Геохимия эндогенных процессов

Сентябрь 3, 2022

Главная
Алгебра
Геохимия эндогенных процессов

Содержание

3. Геохимический цикл
4. Классификация геохимических процессов Главными критериями классификации являются значения интенсивных параметров: температуры Т и давления Р. Выделяются
5. Эндогенные процессы делятся на: магматические, протекающие в высокотемпературном расплаве и на его контакте с твердыми горными
6. Задачи, решаемые при изучении магматических пород с помощью главных и редких элементов Классификация магматических пород. Изучение
7. Магма – смесь расплава, кристаллов и флюидной фазы, способная к перемещению. Магма (греч. — месиво, густая
8. Stromboli (Italy)
10. В магме содержатся практически все элементы, среди которых: Si, Аl, Fе, Са, Мg, К, Ti, Na,
11. Состав магмы. Магма представляет собой гетерогенный расплав, состоящий из тугоплавких и летучих компонентов. Еще М. Фарадей
12. Большое влияние на полимеризацию оказывает вода: с увеличением ее количества вязкость расплава уменьшается. Газы также увеличивают
13. При 10 кбар гранитная магма способна растворить 22 % Н2O, а базальтовая – 14%. Часть воды,
14. Магмы по химическому составу делятся на силикатные, карбонатные, фосфатные, сульфидные и т.д. Наиболее распространены в земных
15. Признаки смешения основной и кислой магмы в продуктах извержения вулкана Кизимен, Камчатка. A) Вкрапленники кварца и
16. Многие явления магматизма и, в частности, кристаллизации изверженных пород связаны с понижением Т. По различным данным,
18. С учетом минерального состава выделены серии магматических горных пород: в зависимости от соотношения (K2O+Na2O) и SiO2
19. Систематика A. H. Заварицкого предусматривает разделение составов горных пород на три химических класса (ряда): 1 -
24. Карбонатитовый вулкан Олдоинье, Танзания
27. Вариации изменения содержания главных и редких элементов
28. Фундаментальный закон, который контролирует распределение элемента между сосуществующими фазами, известен как закон Нернста. Распределение редких элементов
29. Согласно этому закону, при равновесии отношение концентрации редкого элемента в твердом теле (в нашем случае минерале)
30. Применительно к минералам и равновесным с ними расплавам это означает, что коэффициенты распределения для редких элементов
31. Коэффициенты распределения минерал-расплав для базальтовых и андезито-базальтовых расплавов
32. incompatible несовместимые элементы концентрируются в расплаве KD or D « 1 compatible совместимые элементы концентрируются в
34. Совместимость зависит от минерала и типа расплава
35. Пример совместимых элементов: Ni сильно фракционирует → olivine > pyroxene Cr и Sc → pyroxenes »
36. Графическое представление г/х данных Нормированные мультиэлементные диаграммы - спайдер-граммы (spider-паук) Варьирует как набор элементов, так и
37. MORB-normalized Spider Separates LIL and HFS Figure 9-7. Ocean island basalt plotted on a mid-ocean ridge
39. Нормирование на примитивную мантию
40. Нормирование на хондрит СI
41. Нормирование на MORB
42. Факторы, определяющие геохимическую специфику магматических пород Геохимические особенности магматических пород в значительной степени зависят от химического
43. Наиболее важной характеристикой источника магм является соотношение радиогенных изотопов, так как оно не изменяется в процессе
45. Главная проблема магматической петрологии – процесс формирования земной коры; взаимосвязь с процессами, происходящими в мантии Вопросы,
46. Эволюция магматического очага Плавление (полное или частичное) – зарождение очага; Кристаллизационная и гравитационная дифференциация при понижении
48. Fractional crystallisation
50. Liquids composition Harker diagram for Crater Lake
51. Состав расплава при частичном плавлении Grt-лерцолита
52. Частичное плавление
53. Геохимия адакитов обусловлена остаточным гранатом при плавлении источника c эклогитовым составом
54. Nb-Ta-Ti аномалия в островодужных базальтах может быть вызвана: 1. Остаточной тугоплавкой фазой – рутилом. 2.Фракционированием амфибола
56. Геохимическое моделирование процессов частичного плавления и фракционной кристаллизации
57. Частичное плавление (batch melting) Изменение содержания Rb и Sr в расплаве при прогрессивном частичном плавлении базальта
58. Частичное плавление: - равновесное (расплав постоянно реагирует с реститом до момента удаления выплавленной порции магмы). Постоянный
59. Фракционная кристаллизация: - равновесная (полное равновесие между всеми твердыми фазами и расплавом в течение кристаллизации). -
60. Смешение магм Типы реакционных кайм вокруг оливинов в различных вулканических сериях Камчатки. Подобные каймы рассматриваются в
61. 2 типа смешения магм Полное смешение до относительной однородности (mix – «миксинг») Механическое перемешивание с сохранением
62. Closepet granite (2.5 Ga), South India
65. Редкие элементы как индикаторы геодинамических обстановок формирования магматических комплексов Каждой геодинамической обстановке отвечает специфический тип рудообразования.
66. Геотермический градиент Pattern of global heat flux variations compiled from observations at over 20,000 sites and
67. Figure 1-9. Estimated ranges of oceanic and continental steady-state geotherms to a depth of 100 km
68. Геодинамические обстановки 1. Mid-ocean Ridges 2. Intracontinental Rifts 3. Island Arcs 4. Active Continental Margins 5.
70. DM – деплетированная мантия, обедненная несовместимыми элементами; EM – обогащенная мантия; HIMU – высокое содержание радиогенного
72. Скачать презентацию

Слайд 2

Слайд 3

Геохимический цикл

Слайд 4

Классификация геохимических процессов
Главными критериями классификации являются значения интенсивных параметров: температуры Т

и давления Р.
Выделяются две крупные группы процессов: эндогенные (область высоких температур и давлений) и экзогенные, гипергенные (приповерхностная область низких, в том числе отрицательных, температур и атмосферного давления).

Слайд 5

Эндогенные процессы делятся на:
магматические, протекающие в высокотемпературном расплаве и на его

контакте с твердыми горными породами;
метаморфические, происходящие в твердых породах под воздействием высоких температур и давлений;
гидротермальные в широком смысле, к которым следует отнести все высокотемпературные процессы, в которых участвует вода (водный раствор) как самостоятельная фаза, в том числе и в надкритической области.

Слайд 6

Задачи, решаемые при изучении магматических пород с помощью главных и редких

элементов

Классификация магматических пород.
Изучение закономерностей эволюции магматических серий, комплексов (реконструкция обстановок процессов плавления и эволюции магматических систем).
Определение геодинамических обстановок формирования магматических комплексов.

Слайд 7

Магма – смесь расплава, кристаллов и флюидной фазы, способная к перемещению.
Магма

(греч. — месиво, густая мазь) представляет собой природный, чаще всего силикатный, огненно-жидкий расплав, возникающий в земной коре или в верхней мантии, на больших глубинах, и при остывании формирующий магматические горные породы.
При застывании магмы образуются магматические породы.
Излившаяся магма - это лава.

Слайд 8

Stromboli (Italy)

Слайд 9

Слайд 10

В магме содержатся практически все элементы, среди которых:
Si, Аl, Fе,

Са, Мg, К, Ti, Na, а также различные летучие компоненты (оксиды углерода, сероводород, H, F, Cl и др.) и парообразная вода.
Летучие компоненты при кристаллизации магмы на глубине частично входят в состав различных минералов (амфиболов, слюд и прочих).
В редких случаях отмечаются магматические расплавы несиликатного состава, например щёлочно-карбонатного (вулканы Восточной Африки) или сульфидного. По мере продвижения магмы вверх, количество летучих компонентов сокращается.

Слайд 11

Состав магмы. Магма представляет собой гетерогенный расплав, состоящий из тугоплавких и

летучих компонентов. Еще М. Фарадей в 1834г. установил электропроводность силикатных расплавов (доказательство их ионизации).
Главными катионами магмы являются Na+, К+, Са2+, Mg2+, Fe2+, а анионами – комплексные силикатные и алюмосиликатные анионы типа SiO4-, AlO45-, AlSi2O6- и т. д.
Многие факты указывают на существование в магме так называемых сиботаксических групп, т.е. участков с упорядоченным строением.

Слайд 12

Большое влияние на полимеризацию оказывает вода: с увеличением ее количества вязкость

расплава уменьшается. Газы также увеличивают подвижность магмы и понижают температуру ее плавления.
Главным летучим компонентом большинства магм являются водяные пары; их содержание колеблется от 0.5 до 8 %. По А.А. Кадику, при давлении 1 кбар кислые расплавы могут растворить 3.3 % Н2O, основные – 3 %, ультраосновные – 2%. При 5 кбар кислые магмы способны растворить уже 13 % Н2O, основные – 8 % и ультраосновные – 4-5 %.

Слайд 13

При 10 кбар гранитная магма способна растворить 22 % Н2O, а

базальтовая – 14%.
Часть воды, растворенной в магме, диссоциирована, часть связана в соединениях типа Si(ОН)4-6, ROH и т. д., а часть находится в молекулярной форме.
Углекислого газа в магме приблизительно в 20 раз меньше, чем воды. При давлении, к примеру, 3-5 кбар растворимость СО2 в кислых и основных магмах достигает 0.1–0.6 %.

Слайд 14

Магмы по химическому составу делятся на силикатные, карбонатные, фосфатные, сульфидные и

т.д. Наиболее распространены в земных условиях силикатные магмы.
Базальтовая магма имеет большее распространение. В ней содержится около 50 % кремнезема, в значительном количестве присутствуют Al, Fe, Ca, Mg, в меньшем Na, K, Ti, P. По химическому составу базальтовые магмы подразделяются на толеитовую (перенасыщена кремнеземом) и щелочно-базальтовую (оливин-базальтовую) магму, (недосыщенную кремнеземом, но обогащенную щелочами).
Гранитная (риолитовая, кислая) магма содержит 60-65 % кремнезема, она имеет меньшую плотность, более вязкая, менее подвижная, в большей степени, чем базальтовая магма насыщена газами.

Слайд 15

Признаки смешения основной и кислой магмы в продуктах извержения вулкана Кизимен,

Камчатка. A) Вкрапленники кварца и оливина. Б) Сложнозональные вкрапленники плагиоклаза; В, Г) Вкрапленники роговой обманки на границе контрастных по составу расплавов.
Плечов, 2008.

Слайд 16

Многие явления магматизма и, в частности, кристаллизации изверженных пород связаны с

понижением Т. По различным данным, температура кристаллизации основных пород 1100-1300°С, гранитов – 800-900°С.
Богатая водяными парами гранитная магма застывает при 700°С, некоторые щелочные породы – при еще более низких температурах.
С другой стороны, в магме могут наблюдаться и более высокие Т: для ультрабазитовых магм приводилась Т = 1800°С. Другой важнейший термодинамический параметр – Р колеблется от 1 бар на земной поверхности до ~10 кбар.

Слайд 17

Слайд 18

С учетом минерального состава выделены серии магматических горных пород:
в зависимости

от соотношения (K2O+Na2O) и SiO2 –
щелочная,
субщелочная,
нормальная;
от соотношения (FeO/MgO) и SiO2 –
толеитовая,
известково-щелочная;
от соотношения (K2O/Na2O) и SiO2 –
натриевая, калиево-натриевая и калиевая.

Слайд 19

Систематика A. H. Заварицкого предусматривает разделение составов горных пород на три

химических класса (ряда):
1 - нормальный (содержание Al2O3 больше общего содержания оксидов Na и К, но меньше общего содержания оксидов Ca, Na и К);
2 - плюмазитовый (пересыщ. глиноземом, т. е. содержание Al2O3 преобладает над общим содержанием оксидов Ca, Na и К);
3 - агпаитовый (содержание оксидов Na и К преобладает над содержанием Al2O3).

Слайд 20

Слайд 21

Слайд 22

Слайд 23

Слайд 24

Карбонатитовый вулкан Олдоинье, Танзания

Слайд 25

Слайд 26

Слайд 27

Вариации изменения содержания главных и редких элементов

Слайд 28

Фундаментальный закон, который контролирует распределение элемента между сосуществующими фазами, известен как

закон Нернста.
Распределение редких элементов в минерале и расплаве, из которого минерал кристаллизуется, подчиняется определенной закономерности при достижении равновесия в системе.

Слайд 29

Согласно этому закону, при равновесии отношение концентрации редкого элемента в твердом

теле (в нашем случае минерале) к его концентрации в растворе/расплаве является постоянной величиной.
Эта постоянная величина (константа) называется коэффициентом распределения и является функцией температуры и давления, но не концентрации редкого элемента (до определенного предела его содержания).

Слайд 30

Применительно к минералам и равновесным с ними расплавам это означает, что

коэффициенты распределения для редких элементов между минералом и расплавом являются постоянными величинами и зависят не от изменения концентрации редких элементов, а от температуры и, в меньшей степени, давления.
Коэффициенты распределения индивидуальны для различных типов расплавов (по содержанию кремнезема) и минералов с различной структурой.

Слайд 31

Коэффициенты распределения минерал-расплав для базальтовых и андезито-базальтовых расплавов

Слайд 32

incompatible несовместимые элементы концентрируются в расплаве
KD or D « 1
compatible совместимые

элементы концентрируются в минерале
KD or D » 1

Слайд 33

Слайд 34

Совместимость зависит от минерала и типа расплава

Слайд 35

Пример совместимых элементов:
Ni сильно фракционирует → olivine > pyroxene
Cr и

Sc → pyroxenes » olivine
Ni/Cr or Ni/Sc могут оценить эффект оливина и авгита в случае частичного плавления или образования серии пород в результате фракционной кристаллизации

Слайд 36

Графическое представление г/х данных
Нормированные мультиэлементные диаграммы - спайдер-граммы (spider-паук)
Варьирует как набор

элементов, так и их последовательность
Нормирование на состав примитивной мантии, хондрит СI, MORB – примитивные базальты срединно-океанических хребтов
Используются несовместимые элементы (обычно 13), чьи концентрации высоки в породах основного состава. Рост степени несовместимости справа налево
(в соответствии с мантийной минералогией).

Слайд 37

MORB-normalized Spider
Separates LIL and HFS
Figure 9-7. Ocean island basalt plotted

on a mid-ocean ridge basalt (MORB) normalized spider diagram of the type used by Pearce (1983). Data from Sun and McDonough (1989). From Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall.

Слайд 38

Слайд 39

Нормирование на примитивную мантию

Слайд 40

Нормирование на хондрит СI

Слайд 41

Нормирование на MORB

Слайд 42

Факторы, определяющие геохимическую специфику магматических пород
Геохимические особенности магматических пород в значительной

степени зависят от химического состава и минералогии родоначальных пород или расплавов.
Содержание главных и редких элементов определяется типом и степенью плавления, хотя состав магмы может существенно изменяться по мере продвижения к поверхности.

Слайд 43

Наиболее важной характеристикой источника магм является соотношение радиогенных изотопов, так как

оно не изменяется в процессе плавления и последующих процессов в магматической камере.
Важным является изучение мантии: океанические базальты мантийного происхождения являются ключевым объектом.
РТ-условия и степень плавления определяют состав мантийных выплавок.

Слайд 44

Слайд 45

Главная проблема магматической петрологии – процесс формирования земной коры; взаимосвязь с

процессами, происходящими в мантии

Вопросы, возникающие при изучении земной коры:
Когда породы возникли и когда они были добавлены к земной коре?
Как они произошли: как добавка глубинного вещества из мантии или переработка более древней земной коры?
Что (какое вещество) было добавлено к земной коре?
Для ответа требуется комплексное исследование: картирование, изучение петрографии, геохимии пород и изотопное датирование

Слайд 46

Эволюция магматического очага
Плавление (полное или частичное) – зарождение очага;
Кристаллизационная и гравитационная

дифференциация при понижении Т;
Взаимодействие с вмещающими породами (ассимиляция) и другими магмами (смешение магм, гибридизм). Контаминация - изменение первоначального химического или минер. состава в результате взаимодействия с посторонним источником вещества.
Ликвация – распад магмы на несмешивающиеся жидкости.

Слайд 47

Слайд 48

Fractional crystallisation

Слайд 49

Слайд 50

Liquids
composition
Harker
diagram
for
Crater
Lake

Слайд 51

Состав расплава при частичном плавлении Grt-лерцолита

Слайд 52

Частичное плавление

Слайд 53

Геохимия адакитов обусловлена остаточным гранатом при плавлении источника c эклогитовым составом

Слайд 54

Nb-Ta-Ti аномалия в островодужных базальтах может быть вызвана: 1. Остаточной тугоплавкой фазой

– рутилом. 2.Фракционированием амфибола – роговой обманки. 3. Низкой мобильностью HFS-элементов при транспортировке водным флюидом.

Слайд 55

Слайд 56

Геохимическое моделирование процессов частичного плавления и фракционной кристаллизации

Слайд 57

Частичное плавление (batch melting)
Изменение содержания Rb и Sr в расплаве при

прогрессивном частичном плавлении базальта

Слайд 58

Частичное плавление:
- равновесное (расплав постоянно реагирует с реститом до момента удаления

выплавленной порции магмы). Постоянный контакт расплава с реститом обеспечивает равновесность этих двух фаз.
- фракционное или релеевское (выплавленные небольшие количества расплава мгновенно удаляются из зоны магмагенерации). Равновесие достигается только между расплавом и поверхностями зерен минералов в источнике плавления.

Слайд 59

Фракционная кристаллизация:
- равновесная (полное равновесие между всеми твердыми фазами и расплавом

в течение кристаллизации).
- релеевское фракционирование (описывается законом Релея). Крайний случай извлечения кристаллов из расплава сразу после их образования. В процессе содержание несовместимых эл-в в минерале уменьшается относительно расплава, а совместимых – растет.
- in situ (остаточный расплав отделяется от кристаллической «каши» в зоне солидификации на стенах камеры и возвращается в камеру).

Слайд 60

Смешение магм
Типы реакционных кайм вокруг оливинов в различных вулканических сериях Камчатки.
Подобные

каймы рассматриваются в качестве доказательства смешения питающей магмы, богатой вкрапленниками оливина с кислыми расплавами.

Плечов, 2008

Слайд 61

2 типа смешения магм
Полное смешение до относительной однородности (mix – «миксинг»)
Механическое

перемешивание с сохранением участков (зон) индивидуальных пород (расплавов)
– минглинг (mingle)

Слайд 62

Closepet granite (2.5 Ga), South India

Слайд 63

Слайд 64

Слайд 65

Редкие элементы как индикаторы геодинамических обстановок формирования магматических комплексов
Каждой геодинамической обстановке

отвечает специфический тип рудообразования.

2011

Слайд 66

Геотермический градиент
Pattern of global heat flux variations compiled from observations at

over 20,000 sites and modeled on a spherical harmonic expansion to degree 12. From Pollack, Hurter and Johnson. (1993) Rev. Geophys. 31, 267-280.

Cross-section of the mantle based on a seismic tomography model. Arrows represent plate motions and large-scale mantle flow and subduction zones represented by dipping line segments. EPR =- East pacific Rise, MAR = Mid-Atlantic Ridge, CBR = Carlsberg Ridge. Plates: EA = Eurasian, IN = Indian, PA = Pacific, NA = North American, SA = South American, AF = African, CO = Cocos. From Li and Romanowicz (1996). J. Geophys. Research, 101, 22,245-72.

Слайд 67

Figure 1-9. Estimated ranges of oceanic and continental steady-state geotherms to

a depth of 100 km using upper and lower limits based on heat flows measured near the surface. After Sclater et al. (1980), Earth. Rev. Geophys. Space Sci., 18, 269-311.

Слайд 68

Геодинамические обстановки
1. Mid-ocean Ridges
2. Intracontinental Rifts
3. Island Arcs
4. Active Continental
Margins

5. Back-arc Basins
6. Ocean Island Basalts
7. Miscellaneous Intra- Continental Activity
kimberlites, carbonatites, anorthosites...

Слайд 69

Слайд 70

DM – деплетированная мантия, обедненная несовместимыми элементами; EM – обогащенная мантия;

HIMU – высокое содержание радиогенного свинца (высокое отношение U/Pb).