Фракционная кристаллизация (геология) - Fractional crystallization (geology)

Кристаллизация
Процесс-кристаллизации-200px.png
Основы
Кристалл  · Кристальная структура  · Зарождение
Концепции
Кристаллизация  · Рост кристаллов
Перекристаллизация  · Семенной кристалл
Протокристаллический  · Монокристалл
Методы и технологии
Буль
Метод Бриджмена – Стокбаргера
Процесс хрустального бруса
Метод Чохральского
Эпитаксия  · Метод флюса
Фракционная кристаллизация
Фракционное замораживание
Гидротермальный синтез
Киропулос метод
Рост пьедестала с лазерным нагревом
Микро-вытягивание вниз
Формирующие процессы при росте кристаллов
Тигель черепа
Метод Вернейля
Зона плавления
Схематические диаграммы, показывающие принципы фракционной кристаллизации в магма. При охлаждении состав магмы изменяется, поскольку из расплава кристаллизуются различные минералы. 1: оливин кристаллизуется; 2: оливин и пироксен кристаллизоваться; 3: пироксен и плагиоклаз кристаллизоваться; 4: плагиоклаз кристаллизуется. На дне резервуара магмы находится кумулировать рок формы.

Фракционная кристаллизация, или же фракционирование кристаллов, является одним из важнейших геохимических и физических процессов, протекающих в корка и мантия скалистого планетарного тела, такого как Земля. Это важно в формировании Магматические породы потому что это один из основных процессов магматическая дифференциация.[1] Фракционная кристаллизация также важна для образования осадочный эвапорит горные породы.

Магматические породы

Фракционная кристаллизация - это удаление и сегрегация из расплава минеральная выпадает в осадок; за исключением особых случаев, удаление кристаллов изменяет состав магмы.[2] По сути, фракционная кристаллизация - это удаление ранее образовавшихся кристаллов из изначально однородной магмы (например, путем гравитационного осаждения), чтобы предотвратить дальнейшую реакцию этих кристаллов с остаточным расплавом. Состав оставшегося расплава становится относительно обедненным некоторыми компонентами и обогащается другими, что приводит к осаждению ряда различных минералов.[3]

Фракционная кристаллизация в силикатных расплавах (магмы ) сложен по сравнению с кристаллизацией в химических системах при постоянном давлении и составе, поскольку изменения давления и состава могут иметь драматические последствия для эволюции магмы. Добавление и потеря воды, углекислый газ, и кислород входят в число изменений состава, которые необходимо учитывать.[4] Например, частичное давление (летучесть ) воды в силикатных расплавах может иметь первостепенное значение, так каксолидус кристаллизация магм гранит сочинение.[5][6] Последовательность кристаллизации окись минералы, такие как магнетит и ульвошпинель чувствителен к летучесть кислорода расплавов,[7] и разделение оксидных фаз может быть важным контролем кремнезем концентрация в развивающейся магме, и может иметь важное значение в андезит генезис.[8][9]

Эксперименты предоставили множество примеров сложностей, которые определяют, какой минерал кристаллизируется первым, когда расплав остывает за ликвидус.

Один из примеров касается кристаллизации расплавов, образующих мафический и ультраосновной горные породы. MgO и SiO2 концентрации в расплавах являются одними из переменных, которые определяют, форстерит оливин или же энстатит пироксен выпадает в осадок,[10] но также важны содержание воды и давление. В некоторых композициях при высоких давлениях предпочтительна кристаллизация энстатита без воды, но в присутствии воды при высоких давлениях предпочтение отдается оливину.[11]

Гранитные магмы являются дополнительными примерами того, как расплавы с одинаковым составом и температурой, но при разном давлении могут кристаллизовать разные минералы. Давление определяет максимальную влажность магмы гранитного состава. Высокотемпературная фракционная кристаллизация относительно маловодных гранит магмы могут производить одно-щелочно-полевой шпат гранита, а кристаллизация относительно богатой водой магмы при более низкой температуре может дать дваполевой шпат гранит.[12]

В процессе фракционной кристаллизации расплавы обогащаются несовместимые элементы.[13] Следовательно, знание последовательности кристаллизации имеет решающее значение для понимания того, как эволюционируют составы расплава. Текстуры скал дают представление, как было задокументировано в начале 1900-х годов Серия реакций Боуэна.[14] Пример такого текстура, относящаяся к фракционированной кристаллизации, представляет собой межкристаллитную (также известную как интеркумулус) текстуры, которые развиваются там, где минерал кристаллизуется позже окружающей матрицы, таким образом заполняя оставшееся промежуточное пространство. Такие текстуры проявляют различные оксиды хрома, железа и титана, например, межзеренный хромит в кремнистой матрице.[нужна цитата ] Экспериментально определенный фазовые диаграммы для простых смесей дает представление об общих принципах.[15][16] Численные расчеты с использованием специального программного обеспечения все чаще позволяют точно моделировать природные процессы.[17][18]

Осадочные породы

Фракционная кристаллизация важна для образования осадочных эвапоритовых пород.[19]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Петрология Изучение магматических ... горных пород, Лорен А. Раймонд, 1995, МакГроу-Хилл, стр. 91
  2. ^ Уилсон Б.М. (1989). Магматический петрогенезис - глобальный тектонический подход. Springer. п. 82. ISBN  9780412533105.
  3. ^ Петрология Изучение магматических ... горных пород, Лорен А. Раймонд, 1995, МакГроу-Хилл, стр. 65
  4. ^ Lange, R.L .; Кармайкл, Ян С. (1990). «Термодинамические свойства силикатных жидкостей с упором на плотность, тепловое расширение и сжимаемость». Обзоры по минералогии и геохимии. 24 (1): 25–64. Получено 8 ноября 2020.
  5. ^ Huang, W. L .; Вилли П. Дж. (Март 1973 г.). «Соотношения плавления мусковита и гранита до 35 кбар как модель плавления метаморфизованных субдуцированных океанических отложений». Вклад в минералогию и петрологию. 42 (1): 1–14. Дои:10.1007 / BF00521643. S2CID  129917491.
  6. ^ Philpotts, Anthony R .; Агу, Джей Дж. (2009). Принципы магматической и метаморфической петрологии (2-е изд.). Кембридж, Великобритания: Издательство Кембриджского университета. С. 604–612. ISBN  9780521880060.
  7. ^ МакБирни, Александр Р. (1984). Магматическая петрология. Сан-Франциско, Калифорния: Фриман, Купер. С. 124–127. ISBN  0877353239.
  8. ^ Juster, Thomas C .; Grove, Timothy L .; Перфит, Майкл Р. (1989). «Экспериментальные ограничения на образование FeTi-базальтов, андезитов и риодацитов в Галапагосском центре распространения, 85 ° и 95 ° западной долготы». Журнал геофизических исследований. 94 (B7): 9251. Дои:10.1029 / JB094iB07p09251.
  9. ^ Philpotts & Ague 2009, стр. 609-611.
  10. ^ Philpotts & Ague 2009 С. 201-205.
  11. ^ Кусиро, Икуо (1969). «Система форстерит-диопсид-кремнезем с водой и без воды при высоких давлениях» (PDF). Американский журнал науки. 267.A: 269–294. Получено 8 ноября 2020.
  12. ^ МакБирни 1984, стр. 347-348.
  13. ^ Кляйн, Э. (2005). «Геохимия магматической океанической коры». В Rudnick, R. (ред.). Кора - Трактат по геохимии Том 3. Амстердам: Эльзевир. п. 442. ISBN  0-08-044847-X.
  14. ^ Боуэн, Н. (1956). Эволюция магматических пород. Канада: Дувр. С. 60–62.
  15. ^ МакБирни 1984 С. 68-102.
  16. ^ Philpotts & Ague 2009 С. 194-240.
  17. ^ Philpotts & Ague 2009, стр. 239-240.
  18. ^ Ghiorso, Mark S .; Hirschmann, Marc M .; Райнерс, Питер У .; Кресс, Виктор С. (май 2002 г.). «PMELTS: пересмотр MELTS для улучшенного расчета фазовых соотношений и разделения основных элементов, связанных с частичным плавлением мантии до 3 ГПа: pMELTS, ПЕРЕСМОТР РАСПЛАВОВ». Геохимия, геофизика, геосистемы. 3 (5): 1–35. Дои:10.1029 / 2001GC000217.
  19. ^ Raab, M .; Спиро, Б. (апрель 1991 г.). «Изотопные изменения серы при испарении морской воды с фракционной кристаллизацией». Химическая геология: Секция геологии изотопов. 86 (4): 323–333. Дои:10.1016 / 0168-9622 (91) 90014-Н.