第4章地球化学

第四章微量元素地球化学

(GeochemistryofTraceElements)本章的主要内容：基本概念微量元素在共存相中的分配岩浆作用过程中微量元素的定量分配模型稀土元素地球化学微量元素的示踪意义4.3岩浆作用中微量元素分配演化定量模型自然体系如岩浆作用中，元素在不同相间的分配并非是静态的分配，而是动态演进式的分配。例如橄榄石自玄武岩浆中结晶(Ni在橄榄石与熔体间的分配系数≈14)，随着晶体内部结晶Ni将在晶体核心富集，同时使与之平衡的熔体中Ni浓度降低。当晶体外层依次结晶时，尽管Ni的分配系数不变，但是在熔体中Ni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Ni浓度逐渐变低，而且熔体中的Ni也随橄榄石晶出而愈益贫化。上述情况表明，研究微量元素在岩浆过程中的分配演化规律，仅仅依靠简单的分配定律显然不够，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数学模型。经过努力，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。最常用的为结晶分异和部分熔融过程模型。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。4.3岩浆作用中微量元素分配演化定量模型4.3.1岩浆结晶过程中元素分配演化定量模型岩浆作用指岩浆形成，演化和固结成岩的一系列作用。岩浆作用过程中，往往经历部分熔融作用，同化混染，岩浆混合和结晶作用等过程。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浆演化高度灵敏的指示剂。源自地幔和深部地壳上升的原始岩浆在封闭体系中通过以下几种过程发生分异(differentiation)晶体-熔体分异(Crystal-meltfractionation):

晶出矿物和残余熔浆两相。不混溶熔体的物理分离(Physicalseparationofimmisciblemelts):岩浆或流体分异成两种以上互不相溶的液相，通常可能是硫化物＋硅酸盐两相，或富硅+富铁的两种硅酸盐熔体相等。如果分离出的两相都为熔体，称为岩浆熔离作用。熔体-流体分离(Melt-fluidseparation):岩浆活动过程中挥发分的逸出。由于压力突然降低或温度下降到流体饱和以下。—岩浆结晶过程的定量模型如果在开放体系中，岩浆分异通过以下两种过程进行:与其它固体混染物的同化作用(Assimilationofaninitiallysolidcontaminant)两种以上成分不同的岩浆的混合作用(Mixingoftwoormorecontrastingmagmas)—岩浆结晶过程的定量模型矿物从熔体中结晶的两种平衡方式:

1.晶体与熔体仅具表面平衡，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速度，使元素在晶体边缘和核心分布不均匀，导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（重力下沉等使晶体不断从熔体中移出）。2.晶体在缓慢冷凝条件下结晶并与熔体始终保持平衡，形成成分均一，没有环带的矿物。

前者为分异结晶作用，又称瑞利分馏作用；后者称平衡结晶作用。—岩浆结晶过程的定量模型锆石环带

辉长岩岩浆温度高环带宽

花岗岩岩浆温度低环带窄岩浆锆石辉长岩岩浆温度高环带宽典型岩浆锆石的CL特征不同变质锆石的CL结构类型无分带特征锆石弱分带锆石扇形分带锆石面状分带锆石无环带矿物(1)

分异结晶作用(FractionalsegregationorRayleighfractionation)一个包含不同组分总摩尔数为n的有限岩浆房，其中有y摩尔微量元素i(如Ni)。体系中i的摩尔分数为Xi＝y/n。当一种含i的矿物结晶时，如果每个相继晶体内层来不及与残余熔体保持平衡，或由于i在晶体中扩散缓慢，或由于晶体下沉使晶体每个相继内层未能与残余熔体保持平衡。在一个短时间之后，n变为n-dn，y变为y-dy，

此时晶体与熔体中i的摩尔浓度分别为:—岩浆结晶过程的定量模型

Xi晶体＝dy/dn

Xi熔体＝(y－dy)/(n－dn)(4.11)i为微量元素服从亨利定律，据分配定律:

Xi晶体＝dy/dn＝KDXi熔体

(4.12)dy/dn可直接用Xi熔体表示。4.11右边，相对y，dy可忽略不计，相对于n，dn可忽略不计。有:

Xi熔体＝y/n，所以y＝n·Xi熔体上式两边对n微分:

dy/dn＝ndXi熔体/dn＋Xi熔体

将4.12代入上式得:

KDXi熔体＝ndXi熔体/dn＋Xi熔体

(4.13)

整理后:

·dXi熔体＝(1/n)·dn(4.14)—岩浆结晶过程的定量模型如果在结晶过程中KD为常数，对上式在Xi0和Xi熔体之间以及初始熔体量n0和任何时刻n值之间积分，得出分异结晶过程中该微量元素浓度的总体变化:(4.15)

(KD－1)(4.16)(n/n0)为残余熔体占原始熔体的百分数，以F表示，1-F反映岩浆的结晶程度，有：

Xi熔体＝Xi0·

F(KD－1)(4.17)

—岩浆结晶过程的定量模型上式就是瑞利分馏定律(Rayleighfractionationlaw)。Xi熔体是残余岩浆中微量元素i的摩尔浓度，Xi0为初始母岩浆中i的摩尔浓度，KD为i在晶体和熔体之间的分配系数。将式4.17代入式4.12得出Tr在晶体中浓度随F变化的关系式:Xi晶体＝KDXi0F(KD－1)(4.18)岩浆结晶形成一种以上的矿物，用总分配系数D代替KD:

Xi熔体＝Xi0F(D－1)(4.19)Xi晶体＝DXi0F(D－1)(4.20)—岩浆分异作用的模型结晶作用模型—Cil/Ci0＝F(D－1)残余熔体Tr浓度取决于原始熔体Tr浓度，残余熔体占原始熔体百分数F及分配系数D。分异结晶过程Tr浓度变化图--以Tr在残余熔体中浓度与原始熔体中浓度比值(Cil/Ci0)为纵坐标，F为横坐标，D赋予不同值。随F减小，结晶程度增大，残余熔体占原始熔体分数减少:D<1的元素在残浆中富集—不相容元素;D>1的元素在晶体中富集，并随矿物晶出逐步在残余岩浆中贫化—相容元素。—岩浆分异作用的模型(2)平衡结晶作用(EquilibriumcrystallizationorBatchsegregation)根据平衡结晶作用的条件，按照类似推导方法，得出平衡结晶过程中微量元素定量模型:

Cil＝(4.23)以下面假定为前提:①整个结晶过程中晶体与熔体之间具有表面平衡，且分配系数或总分配系数始终保持固定；②自岩浆中结晶的矿物种类及其相对比例保持固定。两种假定均偏离真实岩浆结晶过程。但解决实际问题的效果令人满意。—岩浆结晶过程的定量模型4.3.2岩浆部分熔融中元素分配演化定量模型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T