岩浆演化过程中的元素活动规律

2018-03-12 20:28阅读：

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岩浆演化过程中的元素活动规律

（岩浆岩成矿系列之二）
刘先生的地质新浪博客
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【按】本文与《岩浆熔融体中元素的存在形式》是同一系列文章，接下来还有其它文章。

岩浆的结晶是元素迁移过程中最重要的作用之一，由于组分和物理化学条件的不同，各种元素析出的顺序也是不同的。

一、造岩元素的晶出顺序（鲍温反应系列）

许多研究者对岩浆中矿物结晶的顺序，从不同的观点出发，提出了各种各样的假说，公认的是“鲍温反应系列”。
“鲍温反应系列”认为根据反应的性质不同，矿物由岩浆中析出的顺序可以分成两个系列：一为斜长石的连续反应系列，另一为铁镁矿物的不连续反应系列。
连续反应系列：是指岩浆冷凝过程中，两种成分能以任意比例均匀混溶，形成无限固溶体。从钙长石(100%An)到钠长石

(100Ab)，它们之间在结晶格架上不发生大的改变，同时在成分上有连续的渐变关系。
不连续反应系列：随着温度下降，必须下降至一定的温度（到达转化点），形成新矿物（化学成分和晶体结构截然不同）。

岩浆演化过程中的元素活动规律

图1 鲍温反应系列
两个系列有依次对应，差不多同时析出的矿物，可形成共生组合或共结关系，到钾长石析出时，两个系列已合并了。在玄武岩结晶的整个过程中，首先结晶出来的是橄榄石和培长石，当温度降低时，它们将与熔体发生反应而分别转变为辉长石和拉长石。此时若无分异作用，则熔体固结成为玄武岩或辉长岩。若发生分异作用，部分早期结晶出的橄榄石和培长石从熔体中分出，则反应过程将继续进行，剩余熔体与辉长石和拉长石起反应而生成普通角闪石和中长石，如此等等。随着分异程度的不断提高，整个反应过程进行到底，最后剩下的是富含二氧化硅的热水溶液。
反应系列的地球化学特征阐明了随着温度下降，元素自岩浆分出并结合成矿物的次序：岩浆熔体中最早结晶的深色矿物是橄榄石，浅色矿物是钙长石。橄榄石中富含镁，其次是铁，钙长石中富含钙。这两种矿物中SiO₂含量均最低，因此，在这两种矿物晶出之后，熔体中镁、铁、钙的浓度降低，而SiO₂的含量却相对增加。随着结晶作用的进行，深色矿物中的橄榄石被辉石、辉石被角闪石依次代替，钙从熔体中逐渐分出，因此熔体中相对富含钠、钾和硅。由于熔体中钙的浓度降低，使斜长石中钠的含量逐渐增加，钾在形成晚期的黑云母和钾长石时析出。
由此可见，连续反应的元素结晶顺序是Ca－Na－K；不连续反应的元素结晶顺序是Mg－Fe－Ca－K。总的析出顺序是Mg－Fe－Ca－Na－K。

岩浆演化过程中的元素活动规律

表1 岩浆岩分类

二、岩浆熔融体中矿物的晶出顺序影响的因素

1、硅酸盐晶格构造的影响

鲍温反应系列左边深色矿物的一支，矿物结晶顺序具有明显的规律：随着温度下降，自岩浆中析出的硅酸盐矿物愈趋复杂，也就是说，硅氧四面体共有的氧离子数目愈来愈多。例如，最初析出的是橄榄石，它是岛状硅酸盐(Si、O的离子数目比为l:4)；接着是辉石，它是链状硅酸盐(Si:O=1:3)；然后是角闪石，它是带状硅酸盐(Si、O 的离子数目比为4:11)；再后是云母，它是层状硅酸盐(Si、O的离子数目比为2:5)；最后是长石和石英，它们都是架状硅酸盐(Si、O 的离子数目比为1:2)。其总的顺序为：
[SiO₄]⁴^－→[SiO₃]²^－→ [Si₄O₁₁]⁶^－→ [Si₂O₅]²^－→ [SiO₂]
由此可见，深色矿物的结晶顺序与岩浆熔体中Si、O的离子数目比有一定的关系。

2、Al－Si类质同象置换的影响

在硅酸盐晶格中，随着结晶温度的逐步下降，不连续反应系列矿物中Al对Si进行类质同象置换的程度逐渐增大。橄榄石中Si末被Al置换，辉石中只有少量的Si被Al置换，角闪石中置换的数量增大，而在黑云母中则至少四分之一的Si被Al置换(黑云母中Si、Al的离子数目比为6:2~5:3)。连续反应系列与之不同，斜长石中Al/Si的（离子数目比）为从钙长石的1:1 稳定地下降到钠长石和钾长石的1:3。
Al－Si的类质同象置换对键能的大小有很大影响。当三价铝置换[SiO₄]⁴^－四面体中的四价硅时，四面体的负电荷增大，从而使[SiO₄]⁴^－四面体的联结加强，因而晶体结构中铝置换硅的结果，升高了它的分解温度，从而提高了它在反应系列中的位置。

3、能量变化的影响

岩浆结晶的顺序，总的趋势是向着晶格能减小的方向进行，即晶格能大的先结晶析出，只有石英例外（见表2）。

岩浆演化过程中的元素活动规律

表2 一些主要矿物的晶格能

4、极化与去极化作用的影响

根据极化的理论，由离子带入到晶格中的能量将随着其极化程度的增高而增加。在硅酸盐中，氧主要是位于两个硅原子或硅和铝或硅和3个镁铁原子之间，其形式如下：
Si—O—Si；Si—O—Al； Si—O—3(Mg，Fe)。
它们的主极化系数为：β_Si⁴⁺ =26，β_Al³⁺ =9.2，β_Mg²⁺ =3.3
对称地位于两个硅原子之间的氧在任何方面都没有电子云的位移，即不发生极化。位于硅和铝之间的氧，以及位于硅及3个(Mg、Fe)之间的氧发生强烈的极化，其程度大致相似。
由极化离子带入的能量比非极化离子带入的能量高些，因此，在结晶时产生的晶格能随着离子极化的增高而增加。当晶格中大部分氧原子位于硅和镁或硅和铝原子之间时，大部分氧就被极化，晶格的形成也应该愈早。不同的晶格，如果氧的极化和去极化的原子数相同，则基本上应该同时结晶。根据这种理论，矿物的结晶顺序应遵循着极化氧离子减少、去极化氧离子增加的次序。
黑云母和白云母中去极化的氧的比例相同，但白云母的结晶较黑云母和钾长石都晚，这很可能是由于白云母中有三分之二的铝原子其配位数等于6所引起的。增加配位数，则带入晶格中的能量就减少了。因此，白云母晚于黑云母结晶与规律相符。

5、酸和碱(基)的影响

由于硅酸盐矿物的形成是离子反应，各种硅酸盐由相应的酸和碱结合而成，硅酸盐矿物的形成尽可能趋向中性，即岩浆中矿物的析出符合于阴离子酸度渐增，阳离子碱度渐增的规律。现作两点说明：
①最初高温岩浆中以正硅酸[SiO₄]⁴^－为主。随着温度下降，偏硅酸[SiO₃]²^－增加，但它们都是弱酸根，所以不能和强碱性的阳离子K⁺、Na⁺结合，只与主要造岩元素碱土族的Mg²⁺和Fe²⁺结合。因为Mg²⁺和Fe²⁺是在碱性递减次序K⁺→ Na⁺→ Ca²⁺→ Mg²⁺→Fe²⁺的末尾，故最早形成的矿物为MgSiO₄与FeSiO₄所构成的橄榄石，而后为MgSiO₃与FeSiO₃构成的辉石。
②后来岩浆中出现[Si₄O₁₁]⁶^－和[Si₂O₅]²^－，它们的酸性增强了一些。因此，除了吸收Mg²⁺、Fe²⁺以外，还吸收碱性较强的Ca²⁺、Na⁺、K⁺而形成角闪石和云母。

三、微量元素的地球化学行为

微量元素一般是指含量在1％以下的元素。由于微量元素在岩浆中的含量一般很低，与分布很广的主要造岩元素比较起来非常微小，因此，除少数微量元素能形成独立矿物外，大多数是处于分散状态中。微量元素含量、组合、比值的变化能更加灵敏地反映成岩作用特点。

1.分类

微量元素包括地球化学性质各不相同的许多元素。根据它们的地球化学特征，可将其分为三类(见表3)：
表3 微量元素特征

分类	成矿元素	附属元素	分散元素
元素	包括W、Sn、Bi、Mo、Be、Cu、Pb、Zn等	包括TR、Y、Zr、Hf、Ti、Nb、Ta、U、Th等	包括Li、Rb、Cs、Sr、Ba、Ga、Ge、Sc等
特征	既可以呈独立矿物的显微或亚显微颗粒，亦可在造岩矿物或副矿物中呈类质同象混入物，还可以呈原子分散状态存在	多与造岩矿物无紧密联系，因而一般在造岩矿物中不呈类质同象混入物存在，即或存在为量亦甚微。它们在岩浆中可呈副矿物出现或者在副矿物中呈类质同象混入物	多为属亲石元素，其晶体化学性质

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