岩浆结晶分异作用

Question

如题所述

Answer 1

在岩浆演化过程中，岩浆体系内不断有新的矿物脱离熔融体系而结晶出来。结晶分异作用总的趋势是:早期晶出的是一些以铁镁质成分为主的矿物，如磁铁矿、辉石、角闪石、钙斜长石等，随着时间的推移，晚期结晶的一般是石英、碱性长石等一些硅铝质含量较高的矿物，岩浆向着富硅、富碱和铁取代镁的方向演化，SiO₂含量随岩浆的演化程度相对增高。早期结晶的铁镁质矿物优先富集¹⁶O，随着矿物的不断晶出，剩余岩浆的¹⁸O相对升高，体系内的氧同位素组成不断偏离原始岩浆。偏离的程度和方向，取决于结晶出来的矿物的类型和相对比例。晚期从残余岩浆结晶出来的硅酸盐矿物，相对富含¹⁸O。结晶分异作用过程的同位素组成的变化有时在同一个矿物晶体内也有反映，即矿物晶体的边缘较中心部分相对富重同位素组成。此外，相反的岩浆分异演化序列，也可以导致氧同位素组成相反变化，但这种情况不太普遍。由于岩浆的结晶作用是在高温条件下进行的，温度变化不显著而压力变化较大，先行结晶的矿物与剩余岩浆之间的氧同位素分馏很小，由同一母岩浆结晶分异所形成的各种岩石，它们的δ¹⁸O差异不很显著。

在岩浆结晶分异作用中，锶、钕、铅的同位素组成一般不发生变化，它们的初始同位素组成能反映原岩物质的来源。但是，在岩浆结晶时，不同矿物富集铷、钐、铀、钍等放射性元素的能力明显不同，从岩石固结至今，会有放射性子体积累的影响，在研究中必须倍加注意。

1.岩浆结晶分异作用的同位素演化特点

1)同一岩浆岩体中，不同结晶矿物之间的同位素分馏很小，特别是成岩温度较高的基性、超基性岩更是如此。火山岩的斑晶和基质的氧同位素组成有些差别，这是由于斑晶和基质的结晶时间形成环境、抗拒退化交换和后期蚀变作用的能力不同所致。

2)同一岩浆岩体的不同岩相带，各岩相带全岩的δ¹⁸O值与其SiO₂含量呈正相关变化。在火山岩套中，全岩δ¹⁸O值与岩浆固化系数SI=(MgO/MgO+FeO+Fe₂O₃+Na₂O+K₂O)×100明显呈正相关。

3)太平洋Galapagos扩张中心95°W区域内，从低钾拉斑玄武岩、铁钛玄武岩、安山岩到流纹英安岩形成一个完整的岩浆演化系列，全岩δ¹⁸O值从5.84逐渐升高至7.09‰，但岩石成分单一，由铁钛玄武岩组成的85°W区，全岩δ¹⁸O值变化很小(5.68‰～6.22‰)，因此，95°W区内，岩石的δ¹⁸O的变化是由岩浆结晶分异作用所引起的，也就是说，在典型的岩浆温度条件下，贫¹⁸O的钛磁铁矿、橄榄石和辉石从岩浆中结晶出来，使剩余岩浆相对富¹⁸O，并导致晚期形成的流纹质英安岩比早期形成的玄武岩富¹⁸O约1.3‰。氧同位素组成与MgO含量呈反相关，与H₂O⁺含量呈正相关，并随分异程度增加而增加(表5－2)。根据瑞利分馏方程，求得原始岩浆的δ¹⁸O值为5.90‰(Muehlenb-achs等，1982)。东格陵兰斯卡葛德侵入体的演化方向正好相反，晚期结晶分异产物的δ¹⁸O值比辉长岩主体还低。Taylor(1968)把它也归因于结晶分异作用的结果。

表5－2 太平洋Galapagos扩张中心岩石的δ¹⁸O的变化与结晶分异程度的关系

图5－10 东格陵兰斯卡葛德侵入体和加拿大西北地区马斯科克斯侵入体δ¹⁸O值与结晶分异的关系(据Epstein和Taylor，1978)

4)在花岗岩浆结晶分异所形成的岩石中，同样也能观察到结晶分异作用带来的氧同位素组成变化。例如:阳储岭岩体的石英闪长岩、花岗闪长岩、花岗闪长岩I至花岗闪长斑岩Ⅱ形成一个完整的演化系列。早期偏中基性的石英闪长岩的δ¹⁸O值为9.8‰，晚期偏酸性的花岗闪长斑岩的δ¹⁸O值为11.4‰，全岩δ¹⁸O值相差1.6‰。显然这样δ¹⁸O的差异是由当地母岩浆的结晶分异作用形成的。

2.岩浆结晶分异的氧同位素计算

Y.Matsuhjsa等(1973)提出了计算公式

δ¹⁸O=δ¹⁸O°+1000(α－1)lnf式中:δ¹⁸O为岩浆结晶分异形成的不同阶段岩石的氧同位素组成;δ¹⁸O°为岩浆的初始氧同位素组成;f为剩余岩浆的百分数;α为结晶相与剩余岩浆相之间的同位素分馏系数。

α通过作图获得，即以岩石的δ¹⁸O值和lnf为坐标，样品点构成一直线，斜率为(α－1)就可以求出α值。

f值很难确定，Y.Matsuhisa等采用固化系数值SI代表，即

lnf=a·(SI)+b

式中:a和b为常数，其值随岩浆成分不同而异。

如在Skaergaurd侵入体中，a=8.3，b=－3.4，则lnf=8.3×10^－2×SI－3.4;在夏威夷碱性岩系列中a=5.4，b=－2.2，则lnf=5.4×10^－2×SI－2.2。分别用上式的a、b计算日本4个火山岩套母岩浆的初始同位素组成，它们的值很接近，都落在上地幔的氧同位素组成范围内，表明这4个火山岩套都是由上地幔来源的岩浆演化形成的。

3.去气作用对同位素组成的影响

在岩浆结晶分异过程中，如果发生去气作用使SO₂大量逸失，由晚期岩浆形成的岩石的δ³⁴S值将低于母岩浆的δ³⁴S值。

当岩浆中:

同位素地球化学

在H₂S和SO₂同时存在时，高温下可发生

同位素地球化学

随着硫化氢转化为硫化物，反应朝左移动，由SO₂部分转化为H₂S，它相对于前面的H₂S富³⁴S，因而由这些后期产生的H₂S所生成的硫化物就具有较高的δ³⁴S值。