岩浆中元素的分配与熔体结构

如题所述

推荐答案 2020-01-19

许多微量元素是“变网离子”，它们在熔体中的活度取决于熔体中非桥氧的活度，因而熔体结构的变化可以影响主要及微量元素的分配（Mysen，1980d）。

1.橄榄石与玄武质熔体间Mg²⁺、Fe²⁺的分配

橄榄石与玄武质熔体间Mg²⁺、Fe²⁺的分配被用来鉴别地幔中形成的原始岩浆和估计地幔橄榄岩的成分。橄榄石（Ol）与玄武质熔体间Mg²⁺和Fe²⁺的分配系数分别表达为D_Mg=Mg^Ol/Mg^熔体，D_Fe=Fe^Ol/Fe^2+熔体。Kushiro等（2002）的实验表明（图8-22），当熔体的NBO/T从0.2增加到1.2时，Mg的分配系数从9.6 减到2；在NBO/T继续增加时，Mg的分配系数稍有增加。Fe的分配系数从2.61 降到0.68；当考虑Fe³⁺/Fe²⁺时，则从2.70降到0.69。大多数天然玄武岩、橄榄岩中都存在D_Mg、D_Fe这样的变化：当NBO/T变化于0.4～3.0之间时，D_Mg变化于8～0.8、D_Fe变化于2～0.05 之间。分配系数的这种变化与熔体聚合程度的变化密切相关（Kushiro et al.，2002）。Mg²⁺趋于进入熔体与晶体中的六配位位置。在聚合程度高的熔体中（NBO/T低），非桥氧主要是四配位的，当NBO/T增加到～1.5时，迅速变化为六配位，在 NBO/T再大时，则保持不变。在聚合的熔体中，Mg²⁺趋于进入橄榄石的六配位位置，而不进入熔体的四配位位置。当熔体中八面体位置（六配位）增加时，Mg²⁺更多进入熔体，这样D_Mg则减少。对于Fe²⁺来说，熔体中六配位Fe²⁺增加的速度比六配位Mg²⁺增加的速度小。

图8-22 橄榄石与熔体间Mg²⁺、Fe²⁺的分配系数D与熔体NBO/T的关系

2.火成岩中的Zr、Hf的晶-液分配

火成岩中的Zr、Hf的晶-液分配有重要的岩石学意义。Zr⁴⁺、Hf ⁴⁺离子半径分别为0.84A°和0.83°，对于单斜辉石和角闪石来说，Zr和Hf是中等不相容的，对于石榴子石来说，是中等不相容到中等相容的。这些相的结晶只能稍稍影响熔体中Zr/Hf比值，而锆石是分馏熔体中Zr和Hf的最重要的相（Linnen et al.，2002）。熔体结构的不同明显影响晶-液间Zr、Hf的分配。

岩石中Hf的增加与K₂O和Rb的增加明显呈正相关，而和Ti的增加呈负相关，因而Hf的增加是岩浆分异程度增加的体现。对于碱性或解聚的熔体如玄武岩浆、碧玄岩浆、响岩岩浆来说，锆石的溶解度是高的；在过碱性熔体中，锆石与熔体间Zr和Hf的分配系数是几乎相同的，锆石的分离对熔体的Zr/Hf比没有什么影响。另外，与解聚熔体平衡的大多数铁镁矿物的D_Hf>D_Zr，例如单斜辉石、角闪石和榍石的D_Hf/D_Zr为1.5～2.5，虽然它们优先吸纳Hf，但它们的分离结晶也只稍稍增加残余熔体中的Zr/Hf比值，或者根本没有变化（图8-23）。然而，在某些高度分异的准铝和过铝花岗岩、流纹岩、翁岗岩及许多高度演化的花岗伟晶岩中，情况则完全不同，随着Hf的增加Zr/Hf比值快速降低（图8-24）。

因为在准铝或过铝的熔体中锆石的溶解度是低的，同时锆石的 D_Hf/D_Zr是0.5～0.2（Linnen et al.，2002）。因此，在这些花岗岩中锆石的分离将明显降低熔体的 Zr/Hf比，使Zr与Hf明显分馏，其他矿物这时不再分馏Zr与Hf，或者分馏Zr、Hf的趋势与锆石相同。在高度演化的、完全聚合的熔体中，没有足够的非桥氧来满足Zr⁴⁺和Hf⁴⁺离子平衡电荷的需要，它们与周围的氧原子更多地形成共价键，但它们的负电性不同（Zr为1.4，Hf为1.3），因而导致Zr⁴⁺和Hf⁴⁺在准铝和过铝花岗质岩浆中的不同行为（Linnen et al.，2002）。另外，这些Zr/Hf比很低的准铝和过铝花岗质岩浆常伴有富F^-熔体，高含量的F^-破坏了熔体中的大量[AlO₂]^-四面体，使花岗质熔体三维网络的Si/（Si+Al）比值增大，SiO₂的活度增加，这有利于锆石的结晶，锆石的分离导致这种富F^-准铝和过铝花岗质岩浆的Zr/Hf比很低。但Hf增加、Zr/Hf降低的现象并不是在所有花岗岩中总能看到，那些Zr/Hf比并不低的准铝和过铝花岗质岩浆可能是缺乏F^-在熔体中起作用的缘故。