bài giảng thạch luận các đá magma chương 9 các nguyên tố hiếm (vết)

Các nguyên tố hiếm vếtMức độ biến đổi của các nguyên tố hiếm Biểu đồ Harker của các nguyên tố hiếm cùng phân tích cho các đá núi lửa Crater Lake.. Các nguyên tố không tương thích incomp

Chương 9 Các nguyên tố hiếm

Biểu đồHarker cho 310 phân tích đá núi

lửa ở Crater Lake (Mt Mazama), Oregon

Cascades Theo Winter (2001) An

Introduction to Igneous and Metamorphic

Petrology Prentice Hall

Các nguyên tố hiếm (vết)

Mức độ biến đổi của các

nguyên tố hiếm

Biểu đồ Harker của các nguyên tố hiếm cùng phân tích cho các

đá núi lửa Crater Lake Theo Winter (2001) An Introduction to

Igneous and Metamorphic Petrology Prentice Hall

Đặc điểm phân bố các nguyên tố

Định luật Goldschmidt’s

1 2 ions có cùng hóa trị và bán kinh sẽ thay thế dễ dàng cho nhau và tham gia và dung dịch cứng với

số lượng tương đương tỷ lệ chung của chúng

Rb? Ni? Có hành vi địa hóa thế nào?

Định luật Goldschmidt

2 Nếu 2 ions có cùng bán kính và hóa trị: ion nhỏ hơn

sẽ dễ tham gia trong pha cứng hơn là trong pha lỏng

Fig 6-10 Biểu đồ pha đẳng áp T-X tại áp suất không khí theo Bowen and Shairer (1932),

Amer J Sci 5th Ser., 24,

177-213 From Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology

Prentice Hall

3 Nếu 2 ions có cùng bán kính nhưng khác hóa trị: ion có điện tích lớn hơn có xu thế tham gia vào pha cứng hơn pha lỏng

Phân dị kết tinh về hóa học

giữa hai pha (cân bằng) khác nhau

Cân bằng trao đổi của hợp phần i giữa hai pha (rắn và lỏng)

Các nguyên tố không tương thích

(incompatible elements) là các nguyên tố tập trung trong phần nóng chảy

elements) tập trung trong phần rắn (phần kết tinh)

● D thường sử dung cho các dung dịch thay cho

Các nguyên tố không tương thích → hai nhóm

✦ Các nguyên tố có điện tích cao, bán kính ion nhỏ (high field strength (HFS) elements) (REE, Th, U,

Ce, Pb 4+ , Zr, Hf, Ti, Nb, Ta)

✦ Các nguyên tố có điện tích thấp, bán kính ion lớn (large ion lithophile (LIL) elements) (K, Rb, Cs,

Ba, Pb 2+ , Sr, Eu 2+ ) linh động hơn, đặc biệt khi có

sự tham gia của các pha lỏng

Mức độ tương thích phụ thuộc vào khoáng vật và dung thể tham gia

Những nguyên tố nào, tại sao?

Đối với đá, hệ số phối trí toàn phần (bulk

distribution coefficient D) cho một nguyên tố được tính bằng tổng số phối trí trong từng

khoáng vật.

D i = Σ X A D i

X A = khối lượng % của khoáng vật A trong đá

D i = Hằng số cân bằng của nguyên tố i trong

khoáng vật A

A

A

Ví dụ: Giả thiết garnet lherzolite có thành phần = 60% olivine, 25% orthopyroxene, 10% clinopyroxene, và 5% garnet, hệ số phân bố toàn phần của Er là:

DEr = (0.6 * 0.026) + (0.25 * 0.23) + (0.10 * 0.583) + (0.05 * 4.7) = 0.366

Table 9-1 Partition Coefficients (CS/CL) for Some Commonly Used Trace

Elements in Basaltic and Andesitic Rocks

Olivine Opx Cpx Garnet Plag Amph Magnetite

Các nguyên tố hiếm thường có xu thế tập trung vào từng khoáng vật riêng biệt

● Ni – trong olivine (Table 9-1) = 14

Ni – SiO2 của các đá khu vực Crater Lake From data compiled by Rick Conrey From Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology Prentice Hall

● Các nguyên tố hiếm không tương thích tập trung chủ

yếu trong pha lỏng (liquid)

● Phản ánh tương ứng với phần dung thể tham gia vào

quá trình kết tinh hoặc nóng chảy

Figure 9-1b Zr Harker Diagram for Crater Lake From data compiled by Rick Conrey From Winter (2001) An Introduction to Igneous and

Metamorphic Petrology Prentice Hall

Hành vi của các nguyên tố hiếm

pha thường ít biến đổi trong khi thành phần

của hệ thay đổi

Ở cùng một điều kiện nhiệt độ T

có thể thay đổi Xbulk từ 35 → 70

% Mg/Fe mà không làm thay đổi thành phần dung thể hoặc của olivine

Hàm lượng các nguyên tố hiếm tuân theo quy luật Henry, nên hoạt động của chúng thay đổi phụ thuộc vào hàm lượng của chúng

trong hệ

trong tất cả các pha cũng tăng gấp đôi

Do vậy, khi xác định vai trò của từng khoáng vật trong quá trình hình thành đá, sử dụng

tỷ lệ của các nguyên tố hiếm thường tốt

hơn sử dụng hàm lượng đơn nguyên tố

✦ K & Rb có hành vi địa hóa giống nhau, nên tỷ lệ K/Rb thường ~ constant

✦ Nếu kết tinh amphibole, hầu hết K và Rb đều nằm trong nó

✦ Amphibole có DK= 1.0 và DRb= 0.3

Table 9-1 Partition Coefficients (CS/CL) for Some Commonly Used Trace

Elements in Basaltic and Andesitic Rocks

Olivine Opx Cpx Garnet Plag Amph Magnetite

Elements in Basaltic and Andesitic Rocks

Nhóm đất hiếm (REE)

D tương phản mạnh trong khoáng vật:

Table 9-1 Partition Coefficients for some commonly used

Sc

Fe Ni

Ne MgSi

S Ca Ar Ti

Pb Pt

V K

Na AlP Cl

Th U

✦ Chuẩn hóa làm giảm hiệu ứng Oddo-Harkins và làm cho trục y dễ biểu diễn hơn:

▲ Chuẩn hóa với manti nguyên thủy

▲ Chuẩn hóa với thiên thạch (chondrit)

Nếu chuẩn hóa với chondrit, biểu đồ

đất hiếm sẽ như thế nào??

0.002.004.006.008.0010.00

Chia hàm lượng của các nguyên tố phân tích trong mẫu với hàm lượng tương ứng của thiên thạch

0.002.004.006.008.0010.00

Biểu đồ đất hiếm sử dụng mô hình nóng chảy toàn phần của leczolit chứa granat với giá trị % nóng

chảy khác nhau

Figure 9-4 Rare Earth concentrations (normalized to chondrite) for melts produced at various values of F via melting of a hypothetical garnet lherzolite using the batch melting model (equation 9-5) From Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology Prentice Hall

Dị thường Europium do plagioclase là:

✦ Ban tinh phân dị kết tinh

Biểu đồ đa nguyên tố (Spider Diagrams)

Là biểu đồ mở rộng của biểu đồ đất hiếm cho

Biểu đồ đa nguyên tố chuẩn

hóa theo chondrite thường

được sắp xếp theo chiều tăng

của tính tương thích từ phải

sang trái

Biểu đồ chuẩn hóa theo bazan sống núi giữa đại dương (MORB)

Chia làm hai phần riêng biệt: Các nguyên tố lithophil có bán

kính ion lớn LIL và các nguyên tố có trường lực cao HFS

Hình 9-7 Các đá bazan đảo đại dương chuẩn hóa theo MORB theo Pearce (1983) Giá trị chuẩn hóa theo Sun and McDonough (1989) Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology Prentice Hall

Ứng dụng của các nguyên tố hiếm

trong các hệ magma

1 Sử dụng giống như các nguyên tố chính trong các biểu đồ tương quan để xác định quá trình kết tinh phân dị, đồng hóa, vv của một loạt đá

✦ Có độ nhạy cao hơn → mức độ biến đổi cao hơn

Hình 9-1a Biểu đồ Harker của Ni

trong các đá Crater Lake Theo

Winter (2001) An Introduction to

Igneous and Metamorphic Petrology

Prentice Hall

2 Xác định nguồn thành tạo của các đá hoặc các khoáng vật tham giam trong quá trình nóng chảy từng phần hoặc phân dị kết tinh

Table 9-1 Partition Coefficients for some commonly used

HREE tập trung chủ yếu trong Garnet và phân dị theo garnet

Như vậy, nếu garnet cân bằng với dung thể nóng chảy (pha

residual nằm lại tại nguồn) ta sẽ có kiểu phân bố dốc của REE và

Hình 9-3 Biến đổi về hàm lượng Rb và

Sr trong dung thể xuất phát từ quá trình nóng chảy toàn phần liên tục của các

đá bazan chứa plagioclase, augite, và olivine Theo Winter (2001) An

Introduction to Igneous and

Metamorphic Petrology Prentice Hall

Ng.tố Sử dụng như nguyên tố chỉ thị

Ni, Co, Cr Các nguyên tố tương thích mạnh Ni (và Co) tập trung trong olivine, Cr trong spinel

Hàm lượng cao của các nguyên tố này chỉ thị nguồn manti

Khác nhau, Ti sẽ tham gia vào pha khoáng vật phụ, như sphene hoặc rutile

trong sphene hoặc rutile)

Ít hơn trong hornblende so với K-feldspar và micas, do đó tỷ lệ K/Ba có thể dùng đề phân biệt hai phanày

Hành vi giống như các nguyên tố tương thích ở áp suất thấp, khi plagioclase được thành tạo đầu tiênNhưng lại giống các nguyên tố không tương thích ở áp suất cao khi plagioclase không bền vững

Sphene và plagioclase chứa nhiều LREE Eu2+ chủ yếu nằm trong plagiocláe

Sphên và apatite cũng chứa Y, nên sự hiện diện của các khoáng vật phụ này cũng có ảnh hưởng

nhất định

Theo Green (1980) Tectonophys., 63, 367-385 From Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology Prentice Hall

Các nguyên tố hiếm sử dụng để

xác định môi trường kiến tạo cổ

● Sử dụng hữu hiệu cho các đá trong các đai động mà hiện tại không xác định được nguồn gốc ban đầu của chúng

● Các nguyên tố hiếm có thể là các tiêu chí phân loại

môi trường hình thành các đá magma không ?

● Cách tiếp cận tốt nhất là nghiên cứu các đá magma

đang được thành tạo hiện nay

● Tập trung vào các nguyên tố khôn linh động trong các quá trình biến chất thấp và trung bình

Thorpe (ed.), Andesites: Orogenic andesites and related rocks Wiley Chichester pp 525-548, Coish et al (1986), Amer J Sci., 286, 1-28.(c) after Mullen (1983), Earth Planet Sci Lett., 62, 53-62