Mecanismo de crecimiento de cristales y tasa de crecimiento.
(1) Los cristales precipitados tienen la misma composición que la masa fundida
1. Mecanismo de crecimiento continuo
Lo que se discute aquí es el crecimiento continuo en bruto. interfaz La interfaz rugosa Hay posiciones de crecimiento en todas partes de la interfaz, y los átomos en el fluido entran casi continuamente en las posiciones de cristalización en la interfaz, por lo que el crecimiento de las interfaces rugosas se denomina "crecimiento continuo". Una vez que se forman núcleos cristalinos estables, el cristal crece a un ritmo determinado bajo ciertas condiciones de temperatura y sobresaturación. El crecimiento de cristales es similar a un proceso de difusión, que depende de la capacidad de las moléculas o átomos para separarse de la masa fundida (fase líquida) y difundirse hacia la interfaz (Figura 9-12). La energía libre de un átomo o molécula en el lado líquido de la interfaz es Gl, y la energía libre de un átomo o molécula en el lado cristalino es Gc. El cambio de energía libre cuando un átomo migra a la fase sólida es: Gl. -Gc=VΔGV. Aquí, V es el volumen del núcleo cristalino formado. La energía de activación de los átomos o moléculas al pasar de un líquido a un cristal a través de una interfaz es ΔGa. La fórmula de la tasa de crecimiento de cristales en este momento es (Universidad de Zhejiang et al., 1980)
Petrología experimental y teórica
Aquí, f es un factor adicional, que es la posición en el interfaz cristalina donde se pueden unir los átomos, λ es la distancia atómica, μ0 es la frecuencia de transición y K es la constante de Boltzmann. Esta fórmula muestra que existe una relación lineal entre la tasa de crecimiento y el grado de sobreenfriamiento ΔT (U=AΔT).
2. Mecanismo de crecimiento lamelar
El crecimiento en capas sobre interfaces lisas también incluye mecanismos de crecimiento de nucleación bidimensional y dislocación en espiral.
(1) Crecimiento de nucleación bidimensional
Si la interfaz sólido-líquido es suave (el plano cristalino está completo) a una escala de tamaño atómico (Figura 9-13), el Crecimiento del cristal La velocidad depende de la velocidad de formación de la nucleación bidimensional. Cuando el cristal crece en la masa fundida, la tasa de crecimiento es (Min Naiben, 1982) Aquí, A=hsμ0, B=π(σLS)2/KT, entre los parámetros, excepto los ya dados, h es el núcleo bidimensional altura; s es el área de crecimiento. Aquí la tasa de crecimiento U está relacionada exponencialmente con ΔT.
Figura 9-12 El cambio de energía libre cuando un átomo migra de la fase líquida a la fase sólida
Figura 9-13 La formación de un núcleo cristalino bidimensional en la superficie del cristal
Petrología experimental y teórica
(2) Crecimiento por dislocación en espiral
Cuando hay defectos en el plano cristalino, el proceso de crecimiento del cristal no es simplemente agregar capa por capa en el plano cristalino, pero rodeándolo, crece girando alrededor de un eje perpendicular a un determinado plano cristalino, y el centro de crecimiento es una dislocación de tornillo (Figura 9-14). En este momento
Figura 9-14 El cristal crece en forma de espiral
Petrología experimental y teórica
Se puede observar que la tasa de crecimiento es proporcional a (ΔT) 2 (Universidad de Zhejiang et al., 1980), en muchos sistemas la tasa de crecimiento es aproximadamente proporcional al cuadrado del subenfriamiento (U=AΔT 2) (ley parabólica). La Figura 9-15 es la curva de la tasa de crecimiento del feldespato potásico con diferentes composiciones bajo diferentes contenidos de agua. La tasa de crecimiento también aumenta de menor a mayor a medida que aumenta el grado de sobreenfriamiento y luego disminuye gradualmente después de alcanzar un pico. La curva de tasa de crecimiento tiene forma parabólica. La Figura 9-16 es la curva de relación entre la tasa de crecimiento y la cantidad de sobreenfriamiento de los principales minerales formadores de rocas en el fundido granítico sintético que contiene agua bajo una presión de 8 kbar. Estas curvas de crecimiento también tienen forma de parábola cuando la composición del fundido. es lo mismo, varios La tasa de crecimiento de los minerales disminuye al aumentar el contenido de agua.
Figura 9-15 La relación entre la tasa de crecimiento y el grado de sobreenfriamiento del feldespato alcalino con diferentes contenidos de agua bajo una presión de 2,5 kbar
Figura 9-16 Diferentes cantidades de agua bajo una presión de 8 kbar relación entre la tasa de crecimiento de minerales en la masa fundida de granito sintético y el grado de sobreenfriamiento
(2) Las composiciones de los cristales precipitados y las masas fundidas son diferentes
Con el conocido An -Ab binario infinito Tome la serie de soluciones sólidas mixtas como ejemplo. En la cristalización en equilibrio, el componente Ab en la masa fundida desempeña un papel en la reducción de la temperatura del líquido. A una determinada temperatura, el contenido de Ab en la masa fundida es mayor que el contenido de Ab en la plagioclasa de equilibrio (es decir, Csl, Cs y Cl son las concentraciones del mismo componente en el sólido y el líquido existentes, respectivamente). El componente An en la masa fundida, por el contrario, desempeña el papel de aumentar la temperatura del líquido. A una determinada temperatura, el contenido de An en el líquido es menor que el contenido de An en la plagioclasa de equilibrio (Cs>Cl). Durante el proceso de cristalización, el componente (Cs>Cl) ingresa al cristal preferentemente, mientras que el componente (Csl) forma una "capa límite" con una mayor concentración en el borde del cristal (Figura 9-17).
Por lo tanto, la temperatura de liquidus de la masa fundida dentro de la capa límite es menor que la de la masa fundida circundante y, para la misma temperatura de cristalización, el grado de subenfriamiento dentro de la capa límite es diferente al de la masa fundida circundante. Este fenómeno de sobreenfriamiento causado por cambios en la composición de la masa fundida durante el proceso de cristalización se denomina "subenfriamiento constitucional" (Lofgreen, 1980; Min Naiben, 1982). En rocas volcánicas moderadamente ácidas, también hay informes que reflejan el fenómeno de sobreenfriamiento de los componentes de la cristalización del magma (Zhou Jincheng, 1990).
Figura 9-17 Cambios en la concentración de componentes (Csl) en la capa límite cerca de la interfaz cristal-líquido y aparición de sobreenfriamiento de componentes (ΔT)
Cretácico temprano a lo largo de la costa sureste de China Hay una estructura especial en la "lava de pórfido" de riodacita. En la lava de pórfido, los "pórfidos de feldespato potásico" han acumulado "bordes de feldespato potásico" con la misma orientación óptica. están incrustados con cuarzo de grano fino, por lo que este borde de crecimiento de feldespato potásico se denomina "borde de cuentas". La orientación óptica de las partículas de cuarzo incrustadas en el borde de la cuenta es diferente, pero las partículas de cuarzo cercanas a los fragmentos de feldespato potásico son finas y las partículas de cuarzo cercanas al lado de la matriz son más gruesas (Figura 9-18) y están estrechamente relacionadas. a las partículas de cuarzo en la matriz. El diámetro es cercano. El tamaño del grano de cuarzo cambia de fino a grueso desde el interior hacia el exterior de la perla, sin excepción. Se explica que este borde de cuentas especial en la lava de pórfido es el producto del "sobreenfriamiento de los componentes" en la cristalización de magma ácido en el fondo de los flujos de lava ultraepigenéticos. Es el "sobreenfriamiento de los componentes" el que causa esta estructura especial, las "perlas". "Edge" es un signo petrográfico de magmatismo ácido intermedio ultraepitelial. A medida que los fragmentos de feldespato potásico crecen aún más en un entorno de este tipo, el feldespato potásico en crecimiento excluye continuamente el SiO2 del magma, formando una "capa límite" rica en SiO2 en la masa fundida alrededor del feldespato potásico. más cerca del cristal es más rico en SiO2 A medida que se aleja del cristal, el SiO2 de la masa fundida gradualmente se vuelve consistente con el magma de riodacita circundante. La temperatura líquida del magma rico en SiO2 en la "capa límite" es menor que la temperatura líquida del magma de riodacita circundante. La diferencia entre los dos constituye un "sobreenfriamiento de componentes", similar a la Figura 9-17. ", el lado cercano a los restos de feldespato potásico tiene un pequeño grado de sobreenfriamiento, y el lado cercano a la masa fundida (es decir, la matriz fundida de los restos) tiene un mayor grado de sobreenfriamiento. La Figura 9-16a muestra que en la fundición de granodiorita (riodacita) que contiene una cierta cantidad de agua, la tasa de crecimiento del cuarzo no es grande cuando el grado de sobreenfriamiento es pequeño. Después de que el grado de sobreenfriamiento aumenta adecuadamente, la tasa de crecimiento del cuarzo aumenta. La tasa de crecimiento aumenta, por lo que la diferencia en el grado de "sobreenfriamiento de los componentes" provoca cambios regulares en el espesor de las partículas de cuarzo en el "borde de la cuenta" (Zhou Jincheng et al., 1999). Esta explicación debe ser confirmada por datos experimentales sobre la tasa de crecimiento del cuarzo bajo baja presión.
Figura 9-18 Un diagrama simplificado del “borde de la cuenta” alrededor de fragmentos de feldespato potásico en lava fragmentaria
(3) Juicio del mecanismo de crecimiento
General Desde Desde el punto de vista de la temperatura, la tasa de crecimiento de cada mecanismo de crecimiento tiene una dependencia específica de la temperatura T y del grado de sobreenfriamiento ΔT. Cuando ΔT es pequeño, el mecanismo de crecimiento puede, en principio, determinarse midiendo la tasa de crecimiento. Se pueden distinguir diferentes mecanismos de crecimiento por la relación entre la reducción de la tasa de crecimiento y el grado de sobreenfriamiento. La tasa de crecimiento reducida Ur (tasa de crecimiento reducida) puede considerarse como una medida de la proporción de posiciones que pueden usarse para unir átomos (Kirkpatrick et al., 1976). Existe una fórmula:
Petrología experimental y teórica
Entre ellos, Ur es el valor de reducción de la tasa de crecimiento; Uη, viscosidad de la masa fundida; L, calor latente, temperatura en K; ΔT, sobre Frialdad; R, constante del gas; TL, temperatura del líquido. Si no se pueden aplicar datos fiables sobre el calor latente, se pueden realizar cálculos utilizando la fórmula:
Petrología experimental y teórica
En el resultado de trazar Ur frente a ΔT, para el crecimiento continuo, se producirá una línea horizontal para el mecanismo de dislocación del tornillo, se producirá una línea recta con una pendiente positiva que pase por el origen para la nucleación de la superficie 2D. con curvatura positiva.