Неорганическая геохимия - Хендерсон П.
Скачать (прямая ссылка):
(О 100 1000 10000
бт а пиропе, млн-1
Рис. 7.6. Изменение коэффициента распределения Бт (пироп/жидкость, &зт) как функции концентрации Бт в пиропе (1300°С, 30 кбар) [163].
Распределение микроэлементов между минералами или фазами может быть описано с помощью коэффициентов распределения. Форма записи коэффициента зависит от нужд исследователя. Простой коэффициент распределения, как определено в уравнении (7.56) и гл. 5, — это
й« ^азаа . (7.56)
Это вполне обоснованный коэффициент, но его полезность и применимость очень ограниченны, по крайней мере теоретически.
Этот коэффициент может быть рассмотрен с термодинамических позиций. Если взять две частично смешивающиеся жидкости \ и \|) (т. е. неидеальную систему) и третий компонент /, распределяющийся между ними, притом в таких низких концентрациях, что его поведение идеально в каждой жидкости, то при равновесии
Тогда по уравнению (7.14)
ц^+ЯПп^^^^ + ЯПпдгу* (при постоянном Р).
7. Термодинамический контроль распределения элементов 179
Преобразовав, получим уравнение
1п^=^^> (7-57>
которое не зависит от концентрации /* (в определенном диапазоне составов), но зависит от температуры и давления. Отношение х/Ь/х]^— это коэффициент распределения Нернста к. Он равен &А/Б/?А/*—отношению констант Генри компонента / в двух средах | и г!?*.
Коэффициент распределения Нернста был широко использован в исследованиях распределения микроэлементов, но из-за чувствительности к изменению концентраций главных элементов он мало полезен для геотермометрии и геобарометрии (см. ниже). Иногда он, впрочем, используется применительно к простым породообразующим процессам, таким, как обсуждаемые в гл. 8.
Возьмём какое-либо простое равновесие, например (7.58), и покажем соотношение между коэффициентом распределения и константой равновесия, а также зависимость распределения микроэлементов от содержаний главных элементов в одной или нескольких фазах:
5Ю2 + 2№0 = №25Ю4 . (7.58)
жидкость жидкость кристаллы оливина
Константа равновесия для реакции (7.58)
*- /У,,- (7-59)
Она может быть записана как
К== и М2ЬО<
где кн — соответствующая константа Генри. Тогда
1п^=1пД?Ю~21пЛЮ'-1па1ЗЮ2Т-11Й/101-21п40. (7.61)
* Не совсем точно. Из а;=Ал/ЛГ/ и = [х]15 следует 1п —ф—=
х)
__ —-_-_^ (коэффициент распределения). И тогда —=
х1
180 Часть II
Первые два члена с правой стороны уравнения (7.61), очевидно, связываются в коэффициент распределения к. Видно, что он зависит от активности кремнезема в жидкости, а также от константы равновесия К.
Уравнение (7.58)—это, впрочем, частная простая реакция, имеющая только небольшое приложение к природным породообразующим системам, так как присутствие магния (и/или железа) в природных системах ведет к необходимости учета следующей обменной реакции (7.62):
Мй2+ -)- №2+ = №2+ + Д%2+. (7.62)
оливин жидкость оливин жидкость
При равновесии для реакции (7.62) может быть определен коэффициент распределения иного вида*:
Такой коэффициент распределения, если он применяется к рассматриваемому процессу, гораздо менее чувствителен к изменениям состава, чем нернстовский, потому что он учитывает тот факт, что перераспределение какого-либо элемента (например, ЬН) должно сопровождаться обменом по крайней мере с одним другим элементом (например, ]\^).
Было выполнено большое число работ по распределению элементов между магмой или искусственными силикатными расплавами и кристаллической фазой. Некоторые результаты приведены в гл. 5. Одна из работ Такахаси [382] относится непосредственно к вышеприведенному примеру. Он показал заметную зависимость от состава коэффициента распределения Нернста в расплаве оливинового базальта для большого числа переходных элементов, включая N1. Но коэффициент распределения Кв (с участием ЬAg) оказался почти постоянным для многих из этих элементов в широком диапазоне концентраций.
Идентификация элемента-носителя для определения коэффициента распределения Кв никеля между оливином и расплавом достигается просто. В других случаях элементом-носителем может быть один из нескольких возможных. При гетеровалентиом замещении необходимо учитывать дополнительно компенсирующие заряд замещения (см. разд. 6.4).
7.6. Геотермометрия и геобарометрия. Известно много (по крайней мере 50) пригодных к применению геотермометров и
* В специальной литературе принято называть выражение типа (7.56) коэффициентом распределения, а выражение типа (7.63) — константой распределения, поскольку она представляет собой константу закона действующих масс обменной реакции распределения. — Прим. ред.
7. Термодинамический контроль распределения элементов 181
геобарометров, основанных на различных принципах, включая распределение стабильных изотопов, устойчивость минералов, точку гомогенизации жидкости и пара (в исследованиях жидких включений), а также распределение элементов между минеральными фазами. Этот раздел посвящен зависимости распределения элементов от температуры и давления и созданию таким методом надежных геотермометров и геобарометров. Главная цель использования любых геотермометров и геобарометров— установление температур и давлений, при которых образуется ассоциация породообразующих минералов. Но последующие процессы, сдвигающие равновесие при охлаждении пород или изменении давления, в ряде случаев могут препятствовать достижению этой цели.
