Γεωχημεία Ιχνοστοιχείων

Transcript

1 Γεωχημεία Ιχνοστοιχείων Συντελεστής Κτανομής Χριστίνα Στουραϊτη Τμήμα Γεωλογίας και Γεωπεριβάλλοντος

2 Ο υπολογισμός του Συντελεστή Κατανομής D To D συσχετίζει την συγκέντρωση ενός στοιχείου σε δύο διαφορετικές φάσεις (a,b), D a-b i = C a i/c b i ή πχ. κρύσταλλο τήγμα (solid s liquid l) D s/l i = C s i/c l i Το D μπορεί να μετρηθεί είτε πειραματικά, πχ. Όταν υπάρχουν δύο φάσεις σε ισορροπία σε δεδομένη P, T τότε μετράμε τη συγκέντρωση του στοιχείου και στις δύο φάσεις είτε με απλή παρατήρηση, πχ. εφόσον διαπιστώσουμε σε ένα πέτρωμα ότι δύο ορυκτά βρίσκονται σε ισορροπία (δεν αντιδρούν), τότε μετράμε τη συγκέντρωση του και στα δύο ορυκτά. 2

3 Συντελεστής Κατανομής Απλή περίπτωση: Τήγμα <-> ορυκτό Σύνθετη περίπτωση: Τήγμα <-> διάφορα ορυκτά Ολικός Συντελεστής Κατανομής (Bulk k d ή Κ d ή D A ) 3

4 Ο Συντελεστής Κατανομής D είναι μια μορφή (ισοδυναμεί) Σταθεράς Ισορροπίας (Κ) i (liquid) = i (solid) a i solid a i liquid eq. 9.2 K = = X solid i X liquid i i i K = Σταθερά Ισορροπίας (σταθερός αριθμός), επηρεάζεται από την Θερμοκρασία

5 Η τιμή του D ορίζει την ανταγωνιστηκότητα ενός ιχνοστοιχείου σε σχέση με ένα ορυκτό D s/l << 1 Το στοιχείο είναι μη ανταγωνιστικό - incompatible (ελεύθερο - released ) D s/l >1 Tο στοιχείο ονομάζεται ανταγωνιστικό - compatible (συλλαμβάνεται - captured ) Ni, Cr, Co, etc. Ο συντελεστής κατανομής ενός στοιχείου μπορεί να διαφέρει αρκετά μεταξύ διαφορετικών φάσεων και μπορεί να είναι <1 για ένα ορυκτό ή >1 για ένα άλλο. Οι όροι «ανταγωνιστικό» και «μη ανταγωνιστικό» έχουν νόημα μόνο όταν ορίζονται οι φάσεις του συστήματος. Στην πετρολογία των πυριγενών πετρωμάτων η κατανομή αυτή αναφέρετε μεταξύ των πυριτικών τηγμάτων & των κοινών πετρογενετικών ορυκτών των μαφικών και υπερμαφικών πετρωμάτων 5

6 Μη ανταγωνιστικά στοιχεία δύο υποομάδες μικρότερα, υψηλού φορτίου high field strength (HFS) elements (REE, Th, U, Ce, Pb 4+, Zr, Hf, Ti, Nb, Ta) Μεγαλύτερα ιόντα, χαμηλού δυναμικού πεδίου ή large ion lithophile (LIL) elements (K, Rb, Cs, Ba, Pb 2+, Sr, Eu 2+ ) πιο ευδιάλυτα.

7 Συντελεστής Κατανομής Ο αυστηρός ορισμός, για ένα πολυφασικό πέτρωμα όπου, α, β, γ,..χ είναι οι αναλογίες των ορυκτών στο πέτρωμα και k a, k b, k c K j είναι οι συντελεστές κατανομής των διαφόρων ορυκτών που συνιστούν το πέτρωμα, τα οποία είναι σε ισορροπία με το τήγμα. Xj είναι το γραμμομοριακό κλάσμα του κάθενός ορυκτού 7

8 Rare Earth Elements Table 9-1. Partition Coefficients (C S /C L ) for Some Commonly Used Trace Elements in Basaltic and Andesitic Rocks Olivine Opx Cpx Garnet Plag Amph Magnetite Rb Sr Ba Ni Cr La Ce Nd Sm Eu /1.5* Dy Er Yb Lu Data from Rollinson (1993). * Eu 3+ /Eu 2+ Italics are estimated 8

9 Παράγοντες που επηρεάζουν την τιμή του Συντελεστή Κατανομής Παράγοντες που επηρεάζουν το k d : 1) Συνθήκες Πίεσης (P) και Θερμοκρασίας (T) βάση των θερμοδυναμικών τύπων 2) Ακτίνα ιόντος 3) Φορτίο 4) Ηλεκτραρνητικότητα 5) Η δομή της κρυσταλλικής κυψελίδας επιτρέπει από ενεργειακή άποψη συγκεκριμένες ιοντικές υποκαταστάσεις. 9

10 Σειρά κρυστάλλωσης συγκεκριμένων ορυκτών Ni μεγάλη προτίμηση (κλασμάτωση) ολιβίνη > πυρόξενο Cr και Sc πυροξένους >> ολιβίνη Με βάση το λόγο Ni/Cr ή Ni/Sc μπορούμε να διακρίνουμε την σειρά κρυστάλλωσης των ορυκτών (ολιβίνη ή αυγίτη) σε ένα μάγμα ή σε μια μαγματική σειρά πετρωμάτων 10

11 Sr και Ba (μη ανταγωνιστικά στοιχεία) Sr αποκλείεται από τα περισσότερα κοινά ορυκτά, εκτός από το πλαγιόκλαστο (plagioclase) Ba ομοίως, αποκλείεται από τα περισσότερα κοινά ορυκτά εκτός από τον αλκαλικό άστριο (alkali feldspar) ο λόγος Ba/Sr μας βοηθά να διακρίνουμε εάν κρυσταλλώνεται Κ-ουχος άστριος (Kspar) ή Πλαγιόκλαστο (Plag) 11

12 Λόγος δύο ιχνοστοιχείων Sr και Ba είναι μη ανταγωνιστικά στοιχεία: εισέρχονται στα πρώτα τήγματα κατά τη διεργασία της μερικής τήξης, ή εμπλουτίζονται συνεχώς στα υπολειματικά ρευστά της κλασματικής κρυστάλλωσης. Ο λόγος είναι σταθερός μέχρι τη στιγμή που αρχίζει να κρυσταλλώνεται το Πλαγιόκλαστο ή/και Κ-άστριος. Επειδή η σειρά κρυστάλλωσης είναι Πλαγιόκλαστο > Ορθόκλαστο, ο λόγος Ba/Sr θα αυξάνεται όσο διαρκεί η κρυστάλλωση του πλαγιόκλαστου και εν συνεχεία όταν αρχίζει να κρυσταλλώνεται ορθόκλαστο θα αρχίζει να μειώνεται 12

13 Kd s για το Πλαγιόκλαστο REEs συνήθως έχουν σθένος 3+ (La 3+, etc.) Eu: μπορεί να είναι ως Eu 3+ ή Eu 2+ Eu 2+ πολύ ανταγωνιστικό 13

14 Συντελεστές Κατανομής για τις REEs K d = C s /C l = concentration in mineral/concentration in melt 14

15 Συμπεριφορά ιχνοστοιχείων κατά την τήξη και κρυστάλλωση Μοντέλα Μερικής Τήξης: α) Ευτηκτική τήξη (Batch melting) (Απλή περίπτωση ) το τήγμα παραμένει μέχρι να ολοκληρωθεί η τήξη και μετά αποχωρίζεται από το αρχικό στερεό (πηγή) β) Μη ευτηκτική τήξη (περίπλοκη περίπτωση) 15

16 Μερική τήξη α) Ευτηκτική τήξη Η σχετική αναλογία των ορυκτών στο αρχικό στερεό και στο τήγμα (liquid), παραμένει ίδια κατά τη διάρκεια της τήξης. D, (Ολικό Συντελεστή Κατανομής) ιχνοστοιχείου = σταθερό, κατά τη διάρκεια της τήξης. Ο λόγος Cl/Co, μας δείχνει τη μεταβολή στη συγκέντρωση του ιχνοστοιχείου στο τήγμα. Fraction of melt (F): ο βαθμός μερικής τήξης (πχ. 0.4 ή 40%). Αλλαγή στο D, σημαίνει μεταβολή στην ανταγωνιστικότητα του ιχνοστοιχείου. 16

17 Α) Ανταγωνιστικό Β) Μη-Ανταγωνιστικό 17

18 Εάν F 0 C L /C O 1/D i (πολύ μικρός βαθμός μερικής τήξης) C C L O = D i (1 1 - F) + F Γνωρίζοντας το C L και το D i μπορούμε να υπολογίσουμε την συγκέντρωση του αρχικού πετρώματος Χαρακτηρισμός της πηγής του μάγματος 18

19 EYTHKTIKH ΤΗΞΗ Rb και Sr Basalt Table 9.2. Conversion from mode to weight percent Mineral Mode Density Wt prop Wt% ol cpx plag Sum Μετατροπή βάρος (weight) % ορυκτά (W ol W cpx etc.)

20 Worked Example of Batch Melting: Rb and Sr Basalt with the mode: Table 9.2. Conversion from mode to weight percent Mineral Mode Density Wt prop Wt% ol cpx plag Sum Convert to weight % minerals (W ol W cpx etc.) 2. Use equation eq. 9.4: D i = W A D i and the table of D values for Rb and Sr in each mineral to calculate the bulk distribution coefficients: D Rb = and D Sr = 0.848

21 3. Use the batch melting equation (9.5) to calculate C L /C O for various values of F C C L O = 1 D i (1 - F) + F Table 9.3. Batch Fractionation Model for Rb and Sr C L /C O = 1/(D(1-F)+F) D Rb D Sr F Rb/Sr From Winter (2010) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall.

22 Προβολή του C L /C O vs. F για καθένα στοιχείο Figure 9.3. Change in the concentration of Rb and Sr in the melt derived by progressive batch melting of a basaltic rock consisting of plagioclase, augite, and olivine. (Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall)

23 Παράδειγμα μερικής τήξης ανώτερου μανδύα... Μη ανταγωνιστικά στοιχεία: ό λες οι REE, και ειδικότερα οι ελαφριές (LREE) περισσότερο μη-ανταγωνιστικές από τις βαριές (HREE) 23

24 ΚΡΥΣΤΑΛΛΩΣΗ 1. Κλασματική κρυστάλλωση (οι κρύσταλλοι είναι σε συνεχή ισορροπία με το τήγμα) 2. Κρυστάλλωση Rayleigh (οι κρύσταλλοι αποχωρίζονται αμέσως αφού σχηματιστούν από το τήγμα) 24

25 1. Κλασματική Κρυστάλλωση Οι κρύσταλοι παραμένουν σε ισορροπία με κάθε ποσότητα του τήγματος(melt increment) 25

26 Κλασματική Κρυστάλλωση Ο λόγος στοιχείων διαφορετικής ανταγωνιστικότητας (LREE/HREE) δεν διαφέρει πολύ στην κλασματική κρυστάλλωση σταθερό pattern με παράλληλη μετατόπιση (εμπλουτισμό REE, όσο αυξάνει ο βαθμός Κλ. Κρυστάλλωσης (Fractionation %). 26

27 Europium anomaly when plagioclase is a fractionating phenocryst or a residual solid in source Figure 9.5. REE diagram for 10% batch melting of a hypothetical lherzolite with 20% plagioclase, resulting in a pronounced negative Europium anomaly. From Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall.

28 Normalized Multielement (Spider) Diagrams An extension of the normalized REE technique to a broader spectrum of elements Chondrite-normalized spider diagrams are commonly organized by (the author s estimate) of increasing incompatibility L R Different estimates different ordering (poor standardization) Fig Spider diagram for an alkaline basalt from Gough Island, southern Atlantic. After Sun and MacDonough (1989). In A. D. Saunders and M. J. Norry (eds.), Magmatism in the Ocean Basins. Geol. Soc. London Spec. Publ., 42. pp

29 Κατανομή των ιχνοστοιχείων: Γενικά, στα ορυκτά του μανδύα (πηγή των πρωταρχικών μαγμάτων) Μη Ανταγωνιστικά στοιχεία είναι: - K, Rb, Cs, Ta, Nb, U, Th, Y, Hf, Zr, και - Σπάνιες Γαίες [REE: La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, & Lu]. Τα περισσότερα από τα παραπάνω στοιχεία έχουν μεγάλη ιοντική ακτίνα, συγκριτικά με τις διαστάσεις των θέσεων στο κρύσταλλο των κοινών ορυκτών του μανδύα: -ολιβίνης, πυρόξενος, σπινέλιος και γρανάτης Ανταγωνιστικά στοιχεία είναι: - Ni, Cr, Co, V, και Sc, Τα οποία έχουν ιοντική ακτίνα μικρότερη και ταιριάζουν ευκολότερα στις κρυσταλλογραφικές θέσεις του Mg Fe. 29

30 Λόγος δύο ιχνοστοιχείων με διαφορετική ανταγωνιστικότητα 30

31 Συνοψίζοντας... Χρησιμοποιούμε τα διαγράμματα REE (κανονικοποιημένα ως προς τη σύσταση του C1 Χονδρίτη μετωρίτη) για να: 1) Προσδιορίσουμε την προέλευση των μαγμάτων, υποθέτοντας ότι τα πρωταρχικά μάγματα σχηματίζονται στον ανώτερο μανδύα. 2) Για να διακρίνουμε διεργασίες μερικής τήξης ή κλασματικής κρυστάλλωση. 3) Να συγκρίνουμε πετρώματα διαφορετικών συστάσεων και να προσδιορίσουμε την προέλευση τους. 31