Совместимость (геохимия) - Compatibility (geochemistry)

Совместимость - термин, используемый геохимиками для описания того, как элементы разделяются в твердом теле и тают в мантии Земли. В геохимия, совместимость - это мера того, насколько легко микроэлемент заменяет главный элемент в пределах минеральная.

Совместимость ион контролируется двумя вещами: его валентность и это ионный радиус.^[1] Оба элемента должны быть примерно такими же, как у основного элемента, чтобы микроэлемент был совместим с минералом. Например, оливин (богатый минерал в верхняя мантия ) имеет химическую формулу (Mg, Fe)
₂SiO
₄. Никель, с очень похожим химическим поведением на утюг и магний, легко заменяет их и, следовательно, очень совместим в мантии.

Совместимость контролирует разделение различных элементов во время таяние. Совместимость элемента в камень это средневзвешенное о его совместимости с каждым из присутствующих минералов. Напротив, несовместимый элемент наименее стабильный в пределах своего кристалл структура. Если элемент в скале несовместим, он разделяется на таять как только начнется таяние. В общем, когда элемент упоминается как «совместимый» без упоминания, с какой породой он совместим, подразумевается мантия. Таким образом, несовместимые элементы - это те элементы, которые обогащены Континентальный разлом и обеднен мантией. Примеры включают: рубидий, барий, уран, и лантан. Совместимые элементы обеднены корой и обогащены мантией, например, никель и титан.

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 земных недр. Кроме того, многочисленные исследования были сосредоточены на изучении коэффициенты разделения определенных элементов в базальтовой магме для характеристики состава океанической коры.^[2] 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.^[3]

Количественная оценка совместимости

Коэффициент распределения (разделения)

В минерале почти все элементы неравномерно распределяются между твердой и жидкой фазами. Это явление известно как химическое фракционирование и может быть описан константа равновесия, ${displaystyle K}$ который устанавливает фиксированное распределение элемента между любыми двумя фазами в состоянии равновесия.^[1] А константа распределения ${displaystyle K_ {D}}$ используется для определения отношения между твердой и жидкой фазами 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 ${displaystyle D}$ при работе с микроэлементы, куда

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

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

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

Коэффициент объемного распределения

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

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

куда ${displaystyle i}$ элемент, представляющий интерес в минерале, и ${displaystyle W_ {A}}$ это массовая доля минерала ${displaystyle A}$ в скале. ${displaystyle D_ {i} ^ {A}}$ коэффициент распределения элемента в минеральном ${displaystyle A}$ .^[1] Эта константа может использоваться для описания того, как отдельные элементы в минерале концентрируются в двух разных фазах. Во время химического фракционирования определенные элементы могут стать более или менее концентрированными, что может позволить геохимикам количественно оценить различные стадии дифференциации магмы.^[4] В конечном итоге, эти измерения могут быть использованы для более глубокого понимания поведения элементов в различных геологических условиях.

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.^[1] 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 изучался для наблюдения за составом лавы в верхняя мантия.^[5] Эта концепция может быть применена учеными, чтобы дать представление об эволюции мантии Земли и о том, как концентрации литофил микроэлементы изменились за последние 3,5 миллиарда лет.^[6]

Понимание внутренней части Земли

Предыдущие исследования использовали совместимость микроэлементов, чтобы увидеть влияние, которое она окажет на структуру расплава перидотит солидус.^[7] 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.^[8] 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 базальты от вулканической активности, показать отдельные компоненты, которые предоставляют информацию об эволюции недр Земли в геологической шкале времени. Несовместимые микроэлементы истощаются при плавлении 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.^[2] В частности, геохимия серпентиниты вдоль дна океана, особенно зоны субдукции, можно исследовать с помощью совместимости определенных микроэлементов.^[9] Совместимость вести (Pb) в цирконы в различных средах также может указывать на наличие цирконов в горных породах. При наблюдении за уровнями нерадиогенного свинца в цирконах это может быть полезным инструментом для радиометрического датирования цирконов.^[10]

Рекомендации

^ ^а ^б ^c ^d ^е Максуин, Гарри Ю. (19 ноября 2003 г.). Геохимия: пути и процессы. Ричардсон, Стивен Макафи., Уле, Мария Э., Ричардсон, Стивен Макафи. (Второе изд.). Нью-Йорк. Дои:10.1016/0009-2541(94)00140-4. ISBN 9780231509039. OCLC 61109090.
^ ^а ^б Хофманн, А. В. (1997). «Геохимия мантии: послание океанического вулканизма». Природа. 385 (6613): 219–229. Bibcode:1997Натура.385..219Х. Дои:10.1038 / 385219a0. ISSN 1476-4687.
^ McDonough, W.F .; Вс, С.-с. (1995). «Состав Земли». Химическая геология. 120 (3–4): 223–253. Bibcode:1995ЧГео.120..223М. Дои: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. Дои:10.1016/0016-7037(81)90055-7. ISSN 0016-7037.
^ О'Хара, М. Дж. (1977). «Геохимическая эволюция при фракционной кристаллизации периодически пополняемого магматического очага». Природа. 266 (5602): 503–507. Bibcode:1977Натура.266..503O. Дои:10.1038 / 266503a0. ISSN 1476-4687.
^ O'Nions, R.K .; Evensen, N.M .; Гамильтон, П. Дж .; Картер, С. Р .; Хатчисон Р. (1978). «Таяние мантии в прошлом и настоящем: свидетельство изотопов и микроэлементов [и обсуждение]». Философские труды Королевского общества A: математические, физические и инженерные науки. 288 (1355): 547–559. Дои:10.1098 / рста.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. Дои: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. Дои:10.1016 / S0016-7037 (98) 00121-5. ISSN 0016-7037.
^ Кодоланьи, Янош; Петке, Томас; Спандлер, Карл; Kamber, Balz S .; Гмелинг, Каталин (2012). «Геохимия океанического дна и серпентинитов преддуговой дуги: ограничения на ввод ультраосновных пород в зоны субдукции». Журнал петрологии. 53 (2): 235–270. Bibcode:2012JPet ... 53..235K. Дои:10.1093 / петрология / 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:1997ЧГео.141 ... 19Вт. Дои:10.1016 / S0009-2541 (97) 00054-5. ISSN 0009-2541.

[:02-1] а ^б ^c ^d ^е Максуин, Гарри Ю. (19 ноября 2003 г.). Геохимия: пути и процессы. Ричардсон, Стивен Макафи., Уле, Мария Э., Ричардсон, Стивен Макафи. (Второе изд.). Нью-Йорк. Дои:10.1016/0009-2541(94)00140-4. ISBN 9780231509039. OCLC 61109090.

[:0-2] а ^б Хофманн, А. В. (1997). «Геохимия мантии: послание океанического вулканизма». Природа. 385 (6613): 219–229. Bibcode:1997Натура.385..219Х. Дои:10.1038 / 385219a0. ISSN 1476-4687.

[3] McDonough, W.F .; Вс, С.-с. (1995). «Состав Земли». Химическая геология. 120 (3–4): 223–253. Bibcode:1995ЧГео.120..223М. Дои: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. Дои:10.1016/0016-7037(81)90055-7. ISSN 0016-7037.

[5] О'Хара, М. Дж. (1977). «Геохимическая эволюция при фракционной кристаллизации периодически пополняемого магматического очага». Природа. 266 (5602): 503–507. Bibcode:1977Натура.266..503O. Дои:10.1038 / 266503a0. ISSN 1476-4687.

[6] O'Nions, R.K .; Evensen, N.M .; Гамильтон, П. Дж .; Картер, С. Р .; Хатчисон Р. (1978). «Таяние мантии в прошлом и настоящем: свидетельство изотопов и микроэлементов [и обсуждение]». Философские труды Королевского общества A: математические, физические и инженерные науки. 288 (1355): 547–559. Дои:10.1098 / рста.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. Дои: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. Дои:10.1016 / S0016-7037 (98) 00121-5. ISSN 0016-7037.

[9] Кодоланьи, Янош; Петке, Томас; Спандлер, Карл; Kamber, Balz S .; Гмелинг, Каталин (2012). «Геохимия океанического дна и серпентинитов преддуговой дуги: ограничения на ввод ультраосновных пород в зоны субдукции». Журнал петрологии. 53 (2): 235–270. Bibcode:2012JPet ... 53..235K. Дои:10.1093 / петрология / 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:1997ЧГео.141 ... 19Вт. Дои:10.1016 / S0009-2541 (97) 00054-5. ISSN 0009-2541.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]