Кристалізаційної диференціації магматичних розплавів. Їх порівняльне значення для дослідження реальних магматичних комплексів

С_і^L/ С₀^L – концентрація в розплаві поділена на первинну концентрацію в породі або в розплаві.

По несумісним елементам залежність однакова, а по сумісним – різна.

Для часткового плавлення падіння концентрації для значно повільніше проходить падіння концентрації.

Для кристалізаційної диференціації падіння концентрації значно швидше.

Приклад: два інтрузивні комплекси.

1. Шукаємо сумісний і несумісний Rb (сумісний) і Sr (несумісний).

2. Рахуємо коефіцієнти

Відношення для Rb і Sr для максимальних і мінімальних значень.

Всі комплекси, що утворюються в результаті кристалізаційної диференціації ляжуть на одну лінію.

3.Джерела гідротермальних розчинів, їх склад та фізико-хімічні умови існування.

1. Магматогенно-гідротермальні флюїди і розчини.

2. Глибинні флюїди (дегазація верхньої мантії)

3. Метаморфогенні флюїди (утворюються в процесі прогресивного регіонального

метаморфізму. Перехід від амфіболітової до гранулітової фацій – критичний. Дані стають нестійкі водовмісні мінерали – біотит, амфіболіт).

Утворюється велика кількість флюїдної фази, що контактує з породами. Діють свої коефіцієнти розподілу і флюїди можуть збагачуватись різними елементами.

1. Дифузія по порах – один з механізмів.

2. Декомпресія в тектонічних зонах розтягнення.

ЕКЗАМЕНАЦІЙНИЙ БІЛЕТ № 6

1. Кристалохімія та ізоморфізм. Головні типи ізоморфізму та їх геохімічне значення.

2.Співвідношення складу розплавів та магматичних порід.
3. Будова, розміри, властивості атомів та іонів, типи хімічного зв’язку та їх значення для геохімії.

1. Кристалохімія вивчає зв'язок між атомною будовою (структурою) кристалів і їх хімічними, фізичними й геометричними властивостями.

ІЗОМОРФІЗМ – здатність кристалічних речовин різного хімічного складу утворювати геометрично подібні кристалічні структури. Це пов’язано з взаємозамінністю в його кристалічних ґратках елементів, близьких за своєю хімічною будовою, наприклад, взаємозаміняють один одного натрій і калій, кальцій і магній. Можна показати на прикладі: у мінералі олівіні (Mg, Fе)SіО₄ іон Mg ізоморфно заміщений на іон Fе.

Ізоморфізм - це явище взаємозаміщення атомів або іонів в кристалічній решітці мінералу. При цьому чужорідний іон повинен відповідати певним вимогам: мати приблизно ті ж розмірами, що і елемент який заміщається, а також однакові з ним валентності і мати подібні властивості поляризації. Такий ізоморфізм називається ізовалентним. До нього можна віднести широко відомі заміщення цирконію гафнію, молібдену ренієм, калію рубідію, алюмінію галієм і т. д. Завдяки близькості іонних радіусів гафній, рубідій, реній, галій, будучи рідкісними елементами, практично повністю поглинаються мінералами своїх більш поширених елементів-господарів. Їхні власні мінерали невідомі.

Більш складною формою ізоморфізму є гетеро валентний ізоморфізм, при якому атоми, що заміщають один одного мають однакові розміри, володіють різною валентністю. Правило електростатичної нейтральності, тобто збереження нейтрального заряду сполуки, може бути дотримано завдяки компенсації валентності іншим іоном. Наприклад, в плагіоклазу Са⁺²+Аl⁺³ (сумарна валентність дорівнює п'яти) ↔ Na⁺+Si⁺⁴ (сумарна валентність також дорівнює п'яти). Широко поширені взаємні заміщення елементів, мало відрізняються за розмірами атомів. Наприклад, заміщення магнію і заліза нікелем і кобальтом в олівінs, кремнію германієм в силікатах.

Крім ізоморфізму відомо явище поліморфізму, яке полягає в тому, що одна і та ж по хімічному складу речовина при кристалізації в різних умовах (Р, Т) утворює різні мінеральні модифікації. Приклади: графіт і алмаз, кварц - тридимит - кристобаліт - стішовіт.

2. Магма являє собою гетерогенний розплав, складається з тугоплавких і летких компонентів. Ще М. Фарадей в 1834 р. встановив електропровідність силікатних розплавів (доказ їх іонізації). Головними катіонами магми є Na +, К +, Са, Mg, Fe, а аніонами - комплексні силікатні і алюмосилікатні аніони типу SiO^4-, АlO₄^5-, AlSi₂ O₆^-.

Таким чином магма, в основному, складається з уривків полімерних ланцюжків силікатних і алюмосилікатних аніонів. Кількість ланцюжків і їх відносна молекулярна маса залежать від температури. Так, в розплаві кварцового піску при t = 1250 ° С є агрегати, що містять до 500 молекул, а при 1320 ° С - тільки близько 40.

Великий вплив на полімеризацію надає вода: із збільшенням її кількості в'язкість розплаву зменшується. Гази також збільшують рухливість магми і знижують температуру її плавлення. Головним летючим компонентом більшості магми є водяні пари, їх вміст коливається від 0,5 до 8%. Вуглекислого газу в магмі приблизно в 20 разів менше, ніж води.

У петрології широко використовується класифікація вивержених порід за утримання SiO₂. Розрізняють дві великі асоціації порід - лужноземельні і лужні. Лужноземельні породи в свою чергу за змістом SiO₂ поділяють на ультраосновні, основні і середні. Велике значення для геохімічної характеристики магматичних систем мають дані про середньому вмісті елементів в основних типах вивержених порід. Обчислення кларків концентрації елементів в породахдозволяє виявити геохімічну спеціалізацію порід, охарактеризувати її кількісно за допомогою різних показників.

Встановлено, що в ультраосновних породах концентруються Ni, Сг, Со, Mg, Мn, Fе; в основних - Сu, Са, Ag, Sb, Zn, V; в середніх - Р, Вг, Сd; в кислих і сублужних - U, W, Мо, Ве, Sn, Рb, Al, К, Na, Rb, Li, Fe, Сl, Тi, Та та ін.

У магмі панують силікатні і алюмосилікатні аніони, які можна розташувати в ряд по збільшенню радіусів і сили кислот. Ряд відповідає послідовності: ультраосновні породи - основні - кислі. Ряд відповідає також зростанню кількості летючих у магмі, у тому числі таких сильних аніоніів, як фтор і хлор.

Зі збільшенням змісту SiO₂ в породах змінюється і катіонний склад: зменшується роль двовалентних катіонів – Mg²⁺, Fe²⁺, Ca²⁺ і зростає роль одновалентних – Nа⁺ і К⁺. Зростають й іонні радіуси, що свідчить про зменшенні енергетичних характеристик іонів.

3. Якщо спростити для наочності реальну картину будови атома, можна уявити, що він складається з ядра і електронів, що обертаються навколонього по орбітах і утворюють кульову або складно влаштовану електронну хмару. Число електронів в нейтральному атомі дорівнює числу протонів в ядрі і варіює від 1 до 92 (у трансуранових елементів до 103). Положення електрона в структурі атома визначається сукупністю квантових чисел n, l, m_l, m_s. Вони характеризують величину, форму і нахил електронних орбіт, а також напрямок власного обертання електрона – спін.

Властивості атомів утворювати ті чи інші типи з'єднань можуть бути пояснені їх електронною будовою, а саме розмірами атомів та іонів в поєднанні з валентністю елементів.

Атомні радіуси - числа, одержані при вимірюванні відстаней між центрами атомів в кристалічній структурі для сполук з ковалентним або металевим зв'язком. У поліморфних модифікаціях величини атомних радіусів варіюють. Наприклад, для вуглецю в алмазі, кубічна сингонія, міжатомні відстані рівні 1.54 А, для гексагонального вуглецю -
графіту - 1.42 А. Відповідно, атомний радіус буде дорівнює або 0.77, або 0.71 А.

Іонні радіуси - це радіуси атомів, що знаходяться в стані іонної зв'язку. Розмір іона змінюється в залежності від зовнішніх умов і впливу сусідніх елементів, що входять в структуру мінералу.

Типи хімічного зв’язку в кристалах

Металічний зв'язок характерний для елементів перших груп Періодичної системи. Їх атоми мають крупні розміри, а зовнішні електрони слабо зв’язані з ядром. В кристалічній решітці металів зовнішні електрони вільно переміщаються в просторі між атомами. Вони утворюють своєрідний «електронний газ» і обумовлюють основні властивості металів: високі пластичність, ковкість, теплопровідність, електропровідність та малу твердість, невисокі точки плавлення та кипіння. Зв'язок не направлений.

Ковалентний (гомеополярний) зв'язокутворюється за рахунок об’єднання електронів на зовнішніх валентних орбіталях двох сусідніх атомів, таким чином, що обидва отримують стабільну конфігурацію як у благородного газу. Ковалентний зв'язок чітко направлений, насичуваний і дуже міцний.

Мінерали з таким типом зв’язку характеризуються нерозчинністю, великою стійкістю, твердістю, високими точками плавлення і кипіння, напівпровідниковими властивостями.

Іонний (гетерополярний)зв'язок реалізується між атомами різного типу за рахунок електростатичної взаємодії позитивно заряджений катіонів і негативно заряджених аніонів, при цьому валентні електрони переходять від металу до аніону. Зв'язок ненаправлений і ненасичений.

Кристали з іонним типом зв’язку розчиняються в полярних розчинах (вода), для них характерні властивості діелектриків,крихкість, низька тепло- і електропровідність, середні щільність і твердість, високі точки плавлення і кипіння.

Ван-дер-ваальсовий (залишковий) зв'язок з’єднує нейтральні молекули за допомогою малих залишкових зарядів на їх поверхні, що утворюються за рахунок миттєвих дипольних моментів «ядро-електрон», між якими діють сили протягування. Ван-дер-вальсовий тип зв'язку найслабший, він присутній в мінералах як додатковий, визначає зони доброї спайності і низької твердості (графіт).

Серед ван-дер-ваальсових зв’язків особливим є так званий водневий зв'язок, який часто розглядається як окремий тип зв’язку. Він виникає за рахунок спільного використання протона двома атомами, наприклад, кисню, що входить в склад води, і кисню стінок каркасу, в якому ця молекула води знаходиться. Водневий зв'язок слабший іонного і ковалентного, але сильніший за звичайний ван-дер-ваальсовий.

Білет №7

Поиск по сайту: