Wykład Geneza i ewolucja magmy

Transkrypt

1 Wykład Geneza i ewolucja magmy Semestr zimowy 2017/2018 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

2 Terminy zajęć 11. X. wykład 1, 2 18.X. wykład 3, 4, 25.X. wykład 5, ćw 1 8. XI. wykład 6, ćw 2 22.XI. ćw 3, 4 29.XI ćw 5, 6 6.XII. wykład 7, ćw 13.XII. wykład 8, ćw 8 20.XII. wykład 9, ćw I. wykład 10, ćw I. wykład 11, ćw I. albo 1 wykład albo 1 ćwiczenie to ustalimy zależnie od potrzeb

3 Zacznijmy od powiedzenia sobie, co to jest magma Magma: stop krzemianowy ± kryształy ± faza lotna

4 Struktura stopu krzemianowego

5 Struktury minerałów Piroksen Almandyn 1 Angström = m = 0,1 nm Amfibol

6 Si O Si Si O Na tlen mostkowy (bridging oxygen, BO) tlen niemostkowy (non-bridging oxygen,nbo) NBO/T 4 struktura wyspowa 2 struktura łańcuchowa 1 struktura warstwowa 0 struktura trójwymiarowa bazalty NBO/T = 0,6 0,9 andezyty NBO/T = 0,3 granity NBO/T = 0,2 0,05

7 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

8 Kationy, które mogą być składnikiem tetraedrów krzemotlenowych: glin jako przykład Si 4+ = NaAl 4+ = KAl 4+ = 1/2CaAl 2 8+ w ciśnieniach <2 GPa nie dochodzi do zmian struktury stopu krzemianowego pod wpływem ciśnienia

9 Najpospolitsze składniki lotne w skorupie ziemskiej: woda, tlen, dwutlenek węgla Temp ( C) Ciśnienie (bar) Objętość właściwa (cm 3 /g) , , , , , ,16

10 Rozpuszczalność wody w stopach skał (% wag.) Ciśnienie (bar) bazalt (1100 C) granit (750 C) % 4 % ,5 % 6 % % 8 %

11 P, kbar % wag. H 2 O

12 Rozpuszczalność stopu w fazie lotnej 0,65 % wag. 2 kbar 9,20 % wag. 10 kbar % substancji rozpuszczonej - SiO 2 K/(K+Na) stop < K/(K+Na) faza lotna (K+Na+1/2Ca)/Al stop < (K+Na+1/2Ca)/Al faza lotna I kilka słów o chlorze i fluorze

13 Rozpuszczalność stopu w fazie lotnej w bardzo wysokich ciśnieniach (poniżej Moho)

14 KRYSTALIZACJA STOPU KRZEMIANOWEGO utworzenie zarodków kryształów (zarodkowanie, nukleacja) wzrost kryształów

15 Przechłodzenie Układ albit - anortyt w ciśnieniu 1 bar (Bowen 1913)

16 Nukleacja (zarodkowanie) rozkład wielkości cząstek stopu fluktuacje promień krytyczny nukleacja homo- i heterogeniczna opóźnienie nukleacji gęstość nukleacji

17 Wykres Tammana - gęstość nukleacji Ilość zarodków na cm 3 Przechłodzenie

18 Wzrost kryształów reakcja na kontakcie stop - kryształ dyfuzja składników do/od kontaktu odprowadzenie wydzielonego podczas krystalizacji ciepła

19 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

20 Wykres Tammana - tempo wzrostu kryształu Tempo wzrostu Przechłodzenie

21 Zależność formy kryształu od przechłodzenia formy własne formy szkieletowe formy sferolityczne/dendrytowe

22 Warstwa graniczna (boundary layer), przechłodzenie formalne (constitutional undercooling) i powstawanie oscylacyjnej budowy pasowej KRYSZTAŁ STOP SKŁADNIK A SKŁADNIK B

23 Powstawanie oscylacyjnej budowy pasowej cd.

24 Tempo wzrostu kryształów w procesach geologicznych Kryształ o rozmiarach 1 cm Magmy zasadowe: kilkanaście dni do roku Magmy kwaśne: rok do kilku lat

25 Gęstość nukleacji Wykres Tammana dla krystalizującej magmy granodiorytowej - powstanie struktury porfirowatej Przechłodzenie Tempo wzrostu

26 Gęstość w temp C i ciśnieniu atmosferycznym stopów ryolitu 2,20 g/cm 3 andezytu 2,45 g/cm 2 bazaltu (toleitowego) 2,70 g/cm 2

27 Objętość właściwa i ciężar właściwy stopu albitu NaAlSi 3 O 8 w ciśnieniu 1 kbar i temperaturze 700 C zaw. H 2 O % wag. obj. wł. cm 3 /g c. wł. g/cm 3 0 0,425 2, ,438 2, ,450 2, ,465 2,151 Objętość właściwa i ciężar właściwy stopu albitu NaAlSi 3 O 8 o zawartości 2 % wag. H2O w temperaturze 700 C P kbar obj. wł. cm 3 /g c. wł. g/cm 3 1 0,438 2, ,430 2, ,426 2,347

28 LEPKOŚĆ (zdolność stopu do płynięcia) σ s = ηγ σ s - naprężenie ścinające γ - tempo odkształcenia ścinającego η - współczynnik proporcjonalności - lepkość

29 Im silniej zdepolimeryzowany jest stop, tym mniejsza jest jego lepkość E k = mv 2 /2 Jak to się przekłada na liczby? Powietrze w troposferze: 10-5 Woda: 10-3 Magma: Lód: Skała (płaszcz litosferyczny): Magma granitowa: 10 4,5 (30 milionów razy więcej niż woda )

30 Magma granitowa.

31

32 Ośrodek lepki - ciecz newtonowska σ s = ηγ Ośrodki lepko-sprężyste (ciecze Binghama) σ s = σ 0 + ηγ σ s = σ 0 + ηγ n n<1 Lepkość zawiesin i pian: większa niż lepkość współtworzących je cieczy

33 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 NaAlSi 3 O 8 -KAlSi 3 O 8 -SiO 2 -H 2 O (1958)

34 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.

35

36 Cold-seal pressure vessel (Tuttle bomb) max. 800 C i 4-5 kbar

37

38

39 Internally heated pressure vessel (max C i 10 kbar)

40 Pojemnik na próbkę

41 Piston-cylinder apparatus (max C, 40 kbar) Multi-anvil apparatus (max C i 270 kbar) Diamond-anvil cell (max C i 1360 kbar)

42

43

44