巖石地球化學 1

1、巖石地球化學,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(燒失量)等14項。 全鐵表示為TFeO。 H2O+，H2O分別表示結構水或結晶水和吸附水或層 間水，后者通常在110以下便失去。這樣氧化物+燒失 量或氧化物+H2O和CO2的含量應在100%左右。如果總 和誤差超過1%（101%），且不知原因，則此 分析值一般不適用。 如果巖石中含有較多的含水礦物，如黑云母，角閃石 或白云母，特別是蝕變強烈的巖石（含大量粘土礦物和 碳酸鹽礦物），則巖石的總量將會低于99%，這時往往

2、 用燒失量(LOI)或直接分析H2O+、H2O、F和CO2的含 量來補充。,在運用已有的常量元素時，應注意下列 幾點： 測試樣品必須是未蝕變的新鮮巖石，其 檢驗的標準是巖石中H2O2，CO20.5；否則不能使用，只有高鎂火山熔 巖（苦橄巖、科馬提巖、麥美奇巖、玻古 安山巖）例外； 使用原始數(shù)據(jù)進行各種分類圖表和化學 參數(shù)計算前，必須先去除H2O或燒失量， 重新計算為干成分的100%標準化時的主元 素質量百分數(shù)后，才能使用；,在計算CIPW標準礦物含量時，如果是全 鐵含量，應找一個有效的方法將全鐵分成 FeO和Fe2O3；一般采用： FeO*(TFeO)=FeO0.8998Fe2O3 在使用TA

3、S分類圖時，首先要檢查一下 要進行分類的巖石是否為“高鎂”火山巖； 謹慎使用那些風化、蝕變、變質、變形 或者經歷過重結晶作用的巖石化學分析數(shù) 據(jù)，但對于許多低級變質火山巖，要求燒 失量應小于5；,（一）利用常量元素開展巖石的分類 巖石的分類通常是基于主量元素成分，單它 們的具體命名要根據(jù)礦物組成。但是對火山巖而 言，巖石的具體命名也主要依據(jù)化學成分。 圖1是Le Maitre et al (1989)提出的全堿 （Na2O+K2O）SiO2的TAS分類圖。 Wilson (1989)利用Cox et al (1979)的TAS圖解對侵入巖也進行了分區(qū)和命名（圖2）。 同樣，將主量計算成標準礦物

4、（CIPW)、進行陽離子 組合或利用比值也可以對不同的巖石（包括沉積巖）進 行分類命名（圖3，4，5）。,圖1 火山巖的TAS分類圖,圖2 侵入巖的TAS分類圖,圖3 標準礦物的An-Ab-Or花崗巖分類,圖4 火山巖的Fe+Ti-Al-Mg三角分類,圖5 利用主量元素陽離子數(shù)的巖石分類,（二）重要化學參數(shù)的計算 利用常量元素可計算一些重要的參數(shù)：如Mg 值（Mg#）又稱耐火度）、FeO*值、鋁飽和指 數(shù)（ASI）和山德指數(shù)（A/CNK）（可用于劃 分過鋁質、過堿質、偏鋁質和亞鋁質花崗質巖 石）、Peacock堿鈣指數(shù)、Rittmann組合指 數(shù)、Wright堿度率（A.R）、K60值等。,1

5、、用Muller等方法時，計算鎂值（耐火度） （Mg# =MgO*100/ (MgO+FeO)(摩爾比)， FeOFeO+0.899Fe2O3。 2、計算FeO*值(=wt/TFeO(全鐵)/wt/MgO)。 3、計算A/NK=摩爾Al2O3/（摩爾Na2O+摩爾 K2O）和A/CNK=摩爾Al2O3/（摩爾CaO+摩爾 Na2O+摩爾K2O，并據(jù)此將花崗質巖石劃分為過 鋁質、過堿質、偏鋁質和亞鋁質（山德指數(shù) 圖），其中亞鋁質的特征為摩爾Al2O3(摩爾 K2O+摩爾Na2O)，標準礦物中含少量鈣長石， 特征礦物為輝石和橄欖石。通常已不再分亞鋁質 和偏鋁質。,4、Peacock堿鈣指數(shù)計算 5

6、、Rittmann組合指數(shù)計算：= (wt%K2O + wt%Na2O)2/( wt%SiO2 43)，并投圖(李特曼組合 指數(shù)圖解)識別巖石的堿性程度。 6、Wright堿度率計算：A.R=（wt%Al2O3 + wt%CaO+(wt%Na2O+ wt%K2O)/(wt%Al2O3 + wt%CaO ( wt%Na2O+ wt%K2O)，并投圖(Wright堿 度指數(shù)圖解)識別巖石的堿性程度。注意：當wt%(SiO2) 50%，2.5wt%(K2O)/ wt%(Na2O) 1時，用2 wt%(Na2O)代替總堿。 7、K60(SiO2=60%時的K2O%)計算，作SiO2與K2O 的擬合曲線

7、，得曲線方程為K2O= a+ bSiO2，令 SiO2=60wt%，則得到K60。,（三）巖石系列的識別 1、根據(jù)Irvine et al(1971)SiO2 Na2O +K2O圖解判別巖石屬于堿性或亞堿性(堿性與 亞堿性系列判別圖(據(jù)Irvine et al, 1971) )。,2、如果屬于亞堿性系列，根據(jù)Irvine et al (1971)AFM(Na2O+K2O)-(TFeO)-(MgO)進一步 區(qū)別拉斑玄武系列和鈣堿性系列，二者最顯著的 區(qū)別是拉斑玄武系列基性端元具有一個富鐵的趨 勢。因此，該圖實際上是根據(jù)一系列圖點的分布 特征來判別巖石系列的，少量圖點不具有判別的 效能。根據(jù)Bro

8、wn et al(1982)，鈣堿性系列圖點 的分布趨勢與地殼成熟度有關，這可能有利于再 造巖漿活動的地質環(huán)境。,拉斑系列和鈣堿性系列AFM圖,3、如果由于圖點太少或太靠近A角頂位置而無法用 AFM圖解有效識別拉斑玄武系列和鈣堿性系列，就改 用FeO* - FeO*/MgO圖解和SiO2 FeO*/MgO圖解進 行判別。,4、對于亞堿性系列的巖石，可進一步利用K2O- SiO2圖解將 巖石系列劃分為低鉀拉斑玄武系列、鈣堿性系列、高鉀鈣堿性 系列和鉀玄巖系列。,5、此外，還可以進一步依據(jù)Ab-An-Or圖解 和Na2O-K2O圖解進一步進行分類和系列劃分。,二、微量元素 計量與分類 常（主）量元

9、素，指巖石中該元素氧化物的重量豐度 0.1%，即1000ppm（mg/g，10-6，1/百萬）；微量（痕量） 元素的重量豐度1000ppm，0.1ppm；超微量元素 0.1ppm，即100ppb（10-9，1/10億）。 微量（痕量）元素的常用代號： HFSE（高場強元素穩(wěn)定元素）：鑭系元素，Sc和Y，以及 Th、U、Pb、 Zr、 Hf、Ti、Nb、 Ta、等 ； LFSE（低場強元素又稱活動性元素 LILE大離子親石元素）：Cs、 Rb、K、Ba、Sr等，輕稀土元素； ICE，不相容元素； CE，相容元素； REE，稀土元素； RHE，放射性生熱元素。,不相容元素、相容元素：,由物理化學條

10、件能引起的差異強度看，必 須重視 LILE與HFSE的相對關系。因LILE一般 為造巖礦物的組成，這些礦物的穩(wěn)定性較小， 而HFSE則主要受穩(wěn)定性較大的副礦物（Ti、 Nb、Ta復雜氧化物, 鋯石等）的控制，所以這 兩類元素能較靈敏地反映物理化學條件不同的 構造環(huán)境。,放射性生熱元素：U、Th。 元素的“相容性”隨礦物而易。對鐵鎂礦物而 言，Sr、Cr、Ni、Co是相容元素；對斜長石， Sr是相容元素；對金云母、韭閃石，Rb、K是 相容元素。 過度元素有三類，它們是親石、親鐵和親 銅：Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu 、Zn。,稀土元素,稀土元素總量REE以LaLu， +Y表

11、示。輕稀土元素LREE指La至Eu， 其總量以LREE或Ce表示，其中Pm （鉅）基本上是人造的（除了高品位U 礦）；重稀土元素HREE指Gd至Lu，不 包括Y，其總量用HREE表示，如用 Y表示則包括Y在內的Gd至Lu元素。,玄武巖、中性巖、花崗巖和大陸火成巖中 的REE和LREE/（HREE+Y）的平均 值，分別為99ppm和0.8、196和2.3、290和 3.5，以及241和3.1。因此，REE一般隨巖 石SiO2增加而增大，且年青巖石的REE比 之年老的更多一些。就花崗巖而言，REE 主要賦存在副礦物如磷灰石等，以及黑云母 中（磷灰石中REE達0.111%），斜長石 和鉀長石中約占1

12、2%。,LREE/（HREE+Y）比值變化，隨巖漿 結晶分異作用進行和堿含量增加而減小，在后 構造花崗巖中此值又較小于同構造花崗巖中。 因為REE的遷移，不是簡單離子形式，與Si-O 結構聯(lián)系弱，易與F、CO3揮發(fā)份構成絡合 物。而形成絡合物能力，HREE大于LREE。因 此，LREE先在溶液中沉淀；HREE在溶液中滯 留時間較長，遷移能力大于LREE，在偉晶巖 和氣成熱液階段較豐富，與富堿礦物、巖石關 系更密切。,制作REE配分曲線圖解時，為消除其原子序數(shù)的奇 偶效應，需用球粒隕石標準化（CN）。用作標準化的 球粒隕石的REE值已由許多學者提出，這里建議采用 泰勒值（Taylor，et al

13、.，1977，GCA，41，1375 80）: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。 進行REE地質地球化學含義解釋時，較常使用的參 數(shù)，除上述REE和LREE/（HREE+Y）以外， 是dEu、（La/Yb）CN、（La/Sm）CN和（Gd/Yb） CN，后三種可簡寫為La/YbN、La/SmN和Gd/YbN。,Eu，稱為銪異常值。在球粒隕石標準化圖上，Eu的位置往

14、往落在由Sm和Gd限定的趨勢線之外，這種偏離就是銪異常。 如果EuCN比SmCN和GdCN值都高，稱為銪正異常，反之則負 異常。 Eu主要與Ca有關，Eu3+的離子半徑（r 1.03）近似于Ca， 可置換之，而Eu2+的r大于Ca，不置換。因此，長石，特別是 斜長石一般為明顯+Eu異常，且其結晶時fO2越低或An%含量 越小，則Eu的分配系數(shù)就越大。所以，+Eu異常的斜長石呈堆 晶巖；有大量斜長石作殘留相的部分熔融產生的熔體呈明顯- Eu異常，或者說分離結晶出斜長石后的殘余熔體（即殘漿）呈 明顯-Eu。一種普遍情況是，-Eu值的降低是斜長石參與分離結 晶的特征，特別是多階段分離結晶可以構成大的

15、-Eu，即dEu 0.1。但斜長石作為晚結晶相，一般也可以呈現(xiàn)-Eu。 此外，花崗巖中，鉀長石/斜長石比例0.60.7（對古老花 崗巖而言）或1.21.6(對年青花崗巖)的巖石，往往呈-Eu， 反之則是無或弱的-Eu。,La/YbN（Yb值易準確測定）比值指示REE 配分曲線斜率，有時也用La/LuN和Ce/YbN表 示（La、Ce和Yb、Lu分別為輕、重REE代 表）。該比值1，曲線向右傾，富LREE，一 般見于酸性巖；該值1，曲線近于水平，屬球 粒隕石型，如大洋拉斑玄武巖、科馬提巖； 1，曲線左傾，見于石榴石二輝橄欖巖、橄欖巖 質科馬提巖和受交代、強分異的富HREE的淺 色花崗巖。,微量元

16、素 （不相容元素分配系數(shù)Dis/l1） 微量元素比值蜘網圖（ratio spidergram）常用于微 量元素成巖意義分析。它的橫坐標是等間距排列的各 微量元素，排列順序自左至右基本上按分配系數(shù)Dis/l 由小變大，或按離子半徑由大變小。它的縱坐標是巖 石中各不相容微量元素對于球粒隕石（CN）或原始地 幔（PM）或洋脊玄武巖（MORB）或洋脊花崗巖 （MOG）各同名元素的比值，并取對數(shù)坐標。因此， 微量元素蜘網圖與稀土元素配分曲線的構成本質上 是相仿的，是元素標準化比值的配分型式的圖解。,常用的橫坐標元素排列順序（自左向右）：,上述元素的選擇和排列順序，視研究的 巖石類型和使用的標準化值而異，

17、同時也 不是一成不變，而可有局部變動（如Nb Ta、Zr、 Hf和Sr Nd P相對位置互換）和 增刪（如增加Pb、Pr、HREE和刪去Ta、 Hf、Eu），其目的在于用更清晰的圖形顯 示三類元素（HFSE、LILE和REE）特征 值的峰、谷和相大小，進而表征它們地球 化學含義與構造環(huán)境信息。,常用的標準化數(shù)據(jù)（ppm）,蜘網圖形上的峰、槽、斜坡和彎曲，有重要 的地球化學含義和成巖意義，但作具體解釋 時，必須結合樣品的地質背景、巖相學和其它 地球化學數(shù)據(jù)，作全面思考。各元素和特定構 造環(huán)境下巖石地球化學的一般性規(guī)律如下： Sr，槽，是多解的。指示是斜長石分離結晶 后殘余巖漿的地球化學性質。Sr

18、相容于斜長石 中，如同Y、Yb相容于石榴石中，Ti相容于磁 鐵礦中。Sr峰，指示是有斜長石參與的堆晶 巖，與消減作用有關的巖石。,Ba，與Rb、Cs相仿，易進入含K礦物，但 Rb、Cs比Ba更易富集于殘漿，故K/Rb、K/Cs 隨分離結晶和分異作用進行而減小，而Ba易占 據(jù)早期的K礦物中K位，故Ba在殘漿中貧化。 K，貧化，即槽，指示著與消減作用無關； 而富集則代表是花崗質巖石、島弧火山巖和與 消減作用有關巖石。 U-Th，皆富集于殘漿，或集中于低部分熔融 熔體。Th比U穩(wěn)定，因此在分異的殘漿中， Th/U比值增加。,Nb-Ta，槽，是多解的，指示是受消減帶上 升流體（富Sr、K、Rb、Ba、

19、Th）影響的火山 弧玄武巖，或繼承沉積物特點表示源區(qū)仍然保 留這些元素?？傮w上說，Nb-Ta槽說明與陸殼 有密切關系，因為原始地幔形成陸殼第一階 段，Nb-Ta優(yōu)先殘留于地幔，到第二階段才發(fā) 生Nb-Ta的高度不相容，如洋島玄武巖，呈現(xiàn) Nb-Ta峰。此外，Nb峰是非地殼物質、偏基性 巖石的指示。Nb-Ta槽與Rb-Th槽的共存，是受 下地殼麻粒巖相巖石混染的指示。,P，富集，起源于富集型地幔，未混染 的玄武巖；貧化，則起源于虧損地?；虻?殼巖石。 Zr，富集，是地殼物質的指示，貧化是 上地幔起源的象征。Zr易進入熔體或保留 于熔體中，與Ta相仿，故殘漿中Hf/Zr和 Nb/Ta比值皆變小。 Ti，習性與Zr相反。,尖峰形蜘網圖常見于島弧或活動大陸邊緣的、與消減帶有關的巖石（如島弧鈣堿性巖 石）中。與正的尖峰相關元素多半是附加于產 生玄武質巖石的地幔楔橄欖巖的組分，主要是 K、Rb、Ba、Th，其中尤以Ba最豐富，構成 峰，它們都隨消減帶脫水作用上升、運移而