火成岩石学2001.ppt

中国科学院地质与地球物理研究所2001年博士研究生综合课火成岩石学郭敬辉 提纲第一部分 火成岩石学基础1岩浆和岩浆活动的特征2岩浆岩的基本特征 构造 结构 矿物组成 化学组成 3岩浆岩的分类 矿物分类 化学分类 4岩浆的起源与部分熔融5岩浆的演化 原始岩浆组分改变的过程 6岩浆系列 火成岩组合与大地构造7地幔的组成和演化8发展中的全球构造模式9岩浆岩成因研究方法10玄武质岩浆岩成因所关注的问题 第二部分 典型构造环境的岩浆活动11洋中脊 弧后盆地的岩浆活动12岛弧 活动大陆边缘岩浆活动13洋岛的岩浆活动14大陆溢流玄武岩省15大陆裂谷的岩浆活动16碰撞后岩浆活动17太古宙绿岩带18Adakite 太古宙TTG组合与大陆生长机制 第一部分 火成岩石学基础 1岩浆和岩浆活动的特征 1 1岩浆的特征岩浆 炽热 粘稠 含挥发分的熔融体 形成于上地幔和地壳深处 岩浆还含有矿物晶体和岩石碎块 类似晶粥岩浆的成分 主要成分是硅酸盐 也有碳酸盐 金属氧化物和硫化物等成分的岩浆 岩浆中的挥发分 H2O CO2 SO2 CO N2 H2 NH3 NH4 HCl HF等等岩浆的温度 流纹岩700 900 安山岩900 1000 玄武岩1000 1300 岩浆的粘度 岩浆的粘度与成分 挥发分 温度和压力有关 岩浆是什么样的东西 岩浆岩 岩浆岩岩浆岩 1 2岩浆活动的特征岩浆作用 岩浆变成岩浆岩的过程喷出作用 溢流式 爆发式侵入作用 深成 浅成 次火山岩岩体 岩墙 岩席 岩盆岩浆活动的方式与岩浆性质的联系成分 挥发分 温度 深度 构造环境SiO2 Al2O3含量高 岩浆粘度高 多侵入岩 喷出作用多为爆发式 1岩浆和岩浆活动的特征 岩浆为什么会喷发 1岩浆和岩浆活动的特征 1岩浆和岩浆活动的特征 1岩浆和岩浆活动的特征 St Helena火山喷发过程 2 1岩浆岩的构造矿物集合体之间的排列方式和充填方式1侵入岩 块状 带状 晶洞 流动2喷出岩 枕状 气孔 杏仁 流纹 2岩浆岩的特征 岩浆岩看起来是什么样的 1 2岩浆岩的结构矿物的结晶程度 颗粒大小 晶体形态 自形程度和矿物之间的关系1全晶质 半晶质 玻璃质 显 隐 晶质2细粒 中粒 粗粒 伟晶 等粒 不等粒 斑状3自形 半自形 它形4交生 反应边 环带 包含 填隙 间 凝灰 角砾 集块 熔结 2岩浆岩的特征 岩浆岩看起来是什么样的 2 3岩浆岩的矿物组成岩石是由矿物组成的 矿物是固体地球系统中最基本的物理化学相单元常见的造岩矿物 硅铝矿物 石英 斜长石 钾长石 似长石 霞石镁铁矿物 黑云母 角闪石 单斜辉石 斜方辉石 橄榄石常见的次要矿物和副矿物 磁铁矿 钛铁矿 磷灰石 榍石 尖晶石 石榴石 2岩浆岩的特征 你认识岩浆岩中常见的矿物吗 岩浆岩中主要造岩矿物和副矿物的分子式石英QuartzSiO2钾长石OrthoclaseKAlSi3O8钠长石AlbiteNaAlSi3O8钙长石AnorthiteCaAl2Si2O8霞石NephelineNaAlSiO4黑云母BiotiteK2Fe6Si6Al2O20 OH 2角闪石Hornblende Ca Na 2 3 Mg Fe2 Fe3 Al 5 Al Si 4O11 2 OH 2透辉石DioriteCaMgSi2O6紫苏辉石Orthopyroxene Mg Fe 2Si2O6橄榄石Olivine Mg Fe 2SiO4磁铁矿MagnetiteFe3O4钛铁矿IlmaniteFeTiO3磷灰石ApatiteCa5 PO4 3 F Cl OH 榍石TitaniteCaTi SiO4 O OH Cl F 尖晶石SpinelMgAl2O4石榴石Garnet Fe Mg Ca 3Al2Si3O12 构成这些矿物需要的元素并不多 你能记下来吗 2 4岩浆岩的化学组成地壳主要由12种元素组成 它们占地壳地壳质量的99 岩浆岩中SiO2具有最重要的指示意义SiO266 酸性岩全碱含量Na2O K2O 碱饱和度 碱度碱性 钙碱性 钙性 2岩浆岩的特征 中国岩浆岩平均值氧化物花岗岩安山岩玄武岩SiO271 2756 7548 28TiO20 250 762 21Al2O314 2518 6014 99Fe2O31 243 584 18FeO1 623 266 95MnO0 080 150 20MgO0 803 427 00CaO1 626 978 07Na2O3 793 073 40K2O4 032 012 51P2O50 160 490 60 从玄武岩到花岗岩 元素组成有明显改变吗 3 1岩浆岩的矿物分类主要用于侵入岩类采用主要造岩矿物的实际含量对于花岗岩类 用石英 碱性长石 斜长石 如图对于基性岩类 用斜长石 辉石 橄榄石 角闪石 如图对于超基性岩类 用橄榄石 辉石 角闪石 如图 3岩浆岩的分类 石英闪长岩石英辉长岩石英斜长岩 为什么采用这几个矿物进行分类 花岗岩类 3岩浆岩的分类 基性岩类 超基性岩类 3 2岩浆岩的化学分类主要用于喷出岩类采用主要造岩元素的氧化物含量 3岩浆岩的分类 为什么采用这几个元素分类 Na2O K2O 3岩浆岩的分类 wt SiO2 40 50 60 70 Na2O K2O 3岩浆岩的分类 你知道这两种岩石的关系吗 你认识哪些岩石 所有的岩浆都起源于地壳或上地幔已有岩石的部分熔融实验岩石学资料 固相线和液相线部分熔融发生的原因 温度达到了固相线导致部分熔融发生的主要因素 1温度升高 外来热源使地温线改变 俯冲 2压力降低 地劈上升 3流体加入 地幔楔 4岩浆的起源与部分熔融 什么叫固相线 什么叫液相线 4岩浆的起源与部分熔融 俯冲洋壳温度升高发生部分熔融洋中脊减压熔融 地壳深部和上地幔为什么会发生部分熔融 4岩浆的起源与部分熔融 底劈上升与减压熔融 减压过程为什么会造成部分熔融 为什么会发生底劈上升 4岩浆的起源与部分熔融 流体加入与部分熔融 流体为什么会引发部分熔融 4岩浆的起源与部分熔融 部分熔融的发生与岩浆的会聚 什么情况下熔体能够会聚排出 5岩浆的演化 原始岩浆组分改变的过程 同化混染作用 岩浆混合作用 分异作用 扩散作用熔离作用 硫化物 氧化物岩浆与硅酸盐岩浆的熔离 碳酸盐岩浆与硅酸盐岩浆的熔离流体搬运作用 结晶分异 平衡结晶作用 分离结晶作用 重力分离作用 流动分异作用 先结晶出来的矿物会不会和岩浆进行反应 5岩浆的演化 原始岩浆组分改变的过程 鲍文反应系列 你能在一个岩石中同时看到所有这些矿物吗 5岩浆的演化 结晶分异1 什么叫质量平衡 什么叫组分平衡 5岩浆的演化 结晶分异2 微量元素会如何变化 6岩浆系列 火成岩组合与大地构造 6 1现代大洋玄武岩可以按照产出的构造环境分为5类 1MORB Mid OceanRidgeBasalts 洋壳上部的主体 包括熔岩和岩墙 并代表大洋辉长岩的初始岩浆 2BABB Back ArcBasinBasalts 形成于弧后扩张脊 弧后盆地宽度60 1000km 3OPB OceanPlateauBasalts 发育于大洋板内环境 形成范围巨大的 厚的海底熔岩堆积 4OIB OceanIslandBasalts 形成海山 大洋岛 或岛链5IAB IslandArcBasalts 岛弧或Andean型活动大陆边缘 6CTB ContinentalTholeiiticBasalts 产生于大陆裂谷早期阶段 或形成溢流玄武岩 这类岩石与MORB相似 但穿过大陆地壳并与之反应 6 2岩浆系列存在的理论依据 划分原则 1 对于玄武质岩石 SiO2的过饱和 饱和 不饱和是产生不同的岩浆岩组合之间序列性差异的最主要原因 Cross Iddings PirssonandWshington1903年提出的标准矿物计算法CIPW SiO2过饱和 石英 紫苏辉石SiO2饱和 橄榄石 紫苏辉石SiO2不饱和 石榴石 霞石 白榴石对于花岗岩类 SiO2均过饱和 Al2O3 Na2O K2O 碱 关系是岩石类型和岩浆系列划分的主要原则 A CNK Al2O3 CaO Na2O K2O molarratioA NK Al2O3 Na2O K2O molarratio过铝 A CNK 1准铝 A CNK1过碱 A CNK 1 A NK 1 6岩浆系列 火成岩组合与大地构造 玄武岩四面体不仅表示玄武岩化学成分特征 还体现不同岩浆类型的相关系特征Fo Di Ab面在低压下是一个热屏 两侧的岩浆在低压下不可能互越演化 6 2岩浆系列存在的理论依据 划分原则 2 6 3玄武岩浆的三个主要系列 6岩浆系列 火成岩组合与大地构造 6 4不同岩浆系列的演化途径不同 6岩浆系列 火成岩组合与大地构造 哪些因素会影响岩浆演化的途径 fO2高 fO2低 拉斑玄武岩系列 钙碱性系列 6 5主要的岩浆系列 6岩浆系列 火成岩组合与大地构造 1 钙碱性系列 玄武岩 安山岩 英安岩 流纹岩辉长岩 闪长岩 花岗闪长岩 花岗岩 2 拉斑玄武岩系列 拉斑玄武岩 拉斑玄武安山岩橄榄辉长岩 辉长岩 铁辉长岩 花斑岩 3 碱性玄武岩系列Kennedy趋势 Ne碱性橄榄玄武岩 粗面玄武岩 Ne粗面岩 响岩Coombs趋势 Hy碱性橄榄玄武岩 夏威夷岩 橄榄粗安岩 钠质粗安岩 钠闪碱流岩Straddle趋势 为什么存在不同的岩浆系列 6 6岩浆系列的划分方法 6岩浆系列 火成岩组合与大地构造 1 典型岩石和矿物 2 岩石组合 3 主元素组成SiO2 Na2 K2O图Ol Ne Q 图AFM图SiO2 FeO MgO图 4 微量元素和同位素 Na2O K2O wt SiO2 40 50 60 70 SiO2 Na2O K2O图 SiO2 K2O图 Ne Ol Q图 对非碱性岩浆岩系列的进一步划分 对花岗岩类岩石系列划分 花岗岩类型与矿物组合 A CNK与S型 I型 M型和A型花岗岩的关系 6 7火成岩组合与大地构造 6岩浆系列 火成岩组合与大地构造 1洋中脊 弧后盆地橄榄拉斑玄武岩细碧岩 角斑岩组合 蚀变洋底 阿尔卑斯型超镁铁岩 地幔残片2洋岛 洋底高原碱性玄武岩3岛弧 活动大陆边缘钙碱性火山岩4大陆熔岩高原大陆拉斑 碱性玄武岩5大陆裂谷基性层状侵入体斜长岩组合基性岩墙群 三连点 6稳定大陆 克拉通煌斑岩和金伯利岩7大陆碰撞带 碰撞后系列S型花岗岩钾玄质火山岩 是否可以反过来对应 6 8板块构造与岩石类型 7地幔组成和演化 地球早期的核幔分离 7地幔组成和演化 7地幔组成和演化 原始地幔的化学和同位素组成相当于球粒陨石 普通球粒陨石 主要陨石类型的相对含量 上地幔的矿物组成 地幔包体资料 二辉橄榄岩 7地幔组成和演化 上地幔的矿物相关系 7地幔组成和演化 不同深度地幔的矿物组成和密度 相变 上地幔 下地幔 过渡带 钙钛矿 7地幔组成和演化 8发展中的全球构造模式 全球板块构造图 板块的边界有几种类型 8发展中的全球构造模式 9岩浆岩成因研究方法 野外调查 侵入关系 岩性和侵入体空间变化 喷发序列 旋回矿物学 矿物组合 造岩矿物 斑晶 矿物环带 反应结构实验岩石学 岩石化学 岩石类型 组合 系列 主元素变异和岩浆演化微量元素 岩浆系列 演化型式 源区和构造背景稳定同位素 源区和演化过程 混合等 放射性同位素 年龄 源区 构造环境 岩浆演化 文登岩体 伟德山岩体 威海 9 1野外调查 侵入体相带分布 黄海 黄海 昆嵛山岩体 牟平 乳山 黄海 9 1野外调查 相带和侵入关系 9 2矿物学研究 辉石矿物化学与岩浆岩形成的物理化学条件 尖晶石矿物化学与构造环境 橄榄石 辉石 铬铁矿 尖晶石等矿物的主微量元素组成与岩浆岩的成因有密切联系 SiO2 K2O图 9 3岩石化学 岩石类型 组合 系列 主元素变异和岩浆演化 MORB与OIB的稀土元素和微量元素配分型式的差别 9 4微量元素 9 4微量元素与构造环境 Figure8 18 Pbisotoperatiosinmajorterrestrialreservoirs Typicallowercontinentalcrustanduppercontinentalcrustarerepresentedbylowercrustalxenolithsandmodernmarinesedimentsrespectively thesesomewhatunderestimatethetotalvarianceinthesereser voirs MORBandoceanicislandsrepresenttheisotopiccompositionofuppermantleanddeepmantlerespectively 主要岩浆岩源区的Pb同位素组成特征 9 5同位素 岩浆源区与构造环境 9 5同位素 岩浆源区与构造环境 9 5同位素 岩浆源区 地幔端元与构造环境 9 5同位素 岩浆源区 地幔端元与构造环境 9 5同位素 地幔端元的确立 DMM 一般在地幔的最上部 亏损不相容元素 代表地壳从地幔分异后的残留物HIMU 地幔与再循环洋壳的混合 由于洋低热液作用或俯冲带的脱水作用 造成Pb的流失和m值升高EMI和EMII可能分别来自地幔与下地壳和上地壳的混合 9 5同位素 地幔端元的特征 9 6混合作用的鉴别 9 6混合作用的鉴别 10玄武质岩浆岩成因研究所关注的问题 对于典型构造环境的玄武质岩浆岩 包括洋中脊 洋盆 弧后盆地 大洋高原 线性洋内岛链 洋内弧 边缘弧 岩石成因研究关注 1岩浆岩的源区特征 亏损 富集 交代地幔 2部分熔融的条件 3岩浆从源区提取的条件及其与地幔的相互作用 4穿越大洋或大陆地壳上升以及集聚在岩浆房的过程中 岩浆组分的演化 分离结晶作用 有无地壳混染及岩浆混合作用 5后岩浆过程的化学改造 低温蚀变 流体交代 第二部分典型构造环境的岩浆活动 11洋中脊的岩浆活动 洋中脊的地貌特征 你知道现在全球的洋中脊一共有多长吗 亏损地幔的贡献 大洋地壳的形成 11洋中脊的岩浆活动 洋中脊的岩浆活动示意图 11洋中脊的岩浆活动 洋中脊的扩张是主动还是被动 沉积物 熔岩 岩墙杂岩 辉长岩 正在岩浆房结晶 层状堆晶橄榄岩 亏损的方辉橄榄岩 上升的熔融体 洋中脊的结构 11洋中脊的岩浆活动 这个洋中脊结构与蛇绿岩套相同吗 典型的洋壳结构 11洋中脊的岩浆活动 沉积物 熔岩 岩墙杂岩 辉长岩 层状堆晶橄榄岩 上地幔 层状堆晶辉长岩 这个洋壳结构与蛇绿岩套相同吗 洋中脊岩石的特征 11洋中脊的岩浆活动 1 典型的洋中脊玄武岩 MORB OFB 是橄榄拉斑玄武岩 包括海底熔岩和岩墙群 2 不同地点的MORB具有很窄的主元素变化范围 表明许多洋中脊岩浆的源区和岩浆形成和演化的过程是类似的 3 洋中脊玄武岩大部分由亏损地幔部分熔融形成 少部分由富集地幔部分熔融形成 它们分别称为NMORB与EMORB 4 NMORB与EMORB在主元素组成上没有差别 在微量元素的组成上有差别 EMORB富集不相容元素 12岛弧岩浆活动 俯冲带的热结构 俯冲洋壳的脱水和部分熔融 12岛弧岩浆活动 岛弧岩浆活动的时空变化 12岛弧岩浆活动 岛弧岩浆活动综合图示 12岛弧岩浆活动 岛弧岩浆活动的时空变化 1 岛弧火山岩存在成分极性 从俯冲带向岛弧方向 依次出现拉斑玄武岩浆系列 钙碱性岩浆系列和碱性岩浆系列2 岛弧岩浆岩的岩石类型多样 主元素有较大的变化范围 3 岛弧拉斑玄武岩微量元素以Nb Zr Ti的负异常为特征 4 岛弧拉斑玄武岩来自富集地幔楔 俯冲的大洋地壳脱水造成富集地幔楔 5 岛弧岩浆活动伴随有同化作用 结晶分异作用 混染作用等等 18Adakite 太古宙TTG组合与大陆生长机制 古老大陆的分布 大陆生长模式 18Adakite 太古宙TTG组合与大陆生长机制 18Adakite 太古宙TTG组合与大陆生长机制