第二章-常量元素與成礦環(huán)境課件

第二章常量元素與成礦環(huán)境研究

第一節(jié)常用的巖石化學指數(shù)在巖石化學研究中，巖石化學指數(shù)或參數(shù)或比值或它們的聯(lián)合等，常用來解決巖系(或系列)的劃分、成分的演化、成因以及與含礦性的關系等。巖石化學指數(shù)、參數(shù)已有很多，這里介紹幾種常用的巖石化學參數(shù)。一、組合指數(shù)(σ)里特曼指數(shù)σ：

σ＝(Na2O+K2O)2／(SiO2-43)(式中氧化物為質(zhì)量百分數(shù))σ值大，表示堿性程度強。一般來說，一個火山巖組合，其σ值大致相等，因此又稱σ為“組合指數(shù)”。圖上的放射線1、1.8、3…是σ值等值錢；L、F…粗的曲線為世界上六個典型火山巖組合的變化曲線，這六個變化曲線收斂于SiO2＝43和Na2O+K2O＝0處，上述求組合指數(shù)σ的公式中分母的43數(shù)字就是從此而來。二、鈣堿指數(shù)(CA)針對一套有成因聯(lián)系的巖石的一組樣品。三、堿度率(AR)賴特(1969)認為，SiO2＜42％及＞70％的巖石，用σ劃分堿度的精度較差；堿度不僅與SiO2和全堿有關，而且與Al2O3和CaO也有關。因此，他提議用堿度率來研究巖系的堿性程度，堿度率(AR)的計算公式為：AR＝[Al2O3+CaO+(Na2O+K2O)]/[Al2O2+CaO-(Na2O+K2O)](ωB％)四、分異指數(shù)(DI)

依據(jù)巖漿分異理論，硅酸鹽巖漿分異作用向著富集SiO2-NaAlSi3O8-KAlSi3O8殘余巖漿方向演化，即向著愈來愈富含堿鋁硅酸鹽方向演化。鮑文指出，殘余的SiO2-NaAlSi3O8-KAlSi3O8系統(tǒng)可能包括六種CIPW標準礦物：石英、正長石、鈉長石、霞石、白榴石和六方鉀霞石。Thornton和Tuttle（1960）將這六種標準礦物質(zhì)量百分數(shù)之和叫作分異系數(shù)（DL）。

DI反映巖漿分異程度和基性度。五、固結指數(shù)(SI)巖漿在分異結晶過程中SiO2是逐漸增高的，但也不完全如此。而MgO則不同，任何類型巖漿都是向MgO降低的方向演化的，且比SiO2的變化更加顯著。因此，久野（1957）等認為使用反映MgO變化的固結指數(shù)研究玄武巖演化比用SiO2更好一些。固結指數(shù)表示為：SI＝MgO×100/(MgO+FeO+Fe2O3+Na2O+K2O)(ωB％)應用氧化物－lgSI圖解能反映巖漿演化的性質(zhì)和規(guī)律。六、長英指數(shù)（FL）和鎂鐵指數(shù)（MF）巖漿分異結晶時，鎂鐵組分（橄欖石和輝石等）較早從巖漿中分離，殘余熔體向富集長英質(zhì)方向演化。長英指數(shù)和鎂鐵指數(shù)計算公式為：長英指數(shù)(FL)＝100(Na2O+K2O)/(Na2O+K2O+CaO)(ωB％)鎂鐵指數(shù)(MF)＝100(Fe2O3+FeO)/(Fe2O3+FeO+MgO)(ωB％)無論長英指數(shù)還是鎂鐵指數(shù)，它們的值都隨著巖漿結晶分異而趨于增大。七、拉森指數(shù)(LI)拉森指數(shù)(LI)：

LI＝[(SiO2/3)+K2O]-(CaO+MgO+FeO*)(ωB％)其中FeO*＝FeO+0.9Fe2O3+MnO。拉森指數(shù)是巖石酸度的一個指標，其值可正可負。正值表示巖石酸度高，負值表示基性度高。以拉森指數(shù)為橫坐標，以各種氧化物為縱坐標構成的圖解可以用來研究巖漿演化和巖系類型。諾克斯（1953）對拉森指數(shù)修改為：LI＝(1/3Si+K)-(Ca+Mg)(原子數(shù))，并以LI為橫坐標，稀有元素為縱坐標作圖，研究巖漿分異過程中稀有元素的變化趨勢，還可以用于區(qū)分正、負變質(zhì)巖。八、氧化度(OX?)及氧化率(OX)氧化度：

OX?＝Fe3+／(Fe3++Fe2++Mn)(原子數(shù))氧化率：OX=FeO/(FeO+Fe2O3)（質(zhì)量%）九、鎂鐵比值(M／F、m／f)索波列夫于1959年提出用M/F（鎂鐵比值）來研究基性、超基性巖的分類和含礦性。計算公式為：

M/F=MgO/(FeO+2Fe2O3+MnO+NiO)(氧化物為分子數(shù))計算M/F時，首先必須扣除形成鉻尖晶石的Mg和Fe之后再行計算。吳利仁(1963)在研究我國基性、超基性巖的成礦專屬性時，也提出了鎂鐵比值公式：m/f=(Mg2++Ni2+)/(Fe2++Fe3++Mn)(原子數(shù)比值)根據(jù)m/f比值，將基性-超基性巖分成以下五類，并對應不同的成礦專屬性。鎂質(zhì)超基性巖m/f>6.5鐵質(zhì)超基性巖6.5～2富鐵質(zhì)超基性巖2～0.5鐵質(zhì)基性巖2～0.5富鐵質(zhì)基性巖0.5～0十、結晶指數(shù)(CI)結晶指數(shù)用來度量巖漿或巖石的演化程度。上面提到的分異指數(shù)的側重點是研究巖漿結晶的最終殘余物特征，而結晶指數(shù)則側重于結晶作用的開始階段的巖石化學特征，其計算公式：

CI＝Σ(An+Di'+Fo'+Sp')其中：An＝鈣長石標準礦物

Di'＝鎂透輝石＝2.157003EnDi。EnDi是標準礦物透輝石中的En

Fo'＝標準礦物鎂橄攬石+換算成鎂橄攬石的頑火輝石標準礦物＝Fo+0.700837EnHy．EnHy為紫蘇輝石中的頑火輝石標準礦物。

Sp'＝鎂尖晶石。第二節(jié)標準礦物計算一、CIPW標準礦物計算l902年英國學者克勞斯(Cross)、伊丁斯(Iddlngs)、皮爾遜(Pirsson)和華盛頓(Washington)四人提出一種巖石化學標準礦物計算法，取四人姓的第一個字母表示，所以叫CIPW標準礦物計算法。以后約翰森(1931)等進行過修改，1974年Kelsey進一步完善了該方法。這種計算法除了用于巖石分類命名外，把標準礦物投影到圖上可以分析巖石形成的物理化學條件及巖石成因問題。

(一)方法原理巖石氧化物質(zhì)量百分數(shù)→氧化物分子數(shù)然后按照一定的順序?qū)⑵浞肿訑?shù)依一定的規(guī)律結合成若干理想成分的標準礦物標準礦物分子數(shù)→標準礦物質(zhì)量百分數(shù)?！皹藴实V物”與實際礦物之間有差別，但是把它作為一個統(tǒng)一的對比標準研究巖石學問題是非常有用的。標準礦物分為兩類：SiO2飽和礦物，如鉀長石、鈉長石、鈣長石、輝石等；SiO2不飽和礦物，如霞石、白榴石、鉀霞石、橄欖石等。巖石中SiO2飽和程度不同，計算方法也略有不同。

(二)計算步驟在計算之前必須對硅酸鹽分析值進行校正和調(diào)整。

1．將各氧化物質(zhì)量百分數(shù)換算成分子數(shù)。

2．把次要氧化物并入性質(zhì)相似的主量氧化物中。把MnO分子數(shù)歸入FeO分子數(shù)中。BaO和SrO分子數(shù)歸入CaO分子數(shù)中。

3．將微量組分結合成副礦物(注意：后邊的每一步計算所用的氧化物分子數(shù)都是經(jīng)過前邊計算之后剩余的數(shù))。4.造巖礦物計算（分子數(shù)）5．將標準礦物分子數(shù)換算為標準礦物質(zhì)量百分數(shù)（三）檢查計算結果由上述步驟可知，不同巖石類型及相同巖石類型而SiO2飽和度不同時，其標準礦物組合不同（除副礦物外）。巖石類型SiO2飽和度正常類型鋁過飽和類型堿過飽和類型SiO2’>MgO’+FeO’（SiO2過飽和）qor

abandihyqor

abanchyqor

abacdihyMgO’+FeO’>SiO2’>1/2(MgO’+FeO’)（SiO低度不飽和）or

abandihyolor

abanchyol

abanacdihyolSiO’<1/2(Mgo’+FeO’)(SiO極度不飽和)or

abannediolor

abannecolor(ab)

ne(lc)acdiol第三節(jié)Niggli巖石化學特征值及變質(zhì)建造原巖恢復此方法是瑞士巖石學家Niggli于1919年提出來的。它主要用于變質(zhì)巖。近年來在變質(zhì)巖原巖恢復方面又出現(xiàn)不少新的圖解，其中不少使用本方法的參數(shù)。要了解這些新圖解的含義，必須掌握尼格里巖石化學計算法。

(一)原理根據(jù)主要氧化物(除SiO2以外)在造巖礦物中結合的特征，將其分子數(shù)合并為四個參數(shù)(c’、al'、fm'、alk')，作為巖石基本化學特征的對比依據(jù)。fm'代表暗色組分，alk'代表堿質(zhì)組分。為便于作圖和對比，需把這四個主要參數(shù)換算為百分比，分別用c、al、fm、alk表示，并在等邊四面體內(nèi)投影以表征巖石基本化學特征。另外，還用一些補充參數(shù)表示巖石次一級的化學特征。SiO2雖然是極重要的氧化物，但它的數(shù)值比四個主要參數(shù)大得多，不便于放在系統(tǒng)內(nèi)，因此，把它作為獨立參數(shù)來考慮。

(二)計算步驟1．將氧化物質(zhì)量百分數(shù)換算為分子數(shù)并擴大1000倍。2．計算主要參數(shù)及c／fm

al'＝Al2O3+Cr2O3(分子數(shù)和)

fm'＝FeO+2Fe2O3+MnO+MgO+NiO(分子數(shù)和)c'＝CaO+BaO+SrO(分子數(shù)和)

alk'＝K2O+Na2O+Li2O(分子數(shù)和)令al'+c'+fm'+alk'＝Σ，那么al=100al'/Σ，c＝100c'/Σ，alk＝100alk'/Σ，fm＝100fm'/Σ.c/fm＝c'/fm'.

3．計算補充參數(shù)(si、ti、h、p、k、mg、o、t、qz)si＝100SiO2/Σ，ti＝100TiO2／Σ，h＝100H2O／Σ，p＝100P2O2/Σ；k＝K2O/

alk'，mg＝MgO/fm'，o＝2Fe2O3/fm'；t＝al－(alk+c)，它等于氧化鋁分子總數(shù)與形成長石所需氧化鋁分子數(shù)之差；qz＝si-si'，它代表巖石中SiO2的分子數(shù)(si)與形成各種飽和硅酸鹽礦物所需要的SiO2分子數(shù)和(si')之差，si'的計算：正常類型(alk＜al＜alk+c）：si'＝100+4alk

鋁過飽和類型(al＞alk+c)：si＝100+

alk，當al＜50時，si'＝100+4

alk+0.5t.

堿過飽和類型：si'＝100+

alk+3al尼格里實踐證實，qz＞12——SiO2過飽和的巖石，巖石中含有石英或潛在的石英(未晶出)；qz＜-12——SiO2不飽和巖石，巖石中含橄欖石或似長石；Qz=±12——SiO2飽和的巖石。(三)作圖法選用等邊四面體作圖，四個角頂分別代表四個主要參數(shù)al、alk、c、fm。在四面體內(nèi)投點很不便。Niggli提出一種方法，在四面體的c-fm棱上等距離選10個點，通過每個點和四面體al－alk棱構成10個切面，每個切面都是一個三角形(圖2—4)。這十個切面可展開成五對具al－alk公共邊的三角形(圖2—5)。每個切面的編號及c／fm比值范圍如下：I切面：0～0.11；Ⅱ：0.11～0.25；Ⅲ：0.25～0.43；IV：0.43～0.67；V：0.67～1.00；Ⅵ：1.00～1.50；Ⅶ：1.50～2.30；Ⅷ：2.30～4.0；Ⅸ：4.0～9.0；X：9.0以上。Niggli四面體圖嚴格說，這些三角形都是等腰三角形，但與等邊三角形極相近，可以用等邊三角形代替它。三角形的頂點分別為al、alk和c+fm。尼格里根據(jù)大量巖漿巖及沉積巖的巖石化學資料圈定了沉積巖和巖漿巖的范圍，用以恢復變質(zhì)巖的原巖。第四節(jié)常量元素用于火成巖分類一、全堿-硅圖解(TAS)Cox等(1979)演示了TAS圖解的用途，說明了選擇SiO2和Na2O+K2O作為分類基礎是具有充分的理論依據(jù)的。圖3.1是根據(jù)LeMaitre等(1989)用2400新鮮火山巖的分析數(shù)據(jù)繪制的，原始數(shù)據(jù)中每個巖石均有自己的名稱。將相鄰巖石重疊最小的邊界定義為不同巖石分布區(qū)域的界線。二、利用Ab-An-Or圖解劃分花崗巖Ab-An-Or圖解能夠用于進行標準礦物石英大于10％的長英質(zhì)巖石的分類。它主要用于侵入巖的分類。這個分類的長石的成分是按照Barth-Niggli陽離子標準礦物計算法計算的。三、R1-R2圖解(DelaRoche等，1980)

DelaRoche和LeTerrier(1973)提出了根據(jù)陽離子數(shù)(千陽離子數(shù))進行火山巖和侵入巖的分類方案。這個圖解對干侵入巖特別有用。用投影參數(shù)R1和R2進行投影，構筑雙變量圖解。R1作為x軸，按下式計算：

R1＝[4Si－11(Ka+K)－2(Fe+Ti)]其中，F(xiàn)e代表全鐵。R2作為y軸，按下式計算：

R2＝(Al+2Mg+6Ca)雖然參數(shù)R1和R2沒有直觀的成因含義，也很難看出它們和巖石的礦物成分之間存在什么聯(lián)系，但是它們確實能夠反映不同類型巖石之間的數(shù)值差別。第五節(jié)常量元素用于成巖成礦構造環(huán)境一、適用于基性火成巖的判別圖解利用主要元素的判別圖解沒有微量元素那么成功，因為MORB、后弧盆地拉斑玄武巖和火山弧玄武巖之間的主要元素化學出現(xiàn)廣泛的重疊(Perfit等，1980)。這是因為存在大量可能的因素控制元素濃度，而在實際的研究工作中我們所建立的判別圖解很難體現(xiàn)所有這些控制因素。因此，也很難識別哪些元素是完全不活潑的，或者不受晶體分離作用影響。1、F1-F2-F3圖解(J．A．Pearce，1976)

F1＝+0.0088SiO2-0.774TiO2+0.0102A12O3+0.0066FeO-0.0017MgO-0.0143CaO-0.0155Na2O-0.0007K2OF2＝-0.0130SiO2-0.0185TiO2-0.0129A12O3-0.0134FeO-0.0300MgO-0.0204CaO-0.0481Na2O-0.0715K2OF3=-0.2210SiO2-0.0532TiO2-0.0361A12O3-0.0016FeO-0.0310MgO-0.0237CaO-0.0614Na2O-0.0289K2O2、MgO-FeO-A12O3圖解(T．HPearce等，1977)適用于SiO2范圍為51wt％—56wt％的火成巖石，即亞堿性玄武巖相玄武質(zhì)安山巖(分析數(shù)據(jù)需重新?lián)Q算成干的，即剔除揮發(fā)份后再換算成100％)。Pearce等(1977)發(fā)現(xiàn)用MgO、A12O3和FeO(全鐵換算成FeO)能夠判別以下大地構造環(huán)境：大洋脊和洋底玄武巖(MORB)、大洋島玄武巖、大陸玄武巖、火山弧和活動大陸邊緣玄武巖(按Pearce等的術語是造山的玄武巖)、擴張中心島玄武巖(如Iceland，Galapa