岩浆作用过程微量元素的富集成矿

在岩浆岩中,常量元素常呈什么分布,微量元素常呈什么分布~

岩浆结晶过程中，浓度占优势的常量元素按各自的性质彼此结合，结晶成为造岩矿物。鲍文反应系列反映了硅酸盐熔体中造岩矿物结晶 析出的大体顺序，也反映了岩浆结晶作用过程中常量元素演化的顺序：
在岩浆结晶过程中常量元素演化顺序（鲍文反应系列）。

1.阐明微量元素在各类岩浆岩中的分布及微量元素在矿物中分配的实际规律
　
岩浆结晶过程中，浓度占优势的常量元素按各自的性质彼此结合，结晶成为造岩矿物。鲍文反应系列反映了硅酸盐熔体中造岩矿物结晶 析出的大体顺序，也反映了岩浆结晶作用过程中常量元素演化的顺序：
在岩浆结晶过程中常量元素演化顺序（鲍文反应系列）。
　
不连续序列:Mg→Fe→Mn→Ca
同时Si、Al和挥发份（尤其是水）的含量不断增加
连续序列: Ca→Na→K
在这种过程中，微量元素的行为如何？
　
在这过程中微量元素有两种倾向：
　
一种倾向是选择与自身晶体化学性质相似的造岩元素以类质同象代换方式进入它们的晶格，呈分散状态——称“晶体化学分散”。(如Be元素的晶体化学分散)
　
另一种倾向是那些与造岩元素差别大的微量元素不能进行类质同象代换，而在残余熔体中聚积，在某一阶段形成独立矿物（副矿物）或转入到岩浆期后热水溶液中富集成矿——称“残余富集”。（Be元素的残余富集）
　
Be：碱性岩Be丰度7-9×10-6，酸性花岗岩Be丰度3-5×10-6，在含量更高的碱性岩中Be不能形成独立矿物，而在酸性花岗岩中的伟晶岩脉中, 能形成独立矿物Be3Al2Si6O18 (绿柱石）。为什么呢？

Be2+的地球化学性质 ：离子半径0.35Å，电负性1.5，离子电位(p) =5.71，属两性元素。

在硅酸盐熔体中：介质富Si呈酸性，Be以BeO、Be2+的形式存在，不具备与[SiO4]4-类质同像代换的条件,Be无法进入造岩矿物晶格，而大量集中在残余熔浆中，最后在富含挥发份的花岗伟晶熔浆中成矿。


在碱性岩浆中：富Na，富K，介质呈碱性，Be2+呈铍酸根的形式[BeO4]6-存在，同时岩浆中具有较丰富的高价阳离子，Ti4+、Zr4+、REE3+等，碱性岩浆的这种条件有利于Be的类质同像代换，因为刚好满足代换 所需的两个条件：
第一，介质呈碱性，Be2+属两性元素，介质必须为碱性才能以酸根的形式存在；
第二，具有高价阳离子，以补偿[BeO4]6-类质同像代换[SiO4]4-时, 电价和能量的差异。


这样,在碱性岩岩浆中Be大量进入造岩矿物晶格而分散在岩石中, 不利于Be的富集 。虽碱性岩中Be丰度很高，但不能集中成矿。

岩浆-热液演化过程与稀有稀土成矿

7.4.2.1 锂富集成矿的制约因素

下面通过岩浆作用过程中锂的地球化学行为来讨论微量元素行为的制约因素问题。

一般说来,岩浆作用过程锂的地球化学行为受两个重要因素的制约:①镁铁硅酸盐矿物构造的制约——结晶矿物的构造直接影响锂在矿物中的分配,层状硅酸盐矿物中黑云母是浓集与携带锂的主要矿物,当岩石中黑云母含量高时锂含量亦高;②岩体中挥发分种类和含量的制约——岩浆中含有许多种挥发分,包括H₂O、CO₂、HCl、SO₂、HF等,虽然它们在岩浆中的含量不高,却具有非常重要的作用,因为H₂O、F等挥发分能大大降低熔体的液相线温度和固相线温度、延长熔体的结晶时间,有利于岩浆的分异演化,从而使成矿金属元素在晚期熔体或水热液体中富集。岩体中挥发分的富集对锂的富集起着重要作用,锂常随挥发分含量的增加而升高,故锂倾向于在岩体形成的晚期阶段集中。实验表明,LiCl在550℃水蒸气中蒸发,LiCl的这种性质使锂在富挥发分的残余熔融体中富集。前面分析曾提出过锂与镁结晶化学性质的相似性,但在岩浆分异作用过程中锂事实上趋向于在晚期阶段富集,这就是挥发分对锂地球化学行为控制的结果(图7.16)。

锂倾向于在晚期富集,而岩浆中的镁含量却从早期到晚期下降,因此w(Mg)/w(Li)比值在岩浆分异作用过程中有着明显的降低趋势,从超基性岩w(Mg)/w(iL)的518000、基性岩的3000、到中性岩的1090和酸性岩的140(图7.17)。随镁含量降低锂富集程度增高的事实与硅酸盐矿物之间有不同类质同象的容量能力有关,故岩浆岩中的w(Mg)/w(Li)比值可作为Li富集的地球化学标志。

图7.16 卡尔宾斯基岩体中锂与氟含量的相关变异关系

7.4.2.2 岩浆结晶分异过程铁的成矿

斯盖嘎岩体为演化成因的层状岩体,岩体呈倒圆锥状,具环带分层,岩浆分A、B、C、D、E、F共6个带(相),F相是层状分异最晚的结晶相。其中D和E—F带为成矿带,形成层状矿石。斯盖嘎岩体中,从早期阶段的A相到最晚期阶段的F相:相容元素Ni、Co、Cr的含量逐渐降低;不相容元素Ba、Cu、Mn、Ga含量不断升高;分配系数λ值接近于1的元素,如Sr、V的含量变化较小。

图7.17 不同类型火成岩中w(Mg)/w(Li)、w(K)/w(Rb)比值变化曲线

经研究,斯盖嘎岩体成矿的有利条件包括以下方面:①原始岩浆中的w(∑Fe)(不同价态铁含量的总和)高,一般岩体平均w(ΣFe)达12.65%或更高,就有可能形成铁矿;②岩浆结晶过程若分异良好,随岩浆结晶进程Fe不断在残余岩浆中富集,使晚期结晶的岩石中有可能更富集Fe;③岩浆在低f_O的条件下结晶也有利于成矿。图7.18是通过实验方法获得的氧逸度对岩浆结晶分异作用的影响关系,图中纵坐标表示实验物料中ΣFe和SiO₂的含量[w(FeΣ)=15%,w(SiO₂)=40%],w(Fe₂O₃)/w(FeO)=0.25%~0.16%,曲线表示在不同氧逸度下残余岩浆中的ΣFe和SiO₂含量。由图可以看出,当f_O较高(10^-2)时,残余岩浆中w(FeΣ)<10%,w(SiO₂)=57%;当f_O较低(10^-10)时,残余岩浆中w(ΣFe)=35%,w(SiO₂)=40%。一般情况下f_O与系统的封闭性有关,封闭系统中的f_O较低,开放系统中f_O较高。由此例也可得知,常量元素(Fe)的行为与环境的物理化学条件有关。

图7.18 氧逸度对岩浆结晶分异作用的影响

7.4.2.3 硅酸盐熔体与硫化物熔体分离及Co、Ni、Cu成矿

当硅酸盐熔浆在富含FeS的条件下分离出硫化物熔体时,有利于Co、Ni、Cu成矿,这一成矿过程与基性硅酸盐熔体-硫化物熔体的分离有关。

当熔浆的成分相当于超基性岩时,FeS的溶解度通常可达到n%,硅酸盐溶浆中FeS的溶解度与熔浆中Ca₂SiO₄的含量有关(图7.19)。随温度下降、熔浆中的Ca、lA、Si含量升高、或碱质(aN、K)增强,均可导致FeS的溶解度降低,并可能发生硅酸盐熔体与硫化物熔体的熔离,这一熔离过程经常发生在1000~1600℃温度范围。

图7.19 硅酸盐熔浆中FeS的溶解度与Ca₂SiO₄含量的关系

当硅酸盐熔体与硫化物熔体发生熔离时,由实验结果可以获得Co、Ni、Cu在两熔体相间的分配值(表7.4)。表7.4的D值是实验观察分配值,它反映了Cu、Ni、Co在两液相中的分配趋势。由表中数据可以看出,Co、Ni、Cu在生成的两熔体相中的分离系数与硅酸盐熔体的基性程度有关,随硅酸盐熔体中SiO₂含量的降低,Ni在两熔体相中的分离系数的变化比Cu显著。

表7.4 平衡分离系数

注: 为元素Me在硫化物熔体中的摩尔浓度; 为元素Me在硅酸盐熔体中的摩尔浓度。

在基性岩浆中,由于Cu、Ni、Co的含量较高,它们将不再是微量元素,因此,它们在两相中的分配系数受携带元素Fe的含量的控制(式7.3),由此式计算获得的Cu、Ni、Co的分配系数见表7.5:

地球化学

表7.5 Cu、iN、Co的分配系数(DK)

注:KD(T,P)是一定温度压力条件下元素在两相间的分配系数;iX和XFe分别为i元素和Fe的摩尔浓度。

由表7.4和表7.5可知,三元素均倾向进入硫化物熔体,但Ni、Cu的亲硫性比Co强。在相同的温度条件下,随硅酸盐熔体中SiO₂含量增高(由橄榄岩浆→安山岩浆),Ni的分配系数增大(亲硫性增强),Cu的分配系数变小(亲硫性减弱)。造成这一规律的原因是:Ni是过渡元素,当矿物结晶时,进入熔体八面体位置的离子有八面体择位能,择位能越高的元素,在硅酸盐熔体和硫化物熔体间分配时,优先选择进入硅酸盐熔体。随岩浆的基性程度降低,熔体中八面体位置减少,Ni优先选择进入硅酸盐熔体的能力减弱;熔浆中Cu可以呈Cu⁺和Cu²⁺两种价态,Cu⁺(d电子全充满)进入熔体八面体位置时不具有八面体择位能,不存在由于选择进入八面体位置而影响在两种熔体间的分配,Cu²⁺虽然可获得八面体择位能,但它的八面体择位能比Ni²⁺小得多,因此熔体中SiO₂含量的高低(岩浆的基性程度和熔体中八面体位置的多少),对Cu在两种熔体间分配的倾向性影响不大,Cu的行为主要受Cu的亲硫性控制。因此,随硅酸盐熔体中SiO₂含量增高,Ni的强亲硫性将进一步凸现出来。

下面以Ni为例来说明Ni、Cu在硫化物熔体中的富集。由分配系数可知,Ni在熔浆相和结晶相的分配与Fe的含量有关,即:

地球化学

(Ci/Cc)^S是固相中Ni与Fe的比值,(Ci/Cc)^L是液相中Ni与Fe的比值。(Ci/Cc)通常用摩尔浓度比值(X_Ni/X_Fe)表示。在预测硅酸盐熔体分离出硫化物熔体和Ni成矿的可能性时,硫化物熔体结晶后在结晶相中Ni的摩尔浓度可通过下式进行计算:

地球化学

式中:(X_Ni)_S为熔体结晶后在结晶相中Ni的摩尔浓度;K_DNi为Ni在两熔浆相间的分配(X_Ni)_S;(X_Ni/X_Fe)_Si为硅酸盐岩浆中Ni与Fe的含量比值;(X_Fe)_S为硫化物熔体结晶后在结晶相中Fe的摩尔浓度。

由式可知,Ni在硫化物结晶相中的摩尔浓度(X_Ni)_S与硅酸盐岩浆中Ni与Fe的比值(X_Ni/X_Fe)_Si、Ni在两熔浆相间的分配系数K_DNi、硅酸盐岩浆中Ni与Fe的含量比值(X_Ni/X_Fe)_Si及硫化物结晶相中Fe的摩尔浓度(X_Ni)_S成正比。

一个事实规律是:Ni、Cu的富集与富铜的磁黄铁矿的存在有关。硫化物熔体中的FeS最后往往以磁黄铁矿(Fe₁-_xS)的形式晶出,因此硫化物熔体中磁黄铁矿的含量高低反映了FeS在硫化物熔体中的溶解度大小。已知富含FeS的硅酸盐熔浆有利于分离出硫化物熔体,由表7.4和表7.5又可知,Ni、Cu倾向于进入硫化物熔体;当硫化物熔体中结晶出磁黄铁矿固熔体时,由于Ni、Cu的亲硫性,它们在磁黄铁矿固熔体中的富集程度更高。因此,Ni、Cu在硫化物熔体早期结晶的磁黄铁矿中的含量最高,故而硫化物熔体早期结晶的相有可能生成最富的铜-镍硫化物矿石。

除岩浆过程可以发生微量元素的多种成矿作用外,由于富水的岩浆在一定条件下可分异出岩浆热液,一些元素在分异热液中的含量可高于岩浆,使相当数量的成矿物质转入热液,有可能在后期的作用过程成矿。热液成矿作用虽发生在热液作用阶段,但岩浆过程微量元素的富集是后期成矿作用的重要物质基础。

岩浆热液形成后,常沿裂隙进行渗滤迁移,在系统内的压力差消失后,热液中的大部分物质将在一定的空间结晶沉淀。同时,在很宽的温度范围内,以水热流体为介质的各种组分,通过流体—围岩之间物质的大规模转移和交代作用,可以形成交代岩石(如矽卡岩)或发生围岩蚀变。以上作用生成的岩石中可以含相当数量的成矿物质,有重要的成矿潜力,下面对与岩浆热液作用有关的矽卡岩化成矿作用作简要分析。随着岩浆的结晶作用,从中分异出的水热流体逐渐析出。这些流体可以与接触变质岩层中的变质同生水混合,在更晚期也可能与大气降水混合,沿压力降低的方向渗滤迁移。当溶液沿岩浆(岩)和碳酸盐岩围岩接触带为主的通道活动时,由于组分的浓度差,由碳酸盐岩层析出钙,加入到侵入岩中形成内矽卡岩;岩浆热液向碳酸盐岩中加入铁、硅、铝等,形成外矽卡岩(见第3章)。随温度不断降低,有可能发生与岩浆热液系统相关联的退化蚀变作用和产生与系统最初冷凝有关的矿石沉淀作用,位于侵入岩和围岩接触带的交代岩石边缘生成的硫化物带或硫化物矿床很可能与岩浆热液作用有关。岩浆热液成矿作用虽与岩浆作用有关,但微量元素的富集成矿毕竟并未在岩浆过程发生,而属于热液作用(高温水岩化学作用)范畴,故在此仅对其作以上简要分析。

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