岩石地球化学课件

岩石地球化学岩石地球化学课件1一、常量元素 常量元素包括：SiO2、TiO2、Al2O3、Fe2O3 FeO、MnO、MgO、CaO、Na2O、K2O、P2O5、H2O+、H2O-、LOI(烧失量)等14项。全铁表示为TFeO。H2O+，H2O分别表示结构水或结晶水和吸附水或层间水，后者通常在110以下便失去。这样氧化物+烧失量或氧化物+H2O和CO2的含量应在100%左右。如果总和误差超过1%（101%），且不知原因，则此分析值一般不适用。如果岩石中含有较多的含水矿物，如黑云母，角闪石或白云母，特别是蚀变强烈的岩石（含大量粘土矿物和碳酸盐矿物），则岩石的总量将会低于99%，这时往往用烧失量(LOI)或直接分析H2O+、H2O、F和CO2的含量来补充。一、常量元素2 在运用已有的常量元素时，应注意下列几点：测试样品必须是未蚀变的新鲜岩石，其检验的标准是岩石中H2O2，CO20.5；否则不能使用，只有高镁火山熔岩（苦橄岩、科马提岩、麦美奇岩、玻古安山岩）例外；使用原始数据进行各种分类图表和化学参数计算前，必须先去除H2O或烧失量，重新计算为干成分的100%标准化时的主元素质量百分数后，才能使用；在运用已有的常量元素时，应注意下列3 在计算CIPW标准矿物含量时，如果是全铁含量，应找一个有效的方法将全铁分成FeO和Fe2O3；一般采用：FeO*(TFeO)=FeO0.8998Fe2O3 在使用TAS分类图时，首先要检查一下要进行分类的岩石是否为“高镁”火山岩；谨慎使用那些风化、蚀变、变质、变形或者经历过重结晶作用的岩石化学分析数据，但对于许多低级变质火山岩，要求烧失量应小于5；在计算CIPW标准矿物含量时，如果是全4 （一）利用常量元素开展岩石的利用常量元素开展岩石的分类 岩石的分类通常是基于主量元素成分，单它岩石的分类通常是基于主量元素成分，单它们的具体命名要根据矿物组成。但是对火山岩而们的具体命名要根据矿物组成。但是对火山岩而言，岩石的具体命名也主要依据化学成分。言，岩石的具体命名也主要依据化学成分。图图1是是Le Maitre et al(1989)提出的全碱提出的全碱（Na2O+K2O）SiO2的的TAS分类图。分类图。Wilson(1989)利用利用Cox et al(1979)的的TAS图解图解对侵入岩也进行了分区和命名（图对侵入岩也进行了分区和命名（图2）。）。同样，将主量计算成标准矿物（同样，将主量计算成标准矿物（CIPW)、进行阳离子、进行阳离子组合或利用比值也可以对不同的岩石（包括沉积岩）进组合或利用比值也可以对不同的岩石（包括沉积岩）进行分类命名（图行分类命名（图3，4，5）。）。（一）利用常量元素开展岩石的分类5 图1 火山岩的TAS分类图 6 图2 侵入岩的TAS分类图岩石地球化学课件7图3 标准矿物的An-Ab-Or花岗岩分类 岩石地球化学课件8图4 火山岩的Fe+Ti-Al-Mg三角分类图4 火山岩的Fe+Ti-Al-Mg三角分类9图5 利用主量元素阳离子数的岩石分类 图5 利用主量元素阳离子数的岩石分类 10 （二）重要化学参数的计算 利用常量元素可计算一些重要的参数：如Mg值（Mg#）又称耐火度）、FeO*值、铝饱和指数（ASI）和山德指数（A/CNK）（可用于划分过铝质、过碱质、偏铝质和亚铝质花岗质岩石）、Peacock碱钙指数、Rittmann组合指数、Wright碱度率（A.R）、K60值等。（二）重要化学参数的计算11 1、用Muller等方法时，计算镁值（耐火度）（Mg#=MgO*100/(MgO+FeO)(摩尔比)，FeOFeO+0.899Fe2O3。2、计算FeO*值(=wt/TFeO(全铁)/wt/MgO)。3、计算A/NK=摩尔Al2O3/（摩尔Na2O+摩尔K2O）和A/CNK=摩尔Al2O3/（摩尔CaO+摩尔Na2O+摩尔K2O，并据此将花岗质岩石划分为过铝质、过碱质、偏铝质和亚铝质（山德指数图），其中亚铝质的特征为摩尔Al2O3(摩尔K2O+摩尔Na2O)，标准矿物中含少量钙长石，特征矿物为辉石和橄榄石。通常已不再分亚铝质和偏铝质。12 4、Peacock碱钙指数计算 5、Rittmann组合指数计算：=(wt%K2O+wt%Na2O)2/(wt%SiO2 43)，并投图(李特曼组合指数图解)识别岩石的碱性程度。6、Wright碱度率计算：A.R=（wt%Al2O3+wt%CaO+(wt%Na2O+wt%K2O)/(wt%Al2O3+wt%CaO (wt%Na2O+wt%K2O)，并投图(Wright碱度指数图解)识别岩石的碱性程度。注意：当wt%(SiO2)50%，2.5wt%(K2O)/wt%(Na2O)1时，用2 wt%(Na2O)代替总碱。7、K60(SiO2=60%时的K2O%)计算，作SiO2与K2O的拟合曲线，得曲线方程为K2O=a+bSiO2，令SiO2=60wt%，则得到K60。4、Peacock碱钙指数计算13 （三）岩石系列的识别（三）岩石系列的识别 1、根据Irvine et al(1971)SiO2 Na2O+K2O图解判别岩石属于碱性或亚碱性(碱性与亚碱性系列判别图(据Irvine et al,1971)。（三）岩石系列的识别14 2、如果属于亚碱性系列，根据Irvine et al(1971)AFM(Na2O+K2O)-(TFeO)-(MgO)进一步区别拉斑玄武系列和钙碱性系列，二者最显著的区别是拉斑玄武系列基性端元具有一个富铁的趋势。因此，该图实际上是根据一系列图点的分布特征来判别岩石系列的，少量图点不具有判别的效能。根据Brown et al(1982)，钙碱性系列图点的分布趋势与地壳成熟度有关，这可能有利于再造岩浆活动的地质环境。2、如果属于亚碱性系列，根据Irvine et al15拉斑系列和钙碱性系列AFM图 拉斑系列和钙碱性系列AFM图 16 3、如果由于图点太少或太靠近A角顶位置而无法用AFM图解有效识别拉斑玄武系列和钙碱性系列，就改用FeO*-FeO*/MgO图解和SiO2 FeO*/MgO图解进行判别。3、如果由于图点太少或太靠近A角顶位置而无法用17 4、对于亚碱性系列的岩石，可进一步利用K2O-SiO2图解将岩石系列划分为低钾拉斑玄武系列、钙碱性系列、高钾钙碱性系列和钾玄岩系列。4、对于亚碱性系列的岩石，可进一步利用K2O-Si18 5、此外，还可以进一步依据Ab-An-Or图解和Na2O-K2O图解进一步进行分类和系列划分。5、此外，还可以进一步依据Ab-An-Or图解19二、微量元素 计量与分类计量与分类 常（主）量元素，指岩石中该元素氧化物的重量丰度0.1%，即1000ppm（mg/g，10-6，1/百万）；微量（痕量）元素的重量丰度1000ppm，0.1ppm；超微量元素0.1ppm，即100ppb（10-9，1/10亿）。微量（痕量）元素的常用代号：HFSE（高场强元素稳定元素）：镧系元素，Sc和Y，以及Th、U、Pb、Zr、Hf、Ti、Nb、Ta、等；LFSE（低场强元素又称活动性元素 LILE大离子亲石元素）：Cs、Rb、K、Ba、Sr等，轻稀土元素；等，轻稀土元素；ICE，不相容元素；CE，相容元素；REE，稀土元素；RHE，放射性生热元素。二、微量元素20 不相容元素、相容元素：不相容元素，Dis/l1 相容元素，Dis/l1 强不相容元素，Dis/l0.1 弱不相容元素，Dis/l0.11 Cs Rb Ba Th U K Na Ta Nb La Ce Sr Nd P Hf Zr Sm Ti Tb Dy Er Yb Lu V Sc Ca Al 不相容元素、相容元素：不相容元素，21 由物理化学条件能引起的差异强度看由物理化学条件能引起的差异强度看，必须重视 LILE与与HFSE的相对关系。的相对关系。因LILE一般为造岩矿物的组成，这些矿物的稳定性较小，而HFSE则主要受稳定性较大的副矿物（Ti、Nb、Ta复杂氧化物,锆石等）的控制，所以这两类元素能较灵敏地反映物理化学条件不同的构造环境。由物理化学条件能引起的差异强度看，必22 放射性生热元素：U、Th。元素的“相容性”随矿物而易。对铁镁矿物而言，Sr、Cr、Ni、Co是相容元素；对斜长石，Sr是相容元素；对金云母、韭闪石，Rb、K是相容元素。过度元素有三类，它们是亲石、亲铁和亲铜：Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn。放射性生热元素：U、Th。23 稀土元素稀土元素57La Ce Pr Nd(61Pm)Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb 71Lu 轻稀土元素LREE 重稀土元素HREE 稀土元素稀57La Ce Pr Nd(6124 稀土元素总量REE以LaLu，+Y表示。轻稀土元素LREE指La至Eu，其总量以LREE或Ce表示，其中Pm（钜）基本上是人造的（除了高品位U矿）；重稀土元素HREE指Gd至Lu，不包括Y，其总量用HREE表示，如用Y表示则包括Y在内的Gd至Lu元素。稀土元素总量REE以LaLu，25 玄武岩、中性岩、花岗岩和大陆火成岩中的REE和LREE/（HREE+Y）的平均值，分别为99ppm和0.8、196和2.3、290和3.5，以及241和3.1。因此，REE一般随岩石SiO2增加而增大，且年青岩石的REE比之年老的更多一些。就花岗岩而言，REE主要赋存在副矿物如磷灰石等，以及黑云母中（磷灰石中REE达0.111%），斜长石和钾长石中约占12%。玄武岩、中性岩、花岗岩和大陆火成岩中26 LREE/（HREE+Y）比值变化，随岩浆结晶分异作用进行和碱含量增加而减小，在后构造花岗岩中此值又较小于同构造花岗岩中。因为REE的迁移，不是简单离子形式，与Si-O结构联系弱，易与F、CO3挥发份构成络合物。而形成络合物能力，HREE大于LREE。因此，LREE先在溶液中沉淀；HREE在溶液中滞留时间较长，迁移能力大于LREE，在伟晶岩和气成热液阶段较丰富，与富碱矿物、岩石关系更密切。LREE/（HREE+Y）比值变化，随岩浆27 制作REE配分曲线图解时，为消除其原子序数的奇偶效应，需用球粒陨石标准化（CN）。用作标准化的球粒陨石的REE值已由许多学者提出，这里建议采用泰勒值（Taylor，et al.，1977，GCA，41，137580）:La 0.315ppm，Ce 0.813，Pr 0.116，Nd 0.597，Sm 0.192，Eu 0.0722，Gd 0.259，Tb 0.049，Dy 0.325，Ho 0.0730，Er 0.213，Tm 0.0300，Yb 0.208，Lu 0.0323。进行REE地质地球化学含义解释时，较常使用的参数，除上述REE和LREE/（HREE+Y）以外，是dEu、（La/Yb）CN、（La/Sm）CN和（Gd/Yb）CN，后三种可简写为La/YbN、La/SmN和Gd/YbN。制作REE配分曲线图解时，为消除其原子序数的奇28 Eu，称为铕异常值。在球粒陨石标准化图上，Eu的位置往往落在由Sm和Gd限定的趋势线之外，这种偏离就是铕异常。如果EuCN比SmCN和GdCN值都高，称为铕正异常，反之则负异常。Eu主要与Ca有关，Eu3+的离子半径（r 1.03）近似于Ca，可置换之，而Eu2+的r大于Ca，不置换。因此，长石，特别是斜长石一般为明显+Eu异常，且其结晶时fO2越低或An%含量越小，则Eu的分配系数就越大。所以，+Eu异常的斜长石呈堆晶岩；有大量斜长石作残留相的部分熔融产生的熔体呈明显-Eu异常，或者说分离结晶出斜长石后的残余熔体（即残浆）呈明显-Eu。一种普遍情况是，-Eu值的降低是斜长石参与分离结晶的特征，特别是多阶段分离结晶可以构成大的-Eu，即dEu0.1。但斜长石作为晚结晶相，一般也可以呈现-Eu。此外，花岗岩中，钾长石/斜长石比例0.60.7（对古老花岗岩而言）或1.21.6(对年青花岗岩)的岩石，往往呈-Eu，反之则是无或弱的-Eu。Eu，称为铕异常值。在球粒陨石标准化图上，Eu的位置29 La/YbN（Yb值易准确测定）比值指示REE配分曲线斜率，有时也用La/LuN和Ce/YbN表示（La、Ce和Yb、Lu分别为轻、重REE代表）。该比值1，曲线向右倾，富LREE，一般见于酸性岩；该值1，曲线近于水平，属球粒陨石型，如大洋拉斑玄武岩、科马提岩；1，曲线左倾，见于石榴石二辉橄榄岩、橄榄岩质科马提岩和受交代、强分异的富HREE的浅色花岗岩。La/YbN（Yb值易准确测定）比值指示REE30 微量元素（不相容元素不相容元素分配系数Dis/l1）微量元素比值蜘网图（ratio spidergram）常用于微量元素成岩意义分析。它的横坐标是等间距排列的各微量元素，排列顺序自左至右基本上按分配系数Dis/l由小变大，或按离子半径由大变小。它的纵坐标是岩石中各不相容微量元素对于球粒陨石（CN）或原始地幔（PM）或洋脊玄武岩（MORB）或洋脊花岗岩（MOG）各同名元素的比值，并取对数坐标。因此，微量元素蜘网图与稀土元素配分曲线的构成本质上是相仿的，是元素标准化比值的配分型式的图解。微量元素31常用的横坐标元素排列顺序（自左向右）：S.S.Sun Rb K Th Nb Ta Ba La Ce Sr Zr P Ti Sm Y Rb Ba Th Nb K La Ce Sr Nd Zr Hf Sm Eu Gd Tb Dy Y Er Yb(Lu V Sc Ca Al)(用于玄武岩)Pb Rb Ba Th U K Nb La Ce Sr Nd P Zr Ti Y Na(用于花岗岩)R.N.Thompson Ba Rb Th U K Nb La Ce Sr Nd P Zr Hf Sm Ti Y Yb(按Di大小排列，用PM/CN标准化)J.A.Pearce Sr K Rb Ba Th Ta Nb Ce P Zr Hf Sm Ti Y Yb(按r大小排列，用MORB/CN标准化)K2O Rb Ba Th Ta Nb Ce Hf Zr Sm Y Yb(用于花岗岩，用MOG标准化)常用的横坐标元素排列顺序（自左向右）：S.S.Sun Rb 32 上述元素的选择和排列顺序，视研究的岩石类型和使用的标准化值而异，同时也不是一成不变，而可有局部变动（如Nb Ta、Zr、Hf和Sr Nd P相对位置互换）和增删（如增加Pb、Pr、HREE和删去Ta、Hf、Eu），其目的在于用更清晰的图形显示三类元素（HFSE、LILE和REE）特征值的峰、谷和相大小，进而表征它们地球化学含义与构造环境信息。上述元素的选择和排列顺序，视研究的33常用的标准化数据（ppm）PM,Sun等,1989 PM,Wood等,1979 CN,Thompson,1982 MORB,Pearce,1983 MOG,Pearce等,1984 常用的标准化数据（ppm）PM,Sun等,1989 PM34 蜘网图形上的峰、槽、斜坡和弯曲，有重要的地球化学含义和成岩意义，但作具体解释时，必须结合样品的地质背景、岩相学和其它地球化学数据，作全面思考。各元素和特定构造环境下岩石地球化学的一般性规律如下：Sr，槽，是多解的。指示是斜长石分离结晶后残余岩浆的地球化学性质。Sr相容于斜长石中，如同Y、Yb相容于石榴石中，Ti相容于磁铁矿中。Sr峰，指示是有斜长石参与的堆晶岩，与消减作用有关的岩石。蜘网图形上的峰、槽、斜坡和弯曲，有重要35 Ba，与Rb、Cs相仿，易进入含K矿物，但Rb、Cs比Ba更易富集于残浆，故K/Rb、K/Cs随分离结晶和分异作用进行而减小，而Ba易占据早期的K矿物中K位，故Ba在残浆中贫化。K，贫化，即槽，指示着与消减作用无关；而富集则代表是花岗质岩石、岛弧火山岩和与消减作用有关岩石。U-Th，皆富集于残浆，或集中于低部分熔融熔体。Th比U稳定，因此在分异的残浆中，Th/U比值增加。Ba，与Rb、Cs相仿，易进入含K矿物，但36 Nb-Ta，槽，是多解的，指示是受消减带上升流体（富Sr、K、Rb、Ba、Th）影响的火山弧玄武岩，或继承沉积物特点表示源区仍然保留这些元素。总体上说，Nb-Ta槽说明与陆壳有密切关系，因为原始地幔形成陆壳第一阶段，Nb-Ta优先残留于地幔，到第二阶段才发生Nb-Ta的高度不相容，如洋岛玄武岩，呈现Nb-Ta峰。此外，Nb峰是非地壳物质、偏基性岩石的指示。Nb-Ta槽与Rb-Th槽的共存，是受下地壳麻粒岩相岩石混染的指示。Nb-Ta，槽，是多解的，指示是受消减带上37 P，富集，起源于富集型地幔，未混染的玄武岩；贫化，则起源于亏损地幔或地壳岩石。Zr，富集，是地壳物质的指示，贫化是上地幔起源的象征。Zr易进入熔体或保留于熔体中，与Ta相仿，故残浆中Hf/Zr和Nb/Ta比值皆变小。Ti，习性与Zr相反。P，富集，起源于富集型地幔，未混染38 尖峰形蜘网图常见于岛弧或活动大陆边缘的、与消减带有关的岩石（如岛弧钙碱性岩石）中。与正的尖峰相关元素多半是附加于产生玄武质岩石的地幔楔橄榄岩的组分，主要是K、Rb、Ba、Th，其中尤以Ba最丰富，构成峰，它们都随消减带脱水作用上升、运移而来。但Sr、Ta、Nb、Ce、P、Zr、Hf、Sm、Ti、Y、Yb无明显添加。因此，图形整体呈上隆形状。尖峰形蜘网图常见于岛弧或活动大陆边缘的、与消减带有关39 玄武岩受地壳物质混染后，Nb至Hf各元素皆增。如受上地壳混染，呈Rb-Th峰，Nb-Ta槽，因上地壳富Rb-Th；如受下地壳混染，则Rb-Th和Nb-Ta皆呈槽，因下地壳贫Rb-Th。随岩浆分离结晶作用进行，Rb、Th、Nb、Ta的增加比REE和Sr的增加更快，Ba和Y则下降。洋岛玄武岩，富全部不相容元素，并具Nb-Ta峰，说明源区富不相容元素。玄武岩受地壳物质混染后，Nb至Hf各元素皆40 岛弧玄武岩的特点是亏损高场强元素Nb、Ta、Ti、Zr、Hf和重稀土元素Yb、Y，富集大离子亲石元素Rb、Cs、Ba、Sr、Pb、U、Th、K（来自亏损地幔楔），还富集La、Ce（来自俯冲板块）。如出现贫Ce异常，是板块携带海洋沉积物的标志。板内玄武岩以富高场强元素Nb、Ta、Ti、Zr、Hf为主要特点。岛弧玄武岩的特点是亏损高场强元素Nb、41 某些元素对元素比值及其变化某些元素对元素比值及其变化 元素对元素比值及元素含量在幔源岩石、壳源岩石及其变化岩石中，一般都有各自固定值和变化规律（趋势），据此可以识别仪器分析数据的准确性（必须结合地质学与岩相学研究）和讨论地质地球化学问题。某些元素对元素比值及其变化42岩浆岩中常量元素的变化趋势图岩浆岩中常量元素的变化趋势图岩浆岩中常量元素的变化趋势图岩浆岩中常量元素的变化趋势图岩浆岩中常量元素的变化趋势图岩浆岩中常量元素的变化趋势图岩浆岩中常量元素的变化趋势图岩浆岩中常量元素的变化趋势图岩浆岩中常量元素的变化趋势图岩浆岩中常量元素的变化趋势图岩浆43岩浆岩中主要矿物成分含量变化图岩浆岩中主要矿物成分含量变化图岩浆岩中主要矿物成分含量变化图44SiO2饱和度与矿物组合饱和度与矿物组合SiO2饱和度与矿物组合45岩浆岩的化学成分与矿物共生组合的关系岩浆岩的化学成分与矿物共生组合的关系碱质碱质(Na2O+K2O)与矿物组合与矿物组合 9 钙碱性 碱性 过碱性 碱性长石 较酸性岩石 普遍出现 斜长石 普遍 偏酸性岩石 石 英 普遍 最酸性岩石 似长石 不 5%辉石或闪石 普通辉石或闪石 含Na(霓石、霓辉石)或Ti(钛辉石)，含Na闪石（钠闪石、钠钙闪石、棕闪石）岩浆岩的化学成分与矿物共生组合的关系碱质(Na2O+K2O)46岩浆岩分类表岩浆岩分类表47谢谢！谢谢！48