不一定有对应关系各种分类之间不一定有对应关系第6页v基本化学分类基本化学分类第7页vGoldschmidt分类分类亲石亲石 亲铁亲铁 亲铜亲铜 亲气亲气第8页地球组分分异，由元素性质地球组分分异，由元素性质决定。决定。元素在周期表中位置：元素在周期表中位置：亲铁元素亲铁元素:地核地核亲石元素亲石元素:地幔与地壳地幔与地壳亲气元素亲气元素:大气圈和水圈大气圈和水圈第9页v普通地球化学分类普通地球化学分类第10页v惯用分类惯用分类主元素（主元素（major elements）过渡过渡(族族)元素元素（transition elements）稀土元素稀土元素(REE)铂族元素铂族元素(PGE)惰性气体元素惰性气体元素(Noble gas)高场强元素高场强元素(HFS)离子半径小，电价高 Zr、Hf、Nb、Ta、Ti大离子亲石元素大离子亲石元素(LIL)离子半径大，电价低 K、Rb、Sr、Ba、Pb不相容元素不相容元素(uncompatible)：K或D1，倾向于富集在熔体相相容元素相容元素(compatible)：K或D 1，倾向于富集在结晶相 Ni、Cr、Co1 2 3 4 5 6离子电价离子半径离子半径10-10m1.00.21.80.61.4第11页GoldschmidtGoldschmidt定律一定律一两两个个离离子子，假假如如他他们们含含有有相相同同电电电电价价和和离离离离子子子子半半半半径径径径，则则易易于于交交换换，并以与他们在整个体系中相同百分比进入固熔体并以与他们在整个体系中相同百分比进入固熔体正正因因为为如如此此，许许多多微微量量元元素素，会会以以类类质质同同像像替替换换方方式式，和和与与各各自自电电价价和和离子半径离子半径相近常量元素（主元素）一起进入固体相。比如：相近常量元素（主元素）一起进入固体相。比如：Sr、Eu CaRb、Pb、Ba KNi Mg1.4 1.4 1.4 1.4 支配微量元素地球化学行为主要物理化学定律支配微量元素地球化学行为主要物理化学定律支配微量元素地球化学行为主要物理化学定律支配微量元素地球化学行为主要物理化学定律1.4a 1.4a GoldschmidtGoldschmidt三定律三定律三定律三定律第12页GoldschmidtGoldschmidt定律二定律二两两个个离离子子，假假如如他他们们含含有有相相同同电电电电价价，和和相相同同离离离离子子子子半半半半径径径径，则则较小离子倾向于进入固体相较小离子倾向于进入固体相Mg2+比Fe2+离子半径小，所以，在橄榄石与熔体平衡体系中，橄榄石中Mg含量高于熔体Nb,TaZr,HfGoldschmidtGoldschmidt定律三定律三两两个个离离子子，假假如如他他们们含含有有相相同同离离离离子子子子半半半半径径径径，不不不不过过过过电电电电价价不不一一样样，那么，那么，电价电价高离子倾向于进入固体相高离子倾向于进入固体相如，相对于如，相对于Fe2+、Mg2+，Cr3+、Ti4+总是倾向于进入固体相总是倾向于进入固体相第13页1.4b 1.4b 1.4b 1.4b 化学势、化学势、化学势、化学势、逸度、活度逸度、活度逸度、活度逸度、活度化学势化学势化学势化学势 ：物质：物质：物质：物质各分子各分子各分子各分子GibbsGibbs自由能自由能自由能自由能对于实际气体溶液体系，组分对于实际气体溶液体系，组分对于实际气体溶液体系，组分对于实际气体溶液体系，组分i i化学势为：化学势为：化学势为：化学势为：i i=i i0 0+RTLnf+RTLnfi i f fi i 为逸度为逸度为逸度为逸度 对于溶液和固熔体体系，组分对于溶液和固熔体体系，组分对于溶液和固熔体体系，组分对于溶液和固熔体体系，组分i i化学势为：化学势为：化学势为：化学势为：i i=i i0 0+RTLn+RTLna ai i a ai i 为活度为活度为活度为活度 a ai i=i i x x i i i i 为为为为活活活活度度度度系系系系数数数数，代代代代表表表表实实实实际际际际溶溶溶溶液液液液对对对对理理理理想想想想溶溶溶溶液液液液偏偏偏偏差差差差，与与与与系系系系统统统统组组组组分分分分、熔体结构、温度、压力等相关。熔体结构、温度、压力等相关。熔体结构、温度、压力等相关。熔体结构、温度、压力等相关。第14页1.4c 1.4c 1.4c 1.4c 固熔体、稀溶液与亨利定律固熔体、稀溶液与亨利定律固熔体、稀溶液与亨利定律固熔体、稀溶液与亨利定律固熔体固熔体：普通采取研究溶液体系发展出来理论模型来处理固体：普通采取研究溶液体系发展出来理论模型来处理固体ai i=i i x x i iai ix x i i0 01.01.0亨利定律亨利定律：vv当当组组分分i i含含量量x xi i无无限限小小时时，其其活活度度ai i正正比比与与组组分分含含量量x xi iai i=i i xxi ivv i i是是组组分分i i亨亨利利常常数数，与与组组分分含含量量x xi i无无关关，与与P P、T T条件相关条件相关第15页1.4d Nernst1.4d Nernst1.4d Nernst1.4d Nernst分配定律与分配系数分配定律与分配系数分配定律与分配系数分配定律与分配系数vv考考虑虑微微量量元元素素在在固固体体相相和和液液体体相相之之间间分分配配关关系系，这这2 2相相关关系系是是 地质过程中最主要关系。地质过程中最主要关系。微量元素微量元素j j，溶质，在稀溶液体系中；，溶质，在稀溶液体系中；2 2相，相，相相，相相vv元素元素j j在在2 2相中分配到达平衡时，他们相中分配到达平衡时，他们化学势相等化学势相等 元素j在相有：j j =j j0,0,+RTLn+RTLnaj j 元素j在相有：j j =j j0,0,+RTLn+RTLnaj j 到达两相平衡：j j =j j 则有：j j0,0,+RTLn+RTLnaj j =j j0,0,+RTLn+RTLnaj j 得到：LnLn(aj j/aj j )=(j j0,0,-j j0,0,)/)/RTRTvv因为：因为：aj j =j j xxj j 所以有所以有 aj j/aj j =(x xj j/x/xj j )(j j/j j )故得到：故得到：x xj j /x/xj j =(j j/j j )EXP EXP (j j0,0,-j j0,0,)/)/RT RT =KD(P，T)显然，在显然，在P P、T T恒定条件下，恒定条件下，xj xj/xj/xj 是一个常数是一个常数第16页v能斯特能斯特(Nernst)(Nernst)分配定律分配定律：在给定：在给定P P、T T条件下，微量元素条件下，微量元素j j在在2 2相间相间到达平衡时，其在到达平衡时，其在2 2相浓度比相浓度比不随组分含量改变不随组分含量改变，为一个常数，为一个常数K KD D(P P，T T)。vv当当 为固相（矿物和岩石），为固相（矿物和岩石），为熔体相时，为熔体相时，上述常数就是上述常数就是分配系数分配系数，普通表示为：普通表示为：K Ki=c ci is s/c ci il l 用C而不用X来代表组分i在固相s s和液相l中浓度。因为对于热力学目标，mol比值方便；而对于地球化学，重量比值更简便vv总体分配系数总体分配系数总体分配系数总体分配系数D：假如与溶液相平衡结晶相（矿物相）超出一个，组：假如与溶液相平衡结晶相（矿物相）超出一个，组分分i i在结晶相和液相间分配系数在结晶相和液相间分配系数Di为全部种类结晶相与液相间分配系为全部种类结晶相与液相间分配系数数K Ki加权和加权和 Di=K Ki /l l x x 这里：这里：K Ki /l l 是组分是组分i i在在结晶相结晶相 和液相和液相l l间分配系数间分配系数 x x 是是结晶相结晶相 在整个固相中所占百分比在整个固相中所占百分比 第17页1.4e 1.4e 1.4e 1.4e 分配系数含义分配系数含义分配系数含义分配系数含义分配系数能够浅略了解成在晶体/溶体体系中，元素进入晶体能力不相容元素：不相容元素：K或D1，倾向于富集在熔体相相容元素：相容元素：K或D 1，倾向于富集在结晶相v不相容元素能够分为不相容元素能够分为2组组高场强高场强元素元素(HFSE)，有：，有：REE,Th,U,Ce,Pb4+,Zr,Hf,Ti,Nb,Ta等等大离子亲石大离子亲石元素元素(LILE)，有：，有：K,Rb,Cs,Ba,Pb2+,Sr,Eu2+等。等。LILE活动性更强，尤其是有流体参加系统活动性更强，尤其是有流体参加系统微微量量元元素素相相容容或或不不相相容容，取取决决于于所所包包括括体体系系，取取决决于于矿矿物物与熔体类型。与熔体类型。第18页离子半径影响离子半径影响vvLaLa系收缩造成稀土元素（系收缩造成稀土元素（REEREE）离子半径递减，对应单斜辉石/玄武质岩浆之间分配系数递增KREE单斜辉石/玄武质岩浆1.4f 1.4f 1.4f 1.4f 影响分配系数主要原因及分配系数测定影响分配系数主要原因及分配系数测定影响分配系数主要原因及分配系数测定影响分配系数主要原因及分配系数测定影响分配系数影响分配系数影响分配系数影响分配系数K Ki主要外部原因有：主要外部原因有：主要外部原因有：主要外部原因有：离子半径离子半径,体系组分体系组分,温度温度,压力压力,氧逸度氧逸度第19页体系组分影响体系组分影响vv体系组分对分配系体系组分对分配系数影响主要反应在数影响主要反应在熔体熔体(岩浆岩浆)组分改组分改变上变上伴随岩浆组成伴随岩浆组成从基从基从基从基性向中酸性演化性向中酸性演化性向中酸性演化性向中酸性演化，稀土元素在角闪石稀土元素在角闪石和岩浆之间分配系和岩浆之间分配系数数渐次升高，改变渐次升高，改变幅度极大。幅度极大。各类岩浆中，角闪石REE分配系数第20页SiOSiO2 2含量影响含量影响SiOSiO2 2含量升高，分配系数升高含量升高，分配系数升高LnDSm榍石LnDSm榍石第21页熔体熔体(岩浆岩浆)组分对稀土元素分配系数影响组分对稀土元素分配系数影响不全是升高！不全是升高！不全是升高！不全是升高！玄武质熔体玄武质熔体安山质熔体安山质熔体流纹质熔体流纹质熔体稀土元素稀土元素稀土元素稀土元素稀土元素稀土元素分配系数分配系数分配系数分配系数分配系数分配系数第22页温度压力影响温度压力影响温度温度温度温度升高，分配系数降低，表明高温下离子倾向于进入溶体升高，分配系数降低，表明高温下离子倾向于进入溶体压力压力压力压力升高，分配系数升高，表明高压下离子倾向于进入固相升高，分配系数升高，表明高压下离子倾向于进入固相LnDHo辉石第23页氧逸度影响氧逸度影响氧逸度氧逸度氧逸度氧逸度升高，升高，Eu Eu在在斜长石/玄武质岩浆间分配系数分配系数KEu降低降低KEu斜长石/玄武质岩浆1.4g 1.4g 1.4g 1.4g 分配系数测定分配系数测定分配系数测定分配系数测定vv直接测定：火山岩斑晶基质法直接测定：火山岩斑晶基质法vv试验方法试验方法第24页第二部分第二部分岩浆过程微量元素定量模型岩浆过程微量元素定量模型2.1 部分熔融过程部分熔融过程2.2 结晶过程：分离结晶过程，结晶过程：分离结晶过程，Rayligh分馏定律分馏定律2.3 分离部分熔融模型分离部分熔融模型2.4 混合模型混合模型2.5 其它模型：其它模型：同化混染和分离结晶作用联合模型同化混染和分离结晶作用联合模型(AFC)2.6 岩浆过程判别（部分熔融、分离结晶）岩浆过程判别（部分熔融、分离结晶）第25页2.1 2.1 部分熔融过程部分熔融过程部分熔融过程部分熔融过程2.1a 对部分熔融过程了解对部分熔融过程了解o部分熔融过程很主要。地球圈层分异，地壳生长和演变，在物质上，主要是经过岩浆作用来实现。岩浆发生唯一方式，是先存岩石部分熔融。o假如熔体一直在熔融区滞留，产生全部熔体就会作为一个整体，与残留相保持某种程度平衡，从而靠近平衡部分平衡部分平衡部分平衡部分熔融过程熔融过程熔融过程熔融过程；第26页o假如熔体一产生就很快离开熔融区，而移至别处汇聚，那么，在熔融区，与残留相平衡共存熔体一直只是刚才产生那一小部分。这么过程，称为分离部分熔融过分离部分熔融过分离部分熔融过分离部分熔融过程程程程。现在上地幔靠近分离部分熔融残留相。o假如伴随部分熔融发展，产生熔体量，每到达一定程度，就离开熔融区，而移至别处汇聚。这么过程，称为批式部分熔融过程批式部分熔融过程批式部分熔融过程批式部分熔融过程(batch partial melting)。这么过程，靠近地质实际。第27页2.1b 平衡部分熔融过程定量模型平衡部分熔融过程定量模型o假设，产生全部熔体与残留相保持平衡源岩源岩残留相残留相岩浆岩浆F1-Fc ci io oc ci il l c ci is so考虑源岩中微量元素i量和岩浆+残留相中量相等，可得以下方程：c ci io o=F Fc ci il l +(1-F)(1-F)c ci is s 第28页变换方程：c ci io o=F Fc ci il l +(1-F)(1-F)c ci is s 用用 c ci il l 除方程两边，得：c ci io o/c ci il l=F F +(1-F)(1-F)(c ci is s/c ci il l)因为因为(c ci is s/c ci il l)就是元素就是元素i i总体分配系数总体分配系数Di，所以得到：c ci io o/c ci il l=F F +(1-F)(1-F)Di将方程两边上下对换，得到：c ci il l 1 11 1 c ci io o F F+(1-F)(1-F)Di Di+(1-(1-Di)F)F=第29页vv说明：上述过程一个假设条件是，残留相中矿物种类说明：上述过程一个假设条件是，残留相中矿物种类和百分比（比如：和百分比（比如：a a，b b，c c三种矿物）与源岩矿物种三种矿物）与源岩矿物种类和百分比相同。或者说，在熔融过程中，源岩矿物类和百分比相同。或者说，在熔融过程中，源岩矿物组分等百分比地进入熔体。组分等百分比地进入熔体。vv假如源岩矿物组分不是等百分比地进入熔体，严格说假如源岩矿物组分不是等百分比地进入熔体，严格说来，部分熔融微量元素方程应该是：来，部分熔融微量元素方程应该是：c ci il l 1 1 c ci io o Di+(1-(1-Pi)F)F=这里，这里，Di是微量元素i在源岩与熔体间分配系数 Pi是微量元素i在残留相与熔体间分配系数第30页vv对平衡部分熔融过程中，微量元素改变情况作以下简单对平衡部分熔融过程中，微量元素改变情况作以下简单分析：分析：c ci il l 1 11 1 c ci io o F F+(1-F)(1-F)Di Di+(1-(1-Di)F)F=vv假如假如Di=1=1，则：，则：c ci il l/c ci io o =1=1vv假如假如Di 1 1，则：，则：c ci il l/c ci io o 1/1/F F2.1c 平衡部分熔融过程微量元素改变规律平衡部分熔融过程微量元素改变规律第31页c ci is s Dic ci io o Di+F F(1-(1-Di)=c ci il l 1 1c ci io o Di(1-F)(1-F)+F F=溶体溶体溶体溶体残留体残留体残留体残留体溶体增加方向溶体增加方向0.01FFc ci il l c ci io o c ci is s c ci io o 0.10.525D=1020.10.5D=0.015D=10第32页平衡部分熔融过程微量元素改变主要特征平衡部分熔融过程微量元素改变主要特征平衡部分熔融过程微量元素改变主要特征平衡部分熔融过程微量元素改变主要特征v不相容元素在溶体中富集，不相容元素在溶体中富集，分配系数越小，富集程度越高；分配系数越小，富集程度越高；部分熔融程度越低，富集程度越高部分熔融程度越低，富集程度越高v不相容元素在残留体中亏损不相容元素在残留体中亏损分配系数越小，亏损程度越高；分配系数越小，亏损程度越高；v相容元素在溶体中含量低于源岩相容元素在溶体中含量低于源岩分配系数越大，亏损程度越高分配系数越大，亏损程度越高第33页2.2 2.2 结晶过程结晶过程结晶过程结晶过程2.2a 对结晶过程了解结晶作用是岩浆演化基本过程；结晶过程倾向于造成岩浆全部结晶，即100变成结晶相；矿物结晶过程中，矿物表面与残余岩浆之间能够一直保持平衡；不过，矿物内部与残余岩浆脱离接触，难以继续保持平衡。所以，平衡结晶过程极少实现。实际结晶过程是一个保持表面平衡过程，接近分离结晶过程。在岩浆结晶过程中存在矿物结晶次序差异，一些矿物先结晶，一些矿物后结晶，如鲍文反应序列所表示。因为重力等作用，先结晶矿物可能发生堆积，与残余岩浆分离。这也会造成份离结晶作用。岩浆分离结晶程度，取决于岩浆类型和粘度、结晶速度等条件。第34页o岩浆喷出地表之前，结晶作用已经在进行，可形成斑晶（A）o斑晶矿物环带指示了表面平衡过程(B)o斜长石先结晶，辉石晚结晶(C)角闪石斑晶角闪石斑晶斜长石斑晶斜长石斑晶ABC第35页o岩浆比重、矿物比重差异，以及重力、岩浆动力等原因造成份离结晶作用辉石岩方辉橄榄岩纯橄榄岩第36页2.2b 分离结晶过程定量模型分离结晶过程定量模型o设结晶矿物与残余岩浆保持表面平衡，所以，结晶过程符合Rayligh分馏定律。分馏定律。残余岩浆残余岩浆原始岩浆原始岩浆c ci io oc ci il l c ci iR RF瞬时结晶相瞬时结晶相c ci is s1-F平均结晶相平均结晶相第37页c ci il lc ci io o=F=F(D-1)(D-1)c ci iR Rc ci io o=DF=DF(D-1)(D-1)o微量元素i在残余岩浆、瞬时结晶相，平均结晶相中浓度分别记为：c ci il l、c ci iR R、c ci is s。依据Rayligh分馏定律，得到以下方程：c ci is s 1-1-F FD Dc ci io o 1 1-F-F=第38页2.2c 分离结晶过程微量元素改变规律分离结晶过程微量元素改变规律c ci il lc ci io o=F=F(D-1)(D-1)c ci iR Rc ci io o=DF=DF(D-1)(D-1)溶体降低溶体降低FFF晶体增加晶体增加晶体增加晶体增加 残余岩浆中残余岩浆中 瞬时结晶相中瞬时结晶相中 平均结晶相中平均结晶相中0.010.10.5D=10520.010.10.510520.010.10.51052c ci is s 1-1-F FD Dc ci io o 1 1-F-F=第39页 分离结晶作用早期残余岩浆残余岩浆瞬时结晶相瞬时结晶相平均结晶相平均结晶相D D1 1快速降低开始特高，快速降低开始特高，迟缓降低D D1 1略升略升极低极低极低极低 分离结晶作用晚期D D1 1几无几无几无几无缓降至缓降至1 1D D1 1骤升骤升骤升骤升骤升骤升骤升骤升缓升至缓升至1 1分离结晶过程中微量元素改变主要特征分离结晶过程中微量元素改变主要特征第40页c ci il lc ci io o=F=F(D-1)(D-1)o当D1 1，这么元素称为超岩浆元素超岩浆元素H。上式变为：c cH Hl l/c cH Ho o=1 1/F/F。超岩浆元素H在残余岩浆中浓度主要与结晶程度相关，能够作为结晶分异程度指示：F F=c cH Ho o/c cH Hl l o假如D 1 1，上式变为：c ci il l/c ci io o=1 1 即元素i在岩浆中和结晶相中浓度都没有大改变。o当D 0.2-0.5，元素在岩浆结晶大部分阶段（除了岩浆结晶最晚期）改变都非常平稳，也能够用来指示岩浆演化进程。第41页2.3 2.3 分离部分熔融模型分离部分熔融模型分离部分熔融模型分离部分熔融模型o熔体一产生就很快离开熔融区，而移至别处汇聚。在熔融区，与残留相平衡共存熔体一直只是新近产生小部分。这么过程，称为分离部分熔融过程分离部分熔融过程分离部分熔融过程分离部分熔融过程。现在上地幔靠近分离部分熔融残留相。o对于这一过程，微量元素i在新生成溶体中浓度c ci il l与部分熔融程度F关系，采取微分方程方法，得到以下方程：c ci il l 1 1 P FP Fc ci io o D DD D=(1 1-)-)1 1P P(-(-1 1)o当P=DP=D时时时时，上式简化为：c ci il l 1 1c ci io o D D=(1 1-F)F)1 1D D(-(-1 1)第42页o对这一方程所揭示过程作简单分析：c ci il l 1 1c ci io o D D=(1 1-F)F)1 1D D(-(-1 1)D=0.10.0510520.010.250.50.75溶体增加溶体增加Fo对于不相容元素i，假如D1，比如在0.01以下，即使部分熔融程度较低，比如F0.1，元素i在新生溶体中含量也急剧下降。o地幔在地质历史上经历了普遍部分熔融，所以，现在地幔应该主要是亏损地幔，D1不相容元素含量极低。o假如地幔哪个部位强不相容元素含量高，则该区地幔一定经历了另外过程，如流体交代、地壳混染，等。第43页o在岩石圈（壳幔）体系中，岩浆发生和演化过程，都有可能存在不一样起源物质混合。最常见，就是幔源岩浆与地壳物质混合。2.2.4 4 混合模型混合模型混合模型混合模型二元混合二元混合三元混合三元混合第44页混合作用混合作用Sr-Nd同位素同位素第45页混合作用同位素和微量元素混合作用同位素和微量元素第46页混合作用通用数学表示混合作用通用数学表示第47页2.2.5 5 其它模型其它模型其它模型其它模型同化混染和分离结晶作用联合模型同化混染和分离结晶作用联合模型(AFC)复杂，实用模型！复杂，实用模型！2.6 2.6 岩浆过程判别岩浆过程判别岩浆过程判别岩浆过程判别针针对对火火山山岩岩，判判别别其其岩岩浆浆演演化化是是部部分分熔熔融融主主导导，还还是是分分离离结结晶为主导，这是非常主要研究。晶为主导，这是非常主要研究。注意：注意：岩浆喷出后，结晶分异非常有限，故多考虑岩浆喷出后，结晶分异非常有限，故多考虑c ci il l/c ci io o改变改变第48页(1)将微量元素分为将微量元素分为3类，其行为存在显著差异：类，其行为存在显著差异：相容元素相容元素G G，D 1 1。NiNi、CrCr、PGEPGE、HREEHREE（一些情况下，如存在石榴石）（一些情况下，如存在石榴石）分离结晶过程中，浓度改变大部分熔融过程中，浓度改变小超岩浆元素超岩浆元素HH(亲湿岩浆元素亲湿岩浆元素)，高不相容，高不相容，D1 1。ZrZr、HfHf、TaTa、ThTh、LREELREE分离结晶过程中，浓度改变小部分熔融过程中，浓度改变大岩浆元素岩浆元素MM，中等到弱不相容，中等到弱不相容，D 0.20.50.20.5。HREE是经典是经典两类过程中，浓度改变都比较平缓第49页(2)相容元素相容元素G G与超岩浆元素与超岩浆元素HH关系关系第50页(3)超岩浆元素对结晶超岩浆元素对结晶作用过程指示作用作用过程指示作用考虑结晶作用，对于某个微量元素i，有：c ci il l/c ci io o=F=F(D-(D-1 1)，也可写成：，也可写成：，也可写成：，也可写成：c ci il l=c ci io o F F(D-(D-1 1)假如有某个超岩浆元素H H存在，考虑到：F F=c cH Ho o/c cH Hl l有：c ci il l=c ci io o (c cH Ho o/c cH Hl l)(D-(D-1 1)取对数：LnLnc ci il l=LnLnc ci io o +(D-(D-1 1)LnLnc cH Ho o-(D-(D-1 1)LnLnc cH Hl l假如D D基本不变，这就是一个直线方程：Lncil=A+B LncHl其中：A=LnLnc ci io o +(D-(D-1 1)LnLnc cH Ho o；B=1 1-D D第51页LncHlLncilD D 1 1D D1,B1考查方程：Lncil=A+B LncHl A=LnLnc ci io o +(D-(D-1 1)LnLnc cH Ho o；B=1 1-D D假如D D 1 1，斜率为负值假如D D 1 1，斜率为正值假如D D 1 1，斜率靠近1 1LncHlD D 1 1第52页(a)(a)对于分离结晶作用对于分离结晶作用对于分离结晶作用对于分离结晶作用，有：c cH Hl l/c cH Ho o=F F(D-(D-1 1)，1 1/F/F （D D1 1 1 1）c cMMl l/c cMMo o=F F(D-(D-1 1)，1 1/F/F （D D 1 1 1 1）故：c cH Hl l/c cH Ho o c cMMl l/c cMMo o 变换得到：c cH Hl l/c cMMl l =c cH Ho o/c cMMo o=常数假如选择H=La,M=Sm 则有右图显示关系(4)分分离离结结晶晶和和部部分分熔熔融融过过程程中中，岩岩浆浆元元素素MM和和超超岩岩浆浆元素元素H H关系关系超岩浆元素H H，D1，与0.20.5相比能够不计；岩浆元素MM，D0.20.5，与1 相比，能够不计。第53页(b)(b)对于平衡部分熔融作用对于平衡部分熔融作用对于平衡部分熔融作用对于平衡部分熔融作用，有：c cH Hl l 1 11 1c cH Ho o F F+(1-F)(1-F)DH F F=c cMMl l 1 11 1c cMMo o DM+F F(1-(1-DM)DM+F F=（D D1 1 1 1）（D D 1 1 1 1）c cH Ho oc cH Hl lF F=c cMMo oc cMMl l=DM+F F能够变为：和 c cMMo oc cMMl l=DM+c cH Ho oc cH Hl l两式合并可得：c cH Hl lc cMMo o两边同乘以 ，得到：第54页c cH Hl lc cMMl l=c cH Hl l+c cH Ho oc cMMo oDMc cMMo o这一方程实际上是一个斜率B 直线方程：c cH Hl lc cMMl l=BC=BCH Hl l+A+ADMc cMMo o=假如选择H=La,M=Sm 则有右图显示关系第55页第三部分第三部分稀土元素地球化学稀土元素地球化学3.1 3.1 稀土元素基当地球化学性质稀土元素基当地球化学性质3.2 3.2 稀土元素在岩石和矿物中分布稀土元素在岩石和矿物中分布3.3 3.3 稀土元素地球化学应用稀土元素地球化学应用第56页vREE化学性质相同，地质过程中，表现出整体运移特征化学性质相同，地质过程中，表现出整体运移特征地幔 基性地壳 中酸性地壳，REE总量渐次增加vREE之间性质存在有规律微小差异，地质过程中，富集之间性质存在有规律微小差异，地质过程中，富集和亏损程度呈有规律改变，能够用来精细刻划地质过程和亏损程度呈有规律改变，能够用来精细刻划地质过程v稀土元素：稀土元素：La系系+Y第57页v稀土元素在元素周期表中占一个格，化学性质基本相同。不过，稀土元素在元素周期表中占一个格，化学性质基本相同。不过，伴随原子序数增加，电子充填次外层伴随原子序数增加，电子充填次外层(4f)，其余各层不变。，其余各层不变。3.1 3.1 3.1 3.1 稀土元素基当地球化学性质稀土元素基当地球化学性质稀土元素基当地球化学性质稀土元素基当地球化学性质第58页vLa系收缩：系收缩：这么结结构成电子层之间引力连续增加，造成原子这么结结构成电子层之间引力连续增加，造成原子/离子半径渐次减小：离子半径渐次减小：RE3+=1.14 0.85vREE结构决定，离子普通呈结构决定，离子普通呈+3价，不过，价，不过，Ce4+、Eu2+除外。除外。v稀土元素在稀土元素在Gd之后，因为之后，因为2f电子自旋方向改变，造成地球化电子自旋方向改变，造成地球化学性质差异。这是造成学性质差异。这是造成REE分异主要原因。分异主要原因。REE分为两组：分为两组：LREE：LaEu HREE：Gd Lu第59页3.2 3.2 3.2 3.2 稀土元素在岩石和矿物中赋存和分布稀土元素在岩石和矿物中赋存和分布稀土元素在岩石和矿物中赋存和分布稀土元素在岩石和矿物中赋存和分布1.地球上，地球上，REE丰度并不低，也不稀，比许多贵金属高；丰度并不低，也不稀，比许多贵金属高；2.普通说来，普通说来，REE倾向于富集于含倾向于富集于含Ca矿物中矿物中3.超基性岩超基性岩基性岩基性岩中性岩中性岩中酸性岩中酸性岩酸性岩酸性岩碱性岩碱性岩 在岩石上述改变序列中，稀土元素总量升高；超基性岩相对在岩石上述改变序列中，稀土元素总量升高；超基性岩相对富集富集HREE，而碱性岩相对富集，而碱性岩相对富集LREE4.REE可形成独立矿物主要有：可形成独立矿物主要有：独居石独居石 (Ce,La,Nd,Th)PO4 磷钇矿磷钇矿 YPO45.LREE普通富集在配位数高矿物中，如普通富集在配位数高矿物中，如PL、Cpx、Kf HREE普通富集在配位数低矿物中，如普通富集在配位数低矿物中，如Grt、Zr、Ol、Opx6.LREE普通富集在含普通富集在含Ca、K、Th、Sr矿物中矿物中 HREE普通富集在含普通富集在含Fe、Mn、Sc、Zr、U矿物中矿物中7.LREE普通富集在吸附能力强沉积物中，如粘土、有机物普通富集在吸附能力强沉积物中，如粘土、有机物 HREE普通富集在络合能力强高温热液体系中，如伟晶岩普通富集在络合能力强高温热液体系中，如伟晶岩第60页3.3 3.3 3.3 3.3 稀土元素地球化学应用稀土元素地球化学应用稀土元素地球化学应用稀土元素地球化学应用3.3a 3.3a 3.3a 3.3a 稀土元素标准化图稀土元素标准化图稀土元素标准化图稀土元素标准化图为了消除丰度差异，普通为了消除丰度差异，普通为了消除丰度差异，普通为了消除丰度差异，普通采取球粒陨石来标准化。采取球粒陨石来标准化。采取球粒陨石来标准化。采取球粒陨石来标准化。第61页第62页第63页3.2b 3.2b 3.2b 3.2b 稀土元素稀土元素稀土元素稀土元素REEREEREEREE配分型式配分型式配分型式配分型式岩石岩石/球粒陨石球粒陨石岩石岩石/球粒陨石球粒陨石岩石岩石/球粒陨石球粒陨石岩石岩石/球粒陨石球粒陨石富集型富集型亏损型亏损型平坦型平坦型EuEu亏损型亏损型EuEu富集型富集型锰结核锰结核海水海水第64页MORBMORB稀土元素配分型式稀土元素配分型式稀土元素配分型式稀土元素配分型式第65页MORBMORB稀土元素配分型式稀土元素配分型式稀土元素配分型式稀土元素配分型式岩石岩石/球粒陨石球粒陨石岩石岩石/球粒陨石球粒陨石岩石岩石/球粒陨石球粒陨石第66页经典地壳稀土元素配分型式经典地壳稀土元素配分型式第67页同一岩浆系列同一岩浆系列REEREE配分型式配分型式相同相同，高度不一样，起因于Ol,Plag,Pyx结晶分离作用岛弧岩浆系列起源于不均一不均一地幔源区地幔源区HREE 平坦，源区无石榴石源区无石榴石经典岛弧火山岩稀经典岛弧火山岩稀土元素配分型式土元素配分型式第68页活动大陆边缘岩浆岩活动大陆边缘岩浆岩稀土元素配分型式稀土元素配分型式第69页大陆碱性岩浆岩稀大陆碱性岩浆岩稀土元素配分型式土元素配分型式第70页3.2c 3.2c 3.2c 3.2c 岩浆过程判别与模拟计算岩浆过程判别与模拟计算岩浆过程判别与模拟计算岩浆过程判别与模拟计算 v源岩含源岩含80%橄榄石、橄榄石、10%斜长石、斜长石、10%单斜辉石单斜辉石溶体溶体残留体残留体源岩源岩F第71页v石榴石二辉橄石榴石二辉橄榄岩部分熔融榄岩部分熔融第72页第四部分第四部分微量元素地球化学研究主要思绪和方微量元素地球化学
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