Неорганическая геохимия - Хендерсон П.
Скачать (прямая ссылка):
8. Кинетический контроль распределения элементов 189
4) накопления в магматическом резервуаре, в) Затвердевание магмы:
1) физико-химические условия кристаллизации (Р, Т и т.д.);
2) скорости охлаждения и кристаллизации;
3) степень фракционирования при кристаллизации;
4) открытость магматической системы (она может включать потерю летучих, взаимодействие магмы с подземными водами и т. д.).
Рис. 8.1. Схематическое изображение путей поверхностной диффузии 5, межзерновой диффузии в и объемной диффузии V.
Этот перечень может быть дополнен разделом, связанным с изменениями после затвердевания.
Аспекты этого перечня составляют содержание настоящей главы. После обсуждения диффузии дан обзор проблемы зарождения и роста кристаллов в расплавах, затем описаны механизмы преобразования вещества в твердом состоянии, влияющие на магматические и метаморфические породы и минералы. Заключительные разделы посвящены теоретическому моделированию составов магмы, определяемых процессами кристаллизации и плавления.
8.2. Диффузия. Скорости некоторых геологических процессов могут зависеть от типа и скорости диффузии химических компонентов в системе. Процессы изменения пород или установления равновесия между минералами контролируются, по крайней мере частично, диффузией химических соединений по поверхности (поверхностная диффузия) или по границам зерен (межзерновая диффузия), а также через вещество минерального зерна (объемная диффузия) (рис. 8.1). Скорости роста кристаллов могут зависеть от скорости диффузии в расплаве или магме. Поэтому, чтобы правильно понять эти процессы, необходимо сначала установить природу и скорости диффузии.
190 Часть II
8.2.1. Законы Фика и решение уравнений диффузии. Существование градиента концентрации в расплаве или твердом теле, однородных в других отношениях, в общем случае порождает поток соответствующего элемента или химического вещества в направлении, противоположном градиенту. В стационарном состоянии суммарный поток / через плоскость пропорционален изменению концентрации (дС/дх) вдоль перпендикуляра к плоскости:
<8Л>
Уравнение (8.1)—первый закон Фика для диффузии. В — это коэффициент диффузии, который в общем случае не является независимым от (дC/дx)t. Отрицательный знак возникает потому, что диффузия происходит в сторону падения концентрации. Поток / имеет размерность единиц массы, деленных на единицу площади и единицу времени; (дС1дх)1 дается в единицах концентрации на единицу длины. Тогда О выражается в единицах площади на время (обычно см2-с-1).
-Уравнение (8.1) описывает стационарный поток, но такая ситуация редко возникает на практике. Градиент концентрации, а следовательно, и поток меняются со временем. Этой ситуации соответствует второй закон Фика — уравнение (8.2) (простое доказательство см. в работе [75]):
дС
д( дх
0х
дх
(8.2)
Если й — константа (т. е. не зависит от концентрации), то
Ч—о-ъг- <8-3>
Законы Фика могут применяться во многих ситуациях, когда действуют различные диффузионные механизмы. Для того чтобы определенные коэффициенты диффузии имели смысл, должен быть известен тип диффузии. Ниже даны качественные описания четырех типов коэффициентов диффузии; их можно, впрочем, определить в строгих математических понятиях (см., например, работы [75, 80, 422]).
а) Коэффициент химической диффузии относится к случаю, когда диффузия вызвана градиентом химического потенциала в системе. (Если, однако, компонент, создающий этот градиент, присутствует в очень малых количествах, так что раствор может рассматриваться как очень разбавленный, то этот коэффициент' может аппроксимироваться коэффициентом диффузии микропримеси.)
б) Коэффициент изотопной диффузии применяется, когда система содержит только изотопные градиенты. Эксперименты
8. Кинетический контроль распределения элементов Ї91
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАДИОАКТИВНЫХ «МЕТОК» ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ДИФФУЗИИ (НАПРИМЕР, ДИФФУЗИЯ РАДИОАКТИВНОГО 55Ре В ЧИСТОМ ФАЯЛИТЕ С ОБРАЗОВАНИЕМ РАСТВОРА 55Ре28Ю4—56Ре28Ю4) ДАЮТ КОЭФФИЦИЕНТЫ ИЗОТОПНОЙ ДИФФУЗИИ. (В БОЛЬШИНСТВЕ СЛУЧАЕТ ЭТИ КОЭФФИЦИЕНТЫ НЕ ОТЛИЧИМЫ ПО ВЕЛИЧИНЕ ОТ КОЭФФИЦИЕНТОВ СОБСТВЕННОЙ ДИФФУЗИИ.)
В) Коэффициенты собственной диффузии ПРИМЕНЯЮТСЯ, КОГДА СУММАРНЫЙ ПОТОК ЧЕРЕЗ РАССМАТРИВАЕМОЕ СЕЧЕНИЕ ОТСУТСТВУЕТ. Такая СИТУАЦИЯ возникаЕТ, НАПРИМЕР, при ДИФФУЗИИ Ре В ЧИСТОМ ФАЯЛИТЕ, Ре28Ю4, НО ПРИ ОТСУТСТВИИ КАКИХ-ЛИБО ХИМИЧЕСКИХ ИЛИ ИЗОТОПНЫХ ГРАДИЕНТОВ (СР. С. П. Б) ВЫШЕ).
ИЗОТОПНЫЕ И СОБСТ- си|5
ВЕННЫЕ КОЭФФИЦИЕНТЫ ДИФФУЗИИ ИНОГДА НАЗЫВАЮТ «КОЭФФИЦИЕНТАМИ САМОДИФФУЗИИ».
Г) Перекрестные коэффициенты диффузии ВОЗНИКАЮТ, КОГДА ДИФФУЗИЯ ОДНОГО ХИМИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА ВЫЗВАНА ДИФФУЗИЕЙ ДРУГИХ СОЕДИНЕНИЙ, ЧТОБЫ СОХРАНИЛСЯ ПОСТОЯННЫЙ ОБЪЕМ МАТРИЦЫ И/ИЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ НЕЙТРАЛЬНОСТЬ. Пример ЭТОГО — ДИФФУЗИЯ М?2+ В ОЛИВИНЕ В ОДНОМ НАПРАВЛЕНИИ И КОМПЕНСИРУЮЩАЯ ДИФФУЗИЯ Ре2+ В ОБРАТНОМ НАПРАВЛЕНИИ.
Далее МОЖНО БУДЕТ УВИДЕТЬ, ЧТО БОЛЬШИНСТВО ЭКСПЕРИМЕНТОВ, СВЯЗАННЫХ С ГЕОЛОГИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ, ДАЮТ ПЕРЕКРЕСТНЫЕ И ИЗОТОПНЫЕ КОЭФФИЦИЕНТЫ ДИФФУЗИИ.
