1. No category

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
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%
50
Ti
= 0.4 wt%
O
Al
= 8.4 wt%
40
Fe
= 5.1 wt%
Si
30
Mg
= 2.7 wt%
wt%
Ca
= 4.6 wt%
20
Na
= 2.4 wt%
Al Fe
10
K
= 1.6 wt%
Ca Mg Na
K
Mn
= 0.09 wt%
0
P
= 0.09 wt%
Hovedgrundstof
F3 2
Ti
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:
F3
Element:
O
Si
Ti
Al
Fe
(Mn)
Mg
Ca
Na
K
3(P)
Oxide:
SiO2
TiO2
Al2O3
FeO og Fe2O3
(MnO)
MgO
CaO
Na2O
K2O
(P2O5)
Differentiation af Jorden
(nucleosynthesis, mixing)
Solar Nebula
(volatiles)
(gas-solid equilibria)
(refractories)
(late veneer)
(siderophile &
chalcophile)
Condensation and Accretion
(melting; gravity and geochemical affinity)
(lithophile)
Core
Silicate Earth
(atmophile)
Primitive Atmosphere
(freezing)
Inner
Core
Primitive Mantle
Outer
Core
Lower Mantle
(hotspot plumes)
(lost due to
impacts)
(catastrophic
impact)
(partial melting;
liquid-crystal partitioning)
Upper Mantle
Moon
degassing
Continental Crust
(plate tectonics: partial
melting, recycling)
Oceanic Crust
F3 4
(continuing
cometary
flux?)
degassing
Modern Ocean &
Atmosphere
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
Kontinental
skorpe er
typisk 20-40
km tyk
Ocean skorpe
er typisk 6-8
km tyk
F3 6
Hovedgrundstoffer i Bulk silikat Jord (BSE)
100
O
Mg
Si
Bulk Silikat Jord
Fe
10
Ca
Al
wt%
1
Na
Ti
0.1
Mn
K
P
0.01
0.001
faldende koncentration i Bulk Silikat Jord
F3 7
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
100.00
forhold
1.00
P
Na
10.00
Al
Si
O
Ti
Ca
Fe
Mn
Mg
0.10
kont.skorpe/BSE
0.01
0.00
F3 8
faldende koncentration i Bulk Silikat Jord
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
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 SiO2, Al2O3, FeO, MgO, Fe2O3
og TiO2, resten er <0.5 wt% [se Faure Tabel 4.4]
100
SiO2
Oceanskorpe
Al2O3
wt%
10
CaO
FeO
MgO
Fe2O3 Na2O
TiO2
1
MnO
K2O
P2O5
0.1
faldende koncentration i Oceanskorpe
F3 12
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
100.00
Na
10.00
Ca
Al
P
Mn
Fe
Si
forhold
K
Ti
1.00
Mg
0.10
oceanskorpe/BSE
0.01
0.00
faldende koncentration i Bulk Silikat Jord
F3 13
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
10.00
K
forhold
kontinentskorpe/oceanskorpe
Si
1.00
Mg
Al
Na
P
Fe
Ca
Ti
Mn
0.10
F3 14
faldende koncentration i Bulk Silikat Jord
Mineralogisk klassifikation
For rocks with Q+A+P+F > 10%
Quartz
Gennemgået i
Quartz-rich
granitoids
“Mineraler og Bjergarter”
Alkali Feldspar
Granite (Rhyolite)
Alkali Feldspar
Syenite (Trachyte)
Alkali
Feldspar
Nepheline-bearing
Alkali Feldspar
Syenite (Trachyte)
Tonalite
Trondhjemite
Plagiogranite
Granite
(Rhyolite)
Quartz Alkali
Feldspar Syenite
(Trachyte)
Quartz
Syenite
Granodiorite
(Dacite)
Quartz
Monzonite
(Quartz Trachyte)
( Quartz Latite)
( Andesite)
Nepheline
Monzosyenite
(Tephritic
Phonolite)
Nepheline
Monzodiorite,
Monzogabbro
(Phonolitic
Tephrite,
Basanite)
(leuco-)
dunite
65
Nepheline Diorite,
Gabbro (Tephrite,
Basanite)
troctolite
harzburgite
peridotites
Feldspathoids
to plagioclase
cpx norite
opx gabbro
40
olivine
orthopyroxenite
plag-bearing ultramafic rocks
olivine
orthopyroxenite
gabbro or norite
norite
wehrlite
lherzolite
(mela-)
pyroxenes
olivine
90
olivine gabbro
or norite
35
10
Plagioclase
Nepheline-bearing
Diorite (Andesite)
or Gabbro (Basalt)
Ijolite,
Nephelinite,
Leucitite
90
gabbro or
norite
Diorite (Andesite),
Anorthosite, Gabbro,
Norite (Basalt)
Quartz
Monzodiorite
Syenite(Trachyte) Monzonite(Latite) Monzogabbro
Nepheline-brg Nepheline-brg Nepheline-brg
Syenite (Trachyte) Monzonite(Latite) Monzogabbro
Nepheline Syenite
(Phonolite)
plagioclase
anorthosite
Quartz Diorite
(Quartz Andesite)
gabbro
olivine websterite
10
orthopyroxene
websterite
olivine
clinopyroxenite
pyroxenites
clinopyroxenite
clinopyroxene
plag-bearing ultramafic rocks
clinopyroxene
orthopyroxene
F3 15
Geokemisk klassifikation I
Klassifikation efter SiO2 indhold, samt korresponderende
klassifikation og nomenklatur efter indholdet af mørke mineraler:
%SiO2 Navn
% mørke Mineraler Navn
Eksempel bjergart
>66
<40
Felsisk
Granit, rhyolit
52-66 Intermediær
40-70
Intermediær
Diorit, andesit
45-52 Basisk
70-90
Mafisk
Gabbro, basalt
<45
>90
Ultramafisk
Dunit, komatiit
F3 16
Sur (ccid)
Ultrabasisk
Geokemisk klassifikation II
Klassifikation af basaltiske bjergarter efter normativt
mineralindhold. Normen (kaldet CIPW) beregnes udfra
bjergartssammensætning.
Si mættet
Si overmættet
Si undermættet
F3 17
Geokemisk klassifikation III
Klassifikation efter silika og alkali indhold:
Total Alkali–Silika, eller TAS–diagrammet
Bjergartsnomenklatur
Alkalin–Subalkalin (=tholeiitisk) skillelinie
Irvine and
Baragar (1971)
ie
er
s
rie
lin
e
a
s
k
k
al
itis
i
e
ol
th
F3 18
Princippet om Massebevarelse
Teori: “det hele er summen af delene som indgår”
For to komponenter gælder:
A
+
B
=
C
MACiA + MBCiB = MCCiC p.g.a massebevarelse er MA+MB=MC
derfor er (division med MA+MB)
(MA/(MA+MB))CiA + (MB/(MA+MB))CiB = CiC ,massebrøk, fA =MA/(MA+MB)
medfører at
MA = masse af komponent A;
fACiA + fBCiB = CiC
CiA = koncentration af grundstof i i komponent A
fA = MA/(MA+MB) massebrøk af komponent A
F3 19
Princippet om Massebevarelse II
fACiA + fBCiB = CiC og fA + fB = 1
simpel substitution giver:
CiC = fA(CiA - CiB) + CiB
(ligning for en ret linie)
600
Antagelse:
CiA = 100
500
CiC
400
CiB = 500
300
200
100
0
0
F3 20
0.2
0.4
0.6
fA
0.8
1
Blanding i variationsdiagrammer
Blanding giver altid en lige linie i x-y plot af koncentration!
(se Faure kap. 18.1 for matematisk bevis)
For to grundstoffer, f.eks. Mg og Ti, giver massebevaring:
for Mg: CMgC = fA(CMgA - CMgB) + CMgB
for Ti: CTiC = fA(CTiA - CTiB) + CTiB
2.5
CTiB = 0.5
CMgA = 12
CTiA = 2
fA=1
2
fA=0.8
A
fA=0.6
1.5
C(Ti)
Antagelse:
CMgB = 2
fA=0.4
1
fA=0.2
fA=0
0.5
B
0
0
F3 21
2
4
6
C(Mg)
8
10
12
14
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 (CMgC = 4 og CTiC = 0.75).
Hvad er blandingsforholdet mellem A og B?
Det måles enkelt på grafen fra liniestykkerne BC og BA:
i C er fA = BC/BA
2.5
= 1 cm/5 cm = 0.2
fA=1
2
fA=0.8
A
fA=0.6
C(Ti)
1.5
fA=0.4
1
fA=0.2
fA=0
0.5
B
c
0
F3 22
0
2
4
6
C(Mg)
8
10
12
14
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 fP?)
Grafisk løsning med
vægtstangsprincippet:
fP = (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
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