До 1 метра в день и более - скорость роста кристаллов горных пород
Ну, .., пока магма не остыла.
Автоперевод с сокращениями.
Пегматиты - это мелкие, крупнозернистые магматические интрузии с кристаллами, иногда достигающими метра в длину. По сравнению с их плутоническими хозяевами, пегматиты, как полагают, быстро охлаждались, предполагая, что эти крупные кристаллы должны были быстро расти. Однако темпы и условия роста остаются слабо ограниченными. Здесь мы исследуем кристаллы кварца и их микроэлементный состав из миаролитовых полостей в Пегматите Стюарта в Южной Калифорнии, США, чтобы количественно оценить темпы роста кристаллов. Концентрации микроэлементов значительно отклоняются от равновесия и лучше всего объясняются кинетическими эффектами, связанными с быстрым ростом кристаллов. Кинетическая теория роста кристаллов используется для того, чтобы показать, что кристаллы ускоряются с начальной скоростью роста 10-6-10-7 м с-1 до 10-5-10-4 м с-1 (10-100 мм день-1 до 1-10 М день-1), что указывает на то, что кристаллы метрового размера могли образоваться в течение нескольких дней, если эти скорости сохраняются на протяжении всего образования пегматита. Быстрые темпы роста требуют, чтобы кристаллы кварца росли из тонких (микронного масштаба) химических пограничных слоев на границе раздела флюид-Кристалл. Для поддержания таких тонких пограничных слоев требуется сильная адвективная составляющая. Показано, что турбулентные условия (высокое число Рейнольдса) в этих миаролитовых полостях существуют во время кристаллизации, что позволяет предположить, что летучее растворение, кристаллизация и генерация полости происходят вместе.
Введение
Размер кристаллов традиционно связан со скоростью охлаждения магматической системы1,2,3. В быстроохлаждаемых системах (от нескольких минут до нескольких дней), таких как лава, которая извергается и гаснет, образующаяся порода характеризуется мелкими (Нм–мкм) размерами зерен. В породах, которые охлаждаются медленнее (10-100 ки), например в магмах, которые вторгаются или задерживаются глубоко в коре, образуя плутоны, вместо того чтобы извергаться на поверхность, зерна крупнее (до размера см). Эти закономерности кажутся простыми: кристаллам требуется время для роста, поэтому быстрое охлаждение ограничивает размер зерна, в то время как медленное охлаждение позволяет кристаллам расти большими. Гранит-это кремнистая магма, которая медленно охлаждается и образует крупнозернистую породу. Та же самая магма при быстром охлаждении превращается в мелкозернистую вулканическую породу, называемую риолитом.
Есть, однако, наблюдения, свидетельствующие о том, что вышеприведенное понимание роста зерна в природе не так просто. Например, нередко встречаются магматические породы с кристаллами полевого шпата (например, мегакристы) размером от нескольких см до даже 10 см в мелких плутонах (например, порфиры), которые, по-видимому, охлаждаются быстрее, чем их мелкозернистые, более глубокие аналоги4. Что еще более поразительно, кристаллы размером от дециметра до метра типичны для пегматитовых систем, но небольшие размеры пегматитовых тел наводят на мысль о быстром охлаждении систем5,6. Многие из самых крупных кристаллов на Земле, таким образом, по-видимому, находятся в кажущихся недолговечными системах7. Являются ли кристаллы более крупными, потому что у них было больше времени для роста, или они представляют собой аномально быстрый рост кристаллов? Если последнее, то какие условия способствуют быстрому росту кристаллов и могут ли эти условия быть более распространенными, чем считается в настоящее время?
Во многих из этих систем вода может играть решающую роль в увеличении роста зерна. Для гранитных пегматитов вода играет ключевую роль в снижении вязкости расплава и температуры кристаллизации при одновременном усилении транспорта расплава, что позволяет значительно снизить температуру кристаллизации.. Здесь мы показываем, что на поздней стадии сантиметровые кристаллы росли в течение нескольких часов. Если бы такие темпы роста можно было поддерживать, кристаллы размером от дециметра до метра в пегматитовых системах могли бы вырасти за считанные дни, причем рост происходил бы в очень динамичных, а не статических условиях. Мы предполагаем, что кристаллы выросли из свободной жидкой фазы в турбулентной конвективной системе.
Результаты
Пегматит Стюарта
Для изучения темпов роста кристаллов в природных системах мы провели исследование кристаллов кварца из пегматита Стюарта в районе пала Южной Калифорнии, США. Пегматиты в этом районе имеют меловой возраст и встречаются в виде Даек , размещенных в габбро-плутонах того же возраста9,10. Считается, что пегматиты представляют собой флюиды поздней стадии, фракционированные из гидрозного габбро-Плутона, которые затем образуют табличное, композиционно зональное пегматитовое тело9. В самом широком месте тело Стюарта представлено дайкой шириной 50 м с наружными слоями, состоящими из богатого полевым шпатом гранита (верхняя и нижняя промежуточные зоны), переходной пертитовой зоны и крупнозернистого внутреннего ядра, содержащего сподумен, лепидолит, эвландит, петалит и Альбит (Рис.2). 1). Вертикальные структуры (дымовые трубы), содержащие многочисленные миаролитовые полости, исходят из внутреннего ядра, проникая вверх в пертитовую зону. В каминных трубах содержится обильное количество конечно-зернистых турмалинов и альбита, причем кристаллы турмалина В некоторых случаях приближаются к десяткам сантиметров в длину. В этих трубах турмалины располагаются внутри более мелкозернистой матрицы альбита, кварца и лепидолита, причем основание труб богато лепидолитом. Кристаллы кварца в дымовых трубах, особенно в пределах миаролитовых полостей, часто имеют эвгедральную форму. Контакты между дымоходами и пегматитовым телом резкие, что позволяет предположить, что дымоходы представляют собой флюиды поздней стадии, которые погружались в преимущественно затвердевшую верхнюю зону пегматитового тела. Эти дымоходы составляют ~50% по объему пертитовой зоны и, таким образом, представляют собой важную фазу в петрогенетической эволюции пегматита9. Основываясь на моделях проводящего охлаждения, Webber et al.6 предположим, что пегматитовое тело охлаждается от 650 °C до менее 550 °C в течение ~9 лет после установки. Это верхняя граница временных масштабов охлаждения(и нижняя граница темпов роста кристаллов), поскольку любое конвективное охлаждение, которое не рассматривалось Уэббером и др.6, уменьшило бы оцененные охлаждая масштабы времени. Темпы роста кристаллов, выведенные из термической продолжительности жизни пегматита, также будут недооценены, поскольку рост кристаллов происходит на разных стадиях тепловой эволюции пегматита.
Мы исследовали эвгедральные кристаллы кварца из миаролитовых полостей для ограничения скорости кристаллизации. Кварцы в этих полостях прозрачны, эвгедральны (с двойным окончанием) и имеют размеры от нескольких см до 10 см. Их эвгедральные формы указывают на то, что они зародились и кристаллизовались внутри жидкости, образующей миаролитовые полости, а не зародились вдоль стенок. Они своеобразны тем, что имеют уплощенные кристаллические формы с короткой осью <1000> (угловые скобки, относящиеся к семейству осей). Турмалин, по-видимому, проникает в некоторые кристаллы кварца, возможно, в результате перерастания кварца.
Обсуждение
В этом разделе мы исследуем, как изменения скорости роста кристаллов могут влиять на то , как микроэлементы включаются в кристаллы31,32,33. Микроэлемент будет разделяться на минерал в соответствии с его равновесным коэффициентом разделения (k), который представляет собой концентрацию в кристалле, деленную на концентрацию в ростовой среде (жидкости или жидкости), непосредственно прилегающей к поверхности растущего кристалла при равновесии (k = Cs/Cl). Однако, если кристалл растет со скоростью, сравнимой с или быстрее, чем элемент может диффундировать в жидкости, химический пограничный слой в жидкости развивается вблизи продвигающейся границы раздела Кристалл-жидкость (рис. 5). Для несовместимого элемента (k Обратное верно для совместимых элементов (k > 1), причем преимущественное включение элемента в кристалл приводит к обеднению химического пограничного слоя в жидкости. Качественно ширина пограничного слоя контролируется относительными скоростями роста кристаллов и диффузионной или адвективной гомогенизацией в жидкости. Например, быстрый рост кристаллов по сравнению с диффузией в жидкости приведет к чрезвычайно обогащенным и узким химическим пограничным слоям для несовместимых элементов (и чрезвычайно обедненным и широким пограничным слоям для совместимых элементов). Если диффузионные временные рамки в кристалле больше, чем временные рамки роста кристалла, то зональность кристалла будет отражать изменения в составе пограничного слоя, а не в составе флюида дальнего поля или магматической ростовой среды.
Пегматиты, по-видимому, формируются в гораздо более короткие сроки, чем типичные плутонические породы, но парадоксально, что они имеют гораздо более крупные кристаллы, что само по себе требует, чтобы скорость роста кристаллов была намного выше в пегматитовых системах по сравнению с типичными плутоническими системами. Почему именно-неясно , но широко распространено мнение , что обилие свободной жидкой фазы важно для образования пегматитов8,38,39. Рассуждение состоит в том, что диффузионность в жидкостях выше, чем в силикатных расплавах, что позволяет более быстрому потоку питательных веществ в кристалл и повышает скорость роста58,59. Однако одного увеличения диффузионности может быть недостаточно для уменьшения времени роста от тысяч лет до нескольких часов , так как диффузионность обычных катионов в воде при повышенной температуре составляет порядка 10-8м2 с-142,43, а диффузионность в силикатных расплавах-порядка 10-10м2 с-1. Как обсуждалось выше, поток к кристаллу также может быть увеличен за счет уменьшения толщины химического пограничного слоя в жидкости с помощью адвекции. Наша работа показывает, что толщина пограничного слоя этих кристаллов составляла ~104 раз тоньше, чем чисто диффузионный пограничный слой без адвективного истончения, что в конечном итоге приводит к увеличению скорости роста в 10 000 раз. Такие тонкие пограничные слои, как было показано выше, сохраняются только в турбулентных условиях.
Источник.
Автоперевод с сокращениями.
Пегматиты - это мелкие, крупнозернистые магматические интрузии с кристаллами, иногда достигающими метра в длину. По сравнению с их плутоническими хозяевами, пегматиты, как полагают, быстро охлаждались, предполагая, что эти крупные кристаллы должны были быстро расти. Однако темпы и условия роста остаются слабо ограниченными. Здесь мы исследуем кристаллы кварца и их микроэлементный состав из миаролитовых полостей в Пегматите Стюарта в Южной Калифорнии, США, чтобы количественно оценить темпы роста кристаллов. Концентрации микроэлементов значительно отклоняются от равновесия и лучше всего объясняются кинетическими эффектами, связанными с быстрым ростом кристаллов. Кинетическая теория роста кристаллов используется для того, чтобы показать, что кристаллы ускоряются с начальной скоростью роста 10-6-10-7 м с-1 до 10-5-10-4 м с-1 (10-100 мм день-1 до 1-10 М день-1), что указывает на то, что кристаллы метрового размера могли образоваться в течение нескольких дней, если эти скорости сохраняются на протяжении всего образования пегматита. Быстрые темпы роста требуют, чтобы кристаллы кварца росли из тонких (микронного масштаба) химических пограничных слоев на границе раздела флюид-Кристалл. Для поддержания таких тонких пограничных слоев требуется сильная адвективная составляющая. Показано, что турбулентные условия (высокое число Рейнольдса) в этих миаролитовых полостях существуют во время кристаллизации, что позволяет предположить, что летучее растворение, кристаллизация и генерация полости происходят вместе.
Введение
Размер кристаллов традиционно связан со скоростью охлаждения магматической системы1,2,3. В быстроохлаждаемых системах (от нескольких минут до нескольких дней), таких как лава, которая извергается и гаснет, образующаяся порода характеризуется мелкими (Нм–мкм) размерами зерен. В породах, которые охлаждаются медленнее (10-100 ки), например в магмах, которые вторгаются или задерживаются глубоко в коре, образуя плутоны, вместо того чтобы извергаться на поверхность, зерна крупнее (до размера см). Эти закономерности кажутся простыми: кристаллам требуется время для роста, поэтому быстрое охлаждение ограничивает размер зерна, в то время как медленное охлаждение позволяет кристаллам расти большими. Гранит-это кремнистая магма, которая медленно охлаждается и образует крупнозернистую породу. Та же самая магма при быстром охлаждении превращается в мелкозернистую вулканическую породу, называемую риолитом.
Есть, однако, наблюдения, свидетельствующие о том, что вышеприведенное понимание роста зерна в природе не так просто. Например, нередко встречаются магматические породы с кристаллами полевого шпата (например, мегакристы) размером от нескольких см до даже 10 см в мелких плутонах (например, порфиры), которые, по-видимому, охлаждаются быстрее, чем их мелкозернистые, более глубокие аналоги4. Что еще более поразительно, кристаллы размером от дециметра до метра типичны для пегматитовых систем, но небольшие размеры пегматитовых тел наводят на мысль о быстром охлаждении систем5,6. Многие из самых крупных кристаллов на Земле, таким образом, по-видимому, находятся в кажущихся недолговечными системах7. Являются ли кристаллы более крупными, потому что у них было больше времени для роста, или они представляют собой аномально быстрый рост кристаллов? Если последнее, то какие условия способствуют быстрому росту кристаллов и могут ли эти условия быть более распространенными, чем считается в настоящее время?
Во многих из этих систем вода может играть решающую роль в увеличении роста зерна. Для гранитных пегматитов вода играет ключевую роль в снижении вязкости расплава и температуры кристаллизации при одновременном усилении транспорта расплава, что позволяет значительно снизить температуру кристаллизации.. Здесь мы показываем, что на поздней стадии сантиметровые кристаллы росли в течение нескольких часов. Если бы такие темпы роста можно было поддерживать, кристаллы размером от дециметра до метра в пегматитовых системах могли бы вырасти за считанные дни, причем рост происходил бы в очень динамичных, а не статических условиях. Мы предполагаем, что кристаллы выросли из свободной жидкой фазы в турбулентной конвективной системе.
Результаты
Пегматит Стюарта
Для изучения темпов роста кристаллов в природных системах мы провели исследование кристаллов кварца из пегматита Стюарта в районе пала Южной Калифорнии, США. Пегматиты в этом районе имеют меловой возраст и встречаются в виде Даек , размещенных в габбро-плутонах того же возраста9,10. Считается, что пегматиты представляют собой флюиды поздней стадии, фракционированные из гидрозного габбро-Плутона, которые затем образуют табличное, композиционно зональное пегматитовое тело9. В самом широком месте тело Стюарта представлено дайкой шириной 50 м с наружными слоями, состоящими из богатого полевым шпатом гранита (верхняя и нижняя промежуточные зоны), переходной пертитовой зоны и крупнозернистого внутреннего ядра, содержащего сподумен, лепидолит, эвландит, петалит и Альбит (Рис.2). 1). Вертикальные структуры (дымовые трубы), содержащие многочисленные миаролитовые полости, исходят из внутреннего ядра, проникая вверх в пертитовую зону. В каминных трубах содержится обильное количество конечно-зернистых турмалинов и альбита, причем кристаллы турмалина В некоторых случаях приближаются к десяткам сантиметров в длину. В этих трубах турмалины располагаются внутри более мелкозернистой матрицы альбита, кварца и лепидолита, причем основание труб богато лепидолитом. Кристаллы кварца в дымовых трубах, особенно в пределах миаролитовых полостей, часто имеют эвгедральную форму. Контакты между дымоходами и пегматитовым телом резкие, что позволяет предположить, что дымоходы представляют собой флюиды поздней стадии, которые погружались в преимущественно затвердевшую верхнюю зону пегматитового тела. Эти дымоходы составляют ~50% по объему пертитовой зоны и, таким образом, представляют собой важную фазу в петрогенетической эволюции пегматита9. Основываясь на моделях проводящего охлаждения, Webber et al.6 предположим, что пегматитовое тело охлаждается от 650 °C до менее 550 °C в течение ~9 лет после установки. Это верхняя граница временных масштабов охлаждения(и нижняя граница темпов роста кристаллов), поскольку любое конвективное охлаждение, которое не рассматривалось Уэббером и др.6, уменьшило бы оцененные охлаждая масштабы времени. Темпы роста кристаллов, выведенные из термической продолжительности жизни пегматита, также будут недооценены, поскольку рост кристаллов происходит на разных стадиях тепловой эволюции пегматита.
Мы исследовали эвгедральные кристаллы кварца из миаролитовых полостей для ограничения скорости кристаллизации. Кварцы в этих полостях прозрачны, эвгедральны (с двойным окончанием) и имеют размеры от нескольких см до 10 см. Их эвгедральные формы указывают на то, что они зародились и кристаллизовались внутри жидкости, образующей миаролитовые полости, а не зародились вдоль стенок. Они своеобразны тем, что имеют уплощенные кристаллические формы с короткой осью <1000> (угловые скобки, относящиеся к семейству осей). Турмалин, по-видимому, проникает в некоторые кристаллы кварца, возможно, в результате перерастания кварца.
Обсуждение
В этом разделе мы исследуем, как изменения скорости роста кристаллов могут влиять на то , как микроэлементы включаются в кристаллы31,32,33. Микроэлемент будет разделяться на минерал в соответствии с его равновесным коэффициентом разделения (k), который представляет собой концентрацию в кристалле, деленную на концентрацию в ростовой среде (жидкости или жидкости), непосредственно прилегающей к поверхности растущего кристалла при равновесии (k = Cs/Cl). Однако, если кристалл растет со скоростью, сравнимой с или быстрее, чем элемент может диффундировать в жидкости, химический пограничный слой в жидкости развивается вблизи продвигающейся границы раздела Кристалл-жидкость (рис. 5). Для несовместимого элемента (k Обратное верно для совместимых элементов (k > 1), причем преимущественное включение элемента в кристалл приводит к обеднению химического пограничного слоя в жидкости. Качественно ширина пограничного слоя контролируется относительными скоростями роста кристаллов и диффузионной или адвективной гомогенизацией в жидкости. Например, быстрый рост кристаллов по сравнению с диффузией в жидкости приведет к чрезвычайно обогащенным и узким химическим пограничным слоям для несовместимых элементов (и чрезвычайно обедненным и широким пограничным слоям для совместимых элементов). Если диффузионные временные рамки в кристалле больше, чем временные рамки роста кристалла, то зональность кристалла будет отражать изменения в составе пограничного слоя, а не в составе флюида дальнего поля или магматической ростовой среды.
Пегматиты, по-видимому, формируются в гораздо более короткие сроки, чем типичные плутонические породы, но парадоксально, что они имеют гораздо более крупные кристаллы, что само по себе требует, чтобы скорость роста кристаллов была намного выше в пегматитовых системах по сравнению с типичными плутоническими системами. Почему именно-неясно , но широко распространено мнение , что обилие свободной жидкой фазы важно для образования пегматитов8,38,39. Рассуждение состоит в том, что диффузионность в жидкостях выше, чем в силикатных расплавах, что позволяет более быстрому потоку питательных веществ в кристалл и повышает скорость роста58,59. Однако одного увеличения диффузионности может быть недостаточно для уменьшения времени роста от тысяч лет до нескольких часов , так как диффузионность обычных катионов в воде при повышенной температуре составляет порядка 10-8м2 с-142,43, а диффузионность в силикатных расплавах-порядка 10-10м2 с-1. Как обсуждалось выше, поток к кристаллу также может быть увеличен за счет уменьшения толщины химического пограничного слоя в жидкости с помощью адвекции. Наша работа показывает, что толщина пограничного слоя этих кристаллов составляла ~104 раз тоньше, чем чисто диффузионный пограничный слой без адвективного истончения, что в конечном итоге приводит к увеличению скорости роста в 10 000 раз. Такие тонкие пограничные слои, как было показано выше, сохраняются только в турбулентных условиях.
Источник.