Wykłady 1-2

Wykład
Geneza i ewolucja magmy
Semestr letni 2016
Wymagania formalne:
(1) Proszę o chodzenie na wykłady… i zaglądanie do zeszytów
(2) Egzamin – każdy będzie wykładał
(3) Wykład – koncepcje i wiedza ogólna
(4) Ćwiczenia – wiedza i umiejętności praktyczne
Zacznijmy od powiedzenia sobie, co to jest magma…
Magma: stop krzemianowy ± kryształy ± faza lotna
Struktura stopu krzemianowego
Struktury minerałów
Piroksen
Almandyn
Amfibol
1 Angström = 10-10 m = 0,1 nm
Si – O – Si
tlen mostkowy (bridging oxygen, BO)
Si – O – Na
tlen niemostkowy (non-bridging
oxygen,NBO)
NBO/T
4
2
1
0
bazalty
andezyty
granity
NBO/T = 0,6 – 0,9
NBO/T = 0,3
NBO/T = 0,2 – 0,05
struktura wyspowa
struktura łańcuchowa
struktura warstwowa
struktura trójwymiarowa
W procesie topnienia krzemianów zostaje zachowane
uporządkowanie bliskiego zasięgu – stop krzemianowy
ma strukturę
Struktura stopu zależy od jego składu chemicznego
Kationy metali powodują depolimeryzację stopu
krzemianowego
Kationy, które mogą być składnikiem tetraedrów
krzemotlenowych: glin jako przykład
Si4+ = NaAl4+ = KAl4+ = 1/2CaAl28+
w ciśnieniach <20 kbar nie dochodzi do zmian struktury
stopu krzemianowego pod wpływem ciśnienia
Najpospolitsze składniki lotne w skorupie ziemskiej:
woda, tlen, dwutlenek węgla
Temp (°C)
500
700
Ciśnienie (bar)
100
100
Objętość właściwa (cm3/g)
32,75
43,53
500
700
3500
3500
1,25
1,52
500
700
8000
8000
1,04
1,16
Rozpuszczalność wody w stopach skał (% wag.)
Ciśnienie (bar)
bazalt (1100 °C)
granit (750 °C)
1000
3%
4%
2000
4,5 %
6%
3000
6%
8%
P, kbar
% wag. H2O
Rozpuszczalność stopu w fazie lotnej
0,65 % wag. 2 kbar
9,20 % wag. 10 kbar
80 -90 % substancji rozpuszczonej - SiO2
K/(K+Na)stop < K/(K+Na)faza lotna
(K+Na+1/2Ca)/Alstop < (K+Na+1/2Ca)/Alfaza lotna
I kilka słów o chlorze i fluorze…
Rozpuszczalność stopu w fazie lotnej
w bardzo wysokich ciśnieniach (poniżej Moho)
KRYSTALIZACJA STOPU KRZEMIANOWEGO
utworzenie zarodków kryształów (zarodkowanie,
nukleacja)
wzrost kryształów
Przechłodzenie
Układ albit - anortyt w ciśnieniu 1 bar (Bowen 1913)
Nukleacja (zarodkowanie)
rozkład wielkości cząstek stopu
fluktuacje
promień krytyczny
nukleacja homo- i heterogeniczna
opóźnienie nukleacji
gęstość nukleacji
Wykres Tammana - gęstość nukleacji
Ilość zarodków
na cm3
Przechłodzenie
Wzrost kryształów
reakcja na kontakcie stop - kryształ
dyfuzja składników do/od kontaktu
odprowadzenie wydzielonego podczas krystalizacji ciepła
Wzrost ściany kryształu
ciągły
warstwowy (layer spreading):
nukleacja powierzchniowa
dyslokacja śrubowa
tempo wzrostu determinują:
- reakcja dobudowywania nowych cząsteczek do
ściany kryształu
- tempo dyfuzji składników do/od rosnącego
kryształu
Wykres Tammana - tempo wzrostu kryształu
Tempo wzrostu
Przechłodzenie
Zależność formy kryształu od przechłodzenia
formy własne
formy szkieletowe
formy sferolityczne/dendrytowe
Warstwa graniczna (boundary layer), przechłodzenie
formalne (constitutional undercooling)
i powstawanie oscylacyjnej budowy pasowej
KRYSZTAŁ
SKŁADNIK A
SKŁADNIK B
STOP
Powstawanie oscylacyjnej budowy pasowej cd.
Tempo wzrostu kryształów w procesach geologicznych
Kryształ o rozmiarach 1 cm
Magmy zasadowe: kilkanaście dni do roku
Magmy kwaśne: rok do kilku lat
Wykres Tammana dla
krystalizującej magmy
granodiorytowej - powstanie
struktury porfirowatej
Gęstość
nukleacji
Przechłodzenie
Tempo
wzrostu
Gęstość w temp. 900 - 1200 °C i ciśnieniu atmosferycznym stopów
ryolitu
2,20 g/cm3
andezytu
2,45 g/cm2
bazaltu (toleitowego)
2,70 g/cm2
Objętość właściwa i ciężar właściwy stopu albitu NaAlSi3O8
w ciśnieniu 1 kbar i temperaturze 700 °C
zaw. H2O % wag.
obj. wł. cm3/g
c. wł. g/cm3
0
0,425
2,353
2
0,438
2,283
4
0,450
2,222
6
0,465
2,151
Objętość właściwa i ciężar właściwy stopu albitu NaAlSi3O8
o zawartości 2 % wag. H2O w temperaturze 700 °C
P kbar
obj. wł. cm3/g
c. wł. g/cm3
1
0,438
2,283
3
0,430
2,325
5
0,426
2,347
LEPKOŚĆ (zdolność stopu do płynięcia)
s = 
s - naprężenie ścinające
 - tempo odkształcenia ścinającego
 - współczynnik proporcjonalności - lepkość
Im silniej zdepolimeryzowany jest stop,
tym mniejsza jest jego lepkość
Ek = mv2/2
Jak to się przekłada na liczby?
Powietrze w troposferze: 10-5
Woda: 10-3
Magma: 101 – 1014
Lód: 1012 – 1013
Skała (płaszcz litosferyczny): 1020 - 1021
Magma granitowa: 104,5
(30 milionów razy więcej niż woda…)
Magma granitowa….
Ośrodek lepki - ciecz newtonowska
s = 
Ośrodki lepko-sprężyste (ciecze Binghama)
s = 0 + 
s = 0 + n
n<1
Lepkość zawiesin i pian: większa niż lepkość
współtworzących je cieczy
EKSPERYMENT W PETROLOGII
Norman Levi Bowen
The evolution if igneous rocks (1928)
Orville Frank Tuttle, Norman Levi Bowen
Origin of granite in the light of experimental studies in the
system NaAlSi3O8-KAlSi3O8-SiO2-H2O (1958)
1. Skałę zredukować do modelu opartego małej ilości
zmiennych chemicznych
2. Wykonać badania eksperymentalne obrazujące wpływ
różnych czynników na zachowanie się modelowej skały
3. Otrzymane wyniki zastosować do objaśnienia historii
skały.
Cold-seal pressure vessel (Tuttle bomb)
max. 800 °C i 4-5 kbar
Internally heated pressure vessel
(max. 1200 °C i 10 kbar)
Pojemnik na próbkę
Piston-cylinder apparatus
(max. 1200 °C, 40 kbar)
Multi-anvil apparatus
(max. 2500 °C i 270 kbar)
Diamond-anvil cell
(max. 2500 °C i 1360 kbar)