《岩石学》课件第四章物质成分.ppt

第五章 物质成分（化学成分与矿物成分）,第五章 物质成分（化学成分与矿物成分）,一、化学成分 组成岩浆岩的元素分为主要元素、微量元素、同位素和稀土元素四类，在岩石的成因研究中具有重要意义，其中用于岩浆岩分类的是主要元素。（一）岩浆岩中的主要元素 1.主要造岩元素 地球化学研究资料表明，地壳中所有的元素几乎都可以在岩浆岩中出现，但含量最多的是：O、Si、Al、Fe、 Ca、 Na、K、 Mg、Ti、 Mn、 H、 P十二种元素，约占岩浆岩总重量的99.25%，占地壳总重量的99%以上，称为主要造岩元素。,一、化学成分,岩浆岩平均化学成分（据F.W.Clark,H.S.Washington,1924）,其中，氧含量最高，占岩浆岩重量46.59%，近1/2；硅含量占岩浆岩重量27.72 %，1/4强。,岩浆岩平均化学成分（据F.W.Clark,H.S.Wash,岩石学课件第四章物质成分,岩石学课件第四章物质成分,主要造岩氧化物间关系,不同成分的岩浆岩，各氧化物的含量（重量百分比）也不同。 各氧化物之间通常存在一定的相互制约关系，一般来说，随着SiO2含量的增高，K2O、Na2O为正相关，而MgO、FeO(Fe2O3)为负相关，Al2O3、CaO变化较复杂，从超基性岩到基性岩增加较快，达到最大值，然后随酸度增加而降低。,主要造岩氧化物间关系 不同成分的岩浆岩，各氧化物的,（1）SiO2含量 SiO2含量变化于3475%之间，少数可达80%（或仅有20%），是含量最高、最重要的一种氧化物。它支配着其它氧化物的含量变化，对岩浆及岩浆岩的物理化学性质及矿物组成影响最大，是岩浆岩化学成分分类的主导因素。据SiO2含量可把岩浆岩分为四类： 超基性岩 SiO266% (SiO265%)酸度/基性程度 习惯上，SiO2含量高，称为酸性程度高或酸度大，或基性程度低。 反之，SiO2含量低者，称为酸度小，亦可称为基性程度高。,（1）SiO2含量,（2）Na2O+K2O含量 Na2O+K2O在岩浆中的含量称为全碱（Alk）含量。它们在地幔、地壳中的含量差别显箸，是主要元素中最容易熔融的组分，对源区的组成、部分熔融程度的变化以及岩浆的演化过程反应敏感，因而在岩浆岩的研究中意义重大。 岩浆岩碱度（碱性程度）及碱性系列常用三种方法划分：1）里特曼（组合）指数（） 1957年，里特曼提出，用值参数反映岩浆岩组合及岩浆岩碱性特征。其表达式为：= ( K2O + Na2O ) 2 / ( SiO2 - 43 ) 其中，K2O、Na2O、SiO2均为氧化物重量百分数( %Wt ) 。 据里特曼指数将岩浆岩划分为： 钙碱性系列 9,（2）Na2O+K2O含量,2）SiO2- Na2O+K2O图解 据SiO2与K2O/Na2O的重量百分比值，将岩浆岩划分为碱性系列（A）和亚碱性系列（S）。3）K2O/Na2O比值 K2O/Na2O比值等也常作为岩浆岩研究的一个重要参数。 例如: 壳源沉积岩成因的S型花岗岩：一般 K2O / Na2O 1。 幔源或壳源岩浆岩成因的M型或I 型花岗岩：一般 K2O / Na2O 1。,碱性系列,亚碱性系列,2）SiO2- Na2O+K2O图解碱性系列亚碱性系列,（3）Al2O3含量 Al2O3含量在岩浆岩平均组成中仅次于SiO2。它影响岩浆的物理性质，即Al2O3丰度高，则岩浆粘度大，也暗示着长石含量增高，是岩石进一步分类和成因研究中的重要参数。 如亚碱性玄武岩中，Al2O3 16 %者被称为高铝玄武岩，是判定岛弧火山岩的重要特征。 如花岗岩中，A / CNK = Al2O3 /（ CaO + Na2O + K2O）（摩尔数）1.1者，多为S型花岗岩。,（3）Al2O3含量,（二）主要元素的研究意义 1.火山岩系列及类型的划分 火山岩结晶粒度细小、或存在玻璃质，无法鉴定物质组分和含量时，可以根据化学成分进行岩石划分。分为碱性系列、拉斑玄武岩系列和钙碱性系列三部分。,碱性系列,亚碱性系列,拉斑玄武岩系列,钙碱性系列,拉斑玄武岩系列,拉斑玄武岩系列,钙碱性系列,钙碱性系列,（二）主要元素的研究意义碱性系列亚碱性系列拉斑玄武岩系列钙碱,2.主要氧化物变异图解 区域内，成分变化范围很宽的各种岩浆岩共生在一起，岩石之间具有什么成因联系呢？是否存在派生关系？是否来源于共同的母岩浆？是通过什么方式演化的？ 可以通过成分变异图，称为Harker图解。通常是以SiO2或MgO作为横座标，其它氧化物作为纵座标，投点后分析成分变化，是否具有相关性，有相关性的属于同成因，没有的无成因联系。,2.主要氧化物变异图解,（3）标准矿物计算方法及主要用途 利用化学成分，计算岩浆岩中理想矿物组成及含量。 目前，应用较多的是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，计算结果用标准矿物的重量百分数表示。 计算步骤参看岩浆岩岩石学教材（邱家骧，1991）。目前已有软件，通过计算机来完成具体操作。主要用途： CIPW计算结果用于岩浆岩分类命名、成分对比、实验相图投点，分析岩浆形成过程、结晶的温压条件。,（3）标准矿物计算方法及主要用途,（二）微量元素 是指在岩浆体系中，不作为任何物相的主要组分存在的分散元素，如Li、V、Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Rb、Sr、Y、Zr、Nb、Ba、Ta、Pb、Th、U等，含量很低，总重量1% ，一般用10-6（ppm）或g/g来表示。由于含量很低，它们在岩浆中的物理化学形为可以近似地用稀溶液定律来描述。微量元素的存在方式： （1）类质同象 在矿物晶格内，占据化学性质相近的其它元素位置，例如Cr、 Ni占据橄榄石、辉石中Mg、Fe的位置，基性岩中含量高；Li、Rb、 Cs占据钾长石、云母中K的位置，酸性岩中含量高。 （2）保存在火山玻璃或气-液包体中。 （3）吸附 吸附在矿物表面、或以杂质的形式存在于晶体缺陷的间隙内。,（二）微量元素,微量元素地球化学行为：林伍德（A.E.Ringwood）认为 地幔相容元素： 地幔岩石熔融为岩浆后，残留、富集于地幔岩矿物中的元素，如Cr、Ni、Co、Yb、Er等（离子半径和电价与组成地幔岩矿物中的元素相近）。 地幔不相容元素： 在熔融岩浆中相对富集的元素，岩浆作用后，富集于地壳的元素，如Cs、Rb、K、Ba、Sr、La、Y、REE、Th、U、Hf、Zr、Ti、Ta、Nb、P等（离子半径和电价与组成地幔岩矿物中的元素相差较大）。 除上述元素外，还有K/Rb、K/Ba、Rb/Sr、Nb/Ta、Th/U等，都有成因意义。研究意义 示踪源区，分析岩浆的形成背景。 1. 微量元素化学性质的差异，造成各元素丰度及比值在岩石圈垂向剖面上的分布差异。地幔岩石熔融、岩浆作用、进入地壳后，导致地壳中不相容元素的丰度高于地幔。另外，来自软流圈或更深处的流体，也可能对局部地幔进行交代，使不相容元素再次富集，造成地幔岩横向上的不均一性。 2. 不同源区形成的岩浆，含有不同的微量元素特征。利用岩浆岩中微量元素特征，示踪岩浆源区的组成与特征，进而可以分析岩浆形成的构造环境。,微量元素地球化学行为：林伍德（A.E.Ringwood）认为,（三）岩浆岩中的同位素 分为稳定同位素和放射性同位素两部分。某些元素的同位素丰度和比值，对于探索岩浆的源区、冷却的过程、演化历史、形成时代等具有重要意义。1.稳定同位素： 应用较多的有氧、碳、硫、氢、氦，以及O18/O16、S34/S32等。 原理：不同元素的质量不同，在地质作用过程中存在着分馏差异，造成 岩石圈不同部位的岩石中元素的含量不同，熔融成岩浆后，岩浆 的同位素组成就有差别，可用同位素组成示踪岩浆岩的源区。 例如氧同位素，由O16、O17和O18组成，其中O16和O18分馏后，造成岩石中含量不同，不同源区的岩石熔融成岩浆后，所含的氧同位素组成（O18 ）值也不同。例如花岗岩：O18 10 ，属于壳源沉积岩成因，称为S型花岗岩。O18 6 ，属于幔源岩浆岩成因，称为M型花岗岩。,（三）岩浆岩中的同位素,2.放射性同位素 用途：确定岩浆岩的形成年龄、示踪源区。应用较多的有K-Ar、Rb-Sr、Sm-Nd、U-Pb、Th-Pb、Re-Os以及Sr87/Sr86、Pb206/Pb204、Pb207/Pb204等。（1）示踪源区 原理： 例如 Rb-Sr ：Sr有四种稳定同位素，即Sr88、Sr86、Sr84和Sr87。前三者在自然界中的丰度稳定，且Sr86丰度最大。但是，Sr87是由Rb87放射性衰变生成，丰度不定。由于不同岩石中Rb87的丰度差别较大，导致Sr87的丰度差别。不同源区的岩石熔融成岩浆后，具有不同的ISr值，因而可用Sr同位素组成示踪岩浆来源，即Sr87/Sr86。 用初始比值ISr表示： ISr0.708时，为幔源岩石熔融形成 ，称为 I 型花岗岩。 ISr0.708时，为壳源沉积岩熔融形成，称为 S型花岗岩。 岩石中Sr87/Sr86 的大小与两个因素有关： 1）岩浆源区岩石中Sr87/Sr86的初始比值ISr或n(Sr87)/n(Sr86) 0。 2）Rb87的衰变时间。,2.放射性同位素,（2）确定岩浆岩的形成年龄 由于岩石形成的时间越长，由Rb87衰变形成的Sr87就越多，因此岩石中的Sr87/Sr86比值是随年龄增长的，据此，可确定火成岩的形成年龄。岩石中Sr87/Sr86随时间演化的关系为： n(Sr87)/n(Sr86) =(et-1) n (Rb87)/n(Sr86)+n(Sr87)/n(Sr86) 0 该方程是一条斜率为（et-1），截距为n(Sr87)/n(Sr86) 0 的直线，(1.3910-22年)为Rb87的衰变常数，t 为衰变时间，通过一组同源岩浆岩（具相同的ISr值）的n (Rb87)/n(Sr86) 对n(Sr87)/n(Sr86) 投点，就可以求出该直线的斜率和截距，得到岩石形成的年龄和初始值n(Sr87)/n(Sr86) 0 。,（2）确定岩浆岩的形成年龄,（四）岩浆岩中的稀土元素 原子序数为5771的15个元素和Sc、Y两种，共同点为：化学性质相近，难溶、难分离、稳定性高、常紧密共生在一起，不易因次生变化而消失等特点。轻稀土元素多富集于浅色矿物中。重稀土元素多富集于暗色矿物中。 研究意义：反映岩浆的源区、物化条件、构造环境等内容。轻稀土元素多可能局部熔融程度低。重稀土元素多可能局部熔融程度高。,（四）岩浆岩中的稀土元素,二、矿物成分,岩浆岩的矿物成分，对于了解岩石的化学成分、生成条件，以及岩石成因具有重要意义，同时也是岩浆岩分类和鉴别的主要依据。 岩浆岩中最常见、且在分类命名中起作用的矿物有：石英、钾长石、斜长石、似长石（白榴石、霞石）、橄榄石、辉石、角闪石、黑云母、白云母等20余种，称为造岩矿物。 分类 1.按化学成分分类 2.按矿物在岩浆岩中的含量和分类中的作用分类 3.按岩浆岩矿物的成因类型分类 4.按矿物共生组合的规律及其与化学成分的关系分类,二、矿物成分 岩浆岩的矿物成分，对于了解岩石的,(一)、按化学成分分类 1.硅铝矿物 SiO2和Al2O3含量较高，不含铁镁。如石英、长石类及似长石类 矿物。颜色均较浅，所以又叫浅色矿物。 2.铁镁矿物 FeO与MgO含量较高、SiO2含量较低，如橄榄石类、辉石类、 角闪石类及黑云母类等矿物。颜色一般较深，所以又叫暗色矿物。注： 色率岩浆岩中暗色矿物的百分含量。它是岩浆岩鉴定和分类的重要 标志之一。 根据色率可以粗略判断岩石的成分和酸性程度。通常色率随岩石酸度的变化情况大致为：超基性岩色率 90 基性岩色率 = 40 90 中性岩色率 = 1540 酸性岩色率 15,(一)、按化学成分分类,（二）按矿物在岩浆岩中的含量和分类中的作用 分为主要矿物、次要矿物、副矿物。 1.主要矿物 在岩石中含量众多，对于确定岩石大类、岩石名称起主要作用。在分类命名中是不可缺少的。 如花岗岩：石英、钾长石是主要矿物，没有石英是正长岩，没有钾长石是石英岩或脉石英。 2.次要矿物 在岩石中含量次于主要矿物，对于划分岩石大类不起主要作用，但对确定岩石种属起作用的矿物。 如闪长岩中的石英，当石英含量5%，则叫石英闪长岩，当石英含量5%，则叫闪长岩。 3.副矿物 含量很少，1% ，个别情况可达5%。在一般的分类命名中均不起作用。 它们对于了解一个岩体的形成条件、对比不同岩体、确定岩体时代以及研究稀散元素有重要意义。如磁铁矿、钛铁矿、锆石、磷灰石等。,（二）按矿物在岩浆岩中的含量和分类中的作用,(三)、按矿物的形成阶段及形成时的物理化学条件划分1.原生岩浆矿物在岩浆冷凝过程中形成的矿物。 按成因特点又分为三类：（1）正常矿物： 直接从岩浆中结晶出来，而且在岩石形成过程中稳定存在的，如石 英、角闪石等。根据形成的环境不同，可分为高温型和低温型。 高温型：形成于火山岩中如高温斜长石、高温石英（石英）。 低温型：形成于深成岩中如低温斜长石和低温石英（石英）。 （2）残余矿物和反应矿物： 矿物从岩浆中结晶后，因温度、压力、成分等发生变化，受到部分 反应、分解或熔蚀，其中尚未遭受变化的残余部分叫残余矿物，已经 受反应、分解而形成的新矿物称反应矿物。如橄榄石外围的的辉石反 应边。,(三)、按矿物的形成阶段及形成时的物理化学条件划分,2.成岩矿物 在岩浆完全结晶后，由于外界物理化学条件的变化(主要是温度和压力的降低)，使原生岩浆矿物发生转变，新形成的矿物。如透长石正长石，石英石英，固溶体成因钾长石分解为条纹长石等。 3.岩浆期后矿物 在岩浆已基本凝固成岩石后，由于受残余挥发分和岩浆期后溶液作用，新生成的矿物。或交代早先形成的岩浆矿物自变质，如橄榄石的蛇纹石化、斜长石的钠黝帘石化；或在晶洞、裂隙空间结晶，形成黄玉、电气石、萤石等；或交代围岩矿物它变质。,2.成岩矿物 在岩浆完全结晶后，由于外界,4.它生矿物 由于岩浆同化围岩或捕虏体，外来组分的参与，使岩浆成分发生改变，形成的一些特殊矿物。如岩浆同化富铝围岩，岩浆岩中出现富铝矿物红柱石、堇青石、矽线石等矿物。5.外生矿物（表生矿物） 岩浆岩受外地质营力作用形成的矿物。如地表岩石风化形成的绢云母、高岭石，斜长石的绢云母化、钾长石的高岭石化等。 注：当一些岩浆期后矿物、尤其是自变质矿物与外生矿物难以区分 时，统称为次生矿物。,4.它生矿物 由于岩浆同化围岩或捕虏体，外来组分,(四)按矿物共生组合的规律及其与化学成分的关系分 岩浆岩中的矿物组合规律，主要决定于岩浆岩的化学成分。 主要影响的化学成分有：SiO2含量 、碱质含量 、Al2O3含量。 1、SiO2含量对矿物共生组合的影响 岩浆中SiO2除了满足Al2O3、Fe2O3、FeO、MgO、CaO、K2O、Na2O形成铝硅酸盐矿物、铁镁矿物等以外，剩余的则形成石英，它是硅酸盐熔体中游离SiO2结晶的产物，石英的出现表示岩浆岩中SiO2含量过剩。 因此，石英是岩浆岩中SiO2过饱和的指示矿物。,(四)按矿物共生组合的规律及其与化学成分的关系分,另外，岩浆反应过程中 Mg2SiO4 + SiO2(1557) MgSiO3 镁橄榄石 (液相) 顽火辉石 NaAlSiO4 + 2SiO2 NaAlSi3O8 霞石 (液相) 钠长石 KAlSiO4 + 2SiO2 KAlSi3O8 白榴石 (液相) 正长石 镁橄榄石，以及霞石、白榴石(统称为似长石类矿物)等似长石类矿物的出现，表明岩浆中SiO2不足(不饱和)。 因此，岩浆岩中镁橄榄石以及霞石、白榴石等似长石类矿物是岩浆岩中SiO2不饱和的指示矿物。,另外，岩浆反应过程中,反映硅酸饱和程度的指示矿物：硅酸过饱和矿物： 石英。硅酸不饱和矿物： 岩浆岩中不可以与石英共生的矿物，如镁橄榄石、似长石类矿物。注： 一般情况下，硅酸不饱和的指示矿物不能和硅酸过饱和的指示矿物相共生。硅酸饱和矿物： 岩浆岩中可以与石英共生的矿物，或可以与硅酸不饱和矿物共生的矿物，如辉石、角闪石等。根据SiO2饱和状态，可将岩浆岩分为： 硅酸过饱和岩石 （饱和矿物+石英） 硅酸饱和岩石 （饱和矿物） 硅酸不饱和岩石 （饱和矿物+不饱和矿物）,反映硅酸饱和程度的指示矿物：,硅酸饱和矿物与硅酸不饱和矿物对比表,硅酸饱和矿物与硅酸不饱和矿物对比表特征元素硅酸饱和矿物硅酸不,岩浆岩矿物成分变化关系简图,岩浆岩矿物成分变化关系简图,2、碱质含量（K2O+Na2O）对矿物共生组合的影响 在岩浆岩中，碱质含量一般随SiO2含量的增加而增加。 在SiO2含量相同的岩石中，K2O+Na2O含量偏高，会形成富含碱质的岩石。,2、碱质含量（K2O+Na2O）对矿物共生组合的影响,不同碱度岩浆岩矿物组合特征表,不同碱度岩浆岩矿物组合特征表 3.3= 3.39,3、Al2O3含量对岩浆岩矿物成分的影响 Al2O3含量对铝硅酸盐矿物的种属有很大关系，类似于SiO2饱和的概念，也有Al2O3饱和度的称呼。 根据Al2O3与CaO、K2O、Na2O分子数的相对值，及在矿物成分上的反映，可将岩浆岩划分为四种类型： 过铝质岩石 Al2O3(CaO+K2O+Na2O) 偏铝质岩石 (K2O+Na2O) Al2O3 (CaO+K2O+Na2O) 亚铝质岩石 Al2O3 (K2O+Na2O) 过碱质岩石 Al2O3 (K2O+Na2O),3、Al2O3含量对岩浆岩矿物成分的影响 Al2,过铝质岩石： Al2O3(CaO+K2O+Na2O) 特征矿物是白云母、黄玉、电气石、锰铝铁铝榴 石、刚玉、红柱石或矽线石。偏铝质岩石： (K2O+Na2O) Al2O3 (CaO+K2O+Na2O) 主要出现铝硅酸盐矿物，例如黑云母、角闪石和黄长石。亚铝质岩石： Al2O3 (K2O+Na2O) 主要含铝矿物是长石和似长石。过碱质岩石： Al2O3 (K2O+Na2O)（Al2O3K2O 较少见） 主要出现碱性铁镁质矿物，如霓石、霓辉石、钠闪石等。,过铝质岩石： Al2O3(CaO+K2O+Na2O),本章重点,1.掌握火成岩的化学成分特点（主要造岩元素、微量元素、同位素元素），了解火成岩的物质成分的研究方法及研究意义。 2.酸度及碱度的划分方法。 3.主要造岩氧化物种类。 4.造岩矿物及其划分。 5.矿物成分与化学成分、结晶条件的关系，即岩浆成分决定矿物成分，而矿物成分决定岩浆形成时的结晶条件。 6.主要造岩矿物在各类岩石中的分布规律。,本章重点 1.掌握火成岩的化学成分特点（主要造岩元素、微量,