Совместимость (геохимия) - Compatibility (geochemistry)

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 основной элемент в минерале .

Совместимость иона определяется двумя вещами: его валентностью и ионным радиусом . Оба элемента должны быть примерно такими же, как у основного элемента, чтобы микроэлемент был совместим с минералом. Например, оливин (распространенный минерал в верхней мантии ) имеет химическую формулу (Mg, Fe)
₂ SiO
₄ . Никель , с очень похожим химическим поведением на железо и магний , легко заменяет их и, следовательно, очень совместим в мантии.

Совместимость контролирует разделение различных элементов во время плавления . Совместимость элемента в породе - это средневзвешенное значение его совместимости с каждым из присутствующих минералов. Напротив, несовместимый элемент - это элемент, который наименее устойчив в своей кристаллической структуре. Если какой-либо элемент в породе несовместим, он расплавляется, 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 истощены в мантии. Примеры включают: рубидий , барий , уран и лантан . Совместимые элементы обеднены корой и обогащены мантией, например никелем и титаном .

Совместимость обычно описывается коэффициентом 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.

Количественная оценка совместимости

Коэффициент распределения (раздела)

В минерале почти все элементы неравномерно распределяются между твердой и жидкой фазами. Это явление известно как химическое фракционирование, и его можно описать константой равновесия , которая устанавливает фиксированное распределение элемента между любыми двумя фазами в состоянии равновесия . Постоянное распределение используются для определения взаимосвязи между твердой и жидкой фазой реакции. Это значение, по сути, представляет собой отношение концентрации элемента между двумя фазами, обычно в данном контексте между твердой и жидкой фазами. Эту константу часто называют при работе с микроэлементами , где ${\ displaystyle K}$ ${\ displaystyle K_ {D}}$ ${\ displaystyle D}$

${\ displaystyle K_ {D} = {\ frac {C_ {S}} {C_ {L}}} = {\ frac {X_ {i} ^ {solid}} {X_ {i} ^ {liquid}}}}$

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

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

Коэффициент объемного распределения

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

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

где - интересующий элемент в минерале, а - массовая доля минерала в породе. - коэффициент распределения элемента в минерале . Эта константа может использоваться для описания того, как отдельные элементы в минерале концентрируются в двух разных фазах. Во время химического фракционирования некоторые 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. ${\ displaystyle i}$ ${\ displaystyle W_ {A}}$ ${\ displaystyle A}$ ${\ displaystyle D_ {i} ^ {A}}$ ${\ displaystyle A}$

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 сконцентрирован в океанической коре Земли, образуется, когда магма достигает поверхности Земли и очень быстро остывает. 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 дать представление об эволюции мантии Земли и о том, как менялись концентрации литофильных микроэлементов за последние 3,5 миллиарда лет.

Понимание недр Земли

В предыдущих исследованиях использовалась совместимость микроэлементов, чтобы увидеть эффект, который она окажет на структуру расплава перидотитового 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 этой области, 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, образовавшимися в результате вулканической активности, показывает 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. В частности, геохимия серпентинитов на дне океана, в частности зон субдукции, может быть изучена с использованием совместимости конкретных микроэлементов. Совместимость свинца (Pb) с цирконами в различных средах также может указывать на наличие цирконов в породах. При наблюдении за уровнями нерадиогенного свинца в цирконах это может быть полезным инструментом для радиометрического датирования цирконов.

Рекомендации

^ ^a ^b ^c ^d ^e Максуин, Гарри Ю. (19.11.2003). 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 .
^ ^а ^б Hofmann, AW (1997). «Геохимия мантии: послание океанического вулканизма». Природа . 385 (6613): 219–229. Bibcode : 1997Natur.385..219H . DOI : 10.1038 / 385219a0 . ISSN 1476-4687 .
^ McDonough, WF; 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 щелочно-базальтовой серии 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, MJ (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 .
^ О'Найонс, РК; Evensen, NM; 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, Шань; 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 .
^ Kodolányi, Янош; Петке, Томас; Спандлер, Карл; Kamber, Balz S .; Гмелинг, Каталин (2012). «Геохимия океанического дна и серпентинитов преддуговой дуги: ограничения на поступление ультраосновных пород в зоны субдукции» . Журнал петрологии . 53 (2): 235–270. Bibcode : 2012JPet ... 53..235K . DOI : 10.1093 / петрологии / egr058 . ISSN 0022-3530 .
^ Уотсон, Э. Б; 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 .

[:02-1] Максуин, Гарри Ю. (19.11.2003). 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 .

[:0-2] а ^б Hofmann, AW (1997). «Геохимия мантии: послание океанического вулканизма». Природа . 385 (6613): 219–229. Bibcode : 1997Natur.385..219H . DOI : 10.1038 / 385219a0 . ISSN 1476-4687 .

[3] McDonough, WF; 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 .

[4] Виллеман, Бенуа; Яффрезич, Анри; Жорон, Жан-Луи; Treuil, Мишель (1981). «Коэффициенты распределения основных и редких элементов; фракционная кристаллизация в щелочно-базальтовой серии 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 .

[5] О'Хара, MJ (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 .

[6] О'Найонс, РК; Evensen, NM; 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 .

[7] 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 .

[8] Гао, Шань; 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 .

[9] Kodolányi, Янош; Петке, Томас; Спандлер, Карл; Kamber, Balz S .; Гмелинг, Каталин (2012). «Геохимия океанического дна и серпентинитов преддуговой дуги: ограничения на поступление ультраосновных пород в зоны субдукции» . Журнал петрологии . 53 (2): 235–270. Bibcode : 2012JPet ... 53..235K . DOI : 10.1093 / петрологии / egr058 . ISSN 0022-3530 .

[10] Уотсон, Э. Б; 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 .

Languages

In other projects