Фракционная кристаллизация , или фракционирование кристаллов , — один из наиболее важных геохимических и физических процессов, происходящих в коре и мантии каменистого планетарного тела, такого как Земля. Имеет важное значение в образовании магматических пород , поскольку является одним из основных процессов магматической дифференциации . [1] Фракционная кристаллизация также важна при формировании осадочных эвапоритовых пород, или просто фракционная кристаллизация — это удаление ранее образовавшихся кристаллов из исходной гомогенной магмы, чтобы предотвратить дальнейшую реакцию кристаллов с остаточным расплавом.
Фракционная кристаллизация — удаление и выделение из расплава минеральных осадков; за исключением особых случаев, удаление кристаллов меняет состав магмы. [2] По сути, фракционная кристаллизация представляет собой удаление ранее образовавшихся кристаллов из первоначально однородной магмы (например, гравитационным осаждением) с целью предотвращения дальнейшей реакции этих кристаллов с остаточным расплавом. [3] Состав оставшегося расплава становится относительно обедненным одними компонентами и обогащенным другими, что приводит к осаждению последовательности различных минералов. [4]
Фракционная кристаллизация в силикатных расплавах ( магмах ) сложна по сравнению с кристаллизацией в химических системах при постоянном давлении и составе, поскольку изменения давления и состава могут иметь драматические последствия для эволюции магмы. Добавление и потеря воды, углекислого газа и кислорода относятся к числу изменений состава, которые необходимо учитывать. [5] Например, первостепенное значение может иметь парциальное давление ( фугитивность ) воды в силикатных расплавах, как при околосолидусной кристаллизации магм гранитного состава. [6] [7] Последовательность кристаллизации оксидных минералов, таких как магнетит и ульвошпинель , чувствительна к фугитивности кислорода расплавов, [8] и разделение оксидных фаз может быть важным фактором контроля концентрации кремнезема в развивающейся магме и может играют важную роль в генезисе андезитов . [9] [10]
Эксперименты предоставили множество примеров сложностей, которые определяют, какой минерал кристаллизуется первым, когда расплав остывает после ликвидуса .
Один из примеров касается кристаллизации расплавов, образующих основные и ультраосновные породы. Концентрации MgO и SiO 2 в расплавах являются одними из переменных, определяющих, будет ли выделяться форстеритовый оливин или энстатитовый пироксен [11] , но содержание воды и давление также важны. В некоторых составах при высоких давлениях без воды предпочтительна кристаллизация энстатита, но в присутствии воды при высоких давлениях предпочтительна оливин. [12]
Гранитная магма дает дополнительные примеры того, как расплавы, в целом схожие по составу и температуре, но при разном давлении, могут кристаллизовать разные минералы. Давление определяет максимальное содержание воды в магме гранитного состава. Высокотемпературная фракционная кристаллизация относительно бедной водой гранитной магмы может привести к образованию однощелочно -полевошпатового гранита, а низкотемпературная кристаллизация относительно богатой водой магмы может привести к образованию двухполевошпатового гранита . [13]
В процессе фракционной кристаллизации расплавы обогащаются несовместимыми элементами . [14] Следовательно, знание последовательности кристаллизации имеет решающее значение для понимания того, как меняется состав расплава. Текстуры горных пород дают понимание, как это было задокументировано в начале 1900-х годов в серии реакций Боуэна . [15] Примером такой текстуры , связанной с фракционной кристаллизацией, являются межзеренные (также известные как межкучевые) текстуры, которые развиваются там, где минерал кристаллизуется позже, чем окружающая матрица, и, следовательно, заполняют оставшееся межузельное пространство. Различные оксиды хрома, железа и титана имеют такую текстуру, как, например, межзеренный хромит в кремнистой матрице. [ нужна цитация ] Экспериментально определенные фазовые диаграммы для простых смесей дают представление об общих принципах. [16] [17] Численные расчеты с использованием специального программного обеспечения все чаще позволяют точно моделировать природные процессы. [18] [19]
Фракционная кристаллизация играет важную роль в образовании осадочных эвапоритовых пород. [20]