类质同象和固溶作用的地球化学应用

Question

如题所述

Answer 1

无论主量元素或微量元素都可以发生类质同象,它决定了自然界几乎没有纯化合物。类质同象和固溶作用的意义很广泛,下面是其中的一些方面。

1.决定元素的共生组合

包括微量元素和常量元素间的共生、制约和依赖关系。以岩浆岩为例,元素在不同类型岩浆岩中的结合和分配有以下规律:

1)Fe、Mg、Ni、Co、Cr和Pt族元素等主要集中在超基性岩中,向基性岩、中性岩和酸性岩演化,以上元素的含量逐步降低。

2)Ca、Al、Ti、V、Mn、P和Sc等元素在基性岩中的含量最高。

3)在酸性岩中,K、Na、Si、Li、Be、Rb、Cs、T1、Ba、Y、REE、Hf、U、Th、Ta、W、Sn、Pb 元素的含量最高。以上微量与主量元素间的组合及对主量元素的依存,实质上受类质同象规律的制约。

2.制约元素在共生矿物间的分配

元素在同一岩石各组成矿物中的分配是极不均匀的,见表2-11,这种不均匀分配受晶体化学和热力学多方面因素的控制。主要受类质同象规律和分配定律的制约。

3.支配微量元素在交代过程中的行为

在热液作用下岩石常发生交代作用,交代过程系统是开放的,有元素的迁出和带入,在主量元素发生迁移的同时,与主量元素发生类质同象置换的元素也会相似的迁移运动。如钠长石被交代形成钾长石时,Sr²⁺随 Na⁺迁出,而 Rb⁺随K⁺带入。

4.类质同象对的元素比值可作为地质作用和地质体成因标志

如黄铁矿中常有Co、Ni等元素呈类质同象混入,但内生和外生条件下生成的黄铁矿中Co、Ni的含量不同,应用黄铁矿的Co/Ni比值可以推测矿床的形成条件 (Misra,2000)。

按克拉克值:Co/Ni=0.28;沉积岩中:Co/Ni=0.28～0.20;沉积黄铁矿中:Co/Ni<1;岩浆热液产物中:Co/Ni>1 ,Co比Ni有更强的亲硫性。

5.标型元素组合

有些矿物中含有大量类质同象的“杂质”,但同一种矿物在特定的成因下往往只富含某些特征的类质同象元素组合,这些特征的元素组合可以推断矿物的形成环境,可称其为指纹元素组合,或称标型元素组合。

例如:磁铁矿矿物通式为

,其中含有两个类质同象系列:

Fe²⁺系列:Fe²⁺可由Mg²⁺、Zn²⁺、Co²⁺、Ni²⁺、Cu²⁺(r=0.78～0.91Å)代换;

Fe³⁺系列:Fe³⁺可由 Al³⁺、Cr³⁺、V³⁺、Mn³⁺、In³⁺、Ga³⁺、Ti⁴⁺、Ge⁴⁺(r=0.50～0.76Å)置换。

不同成因的磁铁矿具有各自的标型元素组合,常见的组合方式为

基性、超基性岩:富Cr³⁺、V³⁺、Ti⁴⁺、Mg²⁺、Ni²⁺、Co²⁺,贫Al³⁺;

酸性、碱性岩:富Al³⁺、Sn⁴⁺而贫Mg²⁺;

接触交代型碳酸岩:富Mg²⁺、Zn²⁺、Cu²⁺、Ga³⁺;

沉积变质岩:富Mn²⁺、V³⁺、Ge⁴⁺。

6.影响微量元素的集中或分散

以Be的矿化为例,分析类质同象影响微量元素的集中和分散的作用机理。碱性岩的Be丰度为 (7～9)×10^-6 ,酸性花岗岩的Be丰度为 (3～5)×10^-6 ,即在酸性花岗岩中Be的丰度较低。但自然界尚未见到与碱性岩有关的Be矿床,而在与酸性花岗岩有关的伟晶岩脉中常产出 Be 的矿床,形成 Be₃ Al₂ Si₆ O₁₈ (绿柱石)富集。其原因可以 Be²⁺在碱性岩中由类质同象分散作用得到解释:Be²⁺的电负性为1.5,离子电位为5.71 ,属两性元素;Be²⁺的半径为0.35Å;在硅酸盐熔体中,Be²⁺可以与 Si⁴⁺类质同象分散,置换方式为 [BeO₄ ]^6-➝ [SiO₄ ]^4-。实现这一置换需具备两个条件:①介质呈碱性,在碱性条件下Be²⁺以酸根的形式存在;②体系中有可以参与置换的高价阳离子,以补偿因 [BeO₄ ]^6-代换 [SiO₄ ]^4-时造成的电价失衡。在碱性岩浆中,熔体成分的特征是富 Na、K 和贫 Si, Be²⁺呈 [BeO₄ ]^6-,同时岩浆中具有较丰富的高价阳离子,如 Ti⁴⁺、Zr⁴⁺、REE³⁺等,因此碱性岩浆满足Be对Si的类质同象代换条件。实际的置换方式为

在长石中:[BeO₄ ]^6-+REE³⁺➝ [SiO₄ ]^4-+ (Na,K)⁺

在辉石中:[BeO₄ ]^6-+Ti⁴⁺➝ [SiO₄ ]^4-+ Mg²⁺

因此,在碱性岩岩浆中Be大量进入造岩矿物而导致在岩石中分散,虽然碱性岩中Be丰度较高,但其结晶过程不利于Be的富集和成矿。在酸性岩浆中,富 Si 的环境使介质呈酸性,Be²⁺以BeO的形式存在,不具备与 [SiO₄ ]^4-类质同象置换的条件,Be不进入造岩矿物晶格。因此,Be有可能在残余熔浆中大量富集,并在富含挥发分的花岗伟晶作用阶段成矿。

以上分析说明,Be 的矿化除与元素本身的丰度有关外,还受岩石中 SiO₂ 含量的制约。微量元素在自然界演化的重要倾向是选择类质同象方式,进入与自身晶体化学性质相似的造岩元素矿物晶格,而呈分散状态,称为“晶体化学分散”。另一种情况是,若微量元素与造岩元素的晶体化学习性差别大,不利于类质同象置换,微量元素的演化将具有另一种倾向——在残余熔体中聚积,在适当的条件下形成独立矿物 (副矿物)或转入到岩浆期后热液中富集成矿,称为“残余富集”。