微量元素在主要地质作用过程中的活动行为.ppt

1、微量元素地球化学Trace Element Geochemistry,“Geochemistry really is for everyone!”By Fersman (1958),Any question, please send e-mail to or call 87483044 ort123456/,3. 岩浆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 流体作用中的微量元素行为 3.3 变质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,3.1 岩浆作用中的微量元素行为,岩浆产生的实

2、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。,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。,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）,部分熔融作用（PM）,岩浆产生的实质就是

3、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+/-Cpx,部分熔融过程,From Niu, J Petrol. (1997), 38(8): 1047-1074,部分熔融模型,批次(式)熔融Batch Melting 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；,熔融前后质量守恒！,a,b,Cio * wo = Cia * wa + Cib * wb,o,岩浆演化模型 批次熔融,公式1,CL = 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

4、 F = 熔体的重量百分数(=熔体/(熔体+岩石),岩浆演化模型 批次熔融,公式1,CL = 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),批次熔融,对不同Di值时，CL/CO对F变化 Di = 1.0 From Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall.,From Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Pr

5、entice Hall.,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),From Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall.,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),From Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall.,如果F 1，熔体中每个元

6、素的浓度= 源岩中的浓度 (CL/CO 1),F 1 CL/CO 1,F 0 CL/CO 1/Di,如果我们知道低度批次部分熔融（F 0）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),equilibrium batch melting. From Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall.,对于高度不相容元素， Di 0 CL/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。,文献,Al

7、legre C.J. and Minster J.F., 1978. Quantitative Models of Trace Element Behavior in Magmatic Processes. Earth and Planetary Science Letters, 38: 1-25.,问题,如果研究部分熔融作用，应该选择相容元素，还是不相容元素？为什么？,例: 玄武岩部分熔融中Rb和Sr变化,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 = 0.045 DSr = 0.848,From Winter (2001) An Introduct

8、ion to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall.,3. 利用批次熔融模型计算不同F值时的CL/CO,From Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall.,4. 绘制CL/CO 对 F 图,分离熔融作用（Fractional Melting）逐渐增加的批次熔融,Di=1,Di1,Di1,分离熔融作用（Fractional Melting）：熔体一旦形成，立即分离出去,批次熔融,分离熔融作用,Partition c

9、oefficients and Earth differentiation,分配系数既可以通过特殊的试验条件测定, 也可以利用天然样品进行推断获得. 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）中元素的系数 :,Continental crust,Mid-ocean ridge basalt,Here elements are ordered by enrichment in the continental crust over bulk silicate earth, a sort of qualitative partition coefficient

10、. If we assume DRb=0, then F=1.6% and we may assign D to all the other elements.,Partition coefficients and Earth differentiation,The humped pattern of mid-ocean ridge basalts in these figures can be modeled as resulting from 8% melting of the source previously depleted of incompatible elements by 1

11、.6% melting to form the continental crust. This demonstrates that the upper mantle is the complementary depleted reservoir to the continents.,Partition coefficients and Earth differentiation,D=Cliquid/Cresidue,FCresidue/Cliquid D0,计 算 实 例,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。

12、,REE compositions,利用批次熔融模型绘制该图解,D=Cliquid/Cresidue,FCresidue/Cliquid D0,相当于不同元素,一个非常有用的网站,/GERM/ Geochemical Earth Reference Model (GERM)Chemical characterization of the Earth, its major reservoirs and the fluxes between them,结晶分离作用Crystal Fractionation,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

13、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。,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。,分离结晶作用Fractional crystallization/Rayleigh fractionation,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。,瑞利分馏定律/Rayleigh fractionation,F = 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

14、石+熔体),Exercise,假如一位地质学家发现了一个由榴辉岩（石榴石+单斜辉石）组成的下地壳剖面。如何判断该榴辉岩是原始岩浆在液相线下的结晶产物（也就是说母岩浆冷凝过程中直接结晶形成），还是由辉长岩（斜长石+单斜辉石）在固相线下由于压力增加发生相转变而形成？,解决该问题的方法之一就是模拟计算堆晶岩的微量元素组成,建立质量平衡方程 （假设该过程是平衡结晶作用），求堆晶产物里面的微量元素含量。 利用EXCEL工作表，计算以典型大洋中脊玄武岩作为原始岩浆（表1）所产生的堆晶岩（榴辉岩、辉长岩）的稀土元素组成。计算中设定F=70%，榴辉岩(cpx: gt)和辉长岩(cpx: pl)中的矿物比例均为

15、1: 1. 对计算结果进行CI标准化，绘制稀土元素配分曲线。然后针对问题对计算结果进行必要的讨论和评论。,已知参数及需要计算变量,同化混染作用（A）,B,A,C,C=A+B,同化混染作用（A）,同化混染-分离结晶作用（AFC）,+,Gao et al., 2004, Nature,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,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,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

16、定元素的分配特征；,辉长岩,榴辉岩,榴辉岩相变质,HREE集中在cpx中,HREE集中在gt中,高压变质过程中两相平衡的指示,应用实例,Ti in quartz,3. Trace elements Minerals with high trace element content,Tool for linking age to P-T,Composition changes with paragenesis,Zircon trace element composition,Age and composition,1,2,3,Garnet in Malenco granulite,Malenco

17、granulite,GARNET: 5 growth zones distinct in trace elements,In line with - texture - inclusions,No zoning in major elements,Garnet growth zones,Ms Pg Bt Ky,Ms Bt,prograde,resorption,prograde,subsolidus,subsolidus,+ melt,retrograde,+ melt,No zoning in major elements,Zircon-garnet correlation,Prograde

18、 zircon Prograde metamorphism at 280 Ma,+,Prograde garnet,+,Zircon formed from melt at peak and during decompression Peak to decompression at 270 Ma,Peak garnet,Zircon-garnet correlation,+,Zircon formed during second melting event Second thermal pulse at 260 Ma,Prograde garnet II,Zircon-garnet corre

19、lation,Malenco: temperature-time path,开放体系中微量元素变化的特征,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 流体的释放 元素在流体和矿物相之间的分配,地壳俯冲至大约80km 会出现金红石，经历脱水及超高压变质，形成榴辉岩。,Nb和Rb的行为如何？,3.3 流体作用中的微量元素行为,研究实例,Why this work?,The eastern block of the North China Craton could be the best example of an A

20、rchean Craton that has lost its lithospheric keel.,The high-Mg intermediate to felsic lavas from West Liaoning suggest that mafic lower continental crust recycled into convecting mantle during the Late Jurassic,eclogite,Continental lithospheric mantle,软流圈,High-Mg adakitic volcanics from the mantle,G

21、ao et al., 2004, Nature,例子,How the subsequent mantle-derived basalts were affected by the recycled mafic lower crust ?,Melting of “crustal rock” in the mantle,Melting of peridotitepyroxenite,?,500,1000,1500,2000,0,1,2,3,4,5,6,7,8,Pressure (GPa),Temperature (oC),Solidus for peridotite KLB-1 (Herzberg

22、 et al., 2000),At the same pressure, mafic crustal rocks melt before peridotite.,Peridotite (Hirose and Kushiro, 1993; Gaetani and Grove, 1998; Walter, 1998; Falloon et al., 1999; Falloon and Danyushevsky, 2000;Pickering-Witter and Johnston, 2000; Gaetani et al., 2003; Wasylenki et al., 2003; Laport

23、e et al., 2004; Parman and Grove, 2004) Pyroxenite (Kogiso and Hirschmann, 2001; Hirschmann et al., 2003; Kogiso et al., 2003; Pertermann and Hirschmann, 2003; Keshav et al., 2004) Eclogite (Barth et al., 2002; Yaxley and Brey, 2004; Pertermann et al., 2004) Granulite(Springer and Seck, 1997)Komatit

24、e(Parman and Grove, 2004) Basalt (Takahahshi et al., 1998; Klemme et al., 2002) Metabasalt (Sen and Dunn, 1994; Rapp and Watson, 1995) Mixture of peridotite and basalt (Kogiso et al., 1998),Peridotite + Melt1 = Pyroxenite + Melt2 Peridotite + Eclogite Enriching pyroxene/garnet,Two kinds of mixing in

25、 the mantle,Mafic Crustal Rocks Melt + Eclogite,partial melting,(Sobolev et al., 2005, Nature),Peridotite + Melt1 = opx-rich pyroxenite + Melt2,Xenoliths from the Hannuoba basalt, NCC (Liu et al. 2005),Two types of mantle sources associated with mafic crustal rocks recycling,Orthopyroxene-rich Garne

26、t & clinopyroxene-rich,Rutile is a common mineral of eclogite. Rutile can not only enrich Nb and Ta, but also fractionate Nb from Ta effectively.,Nb & Ta,Theoretic Basis and Methods,Melts equilibrated with rutile-bearing eclogite have low Nb (Ta) contents and high Nb/Ta ratios. Rutile-bearing eclogi

27、tic residue should have high Nb (Ta) contents and low Nb/Ta ratios. Thus, subsequent remelting of these eclogite would yield melts with high Nb (Ta) contents and low Nb/Ta ratios if rutile is unstabile.,Rapp et al. (2003, Nature),Presence/disappearance of rutile affects significantly Nb/Ta ratios,ec

28、logitic residue,Partial melts,Two types of mantle sources associated with mafic crustal rocks recycling,High Nb/Ta ratio Orthopyroxene-rich Low Nb/Ta ratio Garnet & clinopyroxene-rich,10,15,20,25,0,50,100,150,Nb (ppm),Nb/Ta,Mesozoic basalts (110Ma),Cenozoic basalts,Jianguo Basalts (104Ma),CFB,PM,110

29、Ma basalts,High Nb and Ta contents low Nb/Ta ratios Nb/Ta=15.1 0.7 (1),Features of rutile-bearing eclogite,Melting of mixture of peridotite + rutile-bearing eclogite,High Fe/Mn ratios OIB-type trace elements,119-136 Ma basalts,Features of melts equilibrated with rutile-bearing eclogite,Pryoxene-rich source formed by peridotite + adakitic melt reaction,Low Nb (Ta) contents, high Nb/Ta ratios Nb/Ta=19.1 0.6 (1),10,15,20,25,0,50,100,150,Nb