Интерпретация геохимических данных
Раздел 1. I. Базовые понятия в геохимии, классификационные схемы Основные группы элементов, используемые в геохимических исследованиях (главные элементы, элементы примеси, изотопы). Общие представления о кларках. Коэффициенты распределения. Схемы классификации горных пород. Геохимические особенности геологических процессов. Факторы, определяющие специфику горных пород (магматических, осадочных, метаморфических). Основные источники некорректности геохимических данных.
Классификация геохимических элементов:
Главные элементы — это те, которые преобладают практически во всех породных анализах: Si, Ti, Al, Fe, Mn, Mg, Ca, Na, К, Р. Концентрации этих элементов обычно выражаются в массовых процентах оксидов. Сумма главных элементов составляет ~ 100 %, т. е. суммарное количество главных элементов можно использовать Как показатель качественности анализа. Железо может определяться в виде Fe. O или Fe 2 O 3 но иногда выражается в виде суммарного железа (Fe. O* или Fe. Otot, Fe 2 O 3*). Data recalculation is done in the following order: 1) Iron is recalculated. Depending on the option selected. Fe. O* = Fe. O + Fe 2 O 3 * 0. 89981 (total iron as Fe. O) Fe 2 O 3* = Fe 2 O 3 + Fe. O * 1. 11135 (total iron as Fe 2 O 3) Fe. O Calc = Fe. O / (Fe. O + Fe 2 O 3) 2) If the anhydrous recalculation Anhydrous Recalc Factor = 100 / (q majors - (LOI+H 2 O+CO 2))
Летучие компоненты, такие как Н 2 О, СО 2, S, обычно включают в состав группы главных элементов при анализе пород. Вода, входящая в решетку минералов и высвобождаемая при температуре > 100 o. С, обозначается как Н 2 О+. Вода поровая, которая удаляется при температуре < 110 o. С, обозначается как Н 2 О и не включается в анализ. Иногда общее количество воды определяется при прокаливании до 1000 °С и обозначается как «потери прокаливании» п. п. п. (LOI) 2) If the anhydrous recalculation Anhydrous Recalc Factor = 100 / (q majors - (LOI+H 2 O+CO 2))
В публикациях и отчетах при составлении таблиц составов пород или (минералов) общепринятым является порядок главных элементов, приведенный ниже: (1) Si. O 2 Ti. O 2 Al 2 O 3 Fe. O Mn. O Mg. O Ca. O Na 20 К 2 O P 2 O 5 H 2 O+ H 2 O CO 2 Сумма (2) Si. O 2 Ti. O 2 AI 2 O 3 Fe. O, Mn. O Mg. O Ca. O Na 2 O K 2 O P 2 O 5 п. п. п. Сумма
Классификация геохимических элементов:
Элементы-примеси — это элементы, которые присутствуют в количестве < 0, 1 %, и их концентрации выражаются в граммах на тонну (г/т, а в английском варианте ррm), реже в граммах на тысячу тонн (мг/т или ppb). В некоторых породах элементы примеси присутствуют в больших количествах. Соотношение между содержанием элемента в процентах по массе и граммах на тонну следующее: 1 г/т = 0, 0001 %. Некоторые элементы можно рассматривать в качестве главных для одних типов пород и примесных для других. Если количество главных элементов ограничено, то элементы-примеси представлены практически всей оставшейся частью Периодической системы элементов. При геохимических исследованиях используют не все элементы, но обычно изучают распределение в породах от 20 до 40 элементов.
Среди элементов-примесей для удобства выделяют группы, объединяющие элементы со сходными свойствами или поведением в геологических процессах. Элементы с близкими ионными радиусами и зарядами обычно обнаруживают одинаковое поведение в геохимических процессах. Три основные группы элементов: крупноионные литофилы (LIL — large ion lithophyls), высокозарядные элементы (HFS — high field strength elements) и переходные (транзитные) элементы.
Группа крупноионных литофилов (LIL) К крупноионным литофилам относятся Cs, Rb, К, Ва. К ним добавляются также Sr, двухвалентные Eu, Pb. Эти элементы характеризуются большим ионным радиусом и низким зарядом (валентность 1, реже 2) и наибольшей подвижностью в разнообразных геологических процессах. Группа высокозарядных элементов (HFS). Группа высокозарядных элементов наиболее многочисленна и включает такие элементы как Sc, Y, Th, U, Pb, Zr, Hf, Ti, Nb, Та. Группа редкоземельных элементов (РЗЭ) или в английском варианте REE (rare earth elements). Последние включают La, Се, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu. Иногда в эту группу включают иттрий, атомный радиус которого близок к РЗЭ. Высокозарядные элементы являются наименее подвижными при различных наложенных процессах, а их распределение позволяет судить о природе различных магматических пород.
Группа редкоземельных, элементов (РЗЭ) наиболее информативна для изучения геохимических процессов в магматической, осадочной и метаморфической петрологии. элементы этой подгруппы подразделяются на легкие (LREE) с низким атомным номером (La, Се, Рг, Nd, Pm, Sm, Eu) и тяжелые (HREE) (Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu). Иногда отдельно рассматривается группа промежуточных РЗЭ (Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho). РЗЭ - имеют близкие химические и физические характеристики и являются стабильными в трехвалентном состоянии, а ионный радиус их весьма близок. Небольшие различия химического поведения - признак увеличения ионного радиуса с увеличением атомного номера. Некоторые элементы могут иметь степень окисления, отличающуюся от 3, но геологическую важность имеют всего два иона Се 4+ и Еu 2+.
Элементы с четными номерами более стабильны, чем нечетные, встречаются в природных объектах в более высоких концентрациях. Для чего нужно нормировать (нормализации к стандарту) концентрации REE элементов? • распределение элементов имеет зигзагообразный вид • необходимо на одном графике показать концентрации элементов, отличающиеся на несколько порядков. В случае РЗЭ в качестве стандарта используются хондритовые метеориты или примитивные базальты срединно-океанических хребтов (MORB) для магматических и метаморфических (по магматическим) пород и среднее значение в глинистых сланцах Северной Америки (NASC — North American shale composite) для осадочных и метаморфических (метаосадочных) пород.
Chondrit PRIM 242 - Wakita H. , Rey P. , Schmitt R. A. Abundences of the 14 rare-earth elements and 12 other trace elements in Apollo 12 samples: fife igneous and one breccia rocks and four soils. // Pros. 2"d Lunar Sci Conf. 1971. Pergamon Press, Oxford. P. 1319 -1329. 155 - Haskin L. A. , Haskin M. A. , Frey F. A. e. a. Relativt and absolute terrestrial adundances of the rare earths. // Ahrens L. H. (ed. ), Origin and distribution of the elements. 1968. V. I. Pergamon, Oxford. P. 889 -911, 184 - Masuda A. , Nakamura N. , Tanaka T. Fine structures of mutually normaliesed rare-earth patterns of chonrites // Geochim. Cosmochem. Acta. 1973. V. 37. P. 239 -248. 196 –Nakamura N. Determination of REE, Ba, Fe, Mg, Na and К in carbonaceous and ordinary chondrities // Geochim. Cosmochim. Acta. 1974. V. 38. P. 757 -775. 133 - Evensen N. M. , Hamilton P. J. , O'Nions R. K. Rare earth abundances in chondritic meteorites//Geochim. Cosmochim. Acta. 1978. V. 42. P. 1199 -1212. 92 - Bard J. P. Composition of horblendes formed during the Hercynian hrogressive metamorphism of the Arocena metamorphic belt SW Sham //CMP. 1970. V. 28. № 2. P. 117 -134. 237 - Taylor S. R. , Mc. Lennan S. M. The continental crust: its composition and evolution. Blackwell, Oxford. 1985. 188 -Mc. Donough W. F. , Sun S. , Ringwood A. E, K, Rb and Cs in the earth and moon and the evolution of the earth's mantle. // Geochim. Cosmochem, Acta. 1991. Roos Taylor Symposium volume.
Нормируем: Mc. Donough W. F. , Sun S. , Ringwood A. E, K, Rb and Cs in the earth and moon and the evolution of the earth's mantle. // Geochim. Cosmochem, Acta. 1991. Roos Taylor Symposium volume. Sun S. S. , Mc. Donough W. F. Chemical and isotopic systematics of oceanic basalts: implications for mantle composition and processes // Saunders A. D. , Norry M. J. (eds), Magmatism in the ocean basins. Geol. Soc. Spec. Publ. 1989. No. 42. P. 313 -345.
Характер распределения РЗЭ Eu -аномалия РЗЭ являются одними из наименее подвижных элементов, на которые слабо влияют процессы гидротермального изменения и низкотемпературного метаморфизма, поэтому их содержания наиболее корректно отражают состав первичных магматических или осадочных пород и степень плавления мантийного вещества. От чего зависит содержание РЗЭ в магматических породах?
Группа транзитных элементов включает: Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, эти элементы являются более подвижными при различных геологических процессах по сравнению с высокозарядными элементами, особенно медь и цинк. Для транзитных элементов используется: • процедура нормализации к стандарту • собственный график (нормализованные мультэлементные диаграммы или спаидер-диаграммы) • 13 -22 элемента.
Группа платиноидов (ЭПГ) Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt нередко используется аббревиатура ЭПГ (элементы платиновой группы) или в английском варианте — PGE (platinum group elements). В некоторых классификациях группу платиноидов, к которой добавляют золото, медь и никель, относят к благородным металлам. По характеру своего поведения в глубинных процессах (плавление на мантийном уровне) нередко выделяют две подгруппы: иридиевую (Os, Ir, Ru) и палладиевую (Rh, Pt, Pd). Для элементов платиновой группы обычно применяют собственные диаграммы, для которых также используется процедура нормализации к стандарту. Наиболее часто применяемые стандарты:
Совместимые и несовместимые элементы При исследовании геохимических особенностей магматических систем для элементов-примесей нередко проводится их разделение на преимущественно концентрирующиеся в расплаве при плавлении на мантийном уровне или в остаточной минеральной фазе. Те элементы, которые остаются в минеральных фазах, называются совместимыми (compatible), в то время как элементы, преимущественно концентрирующиеся в расплаве, — несовместимыми (incompatible), т. е. , они являются несовместимыми с решеткой кристаллов и при малейшей возможности переходят в расплав. Фосфор является несовместимым для мантийной минералогии и во время частичного плавления будет быстро концентрироваться в магмах. В то же время в гранитах фосфор выступает в качестве совместимого элемента, так концентрируется в форме акцессорного апатита.
Классификация пород по петрогенным элементам
Диаграммы Харкера
Kilauea Caldera with Kilauea Iki (1959) lava lake in an old pit crater in foreground. The vent can be seen on the far left of the lava lake. Within Kilauea Caldera is the Halemaumau fire pit (far middle left). The buildings on the left make up the volcanological observatory. Mauna Loa in far distance.
The 1984 Mauna Loa flow heads for Hilo!
нормализованные мультэлементные диаграммы (спаидердиаграммы) андезитов С. Эквадора
Мин F La Sm Eu Kd OL 0 0. 0001 0. 0006 0. 0007 0. 001 0. 002 0. 003 0. 005 0. 008 Kd OPx 0. 0019 0. 0035 0. 013 0. 063 0. 059 0. 069 0. 16 0. 15 0. 3 0. 24 Kd CPx 0. 2 0. 05 0. 04 0. 3 0. 6 0. 85 0. 84 0. 9 1. 12 0. 792 1 Kd Gr 0. 3 0. 016 0. 065 0. 054 0. 052 0. 6 0. 27 0. 9 0. 54 4. 13 3. 9 4. 7 Kd Hb 0. 1 0. 3 0. 6 0. 7 2. 6 0. 86 2 2 3 1. 5 Kd Pl 0. 4 0. 07 0. 06 0. 03 0. 02 0. 08 0. 79 0. 04 0. 06 0. 031 0. 04 Kd Spinel 0. 029 0. 038 0. 053 0. 064 0. 061 0. 068 0. 078 0. 077 1 Sum Kd La Ce Pr Nd Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Start concentration: 13. 0000 33. 0000 5. 0000 22. 0000 4. 4800 1. 0700 4. 5000 0. 7000 3. 9000 0. 8300 2. 4700 Pirolite (W. F. Mc. D, 95) 0. 6480 1. 6750 0. 2540 1. 2500 0. 4060 0. 1540 0. 5440 0. 0990 0. 6740 0. 1490 0. 4380 OIB (S. S. Sun) 37. 0000 80. 0000 9. 7000 38. 5000 10. 0000 3. 0000 7. 6200 1. 0500 5. 6000 1. 0600 2. 6200 Prim. Mantle 0. 6870 1. 7750 0. 2760 1. 3540 0. 4440 0. 1680 0. 5960 0. 1080 0. 7370 0. 1640 0. 4800 N-MORB 2. 5000 7. 5000 1. 3200 7. 3000 2. 6300 1. 0200 3. 6800 0. 6700 4. 5500 1. 0100 2. 9700 E-MORB 6. 3000 15. 0000 2. 0500 9. 0000 2. 6000 0. 9100 2. 9700 0. 5300 3. 5500 0. 7900 2. 3100 C 1 0. 2370 0. 6120 0. 0950 0. 4670 0. 1530 0. 0580 0. 2055 0. 0374 0. 2540 0. 0566 0. 1655 Ce 0. 0728 Pr 0. 0815 Nd 0. 1482 0. 2136 0. 632 Gd 0. 647 Tb Dy 0. 54 Ho 0. 566 Er 1. 6754 1. 6444 1. 776
Сl=Co/D(1 -F)+F
Классификация базальтов
Андезит (от названия горной системы Анды англ. Andes в Южной Америке) — вулканическая горная порода среднего состава, нормальной щелочности. Содержание кремнезема (Si. O 2) составляет 52 -65 %.
Классификация пород по петрогенным элементам
Геохимическая характеристика адакитов Игнольского палеовулкана
По известково-щелочному индексу Пикока. Индекс Пикока определяется для непрерывной вулканической серии на диаграмме, где по горизонтальной оси откладывается Si. O 2, а по вертикальной одновременно откладываются сумма щелочей (Na 2 O+K 2 O) и Ca. O. Индекс Пикока это содержание Si. O 2, при котором пересекутся тренды накопления щелочей и убывания кальция. По величине индекса Пикока, породы делятся на щелочные (менее 51%) щелочно-известковые (52 -56 %) известково-щелочные (56 -61 %) известковые (более 61%) Оценка индекса Пикока для серии островодужного вулкана Бакенинг (Камчатка) PI=62. 5 Оценка индекса Пикока для серии островодужного вулкана Авача (Камчатка). PI=63. 5
Ni, Co, Cr Совместимые (когерентные) элементы. Ni (Co) преимущественно входит в оливин. Cr входит в хромшпинелид и клинопироксен. Высокие концентрации показывают малую степень фракционирования. V, Ti Несовместимые элементы на ранних этапах фракционирования, но сильно совместимы с ильменитом и титаномагнетитом. Раздельное поведение отражает появление самостоятельной фазы титана Zr, Hf Сильно несовместимые элементы Должны постоянно накапливаться при фракционировании Ba, Rb Несовместимые до появления минералов калия (калиевый полевой шпат, слюды - биотит, роговая обманка). Rb предпочитает слюды и Fsp. по K/Ba отношению можно выявить появление К-фаз. Sr Замещает Ca в плагиоклазе (но не в клинопироксене). Совместим при низких давлениях (ранний плагиоклаз), несовместим при высоких (плагиоклаз неустойчив)Оценка глубинности фракционирования REE Гранат преимущественно накапливает тяжелые REE. Ортопироксен и роговая обманка имеют тот же эффект, но в меньшей степени. Сфен и плагиоклаз содержат преимущественно легкие REE. Eu 2+ примущественно в плагиоклазе. Степень деплетированности/фракционирования Y несовместимый (на уровне HREE). Преимущественно входит в гранат и амфибол. Сфен и апатит также могут концентрировать Y.
Вопрос: какие андезиты будут иметь толеитовые, а какие известково-щелочные характеристики, как они будут отличатся по содержанию Ba, Rb, Cr, Ni ?
Геохимия магматизма вулкана Безымянный: признаки мантийного источника и условия фракционирования исходной магмы АЛЬМЕЕВ Ренат Рашитович АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата геологоминералогических наук Справка: андезитовых вулканов на планете меньше, чем базальтовых, но в 20 -м веке продуктивность андезитового вулканизма в 3 раза превысила таковую базальтового. На Камчатке из 29 действующих вулканов 13 - андезитовые.
Породы вулканов Ключевской и Безымянный на классификационных диаграммах: (а) Na 2 O+K 2 O Si. O 2 (TAS-диаграмма, (Le Maitre et al. , 1989)); (б) диаграмма K 2 O-Si. O 2 для разделения субщелочных пород; (в) Fe. O/Mg. O-Si. O 2 (Miyashiro, 1974) и (г) диаграмма AFM (Irvine and Baragar, 1971) разграничивающие поля дифференцированных толеитовых и известковощелочных серий.
Вариации петрогенных оксидов (в вес. %) для известково-щелочной серии пород вулканов Ключевской и Безымянный.
Вариации совместимых микроэлементов (в частях на миллион) в породах вулканов Ключевской-Безымянный. Условные обозначения как на предыдущем слайде. С ростом индекса дифференциации пород когерентные микро-элементы обнаруживают аналогичные зависимости, выражающиеся в линейности и изломах геохимических трендов (Рис. 3). Наиболее эффективно Ni и Cr уменьшаются в области базальтовых составов при эволюции расплавов вдоль Ol+ Cpx+Spin котектики, где оливин демонстрирует максимум содержаний в кристаллизующейся ассоциации минералов. Относительные пропорции клинопироксена повышаются при переходе к андезито-базальтам и андезитам, что выражается в ускоренном обеднении Sc. Концентрации V, Y, и HREE (например Yb) на начальных стадиях эволюции растут, а при переходе к андезитам, наоборот, демонстрируют обеднение, указывающее на присутствие магнетита (V) и амфибола (Y, HREE) в качестве кристаллизующихся фаз. Поведение Sr и Ga контролируется процессами кристаллизации и возможной аккумуляции плагиоклаза.
Индикаторные отношения элементов-примесей в зависимости от индекса дифференциации (Th) в лавах вулканов Ключевской. Безымянный. Горизонтальные тренды свидетельствуют в пользу однотипности геохимических характеристик родительских магм вулканов. Понижение K/Rb и рост La/Yb отношений в лавах вулкана Безымянный указывает на возможное фракционирование амфибола. Для сравнения, приведены элемент-элементные отношения базальта типа N-MORB, (Sun and Mc. Donough, 1989).
Спектры REE, нормализованные на С 1 хондрит (Sun and Mc. Donough, 1989) в лавах вулканов Ключевской и Безымянный.
Отношения La/Dy и Lu/Dy в породах известково-щелочной серии вулканов Ключевской и Безымянный, демонстрирующие роль амфибола в генезисе дифференцированных лав. График показывает эффективное фракционирование REE в андезитах и дацитах вулкана Безымянный. Роль 30%фракционирования различных минералов на микроэлементные отношения показана выше основного графика. Векторами (цифры 1, 2 и 3) обозначены траектории идеального 70% -фракционирования исходной родительской магмы влк Безымянный (сплошная линия) а также тренды ее эволюции (пунктирная линия) в случае in situ кристаллизации (Langmuir, 1989). Расчеты выполнены для трех случаев, с учетом различных пропорций минеральных фаз, характерных для 2 Рх(1), Орх- (2) и Hbl-андезитов (3). В таблице даны значения коэффициентов распре-деления использованные в расчетах. http: //geo. web. ru/db/msg. html? mid=1172738&uri=part 05. html
Классификация гранитоидов на I -, S -, M - и A – типы (Б. Чаппел и А. Уайт, 1974) I – магматические S – формируются в результате переплавления осадочного материала, прошедшего цикл выветривания на поверхности Земли M – при непосредственном плавлении субдуцирующей океанической коры или вышележащего мантийного клина A - анорогенный
Заключение 1. Классификация магматических пород 2. Выделение магматических серий 3. Изучение особенностей эволюции магматических пород 4. Определение геодинамических обстановок формирования магматических пород
Вариационные диаграммы
1. Харкеровский индекс (Si. O 2 – абцисса) 2. Mg. O 3. 100 Mg. O/(Mg. O+Fe. O) 4. F 5. Kp = Ств фаза/Cрасплав 6. С=С 0 1/F, где С – концентрация элемента в исходном расплаве, С 0 – концентрация в остаточном расплаве, F – количество остаточного расплава
Диаграммы смешения
Внутренние ограничения использования диаграмм 1. Две породы могут быть связаны косвенно 2. Большое число кристаллизующихся минеральных фаз 3. Не точные аналитические данные 4. В системе кристалл-расплав кроме фракционирования в большей или меньшей степени могла играть другие процессы
Диаграмма Неелова a = Al 2 O 3/Si. O 2 b = Fe. O*+Mn. O+Mg. O+Ca. O
Диаграммы Доморацкого
Скачать презентацию Интерпретация геохимических данных Раздел 1 I Базовые
L_igd_введение.ppt