Фракционная кристаллизация (геология)
Фракционная кристаллизация , или фракционирование кристаллов , — один из наиболее важных геохимических и физических процессов, происходящих в коре и мантии каменистого планетарного тела, такого как Земля. Имеет важное значение в образовании магматических пород , поскольку является одним из основных процессов магматической дифференциации . [1] Фракционная кристаллизация также важна при образовании осадочных эвапоритовых пород или просто фракционная кристаллизация - это удаление ранее образовавшихся кристаллов из исходной гомогенной магмы, чтобы предотвратить дальнейшую реакцию кристаллов с остаточным расплавом.
Магматические породы
[ редактировать ]Фракционная кристаллизация — удаление и выделение из расплава минеральных осадков; за исключением особых случаев, удаление кристаллов меняет состав магмы. [2] По сути, фракционная кристаллизация представляет собой удаление ранее образовавшихся кристаллов из первоначально однородной магмы (например, гравитационным осаждением) с целью предотвращения дальнейшего взаимодействия этих кристаллов с остаточным расплавом. [3] Состав оставшегося расплава относительно обедняется одними компонентами и обогащается другими, в результате чего выделяется последовательность различных минералов. [4]
Фракционная кристаллизация в силикатных расплавах ( магмах ) сложна 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, углекислого газа и кислорода относятся к числу изменений состава, которые необходимо учитывать. [5] Например, первостепенное значение может иметь парциальное давление ( фугитивность ) воды в силикатных расплавах, как при околосолидусной кристаллизации магм гранитного состава. [6] [7] Последовательность кристаллизации оксидных минералов, таких как магнетит и ульвошпинель, чувствительна к фугитивности кислорода расплавов. [8] а разделение оксидных фаз может быть важным фактором контроля концентрации кремнезема в развивающейся магме и может иметь важное значение для андезитов . генезиса [9] [10]
Эксперименты предоставили множество примеров сложностей, которые определяют, какой минерал кристаллизуется первым, когда расплав остывает после ликвидуса .
Один из примеров касается кристаллизации расплавов, образующих основные и ультраосновные породы. Концентрации MgO и SiO 2 в расплавах относятся к числу переменных, определяющих, будет ли выпадать в осадок форстеритовый оливин или энстатитовый пироксен . [11] но содержание воды и давление также важны. В некоторых составах при высоких давлениях без воды предпочтительна кристаллизация энстатита, но в присутствии воды при высоких давлениях предпочтительна оливин. [12]
Гранитная магма дает дополнительные примеры того, как расплавы, в целом схожие по составу и температуре, но при разном давлении, могут кристаллизовать разные минералы. Давление определяет максимальное содержание воды в магме гранитного состава. Высокотемпературная фракционная кристаллизация относительно бедной водой гранитной магмы может привести к образованию однощелочно -полевошпатового гранита, а низкотемпературная кристаллизация относительно богатой водой магмы может привести к образованию двухполевошпатового гранита . [13]
В процессе фракционной кристаллизации расплавы обогащаются несовместимыми элементами . [14] Следовательно, знание последовательности кристаллизации имеет решающее значение для понимания того, как меняется состав расплава. Текстуры горных пород дают понимание, как это было задокументировано в начале 1900-х годов в серии реакций Боуэна . [15] Примером такой текстуры , связанной с фракционной кристаллизацией, являются межзеренные (также известные как межкучевые) текстуры, которые развиваются там, где минерал кристаллизуется позже окружающей матрицы, тем самым заполняя оставшееся межузельное пространство. Различные оксиды хрома, железа и титана имеют такую текстуру, как, например, межзеренный хромит в кремнистой матрице. [ нужна ссылка ] Экспериментально определенные фазовые диаграммы для простых смесей дают представление об общих принципах. [16] [17] Численные расчеты с использованием специального программного обеспечения все чаще позволяют точно моделировать природные процессы. [18] [19]
Осадочные породы
[ редактировать ]Фракционная кристаллизация играет важную роль в образовании осадочных эвапоритовых пород. [20]
См. также
[ редактировать ]- Кумулятивная порода – магматические породы, образовавшиеся в результате скопления кристаллов магмы в результате осаждения или плавания.
- Полосчатость потока - полосы или слои, которые иногда можно увидеть в породе, образовавшейся из магмы.
- Фракционная кристаллизация (химия) - метод очистки веществ, основанный на различиях в их растворимости.
- Магматическая дифференциация - Геологический процесс образования некоторых магматических пород.
- Многослойное вторжение - большое подоконное тело изверженной породы.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Петрология. Исследование магматических... горных пород , Лорен А. Рэймонд, 1995, McGraw-Hill, стр. 1995, McGraw-Hill, p. 91
- ^ Уилсон Б.М. (1989). Магматический петрогенезис: глобальный тектонический подход . Спрингер. п. 82. ИСБН 9780412533105 .
- ^ Эмелеус, Швейцария; Тролль, VR (август 2014 г.). «Ромовый магматический центр, Шотландия» . Минералогический журнал . 78 (4): 805–839. Бибкод : 2014MinM...78..805E . дои : 10.1180/minmag.2014.078.4.04 . ISSN 0026-461X .
- ^ Петрология. Исследование магматических... горных пород , Лорен А. Рэймонд, 1995, McGraw-Hill, стр. 1995, McGraw-Hill, p. 65
- ^ Ланге, РЛ; Кармайкл, Ян С.Е. (1990). «Термодинамические свойства силикатных жидкостей с упором на плотность, тепловое расширение и сжимаемость» . Обзоры по минералогии и геохимии . 24 (1): 25–64 . Проверено 8 ноября 2020 г.
- ^ Хуанг, WL; Уилли, Пи Джей (март 1973 г.). «Отношения плавления мусковита-гранита до 35 кбар как модель плавления метаморфизованных субдуцированных океанических отложений». Вклад в минералогию и петрологию . 42 (1): 1–14. Бибкод : 1973CoMP...42....1H . дои : 10.1007/BF00521643 . S2CID 129917491 .
- ^ Филпоттс, Энтони Р.; Аг, Джей Дж. (2009). Основы магматической и метаморфической петрологии (2-е изд.). Кембридж, Великобритания: Издательство Кембриджского университета. стр. 604–612. ISBN 9780521880060 .
- ^ МакБирни, Александр Р. (1984). Магматическая петрология . Сан-Франциско, Калифорния: Фриман, Купер. стр. 124–127. ISBN 0877353239 .
- ^ Джастер, Томас С.; Гроув, Тимоти Л.; Перфит, Майкл Р. (1989). «Экспериментальные ограничения на образование FeTi базальтов, андезитов и риодацитов в Центре распространения Галапагосских островов, 85° и 95° з.д.». Журнал геофизических исследований . 94 (B7): 9251. Бибкод : 1989JGR....94.9251J . дои : 10.1029/JB094iB07p09251 .
- ^ Philpotts & Ague 2009 , стр. 609–611.
- ^ Philpotts & Ague 2009 , стр. 201–205.
- ^ Кусиро, Икуо (1969). «Система форстерит-диопсид-кремнезем с водой и без нее при высоких давлениях» (PDF) . Американский научный журнал . 267.А: 269–294 . Проверено 8 ноября 2020 г.
- ^ Макбирни 1984 , стр. 347–348.
- ^ Кляйн, Э.М. (2005). «Геохимия магматической океанической коры». В Руднике Р. (ред.). Кора — Трактат по геохимии, том 3 . Амстердам: Эльзевир. п. 442. ИСБН 0-08-044847-Х .
- ^ Боуэн, Нидерланды (1956). Эволюция магматических пород . Канада: Дувр. стр. 60–62.
- ^ МакБирни 1984 , стр. 68–102.
- ^ Philpotts & Ague 2009 , стр. 194–240.
- ^ Philpotts & Ague 2009 , стр. 239–240.
- ^ Гиорсо, Марк С.; Хиршманн, Марк М.; Райнерс, Питер В.; Кресс, Виктор К. (май 2002 г.). «pMELTS: пересмотр MELTS для улучшенного расчета фазовых отношений и разделения основных элементов, связанных с частичным плавлением мантии до 3 ГПа: pMELTS, пересмотр MELTS» . Геохимия, геофизика, геосистемы . 3 (5): 1–35. дои : 10.1029/2001GC000217 .
- ^ Рааб, М.; Спиро, Б. (апрель 1991 г.). «Изотопные изменения серы при испарении морской воды с фракционной кристаллизацией». Химическая геология: Секция изотопных геолого-геофизических наук . 86 (4): 323–333. Бибкод : 1991CGIGS..86..323R . дои : 10.1016/0168-9622(91)90014-Н .