第八章岩浆作用岩浆起源与演化过程中元素的活动规律Word文档下载推荐.docx
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桥氧为连接相邻两个Si—O四面体的氧,它与两个Si‘’离子(或其它四次配位阳离子)相邻,表示为Si—O—S山非桥氧是连接一个Si‘t离子(或其它四次配位阳离子)和一个非四次配位阳离子的氧,表示为Si—O—M;
自由氧指与除Si‘’离子及取代Si‘’的四次配位阳离子以外的金属阳离子相连接的氧,表示为M—O—M。
显然,熔体中桥氧的比例越高,熔体的聚合程度也越高。
3)阳离子的种类对硅酸盐熔体的结构有重大影响。
阳离子的电负性和电离势直接影响到非桥氧的生成焙和熔体的混合自由能,影响到三种结构态氧在熔体中的量比和分布状态,从而影响熔体的聚合程度。
根据阳离子对聚合作用的贡献,可将它们分为两类:
(1)成网阳离子,在熔体中一般与氧呈四次配位,位于Si(T)—O四面体中心,起着形成网络、增强聚合程度的作用,如Si4’、Ti”、一部分A1“和Fe”以及在Al”iSi‘’替换中起平衡电荷作用的Nat、K’等离子;
(2)变网阳离子,位于Si(T)—O四面体之间,与氧呈六次或更高次配位,起着降低聚合程度的作用,如Fe”、Mn2/、Mg”、Ca’’及一部分Al”、Fe”、Nat、K’等。
阳离子的结构作用很复杂。
这是因为阳离子种类繁多,结构作用各异,相互影响也较大,而且有的阳离子的结构作用有两重性,有的阳离子还有价态的变化,而不同价态的结构作用不同。
因此,对硅酸盐熔体结构的研究,实际上主要集中在对阳离子结构作用的研究上。
4)挥发份对熔体结构的影响也是巨大的。
根据结构作用的不同,挥发份可分两类。
一类以HzO为代表,包括HzS、HCl和HF等,它们溶解于岩浆时破坏桥键,降低桥氧的比例,导致熔体的解聚作用,其直接结果是大大降低熔体的固相线温度和熔体的粘度,提高熔体的电导率。
另一类以C02为代表,包括P20s和SO2等,它们溶解于岩浆时破坏非桥键,降低非桥键的数量比,使熔体的聚合程度提高。
这两类挥发份在岩浆熔体中的结构作用不同,因而在岩浆过程中的作用也根本不同。
例如,在上地幅橄榄岩发生部分熔融的过程中,由于H20和COz在硅酸盐熔体中的结构作用相反,所产生的岩浆性质也截然不同。
在富H20条件下,产生比较富硅的石英拉斑玄武岩浆;
而在富C02条件下,产生比较富碱贫硅的岩浆,如碱性玄武岩浆、碧玄岩浆和金伯利岩浆等。
3.岩浆演化过程中元素的活动规律
(1)主要元素的地球化学行为主要元素包括O、Si、A1、Fe、Ca、Mg、Na、K八种元素,这些元素又称造岩元素,它们共占岩浆质量的90%以上,是岩浆作用的主导元素。
这些元素不仅直接导致了岩浆岩的形成,而且制约着微量元素的分散和富集。
同其他主要元素的电子层结构相比较,氧是唯一作为阴离子存在于岩浆中的。
显然,氧可以与那些半径小、电价高、极化力强、离子电位高的元素(如Si“,有时A1”)呈配位键结合,形成络阴离子,即[SiOd]‘—和[A10‘35—。
而氧与Nat、K’、Mg”、Fe2/、caz’等元素相互作用时,只能成离子键结合。
这些元素在争夺氧方面根本不能与硅和铝相比,除非在硅和铝极少的情况下,Fe34—、Mg”、Fez’能替代之,一般均不能与氧形成络阴离子,而只能在硅(铝)氧络阴离子之外,呈典型的自由离子。
在岩浆演化过程中,随着硅氧络阴离子团聚合程度的增高(岛状、单链、双链、层状和架状),公用氧的数目不断增加,因此氧的有效电价逐渐降低,从而吸引阳离子的能力逐渐减弱(表8.1),这决定了不同聚合程度的硅氧络阴离子与不同的阳离子相结合。
MglFe、Ca、Na、K这些元素的晶体化学性质表明它们的极化能力依次降低。
因此,Mg”、Fez’倾向与那些有效电价高的硅氧络阴离子结合,而Ca24、Nal、K’则倾向与有效电价低的络阴离子结合。
由此可见,岛状和链状的硅氧络阴离子与Mg”、Fe’’结合形成橄榄石和辉石、单链和双链的硅氧络阴离子与Ca24、Mg”、Fe’’结合形成辉石和角闪石以及层状和架状的硅氧络阴离子与Ca2/、Nat、K’结合形成云母和长石,在能量上最合适。
这就清楚地表明,这些元素自岩浆中析出的顺序是:
Mg—Fe—Ca—Na—K。
主要元素在岩浆中析出的顺序除决定于元素本身的特点以外,这些元素在岩浆中的浓度以及其他元素的影响,都可以在一定程度上改变它们的析出顺序。
但在一般情况下,随着岩浆的演化,主要元素的析出有着明显的规律性:
从超基性岩一中性岩i酸性岩,MglFe含量递减,Na、K含量递增,Ca在基性岩中含量最高,氧和硅的含量变化不甚明显,但也有向岩浆晚期富集的趋势。
(2)微量元素的地球化学行为
岩浆岩中微量元素通常指在岩浆岩中含量在1%以下的元素,呈分散状态的微量元素基本上有两种存在形式:
一种呈非类质同象形式存在,如在矿物中形成微包裹体、被矿物吸附和在矿物之间呈分子状态等;
另一种是呈类质同象形式存在于其他矿物中。
形成非类质同象混入物的主要控制因素,包括类质同象混入物的分解、吸附以及硅酸盐熔体结晶作用的条件等等。
例如,在高温条件下Zn2’可以类质同象方式进入黑云母和角闪石的晶格,置换其中的Mg’’和Fe2’,但温度下降后,这一类质同象混入物便可被分解出来转变为呈非类质同象形式存在。
在岩浆中晶体化学规律对于控制微量元素的活动十分重要。
矿床形成的可能性在很大程度上取决于这些元素是否呈类质同象混入于主要造岩矿物的晶格中。
若与它们形成类质同象,则这些元素部分或全部趋向于分散。
例如Rb和Cs在花岗岩中的活动就是很好的例子,Rb的各种地球化学参数与主要造岩元素K很相似,因此它在岩浆结晶过程中几乎全被钾矿物所“捕获”。
但Cs却与Rb不同,它不进入那些造岩矿物中,虽然它在花岗岩中的含量较Rb4氏得多,但它却能集中于岩浆晚期的花岗伟晶岩中,并能形成独立的矿物——艳榴石。
控制类质同象的基本国素包括键状、晶体化学性质、置换的能量效应和置换时的物理化学条件等。
1.起基性岩和基性岩主要岩类的地球化学特征
超基性岩和基性岩中的元素,除在地壳中分布较广的Si、O、Mg、Fe外,还有Ti、Cr、Ni以及C、Na、A1、P、S(C1)、Ca、V、Mn、Co和铂族元素等。
这些岩石具有以下地球化学特征。
1)岩石中主要元素的原子序数为偶数(如Mg、Si、O、Ti、Fe、Ni、Cr、S、Ca、Pt等)。
这些元素的含量占总原子数的97%以上,这一规律突出地表现在超基性岩中。
在基性岩中,由于Na、K、A1加入长石晶格,奇数元素的数量略有增加。
2)岩石中元素的原子核结构大多属4q型,例如o(16)、Mg(24)、Si(28)、S(32)、Ca(40)Ti(48)、Cr(52)、Fe(56)等。
这些元素的原子核稳定性最大。
3)岩石中的元素,以电价为偶数的元素(如Mg”、Fe2L、Ni”、Ti‘’等)为主,电价为奇数的元素(如Na4—、K’、A1”等)较少。
4)超基性岩和基性岩浆的结晶,是在缺氧条件下进行的,其中的元素常处于低氧化状态,例如,这一时期形成的铁的硫化物,主要是磁黄铁矿而不是黄铁矿。
5)超基性和基性岩中类质同象极为发育。
等价置换的,如橄榄石是中Fe’’置换Mg”,普通辉石中Mn2’置换Fe”,橄榄石中Ni’’和C。
z4—置换Fe’’和Mg’i,铂族元素的相互置换等等。
异价置换的,如Sc”加入镁硅酸盐的品格,钦矿物中存在有Nb”和Ta”;
自然铂中存在有Fez’和Cu”;
磁铁矿中存在的)4i’’和V”以及Mg”、铬尖晶石中存在Fe’’和A1’‘等。
6)这类岩石的矿物中经常聚集铁族元素(Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni)。
这些元素的离子具不对称性,故染色性高,顺磁性显著,从而使这类岩石具有很深的颜色和很强的磁性。
7)这类岩石中矿物晶格能较大,这就决定了这些矿物具有一定的工艺技术价值,如高硬度(金刚石、尖晶石、铬铁矿)、化学稳定性(金刚石、刚玉、铂族元素矿物、石棉等)和耐高温(刚玉、铬铁矿、石墨、滑石)等。
根据Mg()/FeO比值的不同,有人将我国的超基性岩和基性岩分为5种类型:
镁质超基性岩(MgO/FeO>6,5,一般变化于6.5—14之间)、铁质超基性岩(MgO/FeO比值介于2—6.5之间)、富铁质超基性岩(MgO/FeO比值介于o.5—2之间)、铁质基性岩(MgO/Fe()<2)和富铁质基性岩(MgO/FeO<o.5)。
显而易见,由超基性岩向基性岩变化时,Mg’’逐渐减少,Fez’相对增加,因此MgO/Fe()比值不断下降。
2.花岗岩类
花岗岩类岩石中的常见元素有Li、Be、B、F、Na、A1、Si、P、Cl、K、Rb、Y、TR、Zr、Hf、Nb、Ta、W、Sn、Mo、U、Th等。
它们组合成花岗岩类岩石中特有的矿物:
(1)主要矿物为石英、微斜长石、正长石、酸性斜长石、黑云母和白云母;
(2)副矿物包括铬石、磷灰石、稠石、褐帘石、独居石、电气石、锡石、萤石、金红石等。
在Ch叩pell和White(1974)L3s’将花岗岩划分为S型和I型的基础上,Pitcher(1982)L5d’认为“不同成因类型的花岗岩类代表不同的活动带”,也就是说,特定的构造环境将产生特定的花岗岩。
据此,他把花岗岩分为5类:
(1)海洋岛弧型(M型):
以大洋岛弧型斜长花岗岩为主;
(2)活动大陆板块边缘型(科迪勒拉I型):
以大量辉长岩、石英闪长岩组合为代表;
(3)造山期后隆起型(加里东I型):
以花岗闪长岩和花岗岩为主;
(4)克拉通稻皱带和大陆碰撞带型(S型):
为过铝质花岗岩组合;
(5)稳定稻皱带和克拉通官隆和裂谷型(A型):
为碱性花岗岩组合。
表8.2为Pitcher提出的分类。
显而易见,这些不同成因类型的花岗岩类,且有不同的地质地球化学特征。
与超基性和基性岩相比,花岗岩类岩石中元素的地球化学特征明显表现出以下几个规律:
(1)除在地壳中分布最广的Si和O外,原子序数为偶数和电价为偶数的元素,特别是4q型原子(如Fe、Ca、Mg)的含量大大降低,而原子序数为奇数,电价亦为奇数的元素,如A1的含量则大为增加;
(2)碱金属元素K、Na、Rb、Cs的含量大大增加,Si的含量也明显升高;
(3)半径大的Y、TR、Zr、Hf、Nb、Ta、Th、U和半径小的瓤、Be、B等元素的含量均有增加;
(4)易成挥发性化合物的F、Cl、P、OH等元素,其含量也明显升高。
3.碱性岩类
碱性岩在矿物成分和化学成分上都有着与其它岩石完全不同的特点。
在矿物成分上的特点是:
(1)长石成分以碱性长石(正长石、微斜长石、钠长石)为主;
(2)一般含有霞石,其它副长石矿物如白榴石、方钠石、渤方石、蓝方石、钙霞石、方沸石等也经常出现;
(3)铁镁矿物往往是碱性的,如霓石、霓辉石、钠钙闪石、铁锤云母等;
(4)副矿物相当复杂,常见的有钻石、磷灰石、棍石、萤石等,有时还可见钻和钻的复杂硅酸盐,如异性石、闪叶石、硅饰铁矿、烧绿石、钦铁矿以及钦磁铁矿等。
在岩石化学成分上的特点是:
(1)Si02的含量较酸性岩低,Alz02也相对不足;
(2)碱金属元素特别是Na、K的含量很高;
(3)具有大量的挥发份,如F、C1、COz和OH等;
(4)Nb、Zr、TR、“J、Th等稀有元素能集中形成独立矿物或矿床。
碱性岩的主要代表是霞石正长岩。
根据化学成分的不同,可以将霞石正长岩分成两类:
一类是钠质火成岩,特别富含Na和Fe,KzO十Na2()/A1z()2>1,这种碱性岩具有与其它岩石相反的结晶顺序,一般是Zr、Ti和Fe的化合物析出较晚;
另一类是云霞正长岩,富含钾、结晶顺序正常。
这两类碱性岩的岩石化学和地球化学特征见表8.3。
在钠质火成岩中,由于SD2含量不足,故不能形成石英,甚至不能全部形成长石,而只能形成霞石等似长石矿物,后者不能与石英共生。
由于钠质火成岩中含有大量的Na,而Si和Al相对不足,放在形成似长石和长石以后,岩浆熔体中Si和A1的浓度大大降低,从而使熔体中没有足够的络阴离子与碱金属离子彼此结合,以保持系统的平衡。
这时就只有通过阳离子中的两性元素(如Zr、Ti、Nb、Ta、Be等),与氧结合成络阴离子,再和Na、K结合。
Ti、Zr、Nb、Ta、Be等两性元素在Si、Al含量很低时,形成[Tiod]”、LZrO*]”、[Nb041”、[Ta()d13—、[BeOd]‘—等络阴离子,这些络阴离子与[SOd]‘—连接形成许多复杂硅酸盐矿物,如异性石、星叶石等,Nb、Ta、Zr、Be等稀有元素大量地分散在这些矿物中,而不能形成独立矿物。
三、火山作用地球化学
火山岩浆主要起源于上地慢(特别是软流圈)。
由于地怪物质部分熔融作用而产生的熔浆,沿火山通道上升到达地表,即表现为火山作用。
但一些浅源火山作用的岩浆则来自地壳深部或硅铝层(有时深度只有5—6km)。
火山作用的产物有三种:
(1)气体喷发物:
成分有HzO、Hz、N2、C021、SOz、HzS、HCl、HF和CH4等;
(2)液体喷发物:
指各种熔浆,最主要的为硅酸盐熔融体,喷发形成各种熔岩;
(3)固体喷发物:
有火山灰、火山砂、火山砾、火山渣和火山弹等。
1.不同构造环境火山作用的地球化学
火山岩系列常被用来定义火山岩组合。
同一系列中的火山岩是岩浆长期演化的产物,表现在矿物成分和化学成分的变化上具有明显的规律性。
都城秋穗将火山岩归纳为三个系列:
拉斑玄武岩系列、钙碱性火山岩系列和碱性火山岩系列。
随着结晶分异作用的进行,拉斑玄武岩系列的Fe()’(Feo十o.9Fez03)和Ti02逐渐富集,而钙碱性火山岩系列则趋于减少。
具相同SiO2含量的岩石,FeOx/Mgo不同,即拉斑玄武岩系列岩石的FeOx/MgO大于钙碱性火山岩系列岩石,且后者A1zO:
、KzO含量较高。
拉斑玄武岩系列一般自玄武岩开始,整个系列Si()z含量变化幅度为48—63%;
钙碱性火山岩系列自安山岩开始,S旧z含量变化幅度为52%一70%;
碱性火山岩系列随着Si02含量的增加,FeOx/MgO、FeOx和TiO2含量均增加,这点与拉斑玄武岩相似,但碱金属含量比其他两个系列都高?
其中也可分为钠质和钾质两个系列。
火山岩浆活动与环境关系的研究多从两方面着于。
一方面是在已知构适外境的情况下,研究该地区的火山岩岩石学和地球化学特点;
另一方面正好相反,从某地区火山岩岩石学和地球化学特征出发,研究该地区的构造环境。
大量研究表明,不同地质构造环境的火山活动及其地球化学特点是不同的。
三个不同系列火山岩的分布与构造环境的关系见表8,4。
根据岩石的地球化学特征来判断其形成环境的实例很多。
例如,美国加利福尼亚州的喀斯特地区,其南端的拉森区有三种岩石:
低钾橄榄拉斑玄武岩、钙碱性玄武岩和安山岩。
低钾橄榄拉斑玄武岩的主要特征是,主要元素和稀土元素成分没有明显的变化,SiOz(48%一49.5%)、Kz()(<0.4%)和Sr(<4.O×
10—‘)含量都很低,里近于平宜的REE分布模式,Eu为正异常;
与此相反,在一定的SD2含量条件下,钙碱性玄武岩中不相容元素的含量变化很大,例如,当SiOz含量为53%时,K20含量为o.25—2.o%,Sr含量为4.o×
lo—‘一1.2×
lO“。
而一些低钾安山岩,其Sr含量可达1.5×
10“,而且所有钙碱性熔岩的IJa/Sm和Sm/Yb比值都大于球粒陨石,其REE分布模式呈双凹状(即由La到5m的分布曲线向下凹,Gd到Yb的分布曲线向上凹)。
低钾橄榄拉斑玄武岩由开始喷发到结束,其成分无变化,且含有较高的相容元素(Mg>6.5×
10“,Ni>1.o×
10“,Cr>1.5×
10—‘),没有斑晶堆积,:
’Sr/‘‘Sr初始比值大于o.7036。
由此可以认为,这些特点符合原始岩浆的成分,并且有“大陆”特征;
钙碱性熔岩的分析结果表明,该熔岩属于“大洋”(近似MORB)型,其“’Sr/“。
Sr初始比值小于o.7034;
低钾高银安山岩也代表原始成分,因为这种特殊的安山岩的同位素组成近似于M()RB型,所以它不可能来源于低钾橄榄拉斑玄武岩和钙碱性玄武岩母岩浆。
钙碱性岩系常常被认为是会聚板块边缘的特有产物,但北智利的晚石炭世至三叠纪安第斯火山岩却以富硅质的凝灰岩和熔岩流为主,具有大陆层状富硅火山岩的特点,属双峰式钙碱性岩系。
这种富硅质火山岩以Ba、Sr含量高而K、Na含量低为特点,所以其形成环境被认为属于板内扩张大陆环境。
2.各类火山建造的地球化学特点
火山建造亦常被用来定义火山岩组合。
同一火山建造的火山岩组合,虽然时代上可以不一样,空间上可以出现于不同的地区,但它们都属于同一类型地质构造条件下的产物,大体处于不同造山旋回的相类似的发展阶段上。
根据火山作用与造山作用的关系,可以将火山作用划分为前造山期火山作用、晚造山期火山作用和后造山期火山作用。
随着一个地区由活动趋于稳定,这三类火山作用可以出现于同一地区的不同发展阶段。
火山建造主要有八种类型,它们与造山作用的关系见表
1)细碧用斑岩建造
造山运动前的海相喷发物。
细碧岩的Si()2含量落入玄武岩范畴,但钠含量超过玄武岩,Naz〔)含量>4%,TiOz含量较高,Ca()和MgO含量稍低。
地球化学持征是Na、硫化物、Ti、Ca的活动性强而K的活动性弱,常形成Fe—Cu硫化物的富集。
2)变拉斑玄武岩建造
造山运动前的海相喷发物,是一种浅变质的拉斑玄武岩。
与纳碧岩的区别是,变拉斑玄武岩的NazO含量低、CaO含量高、Cao/Nazo为3—5,且KzO含量一般小于0.3%,显著低于大陆拉斑玄武岩的钾含量。
变拉斑玄武岩的特点与大洋拉斑玄武岩十分接近。
细碧岩可能是变拉斑玄武岩的一种特殊相。
3)安山岩建造
安山岩主要分布于环太平洋年轻造山带中。
中间地块和古陆台边缘也可见到这种建造,往往是陆相中心式喷发。
安山岩建造存在两个主要演化方向:
一是向酸性演化(安山岩一英安岩一流纹岩);
二是向碱性方向演化(安山岩一粗安岩一粗面岩一碱性租面岩)。
前者主要出现于隆起带,构造活动比较强烈,岩浆房不断扩大并上升位移进入地壳上部圈层,因此岩浆必然越来越酸性;
后者相对来说主要见于助陷区,由于构造活动渐弱,逐渐趋向稳定,岩浆层处于相对稳定状态,有利于碱金属在岩浆分异过程的较晚期集中。
这类建造的次火山岩和浅层侵入体是寻找Cu、Mo、Fe矿床的主要对象。
安山岩建造的地球化学特征是钾的活动性强,SiOz较富,CM、Mo、Au、Ag、Fe、Pb、Zn、As是其较为特征的富集元素。
4)粗面安山岩建造
以碱金属含量普遍偏高为特点,而且演化愈到后期愈富。
特别是K20含量,远远超过一般安山岩建造,基性元素则比一般安山岩建造明显减少。
长江中下游一些沿江火山岩盆地,可作为该建造的代表。
有Fe、Cu、S等元素富集成矿。
5)流纹岩建造
一般见于造山运动晚期的构造隆起阶段,经常是陆相喷发。
我国东部沿海地区广泛发育保罗—白至纪火山岩系,流纹岩建造在其中占有很重要的地位。
这个建造中的流纹岩次火山花岗岩组合比火山岩略偏酸性,富SiOz,或略偏碱性,富Na20十K20。
A120:
常过饱和。
地球化学特征是富含W、Sn、Mo、U及稀有、稀土金属元素。
太古宙后的流纹岩大部分局限于地壳厚度较大的大陆地区;
大洋区多是碱性流纹岩,可能是玄武岩浆的分异产物。
大量的流纹岩和流纹质熔结凝灰岩高钾、富铝和硅,Rb/Sr、:
’Sr/“‘Sr明显地高于基性岩和中性岩,表明本类岩石的岩浆主要来自硅铝层。
6)泛流式拉斑玄武岩建造(暗色岩建造或高原玄武岩建造)
主要见于稳定的克拉通地区,为陆相喷发产物。
SiOz含量为49%一51%,NazO十KzO含量较低,通常为1.5%一3.o%。
泛流式拉斑玄武岩与大洋拉斑玄武岩区别不大,仅KzO含量略高,可能是受硅铝层混染的结果。
这类建造以Fe、Ti、V、Cr、Ni等元素的高含量为特征。
钒钦磁铁矿、铜镍硫化物矿床为其重要矿化类型。
7)碱性橄榄玄武岩建造
与大断裂有明显关系,时代较新,一般是第三纪和第四纪,大多分布于大洋岛屿上。
我国东部也是这类建造的典型。
与大洋岛屿相比,我国东部的KzO含量显著地超过世界各地的平均含量。
关于玄武岩的成因,普遍认为是地幅部分熔融产生的。
根据实验,当压力相当于15km的范围内,分熔出来的是石英拉斑玄武岩,15—35km为高铝玄武岩,35—75km为碱性橄榄玄武岩。
太平洋西岸玄武岩的分布也反映出这一规律。
日本靠大洋一侧为拉斑玄武岩,日本海、朝鲜和我国东北为碱性橄榄玄武岩,二者之间为高铝玄武岩。
8)碱性玄武岩建造(超基性—碱性岩建造)
出现于稳定地区,同深大断裂密切相关,经常为中心式喷发,与伴有碳酸岩的超基性—碱性侵入体有共生关系。
Nb、TR、zr、Fe、Ba、Sr、P等为其特征的成矿元素。
含金刚石的金伯利岩可能与其有成因联系。
第二节沉积作用
相对于岩浆作用和变质作用,沉积作用包括风化、搬运、沉积和埋藏成岩在内的沉积岩形成的全过程。
在沉积岩形成的过程中,除物理状态的明显变化(压实、固结)外,还有原始物质的分解、新生物质的形成,以及与之相伴的元素的活化迁移与重组等地球化学变化。
下面就从母