Неорганическая геохимия - Хендерсон П.
Скачать (прямая ссылка):
Процесс адкумулятивного роста кристаллов, при котором осевшие кристаллы на дне магматической камеры продолжают расти из расплава того же состава, может рассматриваться как специфический случай гетерогенного зародышеобразования. Переохлажденная магма в метастабилы-юй области гомогенного зародышеобразования может переноситься конвективными течениями на дно камеры, где ранее образовавшиеся кристаллы будут расти за счет диффузии необходимых элементов из переохлажденной магмы.
В серии интересных экспериментов по зародышеобразованию и росту кристаллов щелочных полевых шпатов из расплавов в системе ЫаА151308 — КА181308 — Н20 было показано, что присутствие воды в расплаве очень сильно влияет на эти процессы [107]!. На рис. 8.10 изображены плотность зародышеобразования (количество зародышей в единице объема) и скорости роста полевых шпатов из двух расплавов с разным содержанием воды. При высоком содержании воды плотность зародышеобразования дает максимум при меньших степенях переохлаждения.
Графики на рис. 8.10 имеют типичную для плотности зародышеобразования и скорости роста форму. Киркпатрик {213] оценил скорости зародышеобразования и роста плагиоклазов в лавовых озерах вулкана Килауэа (Гавайи). Скорость зародышеобразования менялась от 6,8-10~3 до 2,0 см-з-с-"1, а скорость роста (перпендикулярно оси (010))—от 1,7 до 1Ы0~10 см-с-1. В этих озерах зародышеобразование для полевых шпатов гетерогенное, а скорость роста контролируется поверхностной реакцией (см. разд. 8.3.3).
8.3.2. Рост кристаллов — скрытая теплота кристаллизации. Выделение скрытой теплоты кристаллизации создает более вы
204 Часть II
сокую температуру на поверхности кристалла, чем в массе расплава. Температурный профиль схематически показан на рис. 8.11, где степень переохлаждения выражена в (7*—Т). Движущая сила кристаллизации пропорциональна (ТЛ—Т). Скорость роста кристалла (в единицах массы, отнесенных к единице площади и единице времени) связана с разницей температур (Т* — —Т=АТ) выражением
где Л — площадь поверхности кристалла; 0 — коэффициент сум-
Поверхность кристалл/раствор
РИС. 8.11. Температурный градиент в жидкости, соседствующей с растущим кристаллом (обсуждение см. в тексте).
марного массопереноса при росте; п — константа для данной системы; величина ее обычно колеблется от 1 до 3.
Толщина стационарного слоя на рис. 8.11 зависит от скорости оттока выделившегося скрытого тепла от поверхности кристалла, который частично зависит от скорости перемешивания расплава. Поэтому скорость роста кристаллов зависит от скорости отвода тепла от кристалла. Однако для скорости кристаллизации расплавов магматических пород этот эффект, по-видимому, не имеет большого значения (см., например, [32]).
8.3.3. Рост, контролируемый реакцией на поверхности. Описываемый механизм роста определяет также скорость роста при условии, что диффузия необходимых ионов или элементов не является контролирующей стадией. Например, если этот механизм вызывает сплошной рост (т. е. однородное нарастание на поверхности кристалла), то линейная скорость (т. е. скорость
(8.11)
с1/
8. Кинетический контроль распределения элементов 205
продвижения поверхности кристалла) У связана с АТ простым соотношением:
У = 0ДГ (для малых величин переохлаждения). (8.12)
Если, однако, механизм процесса включает латеральный рост (т. е. разрастание ступеньки толщиной в одну молекулу по поверхности кристалла), скорость определяется соотношением
У = 0АТ2 (для малых величин переохлаждения). (8.13)
Чтобы установить механизм роста, необходимо определить АТ, но это очень часто невозможно на практике. Если скорость роста не определяется скоростью диффузии кристаллизующихся веществ, он не будет зависеть от времени. Такой рост контролируется поверхностным процессом. Ему соответствует энергия активации прирастания атома или молекулярных частиц к поверхности кристалла. Энергия активации — это мера легкости молекулярного упорядочения, происходящего при росте кристалла, но интерпретация величин энергии активации трудна, за исключением наиболее простых экспериментальных систем [212].
Вероятно, контролируемый поверностыо рост — это процесс, контролирующий скорость кристаллизации многих магматических пород.
(а) Кристалл
Расплав
8.3.4. Рост, контролируемый диффузией. РОСТ минералов из природных силикатных расплавов может в некоторых случаях контролироваться диффузией. Теория такого роста не так хорошо разработана, как для случая контроля поверхностным процессом, но в действительности изучение этого типа роста для магматических систем было начато раньше из-за наличия доступных измерению концентрационных градиентов.
В условиях малых скоростей роста или роста, контролируемого процессом на по
Рис. 8.12. Концентрационный профиль микроэлемента вблизи поверхности раздела кристалл — жидкость, а — равновесное распределение при бесконечно малой скорости кристалла; б — типичное распределение при конечной скорости роста кристалла; и — стационарное распределение при очень большой скорости роста кристалла, б — толщина диффузионного пограничного слоя [179].
