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700900，安山岩9001000，玄武岩10001300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)23(Mg,Fe2+,Fe3+,Al)5(Al,Si)4O112(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ApatiteCa5PO43(F,Cl,OH)榍石TitaniteCaTiSiO4(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601000km。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），Al2O3Na2O+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/CNK1准铝，A/CNK1过碱，A/CNK1,A/NK1,6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SiO2Na2+K2O图OlNeQ图AFM图SiO2FeO*/MgO图（4）微量元素和同位素,Na2O+K2O,wt%SiO2,40,50,60,70,SiO2Na2O+K2O图,SiO2K2O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,SiO2K2O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,