Question

岩浆结晶过程中结晶作用模型

Answer 1

矿物在岩浆熔体中晶出有以下两种可能过程：

（1）矿物与熔体连续再平衡，形成无环带晶体，即平衡结晶作用。用于描述平衡部分熔融的方程式（5.16），也适用于描述平衡结晶作用。

（2）分离结晶作用——矿物和熔体之间只有表面平衡。这种平衡包括两种情况：① 微量元素在晶体中扩散的速度比熔体中慢得多，来不及取得完全平衡，或者是矿物快速从熔体中晶出；② 第二种情况是微量元素在熔体中的扩散速度比矿物中慢得多。实际上岩浆结晶过程中微量元素在熔体中的扩散速率比在矿物中要快得多，或者矿物不断地从熔体中通过沉淀而被移出，以此来达到矿物表面与熔体的平衡。这种表面平衡可用雷利分馏定律（Rayleigh fractionation law）来描述：

地球化学

这就是分离结晶作用的数学表达式，式中的为微量元素 i 在熔体中的浓度，为微量元素 i 在原始熔体中的浓度，F 为原始熔体分离结晶作用后剩余的部分，它反映岩浆结晶的程度，F 从1到0表示从刚开始结晶到完全结晶（平衡部分熔融中 F 的含义与此刚好相反），Dⁱ 为微量元素在矿物和熔体之间的总分配系数，它由下式计算：

地球化学

式中：为结晶相α、β矿物在岩石中的百分含量；为微量元素i 在矿物α、β间的分配系数。

根据雷利分馏定律，以岩浆中微量元素某时刻浓度相对于母岩浆中该元素的原始浓度的比值为纵坐标，结晶程度 F 为横坐标作图（图5.2b），由图可见：

（1）凡是总分配系数（Dⁱ）＜1的微量元素（即不相容元素），随F值从1→0（即结晶程度的增加），微量元素在残余岩浆熔体中富集程度增强。

（2）当 Dⁱ≈0时，，即微量元素 i 在分离结晶作用过程中几乎全部保留在残余熔体中，而不进入结晶相时，，也就是残余熔体中微量元素 i 的浓度与结晶度（F）的倒数成正比，这也是岩浆结晶分异过程中微量元素 i 的可能浓集的极限值。换句话说，微量元素 i 随岩浆分异结晶，其浓度不可能超过原始岩浆中微量元素的浓度与结晶度（F）的比值。这是衡量某一岩体是否是岩浆分离结晶作用成岩机制的重要标志。

（3）Dⁱ＞1时（为相容元素），微量元素倾向于在矿物中富集，并随着矿物晶体的不断析出，微量元素在残余熔浆中逐渐贫化。