《巖石學》課件第四章物質成分

1、第五章 物質成分（化學成分與礦物成分）第五章 物質成分（化學成分與礦物成分）一、化學成分 組成巖漿巖的元素分為主要元素、微量元素、同位素和稀土元素四類，在巖石的成因研究中具有重要意義，其中用于巖漿巖分類的是主要元素。（一）巖漿巖中的主要元素 1.主要造巖元素 地球化學研究資料表明，地殼中所有的元素幾乎都可以在巖漿巖中出現(xiàn)，但含量最多的是：O、Si、Al、Fe、 Ca、 Na、K、 Mg、Ti、 Mn、 H、 P十二種元素，約占巖漿巖總重量的99.25%，占地殼總重量的99%以上，稱為主要造巖元素。一、化學成分巖漿巖平均化學成分（據(jù)F.W.Clark,H.S.Washington,1924）元

2、素重 量元 素重 量O46.59S0.052Si27.72Ba0.050Al8.13Cl0.048Fe5.01Cr0.037Ca3.63Zr0.026Na2.85其 它0.157K2.60合 計100.00Mg2.09Ti0.63P0.15H0.13Mn0.10其中，氧含量最高，占巖漿巖重量46.59%，近1/2；硅含量占巖漿巖重量27.72 %，1/4強。巖漿巖平均化學成分（據(jù)F.W.Clark,H.S.Wash巖石學課件第四章物質成分巖石學課件第四章物質成分主要造巖氧化物間關系 不同成分的巖漿巖，各氧化物的含量（重量百分比）也不同。 各氧化物之間通常存在一定的相互制約關系，一般來說，隨著S

3、iO2含量的增高，K2O、Na2O為正相關，而MgO、FeO(Fe2O3)為負相關，Al2O3、CaO變化較復雜，從超基性巖到基性巖增加較快，達到最大值，然后隨酸度增加而降低。主要造巖氧化物間關系 不同成分的巖漿巖，各氧化物的（1）SiO2含量 SiO2含量變化于3475%之間，少數(shù)可達80%（或僅有20%），是含量最高、最重要的一種氧化物。它支配著其它氧化物的含量變化，對巖漿及巖漿巖的物理化學性質及礦物組成影響最大，是巖漿巖化學成分分類的主導因素。據(jù)SiO2含量可把巖漿巖分為四類： 超基性巖 SiO245% (SiO266% (SiO265%)酸度/基性程度 習慣上，SiO2含量高，稱為酸性

4、程度高或酸度大，或基性程度低。 反之，SiO2含量低者，稱為酸度小，亦可稱為基性程度高。（1）SiO2含量（2）Na2O+K2O含量 Na2O+K2O在巖漿中的含量稱為全堿（Alk）含量。它們在地幔、地殼中的含量差別顯箸，是主要元素中最容易熔融的組分，對源區(qū)的組成、部分熔融程度的變化以及巖漿的演化過程反應敏感，因而在巖漿巖的研究中意義重大。 巖漿巖堿度（堿性程度）及堿性系列常用三種方法劃分：1）里特曼（組合）指數(shù)（） 1957年，里特曼提出，用值參數(shù)反映巖漿巖組合及巖漿巖堿性特征。其表達式為：= ( K2O + Na2O ) 2 / ( SiO2 - 43 ) 其中，K2O、Na2O、SiO2

5、均為氧化物重量百分數(shù)( %Wt ) 。 據(jù)里特曼指數(shù)將巖漿巖劃分為： 鈣堿性系列 9（2）Na2O+K2O含量 2）SiO2- Na2O+K2O圖解 據(jù)SiO2與K2O/Na2O的重量百分比值，將巖漿巖劃分為堿性系列（A）和亞堿性系列（S）。3）K2O/Na2O比值 K2O/Na2O比值等也常作為巖漿巖研究的一個重要參數(shù)。 例如: 殼源沉積巖成因的S型花崗巖：一般 K2O / Na2O 1。 幔源或殼源巖漿巖成因的M型或I 型花崗巖：一般 K2O / Na2O 16 %者被稱為高鋁玄武巖，是判定島弧火山巖的重要特征。 如花崗巖中，A / CNK = Al2O3 /（ CaO + Na2O +

6、K2O）（摩爾數(shù)）1.1者，多為S型花崗巖。（3）Al2O3含量（二）主要元素的研究意義 1.火山巖系列及類型的劃分 火山巖結晶粒度細小、或存在玻璃質，無法鑒定物質組分和含量時，可以根據(jù)化學成分進行巖石劃分。分為堿性系列、拉斑玄武巖系列和鈣堿性系列三部分。堿性系列亞堿性系列拉斑玄武巖系列鈣堿性系列拉斑玄武巖系列拉斑玄武巖系列鈣堿性系列鈣堿性系列（二）主要元素的研究意義堿性系列亞堿性系列拉斑玄武巖系列鈣堿2.主要氧化物變異圖解 區(qū)域內(nèi)，成分變化范圍很寬的各種巖漿巖共生在一起，巖石之間具有什么成因聯(lián)系呢？是否存在派生關系？是否來源于共同的母巖漿？是通過什么方式演化的？ 可以通過成分變異圖，稱為Ha

7、rker圖解。通常是以SiO2或MgO作為橫座標，其它氧化物作為縱座標，投點后分析成分變化，是否具有相關性，有相關性的屬于同成因，沒有的無成因聯(lián)系。2.主要氧化物變異圖解（3）標準礦物計算方法及主要用途 利用化學成分，計算巖漿巖中理想礦物組成及含量。 目前，應用較多的是CIPW方法。是1902年由W. Cross, J.P. Iddings, L.V.Pirsson 和H.S.Washington 四人共同提出，計算結果用標準礦物的重量百分數(shù)表示。 計算步驟參看巖漿巖巖石學教材（邱家驤，1991）。目前已有軟件，通過計算機來完成具體操作。主要用途： CIPW計算結果用于巖漿巖分類命名、成分對比

8、、實驗相圖投點，分析巖漿形成過程、結晶的溫壓條件。（3）標準礦物計算方法及主要用途（二）微量元素 是指在巖漿體系中，不作為任何物相的主要組分存在的分散元素，如Li、V、Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Rb、Sr、Y、Zr、Nb、Ba、Ta、Pb、Th、U等，含量很低，總重量1% ，一般用10-6（ppm）或g/g來表示。由于含量很低，它們在巖漿中的物理化學形為可以近似地用稀溶液定律來描述。微量元素的存在方式： （1）類質同象 在礦物晶格內(nèi)，占據(jù)化學性質相近的其它元素位置，例如Cr、 Ni占據(jù)橄欖石、輝石中Mg、Fe的位置，基性巖中含量高；Li、Rb、 Cs占據(jù)鉀長石、云母中K的位置，酸性巖中含量

9、高。 （2）保存在火山玻璃或氣-液包體中。 （3）吸附 吸附在礦物表面、或以雜質的形式存在于晶體缺陷的間隙內(nèi)。（二）微量元素微量元素地球化學行為：林伍德（A.E.Ringwood）認為 地幔相容元素： 地幔巖石熔融為巖漿后，殘留、富集于地幔巖礦物中的元素，如Cr、Ni、Co、Yb、Er等（離子半徑和電價與組成地幔巖礦物中的元素相近）。 地幔不相容元素： 在熔融巖漿中相對富集的元素，巖漿作用后，富集于地殼的元素，如Cs、Rb、K、Ba、Sr、La、Y、REE、Th、U、Hf、Zr、Ti、Ta、Nb、P等（離子半徑和電價與組成地幔巖礦物中的元素相差較大）。 除上述元素外，還有K/Rb、K/Ba、R

10、b/Sr、Nb/Ta、Th/U等，都有成因意義。研究意義 示蹤源區(qū)，分析巖漿的形成背景。 1. 微量元素化學性質的差異，造成各元素豐度及比值在巖石圈垂向剖面上的分布差異。地幔巖石熔融、巖漿作用、進入地殼后，導致地殼中不相容元素的豐度高于地幔。另外，來自軟流圈或更深處的流體，也可能對局部地幔進行交代，使不相容元素再次富集，造成地幔巖橫向上的不均一性。 2. 不同源區(qū)形成的巖漿，含有不同的微量元素特征。利用巖漿巖中微量元素特征，示蹤巖漿源區(qū)的組成與特征，進而可以分析巖漿形成的構造環(huán)境。微量元素地球化學行為：林伍德（A.E.Ringwood）認為 （三）巖漿巖中的同位素 分為穩(wěn)定同位素和放射性同位素

11、兩部分。某些元素的同位素豐度和比值，對于探索巖漿的源區(qū)、冷卻的過程、演化歷史、形成時代等具有重要意義。1.穩(wěn)定同位素： 應用較多的有氧、碳、硫、氫、氦，以及O18/O16、S34/S32等。 原理：不同元素的質量不同，在地質作用過程中存在著分餾差異，造成 巖石圈不同部位的巖石中元素的含量不同，熔融成巖漿后，巖漿 的同位素組成就有差別，可用同位素組成示蹤巖漿巖的源區(qū)。 例如氧同位素，由O16、O17和O18組成，其中O16和O18分餾后，造成巖石中含量不同，不同源區(qū)的巖石熔融成巖漿后，所含的氧同位素組成（O18 ）值也不同。例如花崗巖：O18 10 ，屬于殼源沉積巖成因，稱為S型花崗巖。O18

12、90 基性巖色率 = 40 90 中性巖色率 = 1540 酸性巖色率 5%，則叫石英閃長巖，當石英含量5%，則叫閃長巖。 3.副礦物 含量很少，1% ，個別情況可達5%。在一般的分類命名中均不起作用。 它們對于了解一個巖體的形成條件、對比不同巖體、確定巖體時代以及研究稀散元素有重要意義。如磁鐵礦、鈦鐵礦、鋯石、磷灰石等。（二）按礦物在巖漿巖中的含量和分類中的作用(三)、按礦物的形成階段及形成時的物理化學條件劃分1.原生巖漿礦物在巖漿冷凝過程中形成的礦物。 按成因特點又分為三類：（1）正常礦物： 直接從巖漿中結晶出來，而且在巖石形成過程中穩(wěn)定存在的，如石 英、角閃石等。根據(jù)形成的環(huán)境不同，可分

13、為高溫型和低溫型。 高溫型：形成于火山巖中如高溫斜長石、高溫石英（石英）。 低溫型：形成于深成巖中如低溫斜長石和低溫石英（石英）。 （2）殘余礦物和反應礦物： 礦物從巖漿中結晶后，因溫度、壓力、成分等發(fā)生變化，受到部分 反應、分解或熔蝕，其中尚未遭受變化的殘余部分叫殘余礦物，已經(jīng) 受反應、分解而形成的新礦物稱反應礦物。如橄欖石外圍的的輝石反 應邊。(三)、按礦物的形成階段及形成時的物理化學條件劃分2.成巖礦物 在巖漿完全結晶后，由于外界物理化學條件的變化(主要是溫度和壓力的降低)，使原生巖漿礦物發(fā)生轉變，新形成的礦物。如透長石正長石，石英石英，固溶體成因鉀長石分解為條紋長石等。 3.巖漿期后礦

14、物 在巖漿已基本凝固成巖石后，由于受殘余揮發(fā)分和巖漿期后溶液作用，新生成的礦物?；蚪淮缦刃纬傻膸r漿礦物自變質，如橄欖石的蛇紋石化、斜長石的鈉黝簾石化；或在晶洞、裂隙空間結晶，形成黃玉、電氣石、螢石等；或交代圍巖礦物它變質。2.成巖礦物 在巖漿完全結晶后，由于外界4.它生礦物 由于巖漿同化圍巖或捕虜體，外來組分的參與，使巖漿成分發(fā)生改變，形成的一些特殊礦物。如巖漿同化富鋁圍巖，巖漿巖中出現(xiàn)富鋁礦物紅柱石、堇青石、矽線石等礦物。5.外生礦物（表生礦物） 巖漿巖受外地質營力作用形成的礦物。如地表巖石風化形成的絹云母、高嶺石，斜長石的絹云母化、鉀長石的高嶺石化等。 注：當一些巖漿期后礦物、尤其是自變

15、質礦物與外生礦物難以區(qū)分 時，統(tǒng)稱為次生礦物。4.它生礦物 由于巖漿同化圍巖或捕虜體，外來組分(四)按礦物共生組合的規(guī)律及其與化學成分的關系分 巖漿巖中的礦物組合規(guī)律，主要決定于巖漿巖的化學成分。 主要影響的化學成分有：SiO2含量 、堿質含量 、Al2O3含量。 1、SiO2含量對礦物共生組合的影響 巖漿中SiO2除了滿足Al2O3、Fe2O3、FeO、MgO、CaO、K2O、Na2O形成鋁硅酸鹽礦物、鐵鎂礦物等以外，剩余的則形成石英，它是硅酸鹽熔體中游離SiO2結晶的產(chǎn)物，石英的出現(xiàn)表示巖漿巖中SiO2含量過剩。 因此，石英是巖漿巖中SiO2過飽和的指示礦物。(四)按礦物共生組合的規(guī)律及其

16、與化學成分的關系分 另外，巖漿反應過程中 Mg2SiO4 + SiO2(1557) MgSiO3 鎂橄欖石 (液相) 頑火輝石 NaAlSiO4 + 2SiO2 NaAlSi3O8 霞石 (液相) 鈉長石 KAlSiO4 + 2SiO2 KAlSi3O8 白榴石 (液相) 正長石 鎂橄欖石，以及霞石、白榴石(統(tǒng)稱為似長石類礦物)等似長石類礦物的出現(xiàn)，表明巖漿中SiO2不足(不飽和)。 因此，巖漿巖中鎂橄欖石以及霞石、白榴石等似長石類礦物是巖漿巖中SiO2不飽和的指示礦物。 另外，巖漿反應過程中反映硅酸飽和程度的指示礦物：硅酸過飽和礦物： 石英。硅酸不飽和礦物： 巖漿巖中不可以與石英共生的礦物，

17、如鎂橄欖石、似長石類礦物。注： 一般情況下，硅酸不飽和的指示礦物不能和硅酸過飽和的指示礦物相共生。硅酸飽和礦物： 巖漿巖中可以與石英共生的礦物，或可以與硅酸不飽和礦物共生的礦物，如輝石、角閃石等。根據(jù)SiO2飽和狀態(tài)，可將巖漿巖分為： 硅酸過飽和巖石 （飽和礦物+石英） 硅酸飽和巖石 （飽和礦物） 硅酸不飽和巖石 （飽和礦物+不飽和礦物）反映硅酸飽和程度的指示礦物：硅酸飽和礦物與硅酸不飽和礦物對比表特征元素硅酸飽和礦物硅酸不飽和礦物K正長石白榴石云母Na鈉長石方鈉石、霞石、鈣霞石鈉質輝石及角閃石方沸石、黝方石、藍方石Ca鈣長石黃長石透輝石、透閃石黑榴石榍石鈣鈦礦磷灰石Mg、Fe橄欖石（Fe）鎂

18、橄欖石輝石、角閃石鉻尖晶石云母鐵鋁榴石鎂鋁榴石磁鐵礦黑榴石Al、B黃玉剛玉電氣石Ti鈦鐵礦鈣鈦礦硅酸飽和礦物與硅酸不飽和礦物對比表特征元素硅酸飽和礦物硅酸不巖漿巖礦物成分變化關系簡圖巖漿巖礦物成分變化關系簡圖2、堿質含量（K2O+Na2O）對礦物共生組合的影響 在巖漿巖中，堿質含量一般隨SiO2含量的增加而增加。 在SiO2含量相同的巖石中，K2O+Na2O含量偏高，會形成富含堿質的巖石。2、堿質含量（K2O+Na2O）對礦物共生組合的影響 不同堿度巖漿巖礦物組合特征表 9巖類鈣堿性堿性過堿性堿性長石較酸性巖石中出現(xiàn)普遍出現(xiàn)在所有巖石斜長石普遍存在與同類鈣堿性巖相比成分偏酸性無，或僅出現(xiàn)在基性巖類石英常見于中酸性巖類僅見于最酸性巖類無似長石無見于不飽和巖類，5%暗色礦物普通輝石、斜方輝石、普通角閃石等霓石、霓輝石、鈦輝石