过程判别

在对所研究的一套岩石进行微量元素的岩浆过程判别之前，首先需对这些岩石的岩相学、岩石学及主要成分有一全面了解，以获得对外部条件的前提制约。

从方法论上可采用正演和反演两种方法。正演是先确定一个假设的过程，选择一些合理的参数。如初始物质组成和矿物相组成，然后根据过程的模式进行计算，将计算结果与样品的实测值比较，如果有差异，就修改过程的模式和改变有关参数，直至计算值和实测值比较一致或可以比较时为止。Gast，Schilling 以及 Chen and Frey 等许多学者在讨论夏威夷熔岩的拉斑玄武岩和碱性玄武岩的成因、我们在对临朐玄武岩的成岩模式研究中都使用了这种方法。反演是在对过程机制比较清楚了解的前提下，根据实测的资料， 计算出某些参数，从而推断说明过程的性质。相对而言，反演比较严格，是借助地球物理的研究方法，它要求资料准确，可信度高，还需进行可信度检验，微量元素的岩浆过程反演工作开展不多，如 Allegre 等和 Minster 等

（1977，1978）对格林拿达岛火山岩的工作。无论正演或反演，可能有一个以上的模型可以同时适合这些资料，这就要进行系统的比较和多因素的考

虑，以选择更合理的。

图解法是鉴别岩浆过程各种定量模型的最常用方法，Allegre 等称之为拓扑法。拓扑图解法鉴别岩浆过程的可能性主要是基于对不同岩浆过程模型微量元素数据点总是限制在坐标空间的某一给定区域内，其坐标变量的选择原则是使得与每一模型相应的区域与其他模型区域不同。用作鉴别过程的元素可以是高不相容元素或超岩浆元素 H，也可以是中等或弱不相容元素，或岩浆元素 M，还可以是 D 大于 1 的相容元素 G。常用的图解有元素—元素、元素—比值和比值—比值图利用这些图我们不仅可以区别各种过程，还可同时求得有关的模型参数。分别作一介绍。

1. 分离结晶作用

对H元素，因D《1，故f = C^L / C ^RL ，残余岩浆中H元素的浓度C ^RL 直

H H H

接与 f 成反比，因此，可以把分离结晶作用公式（5.41）改写成：

C RL

= C^L ·(C ^L

/ C RL )( Di −1)

（5.63）

i i H H

其中C ^RL 为任一微量元素的浓度表达式。对此式两端取对数

lnC^RL = lnC^L ＋（D - 1）lnC^L ＋（1 - D ）lnC^RL

（5.64）

i i i H i H

所以，如果绘制lnC^RL －lnC^RL 的元素—元素图，将构成一条直线，该直线的

i H

的斜率为 1－Di，由斜率值可得 Di 值。对不相容元素，Di＜1，则斜率 1—Di

＜1，若 i 为高不相容元素，Di≈0，则斜率值极大为 1，如果图解的斜率大于 1，则必定不是分离结晶过程。对 Di＞1 的相容元素，则斜率 1—Di＜0， 为负值（见图 5.9），因此可根据选择的元素及其图形关系来判断分离结晶作用。

有了 Di 之后，还可以计算与此结晶作用有关的矿物组成比例。

n

因为 Di ＝ ∑ K^α/L ·X^α

α =1

对于 m 种微量元素。可建立 m 个线性方程，写成矩阵形式为：

Kα/ L

Kβ / L Λ

Kn/ L 

 α 

D₁ 

 α1 α1

α1  X

D ₂  = K^α/L

Kβ / L Λ

Kn/ L · Xβ 

(5.65)

 Μ 

α2 α 2

α 2  Μ 

D 

 Λ Μ Λ Μ 

 n 

 m 

Kα/ L

Kβ / L Λ

Kn/ L 

X 

 αm αm αm 

解此线性方程组，可求得 Xα。即各矿物相重量分数，选择 m=n，就得到唯一解。

根据方程（5.64）还可进一步估算初始熔体的成分。例如当两种元素 i， j 在方程（5.64）所表示的图解上互相平行，则它们的斜率相等，亦即 Di=Dj，

两平行线的截距之差为ln（C^L / C^L ），即微量元素在初始熔体中的浓度

i i

比。只要设法求得任一高不相容元素的C^L ，由方程（5.64）的截距公式可容易得C^L ，这样所有微量元素的初始浓度便可求得。求C^L 通常可以这样

i H

做：选择一个 D 值较大的相容元素 g，则在式（5.64）所表示的线性图解上

的截距A＝lnC^L ＋（D － 1）lnC^L 。如果对C^L 有一个估算值，便可由截距A

g g H g

求得C^L ，假设D ＝6，则当C^L 变化一倍时，对C^L 的计算值仅变化11％，而

H g g H

当Dg 值更大时，C^L 的变化还要小。

当两种元素 i，j 有不同的 D 值时，它们在残余熔体中的浓度比为 R，

绘制lnR - lnC^RL 图解（比值—元素图），则有

lnR＝lnR0 ＋（Di －D j）lnC^L ＋（D j－Di ）lnC^RL

（5.66）

同样构成一条直线，斜率为 Dj－Di。根据同样的考虑，若能确定 R0，

由上式图解中的截距，便可求得C^L ，由此可得C^L 和C^L 等。

H i j

如果所选择的二个元素分别是 H 和 M 元素，因 Dj 和 Di 都远小于 1，于是

有C^RL ＝C^L / f和C^RL ＝C^L / f，所以C^RL / C^RL ＝C^L / C^L ＝常数。故在ln（C^RL

M M H H H M H M H

/ C^RL ）－lnC^L （或C^RL / C^RL —C^L 图）中，对分离结晶作用的一套岩石构成

M M H M M

一条平行于 X 轴的水平线。

研究一般情况下比值一比值图的特征。设 A＝X/Y，A0＝X0/Y0，X，Y，X0， Y0 分别为元素 X，Y 在残余熔体和原始熔体中的浓度，再设 B＝U/V，B0＝U0/V0，其含义同上，由瑞利分馏方程可得

B=B0(A/A0)〔(Du-Dv)/(Dx-Dy)〕 (5.67)

故在比值—比值（即 A-B）图上为一条 y＝axC 的指数曲线，而在 lnA－lnB 图上为一条直线。

1. 部分熔融作用

同样的考虑，我们可以由分离熔融公式（5.29）推出比值—比值关系的方程。亦和分离结晶作用相同。为一指数曲线方程。对于平衡结晶作用和批式熔融的比值—比值关系为一双曲线方程。和通用的二元混合关系的比值— 比值关系一致。因此，在各种演化模型的比值—比值关系图上可以区分出指数曲线和双曲线两大类。对所谓的聚集熔融，情况较复杂，在特殊的 D 值时， 为一条接近双曲线形的指数曲线。

选择 H 和 M 元素，可以在比值—元素图中区分分离结晶作用和批式部分熔融。对批式熔融

因为 DH ≈0，所以 ^RL / C^L ＝ 1 / F

当F亦较小时

C ^RL / C^L ＝1 / （D ＋F）

M M M

CL CL

所以 CLR / CRL ＝ H M

H M F

= Dm

(DM + F)

CL

• CRL + H

(5.68)

1. H L

2. M

故在C ^LR / C ^RL －C ^RL 图中得到一条斜率为Dm / C^L 、截距为C^L / C^L 的直线，

H M H M H M

而在分离结晶过程中它构成一条水平线，以此可区分这二种作用（见图5.10）。它表明，洋脊的样品遵循批式熔融模型，冰岛的样品遵循分离熔融模型。

应用不相容元素和相容元素，还可以区分混合作用是岩浆混合还是源区混合。对高不相容元素的比值—比值图解，如果服从二元混合模型，它既可以是源区混合，亦可是岩浆混合，因为无论是部分熔融还是分离结晶都不会改变、影响它们的比值。但如果同时采用弱不相容元素/高不相容元素，或相容元素/不相容元素的比值图解时，若后者不构成混合关系，则应属源区混合而不是岩浆混合，若后者亦构成混合关系，则应为岩浆混合。

原则上，在进行岩浆过程的各种图解判别时，同一类元素都应满足相同的模型。实际上，由于样品可能遭受某种其他类型过程而使某些元素的相关性遭到破坏，或者由于微量元素测试的精度所限，往往使得一部分元素符合某一模型，另一部分元素不符合，或相关性模糊。这时，合理的选择某些元素就很有必要了。一般，事先通过详细的岩石学观察或其他粗略的分析，可放弃某些模型，然后利用图解法进一步去鉴别那一种更合适，可通过同位素资料等作出最可能的判断。

利用岩石中相容元素和不相容元素的浓度变化范围，可以对岩浆过程进行粗略简便的分析，对不相容元素，在部分熔融时，特别是低程度部分熔融时，熔体相中元素浓度变化（富集）较大，对相容元素，在分离结晶时，分离相中元素浓度变化较大。利用岩石中相容元素或不相容元素浓度变化的幅度，可以大致的估计这些岩石主要是通过部分熔融还是分离结晶形成的。图

5.11 表示了这二种过程中元素丰度变化的状况。