Forelæsning 3 Hovedgrundstoffer: fordeling, klassifikation og massebevarelse

Transkript

1 Forelæsning 3 Hovedgrundstoffer: fordeling, klassifikation og massebevarelse forelæsning: Kappens og skorpens hovedelementsammensætning Klassifikation Binære variationsdiagrammer Teori om massebevarelse (blanding og differentiation) øvelse: Kappens og skorpens sammensætning; binære variationsdiagrammer; blanding og differentiation F3 1 F3 2 Hovedgrundstoffer I Hovedgrundstoffer er essentielle byggesten i bjergartsdannende mineraler. De hyppigst forekommende grundstoffer i kontinental skorpe betegnes normalt som hovedgrundstofferne: Kontinental skorpe: O = 45.0 wt% Si = 27.6 wt% Ti = 0.4 wt% 50 O Al = 8.4 wt% 40 Fe = 5.1 wt% Mg = 2.7 wt% 30 Si wt% Ca = 4.6 wt% 20 Na = 2.4 wt% K = 1.6 wt% 10 Al Fe Ca Mg Na Mn = 0.09 wt% K 0 P = 0.09 wt% Hovedgrundstof Ti

2 F3 3 Element: O Si Ti Al Fe (Mn) Mg Ca Na K (P) Hovedgrundstoffer II Påtrods at oxygen er det hyppigst forekommende grundstof i Jorden, er det vanskelig at bestemme dets koncentration i mineraler og bjergarter! Oxygen er en stor anion. De øvrige hovedgrundstoffer er mindre kationer og angives normalt som oxider i rækkefølgen: Oxide: SiO 2 TiO 2 Al 2 O 3 FeO og Fe 2 O 3 (MnO) MgO CaO Na 2 O K 2 O (P 2 O 5 ) Differentiation af Jorden (nucleosynthesis, mixing) Solar Nebula F3 4 (siderophile & chalcophile) Inner Core (late veneer) (volatiles) (lithophile) (refractories) Condensation and Accretion (atmophile) Core Silicate Earth Primitive Atmosphere (freezing) Outer Core Lower Mantle (hotspot plumes) Upper Mantle (plate tectonics: partial melting, recycling) Oceanic Crust (gas-solid equilibria) (melting; gravity and geochemical affinity) Primitive Mantle (partial melting; liquid-crystal partitioning) Continental Crust degassing (catastrophic impact) (continuing cometary flux?) (lost due to impacts) degassing Moon Modern Ocean & Atmosphere

3 Kontinental skorpe Jordens skorpe er dannet ved differentiation af bulk silicate earth (BSE) Kontinentalskorpen består af c. 95% magmatiske og metamorfe bjergarter, 5% sedimentære bjergarter (c. 4% skifre, 0.75% sandsten, og 0.25% kalksten) Oceanisk skorpe består af basalt samt havbundssediemnter F3 5 Kontinental skorpe er typisk km tyk Ocean skorpe er typisk 6-8 km tyk Kontinental skorpe F3 6

4 Hovedgrundstoffer i Bulk silikat Jord (BSE) O Mg Si Fe Ca Al Bulk Silikat Jord wt% Na Ti Mn K 0.01 P F faldende koncentration i Bulk Silikat Jord Hovedgrundstoffer i kontinental skorpe I.f.t. BSE, er kontinentalskorpe beriget i: Si, Ca, Al, Na, Ti, K og P og forarmet i: Mg, Fe og Mn K forhold O Mg Si Fe Ca Al Na Ti Mn P kont.skorpe/bse F3 8 faldende koncentration i Bulk Silikat Jord

5 Estimater af kontinentalskorpens sammensætning F3 9 Dannelse af Jordens skorpe Vi har set at kontinentalskorpen er beriget i hovedgrundstoffer som Si, Al, Ca, Ti, Na, K, og P i.f.t. Bulk Silikat Jord. Man siger at disse grundstoffer er fordelt ind i kontinentalskorpen Sidste gang så vi, at Kernen blev segregeret ved afblanding af to smelter meget kort tid efter Jordens dannelse spørgsmålet er hvordan skorpen er segregeret? Nøglen er opsmeltning af kappen (der generelt er krystallin og fast) Ved opsmeltning af kappen dannes basaltisk magma, der igen ved differentiation udvikler sig til sur, felsisk (rhyolitisk) magma [disse processer gennemgåes senere i kurset] Vi kan få information om det første led, nemlig basalts sammensætning ved at se på oceanskorpens sammensætning F3 10

6 Oceanskorpens opbygning Oceanskorpen består primært af basalt (og bjergarter som f.eks. gabbro der er krystalliseret fra basalt), samt et tyndt lag havbundssedimenter. Oceanbasalt dannes først og fremmest ved midtoceaniske spredningsrygge som vist herunder F3 11 Oceanskorpens sammensætning Oceanskorpen består hovedsageligt af SiO 2, Al 2 O 3, FeO, MgO, Fe 2 O 3 og TiO 2, resten er <0.5 wt% [se Faure Tabel 4.4] 100 SiO2 Oceanskorpe 10 Al2O3 CaO FeO MgO wt% Fe2O3 Na2O TiO2 1 MnO K2O P2O5 F faldende koncentration i Oceanskorpe

7 Oceanskorpens sammensætning II Sammenlignet med Bulk Silikat Jord er oceanskorpen beriget marginalt i Si, Fe og Mn, samt 3 til 10 gange i Ca, Al, Na, Ti, K og P forhold Mg Si Fe Ca Al Na Ti Mn K P oceanskorpe/bse F faldende koncentration i Bulk Silikat Jord Ocean- vs. kontinental-skorpe Sammenlignet med oceanskorpen er kontinentskorpen beriget i Si, Na, K og Al (marginalt), og forarmet i Mg, Fe, Ca, Ti og Mn, alle hovedgrundstoffer i mafiske mineraler (olivin og pyroksen) som krystalliserer fra basalt. Derfor kan fraktioneret krystallisation af basalt medføre opkoncentration af grundstoffer som Si, Al, Na og K. Det samme kan opsmeltning af kappe ved midt-oceanrygge og subduktionszoner (andesit dannes). Kombinationen af disse processer danner kont.skorpe K kontinentskorpe/oceanskorpe forhold 1.00 Mg Si Fe Ca Al Na Ti P Mn F faldende koncentration i Bulk Silikat Jord

8 Mineralogisk klassifikation Gennemgået i Mineraler og Bjergarter plagioclase anorthosite 90 (leuco-) dunite olivine Alkali Feldspar Alkali Feldspar Granite (Rhyolite) Quartz Alkali Feldspar Syenite (Trachyte) Alkali Feldspar Syenite (Trachyte) Nepheline-bearing Alkali Feldspar Syenite (Trachyte) Nepheline Syenite (Phonolite) For rocks with Q+A+P+F > 10% Quartz Quartz Syenite (Quartz Trachyte) Quartz-rich granitoids Granite (Rhyolite) Quartz Monzonite (Quartz Latite) Granodiorite (Dacite) Quartz Monzodiorite (Andesite) Syenite(Trachyte) Monzonite(Latite) Monzogabbro Nepheline-brg Nepheline-brg Nepheline-brg Syenite(Trachyte) Monzonite(Latite) Monzogabbro Nepheline Monzosyenite (Tephritic Phonolite) Ijolite, Nephelinite, Leucitite Nepheline Monzodiorite, Monzogabbro (Phonolitic Tephrite, Basanite) Tonalite Trondhjemite Plagiogranite Quartz Diorite (Quartz Andesite) Diorite (Andesite), Anorthosite, Gabbro, Norite (Basalt) Plagioclase Nepheline-bearing Diorite (Andesite) or Gabbro (Basalt) Nepheline Diorite, Gabbro (Tephrite, Basanite) gabbro or norite (mela-) olivine plag-bearing ultramafic rocks orthopyroxenite pyroxenes olivine to plagioclase 10 orthopyroxenite norite F olivine gabbro or norite gabbro or norite cpx norite opx gabbro troctolite gabbro plag-bearing ultramafic rocks orthopyroxene clinopyroxene harzburgite orthopyroxene 90 lherzolite olivine websterite websterite wehrlite olivine clinopyroxenite pyroxenites clinopyroxene peridotites clinopyroxenite Feldspathoids Geokemisk klassifikation I Klassifikation efter SiO 2 indhold, samt korresponderende klassifikation og nomenklatur efter indholdet af mørke mineraler: %SiO 2 Navn % mørke Mineraler Navn Eksempel bjergart >66 Sur (ccid) <40 Felsisk Granit, rhyolit Intermediær Intermediær Diorit, andesit Basisk Mafisk Gabbro, basalt <45 Ultrabasisk >90 Ultramafisk Dunit, komatiit F3 16

9 Geokemisk klassifikation II Klassifikation af basaltiske bjergarter efter normativt mineralindhold. Normen (kaldet CIPW) beregnes udfra bjergartssammensætning. Si mættet Si overmættet F3 17 Si undermættet Geokemisk klassifikation III Klassifikation efter silika og alkali indhold: Total Alkali Silika, eller TAS diagrammet Bjergartsnomenklatur Alkalin Subalkalin (=tholeiitisk) skillelinie Irvine and Baragar (1971) alkalin serie tholeiitisk serie F3 18

10 Princippet om Massebevarelse Teori: det hele er summen af delene som indgår For to komponenter gælder: A + B = C M A C i A + M B Ci B = M C Ci C p.g.a massebevarelse er M A +M B =M C derfor er (division med M A +M B ) (M A /(M A +M B ))C i A + (M B /(M A +M B ))Ci B = Ci C,massebrøk, f A =M A /(M A +M B ) medfører at f A C i A + f B Ci B = Ci C F3 19 M A = masse af komponent A; C i A = koncentration af grundstof i i komponent A f A = M A /(M A +M B ) massebrøk af komponent A Princippet om Massebevarelse II f A C i A + f B Ci B = Ci C og f A + f B = 1 simpel substitution giver: C i C = f A (Ci A - Ci B ) + Ci B (ligning for en ret linie) C i C Antagelse: C i A = 100 C i B = F3 20 f A

11 Blanding i variationsdiagrammer Blanding giver altid en lige linie i x-y plot af koncentration! (se Faure kap for matematisk bevis) For to grundstoffer, f.eks. Mg og Ti, giver massebevaring: for Mg: C Mg C = f A (CMg A - CMg B ) + CMg B for Ti: C Ti C = f A (CTi A - CTi B ) + CTi B 2.5 Antagelse: C Mg B = 2 C Ti B = 0.5 C Mg A = 12 C(Ti) C Ti A = fa=0 B fa=0.2 fa=0.4 fa=0.6 fa=0.8 fa=1 A F C(Mg) Blanding i variationsdiagrammer II Grafisk løsning med vægtstangsreglen: I en bjergart C, dannet ved blanding af A og B er koncentrationen af Mg og Ti målt til h.h.v. 4 og 0.75 (C Mg C = 4 og CTi C = 0.75). Hvad er blandingsforholdet mellem A og B? Det måles enkelt på grafen fra liniestykkerne BC og BA: i C er f A = BC/BA F3 22 = 1 cm/5 cm = 0.2 C(Ti) fa=0 B fa=0.2 c fa=0.4 fa=0.6 fa=0.8 fa=1 A C(Mg)

12 Differentiation i variationsdiagrammer Produkterne af differentiation ligger altid på en linie igennem den originale bjergart Eksempel: En smelte B differentieres til restsmelte L ved krystallisation af mineralet P Hvor meget P skal krystalliseres for at danne L fra B? (hvad er f P?) Grafisk løsning med vægtstangsprincippet: f P = (BL)/(PL) = 1.5/4.6 = 0.32, hvilket er 32% F3 23 Differentiation i variationsdiagrammer II En smelte B differentieres til L ved krystallisation af P og Q i forholdet E F3 24

13 Differentiation i variationsdiagrammer III Igen udvikler smelten B sig til L ved fraktionering, denne gang af P, Q og R i forholdet E F3 25