Sự hình thành hạt nhân không đồng nhất là chế độ chính trong quá trình kết tinh ở các magma tự nhiên: mô hình số và ý nghĩa đối với sự tương tác giữa tinh thể và dung dịch

Springer Science and Business Media LLC - Tập 169 - Trang 1-16 - 2015
Václav Špillar1, David Dolejš1
1Institute of Petrology and Structural Geology, Charles University, Praha 2, Czech Republic

Tóm tắt

Quá trình kết tinh của các magma tự nhiên vốn dĩ là một quá trình không cân bằng, liên quan đến động học nucleation và tăng trưởng, tương tác cơ học giữa dung dịch và tinh thể cũng như các sự thay đổi dưới mặt rắn, tất cả đều được ghi lại trong kết cấu của đá cuối cùng. Chúng tôi sử dụng một mô hình số ba chiều độ phân giải cao mới để xem xét tầm quan trọng và hậu quả của sự hình thành hạt nhân tinh thể đồng nhất so với không đồng nhất trong các magma silicate. Với việc gia tăng số lượng hạt nhân không đồng nhất trong quá trình kết tinh, các kết cấu ban đầu đồng hạt trở nên chuyển đổi thành các loại porphyritic, bimodal và spherulitic. Các phân bố kích thước tinh thể tương ứng (CSDs) trở nên cong lên, chỉ số tập hợp giảm dần, và các mối quan hệ tiếp xúc giữa các hạt ghi lại hiện tượng tăng cường tập hợp. Các CSD cong lên trước đây được giải thích là kết quả của quá trình kết tinh đa giai đoạn, sự pha trộn các quần thể tinh thể, sự tụ tập hạt hoặc sự tăng trưởng phụ thuộc vào kích thước, nay được dự đoán phù hợp, với các tham số kích thước, không gian và tập hợp khác, để hình thành bởi sự hình thành hạt nhân không đồng nhất. Các mối quan hệ tương quan giữa các tham số kết cấu khác nhau và tỷ lệ hạt nhân không đồng nhất được hiệu chỉnh và áp dụng vào các đá núi lửa và đá sâu đại diện, bao gồm các đá tích tụ, để suy luận về tỷ lệ hạt nhân không đồng nhất. Kết quả cho thấy khoảng 60 đến 99 % tất cả các hạt nhân là không đồng nhất. Đối với các đá sâu và đá tích tụ, ước tính tỷ lệ hạt nhân không đồng nhất dựa trên chỉ số tập hợp thấp hơn đáng kể so với các ước tính khác. Những sự khác biệt như vậy, một cách tổng quát, chỉ ra sự xuất hiện của các quá trình khác; ở đây, các kết quả ngụ ý rằng sự nén chặt cấu trúc tinh thể và sự tách dung dịch liên kết đã được tham gia trong quá trình đông đặc của magma. Sự hình thành tinh thể trong các cụm, ngụ ý cho sự hình thành hạt nhân không đồng nhất, ám chỉ rằng mức độ tách biệt tinh thể-dung dịch kỳ vọng sẽ hiệu quả hơn trong những tình huống này.

Từ khóa

#kết tinh #magma #hạt nhân không đồng nhất #tính chất vật lý #tương tác tinh thể-dung dịch

Tài liệu tham khảo

Armienti P, Pareschi MT, Innocenti F, Pompilio M (1994) Effect of magma storage and ascent on the kinetics of crystal growth. Contrib Mineral Petrol 115:402–414 Bachmann O, Bergantz G (2008) The magma reservoirs that feed supereruptions. Elements 4:17–21 Baker DR, Freda C (2001) Eutectic crystallization in the undercooled Orthoclase-Quartz-H2O system: experiments and simulations. Eur J Mineral 13:453–466 Bea F (2010) Crystallization dynamics of granite magma chambers in the absence of regional stress: multiphysics modeling with natural examples. J Petrol 51:1541–1569 Brugger CR, Hammer JE (2010) Crystal size distribution analysis of plagioclase in experimentally decompressed hydrous rhyodacite magma. Earth Planet Sci Lett 300:246–254 Bues C, Dörr W, Fiala J, Vejnar Z, Zulauf G (2002) Emplacement depths and radiometric ages of Paleozoic plutons of the Neukirchen-Kdyně massif: differential uplift and exhumation of Cadomian basement due to Carboniferous orogenic collapse (Bohemian Massif). Tectonophysics 352:225–243 Burkhard DJM (2002) Kinetics of crystallization: example of micro-crystallization in basalt lava. Contrib Mineral Petrol 142:724–737 Burkhart LE, Hoyt RC, Oolman T (1980) Control of particle size distribution and agglomeration in continuous precipitations. In: Kuczynski GC (ed) Sintering processes. Plenum, New York, pp 23–38 Cashman KV, Marsh BD (1988) Crystal size distribution (CSD) in rocks and the kinetics and dynamics of crystallization II: makaopuhi lava lake. Contrib Mineral Petrol 99:292–305 Christian JW (2002) The theory of transformations in metals and alloys, 3rd edn. Elsevier, Oxford 1113 pp Davis MJ, Ihinger PD (1998) Heterogeneous crystal nucleation on bubbles in silicate melt. Am Min 83:1008–1015 Dörr W, Fiala J, Vejnar Z, Zulauf G (1998) U-Pb zircon ages and structural development of metagranitoids of the Teplá Crystalline complex: evidence for pervasive Cambrian plutonism within the Bohemian massif (Czech Republic). Geol Rundschau 87:135–149 Dörr W, Zulauf G, Fiala J, Franke W, Vejnar Z (2002) Neoproterozoic to Early Cambrian history of an active plate margin in the Teplá-Barrandian unit–a correlation of U-Pb isotopic-dilution-TIMS ages (Bohemia, Czech Republic). Tectonophysics 352:65–85 Eberl DD, Kile DE, Drifts VA (2002) On geological interpretations of crystal size distributions: constant vs. proportionate growth. Am Min 87:1235–1241 Fenn PM (1977) The nucleation and growth of alkali feldspars from hydrous melts. Can Min 15:135–161 Hammer JE, Sharp TG, Wessel P (2010) Heterogeneous nucleation and epitaxial growth of magmatic minerals. Geology 38:367–370 Hecht L, Vigneresse JL, Morteani G (1997) Constraints on the origin of zonation of the granite complexes in the Fichtelgebirge (Germany and Czech Republic): evidence from a gravity and geochemical study. Geol Rundschau 86:S93–S109 Hersum TG, Marsh BD (2006) Igneous microstructures from kinetic models of crystallization. J Volcanol Geoth Res 154:34–47 Hersum TG, Marsh BD (2007) Igneous textures: on the kinetics behind the words. Elements 3:247–252 Higgins MD (1996) Magma dynamics beneath Kameni volcano, Thera, Greece, as revealed by crystal size and shape measurements. J Volcanol Geoth Res 70:37–48 Higgins MD (2000) Measurement of crystal size distributions. Am Min 85:1105–1116 Higgins MD (2002) A crystal size-distribution study of the Kiglapait layered mafic intrusion, Labrador, Canada: evidence for textural coarsening. Contrib Mineral Petrol 144:314–330 Higgins MD (2006) Quantitative textural measurements in igneous and metamorphic petrology. Cambridge University Press, Cambridge 265 pp Higgins MD (2011) Textural coarsening in igneous rocks. Int Geol Rev 53:354–376 Higgins MD, Chandrasekharam D (2007) Nature of sub-volcanic magma chambers, Deccan Province, India: evidence from quantitative textural analysis of plagioclase megacrysts in the Giant Plagioclase Basalts. J Petrol 48:885–900 Higgins MD, Roberge J (2003) Crystal size distribution of plagioclase and amphibole from Soufriѐre Hills Volcano, Montserrat: evidence for dynamic crystallization-textural coarsening cycles. J Petrol 44:1401–1411 Ikeda S, Toriumi M, Yoshida H, Shimizu I (2002) Experimental study of the textural development of igneous rocks in the late stage of crystallization: the importance of interfacial energies under non-equilibrium conditions. Contrib Mineral Petrol 142:397–415 Jerram DA, Cheadle MJ, Hunter RH, Elliott MT (1996) The spatial distribution of grains and crystals in rocks. Contrib Mineral Petrol 125:60–74 Jerram DA, Cheadle MJ, Philpotts AR (2003) Quantifying the building blocks of igneous rocks: are clustered crystal frameworks the foundation? J Petrol 44:2033–2051 Lasaga AC (1998) Kinetic theory in the Earth sciences. Princeton University Press, Princeton 811 pp Lofgren GE (1983) Effect of heterogeneous nucleation on basaltic textures: a dynamic crystallization study. J Petrol 24:229–255 Machlin ES (2007) An introduction to aspects of thermodynamics and kinetics relevant to materials science, 3rd edn. Elsevier, Oxford 461 pp MacLellan HE, Trembath LT (1991) The role of quartz crystallization in the development and preservation of igneous texture in granitic rocks: experimental evidence at 1 kbar. Am Min 76:1291–1305 Marsh BD (1989) Magma chambers. Ann Rev Earth Planet Sci 17:439–474 Marsh BD (1998) On the interpretation of crystal size distributions in magmatic systems. J Petrol 39:553–599 Mock A, Jerram DA, Breitkreuz C (2003) Using quantitative textural analysis to understand the emplacement of shallow-level rhyolitic laccoliths: a case study from the Halle Volcanic Complex, Germany. J Petrol 44:833–849 Mourtada-Bonnefoi CC, Laporte D (2004) Kinetics of bubble nucleation in a rhyolitic melt: an experimental study of the effect of ascent rate. Earth Planet Sci Lett 218:521–537 Philpotts A, Ague J (2009) Principles of igneous and metamorphic petrology, 2nd edn. Cambridge University Press, Cambridge 684 pp Pupier E, Duchene S, Toplis MJ (2008) Experimental quantification of plagioclase crystal size distribution during cooling of a basaltic liquid. Contrib Mineral Petrol 155:555–570 R Development Core Team (2011) R: A language and environment for statistical computing. R Foundation for Statistical Computing, Vienna, Austria. ISBN 3-900051-07-0. http://www.R-project.org/ Schwindinger K (1999) Particle dynamics and aggregation of crystals in a magma chamber with application to Kilauea Iki olivines. J Volcanol Geoth Res 88:209–238 Shelley D (1992) Igneous and metamorphic rocks under the microscope. Chapman & Hall, London 445 p Siebel W, Trzebski R, Stettner G, Hecht L, Casten U, Höhndorf A, Müller P (1997) Granitoid magmatism of the NEW Bohemian massif revealed: gravity data, composition, age relations and phase concept. Geol Rundsch 86:S45–S63 Siebel W, Shang CK, Presser V (2010) Permo-Carboniferous magmatism in the Fichtelgebirge: dating the youngest intrusive pulse by U-Pb, 207Pb/206Pb and 40Ar/39Ar geochronology. Z Geol Wiss 38:85–98 Špillar V, Dolejš D (2013) Calculation of time-dependent nucleation and growth rates from quantitative textural data: inversion of crystal size distribution. J Petrol 54:913–931 Špillar V, Dolejš D (2014) Kinetic model of nucleation and growth in silicate melts: implications for igneous textures and their quantitative description. Geochim Cosmochim Acta 131:164–183 Spry A (1969) Metamorphic textures. Pergamon Press, Oxford 350 pp Swanson SE (1977) Relation of nucleation and crystal-growth rate to the development of granitic textures. Am Min 62:966–978 Swanson SE, Fenn PM (1986) Quartz crystallization in igneous rocks. Am Mineral 71:331–342 Ulrych J, Pivec E (1997) Age-related contrasting alkaline volcanic series in North Bohemia. Chem Erde 57:311–336 Ulrych J, Svobodová J, Balogh K (2002) The source of Cenozoic volcanism in the České středohoří Mts., Bohemian Massif. Neues Jahrbuch für Mineralogie Abhandlungen 177:133–162 Ulrych J, Dostal J, Adamovič J, Jelínek E, Špaček P, Hegner E, Balogh K (2011) Recurrent Cenozoic volcanic activity in the Bohemian Massif (Czech Republic). Lithos 123:133–144 Vance JA (1969) On synneusis. Contrib Mineral Petrol 24:7–29 Vejnar Z (1986) The Kdyně massif, South-West Bohemia—a tectonically modified basic layered intrusion: sborník Geologických Věd. Geologie 41:9–67 Volmer M (1939) Kinetik der Phasenbildung. Theodor Steinkopff Verlag, Dresden 220 pp Yang Z-F (2012) Combining quantitative textural and geochemical studies to understand the solidification process of a granite porphyry: shanggusi, East Qinling, China. J Petrol 53:1807–1835 Zieg MJ, Lofgren GE (2006) An experimental investigation of texture evolution during continuous cooling. J Volcanol Geoth Res 154:74–88 Zieg MJ, Marsh BD (2002) Crystal size distribution and scaling laws in the quantification of igneous textures. J Petrol 43:85–101