岩浆岩成因导论课件第三章 岩石成因的化学和岩相学标志.ppt
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1、第三章 岩石成因的 化学和岩相学标志,样品采集的要求 岩石成分资料处理及应用 微量元素和稀土元素 同位素 岩石包体,一、样品采集的要求,源区成分和熔融 源岩的化学和矿物成分对岩浆岩的化学成分起着基本的控制作用。熔体的主要和微量元素成分是由熔融作用类型和熔融程度决定的,同时在岩浆上升到地表的过程中会受到明显改变。由于在部分熔融和岩浆房内的分异过程中,放射性同位素比值一般不发生大的变化,因而,岩浆源区的特征可以用同位素成分来确定。不过,源区本身是源区内各种组分混合作用的函数。例如,与俯冲有关的岩浆岩,就可能含有地幔、俯冲板片、地壳等多种物质的印迹。,岩浆房过程:大多数岩浆岩在侵位到浅部和喷发到地表
2、之前,都会在岩浆房发生过滤作用。在岩浆房内,分离结晶、岩浆混合、同化混染和这几种作用的动态混合,通常会改变由部分熔融产生的原生岩浆的成分。有效理解这些过程对岩石成分的影响,需要综合采用各种岩石学、地球化学工具,进一步可进行岩石成因的定量模拟,并结合实验岩石学和岩浆动力学资料加以限定。定性的岩浆房内部过程的分析可以用二组分协变图方法 。,脱汽、与流体相互作用:在岩浆侵位和喷发后,火成岩的成分可以因脱气作用(outgassing)、与流体的相互作用而发生化学上的变化。火成岩的脱气作用主要影响到稳定同位素化学,而与流体的相互作用可以影响到岩石化学成分的各方面特征。火成岩研究如果不是以探讨蚀变作用和成
3、矿作用为目的,应尽量选择新鲜的岩石,但这种条件并不总是能够达到。例如,海底火山岩和金属矿区岩浆岩的研究。 岩石的风化作用:对主要的元素影响大,轻微的风化作用对有些不活动组分和放射性同位素比值变化的影响不大。,采集化学分析样品时应注意以下几点: 1、目的性:在野外地质和薄片观察基础上,根据研究的目的、任务取样,力求少而精,避免浪费。 2、代表性:采集的样品应能代表所要研究的岩石,对于岩性略有变化的岩石、或按岩性系统取样,或拣块取样,才能反映岩体的实际成分。 3、系统性:为了进行不同岩体或同一岩体在时间、空间上的变化,需要采集系统的岩石样品进行系统的分析。 4、全面性:对于采集化学分析样品的岩石,
4、均应采集切制薄片的岩石样品,如有需要及有可能,还应同时采集稀土、微量、重砂、电子探针、同位素等样品,以便综合分析,得出全面性的结论。 5、真实性:岩石应新鲜,没有风化、蚀变、交代作用,应无外来混入物,不要有杏仁体、包体(捕虏体、析离体、同源、异源包体等)、细脉体等,不新鲜不采,有外来物者要严格除尽。总的要求是,岩石样品应能代表岩石的真正成分。,表 2.1 均匀岩石取样质量与岩石粒度的关系(Wager and Brown, 1960),采样方法的理论考虑,每个样品要采多少?Wager and Brown(1960)提出了各种等粒粒度均匀岩石合理取样所要求的质量的经验方案(表2.1)。,一共要采多
5、少个样品 ? 对特定的岩石学地球化学研究而言,所需的样品的多少取决于研究目的,并受研究经费和研究时间的限制。不可能提出任何普遍适用的原则来保证采样质量,但以下几点是有指导意义的: 要研究的变量数越大,对地质体划分的类型越多,需要的样品数越多。 如果出野外所花费用较大,宁可取样过多也不过少,这样会避免返工去采样。 好的项目实际,高水平的取样和分析,常常比大量的取样更重要。 在一个点上采几个副样,结合成一个组合样,通常能增加采样的精确。,一些岩石学专题研究的采样要求,I.花岗岩类岩石成因和形成的大陆动力学背景 主要包括: 岩浆的源岩和壳、幔物质的贡献 岩浆产生的热源 岩浆的演化和一个岩体内成分多样
6、性的原因 岩体的构造样式、与区域构造的关系 岩体的形成年龄 岩体侵位和岩浆结晶条件,岩体内部不同单元的岩石(包括包体、岩脉、巨晶等),样品数取决于岩体大小和内部结构的复杂程度(一般要十多个以上) 围岩和基底片麻岩样品(几个以上) 代表岩浆形成时地幔熔体的样品(几个) 其它可能卷入岩体成因的变质岩样品 岩体内外的定向标本 年龄测定样品,II.地块分区、归属的同位素填图,样品:酸性片麻岩和部分花岗岩全岩 样品数依研究区范围而定,但至少要20个样品 相应的薄片 最好主要氧化物微量元素(包括稀土元素)和同位素配套测定,二、岩石成分资料处理及应用,岩石化学是研究岩石化学成分特征、比较化学成分之间关系、设
7、计各种岩石化学计算方法、分析岩石及岩系的碱度系列、矿物组合、分类命名、成因来源、演化规律、构造环境、物化条件、有关矿产等问题的一门科学。 岩石化学主要应用于结晶(岩浆岩、变质岩)中,沉积岩中应用较少,在结晶岩中又以岩浆岩应用广泛,尤其是结晶程度较差的火山岩研究中最为常用,它已成为研究岩类学、岩理学的最重要、也是最常用的手段之一。,岩浆岩中的主要造岩元素(主量元素):O、Si、Ti、Al、Fe、Mn、Mg、Ca、Na、K、P、H(12种元素),含量高。通常以氧化物的重量百分含量来表示。 岩石样品经化学分析后,都以氧化物的重量百分含量表示,岩石以硅酸盐为主,硅酸盐分析一般为13项氧化物,由SiO2
8、、TiO2、Al2O3、Fe2O3、FeO、MnO、MgO、CaO、Na2O、K2O、H2O、H2O、P2O5 ,其中H2O为结构水、结晶水, H2O吸附水,注意:岩石化学成分以氧化物表示是人为的,实际上组成岩石的矿物成分并不是以氧化物的形式结合的,硅酸盐熔体的近代物理及测试研究也表明,不存在氧化物,但是,用氧化物表示岩石化学成分已形成习惯,而且易于组合造岩矿物成分,故仍以氧化物表示。,岩石成分处理的一些方法: 1、铁的调整 2、CIPW标准矿物计算法 3、全岩特征数值计算法 4、常用的岩石化学指数 钙碱指数(CA)、组合指数()、碱度率(AR)、分异指数(DI)、固结指数(SI)、长英指数(
9、FL)和镁铁指数(MF)、拉森指数(LI)、氧化度(OX0)和氧化率(OX)、镁铁比值m/f,1、铁的调整 FeO、Fe2O3是岩浆岩中主要的变价元素,研究岩浆岩氧化程度及有关特征得常用数据,又是影响标准矿物计算结果及精度的关键问题。因此FeO、Fe2O3是否需要调整及如何调整,是国际上岩石化学研究中的重点问题之一。 不需要调整铁的研究内容: 岩体产状 岩浆岩所处的深度愈小,喷发愈强者,Fe2O3愈多,FeO愈少。 熔岩岩相 熔岩层顶部相一般氧化、风化最强,底部相次之,中部相最差。 一次喷发的熔岩流,如未经蚀变,其顶部常为褐红色,底部为褐灰色,中部为黑色。 在海相火山岩中,一般FeO较高,而陆
10、相火山岩,一般Fe2O3较高。, 岩石酸度 岩石酸度愈大的岩石,Fe2O3愈高,FeO愈低。 构造环境 不同构造环境中火山岩的FeO、Fe2O3也不同。在相同碱的含量条件下,岛弧造山带比板块内部Fe2O3高而FeO低。 次生变化 岩石的次生变化(风化、蚀变等)愈强,一般Fe2O3愈高而FeO愈低。玄武岩的风化,一般呈红色。蚀变的岩石一般也是Fe2O3升高FeO降低。 库兹涅佐夫研究: 弱蛇纹石化超基性岩,Fe2O34.91,FeO2.22%, 强蛇纹石化超基性岩,Fe2O37.11,FeO0.43,岩石在地表一般是遭受氧化作用,FeO易变为Fe2O3导致标准矿物计算结果的误差,为了能充分利用受
11、过不同程度氧化的岩石的分析数据,又不影响标准矿物的数量,就要对超过Fe2O3上限值的Fe2O3进行调整,把高于上限值的Fe2O3调整为FeO,而FeO则限于上限值。 上限值应该是多少,各家理解不一,方法也不同。 FeO、Fe2O3调整的方法:把超过上限值Fe2O3调整为FeO,从而使Fe2O3降低,FeO升高。由FeO调换成FeO,应乘以0.89981,即FeOFe2O30.89981,为简化,FeOFe2O30.9代替。用调换的FeO,加上原来岩石中的FeO,即为调整后的FeO,上限值的Fe2O3,即为调整后的Fe2O3。 玄武岩和岩浆岩常见的调整方法(略),岩石化学计算法可归纳为两类: 1
12、、计算成特征数值(1935年苏联著名岩石学家A.H.扎瓦里茨基提出的岩石化学计算法,吴利仁的超基性岩岩石化学计算法,尼格里岩石化学计算法) 2、计算成标准矿物,扎瓦里茨基岩石化学计算原理:以造岩元素的原子数为计算单元,根据晶体化学理论,将岩浆岩中的主要矿物的原子进行归并,用若干个特征数值反映岩浆岩的化学成分特征。在这些原子中,H、P较少可忽略不计,Mn并入Fe2原子数中,Ti并入Si原子数中,O原子数量取决于其他金属原子数,可不必计算。这样在岩石中起主要作用得元素只有七种:Si、Al、Fe(Fe2、Fe3 )、Mg、Ca、K、Na,根据晶体化学理论,将这七种主要元素合并成四组,构成A、C、B、
13、S四个主要特征数值。 A碱性长石的碱金属原子数之和 C钙长石的钙原子数 B暗色矿物(碱性暗色矿物除外)的Fe、Mg、Ca、Al、 Na 的原子数之和。 SSi原子数之和,为对比方便,四个主要特征数值须换算成100,分别用a、c、b、s代表。为反映岩石成分的详细差异,还需要补充下列特征数值: Q-岩石中硅原子的过剩或不足 n-碱性长石中Na原子的百分比 f-暗色矿物中Fe原子的百分比 m-暗色矿物中Mg原子的百分比 c-暗色矿物中Ca原子的百分比 a-暗色矿物中Al原子的百分比, 岩石中有a则无c,有c则无a。 n-暗色矿物中Na(+K )原子的百分比,岩石化学计算中,根据K2O、Na2O、Ca
14、O、Al2O3 、 FeO、Fe2O3的分子数将岩浆岩分成四个岩石化学类型: 1、正常类型:CaONa2OK2OAl2O3Na2O +K2O 2、铝过饱和类型:Al2O3 CaONa2OK2O 3、碱过饱和类型: Na2OK2O Al2O3 4、碱强烈过饱和类型: Na2OK2O Al2O3FeO/2Fe2O3 不同的岩石类型,起特征数值得组合也不同 1、正常类型:a、c、b、s、Q、n、f、m、c 2、铝过饱和类型:a、c、b、s、Q、n、f、m、a 3、碱过饱和类型:a、c-、b、s、Q、n、f、m、c 4、碱强烈过饱和类型:a、 c- 、b、s、Q、n、n 、m、c,CIPW(Cross
15、,Iddings,Pirsson,Washongton)标准矿物计算法原理: 将岩石氧化物质量百分数换算成氧化物分子数,然后按照一定的顺序再将其分子数依一定的规律结合成若干理想成分的标准矿物,最后再将标准矿物换算为标准矿物质量百分数。 “标准矿物”与实际矿物之间有差别,但是把它作为一个统一的对比标准研究岩石学的问题是非常有用的。 标准矿物有两类:SiO2饱和矿物及SiO2不饱和矿物。前者如钾长石、钠长石、辉石等,后者如橄榄石、霞石、白榴石、钾霞石等,当岩石中SiO2含量过饱和时,则形成石英饱和矿物,当SiO2恰好饱和时,只出现饱和矿物,不出现石英,当SiO2不饱和时,形成不饱和矿物饱和矿物。岩
16、石中SiO2饱和程度不同,计算方法略有不同。 可以用于岩石分类命名外,把标准矿物投在相图上,可分析岩石形成的物化条件及岩石成因等问题。,Figure 8-10a. Plot of CaO (green) and (Na2O + K2O) (red) vs. SiO2 for the Crater Lake data. Peacock (1931) used the value of SiO2 at which the two curves crossed as his “alkali-lime index” (dashed line).,交点的SiO2数值称为钙碱指数(CA),或称皮科克指数。
17、这个指数反映了岩系的碱性程度,值越小,岩系碱性程度越高。要求有相当数量的岩石化学分析资料。 CA61钙性岩系,里特曼(Rittmann,1957,1962,1973)提出用来反映岩石和岩系的碱性程度,即用=(K2O+Na2O)2/(SiO2-43)值来划分岩系,里特曼选择=4把岩浆岩划分为钙碱性和碱性两大岩系,每个岩系又以碱和值划分类型,按值划分的岩系类型(A.Rittmann,1962),4,CA与及其岩系类型的对应关系,值变化与岩浆演化的机理(据Barth,1962),碱度率(AR):赖特(J.B.Wright,1969)认为SiO270,的岩石用值划分碱度的精度较差,碱度不仅与SiO2和
18、全碱有关,而且与Al2O3和CaO也有关,故提出了用碱度率来研究岩系的碱性程度。 ARAl2O3CaO(Na2OK2O)/ Al2O3CaO(Na2OK2O) (B) 注:若岩石的SiO250,1K2O/Na2O2.5时,公式中的Na2OK2O用2Na2O代替,而不考虑K2O含量。,分异指数(DI): 依据岩浆分异作用的理论,硅酸盐岩浆分异作用向着富集SiO2-NaAlSi3O8-KAlSi3O8残余岩浆方向演化,即随着愈来愈富含碱铝硅酸盐方向演化。残余的SiO2-NaAlSi3O8-KAlSi3O8系统可能包括6种标准矿物,即石英(q)、正长石(or)、钠长石(ab)、霞石(ne)、白榴石(
19、lc)和六方钾霞石(kp)。桑汤和塔特尔将上述六种标准矿物质量百分数之和称为分异指数(DI)。 DI=q+or+ab+ne+lc+kp 注:上述6种标准矿物不会同时出现,有q就不会出现ne、lc、kp;有kp就不会出现or、ab。 硅酸过饱和岩石,DIq+or+ab 硅酸弱不饱和岩石,DIne+or+(ab) 硅酸强不饱和岩石,DIne+lc+(or)或DIne+lc+kp DI反映岩浆分异程度和岩石基性程度的重要岩石化学参数。,主要火成岩的分异指数(平均值) (C.P.Thornton,O.F.Tuttle,1960),固结指数(SI): SIMgO100/(MgO+FeO+Fe2O3+Na
20、2O+K2O(B),日本不同类型火山岩的固结指数,当发生结晶分异时,残余熔浆的SI迅速降低。SI也是反映岩浆分异程度和岩石基性程度的重要岩石化学参数。 还可以用来确定基性火山岩是幔源岩浆直接结晶产物或是同化混染产物。一般地幔源的未分异的原生岩浆凝固的岩石,SI约为40或更大些,40的都是幔源原生岩浆经过分异或同化而形成。,氧化物-lgSI图解,长英指数(FL)和镁铁指数(MF)反映岩浆分离结晶作用程度的岩石化学参数。随着岩浆分离结晶作用的进行,镁铁组分(Ol、Px 等)最早从熔浆中分离,残余熔体的成分越来越富集低熔的碱质组分(长英质成分),而镁、铁质越来越少,其中镁比铁减少得更快。 长英指数(
21、FL)(Simpson,1954): FL100(Na2OK2O)/(Na2OK2O+CaO) (B) 镁铁指数(MF)(Wager,1956): MF 100(Fe2O3FeO)/(Fe2O3FeO+MgO) (B) 如果岩浆分离结晶作用程度高,MF就大,FL也大。,SiO2 与 六种氧化物 FeO、MgO Na2O、K2O Al2O3 、CaO 之间关系密切,岩浆岩中各种氧化物与SiO2含量关系,关于MF与FL,曾进行过多次修正,但都大同小异。1956年韦杰加以改进的MF和FL表示如下: MF100(Fe2 Fe3Mn)/ Fe2 +Fe3+Mn+Mg)(原子数) FL100(ab+or)
22、/(ab+or+an)(CIPW标准矿物) 拉森指数(LI)(E.S.Larsen,1938): LI(SiO2 /3)/K2O (CaOMgOFeO*)(B) 其中 FeO*FeO0.9Fe2O3+MnO 表示岩石酸度的一种表示方法,LI越大,岩石酸度越大,说明SiO2、K2O含量高,FeO、MgO、CaO含量低。 1953年诺科斯将拉森指数修改为: LI(1/3Si+K)(Ca+Mg)(原子数),氧化度(OX0)和氧化率(OX): 不同学者赋于的定义不完全相同: 1、1973年意大利岩石学家里特曼建议: 氧化度(OX0)Fe3/(Fe3Fe2Mn)(原子数) 2、澳大利亚岩石学家(R.M.
23、 Le Maitre)对岩浆中的铁氧化物有深入研究,1976年他提议): OXFeO/(FeOFe2O3) 26000个全岩化学分析资料的统计发现,OX与全碱和SiO2含量的关系明显: 火山岩 OX0.930.0042SiO20.022(Na2O +K2O) 深成岩OX0.880.0016SiO20.027(Na2O +K2O),常见岩石氧化率(OX)的平均值和标准偏差,镁铁比值(m/f): m/f (Mg2 Ni2)/(Fe2Fe3Mn)(原子数比值) 在超基性岩、基性岩研究中应用很广。对于划分岩类、成矿专属性的研究有重要意义。 镁质超镁铁岩 m / f 6.514 铬铁矿(Cr) 铁质超镁
24、铁岩 m / f 26.5 铜镍硫化矿 ( Cu、Ni、Co、Pt) 富铁质超镁铁岩 m / f 0.52 铜镍硫化矿、 钒钛磁铁矿,应用 1、火山岩系列的确定 先分为碱性和亚碱性系列,亚碱性系列再分钙碱性与拉斑玄武岩系列。,AFM图 (T.N.Irvine),火山岩SiO2K2ONa2O图 (据T.N.IRINE等,1971),Fig. 8-17. After Le Maitre (1976) J. Petrol., 17, 589-637.,Alkali vs. Silica diagram for Hawaiian volcanics: Seems to be two distinct
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