磷在硅酸盐矿物与熔体之间分配系数的研究进展

硅酸盐矿物与熔体之间的磷分配系数对研究岩浆演化和结晶分异程度具有重要意义,也是了解地幔磷储库和建立地球各圈层间磷运移模式的基础。本文分析和总结了前人采用天然样品和合成实验样品研究不同硅酸盐矿物和熔体间的磷分配系数的成果,分析了不同物理化学参数对分配系数的影响,包括熔体组成(如Mg O、Al2O3含量)、矿物结构(分配系数与[Si O4]4-聚合度呈负相关关系)、温度、压力和氧逸度等,指出当前研究中有关更高压力条件(15 GPa)及有流体存在时分配系数的研究是不足的。     

Ag在橄榄石、斜方辉石、单斜辉石和玄武质熔体间的分配

地幔部分熔融过程中亲S元素Ag的分配行为能够限定地幔中Ag含量,同时可以追踪地幔中S含量和去向。在地幔部分熔融过程中, Ag的分配行为与其在地幔硅酸盐矿物–玄武质熔体间的分配系数密切相关。因此准确地测定Ag在除硫化物之外地幔硅酸盐矿物和共存熔体之间的分配系数是预测Ag分配行为的必要条件之一。目前缺乏Ag在地幔矿物(橄榄石、辉石等)和玄武质熔体之间分配系数的报道,阻碍了对Ag在地幔部分熔融过程中分配行为的研究。本研究通过高温高压实验获得了在洋中脊玄武岩(MORB)产生的温度和压力条件下,Ag在橄榄石(ol)、斜方辉石(opx)、单斜辉石(cpx)与玄武质熔体(melt)之间的分配系数,分别为D_Ag^ol/melt=0.0005±0.0002、D_Ag^opx/melt=0.007±0.003和D_Ag^cpx/melt=0.046±0.009。根据实验获得的分配系数进行模拟的计算结果表明,太古代科马提岩和洋中脊苦橄岩源区的地幔Ag含量为(8±2)×10-9。如果这个值...     

微量元素在幔源矿物与热液之间分配系数的研究进展

微量元素在幔源矿物与热液之间分配系数的差异是造成地幔不均一的一个重要因素，对于认识地球演化、元素的分异和板块构造具有重要的意义。热液的组成、矿物的结构、温度、压力以及氧逸度都与分配系数密切相关。不同微量元素在相同矿物或热液中的分配系数存在差别，而相同的元素在不同矿物中的分配系数也可能出现很大的变化，这是研究微量元素分异和不同地幔端员形成的理论基础。在较低的温度和压力下，热液的组成对分配系数的影响很大，随着温度和压力的升高，热液组成的影响逐渐减弱，而矿物的组成与结构的影响逐渐增大。由于分配系数影响因素的复杂性，因此在考虑地球深部微量元素的迁移和分异时需慎重对待。     

岩石学混合计算在岩浆结晶分异作用研究中的应用——以云南白马寨镍矿区煌斑岩为例

公式CLi=F为岩浆结晶分异过程中的微量元素地球化学模型,但如何确定式中残余熔体的重量百分比(F)和熔体中分离出来的矿物相的总分配系数(Di)一直是个难题。本文介绍了一种直接计算出残余熔体比例(F)和岩浆结晶矿物比例(以此计算出Di)的方法———岩石学混合计算法的基本原理,以云南白马寨镍矿区煌斑岩为例,介绍了该方法在岩浆结晶分异作用研究中的应用。(Di-1)iC0,L     

微量元素在研究花岗质火成岩成因的应用

虽然微量元素模式用于解释玄武岩系列岩石成因已经有很大进展,但类似的研究在花岗质成分的火成岩上还比较少。通常花岗质熔融体矿物/熔融体稀土元素分配系数等于或大于玄武岩相似矿物的分配系数。因此,在部分熔融和分异作用时花岗岩熔体与残余相容易出现的玄武岩系列比较,这些矿物对稀土元素图谱的影响被夸大。对于K/Rb比值,如果在残余相中既不是钾长石成分,也不是黑云母—金云母成分出现,那么通过分异作用或部分熔融这两个因素,使熔融体K/Rb比值比母岩K/Rb比值减少是困难的。可以得到4个明显不同岩石的成因:(1)太古代云英闪长岩,推测是由太古代拉斑玄武岩在地幔深处部分熔融衍生来的,并留下石榴石加斜方辉石残余物;(2)太古代石英二长岩,推测是在地壳范围内由存在时间短的硬砂岩——泥岩序列部分熔融衍生;(3)塞斑岛英安岩,推测由玄武质母岩通过分异作用形成;(4)南极州罗斯岛粗面岩,推测由玄武岩类母岩分异作用和通过大陆壳组分混染作用形成。     

1.5GPa、950℃下块状斜长角闪岩部分熔融微量元素的分配特征

在1.5GPa,950℃,恒温101h条件下对华北北缘太古宙地体中的斜长角闪岩块状样品进行了脱水部分熔融实验,实验产物组合为Hb+Cpx+Gt+Gl,获得的熔体为花岗闪长质成分。利用LA-ICP-MS测试了矿物和熔体的微量元素,获得该体系内各矿物/熔体的微量元素分配系数。角闪石、单斜辉石和石榴石的分配系数与前人在类似条件下的实验结果基本一致。这说明无论实验的初始物质是粉末状还是块状,对元素的分配没有太大的影响。各矿物的REE分配系数对离子半径的拟合曲线很好地符合晶格应变弹性模型。整体特征上,角闪石、单斜辉石和石榴石的LILE,LREE分配系数较低,而HREE的分配系数较高,石榴石具有强烈富集HREE的特征。由此,造成实验熔体表现出LILE、LREE富集而HREE亏损的特征。残留相中无金红石,使得熔体中没有明显的Nb、Ta负异常。熔体的主-微量元素特征符合华北北缘中生代埃达克质岩石的基本特征,进一步支持了该类岩石"可能起源于古老下地壳的部分熔融"的成因模式。     

熔体—溶液体系中元素分配系数的影响因素及其矿床成因意义

本文在综合国内外已测得的多个熔体—溶液体系中39个元素的分配系数的基础上,论述了溶液成分和物理化学条件(T、P、fO_2)对元素分配系数的影响,分析讨论了两类花岗岩的成矿专属性以及不同矿化的矿物包裹体成分、矿物组合和稀土分配特征。     

浅析初始样品对元素分配的影响

元素分配系数是指成矿元素在流体相和与其平衡共存的硅酸盐熔体中的浓度比,它反映成矿元素在高温下的地球化学行为,对解释矿床的成因有较大的意义。     

阿尔泰三号伟晶岩脉岩浆演化过程中铌,钽示踪的研究

对三号伟晶岩脉某些不相容元素的分异与演化进行了研究,结果表明,岩浆作用中不相容元素Ｎｂ,Ｔａ的不相容性在花岗伟晶岩浆演化过程中已大大减弱,Ｎｔ,Ｔａ,独立矿物如铌钽铁矿,细晶石等形成于伟晶质熔体的各个演化阶段,依据地质观察和分析数据对三号伟晶岩脉的分离结晶过程进行恢复,同时,计算了Ｎｂ,Ｔａ在熔体与白云母,微斜长石,钠长石,锂辉石等主要矿物之间的分配系数,对Ｎｂ,Ｔａ的成矿作用也进行了讨论。     

南岭地区花岗岩类的痕量元素分配特征

本文选择区内4个花岗岩体,对其中REE、Rb、Sr、Ba、Sc等痕量元素的分配特征进行研究。这些岩体产于不同地区,形成不同时代,大致可以代表区内主要类型的花岗岩类岩石。研究表明,在四类花岗岩中,随着岩石SiO_2含量和分异系数DI值的增大,岩石的Rb/Sr值相应增大,LREE/HREE、La/Yb、K/Rb值相应减小,意味着岩石的痕量元素分配与岩石的主元素成分间具有一定的相关关系。对比清湖和扶溪岩体REE在矿物之间的分配特征得知,除矿物的晶体化学性质是决定REE分配的主要因素外,REE在矿物之间的分配与矿物的晶出顺序也有关系。     

南岭地区高度演化花岗岩类的稀土元素模型

本文应用现有的理论模型和矿物／熔体分配系数讨论南岭地区高度演化花岗岩类的ＲＥＥ模型，包括重稀土富集型和稀土亏损型。在花岗岗岩浆分异演化过程中，副矿物（尤其是稀土矿物）的晶出种类，顺序和物理化学条件是控制ＲＥＥ强烈分馏的关键因素。ＲＥＥ分布型式不能简单地作为鉴别岩石成因的标志。     

高分异花岗岩双胞胎元素解耦与稀土元素四分组效应机制

高分异花岗岩具有与稀有金属矿床伴生的特点,其成因及成矿专属性是近年来固体地球科学的研究热点。一些高分异花岗岩表现出特殊的地球化学特征,比如双胞胎元素对(主要指Nb-Ta和Zr-Hf)解耦、稀土元素四分组效应等。查明高分异花岗岩这些特殊地球化学特征的成因机制,能让我们更系统地认识高分异花岗岩成因。本研究通过总结前人关于双胞胎元素明显解耦的高分异花岗岩相关成果,来讨论结晶分异和水热反应在双胞胎元素解耦过程中的重要作用。双胞胎元素Nb-Ta的解耦是由角闪石、黑云母等矿物分离结晶以及后期富F流体作用引起,其中角闪石分离结晶对Nb-Ta解耦的影响大于黑云母; Zr-Hf解耦主要受控于锆石分离结晶;稀土元素四分组效应则是经历过高度结晶分异的岩浆在熔体–流体和流体–气体的分离作用后形成的,与独居石、褐帘石、磷钇矿和锆石等矿物分离结晶以及富Cl流体相关。稀土元素总量下降明显、轻重稀土元素比值降低以及强烈负Eu异常现象也与磷灰石、褐帘石、独居石等矿物的分离结晶以及流体活动有关。     

1kbar、800℃下REE在富磷过铝质熔体/流体相间分配的实验研究

利用"RQV-快速内冷淬火"(或称之为"外加热冷封式")高温高压实验装置,实验研究了1kbar、800℃条件下12个REE+Y在富磷过铝质熔体/含水流体相间的分配,并利用EMP、LA-ICPMS和ICP-MS分析技术分别测定了实验初始物、实验产物玻璃中主要化学组成以及熔体相和流体相中REE含量。实验结果表明,REE元素(La,Nd,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb和Lu)在流体/熔体相间的分配系数(Dfluid/melt)在(0.1～19.9)×10-4范围,DfYluid/melt在(0.2～7.8)×10-4范围,指示REE和Y强烈趋向于在熔体中富集。REE在流体/熔体相间的分配系数(Dfluid/melt)与体系中P2O5含量变化呈近抛物线状分布,其最大值对应于残余熔体中w(P2O5)为1.44%处。REE在流体/熔体相间的分配系数(Dfluid/melt)随REE的原子序数增大而逐渐降低,构成右倾的平滑曲线,总体上显示出DLREE>DMREE>DHREE的趋势。Y与Ho在流体/熔体相间分配系数的比值(DY/DHo)约为1(0.91～1.28),不随体系中P2O5变化而变化的特征。上述特征表明熔体-流体作用不会导致Y-Ho及REE间的分异,因此,可推断熔体-流体作用过程不可能是过铝质岩浆体系中产生稀土"四重效应"机制。     

德国Laacher See火山响岩中微量元素丰度和其矿物/溶体的分配系数

采自西德Eifel东Laachef Sce晚第四系具不同成份分带的火山碎屑岩层的二十六个全岩、七个基质和五十三个单矿物样品用中子活化仪器进行了分析。这些资料表明喷发前Laacher See岩浆房内的化学变化与其它资料导出的一致。岩浆房顶部是高度分异的晌岩,底部是富含铁镁质的响岩。一些不相容元素如Zn、Zr、Nb、Hf、U、LREE和HREE在顶部相当富集,而相容元素如Sr、Sc、Co、Eu强烈地亏损。中等可溶元素Ta和一些MREE在中间层位被耗损。全岩和基质资料表明,响岩溶体在化学成分上的分带性与斑晶含量无关。混染岩(响岩—碧玄岩)中相容元素的丰度最大。所有元素(除Rb外)对于浮岩地层层位来说,都出现连续的成份变化。依据这些资料我们能划分出三个主要的单元:早期喷出的高度分异岩浆,发生演化的响主体和作为最终产物的铁镁质响岩。九个矿物相的微量元素分配系数(K)的巨大变化就地层层位而论不能用常规的机制进行解释。我们假定响向岩熔体中微量元素含量的明显变化由结晶作用控制着分异作用,而分异同时和(或)之后的液—液两相分异作用所控制。这又引起了斑晶和主岩基质之间不平衡。所以分配系数不同于平衡分配系数,相当于后期结晶作用总和。不同于基质成份。这样,就能利用△K—△M图(K的变化相对于M的变化关系图)讨论变化的分配系数K和基质M之间的关系。这个图的不同部分与不同参数有关(T、P、聚合作用,杂岩建造,分带岩浆柱中的平衡结晶作用晚期结晶作用和非平衡效应),这些参数能大体说明分配系数变化的原因。△K—△M图能够区别由分异岩浆系统产生的天然火山岩中影响分配系数的不同作用。     

元素性质和熔体成分对分配系数的影响及其意义

对现有40个元素的熔体-溶液分配系数的综合分析表明,元素性质和熔体成分是控制熔体-溶液间元素分配的重要因素。挥发组分的分配系数为K_F、K_P、>1>K_B、K_S>K_(Cl)。自Au、Ag、Cu、Pb、Zn、→Fe、Mn、Mg、Li、Rb、Cs、K、Na、Ca、Sr、Ba→Sn、Mo、W、Si、Al、∑Ce、∑Y、Nb、Ta,随元素氧化物吉布斯自由能的减小,元素分配系数逐渐增大。随熔体酸度的降低和碱度的增高,元素分配系数普遍增大。随熔体铝过饱和度的增高,Nb、Ta、Zn、REE的分配系数减小。这些变化规律有助于阐明花岗岩类的成矿专属性和成矿分带,评价火成岩的含矿性,预测未知的元素分配系数,并讨论不同熔体间元素的分配行为。     

不混溶熔体体系的元素分配系数及其影响因素和岩石学、矿床学意义

不混溶熔体体系的元素分配系数KiM1-M2,揭示了岩浆不混溶作用过程中元素的行为规律。本文给出了涉及到超基性(U)、基性(B)、中性(M)、酸性(A)、碱性(AK)硅酸盐熔体和硫化物(S)、氧化物(O)、碳酸盐(C)熔体的岩浆不混溶体系的元素分配系数,指出:①自M+(包括Al+3、Si+4)→M+2→M+n(n≥3),元素的KiU-B、KiU-M、KiU-A、KiB-MKiB-A、KiM-A均逐渐增大,由<1→≥1→》1;②M+(包括Al+3、Si+4)的KiU-AKiU-M>KiU-B>1,KiB-A>KiB-M>1,KiU-A>KiB-A>KiM-A>1,KiU-M>KiB-M>1。此外,文中讨论了熔体成分(结构)、元素性质、物理化学条件(T、P、fO2)对KiM1-M2的影响,并从热力学角度解释了为什么在熔体中加入高价阳离子、降低温度、升高压力均能加宽熔体的不混溶区,使KiM1-M2>1的元素分配系数增大,使KiM1-M2<1的元素分配系数减小,而加入低价阳离子、升高温度、降低压力则作用相反。最后,分析了KiM1-M2与矿物-熔体和熔体-溶液间元素分配系数的关系以及熔体不混溶作用在内生成矿中的意义。     

元素比值研究玄武岩源区成分的若干问题讨论

本文讨论了以元素比值研究玄武岩成分的限制条件及岩浆结晶分异作用对熔体元素比值的影响，笔者认为采用元素比值研究源岩成分时，除了要考虑两元素分配系数及部分熔融程度的差异外，还应考虑部分熔融方式的影响，另外，由于结晶分异作用对元素比值的影响很小，因此该方法很适合于研究玄武岩源岩的不相容元素，最后，本文提出了一种较为实用的逼近玄武岩源岩元素比值的方法。     

角闪石-熔体间微量元素分配系数实验研究

微量元素在矿物与熔体间的分布与其物质组成、矿物结构以及温度、压力等有关。为了研究温度和压力对角闪石-熔体间微量元素分配系数的影响,我们对采自豫西伊川-汝阳的含水玄武岩进行了熔融结晶实验。在中国科学院地球化学研究所地球内部物质高温高压院重点实验室CS-3600t多顶砧压力机上完成了两个系列的实验:(1)温度系列,保持压力p=0.6 GPa和加热时间t=100 h不变,改变结晶温度(800~900℃)的实验;(2)压力系列,保持温度T=900℃和加热时间t=100 h不变,改变压力(0.6~2.6 GPa)的实验。结果显示,实验产物的固相主要为角闪石,另有少量磷灰石和尖晶石,得到的熔体为花岗闪长质成分。利用激光剥蚀电感耦合等离子质谱仪(LA-ICP-MS)测试实验产物中角闪石和熔体的微量元素,根据微量元素在平衡两相中分配的浓度比(即能斯特分配定律),我们计算了大离子亲石元素(LILE:Li,Be,Rb,Sr,Cs,Ba),稀土元素(REE:La,Ce,Pr,Nd,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu,Y),高场强元素(HFSF:Nb,Ta,Zr,Hf,Pb4+)以及过渡金属元素(Sc,V,Cr,Co)在各体系内角闪石-熔体间微量元素的分配系数。从实验结果的整体特征上来看,角闪石的LILE和LREE的分配系数小于1(DRb=0.35,DLa=0.48),说明二者相对富集于熔体中;而HREE的分配系数大于1(DLu=1.37),说明其相对富集于角闪石中;HFSF的分配系数较小(DNb=0.81),表明其在角闪石中呈亏损状态;而过渡金属元素在熔体中表现为强烈的亏损,如DV=~30。在温度系列的实验产物中,随着温度从800℃升至900℃,各微量元素的分配系数没有明显的变化规律,但是LILE、REE和HFSF的分配系数都较压力系列的值要大。在压力系列的实验产物中,随着压力从0.6 GPa升至2.6 GPa,大部分微量元素的分配系数与压力呈负相关关系,特别是LILE和HFSF,其分配系数随压力的升高而明显减小。表明压力对微量元素在角闪石-熔体间分布的影响比温度对其分布的影响更大,而且压力越大,熔体中相对越富集LILE等微量元素。微量元素在晶体中的分配主要受离子半径和电荷的控制。对于相同电价的微量元素,其分配系数与矿物的晶格参数呈非线性关系。晶格应变弹性模型可以实现这一非线性拟合,其理论公式如下式所示:Di=D0×exp[-4πENA[r0/2(ri-r0)2+1/3(ri-r0)3]/RT]。其中:NA为阿伏加德罗常数;R为气体常数;T为温度(单位是k);E为杨氏模量;ri为元素i的离子半径;r0为矿物晶格的最佳离子半径;Di为元素i的分配系数;D0为无应变分配系数。假设+3价的REE全部进入角闪石晶格中的M4位,将各实验产物中REE的分配系数利用上述公式进行非线性拟合,可得到角闪石的D0、r0和E。拟合结果显示,在0.6 GPa下,温度从800℃升至900℃,角闪石的晶格参数没有明显的变化规律;而在900℃下,随着压力从0.6 GPa升至2.6 GPa,角闪石M4位的r0=~0.89-0.92,E的范围是139~534 GPa,而D0由1.17增大至1.53。这可能与压力利于REE富集于晶体中有关,特别是HREE选择性富集于角闪石晶体中。由于非线性拟合曲线与实验值有良好的一致性,表明理论计算结果和实验结果具有比较好的对应关系。     

岩浆热液出溶和演化对斑岩成矿系统金属成矿的制约

岩浆热液过渡阶段对于与岩浆热液有关矿床的形成非常重要。以往的研究多侧重于岩浆结晶阶段和低于固相线的热液阶段过程和演化 ,但对于流体从熔体出溶到熔体最后固结过程的理解却很有限。基于流体包裹体冷热台研究、单个流体和熔体包裹体原位无损成分分析技术 ,并结合挥发份和成矿元素在共存相间分配的实验和质量平衡计算模拟 ,岩浆热液出溶和演化对金属成矿制约的研究取得了很大进展。文中从岩浆中挥发份的出溶和演化、成矿元素在岩浆热液过渡体系各相之间的分配、斑岩矿床成矿流体及与金属成矿的关系、浅成热液矿床成矿流体及与金属成矿的关系几个方面进行了阐述。研究表明 :( 1)岩浆熔体不仅含有足够的挥发性组分 ,而且出溶的挥发份能够被圈闭在流体包裹体中而成为岩浆出溶热液的实物证据。 ( 2 )挥发份和成矿元素不仅在岩浆熔体和出溶的溶液间分配 ,还将在熔体与盐水溶液、熔体与气相以及盐水溶液与气相间进行分配。Cu在岩浆蒸气中比在共存的熔体中要富集数百倍 ,而Cu ,As,Au(可能作为HS配合物 )则偏向于分配进入与液体相共存的蒸气相中。 ( 3 )成矿元素在熔体 /溶液间的分配系数受控于熔体中初始水含量与饱和水含量之比值和岩浆熔体与共存出溶水溶液的w(Cl) /w(H2 O)和w(F) /w(Cl)比值。 ( 4 )斑岩     

动态高压下陨石矿物的冲击熔融和分离结晶及其地球化学意义

应用近代微束矿物学分析测试技术,对在中国陨落的随州、寺巷口和岩庄等三块球粒陨石中矿物的冲击熔融和分离结晶作用进行了较系统的研究。查明存在有硅酸盐单矿物熔体、硅酸盐矿物混合熔体和全岩熔体三种组成不同的冲击熔体。研究结果显示:(1)三种熔融相与未熔相之间在主成分和微量元素组成上没有明显差别,说明它们是原地熔融的产物,但在较大的冲击熔块中,也发现冲击熔融作用引发了一部分元素,如亲铁元素、硒元素和轻重稀土元素的分异现象;(2)查明Al2O3、Cr2O3、Na2O和CaO等优先进入从冲击熔体结晶的辉石常压相或辉石的高压相——镁铁榴石(属地幔过渡带矿物)中;(3)Al元素能进入阿基莫石(即辉石的钛铁矿结构相,属下地幔矿物)中,以固熔体形式稳定下来。ELNES的测定查明,其氧化铁组分中Fe3+/∑Fe的比值高达0.67(3);(4)陨石全岩熔体中硅酸盐相与金属-硫化物相之间为完全不混熔,后者以孤立的共结体团块产于硅酸盐熔体之中,除Zn、Na、Cr、Co和Cu在硫化物相中和Na在金属相中有明显富集外,其他元素的浓度则无明显变化;(5)在寺巷口陨石熔脉的金属-硫化物共结团块内发现了FeNi金属-硫化铁-磁铁矿组合,进一步证实了S和O等轻元素可以加入到以Fe-Ni金属为主要组成的地核成分中去;(6)在岩庄陨石的FeNi金属-硫化铁共结体团块的硫化铁内发现了Na、Mn和Fe的磷酸盐矿物小球体,说明P和Na、Mn等元素也能成为地核的组成元素。以上研究在行星演化、地幔矿物学和地球化学,以及陨石学研究上均有着重要的科学意义。