Совместимость (геохимия)

редактировать

Совместимость - это термин, используемый геохимиками для описания того, как элементы разделяются в твердом теле и тают в мантии Земли. В геохимии совместимость - это мера того, насколько легко конкретный микроэлемент заменяет a в минерале.

Совместимость иона контролируется двумя вещами: его валентностью и его ионным радиусом. Оба должны приблизительно соответствовать основным элементам, чтобы микроэлементы были совместимы с минералом. Например, оливин (распространенный минерал в верхней мантии ) имеет химическую формулу (Mg, Fe). 2SiO. 4. Никель с очень похожими химическими свойствами. поведение к железу и магнию, легко заменяет их и, следовательно, очень совместимо в мантии.

Совместимость управляет разделением различных элементов во время плавления. Совместимость элемента в горной породе представляет собой средневзвешенное его совместимости с каждым из присутствующих минералов. Напротив, несовместимый с элементом является наименее стабильным в пределах его кристаллической структуры. Если элемент в породе несовместим, он распадается на расплав, как только начинается плавление. В общем, когда элемент упоминается как «совместимый» без упоминания, с какой породой он совместим, подразумевается мантия. Таким образом, несовместимые элементы - это те, которые обогащены континентальной корой и обеднены мантией. Примеры включают: рубидий, барий, уран и лантан. Совместимые элементы истощены в коре и обогащены в мантии, например никель и титан.

оливин
форстерит оливин, кремнезем магния и железа, образующийся в верхней мантии Земли.

Совместимость обычно описывается формулой коэффициент распределения элемента. Коэффициент распределения описывает, как твердая и жидкая фазы элемента будут распределяться в минерале. Текущие исследования редких микроэлементов Земли стремятся количественно оценить и изучить химический состав элементов в земной коре. Все еще остаются неясности в понимании области нижней коры и верхней мантии в недрах Земли. Кроме того, многочисленные исследования были сосредоточены на изучении коэффициентов разделения определенных элементов в базальтовой магме для характеристики состава океанической коры. Имея способ измерения состава элементов в коре и мантии на основе образца минерала, совместимость позволяет определять относительные концентрации конкретного микроэлемента. С петрологической точки зрения понимание того, как основные и редкие микроэлементы дифференцируются в расплаве, обеспечивает более глубокое понимание химической эволюции Земли в геологической временной шкале.

Содержание

1 Количественная оценка совместимости
- 1.1 Распределение (Разделение)) коэффициент
- 1.2 Коэффициент объемного распределения
2 Приложения
- 2.1 Понимание внутренней части Земли
3 Ссылки

Количественная оценка совместимости

Коэффициент распределения (раздела)

В минерал, почти все элементы неравномерно распределяются между твердой и жидкой фазами. Это явление известно как химическое фракционирование и может быть описано с помощью константы равновесия, $K {\ displaystyle K}$ $K$ , которая устанавливает фиксированное распределение элемента. между любыми двумя фазами в состоянии равновесия. Константа распределения $K D {\ displaystyle K_ {D}}$ $K_ {D}$ используется для определения отношения между твердой и жидкой фазами реакции. Это значение, по сути, представляет собой отношение концентрации элемента между двумя фазами, обычно в данном контексте между твердой и жидкой фазами. Эта константа часто упоминается как $D {\ displaystyle D}$ $D$ при работе с микроэлементами, где

Паучья диаграмма атомного содержания
Изобилие элементов в земная кора. Ось x отображает атомный номер в зависимости от количества, измеренного на миллион атомов кремния.

$KD = CSCL = X isolid X il liquid {\ displaystyle K_ {D} = {\ frac {C_ {S}} {C_ { L}}} = {\ frac {X_ {i} ^ {solid}} {X_ {i} ^ {liquid}}}}$ ${\ displaystyle K_ {D} = {\ frac {C_ {S}} {C_ {L}}} = {\ frac {X_ {i} ^ {solid}} {X_ {i} ^ {liquid}}}}$

$KD = D {\ displaystyle K_ {D} = D}$ ${\ displaystyle K_ {D} = D}$ для микроэлементов

Константа равновесия является эмпирически определенным значением. Эти значения зависят от температуры, давления и состава минерального расплава . Значения $D {\ displaystyle D}$ $D$ значительно различаются между основными элементами и микроэлементами. По определению, несовместимые микроэлементы имеют значение константы равновесия меньше единицы, поскольку микроэлементы имеют более высокие концентрации в расплаве, чем твердые вещества. Это означает, что совместимые элементы имеют значение $D ≫ 1 {\ displaystyle D \ gg 1}$ ${\ displaystyle D \ gg 1}$ . Таким образом, несовместимые элементы концентрируются в расплаве, тогда как совместимые элементы имеют тенденцию концентрироваться в твердом теле. Элементы, совместимые с $D ≫ 1 {\ displaystyle D \ gg 1}$ ${\ displaystyle D \ gg 1}$ , сильно фракционированы и имеют очень низкие концентрации в жидкой фазе.

Коэффициент объемного распределения

Коэффициент объемного распределения используется для расчета элементного состава любого элемента, составляющего минерал в породе. Коэффициент объемного распределения, $D ¯ i {\ displaystyle {\ overline {D}} _ {i}}$ ${\ displaystyle {\ overline {D}} _ {i}}$ , определяется как

$D ¯ i = Σ WAD i A {\ displaystyle {\ overline {D}} _ {i} = \ Sigma W_ {A} D_ {i} ^ {A}}$ ${\ displaystyle {\ overline {D}} _ {i} = \ Sigma W_ {A} D_ {i} ^ {A}}$

где $i {\ displaystyle i}$ $i$ - элемент интерес к минералу, а $WA {\ displaystyle W_ {A}}$ $W_ {A}$ - весовая доля минерала $A {\ displaystyle A}$ $A$ в породе. $D i A {\ displaystyle D_ {i} ^ {A}}$ ${\ displaystyle D_ {i} ^ {A}}$ - коэффициент распределения для элемента в минерале $A {\ displaystyle A}$ $A$ . Эта константа может использоваться для описания того, как отдельные элементы в минерале концентрируются в двух разных фазах. Во время химического фракционирования определенные элементы могут стать более или менее концентрированными, что может позволить геохимикам количественно оценить различные стадии дифференциации магмы. В конечном итоге эти измерения могут быть использованы для более глубокого понимания поведения элементов в различных геологических условиях.

Приложения

Одним из основных источников информации о составе Земли является понимание взаимосвязи между перидотитом и плавлением базальта. Перидотит составляет большую часть мантии Земли. Базальт, который сильно концентрируется в океанической коре Земли, образуется, когда магма достигает поверхности Земли и остывает с очень высокой скоростью. Когда магма охлаждается, разные минералы кристаллизуются в разное время в зависимости от температуры охлаждения соответствующего минерала. Это в конечном итоге изменяет химический состав расплава, поскольку различные минералы начинают кристаллизоваться. Фракционная кристаллизация элементов в базальтовых жидкостях также изучалась для наблюдения за составом лавы в верхней мантии. Эта концепция может быть применена учеными, чтобы получить представление об эволюции мантии Земли и о том, как менялись концентрации литофильных микроэлементов за последние 3,5 миллиарда лет.

Понимание внутренней части Земли

Предыдущие исследования использовали совместимость микроэлементов, чтобы увидеть влияние, которое она окажет на структуру расплава перидотита солидуса. В таких исследованиях были изучены коэффициенты распределения конкретных элементов, и величина этих значений дала исследователям некоторое представление о степени полимеризации расплава. В исследовании, проведенном в Восточном Китае в 1998 году, изучался химический состав различных элементов, обнаруженных в земной коре в Китае. Одним из параметров, используемых для характеристики и описания структуры земной коры в этом регионе, была совместимость различных пар элементов. По сути, подобные исследования показали, как совместимость определенных элементов может изменяться и зависеть от химического состава и условий внутри Земли.

Океанический вулканизм - еще одна тема, в которой обычно используется совместимость. С 60-х годов прошлого века геохимики начали изучать строение мантии Земли. Океаническая кора, богатая базальтами вулканической активности, демонстрирует отдельные компоненты, которые предоставляют информацию об эволюции недр Земли в геологическом масштабе времени. Несовместимые микроэлементы истощаются при таянии мантии и обогащаются океанической или континентальной корой в результате вулканической активности. В других случаях вулканизм может производить обогащенный мантийный расплав на коре. Эти явления можно количественно оценить, просмотрев записи радиоактивного распада изотопов в этих базальтах, что является ценным инструментом для мантийных геохимиков. Более конкретно, геохимия серпентинитов вдоль дна океана, в частности зон субдукции, может быть исследована с использованием совместимости конкретных микроэлементов. Совместимость свинца (Pb) с цирконом в различных средах также может указывать на наличие цирконов в горных породах. При наблюдении уровней нерадиогенного свинца в цирконах это может быть полезным инструментом для радиометрического датирования цирконов.

Ссылки

^ McSween, Harry Y. (2003-11-19). Геохимия: пути и процессы. Ричардсон, Стивен Макафи, Уле, Мария Э., Ричардсон, Стивен Макафи. (Второе изд.). Нью-Йорк. DOI : 10.1016 / 0009-2541 (94) 00140-4. ISBN 9780231509039. OCLC 61109090.
^ Hofmann, A. W. (1997). «Геохимия мантии: послание океанического вулканизма». Природа. 385 (6613): 219–229. Bibcode : 1997Natur.385..219H. doi : 10.1038 / 385219a0. ISSN 1476-4687.
^McDonough, W.F.; Вс, С.-с. (1995). «Состав Земли». Химическая геология. 120 (3–4): 223–253. Bibcode : 1995ChGeo.120..223M. doi : 10.1016 / 0009-2541 (94) 00140-4.
^Виллеман, Бенуа; Яффрезич, Анри; Жорон, Жан-Луи; Treuil, Мишель (1981). «Коэффициенты распределения основных и редких элементов; фракционная кристаллизация в серии щелочных базальтов Шен-де-Пюи (Центральный массив, Франция)». Geochimica et Cosmochimica Acta. 45 (11): 1997–2016. Bibcode : 1981GeCoA..45.1997V. DOI : 10.1016 / 0016-7037 (81) 90055-7. ISSN 0016-7037.
^О'Хара, М. Дж. (1977). «Геохимическая эволюция при фракционной кристаллизации периодически пополняемого магматического очага». Природа. 266 (5602): 503–507. Bibcode : 1977Natur.266..503O. doi : 10.1038 / 266503a0. ISSN 1476-4687.
^O'Nions, R.K.; Evensen, N.M.; Гамильтон, П. Дж.; Картер, С. Р.; Хатчисон Р. (1978). «Таяние мантии в прошлом и настоящем: свидетельства изотопов и микроэлементов [и обсуждение]». Философские труды Королевского общества A: математические, физические и технические науки. 288 (1355): 547–559. doi : 10.1098 / rsta.1978.0033. ISSN 1364-503X.
^Гаэтани, Гленн А. (2004). «Влияние структуры расплава на распределение микроэлементов вблизи перидотитового солидуса». Вклад в минералогию и петрологию. 147 (5): 511–527. Bibcode : 2004CoMP..147..511G. DOI : 10.1007 / s00410-004-0575-1. ISSN 1432-0967.
^Гао, Шан; Ло, Тин-Чуань; Чжан, Бен-Рен; Чжан, Хун-Фэй; Хан, Инь-вэнь; Чжао, Цзы-Дань; Ху, И-Кен (1998). «Химический состав континентальной коры, выявленный исследованиями в Восточном Китае». Geochimica et Cosmochimica Acta. 62 (11): 1959–1975. DOI : 10.1016 / S0016-7037 (98) 00121-5. ISSN 0016-7037.
^Кодолани, Янош; Петке, Томас; Спандлер, Карл; Kamber, Balz S.; Гмелинг, Каталин (2012). «Геохимия океанического дна и серпентинитов передней дуги: ограничения на поступление ультрабазитов в зоны субдукции». Журнал петрологии. 53 (2): 235–270. Bibcode : 2012JPet... 53..235K. doi : 10.1093 / petrology / egr058. ISSN 0022-3530.
^Watson, E.B; Chemiak, D.J; Hanchar, J.M; Харрисон, Т. М.; Уорк, Д. А (1997). «Включение Pb в циркон». Химическая геология. 141 (1): 19–31. Bibcode : 1997ChGeo.141... 19W. DOI : 10.1016 / S0009-2541 (97) 00054-5. ISSN 0009-2541.