第7章岩石化学

1、第四章第四章 化学岩石学化学岩石学 火成岩的化学成分火成岩的化学成分 1.主要元素主要元素 2.微量元素微量元素 3.同位素同位素 主要化学成分对岩石中矿物组合的影响主要化学成分对岩石中矿物组合的影响 1. SiO2 2.（Na2O+K2O） 3. Al2O3（一）火成岩的化学成分 划分依据：划分依据：岩石中元素或氧化物的含量岩石中元素或氧化物的含量 类型类型 主要元素主要元素（主要元素主要元素主要元素主要元素ElementWt % Oxide Atom %O60.8Si59.321.2Al15.36.4Fe7.52.2Ca6.92.6Mg4.52.4Na2.81.9SiO2、TiO2、Al2

2、O3、Fe2O3、FeO、MnO、MgO、CaO、Na2O、K2O、P2O5、H2O 氧化物的质量分数形式表示氧化物的质量分数形式表示1.主要氧化物的分析方法主要氧化物的分析方法 大型大型X-荧光光谱分析法荧光光谱分析法 化学分析法化学分析法Energy SourceAbsorptionDetectorSampleEmissionDetectorOutput withabsorption troughOutput withemission peakAbsorbedradiationEmittedradiationModern Spectroscopic Techniques4. 如何以一种有意

3、义的方式来表示岩石化学分析如何以一种有意义的方式来表示岩石化学分析数据数据变异图解变异图解Variation Diagrams三角变异图解三角变异图解 Ternary Variation Diagrams 5. 主要元素研究的意义主要元素研究的意义 Table 8-3. Chemical analyses of some representative igneous rocksPeridotiteBasaltAndesiteRhyolitePhonoliteSiO242.2649.2057.9472.8256.19TiO20.631.840.870.280.62Al2O34.2315.7417

4、.0213.2719.04Fe2O33.613.793.271.482.79FeO6.587.134.041.112.03MnO0.410.200.140.060.17MgO31.246.733.330.391.07CaO5.059.476.791.142.72Na2O0.492.913.483.557.79K2O0.341.101.624.305.24H2O+3.910.950.831.101.57Total98.7599.0699.399.5099.23火成岩类型的划分火成岩类型的划分1). SiO2： 超基性岩：超基性岩：66%2). SiO2（Na2O+K2O） 变异图变异图15131

5、1975313741454953576165697377455263W t%N a O + K O w t%22()O l10%(Q20% )(Q20% )副长石岩响岩碱玄质 响岩响岩质碱玄岩粗面岩粗面英安岩英安岩安山岩 玄武安山岩流纹岩粗安岩 玄武粗安岩 粗面 玄武岩玄武岩碧玄岩超基性基性中性酸性3) 里特曼（组合）指数（里特曼（组合）指数（ ）： w（K2O+Na2O）2/w（SiO2-43） 9者为过碱性岩者为过碱性岩4）w（K2O）/w（Na2O）比值：）比值： S型花岗岩：型花岗岩： 1.0（一般情况）（一般情况） I型花岗岩：型花岗岩： 16.0%为高铝玄武岩为高铝玄武岩mole（

6、 Al2O3 ）/mole（K2O+Na2O+CaO） 1.1者者 多为多为S型花岗岩型花岗岩火成岩系列划分火成岩系列划分Early on it was recognized that some chemical parameters were very useful in regard to distinguishing magmatic groups Total Alkalis (Na2O + K2O) Silica (SiO2) and silica saturation Alumina (Al2O3)1）SiO2（Na2O+K2O）变异图）变异图 碱性和亚碱性系列碱性和亚碱性系列注：该

7、图适注：该图适用于侵入岩用于侵入岩和火山岩和火山岩2）亚碱性系列的进一步划分）亚碱性系列的进一步划分 拉斑玄武岩系列拉斑玄武岩系列 钙碱性系列钙碱性系列 教材中的：教材中的：w（FeO）/w（MgO）w（SiO2）% w（FeO）/w（MgO）w（FeO）% （注：更适用于基性岩）（注：更适用于基性岩） AFM三角变异图解三角变异图解更适用于中酸性岩更适用于中酸性岩 Aw（ Na2O+K2O）% Fw（FeO+Fe2O3）% Mw（MgO） %FAMCalc-alkaline Tholeiitic3）SiO2饱和与饱和与SiO2不饱和系列不饱和系列4）Al2O3过铝质、亚铝质、过碱性过铝质、亚

8、铝质、过碱性（钠闪石）（钠闪石）（钠铁闪石）（钠铁闪石）岩浆演化岩浆演化 问题的提出问题的提出一个地区、一组岩石、密切共生、成分一个地区、一组岩石、密切共生、成分 变化大变化大成因关系如何？演化方式如何？成因关系如何？演化方式如何？ 原理原理成分的相关性和演化趋势成分的相关性和演化趋势 解决方式解决方式变异图解变异图解常用的常用的Harker图解图解 横坐标的选择：横坐标的选择：SiO2、MgO、分异指数（、分异指数（DI）、）、 碱度率（碱度率（AR） DI=标准矿物标准矿物Q+Af+Ab+Ne+Kp+Lc AR= w（ Al2O3 +K2O+Na2O+CaO ）/ W（ Al2O3 -K2

9、O- Na2O-CaO） 纵坐标：纵坐标：其他氧化物其他氧化物火山岩形成构造环境的判别火山岩形成构造环境的判别CharacteristicSeriesConvergentDivergentOceanicContinentalAlkalineyesyesyesTholeiiticyesyesyesyesCalc-alkalineyesPlate MarginWithin Plate1)玄武岩的主要元素判别图解玄武岩的主要元素判别图解 A. F1-F2-F3图解图解 （J A Pearce，1976） B. MgO-FeO-Al2O3图解（图解（T H pearce，1977） C. TiO2-K

10、2O-P2O5图解图解 （T H pearce，1977） D. MnO-TiO2-P2O5图解（图解（Mullen，1983） E. K2O-H2O图解图解 （Muenow 等，等，1990） 注意：图解应用的前提及适用的范围注意：图解应用的前提及适用的范围2）花岗岩的主要元素判别图解）花岗岩的主要元素判别图解 A. Maniar等（等（1989）提出的图解）提出的图解 B. R1R2图解（图解（Batchelor R A.等，等，1985）微量元素微量元素1）分析方法）分析方法 X射线荧光光谱（射线荧光光谱（XRF）分析）分析 中子活化分析（中子活化分析（INAA和和RNAA） 原子吸收光

11、谱（原子吸收光谱（AAS） 等离子光谱（等离子光谱（ICP） 质谱方法：质谱方法：同位素稀释质谱法（同位素稀释质谱法（IDMS） 等离子光谱质谱法（等离子光谱质谱法（ICP-MS）2）分类）分类 A. 依据：元素的相容性依据：元素的相容性 相容元素：相容元素：优先进入矿物相的元素优先进入矿物相的元素 不相容元素（亲岩浆元素）：不相容元素（亲岩浆元素）：优先进入熔体相的优先进入熔体相的 元素元素B.依据：不相容元素的进一步划分依据是依据：不相容元素的进一步划分依据是电荷电荷/半径比值半径比值 （也称场强，相当于离子势）（也称场强，相当于离子势） 高场强元素（高场强元素（HFS）：）：半径小和电价

12、高阳离子的元素，半径小和电价高阳离子的元素， 离子势大于离子势大于2.0 包括：包括：REE，Sc、Y、Th、U、Pb、Zr、Hf、Ti、 Nb、Ta 低场强元素（低场强元素（LFS），又称大离子亲石元素（），又称大离子亲石元素（LILE）：）： 大半径且低电价阳离子的元素，离子势小大半径且低电价阳离子的元素，离子势小 于于2.0 包括：包括：Cs、Rb、K、Ba、Sr，二价的，二价的Eu、Pb 3）常用图解）常用图解 稀土元素球粒陨石标准化图解稀土元素球粒陨石标准化图解 A.图解的制作图解的制作横坐标：横坐标：REE 从左至右按原子序数排列从左至右按原子序数排列 从左至右元素的相容程度增加从

13、左至右元素的相容程度增加纵坐标：纵坐标：REE丰度丰度-3-2-1012345678910110102030405060708090100Atomic Number (Z)Log (Abundance in CI Chondritic Meteorite)HHeLiBeBCNOFScFeNiNeMgSiSCaArTiPbPtSnBaVKNaAlPClThU 消除消除Oddo-Harkins effect（奇偶效应）（奇偶效应） estimates of primordial mantle REE chondrite meteorite concentrationsB.应用应用REE配分形式配分

14、形式-探索岩石的成因及演化探索岩石的成因及演化 原理：原理：火成岩的火成岩的REE型式型式-受控于源岩的受控于源岩的REE 地球化学和岩浆演化过程中矿物地球化学和岩浆演化过程中矿物熔熔 体的平衡体的平衡分配系数分配系数 所用参数：所用参数： REE总量（丰度）：总量（丰度）： LREE/HREE比值：比值：LREELaEu HREEGd Lu MREESm Ho Eu=2EuN/（SmN+GdN）：铕异常）：铕异常 实例：实例：石榴石橄榄岩的部分熔融石榴石橄榄岩的部分熔融 斜长石的分离结晶或源区残留斜长石的分离结晶或源区残留 大陆弧岩浆作用大陆弧岩浆作用不同成分熔体中矿物的分配系数不同成分熔体

15、中矿物的分配系数 Eu异常：当斜长石是异常：当斜长石是 岩浆演化中的分离结晶的斑晶岩浆演化中的分离结晶的斑晶 or 岩浆源区的残留相岩浆源区的残留相Continental Arc Magmatism大陆弧岩浆作用大陆弧岩浆作用 微量元素蛛网图（微量元素蛛网图（Spider diagram）A.图解的制作图解的制作REE图解的扩展图解的扩展 标准化数据：标准化数据：B.应用应用 原理：不同微量元素的行为存在差异。原理：不同微量元素的行为存在差异。 LIL元素元素的浓度可能是流体相行为的函数，的浓度可能是流体相行为的函数，且富集于大陆地壳中；且富集于大陆地壳中； HFS元素元素的浓度受控于源区的地

16、球化学特的浓度受控于源区的地球化学特征和岩石演化过程中晶体征和岩石演化过程中晶体/熔体的平衡关系。熔体的平衡关系。 图解特征：图解特征：表现出较多的峰和谷表现出较多的峰和谷 应用实例：应用实例：岛弧玄武岩岛弧玄武岩 洋岛玄武岩洋岛玄武岩 大陆弧的岩浆作用大陆弧的岩浆作用 大陆内部的碱性岩浆作用大陆内部的碱性岩浆作用 MORB-normalized Spider diagramsMORB标准化的标准化的洋岛玄武岩洋岛玄武岩MORB标准化的标准化的岛弧玄武岩岛弧玄武岩大陆弧岩浆作用大陆弧岩浆作用Continental Arc Magmatism不同成因类型不同成因类型花岗岩的花岗岩的Spider

17、diagrams微量元素构造环境判别图微量元素构造环境判别图 玄武质至安山质成分岩石的判别图解玄武质至安山质成分岩石的判别图解 花岗岩的判别图解花岗岩的判别图解玄武质岩石构造环境判别图玄武质岩石构造环境判别图不同成因类型花岗岩的构造环境判别图解不同成因类型花岗岩的构造环境判别图解注：该图不能将造山后花岗岩与火山弧、同碰撞花岗岩区别注：该图不能将造山后花岗岩与火山弧、同碰撞花岗岩区别 同位素同位素质谱和离子探针方法分析质谱和离子探针方法分析 1）种类）种类 稳定同位素：稳定同位素：O、C、S、H、He等等 放射性同位素：放射性同位素：K-Ar、Rb-Sr、 Sm-Nd、U-Pb、Th-Pb、Re

18、-Os等等 2）应用）应用 稳定同位素：稳定同位素：岩浆源区示踪岩浆源区示踪 例如：例如：S型花岗岩型花岗岩 18O10%0 M型花岗岩型花岗岩 18O 0.708 I型花岗岩型花岗岩Isr 0.708（二）主要化学成分对岩石中主要化学成分对岩石中 矿物组合的影响矿物组合的影响 1. SiO2 2.（Na2O+K2O） 3. Al2O3火成岩的矿物成分分类火成岩的矿物成分分类 及成因分类及成因分类 火成岩的矿物成分分类火成岩的矿物成分分类 硅铝矿物硅铝矿物 镁铁矿物镁铁矿物暗色矿物暗色矿物 岩石的色率：岩石的色率：暗色矿物在火成岩中的含量暗色矿物在火成岩中的含量体积百分比体积百分比 成因分类成

19、因分类 原生矿物原生矿物岩浆冷凝过程中结晶的矿物，又可分成高岩浆冷凝过程中结晶的矿物，又可分成高温型和低温型温型和低温型 次生矿物次生矿物岩浆冷凝固结成岩以后，受残余挥发分和岩浆冷凝固结成岩以后，受残余挥发分和岩浆期后流体的作用（蚀变、交代及充填）而形成的的岩浆期后流体的作用（蚀变、交代及充填）而形成的的矿物。如电气石、萤石、黄玉；蛇纹石、黝帘石等。矿物。如电气石、萤石、黄玉；蛇纹石、黝帘石等。1.SiO2含量对火成岩中矿物共生组合的影响含量对火成岩中矿物共生组合的影响 分类：分类：根据矿物中根据矿物中SiO2的相对含量，硅酸盐矿物可的相对含量，硅酸盐矿物可 分为两组：分为两组： SiO2饱和矿物：饱和矿物：可与石英共生，如可与石英共生，如Py、Am、Mica、 Feldspar类矿物类矿物 SiO2不饱和矿物：不饱和矿物：不能与石英共生，如富镁橄榄石、不能与石英共生，如富镁橄榄石、 似长石等似长石等 SiO2含量与其他氧化物的协变关系含量与其他氧化物的协变关系 超基性岩超基性岩基性岩基性岩中性岩中性岩酸性岩酸性岩 镁铁矿物含量减少镁铁矿物含量减少 硅铝矿物含量增加硅铝矿物含量增加2.（Na2O+K2O）含量对火成岩中矿物共生含量对火成岩中矿物共生 组合的影响组合的影响 （Na2O