Неорганическая геохимия - Хендерсон П.
Скачать (прямая ссылка):
Подойдя подобным образом к вопросу о метаморфической дифференциации, Фишер )[108]| показал, что некоторые андалузит-биотит-кварцевые выделения в силлиманит-биотит-кварц-полевошпатовых гнейсах Швеции развиваются (после метаморфизма) по реакциям, которые протекают за счет небольшой разницы в свободных энергиях между андалузитом и силлиманитом. В этих породах превращение силлиманита в андалузит включает диффузию ионов через породу, а не структурное превращение полиморфных модификаций. (Вода является компонентом постулированных реакций.)
216 Часть II
100
Зональность состава минералов может служить относительной мерой скорости развития метаморфических структур. Эдмунде и Атертон :[ 100] высказали предположение, что зональность в гранатах метаморфического ореола Фанад (Доиегал, Ирландия)— это результат не только исчерпания компонентов
при росте кристаллов в твердой среде, но также роста,, контролируемого диффузией. Зональность состава может быть стерта или изменена последующей объемной диффузией.
Краткое качественное обсуждение некоторых процессов, вызывающих перераспределение элементов при метаморфизме в открытой системе, приведено в гл. 5 (разд. 5.6), но о его скоростях до сих пор имеется мало информации. Закончив обзор кинетики зарождения и роста кристаллов в лодкой и твердой средах, вернемся теперь к зависящим от времени процессам кристаллизационного фракционирования и генерации магмы.
Рис. 8.18. Относительное изменение концентрации элемента в магме как функция доли остаточной жидкости Р при равновесной кристаллизации (по уравнению (8.21)) с различными величинами комбинированного коэффициента распределения к. Штриховой линией показано изменение концентрации элемента в твердой фазе для к=\0 (уравнение (8.22)).
8.5. Кристаллизацион н о е фракционирование. 8.5.1. Теория. Образующиеся из магмы кристаллы часто отличаются по своей плотности от расплава; это создает возможность для накопления кристаллов под действием силы тяжести и тем самым для разделе-
ния жидкой и твердой фаз. Два основных параметра процесса — скорость охлаждения и вязкость магмы; они определяют скорость и глубину процесса разделения. Медленно охлаждающиеся базальтовые магмы, обладающие низкой вязкостью, имеют наилучшие условия . для интенсивной фракционной кристаллизации, чему имеется достаточно доказательств в природе. Один из наиболее изученных примеров — Скергаардский расслоенный интрузив в Восточной Гренландии [412]. Как обнаружено в этом интрузиве, аккуму
8. Кинетический контроль распределения элементов 217
ляция первой и последующих порций кристаллов приводит к систематическому изменению состава жидкой и твердой фаз с образованием из исходной магмы толеитового состава последовательности очень сильно фракционированных пород (см. гл. 5). Существуют также доказательства участия этого процесса в образовании кислых интрузивных пород, но примеров здесь меньше (см. [412]).
В данном разделе приведен краткий теоретический анализ изменения состава твердой и жидкой фаз при равновесной и •ф р а к цн о и и о й к р и ст а л л и з а ци и.
В условиях полного равновесия твердой и жидкой фаз при кристаллизации (равновесная кристаллизация) концентрация элемента М в двух фазах определяется уравнением баланса масс:
ГСг-Ь(1-^)1сг = СЛ (8.20)
где У7— доля остаточной жидкости; С]0 — концентрация М в исходной жидкости; С/ — концентрация М в подвергавшейся фракционированию жидкости; к— комбинированный коэффициент распределения С.ч/С/ между суммой твердых фаз и жидкостью. к = аакп-\-аькь-т-аскс-\~ ... -\-апкп, где а/ — массовая доля данного минерала с коэффициентом распределения №. Преобразуем уравнение (8.20):
^ = [^(1~/7)+/7]-\ (8.21)
и для твердых фаз
-§у=,к/[Р(\-Ъ)+Тг]. (8.22)
Графики изменения состава твердой и жидкой фаз для различных величин к приведены на рис. 8.18.
Если аккумулирующиеся кристаллы не остаются в равновесии с остаточной жидкостью при продолжающемся охлаждении и дальнейшей кристаллизации, то уравнения (8.20) и (8.21) неприменимы. Для этой ситуации рассмотрим следующий вариант: кристаллы эффективно отделяются от расплава, как только они образовались (фракционная кристаллизация), т. е. предполагается полное отделение твердых фаз от жидкости.
Пусть из расплава массы № выделится бесконечно малое количество кристаллов, уменьшающее массу расплавов на д№. Если концентрацию элемента в твердой фазе обозначить С5, то общая масса этого элемента в твердой фазе будет равна С АУР; она равна количеству, удаленному из жидкости, т. е.
С5а№ = с1(Сг№), (8.23)
или
С8№ = Сгс1№ + ШСг. (8.24)
218 Часть II
Преобразование уравнения (8.24) дает откуда
V/ с,
(8.25)
Можно принять, что коэффициент распределения ?(/г = = С5/Сг) остается постоянным в течение всего процесса фракционирования. Тогда уравнение (8.26) примет вид
1п^=-^тГ1п#-- <8-27>
Поскольку = Р— доля остаточной жидкости,
Л"?-П = СУСД (8.28)
Для изменения концентрации в твердой фазе С8
^(~--1) = С8/Сг°. (8.29)
Это уравнение аналогично примененному Рэлеем [318, 319] при анализе дистилляции газов из жидкости, поэтому такой процесс фракционирования иногда называют кристаллизационным аналогом рэлеевской дистилляции.
