岩浆结晶分异过程中挥发组分演化的计算模拟及其意义.pdf

沙稼种常 一武汉地质学院学报 气 一二 年月一第十二卷第二期 岩浆结晶分异过程中挥发组分演化 的计算模拟及其意义 高山 摘要作者利用伯恩汉 , 提出的水在岩浆中洛解的热力学模 型 , 模拟计算了热水花肉岩体结晶过程中挥发组份的演化结果证明了钨矿床由岩浆热液形成 的现实性 。 同时 , 由这种模拟计算所得到的成矿有利条件与成矿和不成矿花岗岩体的形成条件 墓本相符 , 说明这种研究方法具有实际意义 。 关肠饲岩浆演化挥发组份热液矿床计算机模拟 前 产 言 近年来挥发组份的研究在探讨岩浆作用 与成矿 问题 方 面日益受到人们的重视 。 其原因 主要在于 , 挥发组份往往支配 了元素的活化 、 转移 、 分配及再分配的行为 。 例 如 , 在许多情况 下矿床的形成与否直接决定于是否存在有适合的挥发组份 , 以使成矿元素产生足够的富集 。 岩笨热液观点认为 , 与花岗岩密切有关的 、 、 。、 及部分 、、 热液 矿 床 , 它们的成矿热液来 自岩浆 。 这种成矿热液是花 岗岩结晶过程中 , 由于 “ 退化沸腾 ” 等原 因 , 使挥发组份在岩浆中达过 饱和 , 从而产生一种 与岩浆不相混溶的富挥发组份的流体相 。 此种流体相即构成 了成矿热液的前身 。 据此观点 , 挥发组份能 否在岩浆中达到过 饱和就成为 此类矿床能否形成的先决条件 本文根据水在岩浆中溶解的热力学模型 , 结合岩体的实际形成条件 , 计算模拟岩浆结晶 过程 中挥发组份的演化 , 并通过 这种模拟找 出控矿因素 。 热力学模型 正如前述 , 岩浆热液的析出取决于溶解于岩浆中的挥发组份在结晶过程中是 否能达到饱 和浓度 。 由于岩浆中挥发组份以水为主〔 ’〕 〔〕 , 因此我们可将问题归结为 , 岩浆热液的 形成 取决于水在岩浆中能否达过饱和状态 。 ,” 年 ‘ 月日收稿 伯 思汉 , 五二 那,摺系统地研究了水在絮硅胶盐奢钻泉匀的溶解行为 , 提 出了水在岩浆 中的瘫机制少并建立 一了 相应的热力学模萝,交赤奢 族咏遥种模型预 测的水在 铝硅酸盐钱装内的榕解度与实验测得的玄武岩装安山岩浆一花岗指缘伟晶岌浆 中水的 溶解 度十分吻合 , 由此证明这种溶解机制及其热力学模型的合理性现将此模型 简介如下 该模型假设水在岩装中的溶解机制与其在钠长石熔体电的济解机制相同 、 水在钠味布熔 体中的溶解机制可用以下 两式来描述 当 戈 时 气 狂丫 贝 卜 当 戈 时 一 一 丫 瓜 二之 一 叼十卜 要一 带自 一 把岁 “ 王 ⋯ 一 ” 其中 , 表示熔体 诱余奔 水娜稀润八场 式可理解为溶解在熔体币的水分子内的二个中的一个 一键断 开 , 并与该一。键币的桥型氧。 ,一 结合 , 最终形成两个单位的 一 式可理解 为水分子中的一个 十 离子使熔体中的一个一键断开 , 产生两个单位的 一 。 与式 不同之处是 , 其中有一个单位的 一 , 其 十 与保持铝硅酸 盐 熔体局部电价平 衡的 相交换 ,一瘤 成 一 及 啥 一 ‘ 一 八一 一 ’耸 上述模型中还孩设 , 铝硅酸盐熔体中 , 。 结合成类似手钠浪石的结构单位 。 。 。。 故由上两式可见 , 水的溶解也可理解为水分子与熔体中的从 。 分子 相互作用 , 且这种作用是等摩尔的由于 一。键的键强小于一。链的键强 因此 当砖 。 时 , 水的 溶解以式为主当 时 , 即 当一。键被耗厚后 , 水的溶解只能采取式的形式 为 了能将上述水在钠长石熔体中溶解的模型用于岩浆 , 岩浆中除水以外的其 它组份的摩 尔分数 需用相 当于 。分子的摩 尔分数表示例 如 , 一个单位的 ‘吕分子 与一个 单位的分子等价洲 一 。 、 一 户 几 , ‘ 计算方法 、 一 在上述热力学模型的基础上 , 伯恩汉拟定出了由岩石化学金分析结果计算在给定温度与 压力下 , 岩浆中水溶解度的方法〔妇下面以粤北地区热水花岚岩体的计算为例石来说明这种 方法的步骤 ‘ 一 二 六 、 ‘ 一 热水岩体为二燕山 早期的复式花 尚岩侵入傣 谈卷体分异演化彻底‘从早 至晚可进州步 分为四个侵入期次 。 与各期相应的岩石类型分别为细粒少斑状黑云母花 , 爵岩 、 中一细粒‘中代 粗粒斑状黑云母花岗岩 、 ‘’中 细粒二云母花岚岩及细魁自公母花饲著 ‘ 红岭犬升中型铬矿床即 产于岩体中心 。 矿床类型以黑钨矿一石英脉型为主 , 其次为在白云母花岗岩及二云母花岗岩电 呈浸染状分布的白钨 矿型 。 各种证据表明 , 热水岩体 成因上属于上地壳重熔产物而红岭钨 矿床的成矿溶液来自于 岩浆 一 六 二 一 厂 下面以第一 期细粒少斑状黑 云母花岗岩为例 进行计算 。 条件选择为 ℃ , 根据岩 ‘ 石化学全分析结果 , 将氧化物重量有分数换舞为相应的阳禽子数及演原子数 ‘ 计算, 斌。 ‘ 时 , 一 相当于一摩尔 ‘分子的无水岩浆重量 一 高山 , 院 , 一。 广东翁源红岭钨矿床成矿作用与花岗岩浆演化之间的地球化学关系探讨 , 硕士研究虫论交 一武权地质李 已 对于计算中不含标准刚玉矿物分子的岩石 功 人 ‘ 其 中 , 为除 。以外的各主要氧化物重量百分数之和 为的离子数 对计算 中含标准刚玉分子的岩石 , 。 分子数为所有可交换阳离子 数之和此处 , 除 ‘十、 十、 毛十 以外的所有阳离子均认为是可交换的 这时 切 艺 其中 , 为 某个可 交换阳离子的数目 若 ‘ 离子数 艺 , 则需考虑水呈式形 式的溶解此时可 按 下式将 过 剩 离子数 晋 转换为相当的 。分子 数 叉 、 受蛋 一艺 其中 , 为水在单位摩尔 。。 熔体与单位摩尔 ‘。熔 体 中 的溶解度之 比 。 于 是 切 艺 , 一亨艺 〕 本例即属于此种情形 , 计算结果见表 。 释 细较少斑状拼云母裕肖岩计 算 、 时 , 相 当于摩 尔 一 几 一 飞砰丁 ‘ , 一 魏捌 ⋯ , 呈 ’’ 」 桨 中水落解度的计林结 果 二兮 ’ , 夕, 声 氧北物重是百分数 阳离子数 、 。 氧原子数 。 又 二 二 △ , 二 彗 了 了’ 功 了 二 名 。、分子的无水岩浆重量尹 这时 由于水均呈式形式溶解 , 故个氧原 子相 当于一个 。分子 一 ‘ ‘叉 叭 求给定温度, ℃及庄力 。 下 , 水在岩浆中的饱和摩尔分 数 。 当 戈 思时 二 了 当 戈 时 , 一一 以上两式中为温度和压力的函数 , 井值可从图 中查出 如℃及夕 时 , 刘 求给定温度和压 力下 , 岩浆中水的重量百分溶解 度及功 , 当 戈 时 别 一 戈 军 当 戈 岩 。 时 , 水的过 剩百分溶解度△ , 为 么 , 夕 吧 公 写 身身扮份牛牛 二二 , 加尸一一一一一一一一一吮 吮 扮扮一一一一一一 犷犷一一二 二 ⋯⋯ ‘,曰 ‘目口一一 月月加加 一一 一 一一一一 曰曰 , ,口 口 。 曰曰目目曰口口曰‘ 一一 一 一一 , ,八 一一 二 一一一一一 一一 一 一 一一 , ,叫 曰 ‘ ‘ 口 卜司口白日州自日口匕目卜卜 一一 一 口曰 口口,口勺 山 图不同温度与压力下的值 标有数字的曲线为相应压力下的 值曲钱 、 其中净的等压线 由 “ 垃和 ‘ 及 口 娜的资料外推得来 , 。 。 。几 的 值表示在右边的坐标上 , 引自 ‘ 幻 一“ 轰 一‘, 故岩浆 中水的溶解度为 、 , △, , 应用 为了模拟岩浆结晶过程 中 , 水是 否能达过饱和 , 需逐步计算结晶过程中岩浆 内 水 的溶解度变化岩浆内水的实际含量变化一旦计算过程 中岩浆 内水的实际含量超过水 的 溶解度 时 , 我们就将此 时作为流体相大量析出的起点 关于岩浆中水的实际含量变化 , 笔者是在给定的初始岩浆即未发生结晶作用的岩浆 水 含量下 , 结合镜 下实际观察到的造岩矿物结 晶顺序 求 出的 。 在一定岩浆初 始水 含量 叨忽 。下 , 岩浆中某种主要氧化物的初始重量百分含量、溉 。取值为 、 忽 。 一一 忽 。 。。 。 。。 其 中 。, 。。为岩 石中除 以外的某种主要氧 化物重量百 分数艺 为这些氧 化物重 量百分数之和 。 然后 , 结合造岩矿物的实际结晶顺序郎可求出不同固结度已结晶的矿物占初始岩架 的重量百分数下 , 残余岩浆中某一主要氧化物的含量 。 例如 , 固结度为时岩浆中水的重 量 百分含量为“各 。 , 若岩浆进一步结晶至固结度为 △ 的过程 中只有黑云母晶出 , 此时 , 残余岩浆 中水的含量“ 歇台 , 根据质量守恒原理可 由下式求出 各屯台 “ 各 。一 △, 且主 。 一 △ 其 中“是。为黑云母 中水 的重量百分含量 。 根据对热水岩体各期岩石形成条件的估计 , 模拟 中 条 件选择 为℃及℃ 二 ,, 及初始岩浆水含量为 ,,, 及此外 , 模 拟中 还假设 , 结 晶作用是在一封闭体系中进行的 , 即假设无水带出或加 入至岩浆中 。 在上述条件下 , 就可设计 出相应的计算机程序来模拟岩浆结 晶过程 中水含量的演化 趋 势 。 对热水岩体各期岩石的模拟结果见 图 。 图中固结度为水在岩浆中达过 饱和时的起 始 固结度 。 ‘、 ‘, 月 欲俩 初始岩浆水含量拓 图不同温度 、 压力及初始岩浆水含量下 , 热水岩体结晶迁程中 , 流体相产生时岩浆固结度的模拟计算 细粒少斑状黑云母花岗岩中细粒斑状黑云母花岗岩 。 中细粒二云母花岗岩 , ‘ 细粒白云母花岗岩 。 图内标有数字的曲线为相应压力下的计算结果其中实线和虚线分别为 二。 ’ 及 。。 ’ 时的计算结果 由图可见在所 选择的一切条件下 , 热水岩体结晶过程中 , 水均可达过 饱和状 态 , 即 均有含水流体相 自岩浆中析 出在所考虑的影 响流体相析出的四种因素温度 、 压力 、 初始岩浆水含量及除水以外的其宫岩浆组份中 , 压 力的影响最显著 , 其次是初始岩 浆 水 含 量 , 而 其余两种因素的影 响就 要 小得多 这主要表现在图中代表相同压力而温度不同的实 线和虚线的位置近于重合及在相同的温 度和压力下 , 对各期岩浆的模拟结果基本一致 , 压力的影响表现为 氏 随其值降低 , 岩浆中水的溶解度迅速减少 , 因而导致含水流体相析 出的时间迅速提前 。 例 如 , 假定 白云 母花 岗岩浆在 一℃下 , 从相 当于地下 约 处绝 热封 闭地减压 上升至处地下约处 , 则 邮 呱降至。说明这 种 白云母花 岗岩浆在下水已达过饱和 , 故不需结晶 , 就可从岩浆 中产生 流体相 。 初 始岩浆水 含量增加 , 亦有利于流体相较早析出如自云母花岗 岩浆 , 在 ℃及 下 , 当初 始岩浆水含量由增至时 。 由降至 综上分析证明 , 有利于含水 流体相 , 也即有利于成矿热液形成的条件是初始 岩 浆 水含量高岩浆形成过程中压力有较大幅度的降低 。 粤北实例能说明上述结论的 意义在粤北地 区 , 我们所研究的钨的成矿花岗岩体包括热 水岩体 、 石人嶂岩体及 龙胫岩体钨的不成矿花岗岩体包括大东山岩体 、 诸广山岩体及贵东 岩体 。 种种证据表明 , 这些岩体成因相 同 , ‘ 均属上地壳重熔型花 岗岩 ’ 衰 粤北某些花幽岩体的平均 十含一 功 , 对比 不成矿岩体 ⋯ 成矿岩体 岩体名称 样品数 , 十 大东山 诸广山 土 贵东平均水石人嶂龙胫平 均 表 中列出 了上述岩体的平均含量由表可见 , 成矿岩体的平均 斗 含量均明显 高于非成矿岩体 。 进一步计算结果还表明 , 热水岩体的初始岩浆水含量显著高于大 东山岩体及 诸广山岩体的初始岩浆水 含量、 二 。 因此 , 可用 岩体的平均 十 含 量来 反映其初 始岩浆水含量的相对水平 。 图 的 ,,,, 分别 为热水岩体 、 石人嶂岩体 、 大东山岩体 、 诸广山岩体及贵东岩体各 期岩石在 一 一 卜体系 内的成分投点 。 由这些图解可见 , 成矿岩体形成过程 中 , 上谈 压 力降低幅度 明显大于不成矿岩体其中尤以热水岩体更为突出 上 述事实表明 , 模拟计算所得出的成矿有利条件与地质观察相符 那 结论 本文通过 模拟岩浆结晶过程中水的演化 , 进一步证明了钨矿床由岩浆热液形成的现实性 同时 , 以这种计算为基础导 出的成矿有利 条件在实际地质环境中得到 了验证由 此 说 明 , 我们所使用的这种模拟岩浆结晶过程中挥发组份行为方法本身是可行的 。 它为岩浆热 液成矿 假说提供 了理论依据 。 我们相信 , 随着资料的积累 , 这种方法也可推广到对其它挥发组份行 为的模拟上 。 在本文写作过程 中 , 笔者得到张本仁教授及韩吟文 、 骆庭川老师的耐心指导与鼓 一励 , 特 表谢 忱 武汉地质学院地球化学研究室广东韶关地区区城地球化学研究 , 第二分册 , 。 高山 , 广东翁源红岭钨矿床成矿作用与花岗岩架演化之间的地球化学关系探讨 , 硕士研究生论文 , ’ 八 石人嶂岩体 口 占 一 二二 ‘一指 丽 一 一 印 汾咭扮翁一 , 八 大东山岩体 呀 入 “ 诸, 卜山岩体 燃 笙灵 砚户嘴办刁欲二尸一 ‘ 瀚印 即 气寸奈洲湍喻命沪 。 八 今 贵东岩休 ‘瞥孺艇 燕 ,若硕韶 图粤北某些花肉岩体在 一 , 体系内的成分投点 标有数字的点为各期岩石的投点 , 标有数字的曲 线为相应水压下的同结线或共结线 “ 嘴月分嘴门淤瑞尸扩嘴气涂责户 , 武汉地质学院地球化学研究室 , 广东韶关地区区域地球化学研究 , 第二分册 , 峥 参考文献 科萨尔斯 , 只 , 花岗岩类熔体和溶液中稀有元素地球化学的丰要特征 , 了 , 袁忠信等译 , 地质出版社 , 一 ,, “ , , 一 七 气 , 。 ,, 五 , 了 五 ,, , , 五 了 ,, 。 一 五 , , , 五 ,,,, 一 。 一 、沙、,沪 人自 ‘沪‘ 、沪 砚 ‘‘ 一 一。一一 丫 一一。 班 “ 夕 , 研 。路 ’ 五 一 土 上 , 二 ‘ , 、 , 理, 一 。一、 , , 五 ,