第八章巖漿作用巖漿起源與演化過程中元素的活動規(guī)律

1、第一節(jié) 巖漿作用巖漿起源與演化過程中元素的活動規(guī)律1巖漿起源與演化 地球除地核以外的部分以固態(tài)為主，因此，巖漿的起源實質(zhì)上是由固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變的熔融過程，且由于固體地球的熱能有限，巖漿常常是部分熔融的產(chǎn)物。在部分熔融過程中，新產(chǎn)生的液相優(yōu)先富集不相容元素，在殘余固相中則相對富集相容元素。巖漿的類型及其化學(xué)組成，主要受源區(qū)巖石的組成、溫度、壓力、揮發(fā)份和熔融程度等因素的控制。大量實驗已證明，花崗巖類巖漿主要是陸殼巖石部分熔融的產(chǎn)物，它們不能直接導(dǎo)源于上地慢；安山巖漿的產(chǎn)生至今仍是一個謎，它們主要產(chǎn)于俯沖帶上，但是地幅橄欖巖和洋殼巖石的熔融實驗均不能產(chǎn)生真正的安山巖漿。實驗研究暗示安山巖巖漿可能包含

2、了多種作用過程(包括各種源區(qū)、分離結(jié)晶、巖漿混合和同化混染等)的相互疊置；玄武巖漿起源于上地慢不同深度和不同熔融程度的橄欖巖，H20的加入有利于生成Si02飽和度大的巖漿，C02的加入則有利于形成SiOz飽和度小的巖漿；近年來，在某些稀少的火成巖起源方面獲得了重要進(jìn)展，如在含H20條件下，生成高M(jìn)gO和相對高SiO 2的巖漿壓力較低時(1116GPa)生成高鎂安山巖，壓力較高時(2o一55GPa)生成鉀鎂煌斑巖，在含C02(十HzO)條件下則生成高M(jìn)gO但低SiOz的巖漿，如金伯利巖、霞石巖和碳酸巖等。由部分熔融產(chǎn)生的巖漿林原生巖漿。原生巖漿任上計還地表現(xiàn)地元伐邰的漢徑干任注要經(jīng)歷多種變異作用

3、，如分離結(jié)晶、巖漿不混熔、巖漿混合和同化混染作用等，這是火成巖多樣性的重要原因。 2巖漿熔體結(jié)構(gòu) 巖漿是多組分的高溫硅酸鹽熔體。其成分相當(dāng)復(fù)雜，周期表上的所有元素在巖漿中幾乎均存在，除了主要造巖組分外，還有種類繁多的微量和稀有元素以及揮發(fā)性組分。不同類型巖漿的主要造巖組分是相同的，只是含量比例有所差別，但微量和揮發(fā)性組分差別較大。 早期，人們認(rèn)為硅酸鹽熔體是陽離子與陰離子的理想混合(離子溶液模型)，或者是簡單氧化物的理想混合(簡單氧化物理想模型)。它們在歷史上曾經(jīng)起過一定的積極作用，但由于這些模型與實際情況相差太大，已基本上被據(jù)棄。當(dāng)前比較公認(rèn)的硅酸鹽熔體結(jié)構(gòu)模型是聚合模型，其基本內(nèi)容可歸納如

4、下： 1)硅酸鹽熔體與硅酸鹽晶體一樣，其最基本的結(jié)構(gòu)單元也是SiO四面體。它們通過橋氧連結(jié)成不同形狀、大小和復(fù)雜程度的絡(luò)陰離子團(tuán)，這就是聚合作用。聚合程度的不同是熔體結(jié)構(gòu)多樣性的基本原因。從局部(短程)來看，例如在20人范圍內(nèi)，熔體結(jié)構(gòu)與晶體結(jié)構(gòu)非常相似；但從整體(長程)來看，熔體不像晶體那樣原子在三維空間內(nèi)連續(xù)地有規(guī)律地排列，也不像晶體那樣一個晶體只含有一種結(jié)構(gòu)單元，而是多種結(jié)構(gòu)單元(島、鏈、席、網(wǎng)等)共存于同一熔體中。 2)在硅酸鹽熔體中存在著橋氧、非橋氧和自由氧三種結(jié)構(gòu)狀態(tài)，三種氧結(jié)構(gòu)狀態(tài)的比例和分布，是決定熔體聚合程度的基本因素。橋氧為連接相鄰兩個SiO四面體的氧，它與兩個Si離子(或

5、其它四次配位陽離子)相鄰，表示為SiOS山非橋氧是連接一個Sit離子(或其它四次配位陽離子)和一個非四次配位陽離子的氧，表示為SiOM；自由氧指與除Si離子及取代Si的四次配位陽離子以外的金屬陽離子相連接的氧，表示為MOM。顯然，熔體中橋氧的比例越高，熔體的聚合程度也越高。3)陽離子的種類對硅酸鹽熔體的結(jié)構(gòu)有重大影響。陽離子的電負(fù)性和電離勢直接影響到非橋氧的生成焙和熔體的混合自由能，影響到三種結(jié)構(gòu)態(tài)氧在熔體中的量比和分布狀態(tài)，從而影響熔體的聚合程度。根據(jù)陽離子對聚合作用的貢獻(xiàn)，可將它們分為兩類：(1)成網(wǎng)陽離子，在熔體中一般與氧呈四次配位，位于Si(T)O四面體中心，起著形成網(wǎng)絡(luò)、增強(qiáng)聚合程度

6、的作用，如Si4、Ti”、一部分A1“和Fe”以及在Al”iSi替換中起平衡電荷作用的Nat、K等離子；(2)變網(wǎng)陽離子，位于Si(T)O四面體之間，與氧呈六次或更高次配位，起著降低聚合程度的作用，如Fe”、Mn2、Mg”、Ca及一部分Al”、Fe”、Nat、K等。陽離子的結(jié)構(gòu)作用很復(fù)雜。這是因為陽離子種類繁多，結(jié)構(gòu)作用各異，相互影響也較大，而且有的陽離子的結(jié)構(gòu)作用有兩重性，有的陽離子還有價態(tài)的變化，而不同價態(tài)的結(jié)構(gòu)作用不同。因此，對硅酸鹽熔體結(jié)構(gòu)的研究，實際上主要集中在對陽離子結(jié)構(gòu)作用的研究上。 4)揮發(fā)份對熔體結(jié)構(gòu)的影響也是巨大的。根據(jù)結(jié)構(gòu)作用的不同，揮發(fā)份可分兩類。一類以H zO為代表，

7、包括H zS、HCl和HF等，它們?nèi)芙庥趲r漿時破壞橋鍵，降低橋氧的比例，導(dǎo)致熔體的解聚作用，其直接結(jié)果是大大降低熔體的固相線溫度和熔體的粘度，提高熔體的電導(dǎo)率。另一類以C02為代表，包括P 20s和SO 2等，它們?nèi)芙庥趲r漿時破壞非橋鍵，降低非橋鍵的數(shù)量比，使熔體的聚合程度提高。這兩類揮發(fā)份在巖漿熔體中的結(jié)構(gòu)作用不同，因而在巖漿過程中的作用也根本不同。例如，在上地幅橄欖巖發(fā)生部分熔融的過程中，由于H20和COz在硅酸鹽熔體中的結(jié)構(gòu)作用相反，所產(chǎn)生的巖漿性質(zhì)也截然不同。在富H 20條件下，產(chǎn)生比較富硅的石英拉斑玄武巖漿；而在富C02條件下，產(chǎn)生比較富堿貧硅的巖漿，如堿性玄武巖漿、碧玄巖漿和金伯利

8、巖漿等。3巖漿演化過程中元素的活動規(guī)律(1)主要元素的地球化學(xué)行為主要元素包括O、Si、A1、Fe、Ca、Mg、Na、K八種元素，這些元素又稱造巖元素，它們共占巖漿質(zhì)量的90以上，是巖漿作用的主導(dǎo)元素。這些元素不僅直接導(dǎo)致了巖漿巖的形成，而且制約著微量元素的分散和富集。 同其他主要元素的電子層結(jié)構(gòu)相比較，氧是唯一作為陰離子存在于巖漿中的。顯然，氧可以與那些半徑小、電價高、極化力強(qiáng)、離子電位高的元素(如Si“，有時A1”)呈配位鍵結(jié)合，形成絡(luò)陰離子，即SiOd和A1035。而氧與Nat、K、Mg”、Fe2、ca z等元素相互作用時，只能成離子鍵結(jié)合。這些元素在爭奪氧方面根本不能與硅和鋁相比，除非

9、在硅和鋁極少的情況下，F(xiàn)e34、Mg”、Fez能替代之，一般均不能與氧形成絡(luò)陰離子，而只能在硅(鋁)氧絡(luò)陰離子之外，呈典型的自由離子。 在巖漿演化過程中，隨著硅氧絡(luò)陰離子團(tuán)聚合程度的增高(島狀、單鏈、雙鏈、層狀和架狀)，公用氧的數(shù)目不斷增加，因此氧的有效電價逐漸降低，從而吸引陽離子的能力逐漸減弱(表81)，這決定了不同聚合程度的硅氧絡(luò)陰離子與不同的陽離子相結(jié)合。MglFe、Ca、Na、K這些元素的晶體化學(xué)性質(zhì)表明它們的極化能力依次降低。因此，Mg”、Fez傾向與那些有效電價高的硅氧絡(luò)陰離子結(jié)合，而Ca24、Nal、K則傾向與有效電價低的絡(luò)陰離子結(jié)合。由此可見，島狀和鏈狀的硅氧絡(luò)陰離子與Mg”、

10、Fe結(jié)合形成橄欖石和輝石、單鏈和雙鏈的硅氧絡(luò)陰離子與Ca24、Mg”、Fe結(jié)合形成輝石和角閃石以及層狀和架狀的硅氧絡(luò)陰離子與Ca2、Nat、K結(jié)合形成云母和長石，在能量上最合適。這就清楚地表明，這些元素自巖漿中析出的順序是：MgFeCaNaK。 主要元素在巖漿中析出的順序除決定于元素本身的特點以外，這些元素在巖漿中的濃度以及其他元素的影響，都可以在一定程度上改變它們的析出順序。但在一般情況下，隨著巖漿的演化，主要元素的析出有著明顯的規(guī)律性：從超基性巖一中性巖i酸性巖，MglFe含量遞減，Na、K含量遞增，Ca在基性巖中含量最高，氧和硅的含量變化不甚明顯，但也有向巖漿晚期富集的趨勢。(2)微量元

11、素的地球化學(xué)行為 巖漿巖中微量元素通常指在巖漿巖中含量在1以下的元素，呈分散狀態(tài)的微量元素基本上有兩種存在形式：一種呈非類質(zhì)同象形式存在，如在礦物中形成微包裹體、被礦物吸附和在礦物之間呈分子狀態(tài)等；另一種是呈類質(zhì)同象形式存在于其他礦物中。 形成非類質(zhì)同象混入物的主要控制因素，包括類質(zhì)同象混入物的分解、吸附以及硅酸鹽熔體結(jié)晶作用的條件等等。例如，在高溫條件下Zn2可以類質(zhì)同象方式進(jìn)入黑云母和角閃石的晶格，置換其中的Mg和Fe2，但溫度下降后，這一類質(zhì)同象混入物便可被分解出來轉(zhuǎn)變?yōu)槌史穷愘|(zhì)同象形式存在。 在巖漿中晶體化學(xué)規(guī)律對于控制微量元素的活動十分重要。礦床形成的可能性在很大程度上取決于這些元素

12、是否呈類質(zhì)同象混入于主要造巖礦物的晶格中。若與它們形成類質(zhì)同象，則這些元素部分或全部趨向于分散。例如Rb和Cs在花崗巖中的活動就是很好的例子，Rb的各種地球化學(xué)參數(shù)與主要造巖元素K很相似，因此它在巖漿結(jié)晶過程中幾乎全被鉀礦物所“捕獲”。但Cs卻與Rb不同，它不進(jìn)入那些造巖礦物中，雖然它在花崗巖中的含量較Rb4氏得多，但它卻能集中于巖漿晚期的花崗偉晶巖中，并能形成獨立的礦物艷榴石。 控制類質(zhì)同象的基本國素包括鍵狀、晶體化學(xué)性質(zhì)、置換的能量效應(yīng)和置換時的物理化學(xué)條件等。1起基性巖和基性巖主要巖類的地球化學(xué)特征 超基性巖和基性巖中的元素，除在地殼中分布較廣的Si、O、Mg、Fe外，還有Ti、Cr、N

13、i以及C、Na、A1、P、S(C1)、Ca、V、Mn、Co和鉑族元素等。這些巖石具有以下地球化學(xué)特征。 1)巖石中主要元素的原子序數(shù)為偶數(shù)(如Mg、Si、O、Ti、Fe、Ni、Cr、S、Ca、Pt等)。這些元素的含量占總原子數(shù)的97以上，這一規(guī)律突出地表現(xiàn)在超基性巖中。在基性巖中，由于Na、K、A1加入長石晶格，奇數(shù)元素的數(shù)量略有增加。 2)巖石中元素的原子核結(jié)構(gòu)大多屬4q型，例如o(16)、Mg(24)、Si(28)、S(32)、Ca(40)Ti(48)、Cr(52)、Fe(56)等。這些元素的原子核穩(wěn)定性最大。 3)巖石中的元素，以電價為偶數(shù)的元素(如Mg”、Fe2L、Ni”、Ti等)為主

14、，電價為奇數(shù)的元素(如Na4、K、A1”等)較少。4)超基性巖和基性巖漿的結(jié)晶，是在缺氧條件下進(jìn)行的，其中的元素常處于低氧化狀態(tài)，例如，這一時期形成的鐵的硫化物，主要是磁黃鐵礦而不是黃鐵礦。 5)超基性和基性巖中類質(zhì)同象極為發(fā)育。等價置換的，如橄欖石是中Fe置換Mg”，普通輝石中Mn 2置換Fe”，橄欖石中Ni和C。z4置換Fe和Mgi，鉑族元素的相互置換等等。異價置換的，如Sc”加入鎂硅酸鹽的品格，欽礦物中存在有Nb”和Ta”；自然鉑中存在有Fez和Cu”；磁鐵礦中存在的)4i和V”以及Mg”、鉻尖晶石中存在Fe和A1等。 6)這類巖石的礦物中經(jīng)常聚集鐵族元素(Ti、V、Cr、Mn、Fe、C

15、o、Ni)。這些元素的離子具不對稱性，故染色性高，順磁性顯著，從而使這類巖石具有很深的顏色和很強(qiáng)的磁性。 7)這類巖石中礦物晶格能較大，這就決定了這些礦物具有一定的工藝技術(shù)價值，如高硬度(金剛石、尖晶石、鉻鐵礦)、化學(xué)穩(wěn)定性(金剛石、剛玉、鉑族元素礦物、石棉等)和耐高溫(剛玉、鉻鐵礦、石墨、滑石)等。 根據(jù)Mg()FeO比值的不同，有人將我國的超基性巖和基性巖分為5種類型：鎂質(zhì)超基性巖(MgOFeO6，5，一般變化于6514之間)、鐵質(zhì)超基性巖(MgOFeO比值介于265之間)、富鐵質(zhì)超基性巖(MgOFeO比值介于o52之間)、鐵質(zhì)基性巖(MgOFe()2)和富鐵質(zhì)基性巖(MgOFeOo5)。

16、顯而易見，由超基性巖向基性巖變化時，Mg逐漸減少，F(xiàn)e z相對增加，因此MgOFe()比值不斷下降。 2花崗巖類 花崗巖類巖石中的常見元素有Li、Be、B、F、Na、A1、Si、P、Cl、K、Rb、Y、TR、Zr、Hf、Nb、Ta、W、Sn、Mo、U、Th等。它們組合成花崗巖類巖石中特有的礦物：(1)主要礦物為石英、微斜長石、正長石、酸性斜長石、黑云母和白云母；(2)副礦物包括鉻石、磷灰石、稠石、褐簾石、獨居石、電氣石、錫石、螢石、金紅石等。 在Ch叩pell和White(1974)L3s將花崗巖劃分為S型和I型的基礎(chǔ)上，Pitcher(1982)L5d認(rèn)為“不同成因類型的花崗巖類代表不同的活

17、動帶”，也就是說，特定的構(gòu)造環(huán)境將產(chǎn)生特定的花崗巖。據(jù)此，他把花崗巖分為5類：(1)海洋島弧型(M型)：以大洋島弧型斜長花崗巖為主；(2)活動大陸板塊邊緣型(科迪勒拉I型)：以大量輝長巖、石英閃長巖組合為代表；(3)造山期后隆起型(加里東I型)：以花崗閃長巖和花崗巖為主；(4)克拉通稻皺帶和大陸碰撞帶型(S型)：為過鋁質(zhì)花崗巖組合；(5)穩(wěn)定稻皺帶和克拉通官隆和裂谷型(A型)：為堿性花崗巖組合。表82為Pitcher提出的分類。顯而易見，這些不同成因類型的花崗巖類，且有不同的地質(zhì)地球化學(xué)特征。與超基性和基性巖相比，花崗巖類巖石中元素的地球化學(xué)特征明顯表現(xiàn)出以下幾個規(guī)律：(1)除在地殼中分布最廣

18、的Si和O外，原子序數(shù)為偶數(shù)和電價為偶數(shù)的元素，特別是4q型原子(如Fe、Ca、Mg)的含量大大降低，而原子序數(shù)為奇數(shù)，電價亦為奇數(shù)的元素，如A1的含量則大為增加；(2)堿金屬元素K、Na、Rb、Cs的含量大大增加，Si的含量也明顯升高；(3)半徑大的Y、TR、Zr、Hf、Nb、Ta、Th、U和半徑小的瓤、Be、B等元素的含量均有增加；(4)易成揮發(fā)性化合物的F、Cl、P、OH等元素，其含量也明顯升高。3堿性巖類 堿性巖在礦物成分和化學(xué)成分上都有著與其它巖石完全不同的特點。在礦物成分上的特點是：(1)長石成分以堿性長石(正長石、微斜長石、鈉長石)為主；(2)一般含有霞石，其它副長石礦物如白榴石

19、、方鈉石、渤方石、藍(lán)方石、鈣霞石、方沸石等也經(jīng)常出現(xiàn)；(3)鐵鎂礦物往往是堿性的，如霓石、霓輝石、鈉鈣閃石、鐵錘云母等；(4)副礦物相當(dāng)復(fù)雜，常見的有鉆石、磷灰石、棍石、螢石等，有時還可見鉆和鉆的復(fù)雜硅酸鹽，如異性石、閃葉石、硅飾鐵礦、燒綠石、欽鐵礦以及欽磁鐵礦等。在巖石化學(xué)成分上的特點是：(1)Si02的含量較酸性巖低，Al z02也相對不足；(2)堿金屬元素特別是Na、K的含量很高；(3)具有大量的揮發(fā)份，如F、C1、COz和OH等；(4)Nb、Zr、TR、“J、Th等稀有元素能集中形成獨立礦物或礦床。堿性巖的主要代表是霞石正長巖。根據(jù)化學(xué)成分的不同，可以將霞石正長巖分成兩類：一類是鈉質(zhì)火

20、成巖，特別富含Na和Fe，K zO十Na 2()A1z()21，這種堿性巖具有與其它巖石相反的結(jié)晶順序，一般是Zr、Ti和Fe的化合物析出較晚；另一類是云霞正長巖，富含鉀、結(jié)晶順序正常。這兩類堿性巖的巖石化學(xué)和地球化學(xué)特征見表83。 在鈉質(zhì)火成巖中，由于SD 2含量不足，故不能形成石英，甚至不能全部形成長石，而只能形成霞石等似長石礦物，后者不能與石英共生。 由于鈉質(zhì)火成巖中含有大量的Na，而Si和Al相對不足，放在形成似長石和長石以后，巖漿熔體中Si和A1的濃度大大降低，從而使熔體中沒有足夠的絡(luò)陰離子與堿金屬離子彼此結(jié)合，以保持系統(tǒng)的平衡。這時就只有通過陽離子中的兩性元素(如Zr、Ti、Nb、

21、Ta、Be等)，與氧結(jié)合成絡(luò)陰離子，再和Na、K結(jié)合。Ti、Zr、Nb、Ta、Be等兩性元素在Si、Al含量很低時，形成Tiod”、LZrO*”、Nb041”、Ta()d13、BeOd等絡(luò)陰離子，這些絡(luò)陰離子與SOd連接形成許多復(fù)雜硅酸鹽礦物，如異性石、星葉石等，Nb、Ta、Zr、Be等稀有元素大量地分散在這些礦物中，而不能形成獨立礦物。三、火山作用地球化學(xué) 火山巖漿主要起源于上地慢(特別是軟流圈)。由于地怪物質(zhì)部分熔融作用而產(chǎn)生的熔漿，沿火山通道上升到達(dá)地表，即表現(xiàn)為火山作用。但一些淺源火山作用的巖漿則來自地殼深部或硅鋁層(有時深度只有56km)。 火山作用的產(chǎn)物有三種：(1)氣體噴發(fā)物：成

22、分有H zO、Hz、N 2、C021、SOz、H zS、HCl、HF和CH4等；(2)液體噴發(fā)物：指各種熔漿，最主要的為硅酸鹽熔融體，噴發(fā)形成各種熔巖；(3)固體噴發(fā)物：有火山灰、火山砂、火山礫、火山渣和火山彈等。1不同構(gòu)造環(huán)境火山作用的地球化學(xué) 火山巖系列常被用來定義火山巖組合。同一系列中的火山巖是巖漿長期演化的產(chǎn)物，表現(xiàn)在礦物成分和化學(xué)成分的變化上具有明顯的規(guī)律性。都城秋穗將火山巖歸納為三個系列：拉斑玄武巖系列、鈣堿性火山巖系列和堿性火山巖系列。隨著結(jié)晶分異作用的進(jìn)行，拉斑玄武巖系列的Fe()(Feo十o9Fe z03)和Ti02逐漸富集，而鈣堿性火山巖系列則趨于減少。具相同SiO 2含量

23、的巖石，F(xiàn)eO xMgo不同，即拉斑玄武巖系列巖石的FeO xMgO大于鈣堿性火山巖系列巖石，且后者A1zO：、K zO含量較高。拉斑玄武巖系列一般自玄武巖開始，整個系列Si()z含量變化幅度為4863；鈣堿性火山巖系列自安山巖開始，S舊z含量變化幅度為52一70；堿性火山巖系列隨著Si02含量的增加，F(xiàn)eO xMgO、FeO x和TiO 2含量均增加，這點與拉斑玄武巖相似，但堿金屬含量比其他兩個系列都高?其中也可分為鈉質(zhì)和鉀質(zhì)兩個系列?；鹕綆r漿活動與環(huán)境關(guān)系的研究多從兩方面著于。一方面是在已知構(gòu)適外境的情況下，研究該地區(qū)的火山巖巖石學(xué)和地球化學(xué)特點；另一方面正好相反，從某地區(qū)火山巖巖石學(xué)和地

24、球化學(xué)特征出發(fā)，研究該地區(qū)的構(gòu)造環(huán)境。大量研究表明，不同地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境的火山活動及其地球化學(xué)特點是不同的。三個不同系列火山巖的分布與構(gòu)造環(huán)境的關(guān)系見表8，4。根據(jù)巖石的地球化學(xué)特征來判斷其形成環(huán)境的實例很多。例如，美國加利福尼亞州的喀斯特地區(qū)，其南端的拉森區(qū)有三種巖石：低鉀橄欖拉斑玄武巖、鈣堿性玄武巖和安山巖。低鉀橄欖拉斑玄武巖的主要特征是，主要元素和稀土元素成分沒有明顯的變化，SiO z(48一495)、K z()(04)和Sr(4O×10)含量都很低，里近于平宜的REE分布模式，Eu為正異常；與此相反，在一定的SD2含量條件下，鈣堿性玄武巖中不相容元素的含量變化很大，例如，當(dāng)SiO

25、z含量為53時，K 20含量為o252o，Sr含量為4o×lo一12×lO“。而一些低鉀安山巖，其Sr含量可達(dá)15×10“，而且所有鈣堿性熔巖的IJaSm和SmYb比值都大于球粒隕石，其REE分布模式呈雙凹狀(即由La到5m的分布曲線向下凹，Gd到Y(jié)b的分布曲線向上凹)。 低鉀橄欖拉斑玄武巖由開始噴發(fā)到結(jié)束，其成分無變化，且含有較高的相容元素(Mg65×10“，Ni1o×10“，Cr15×10)，沒有斑晶堆積，：SrSr初始比值大于o7036。由此可以認(rèn)為，這些特點符合原始巖漿的成分，并且有“大陸”特征；鈣堿性熔巖的分析結(jié)果表明，該熔

26、巖屬于“大洋”(近似MORB)型，其“Sr“。Sr初始比值小于o7034；低鉀高銀安山巖也代表原始成分，因為這種特殊的安山巖的同位素組成近似于M()RB型，所以它不可能來源于低鉀橄欖拉斑玄武巖和鈣堿性玄武巖母巖漿。 鈣堿性巖系常常被認(rèn)為是會聚板塊邊緣的特有產(chǎn)物，但北智利的晚石炭世至三疊紀(jì)安第斯火山巖卻以富硅質(zhì)的凝灰?guī)r和熔巖流為主，具有大陸層狀富硅火山巖的特點，屬雙峰式鈣堿性巖系。這種富硅質(zhì)火山巖以Ba、Sr含量高而K、Na含量低為特點，所以其形成環(huán)境被認(rèn)為屬于板內(nèi)擴(kuò)張大陸環(huán)境。2各類火山建造的地球化學(xué)特點 火山建造亦常被用來定義火山巖組合。同一火山建造的火山巖組合，雖然時代上可以不一樣，空間上

27、可以出現(xiàn)于不同的地區(qū)，但它們都屬于同一類型地質(zhì)構(gòu)造條件下的產(chǎn)物，大體處于不同造山旋回的相類似的發(fā)展階段上。 根據(jù)火山作用與造山作用的關(guān)系，可以將火山作用劃分為前造山期火山作用、晚造山期火山作用和后造山期火山作用。隨著一個地區(qū)由活動趨于穩(wěn)定，這三類火山作用可以出現(xiàn)于同一地區(qū)的不同發(fā)展階段?；鹕浇ㄔ熘饕邪朔N類型，它們與造山作用的關(guān)系見表1)細(xì)碧用斑巖建造 造山運(yùn)動前的海相噴發(fā)物。細(xì)碧巖的Si()2含量落入玄武巖范疇，但鈉含量超過玄武巖，Na z)含量4，TiOz含量較高，Ca()和MgO含量稍低。地球化學(xué)持征是Na、硫化物、Ti、Ca的活動性強(qiáng)而K的活動性弱，常形成FeCu硫化物的富集。 2)變

28、拉斑玄武巖建造 造山運(yùn)動前的海相噴發(fā)物，是一種淺變質(zhì)的拉斑玄武巖。與納碧巖的區(qū)別是，變拉斑玄武巖的NazO含量低、CaO含量高、CaoNa zo為35，且KzO含量一般小于03，顯著低于大陸拉斑玄武巖的鉀含量。變拉斑玄武巖的特點與大洋拉斑玄武巖十分接近。細(xì)碧巖可能是變拉斑玄武巖的一種特殊相。 3)安山巖建造 安山巖主要分布于環(huán)太平洋年輕造山帶中。中間地塊和古陸臺邊緣也可見到這種建造，往往是陸相中心式噴發(fā)。安山巖建造存在兩個主要演化方向：一是向酸性演化(安山巖一英安巖一流紋巖)；二是向堿性方向演化(安山巖一粗安巖一粗面巖一堿性租面巖)。前者主要出現(xiàn)于隆起帶，構(gòu)造活動比較強(qiáng)烈，巖漿房不斷擴(kuò)大并上升

29、位移進(jìn)入地殼上部圈層，因此巖漿必然越來越酸性；后者相對來說主要見于助陷區(qū)，由于構(gòu)造活動漸弱，逐漸趨向穩(wěn)定，巖漿層處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，有利于堿金屬在巖漿分異過程的較晚期集中。這類建造的次火山巖和淺層侵入體是尋找Cu、Mo、Fe礦床的主要對象。 安山巖建造的地球化學(xué)特征是鉀的活動性強(qiáng)，SiOz較富，CM、Mo、Au、Ag、Fe、Pb、Zn、As是其較為特征的富集元素。 4)粗面安山巖建造 以堿金屬含量普遍偏高為特點，而且演化愈到后期愈富。特別是K 20含量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一般安山巖建造，基性元素則比一般安山巖建造明顯減少。長江中下游一些沿江火山巖盆地，可作為該建造的代表。有Fe、Cu、S等元素富集成礦。

30、5)流紋巖建造 一般見于造山運(yùn)動晚期的構(gòu)造隆起階段，經(jīng)常是陸相噴發(fā)。我國東部沿海地區(qū)廣泛發(fā)育保羅白至紀(jì)火山巖系，流紋巖建造在其中占有很重要的地位。 這個建造中的流紋巖次火山花崗巖組合比火山巖略偏酸性，富SiOz，或略偏堿性，富Na20十K 20。A120：常過飽和。地球化學(xué)特征是富含W、Sn、Mo、U及稀有、稀土金屬元素。 太古宙后的流紋巖大部分局限于地殼厚度較大的大陸地區(qū)；大洋區(qū)多是堿性流紋巖，可能是玄武巖漿的分異產(chǎn)物。大量的流紋巖和流紋質(zhì)熔結(jié)凝灰?guī)r高鉀、富鋁和硅，RbSr、：Sr“Sr明顯地高于基性巖和中性巖，表明本類巖石的巖漿主要來自硅鋁層。 6)泛流式拉斑玄武巖建造(暗色巖建造或高原玄

31、武巖建造) 主要見于穩(wěn)定的克拉通地區(qū)，為陸相噴發(fā)產(chǎn)物。SiOz含量為49一51，Na zO十KzO含量較低，通常為15一3o。泛流式拉斑玄武巖與大洋拉斑玄武巖區(qū)別不大，僅K zO含量略高，可能是受硅鋁層混染的結(jié)果。這類建造以Fe、Ti、V、Cr、Ni等元素的高含量為特征。釩欽磁鐵礦、銅鎳硫化物礦床為其重要礦化類型。 7)堿性橄欖玄武巖建造與大斷裂有明顯關(guān)系，時代較新，一般是第三紀(jì)和第四紀(jì)，大多分布于大洋島嶼上。我國東部也是這類建造的典型。與大洋島嶼相比，我國東部的K zO含量顯著地超過世界各地的平均含量。關(guān)于玄武巖的成因，普遍認(rèn)為是地幅部分熔融產(chǎn)生的。根據(jù)實驗，當(dāng)壓力相當(dāng)于15km的范圍內(nèi)，分

32、熔出來的是石英拉斑玄武巖，1535km為高鋁玄武巖，3575km為堿性橄欖玄武巖。太平洋西岸玄武巖的分布也反映出這一規(guī)律。日本靠大洋一側(cè)為拉斑玄武巖，日本海、朝鮮和我國東北為堿性橄欖玄武巖，二者之間為高鋁玄武巖。 8)堿性玄武巖建造(超基性堿性巖建造) 出現(xiàn)于穩(wěn)定地區(qū)，同深大斷裂密切相關(guān)，經(jīng)常為中心式噴發(fā)，與伴有碳酸巖的超基性堿性侵入體有共生關(guān)系。Nb、TR、zr、Fe、Ba、Sr、P等為其特征的成礦元素。含金剛石的金伯利巖可能與其有成因聯(lián)系。第二節(jié) 沉積作用 相對于巖漿作用和變質(zhì)作用，沉積作用包括風(fēng)化、搬運(yùn)、沉積和埋藏成巖在內(nèi)的沉積巖形成的全過程。 在沉積巖形成的過程中，除物理狀態(tài)的明顯變化

33、(壓實、固結(jié))外，還有原始物質(zhì)的分解、新生物質(zhì)的形成，以及與之相伴的元素的活化遷移與重組等地球化學(xué)變化。下面就從母巖風(fēng)化、搬運(yùn)沉積和埋藏成巖等幾個方面來簡要論述沉積巖形成過程中的地球化學(xué)問題。一、母巖風(fēng)化地球化學(xué) 組成沉積巖的沉積物質(zhì)的可能來源有：(1)陸源母巖風(fēng)化產(chǎn)物；(2)生物源一生物殘骸和有機(jī)物質(zhì)；(3)深源火山噴發(fā)物和熱泉噴發(fā)物；(4)空源字宙塵和其它地外物質(zhì)。其中母巖風(fēng)化產(chǎn)物，是沉積物最主要的來源，也是構(gòu)成主要沉積巖的基本物質(zhì)。如母巖風(fēng)化的碎屑物質(zhì)是構(gòu)成陸源碎屑巖(礫巖、砂巖、粉砂巖)的主要成分；不溶殘積物質(zhì)是泥質(zhì)巖的主要成分；溶解物質(zhì)則是構(gòu)成化學(xué)或生物化學(xué)巖(碳酸鹽巖和蒸發(fā)巖等)的

34、主要成分。 沉積物的母巖，即先成巖，可以是巖漿巖、變質(zhì)巖，也可以是先成的沉積巖。母巖風(fēng)化是指地表巖石在溫度變化、大氣、水、生物等因素作用下，發(fā)生的機(jī)械破碎和化學(xué)變化。按作用性質(zhì)，可分為物理風(fēng)化、化學(xué)風(fēng)化和生物風(fēng)化。其中化學(xué)風(fēng)化是母巖風(fēng)化的重要方面。化學(xué)風(fēng)化過程中伴有一系列的地球化學(xué)變化，如礦物相的轉(zhuǎn)變、元素的活化遷移等。 1礦物相的轉(zhuǎn)變 母巖中的一些原生礦物相，尤其是深成母巖中的原生礦物相，在地表條件下往往是不穩(wěn)定的，在風(fēng)化過程中常常被分解并向地表條件下穩(wěn)定的礦物相轉(zhuǎn)變。如輝石相變?yōu)槊擅撌?、斜長石相變?yōu)橐晾取?在風(fēng)化帶中，礦物相的變化具有明顯的階段性，一種原生礦物隨著風(fēng)化程度的加深，通過一

35、系列中間階段，依次形成一些過渡性礦物，然后轉(zhuǎn)化為與風(fēng)化環(huán)境取得平衡的礦物。下面是一些造巖礦物在風(fēng)化過程中的相變規(guī)律： 輝石一綠泥石一水綠泥石i蒙脫石i多水高嶺石一高嶺石； 黑云母一蛙石一蒙脫石一高嶺石； 鉀長石一絹云母一伊利石一高嶺石。 在風(fēng)化帶中，各種造巖礦物的穩(wěn)定性不同，它們抗風(fēng)化的能力也有明顯的差異。Goldish(1938)和Blatt等人(1972)經(jīng)過研究，總結(jié)出風(fēng)化帶中礦物的穩(wěn)定性序列(圖81)。該穩(wěn)定序列與鮑溫的結(jié)晶反應(yīng)系列完全相同，但兩者意義不同。在穩(wěn)定序列中自上而下穩(wěn)定性增加，表明礦物的結(jié)晶條件愈接近地表，在風(fēng)化帶中穩(wěn)定性愈高。礦物的穩(wěn)定性與其化學(xué)成分具有一定的相關(guān)性，據(jù)此

36、，Reiche(1950)提出用風(fēng)化勢能指數(shù)(H尸J)來表示礦物的穩(wěn)定性。其計算公式為： W尸J100×K 20十Na 20十CaO十MgO十H 20Si02十Alz02十Fe 20：十MgO十CaO 十Na 20十K 20 指數(shù)愈大，穩(wěn)定性愈小。2元素的活化遷移 母巖風(fēng)化過程中元素的活化遷移主要表現(xiàn)在一些元素的淋濾分散和另一些元素的殘積富集。各種元素在特定的風(fēng)化條件下活化遷移的能力是不樣的，亦即各種元素從母巖中析出的難易程度不同，因而造成不同元素按一定順序從母巖中分離出來元素的風(fēng)化分異。 波雷諾夫(1934)首先提出可用河水中元素的含量與該河流域的巖石中相應(yīng)元素的比值，來判斷元素的

37、相對活動性。彼列爾曼(1955)在此基礎(chǔ)上，提出用“水遷移系數(shù)足來衡量元素在風(fēng)化帶中的遷移能力。此系數(shù)為河水干渣中的元素含量與該河流域巖石中相應(yīng)元素含量的比值。K值愈大，表明該元素的遷移能力愈強(qiáng)?！八w移系數(shù)”的計算公式如下：式中：尺一元素的水遷移系數(shù)；2x元素在河水中的含量(mgU；“礦物質(zhì)殘渣總量(mg1)；z元素在該河流域巖石中的平均含量()。 根據(jù)計算，彼列爾曼將風(fēng)化帶中的元素分為五類： 1)最易遷移元素(久”×10n×lo)：C1、Br、I、S； 2)易遷移元素(Kn一”×10)：Ca、MglNa、F、Sr、K、Zn、Pb；河水中 3)遷移元素(久n&#

38、215;10“一n)：Cu、Ni、Co、Mo、V、Mn、P、Si(硅酸鹽中)； 4)弱遷移元素(尺22×10)：Fe、AL、引、Sc、Y、REE； 5)幾乎不遷移元素(K鈞”×lo“。)：Si(石英中)。 上述每一類元素又是按“水遷移系數(shù)”降低的順序排列的。從遷移序列中可看出，各種元素的遷移能力相差很大。這就形成了原來共生的元素在風(fēng)化過程中因遷移能力的差異而發(fā)生分異。遷移能力最強(qiáng)的Cl、S等元素最先從風(fēng)化帶中流失；其次是Ca、Mg、Na、F等；K、Mn、P等元素遷移能力相對較弱；A1、Fe、Ti等遷移能力很弱，往往殘留原地形成紅土或鋁土。 在風(fēng)化帶中，不同的風(fēng)化階段，元素的

39、活化遷移也有一定的規(guī)律： 1)碎屑階段：以物理風(fēng)化為主，元素幾乎不發(fā)生遷移。 2)飽和硅鋁階段：巖石中如有氯化物和硫酸鹽將全部溶解，Cl和S()d全部被帶出。然后在C()z和H z()的共同作用下，鋁硅酸鹽和硅酸鹽礦物開始分解，游離出I(、Na、Ca、Mg，其中Ca和Na的流失要比K和Mg容易。這些陽離子的存在，使介質(zhì)呈堿性反應(yīng)，致使一部分Si()2轉(zhuǎn)入溶液。這個階段形成的粘土礦物有蒙脫石、伊利石、綠泥石等。同時，堿性條件下難溶的碳酸鈣開始堆積。3)酸性硅鋁階段：堿金屬和堿土金屬大量被溶濾，Si02進(jìn)一步游離出來。隨著有機(jī)質(zhì)分解形成大量有機(jī)酸和C02，使環(huán)境介質(zhì)轉(zhuǎn)為酸性。上階段形成的礦物進(jìn)而轉(zhuǎn)

40、變?yōu)樵谒嵝詶l件下穩(wěn)定的不合堿金屬和堿土金屬的粘土礦物高嶺石、埃洛石等。 4)鋁鐵土階段：此階段鋁硅酸鹽礦物徹底分解，堿金屬和堿土金屬全部游離出來，SiO!也大量流失?？蛇w移的元素幾乎全被帶走，剩下的主要是鐵和鋁的氧化物及部分二氧化硅。搬運(yùn)沉積地球化學(xué) 如前節(jié)所述，母巖風(fēng)化的產(chǎn)物可分為三類：碎屑物質(zhì)、不溶殘積物質(zhì)和溶解物質(zhì)。其中碎屑物質(zhì)、不溶殘積物以機(jī)械方式搬運(yùn)和沉積，其搬運(yùn)和沉積作用受流體力學(xué)定律所支配；而溶解物質(zhì)常以化學(xué)方式搬運(yùn)和沉積，其搬運(yùn)和沉積作用受物理化學(xué)和地球化學(xué)定律所控制。 溶解物質(zhì)的搬運(yùn)方式主要有兩種：即膠體溶液和真溶液。溶解物質(zhì)以何種方式搬運(yùn)，取決于該物質(zhì)的溶解度和介質(zhì)條件。地

41、表條件下，Al、Fe、Mn、Si的氧化物難溶于水，常呈膠體溶液搬運(yùn)；而Ca、Na、Mg的鹽類則常呈真溶液搬運(yùn)(圖82)。1膠體溶液的搬運(yùn)與沉積地表常見的膠體化合物見表86。膠體溶液與真溶液比較有如下特點：離子團(tuán)較大；表面帶有電荷，帶正電荷的為正膠體，帶負(fù)電荷的為負(fù)膠體；正負(fù)膠體普遍具有吸附現(xiàn)象。膠體溶液的搬運(yùn)和沉積取決于肢體在搬運(yùn)介質(zhì)中的穩(wěn)定性，而膠體的穩(wěn)定性又受下列因素的影響：1)膠體粒子的布朗運(yùn)動；2)帶電膠體粒子間的相互作用；3)帶電膠體粒子與溶劑間的親和作用。 沉積介質(zhì)中搬運(yùn)的膠體，當(dāng)條件發(fā)生變化，膠體溶液失去穩(wěn)定性，就會發(fā)生聚沉。促使膠體凝聚和沉積的因素主要有： 1)相互中和：帶有相

42、反電荷的兩種膠體相遇，因電荷中和而發(fā)生凝聚。例如，帶正電荷的氫氧化鐵膠體與帶負(fù)電荷的二氧化硅膠體中和形成含二氧化硅的褐鐵礦；三氧化二鋁膠體與二氧化硅膠體中和，凝聚晶化形成高嶺石，其反應(yīng)過程如下： 2A120：。nH zO十4Si02·”H 20Ald(SidOlo)(OH)：十nHzO 自然界中負(fù)肢體多于正膠體，故正膠體易于在搬運(yùn)早期就中和沉淀，而負(fù)膠體常可搬運(yùn)得更遠(yuǎn)。 2)電解質(zhì)作用：加入電解質(zhì)后可使膠粒表面吸附的帶相反電荷的離子中和，從而使膠體的擴(kuò)散層變薄，電動電勢降低，導(dǎo)致膠體失穩(wěn)而凝聚。海水中含有大量電解質(zhì)，當(dāng)河流攜帶的膠體與海水相遇，就可形成凝膠沉淀。因此在三角洲和海岸沉積

43、中?？梢姷酱罅空砳和氧化硅等膠體沉積物，有時可聚集成鐵、錳、鋁等沉積礦床。 3)蒸發(fā)作用：膠體溶液的蒸發(fā)濃縮也會引起膠體凝聚，原因是一方面濃度增大造成膠粒碰撞的機(jī)會增多，另一方面蒸發(fā)濃縮也使溶液中電解質(zhì)的濃度增大。 除上述主要因素外，沉積介質(zhì)的pH值也對膠體的凝沉產(chǎn)生影響。如高嶺石在酸性介質(zhì)中(pH68)發(fā)生凝聚，而蒙脫石在堿性介質(zhì)中(PH78)才能凝聚。此外，pH值對兩性膠體也有明顯影響。2夏溶液的搬運(yùn)與沉積 溶解物質(zhì)中的氯、硫、鈣、鈉、鉀、鎂等常呈真溶液的方式搬運(yùn)；有時鐵、錳、鋁等也可呈真溶液的方式搬運(yùn)。 真溶液的搬運(yùn)與沉積主要取決于搬運(yùn)物的溶解度或溶度積(K”)。當(dāng)溶液中某種物質(zhì)的離子濃

44、度超過其相應(yīng)的溶解度或溶度積時，該物質(zhì)就會沉淀析出，反之則要溶解。例如，硬石膏的溶度積為(61×10“)，當(dāng)溶液中CazS0261×10時，就有硬石膏沉淀，反之，加入硬石膏則會溶解。 真溶液的搬運(yùn)和沉積受溶解度或溶度積的控制，而后者又受到介質(zhì)pH值、Eh值、溫度、壓力、COz含量等因素的影響。 1)pH值：pH值的影響因溶解物質(zhì)而異。有些物質(zhì)的溶解度隨pH值增大而增加，如二氧化硅在pH5時，其溶解度為109mg1，pH6時，為218mg1，pHU時則增加到378mg1。但有些物質(zhì)恰相反，如CaC02在pH8時溶解度最小。因此在酸性介質(zhì)中，Si02沉淀而CaCO 2溶解，而在

45、堿性介質(zhì)中則相反。 鐵、鋁氫氧化物的溶解度與pH值的關(guān)系比較復(fù)雜。高價鐵在pH23時呈Fe(OH)2的形式沉淀；pH為5時，呈Fe(OH)z的形式沉淀；當(dāng)PH67時，如溶液中含有CO 2，就呈FeC()s形式沉淀。而鋁在PH410時最為穩(wěn)定，以AL(OH)：形式沉淀；而在PH4或10的強(qiáng)酸或強(qiáng)堿條件下則易溶解。磷與鋁的情況相似。 2)Eh值：Eh值對鐵、錳等變價元素的溶解和沉淀影響較大。鐵、錳元素在氧化條件下呈赤鐵礦、軟錳礦沉淀；在弱氧化弱還原條件下，形成海綠石；在還原條件下呈低價的菱鐵礦、菱錳礦沉積；在強(qiáng)還原條件下則生成黃鐵礦、硫錳礦。而且，低價的鐵、錳礦物的溶解比高價的要大數(shù)百倍以至數(shù)干倍

46、，因此低價鐵、錳比高價鐵、錳容易活化遷移。通常可將氧化還原系統(tǒng)中礦物相的穩(wěn)定性繪成pHEh圖解，在圖上把各種反應(yīng)的Eh值表示為pH值的函數(shù)。這種圖解可以根據(jù)所有固相的自由能數(shù)據(jù)作出，可以編制各種濃度及各種化學(xué)成分的圖解。圖83是主要鐵礦物的pHEh穩(wěn)定區(qū)圖解。 3)溫度與壓力：一般來講，物質(zhì)的溶解度隨溫度的增高而加大。在常溫下，SiOz的溶解度很低，但隨著溫度的增高，其溶解度急劇增加。因此，在現(xiàn)代大洋或大陸熱泉中，含有大量的SiOz，這些熱泉噴溢后，隨著溫度的降低，溶解的Si02便以硅華或硅巖的形式沉淀下采。 。 此外，溫度還可以改變化學(xué)反應(yīng)的方向，降低溫度有利于化學(xué)平衡向放熱方向移動，反之則

47、相反。 壓力增大時，化學(xué)平衡向著體積減少的方向移動，反之則相反。壓力對溶解度的影響不大，但對溶液中C02含量的影響卻很大。 4)溶液中C02含量：COz的含量對碳酸鹽的沉淀和溶解影響很大，從下面反應(yīng)式； CaCO：十C02十H zO七a(HC03)z可以看出，當(dāng)COz含量增大時，平衡向右移動，碳酸鈣溶解；COz含量減少，碳酸鈣沉淀。 水中的CO z含量又與溫度、壓力有關(guān)。溫度升高，COz含量減少，所以在熱帶及亞熱帶海水中可見到較多的CaCO：沉淀。壓力增大，CO 2含量增加，因之地下水中COz含量比地表水多，所以在石灰?guī)r溶洞及泉水出口處，常有石鐘乳、鈣華沉積。綜上所述，溶解物質(zhì)的搬運(yùn)和沉積是與

48、一定的地球化學(xué)條件相聯(lián)系的。埋藏成巖地球化學(xué) 沉積物沉積下來后，從松散狀態(tài)到形成堅硬巖石還要經(jīng)歷一系列物理化學(xué)變化。這些變化主要有：壓實、壓溶、膠結(jié)、交代、重結(jié)晶和礦物的多相轉(zhuǎn)變以及與其相伴的元素的活化遷移與重組等。下面就其中有關(guān)的地球化學(xué)問題作簡要論述。 1礦物相的變化與自生礦物的形成 沉積物被埋藏后，由于物理化學(xué)環(huán)境發(fā)生變化，原先穩(wěn)定的礦物在新的條件下不再穩(wěn)定，從而導(dǎo)致礦物相的變化。在埋藏成巖階段，礦物相的變化有多種形式，其中包括原有礦物的溶解、交代、重結(jié)晶以及多相轉(zhuǎn)變等。 在新的環(huán)境條件下，一些原有的沉積礦物不再穩(wěn)定而溶解。原有礦物溶解后可在沉積巖中留下溶蝕孔。有時一種礦物溶解的同時，另

49、一種新生礦物發(fā)生沉淀，以占據(jù)原有空間，這種現(xiàn)象在沉積學(xué)上稱為交代作用。如方解石被白云石交代和碳酸鹽被Sioz交代等。 沉積物埋藏后，溫度壓力增高，一些礦物在新的條件下，以溶解再沉淀或固體擴(kuò)散等方式，使細(xì)小晶粒集結(jié)成粗大晶粒，這一過程稱為重結(jié)晶作用。 沉積物埋藏后，一些結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的礦物相向結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的礦物轉(zhuǎn)變。沉積巖中，最常見的是文石和高鎂方解石向方解石的轉(zhuǎn)變；此外，沉積巖中還常見非品質(zhì)SiOz轉(zhuǎn)變?yōu)橛袼杌蚴?。隨著埋藏深度的加大，壓力和溫度的增加，還會引起粘土礦物的重結(jié)晶和相轉(zhuǎn)化。一般情況下，隨著埋深的增加，高嶺石和蒙脫石會逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐晾蚓G泥石。 在埋藏成巖階段，除原有礦物的溶解和相變外，還

50、有新生礦物的形成。在沉積期后備階段新生成的礦物，稱自生礦物。常見的自生礦物有海綠石、綠泥石等硅酸鹽礦物；方解石、菱鐵礦等碳酸鹽礦物；石英、蛋白石等氧化礦物以及黃鐵礦、白鐵礦等硫化礦物。這些礦物往往形成于特定的條件下，因此可作為判別成巖環(huán)境的重要標(biāo)志。2元素的活化遷移與重組 沉積物埋藏后，在礦物相變化與自生礦物形成的同時，時常伴有元素的活化遷移與重組。不同的沉積物，活化遷移的元素類型與形式不同。下面以幾種主要的沉積類型為例分別述之。 (1)砂巖：砂質(zhì)沉積物埋藏后，與地層水相互作用，導(dǎo)致一些元素的活化遷移與重組。由于砂質(zhì)沉積物的礦物成分主要是石英、長石和其它一些鋁硅酸礦物，因此，活化遷移進(jìn)入流體的

51、元素主要有Si、Ca、K等。 Si02十2H 2()一HSiO CaAlzSi 20：十2H 20十2C02一A1zSizO s(OH)十Ca2十2HCO： 2KAlSi()：十2C02十7H20一2K十A1zSi zO s(OH)d十4HSiOd十2HC()： 埋藏成巖階段，一些元素進(jìn)入流體的同時，另一些元素(Ca、Fe、Mg、Na等)則從流體轉(zhuǎn)入固體：Ca2十2HC()2一CaCO：十COz十H zOFez4十2HC02一FeC02十COz十H 20Fe十2H 2SiFeS 2 2Sio 2十O5H zO十H十Na十CaAlzSi 20：一NaAlSi30g十O5A12Si z()s()H

52、)十Ca24 5MgCO：十A1zSi 20s(OH)d十Si02十2H 20M85A1zSi301。()H)s十5C02 穩(wěn)定同依素研究表明(Longstaffe，1983)，砂質(zhì)沉積物埋藏后，物質(zhì)的遷移與重組有一定的規(guī)律。在淺埋較低溫(20一40C)條件下，生成綠泥石礦物；在中低溫(50一60C)條件下，生成碳酸鹽礦物；埋深繼續(xù)加大，依次出現(xiàn)石英的次生加大(6580C)和鈉長石化(150土)。當(dāng)然這一規(guī)律不是絕對的，物質(zhì)的遷移與重組除受溫度、壓力影響外，還與沉積物成分及與之作用的流體性質(zhì)有關(guān)。 (2)粘土巖：粘土質(zhì)沉積物在埋藏成巖階段，除可發(fā)生砂巖中所發(fā)生的元素的遷移與重組外，還有一些自身

53、的特點。 構(gòu)成粘土質(zhì)沉積物的礦物主要是粘土礦物，它們在埋藏成巖階段最顯著的變化是脫水脫硅： (Al，Mg)zSi d()l。(OH)z·”H zo十KKAlz(Si，A1)dOl。(OH)z十SiOz十nH z() 久1d(SidO?。)(OH)s十KKAt2(Si，A1)Ol。(OH)z十Si02十nH 2() 研究表明，除上述變化外，還有以下表87所列元素的帶進(jìn)帶出(以蒙脫石轉(zhuǎn)變?yōu)橐晾癁槔?7，據(jù)Hower，1976)：(3)碳酸鹽巖：最常見的碳酸鹽巖是石灰?guī)r和白云巖。因此，參與作用的金屬元素主要是Ca、Mg5其次是Mn、Fe、Sr等。 研究表明，最初形成的碳酸鹽沉積物的組

54、成礦物主要是文石或高鎂方解石。而這兩種礦物在埋藏成巖階段是不穩(wěn)定的，因此必然向穩(wěn)定的礦物相轉(zhuǎn)變。 文石是方解石的同質(zhì)多相變體，在埋藏成巖階段向穩(wěn)定的方解石轉(zhuǎn)變。這種轉(zhuǎn)變主要表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)的變化，化學(xué)成分變化不大。 高鎂方解石與普通方解石比較，Mg的含量較高(MgCO：摩爾含量可達(dá)18)、晶格穩(wěn)定性較低。在埋藏成巖階段，高鎂方解石有兩種變化趨勢：1)去鎂轉(zhuǎn)變?yōu)槠胀ǚ浇馐?)加鎂轉(zhuǎn)變?yōu)榘自剖Ｇ罢咄歉哝V方解石與低鹽度流體相互作用所致；后者則往往是在高鎂方解石與富鎂高鹽度流體相互作用的產(chǎn)物。 需要指出的是，混入原始碳酸鹽沉積物晶格的微量元素，如Fe、Mn、Sr、Ba等，經(jīng)成巖變化，往往被排出而進(jìn)入

55、流體。1鹽度四、沉積環(huán)境的地球化學(xué)標(biāo)志 鹽度是劃分沉積環(huán)境、區(qū)分海陸相沉積物的重要指標(biāo)。不同鹽度條件下形成的沉積物，其元素分配和同位素組成不同，據(jù)此，可判別沉積環(huán)境的鹽度。 (1)元素地球化學(xué)標(biāo)志：在沉積作用過程中，沉積物與介質(zhì)之間存在著復(fù)雜的地球化學(xué)平衡，不同元素在不同環(huán)境中的含量相比值就會存在差異，這是元素地球化學(xué)標(biāo)志的理論依據(jù)。下面介紹幾種常用的判別標(biāo)志： RbK比值：研究表明，海相沉積物的RbK比值往往大于o05，半咸水沉積物的介于003至O05之間，淡水沉積物的則往往小于003。 BGa比值：海相沉積物的BGa比值大于4，而淡水沉積物的則小于3，半咸水沉積物的介于二者之間。 SrBa

56、比值：SrBa比值與鹽度呈正相關(guān)關(guān)系，據(jù)統(tǒng)計，比值大于1者多為海相沉積，小于l者多為陸相沉積。 此外，Cr、Cu、州、V等元素的含量，在海陸環(huán)境中也有明顯差異，一般情況下，海相沉積物比陸相沉積物高三分之一至一倍。 (2)同位素地球化學(xué)標(biāo)志：一些同位素分餾與環(huán)境鹽度存在一定的相關(guān)關(guān)系，比如，在一定溫度下，氧同位素與海水鹽度大致成正相關(guān)關(guān)系(圖84)，因此，根據(jù)沉積物某些同位素的組成，便可了解其形成環(huán)境的堯度。 Keith和Weber(1964)根據(jù)氧、碳同億素組成，提出了一個區(qū)別海、陸相碳酸鹽額積的經(jīng)驗公式：22048(613C十50)十O498(6IO十50)。Z120時為海相，Zl 2(時為陸相。2溫度日前判別環(huán)境溫度的有效方法是同億素測溫。在沉積環(huán)境氧同位素組成不變的情況下，與之平衡的沉積物氧同值素組成是環(huán)境溫度的函數(shù)。表88是一組氧同位素測溫的經(jīng)驗公式。白空紀(jì)的古環(huán)境溫度是舉世關(guān)注的問題。我們根據(jù)中國南方白空紀(jì)紅層中同沉積碳酸鹽礦物氧同位素的研究，推算出當(dāng)時的古環(huán)境溫度在30以上，證實了“白空紀(jì)比現(xiàn)代更溫暖”的科學(xué)論斷。 3氧化還原條件 氧化還原條件不僅影響元素的含量，而且還控制著元素的價態(tài)。如在氧化條件下，F(xiàn)e、Mn等變價元素常以高價態(tài)存在，在還原條