类质同象规律对岩浆结晶分异过程微量元素富集的影响
指岩浆在冷却过程中不断结晶出矿物和矿物与残馀熔体分离的过程。又称分离结晶作用。分离的原因主 要是：重力作用。早结晶出的矿物下沉于熔体的底部，晚结晶出的矿物堆积于其上，形成有不同矿物组合的具垂直分带现象的层状侵入体，又称火成堆积岩，其下部为超镁铁岩(橄榄岩、辉石岩等)，向上依次变为辉长岩、长岩、闪长岩，甚至花斑岩等，具层理构造及堆积结构，剖面上常见成斜分重复出现的韵律层理，偶尔见交错层理。常堆积铬铁矿、钒铁磁铁矿等矿床。重力作用在基性岩浆中较常发生。压滤作用。岩浆在部分结晶之后，在晶体“纲架”之间残存未结晶的熔体，在构造应力作用下，受挤压过滤，与晶体分离，向压力较小的方向迁移，在张裂隙或褶皱轴部形成小侵入体。花岗岩体及其围岩中的伟晶岩、细晶岩岩脉，石英粗玄岩中的霏细岩及花斑岩脉等，有可能就是压滤作用形成的。流动作用。在岩浆运移上升过程中，岩浆中早期形成的晶体，因流体力学作用，远离通道壁部向通道中心高速带集中。因此，在这些岩体边缘富集晚期析出的矿物，而在中部则大量集中早期结晶的矿物。
岩浆分结矿床早期不会发生围岩蚀变的，根本的原因是没有流体出溶与围岩进行物质交换。
早期岩浆矿床的有用矿物结晶早于硅酸岩矿物，而与围岩反应的岩浆流体是主要硅酸盐矿物结晶过程晚期形成的。
岩浆流体形成过程为：
随着岩浆上升减压， 流体开始从岩浆中出溶。常以较小气泡产出， 由于岩浆粘度较大且有结晶相 ，气泡很难逃逸 ，形成一种富流体的岩浆。这种富流体相的岩浆由于密度低，对流上升至岩浆房顶部。在持续的上升过程中，压力相应降低，流体相气泡不断的增大 ，最终连在一起形成流体的 “外壳”。而去气后的岩浆密度增大将会下沉 ，新鲜的、富流体相岩浆再次注入，向流体流体“ 外壳 ” 继续释放新的流体 。随着上升减压过程的继续，流体相达到饱和后克服结晶相的约束，形成了初始的岩浆流体。
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类质同象规律对微量元素在岩浆作用过程中行为的控制在本章的前面部分已经进行过简要介绍，此处进一步讨论这一规律对各元素分散或富集的具体影响。
火成岩中微量元素以多种方式存在，最主要的是以类质同象的方式占据寄主矿物晶格内晶体化学性质相近的主要元素的位置，例如 Cr、Ni 可占据橄榄石和辉石中Mg、Fe的位置，Li、Rb、Cs 可占据钾长石和云母中 K 的位置等；其次是保存在快速固结和冷凝的火山玻璃和气-液包体中；第三是吸附在矿物表面或以杂质的形式存在于矿物晶体缺陷的间隙内。微量元素以何种方式存在主要取决于元素的晶体化学性质，如离子半径大小、所带电荷多少、电负性高低等。也与岩浆的成分及从岩浆中结晶出的矿物种类有关。因此，在岩浆作用过程中，有些元素优先以类质同象的方式进入到结晶的矿物相中，有些元素则因不能被先晶出的矿物捕获或容纳，而在残余熔体中富集，导致了结晶相与残余熔体相中微量元素丰度的分异。由于类质同象规律和晶体场理论对微量元素在岩浆结晶过程中的行为有重要的控制，因此应用 Coldschmidt 和 Ringwood 等提出的类质同象基本理论，分析微量元素在岩浆结晶过程中的行为特征，除可以将微量元素作为岩浆分异演化程度的一种地球化学指示剂、示踪剂外，还可以应用于判断岩浆结晶分异过程中微量元素富集成矿的可能性。下面先以类质同象法则为基础来看一下微量元素的分类。
依据Goldschmidt类质同象法则，可以将微量元素分为以下几类：
（1）隐蔽元素：这类微量元素与主量元素有相同的电荷及相近的离子半径，因此这类微量元素可隐蔽在含主量元素的晶格中（如Ga3+、Hf4+等）。
（2）捕获元素：这类微量元素的离子半径与主量元素相近，但电荷高，或者电荷相同，但半径小，因此它们可被俘获在含主量元素的晶格中（如Ba2+）。
（3）容纳元素：这类微量元素的离子半径与主量元素相似，但电荷低；或者电荷相同，但半径大，因此它们可被容纳在含主量元素的晶格中（如Li+）。
Ringwood提出用元素的电负性作为元素形成共价键趋势的一种量度，因为电负性对具有不同电负性但能进行相互置换的元素间的行为有重要影响。他认为：两个电负性相差较大的元素在发生置换时，因为电负性较低的元素能形成较强的离子键，电负性低的元素将优先被结合进入晶体。Ringwood定律对确定电负性差值大于0.1的元素间的置换顺序很有效。
上述Goldschmidt类质同象法则和Ringwood电负性法则对过渡元素并不适用，Burns（1970）提出的晶体场理论可以较好地解释第一过渡族元素在岩浆结晶过程的地球化学行为（参看第2章）。下面举例说明用上述原理分析微量元素在岩浆演化过程中行为特征的方法。
7.4.1.1 碱金属及碱土金属元素
（1）锂：锂离子比造岩碱金属离子小得多（Li+0.74×10-10m；Na+1.02×10-10m；K+1.38×10-10m），而与镁离子相当，因此锂元素的行为与镁相似。但由于锂的电荷比镁低，所以锂仅能被容纳在镁矿物中，常进入较晚结晶的镁矿物。
（2）铷：Rb极易置换K，总是被结合在白云母、黑云母和钾长石等钾矿物中，通常不形成独立矿物，而被隐蔽在钾矿物中。
（3）铯：阳离子中Cs的半径最大，它能取代的造岩阳离子只有K；在岩浆结晶过程中部分Cs可以富集在黑云母中，但大部分Cs仍留在岩浆中，直到岩浆的晚期阶段才结晶；当残余岩浆中Cs浓度达到一定的富集程度时，在伟晶岩中将结晶出铯的独立矿物铯榴石（CsAlSi2O6）。
（4）锶：按Sr离子的半径大小，它可取代Ca或K；由于它的离子半径比Ca大、电荷比K高，所以在含钾矿物中是被捕获的，而在含钙矿物中是被容纳的。
（5）钡：钡离子的半径较大（0.147 nm），仅与主量元素K相当，因此Ba主要出现在黑云母和钾长石中。由于Ba的电荷比K高，所以Ba常被钾矿物捕获。
7.4.1.2 稀土元素及Y
稀土元素的电荷高且半径大，它们在岩浆结晶过程中不易置换主量元素。然而，由于REE可取代磷灰石中的Ca2+，从而使大多数火成岩中的磷灰石成为稀土元素的主要载体，榍石也可以是REE的一个重要载体。在较低温度下形成的花岗岩和伟晶岩中，褐帘石或绿帘石中的一些Ca离子也可以被REE所取代。因而稀土元素可以在岩浆作用的晚期富集在副矿物中，也可以在伟晶岩中以独立矿物的型式富集。
由于REE的离子半径按顺序规律变化，在岩浆分异过程中REE可能发生显著的分馏作用，它们的球粒陨石标准化模式图可以灵敏地指示不同的岩浆分异演化过程。下面是REE组成模式图在矿物分离结晶作用研究中的一个应用实例。
黄沙 Li-F花岗岩岩体是一个多阶段侵入的复式岩体。岩体按侵入阶段的早晚大体可分为：斑状中粗粒黑云母花岗岩、中细粒二云母花岗岩、斑状细粒锂白云母花岗岩和细粒锂白云母花岗岩和晚期的云英岩等四个阶段，四阶段的残余岩浆形成富含Na和高度富挥发分的稀有元素花岗岩小岩体。
通过测定黄沙不同阶段 Li-F花岗岩中稀土元素含量的变化，编制了不同阶段侵入体的稀土元素组成模式图（图7.15），从该模式图中可以很清楚地看出 Eu呈明显的负异常。显示 Li-F花岗岩以结晶分异为主的方式演化。
7.4.1.3 第一过渡族元素
（1）钪：钪的半径与二价铁离子相近，但电荷高，故钪常被捕获在铁镁矿物中，辉石中Sc的富集就是一个例子。
（2）钛：钛在岩浆岩中主要以钛铁矿形式存在，但它也常在辉石、角闪石和黑云母中以6次配位形式取代Al；由于钛离子电荷（Ti4+）比铝高（Al3+），因此常被捕获在上述矿物中。
（3）钒：钒在岩浆中主要以V3+离子形式存在，可进入磁铁矿取代其中的Fe3+；V3+的离子半径比Fe3+大，但电负性比Fe3+小，晶体场稳定能较高，因此钒富集在早期形成的磁铁矿中。
（4）铬：铬在岩浆中以Cr3+离子形式存在；铬离子半径与Fe3+很接近，但Cr3+的晶格场稳定能比Fe3+高，所以在岩浆的早期结晶阶段铬以铬铁矿形式能比Fe3+更强烈地富集。
（5）锰：锰在岩浆中以Mn2+离子形式存在，从理论上讲，Mn2+可取代Fe2+或Ca2+，但由于锰离子半径较大，晶体场稳定能又小，锰实际上是被容纳在铁镁矿物中，并不进入含钙矿物。
图7.15 黄沙铁山垅 Li-F花岗岩稀土元素配分模式演化图
（6）钴：Co2+离子半径（0.74×10-10m）与Fe2+（亚铁离子，0.77×10-10m）相近，似乎应该被隐蔽在亚铁化合物中，事实上w（Co）/w（Fe）值在岩浆早期结晶的矿物中最大，随分异程度的增大该比值稳步下降；由于晶体场的稳定作用钴离子的半径比0.74×10-10m要小，几乎与镁离子半径相同，因此在整个岩浆演化过程中结晶相中的w（Co）/w（Mg）值几乎保持不变；实际上岩浆中的Co主要存在于早期形成的镁矿物中，尤其是橄榄石中。
（7）镍：镍离子的半径和电荷与镁相近或相同，因此应隐蔽在镁矿物中，然而，w（Ni）/w（Mg）比在早期结晶的矿物（尤其是橄榄石）中最高，在晚期形成的岩石和矿物中逐步下降，这是因为在常见的二价离子中，镍的晶体场稳定能最高，因此在与Fe2+和Mg2+竞争八面体晶格位置时明显占优势。
7.4.1.4 其他微量元素
（1）镓：镓离子的电荷和半径与铝相近，因此Ga被隐蔽在含铝矿物中，但由于Ga离子半径比Al离子稍大，镓一般富集在较晚期形成的铝矿物中。
（2）锗：锗离子的电荷与Si4+相同，但其半径比Si4+大，硅酸盐中的w（Ge）/w（Si）比的变化很小，表明锗被有效地隐蔽在硅酸盐矿物中。
（3）铅：铅是重元素中丰度最高的微量元素，Pb主要取代硅酸盐矿物中的K；从电荷角度考虑，岩浆中的Pb应当被捕获于含钾矿物中，但由于Pb的电负性比K大得多，使其被捕获的程度下降，Pb主要被容纳而不是被捕获在含钾矿物中。
（4）锆：锆的电荷高且半径大，使得锆不可能取代火成岩的主量元素，而以特殊的独立矿物形式（锆石）存在，在晚期分异岩浆中富集。
（5）铪：铪的电荷和半径与锆相同，但在自然体系中的丰度较低，因此Hf总是隐蔽在含锆的矿物中；在岩浆分异结晶过程中，w（Zr）/w（Hf）比值几乎恒定不变（约为50）；在高度分异的条件下，Hf可相对于Zr发生分异而被富集。
其余上述未提到的微量元素，由于与主量元素的离子半径和电荷的差别极大，加上它们在初始岩浆中的浓度又低，主要残留在熔浆液相中。属于这些元素的有：B3+（0.12×10-10m）、Be2+（0.27×10-10m）、W6+（0.60×10-10m）、Nb5+（0.64×10-10m）、Ta5+（0.64×10-10m）、Sn4+（0.69×10-10m）、Th4+（1.04×10-10m）和U4+（1.00×10-10m）。这些元素在岩浆残余液相的最后结晶过程中，一般富集于伟晶岩中。它们可以进入一种常见矿物或罕见矿物中；或者被捕获在结构并不很合适的矿物中，随后可能转移到出溶矿物中，也可浓缩在残余液相中直至形成一种具体矿物，或者被吸附于矿物的表面。
岩浆演化过程中微量元素的行为
答：岩石中微量元素常以多种形式存在,主要是呈类质同象存在于造岩矿物中;其次是存在于火山玻璃和造岩矿物气-液包体中;第三是吸附于矿物裂隙、解理或存在于矿物晶格间隙中。 岩浆在其形成与演化过程中,由于不同相的形成,微量元素必将在不同物相间发生分配,如在结晶矿物α与熔体β之间,达到平衡时,微量元素在这两个相...
岩浆作用过程微量元素的富集成矿
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微量元素地球化学特征及地质意义
答：沉积岩中的微量元素,主要是经类质同象方式存在于碎屑矿物、碳酸盐矿物、粘土矿物的晶格中,或以吸附方式存在于粘土矿物和沉积有机组分中。沉积分析中常用的微量元素有:Li,Be,B,Ti,V,Cr,Ni,Cu,Zn,Rb,Sr,Zr,Mo,Ba和稀土元素。按元素周期表,依化学性质分类,可以有稀碱金属(Li,Rb,Cs等),稀有元素(Be,Nb,T...
三源交代热液(无矿—)成矿模式图
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答：岩浆熔体、活动的气水热液和在地壳不同深度循环的地下水都是重要的成矿流体。在地表大大小小的河流以及各种水体也都是物质转移和聚集的营力与介质。成矿物质发生聚集的作用方式是多种多样的，最重要的有结晶作用、化学作用，包括置换作用即交代作用，对于少量分散的元素则以类质同象或被吸附而发生一定富集...
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某含镍超基性岩侵入体的地球化学
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稀土元素组成球粒陨石标准化图解的解释
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菁布拉克岩体
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天宝石-种类最全的陨石资料分享(吴春林)
答：MgO * Fe2O3 * 4 H2O 来表述,其中Ca和Mg是可以类质同象置换的。伊丁石的地质发生对象限于喷出岩和潜火山岩。 普通球粒陨石(L3型) 普通L球粒陨石(又称低铁群球粒陨石),亦是第二常见的陨石。大约40%被记载的陨石属于此类,在普通球粒陨石中,L球粒陨石占40%。陨石含铁量较低,占其重量的20-25%,其名...
