微量元素在主要地质作用过程中的活动行为

微量元素在主要地质作用过程中的活动行为第一页，共七十三页，2022年，8月28日3.主要地质作用中的微量元素行为

3.1岩浆作用中的微量元素行为3.2变质作用中的微量元素行为3.3流体作用中的微量元素行为3.3风化/沉积作用中的微量元素行为第二页，共七十三页，2022年，8月28日第三页，共七十三页，2022年，8月28日1、

岛弧玄武岩的HFSE和LILE之间的解耦现象（主要表现为LILE的富集以及Nb的亏损），洋壳在俯冲过程中的流体析出对地幔楔交代，形成富集型地幔，而岛弧玄武岩是否主要来自该富集型地幔的部分熔融？？2、岛弧玄武岩和洋岛玄武岩的主要差别在地球化学特征上的表现是什么？第四页，共七十三页，2022年，8月28日3.1岩浆作用中的微量元素行为第五页，共七十三页，2022年，8月28日Fe-Ni核橄榄岩(地幔)玄武岩安山岩流纹岩Bulkearth地壳岩石第六页，共七十三页，2022年，8月28日岩浆产生的实质就是固态物质向液态转变的过程，当地壳或地幔岩石所处环境的温度升高或压力降低时，岩石就可能发生熔融，所产生的熔体与原岩分离后就形成原生岩浆；部分熔融过程中，较早被熔融的组分称为易熔组分，较难熔融的组分称为难熔（或耐熔）组分。第七页，共七十三页，2022年，8月28日岩浆形成后由于密度及压力差，因而会向上部迁移，并最终形成侵入岩或火山岩。在岩浆成岩过程中，会发生一系列物理化学变化及和围岩之间的物质交换（主要包括分离结晶作用、同化混染及岩浆不混溶作用），而导致岩浆成分的演化，并最终形成岩石系列。第八页，共七十三页，2022年，8月28日部分熔融作用（PM）分离结晶作用（FC）同化混染作用（A）同化混染-分离结晶作用（AFC）第九页，共七十三页，2022年，8月28日部分熔融作用（PM）岩浆产生的实质就是固态物质向液态转变的过程二辉橄榄岩/Lherzolite：Ol+Cpx+Opx纯橄榄岩/Dunite和方辉橄榄岩/harzburgite:Ol+Opx+/-Cpx1510500.0Wt.%Al2O3纯橄榄岩方辉橄榄岩二辉橄榄岩拉斑玄武岩部分熔融Wt.%TiO20.20.40.60.8残余固相第十页，共七十三页，2022年，8月28日部分熔融过程FromNiu,JPetrol.(1997),38(8):1047-1074第十一页，共七十三页，2022年，8月28日部分熔融模型批次(式)熔融BatchMelting熔体在某一临界点被释放并向上迁移之前始终停留在原地；平衡熔融作用；第十二页，共七十三页，2022年，8月28日熔融前后质量守恒！iiiabCo

*wo=Ca*wa+Cb*wbo第十三页，共七十三页，2022年，8月28日岩浆演化模型

——批次熔融公式1CL=熔体中微量元素i的浓度C0=熔融前的源岩中微量元素i的浓度F=熔体的重量百分数(=熔体/(熔体+岩石))第十四页，共七十三页，2022年，8月28日批次熔融对不同Di值时，CL/CO对F变化Di=1.0FromWinter(2001)AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology.PrenticeHall.第十五页，共七十三页，2022年，8月28日FromWinter(2001)AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology.PrenticeHall.熔体中元素i的浓度非常低尤其在低度部分熔融时(即低F值)更低Di»1.0(相容元素)第十六页，共七十三页，2022年，8月28日FromWinter(2001)AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology.PrenticeHall.高度富集在部分熔融产生的最初的少量熔体里此后，随F值增加而快速降低Di<<1.0

(高度不相容元素)第十七页，共七十三页，2022年，8月28日FromWinter(2001)AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology.PrenticeHall.如果F1，熔体中每个元素的浓度=源岩中的浓度(CL/CO

1)F1CL/CO

1第十八页，共七十三页，2022年，8月28日F0CL/CO

1/Di如果我们知道低度批次部分熔融（F0）所产生熔体中元素i的浓度，那么我们就可以估计该元素在源岩中的浓度(CO)equilibriumbatchmelting.FromWinter(2001)AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology.PrenticeHall.第十九页，共七十三页，2022年，8月28日对于高度不相容元素，Di

0CL/CO=1/F因此，如果我们知道某高度不相容元素在岩浆和源岩中的浓度，那么我们就可以确定部分熔融程度。第二十页，共七十三页，2022年，8月28日文献AllegreC.J.andMinsterJ.F.,1978.QuantitativeModelsofTraceElementBehaviorinMagmaticProcesses.EarthandPlanetaryScienceLetters,38:1-25.第二十一页，共七十三页，2022年，8月28日例:玄武岩部分熔融中Rb和Sr变化MineralModeDensityWtpropWt%ol153.6540.18cpx333.4112.20.37plag512.7137.70.45Sum303.91.00MineralModeDensityWtpropWt%Gar50？？？cpx49？？？Ap1？？？Sum？1.00第二十二页，共七十三页，2022年，8月28日OlivineOpxCpxGarnetPlagAmphMagnetiteRb0.0100.0220.0310.0420.0710.29

Sr0.0140.0400.0600.0121.8300.46

Ba0.0100.0130.0260.0230.230.42

Ni14570.9550.016.829Cr0.7010341.3450.012.007.4La0.0070.030.0560.0010.1480.5442Ce0.0060.020.0920.0070.0820.8432Nd0.0060.030.2300.0260.0551.3402Sm0.0070.050.4450.1020.0391.8041Eu0.0070.050.4740.2430.1/1.5*1.5571Dy0.0130.150.5821.9400.0232.0241Er0.0260.230.5834.7000.0201.7401.5Yb0.0490.340.5426.1670.0231.6421.4Lu0.0450.420.5066.9500.0191.563DatafromRollinson(1993).*Eu3+/Eu2+ItalicsareestimatedRareEarthElements第二十三页，共七十三页，2022年，8月28日ConversionfrommodetoweightpercentMineralModeDensityWtpropWt%ol153.6540.18cpx333.4112.20.37plag512.7137.70.45Sum303.91.00举例:玄武岩中Rb和Sr将矿物模式比列，计算为百分含量；计算总分配系数：DRb=0.045DSr=0.848第二十四页，共七十三页，2022年，8月28日BatchFractionationModelforRbandSrCL/CO=1/(D(1-F)+F)DRbDSrF0.0450.848Rb/Sr0.059.351.148.190.16.491.135.730.154.981.124.430.24.031.123.610.32.921.102.660.42.291.082.110.51.891.071.760.61.601.051.520.71.391.041.340.81.231.031.200.91.101.011.09FromWinter(2001)AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology.PrenticeHall.3.利用批次熔融模型计算不同F值时的CL/CO第二十五页，共七十三页，2022年，8月28日FromWinter(2001)AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology.PrenticeHall.4.绘制CL/CO

对F图（对Sr同位素演化的指示）第二十六页，共七十三页，2022年，8月28日分离熔融作用（FractionalMelting）

逐渐增加的批次熔融Di=1Di>1Di<1第二十七页，共七十三页，2022年，8月28日第二十八页，共七十三页，2022年，8月28日分离熔融作用（FractionalMelting）：熔体一旦形成，立即分离出去批次熔融第二十九页，共七十三页，2022年，8月28日分离熔融作用第三十页，共七十三页，2022年，8月28日PartitioncoefficientsandEarthdifferentiation分配系数可以通过实验测定,也可以利用天然样品进行估算相对大小.如利用大陆地壳总成分推断原始地幔通过部分熔融形成大陆地壳过程（假设为批次熔融作用）中元素的分配系数大小。ContinentalcrustMid-oceanridgebasalt按照大陆地壳中这些元素相对于硅酸盐地球（BSE）富集程度排列，定性地反映了分配系数大小。如果我们设定DRb=0,形成大陆地壳的熔融程度为F=1.6%，那么我们就可以了解其他元的D值。Hofmann,1988第三十一页，共七十三页，2022年，8月28日PartitioncoefficientsandEarthdifferentiationThehumpedpatternofmid-oceanridgebasaltsinthesefigurescanbemodeledasresultingfrom8%meltingofthesourcepreviouslydepletedofincompatibleelementsby1.6%meltingtoformthecontinentalcrust.Thisdemonstratesthattheuppermantleisthecomplementarydepletedreservoirtothecontinents.ContinentalcrustMid-oceanridgebasaltHofmann,1988第三十二页，共七十三页，2022年，8月28日PartitioncoefficientsandEarthdifferentiationD=Cliquid/CresidueF~Cresidue/Cliquid@D~0第三十三页，共七十三页，2022年，8月28日Hoffman,2003第三十四页，共七十三页，2022年，8月28日计算实例OlivineOpxCpxGarnetPlagAmphMagnetiteRb0.0100.0220.0310.0420.0710.29

Sr0.0140.0400.0600.0121.8300.46

Ba0.0100.0130.0260.0230.230.42

Ni14570.9550.016.829Cr0.7010341.3450.012.007.4La0.0070.030.0560.0010.1480.5442Ce0.0060.020.0920.0070.0820.8432Nd0.0060.030.2300.0260.0551.3402Sm0.0070.050.4450.1020.0391.8041Eu0.0070.050.4740.2430.1/1.5*1.5571Dy0.0130.150.5821.9400.0232.0241Er0.0260.230.5834.7000.0201.7401.5Yb0.0490.340.5426.1670.0231.6421.4Lu0.0450.420.5066.9500.0191.563DatafromRollinson(1993).*Eu3+/Eu2+ItalicsareestimatedRareEarthElements一般认为MORB由亏损地幔部分熔融形成，如果我们知道MORB和亏损地幔微量元素含量，那么我们如何估计形成玄武岩的熔融程度。第三十五页，共七十三页，2022年，8月28日REEcompositions

DMNorthAtlanticMORBLa0.0805.673Ce0.53811.88Nd0.7388.507Sm0.3053.094Eu0.1191.109Gd0.4302.959Tb0.0800.723Dy0.5594.049Er0.3812.732Tm0.0600.639Yb0.3922.855Lu0.0610.429第三十六页，共七十三页，2022年，8月28日利用批次熔融模型绘制该图解D=Cliquid/CresidueF~Cresidue/Cliquid@D~0相当于不同元素第三十七页，共七十三页，2022年，8月28日结晶分离作用

CrystalFractionation第三十八页，共七十三页，2022年，8月28日矿物在岩浆中晶出的可能过程矿物与熔体连续再平衡，形成无环带晶体，即平衡结晶作用。分离结晶作用，矿物和熔体之间只有表面平衡。第三十九页，共七十三页，2022年，8月28日矿物与熔体连续再平衡类似于平衡部分熔融作用，可以用平衡部分熔融方程式进行描述。第四十页，共七十三页，2022年，8月28日分离结晶作用

Fractionalcrystallization/Rayleighfractionation微量元素在晶体中的扩散速度比在熔体中慢的多，来不及取得完全平衡；矿物从熔体中晶体后快速与熔体分离。微量元素在熔体中的扩散速度比矿物中慢的多。第四十一页，共七十三页，2022年，8月28日瑞利分馏定律/

RayleighfractionationF=残余熔体/原始熔体（熔体+结晶相）

1-F=结晶固相的分数，分离结晶程度平衡部分熔融作用

F=熔体/母岩(或岩石+熔体)第四十二页，共七十三页，2022年，8月28日第四十三页，共七十三页，2022年，8月28日第四十四页，共七十三页，2022年，8月28日同化混染作用（A）BACC=A+B围岩岩浆第四十五页，共七十三页，2022年，8月28日同化混染作用（A）第四十六页，共七十三页，2022年，8月28日第四十七页，共七十三页，2022年，8月28日同化混染-分离结晶作用（AFC）围岩岩浆+第四十八页，共七十三页，2022年，8月28日DePaolo,DJ(1981):Traceelementandisotopiceffectsofcombinedwallrockassimilationandfractionalcrystallization.Earth.Planet.Sci.Lett.,53:189-202Powell,R(1984):Inversionoftheassimilationandfractionalcrystallisation(AFC)equations:Characterizationofcontaminantsfromtheisotopeandtraceelementrelationshipsinvolcanicsuites.J.Geol.Soc.Lond.,141:447-52第四十九页，共七十三页，2022年，8月28日Bohrson,W.A.andSpera,F.J.,2003.Energy-constrainedopen-systemGeochemical,thermalandmassenergyconstrainedrecharge,assimilationcrystallization(EC-RAFC).Geochem.Geophys.Geosyst,4(2):8002,doi:10.1029/2002GC000316.第五十页，共七十三页，2022年，8月28日第五十一页，共七十三页，2022年，8月28日第五十二页，共七十三页，2022年，8月28日Gaoetal.,2004,Nature第五十三页，共七十三页，2022年，8月28日混合作用的影响：微量元素的绝对组成矿物组合变化导致元素的地球化学行为改变第五十四页，共七十三页，2022年，8月28日3.2变质作用中的微量元素行为封闭体系变化开放体系变化流体的加入流体的释放变质作用的实质就是原岩矿物的分解、重结晶，最后形成新矿物，因此组成矿物的元素也随矿物的相变会有一个重新再分配过程。第五十五页，共七十三页，2022年，8月28日封闭体系中微量元素变化的特征封闭体系中微量元素的地球化学行为（分配与分布）简单地取决于矿物相的变化；矿物相的改变引起元素的重新分配；温度、压力条件决定元素的分配特征；第五十六页，共七十三页，2022年，8月28日在干（无水）体系下辉长岩（假定矿物组合为单斜辉石+斜长石+钛磁铁矿）经历超高压作用变质为榴辉岩（假定矿物组合为石榴石+绿辉石+金红石）的过程中，富Sr的斜长石相变为石榴石。由于Sr在石榴石和金红石中均属于强不相容元素，但在绿辉石中属于弱不相容元素。因此，斜长石相变分解释放出的Sr在榴辉岩体系中会在很大程度上转移到绿辉石中。应用实例第五十七页，共七十三页，2022年，8月28日辉长岩榴辉岩榴辉岩相变质HREE集中在cpx中HREE集中在gt中

DGarnetClinopyroxenePlagioclase

DGrt/DCpxDPl/DCpxLa0.01640.05150.270.3185.2427Ce0.0650.1080.200.6021.8519Nd0.3630.2770.141.3100.5054Sm1.10.4620.112.3810.2381Eu2.020.4580.734.4101.5939Dy4.130.7110.0555.8090.0774Er3.950.660.0415.9850.0621Yb3.880.6330.0316.1300.0490Lu3.790.6230.025

6.0830.0401第五十八页，共七十三页，2022年，8月28日Nb和Ti在泥质岩进变质作用过程中由于钛铁矿向金红石逐渐转变而引起的重新再分配示意图(Luvizottoetal.,2009)第五十九页，共七十三页，2022年，8月28日第六十页，共七十三页，2022年，8月28日微量元素在开放体系中的变化特征微量元素的地球化学行为取决于矿物相的变化；矿物相的改变引起元素的重新分配；温度、压力条件决定元素的分配特征；流体的加入/释放地壳加厚过程中角闪岩相向麻粒岩相的变质作用,含水矿物脱水的流体迁出；麻粒岩或榴辉岩向角闪岩转变的退变质作用过程中则会引入流体。元素在流体和矿物相之间的分配由于流体引入而引起的微量元素变化及活动性主要与流体本身的性质有关。如PanandFleet(1996)的研究发现如果麻粒岩相变质作用过程中出现富F流体，则会引起REE和HFSE的显著迁移.第六十一页，共七十三页，2022年，8月28日Nb和Rb的行为如何？第六十二页，共七十三页，2022年，8月28日Subductionzonebasalt第六十三页，共七十三页，2022年，8月28日在洋壳俯冲过程中，俯冲板片上的大洋沉积物和蚀变大洋玄武岩由于P-T条件不断升高，会依次经历绿片岩相、角闪岩相和榴辉岩相的变质作用，俯冲至大约80km会出现金红石，该过程实质上就是俯冲带变质流体的形成和释放过程。11010010001101001000DNbDTaGreenandPearson(1987)Green(2000)Schmidtetal.(2004)Klemmeetal.(2005)HorngandHess(2000)Xiongetal.(2005)DTa/DNb=1DTa/DNb=10第六十四页，共七十三页，2022年，8月28日西天山流体渗透作用诱