部分熔融过程元素分配演化的定量模型

Question

如题所述

Answer 1

上述有关微量元素行为的一般原则,也可在一定程度上应用于形成岩石的部分熔融过程,说明随部分熔融程度的变化,微量元素在形成的岩浆中富集或贫化的趋势。地质文献中经常描述的部分熔融过程有两类:批次熔融和分离熔融,二者代表了自然部分熔融过程的两种端元模式。

1)批次熔融或平衡熔融 (batch melting):在整个部分熔融过程中熔体与残余的固相发生连续的再平衡,直到熔体的移出。

2)分离熔融 (fractional melting):部分熔融产生的无限小量的熔体连续地自残余相移出。

在特别的情况下究竟发生哪种部分熔融取决于从源区熔融岩浆析离的能力,这又依赖于源区的渗透率阈值。分离熔融可能对于一些玄武岩熔体比较合适,来自地幔的熔体萃取的物理模型表明非常少量的熔体份数能够从它们的源区移出;而黏度更大的长英质熔体有更高的渗透率门限,可能更适合批次熔融模型 (Rollinson,1993)。

1.批次熔融

批次部分熔融过程是自然界最常见或最可能的部分熔融过程。如果在部分熔融过程中,微量元素在固相与熔体相之间分配系数恒定,设F为产生熔体的份数,可推导出批次熔融定量模型:

地球化学

式中:

为微量元素i在形成熔体中的浓度;

为微量元素i在原始固相岩石中的浓度;D₀ 为在熔融开始时微量元素在母岩矿物集合体与熔体之间的总分配系数;F为形成的熔体占母岩的质量百分数,它反映了部分熔融的程度 (F值由 0～1 表明熔融程度增大,而对分离结晶作用F值从1～0表明结晶程度增大)。

为元素在被熔参加形成熔体的那些矿物与熔体间的总分配系数;P_i 为每种矿物在该熔体中所占的质量百分数。

如果在熔融过程中原始固相中某一矿物的质量百分数

等于熔融后残余固相中该矿物的质量百分数W_i和进入到熔体中该矿物相的质量百分数P_i,

=W_i=P_i,则D₀=D=P。换句话说,如果各种矿物相的熔化是按照它们在母岩中的标准比例进行,即熔化过程中式D=

·

中的W_i保持不变,或者形成的熔体与母岩具有相同的成分,P=D₀ ,则式 (5-22)可以简化为

地球化学

可以改写为

地球化学

在式中D₀ 代替了 P,此式称为模式批次熔融模型 (modal melting)。

在地壳中要确定一种岩浆形成的原岩及其矿物成分一般是很困难的,因此,式 (5-24)的应用受到很大限制。但部分熔融的残余固相往往可以在岩石深源包体中找到,所以Hertogen et al.(1976)考虑在方程式中只包含可能为母岩的微量元素浓度,熔体自残余体移出时残余固相的矿物成分以及部分熔融的程度。他们证明,在熔体移出时微量元素在残余固体与熔体之间的总分配系数D可以由下式给出:

地球化学

代入式 (5-22)可得:

地球化学

图5-19 批次部分熔融过程中微量元素在熔体和固相中的浓度比值与熔融程度和总分配系数 (D)的关系

(据Christiansen et al.,1996)

式 (5-26)即为常用的批次熔融的定量模型。它表明当熔体自残余体移出时,

(一给定微量元素在熔体中的浓度与在母岩中原始浓度的比率)只依赖于该元素在残余固体与熔体间的总分配系数 (D)和部分熔融程度 (F)。而微量元素在残余固相中的浓度与母岩中该元素的原始浓度之比值

,可以根据

=

·D这种关系式计算出来,因为根据分配系数的定义:D=

。

对于批次部分熔融来说,

与F的关系可以图5-19 表示。由图可见:①当部分熔融程度很低时,即F→0,

→1/D,微量元素在所形成的熔体中富集或贫化的程度最大,随F增大,熔体中微量元素的富集或贫化程度逐渐减小,当熔体全熔,即F=1 时,熔体中元素浓度就完全与母岩中该元素的原始浓度趋于一致;②总分配系数D<1 的不相容元素在最初形成的熔体中发生富集,但其最大富集浓度不能超出D=0的曲线,当D→0时,

=1/F,与分离结晶的情况一致,即部分熔融的开始就相当于分离结晶的结束。如果我们知道一个非常不相容元素在岩浆和原岩中的浓度,就能够确定形成的部分熔体的份数,使得微量元素成为评价深部熔融过程的一种有用方法;③总分配系数D>1 的相容元素在部分熔融形成的熔体中发生贫化,但同分离结晶的情况不同,在部分熔融过程中相容元素的浓度随熔融程度 (F)的增大表现为缓慢增大,而在分离结晶过程中,它们随结晶程度的增大 (F值减小),在残余岩浆中迅速贫化。后一种情况下总分配系数是F的指数函数 (图5-18 和图5-19)。应用这种差别,可以判别一个岩浆岩系列是岩浆分离结晶的产物,还是由部分熔融机制所形成。

2.分离熔融

分离熔融 (fractional melting)属于熔体连续移出的部分熔融。由瑞利分馏定律导出如下模型:

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对于模式熔化,上式变为

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式中:

、

、D₀、P与F的含义同式(5-22)。

在自然界,连续移出无限小量的熔体是很难设想的,因此,式 (5-27)和式 (5-28)只能代表部分熔融的极限情况。

分离结晶程度对于分配系数特别高或非常低的微量元素的富集和贫化影响很大。例如对于相容元素Ni (D_Ni=7)来说,F=0.1 即岩浆结晶 10%之后,残余熔体 Ni 的浓度降低至母岩浆中浓度的0.5,在岩浆 54%结晶后降低至母岩浆浓度的 0.01。与此形成鲜明对比,像Rb 这样的不相容元素 (D_Rb=0.001),在 50%岩浆结晶之后残余熔体中的浓度只是翻了一番,而当岩浆 90%结晶之后,残余熔体中的浓度比母岩浆中增大 10 倍。

残余熔体中不相容元素可以在岩浆结晶的最后阶段达到矿床经济浓集的高度富集,如不相容元素Be的矿床是与高度演化花岗岩和流纹岩共生,在花岗岩岩浆体系中,熔体—流体分离可以将Be的浓度提高到能够工业可采的伟晶岩矿物的富集浓度,如绿柱石。

岩浆结晶作用是一种有序化过程。岩浆结晶过程中微量组分的行为受离子性质的影响,元素的浓度与所形成造岩矿物晶格的性质和物理化学条件有关。造岩矿物中包含的Si—O四面体各种不同聚合程度的结构对岩浆中的微量阳离子是一种微型分选机。因此在岩浆分离结晶作用过程中微量元素会发生分异,分异的化学机制可以用微量元素在固液相及不同相间的平衡分配公式来描述。

图5-20a,b为微量元素在岩浆中或岩石中浓度与固结程度的理论曲线,图5-20c,d为格陵兰斯盖嘎层状侵入体实测各元素浓度资料绘制的元素含量曲线,理论曲线与实测曲线吻合得相当好。证明尽管式 (5-19)和式 (5-20)表征的分离结晶过程微量元素分配演化的定量模型与自然界实际还有一定的偏离,但已经取得了近似定量地模拟岩浆结晶进程的效果。

微量元素演化的定量模型还可以用于分析岩浆的混合作用、围岩的同化作用、区带提纯(zone refining)以及上述各种过程的结合,这方面的研究内容可以参阅Cox等的文献 (Cox et al.,1979;Shaw,2006),这些模型能够预测和分析各种岩浆演化过程中微量元素的分布和分配。使用这些模型和已经发表的分配系数数据,我们不仅能够评价岩浆的结晶和熔融过程,而且也能够鉴定偶然产出的特征矿物和约束一些熔体产生的源区 (Winter,2001)。

图5-20 微量元素在岩浆和晶出固相中的浓度与固结程度 (1-F)关系图

(据赵伦山等,1988)

a—岩浆中的浓度与固结程度关系理论曲线;b—岩石中的浓度与固结程度关系理论曲线;c—斯盖嘎侵入体岩浆中微量元素浓度与固结程度关系实测曲线;d—斯盖嘎侵入体岩石中微量元素浓度与固结程度关系实测曲线λ°为微量元素在晶体/熔体之间的分配系数