岩浆不混溶作用模拟——热力学模型与数值方法

基于硅酸盐熔体不混溶相平衡实验资料,采用氧化物规则溶液的活度模型,建立了预测岩浆不混溶作用的热力学方法,研究了氧化物组分在不混溶两液相之间的分配系数与温度,压力和岩浆成分之间的关系,由此,可以预测天然岩浆不混溶作用,计算不混溶的起始温度,共轭两液相的成分及含量,计算的不混溶两液相中ＳｉＯ２,Ａｌ２Ｏ,ＦｅＯ的摩尔分数平均残差为３．０％～４．０％,其他氧化物平均残差小于１．０％,不混溶两液相的摩尔分     

硅酸盐固溶体矿物中组分的非韵律型空间分布及其形成过程的动力学机制

本文探讨了固溶体矿物中组分非韵律型空间分布的两种局域平衡结晶动力学模型: (1) 当固相中无扩散,而熔体中完全混合时,结晶作用满足如下模型: dx/ed=(x-f)/(1-e) (2) 当固相中无扩散,而熔体中仅有扩散时,结晶作用满足如下模型:提出了非韵律型组分空间分布的成因主要归因子岩浆的非平衡结晶和结晶过程中的动力学行为。     

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。     

岩浆不混溶作用模拟

基于硅酸盐熔体不混溶相平衡实验资料,采用氧化物规则溶液的活度模型,建立了预测岩浆不混溶作用的热力学方法,研究了氧化物组分在不混溶两液相之间的分配系数与温度、压力和岩浆成分之间的关系．由此,可以预测天然岩浆不混溶作用,计算不混溶的起始温度、共轭两液相的成分及含量．计算的不混溶两液相中ＳｉＯ２,Ａｌ２Ｏ３,ＦｅＯ的摩尔分数平均残差为３．０％～４．０％,其他氧化物平均残差小于１．０％,不混溶两液相的摩尔分数平均残差约为１．０％．对阳原岩体的模拟计算表明,磁铁矿－磷灰石矿床的形成与球粒状黑云辉石正长岩岩浆在１１５０～１２５０℃下的不混溶作用有关;计算的共轭两液相的相对含量与岩相学证据吻合．     

常压下硫酸盐与基性硅酸盐熔体不混溶的实验研究

自然界中广泛存在硅酸盐与硫酸盐之间的熔体不混溶现象,这种不混溶过程控制了岩浆演化过程的氧逸度变化和岩浆中S的含量,同时也对金属元素的富集具有重要意义。前人对硫酸盐与硅酸盐的熔体不混溶过程及稀土元素在不混溶相分配行为的研究主要集中在碱性硅酸盐与硫酸盐体系,但对基性硅酸盐与硫酸盐的熔体不混溶行为及稀土元素在此过程中的分配规律研究仍相对薄弱。本文选择基性硅酸盐样品与实验用Na₂SO₄按质量比1∶1制成混合实验样品粉末,并添加少量H₃BO₃作为助熔剂,通过马弗炉加热至1 200℃,使粉末完全熔融,并在1 200℃恒温12 h后在马弗炉中快速冷却至常温。对加温-冷却后的样品进行详细的岩矿相、SEM/EDS和不同相态的原位LA-ICP-MS分析。研究结果表明,在1 200℃的条件下,硫酸盐与基性硅酸盐熔体可以大比例混溶,且降温会造成两者的不混溶,在不混溶过程中Na、Ca、K、REEs等趋向于进入硫酸盐熔体。不混溶形成的硫酸盐熔体中,稀土元素含量明显高于残余硅酸盐熔体,但轻重稀土元素没有明显的分异。不混溶硅酸盐熔...     

河北阳原一矾山环状杂岩体的岩浆不混溶成因及矾山式铁磷矿床成因探

河北阳原—矾山杂岩体是由两个类似的辉石岩系、正长岩系组成的环状富磷杂岩体。其中,辉石岩系赋存有岩浆型磷灰石矿床。阳原富磷岩浆液态不混溶,产生富铁的辉石质岩浆和富硅的正长质岩浆。在岩浆不混溶过程中,其性质受岩浆熔体结构控制的主要元素和微量元素,依其离子性质和场强,不同程度地富集于不混溶的富铁相或富硅相中。磷做为高场强元素,亦发生重新分配,高度集聚,并强烈地富集于不混溶的辉石质岩浆中,形成阳原低品位磷矿。矾山岩浆液态不混溶,产生互不混溶的三液相,即辉石质岩浆、正长质岩浆和磷酸盐液相(矿浆)。在不混溶过程中,P_2O_5进入辉石质岩浆,直至P_2O_5达到饱和,残余的P_2O_5构成磷酸盐液相。矾山岩浆的三相不混溶作用导致了矾山三个矿带的形成。     

花岗质岩浆挥发性组分演化对铜和铀成矿机制的制约

近二十年来,对岩浆中挥发性组分(H2O、CO2、F、Cl、B、S等)及其性状的研究,已成为花岗岩成岩、成矿研究领域十分重要的一环.一系列证据显示,挥发性组分是花岗质岩浆的重要组成部分,它们可直接或间接地影响到岩浆的性质和岩浆作用的种种过程,包括岩浆的产生和运移、岩浆的对流和扩散、岩浆的结晶分异和液相不混溶等,同时也制约着元素在熔体/流体相中的分配以及流体体系的地球化学行为及其成矿效应.     

成矿碳酸岩的实验岩石学研究现状与展望

火成碳酸岩及其风化产物是全球战略性关键金属稀土元素(REE)和铌(Nb)的主要来源。因此,对关键金属在火成碳酸岩中的超常富集机理研究具有重要的科学意义。研究表明成矿碳酸岩常常与碱性杂岩体存在密切的时空联系,因而母岩浆应属于碳酸盐化的硅酸盐岩浆,并以霞石岩岩浆为主。针对碳酸岩关键金属矿床的成岩成矿过程,已有实验发现母岩浆在地壳内的演化过程中,既可以通过分离结晶作用,也可以通过液态不混溶作用形成碳酸岩。然而,更加接近自然样品的多组分体系的实验均表明液态不混溶作用总是先于碳酸盐矿物分离结晶作用。因此,液态不混溶作用对关键金属成矿过程有着不可忽视的作用。尽管如此,已有不混溶实验表明当碳酸盐熔体和硅酸盐熔体发生不混溶之后,关键金属REE与Nb总是优先分配到硅酸盐熔体(碱性岩)中,但是在成矿杂岩体中,REE与Nb是高度富集在碳酸岩中。虽然不混溶实验表明REE与Nb在碳酸盐-硅酸盐熔体中的分配系数与含水量有关,即与熔体的聚合程度有关,但是绝大部分成矿碳酸岩成矿过程一般并不富水,所以碳酸岩中REE和Nb等关键金属元素超常富集的机理并不明确。因此未来的研究应重点关注在碳酸岩演化的过程中,除了水以外,其他配体对于关键金属元素在不混溶硅酸盐-碳酸盐熔体之间分配系数是否有影响,从而找到控制碳酸岩中关键金属成矿的关键。     

中基性岩浆的不混溶作用及存在的问题

不混溶作用作为岩浆演化的一种重要方式,已经被广泛报道存在于月球、地球岩石样品的形成过程中。在岩浆不混溶作用过程中,单一成分的熔体会分解成成分截然不同的富Fe、富Si两种熔体。这两种熔体具有共轭但相反的成分演化路径,可以为很多重要的成岩成矿问题提供较好的解释。然而,不混溶作用自从现代岩石学初期被提出起,其岩石学意义就一直广受争论。早期争论的焦点是自然岩浆是否可以发生不混溶作用,而近些年来,争论的焦点已转移至自然岩浆是否可以发生高温(1100℃)不混溶作用。此外,关于水对不混溶作用的影响以及不混溶熔体的相分离过程等方面也存有争议。但总体来说,现有的研究已经比较清楚地阐明了不混溶作用触发及演化的机理。本文回顾了不混溶作用的研究历史,介绍了影响不混溶作用的因素、不混溶作用的起始温度、不混溶熔体的成分及演化、不混溶熔体的发育及分离几方面的研究进展。另外,从不混溶作用在解释Bowen—Fenner之争、Daly间断、大洋斜长花岗岩的成因、斜长岩体型Fe—Ti—P矿床以及层状岩体中大型钒钛磁铁矿床的成因等几个重大科学问题中可能扮演的角色的角度,探讨了不混溶作用的岩石学、矿床学意义。最后,本文对不混溶作用研究中存在的问题进行了总结,认为对不混溶作用发生的物理化学条件、不混溶过程中的同位素分馏以及不混溶相分离的动力学过程等方面的研究存在不足,需要今后的工作去揭示并深入探讨。     

元古宙斜长岩体及其Fe-Ti-P矿床的成因

斜长岩和Fe-Ti-P矿石的成因已经争论了百余年,目前依然存在很大争议。本文综述了它们的时空分布特征和斜长岩的成因,包括源区(地幔或下地壳)和岩浆演化过程(分离结晶、晶粥底劈上升)以及斜长岩岩体只形成于元古宙的原因。对已有的几种成矿机制进行了分析,如是否存在无硅酸盐的纯铁钛氧化物磷灰石熔体,分离结晶的斜长石上浮导致高密度矿石矿物的形成,硅酸盐液态不混溶形成富Fe-Ti-P熔体和富硅熔体,岩浆混合作用导致铁钛氧化物成为唯一的液相线矿物而结晶形成铁钛氧化物堆积层,晚期的压滤作用使残留的富Fe-Ti-P熔体迁移以及热液蚀变导致Fe和Ti再活化沉淀形成脉状和透镜状矿体。最后,指出了相关研究中存在的一些重要科学问题。     

长英质岩浆中液态不混溶与成矿作用关系的实验研究

本文的实验研究表明：１２５０℃（１０５Ｐａ）条件下呈均一状态的花岗岩－ＫＢＦ４－Ｎａ２ＭｏＯ４体系，在１０００℃条件下发生液态不混溶形成三种熔体：相对偏酸性的液滴、相对偏基性的熔体和成矿熔体。成矿熔体中富含ＣａＯ、ＭｇＯ和ＭｏＯ２组分。红外光谱研究表明：硅酸盐熔体结构以［ＳｉＯ４］基团为主，而成矿熔体结构中存在Ｃａ—Ｆ、Ｃａ—Ｏ—Ｍｏ、Ｈ—Ｏ—Ｈ以及Ｘ─ＯＨ（Ｘ＝阳离子）基团，说明Ｈ２Ｏ和Ｆ富集在成矿熔体中。液态不混溶作用产生的三种不混溶熔体的结构差异明显，主要表现在结构单元中桥氧数目的变化，相对偏酸性的Ａ类小球体的结构单元中桥氧数最高，基底玻璃熔体中桥氧数则相对较少，而成矿熔体中不存在桥氧。本实验研究结果表明长英质岩浆中的液态不混溶可直接导致成矿熔体的形成。这意味着长英质岩浆中的液态不混溶可直接导致斑岩矿床的形成。     

微量元素在河北阳原球状黑云辉石正长岩的球体和基体间分配的意义

河北阳原辉石岩-正长岩杂岩体的球状黑云辉石正长岩是岩浆不混熔的产物。本文研究了微量元素、REE在球状岩石的球体相—基体相间的分配。提出控制元素在不混溶的两液相间分配的三种因素,建立了分配系数D_(M/O)~i与不混溶两液相的相对聚合度(NBO/T)_(M/O)之间的函数关系。这些研究可用于区分岩浆不混溶作用与其他作用,确定岩石成因。     

如何正确判读岩浆不混溶相图?

岩浆不混溶(magma immiscibility)相平衡图解比一般的相图要复杂些,判读起来亦困难些.通常在国外的经典著作中亦很少涉及判读的原则、方法与过程,而只讲结果.在国内文献中以及一些研究生论文与科研报告中,涉及岩浆结晶作用的详细过程中常常发生判读的错误.例如,在结晶过程中通常由原先均一的岩浆进入不混溶阶段而(?)两个液相,进而又转变为一个均一的岩浆.后者在相图上是一个特定的点(图1上的Q),还是一个可变的组成?如是后者,又如何确定其位置?结晶作用何时随温度降低而进行,何时又是在恒温条件下发生的?这些问题常常发生判读上的错误.为了避免错误,根据我的经验有两点是必须记住的,1.时时运用判读原则;2.时时运用相律公式.本文旨在通过一个常用的三元系(图1)实例,说明如何正确判读岩浆不混溶的相平衡图解.     

碳酸岩型稀土矿床成矿流体演化机制研究现状及展望

与碱性岩有关的碳酸岩型内生稀土矿床在中国乃至世界上轻稀土资源储量中占有极为重要的地位,诸如我国内蒙古的白云鄂博稀土矿床、川西冕宁—德昌稀土成矿带中的牦牛坪、大陆槽等稀土矿床、山东微山县郗山稀土矿床以及美国的Mountain Pass稀土矿床等都属于这种类型的稀土矿床。当前,对于这类稀土矿床的成矿流体演化机制,学界主要存在结晶分异作用、不混溶作用(熔体-熔体不混溶、熔体-流体不混溶以及流体-流体不混溶)以及热液交代蚀变作用之间的分歧。结晶分异作用可以使具有不相容性的稀土元素在残余熔体相中逐渐富集,直至形成稀土矿物。不混溶作用能够使稀土元素在不混溶后形成的两相或多相中的某一相中发生选择性富集,形成稀土矿化。成矿流体演化晚阶段的热液流体对早期生成的矿物或围岩进行交代蚀变,使其释放出能与稀土元素在热液中形成络合物的F-、(CO_3)~(2-)以及(SO_4)~(2-)等阴离子(团),并最终在合适的构造控矿部位和外界环境条件下,重结晶或沉淀出稀土矿物。上述3种观点各有其理论依据,但是在解释一些碳酸岩型稀土矿床地质现象或实验地球化学模拟结果的时候都或多或少存在一定程度上的不足。前人的研究结果表明,碳酸岩型稀土矿床中发育了大量的熔体包裹体、熔体-流体包裹体以及富CO_2的流体包裹体,以往在利用Linkam TS1400XY以及Linkam THMS600等这类常规高温热台,在101325 Pa条件下对其进行热力学测温时,这些包裹体大多在尚未达到完全均一状态前就已发生爆裂或泄露,极大制约了人们对这类稀土矿床在高温岩浆阶段和中高温岩浆-热液阶段成矿流体演化过程的认知。另外,对于稀土元素在成矿流体演化过程中的含量变化特征及其地球化学行为的研究,目前主要是通过包裹体成分组成的拉曼光谱分析,以及对矿体和围岩进行的全岩地球化学分析,尚缺乏单个包裹体中元素含量的原位微区分析方面的数据。未来,对碳酸岩型稀土矿床中发育的熔体包裹体、熔体-流体包裹体和富CO_2的流体包裹体,利用热液金刚石压腔开展高温高压原位均一实验模拟研究,以及对单个包裹体中微量元素的含量利用LA-ICP-MS进行原位微区分析,将是揭示该类稀土矿床成矿流体演化机制的关键。     

花岗岩体系中岩浆阶段金属组分的浓度(英文)

在岩浆阶段 ,富集金属元素最有效的机制是流体熔体的分离。受到硅酸盐熔体中盐的溶解度的限制 ,这种分离实为一个天然结晶过程的产物 ,所以必然发生在岩浆结晶的最后阶段。含氟的花岗岩体系中的矿物相的关系是已知的 ,并已确定了一个宽的液相不混溶区 ,其中也包括霞石标准分子的成分。该体系的不同部分 ,由多种元素在共存的硅酸盐和氟化铝两种熔体间的分配就可以得知。在这些实验中首次确定出元素分配与体系成分间的关系。这些数据也可解释一些经验数据所熟知的地球化学标志的变化。     

闽西基性脉岩成岩方式的判别

地幔平衡部分熔融过程中，微量元素在原始岩浆中(熔体)和初始固相母体物质中(地幔)遵循以下关系：C^iL／C^oL=1／[D F(1-D)]；分离结晶成因的岩浆岩系，微量元素在残余岩浆中(C^iL)和母岩浆中(C^oL)遵循如下关系式：C^iL=C^iL*F^D-1。微量元素在部分熔融和分离结晶成岩方式中有独立的分布规律，因此利用微量元素对或比值的图解就可判别岩体(或脉岩)的成岩方式。选取微量元素Th-Yb、La-La／Yb、Th-Cr和Th-Ni图解对闽西基性脉岩成岩方式进行判别，发现闽西三个地区的基性脉岩均为地幔部分熔融作用所致，从而印证了闽西基性脉岩不是酸性岩浆演化的产物。     

从自由能计算判别硅酸盐熔融体之不混溶

硅酸盐熔融体发生两液相不混溶可以产生一个富金属相,即矿浆和一个富硅相,即岩浆。这对研究矿浆成因是非常重要的。 Currie曾提出一个方法,根据计算一个硅酸盐熔体分成两液相之前和之后的自由能负值(—G),就可以判别它是否能分成两液相。 作者用Philpotts的岩石分析数据进行了自由能的计算,证实了Currie作法的正确。 作者利用学生合成的人造硅酸盐熔体数据,加以计算,绝大部分是分成两液相的。著名的基鲁纳瓦拉铁矿数据计算结果支持了矿浆成矿论点。     

金在花岗质熔体中溶解度的初步实验研究

以合成花岗岩、水、不同浓度的盐酸溶液、氢氟酸溶液作为反应初始物,在850℃,100 MPa,接近于NNO的条件下开展了金在不同花岗质熔体中溶解度的实验研究,实验固液相产物中的金含量使用石墨炉原子吸收法测定。实验结果显示,金在花岗质熔体中的溶解度变化范围为1.87～156.62μg/g,流体相中金的溶解度为0.31～6.92μg/g;金在熔体相中的溶解度较其在共存液相中的高。花岗质熔体相中金的溶解度明显受熔体化学组成的影响,过碱性富钠花岗质熔体中金的溶解度明显高些;金在花岗质熔体中的溶解度随着熔体中Na2O/K2O摩尔比增大而增大;在氟氯共存岩浆体系中,氟含量变化对金在熔体相中的溶解度影响不明显,而液相中氯含量增大有利于提高金在流体相中的含量。     

岩浆岩中的熔体包裹体

熔体包裹体是岩浆岩矿物生长过程中捕获的天然岩浆珠滴 ,它们有效地保存了大量有关其主矿物形成时周围岩浆介质的物理化学信息 ,所以它们是其主矿物结晶演化史的忠实记录员 ,它们能够提供岩浆系统成分和演化的重要信息。文中对熔体包裹体研究的若干基本原理进行了讨论 ,它们涉及 :(1)熔体包裹体的一般特征 ;(2 )熔体包裹体封闭过程中和封闭后的演化 ;(3)熔体包裹体的均一化研究 ;(4 )熔体包裹体化学成分和挥发组分研究。熔体包裹体研究可以对岩浆岩石学中的一些重要问题进行更为深入的探索 :(1)重建天然岩浆结晶演化的热历史 ;(2 )提供有关岩浆沿下降液相线的成分数据 ;(3)查明天然岩浆结晶演化过程中化学成分的变迁规律 ;(4 )解决岩浆岩石学中的一些疑难问题 ,如岩浆不混溶作用、岩浆混合作用、岩浆混染作用、岩浆中硫的性状、地幔部分熔融和地幔交代作用等方面的问题。将熔体包裹体数据和常规的岩石学、地球化学和实验岩石学信息综合一体 ,可以提高我们模拟岩浆作用过程的能力。熔体包裹体研究已经成为现代岩浆岩石学的一个独立的分支 ,其前景十分广阔。     

海底玄武岩中的中酸性玻璃质熔体研究

笔者在冲绳海槽海底玄武岩基质中发现的中酸性玻璃质熔体 ,与以往在基性火山岩中发现的玻璃质熔体存在明显的差异 :( 1)在存在状态上 ,前者呈充填状态存在于细小的基质矿物之间 ,其体积明显受到岩浆冷却速率的制约 ;后者常出现富铁相和富硅相两种熔体共存现象 ,且一种熔体常呈球状分布于另一种熔体中。 ( 2 )在成分演化上 ,前者随着冷却速率的降低 ,成分向酸性方向演化 ;后者的成分与冷却速率间的关系不明显 ,一直表现为富铁相和富硅相两端员成分 ,缺失中间过渡成分。这两种类型的熔体 ,分别反映了幔源岩浆不同的演化过程 :冲绳海槽海底玄武岩中的中酸性玻璃质熔体 ,反映了幔源岩浆结晶分异演化过程 ,并记录了演化过程中各阶段产物的特征 ;而以往在基性火山岩中发现的富铁相和富硅相两种熔体的共存现象 ,反映了幔源岩浆的熔离过程 ,并记录了熔离产物的特征。