Clinopyroxen termobarometri

Sammansättningsdiagram av pyroxener. Diopsid , hedenbergit och augit är de viktigaste submineralerna av klinopyroxen . Jadeit innehåller aluminium och visas därför inte i diagrammet.

Clinopyroxene thermobarometry är en vetenskaplig metod som använder mineralet clinopyroxen för att bestämma temperaturen och trycket i magman när mineralet kristalliserade . Klinopyroxen finns i många magmatiska bergarter , så metoden kan användas för att fastställa information om hela berget. Många olika mineraler kan användas för geotermobarometri , men klinopyroxen är särskilt användbart eftersom det är en vanlig fenokristall i magmatiska bergarter och lätt att identifiera, och kristalliseringen av jadeit , en typ av klinopyroxen, innebär en tillväxt i molarvolymen , vilket gör det till en bra indikator av tryck.

Data som ges av denna teknik används för att förstå magmatisk kristallisation , prograd och retrograd metamorfism och malmavlagringsbildning . Att förstå dessa processer kan hjälpa industrier såväl som forskarvärlden. Med dessa data kan information om litosfärens sammansättning extrapoleras mer i detalj, och diamantprospekteringsindustrin kan fastställa sannolikheten för att en kimberlit innehåller diamanter.

Metoder

Förstorad bild av komatiliter som har klinopyroxenkristaller inuti. Kristallerna skulle kunna användas för termobarometri av komatilitmineralet. Cpx representerar klinopyroxen, ol representerar olivin och gl representerar glas .

Termobarometri använder jämviktskonstanter för att beräkna information om de miljöförhållanden som råder under bergarternas bildning. Medan varje sten bildas reagerar den med de omgivande elementen tills den svalnar tillräckligt för att bli inert. Varje mineral i berget kommer att svalna och kristallisera vid olika punkter; ett petrogenetiskt rutnät är ett användbart sätt att visualisera varje mineral som kristalliseras i sekvens.

Individuella reaktioner av specifika mineraler kan användas för att beräkna antingen temperatur eller tryck. Därför behövs två olika reaktioner för att beräkna både temperatur och tryck på magman för en enskild sten. Vissa reaktioner är bättre för tryck och andra är bättre för temperatur, baserat på termodynamik och Le Chateliers princip.

Denna teknik kräver att varje reaktion kalibreras , vilket görs genom experiment och dataanalys . Experimentering innebär att simulera temperaturerna och trycken vid vilka dessa stenar bildas och observera hur reaktionen fortskrider under dessa förhållanden, medan dataanalys bygger på att samla en stor databas med stenprover med information om tryck och temperatur. Experimentella data tenderar att ha betydande variation , så att använda data från naturliga formationer är mer exakt , om den är tillgänglig.

Tryck

Den här bilden visar ett experiment som bestämmer kalibreringskurvan för förändringen i volym av diopsid vid olika tryck . Jämviktskonstanten för denna reaktion kan beräknas baserat på data .

De reaktioner som är bäst för tryck ( geobarometrar ) är sådana som har en stor förändring i molvolymen under reaktionen. Högre tryck gör att reaktionen minskar i total volym, och lättare tryck tillåter reaktion att öka i total volym. Därför kan, utifrån andelen mineraler som har större volymer kontra andelen mineraler som har mindre volymer, omgivningens tryck under reaktionen beräknas, som en funktion av temperaturen. Experiment måste göras för att kalibrera varje reaktion och bestämma den hastighet med vilken volymen ändras med förändringar i trycket.

Temperatur

De reaktioner som är bäst för temperatur ( geotermometrar ) är de som har en stor reaktionsentalpi , vilket innebär att de släpper ut eller förbrukar mycket värme . Högre temperaturer tillåter reaktionen att förbruka den värmen medan lägre temperaturer gör att reaktionen frigör värme. I likhet med geobarometrar kan andelen mineraler som bildas genom att frigöra värme kontra förbrukande värme användas för att beräkna temperaturen, så länge reaktionen är kalibrerad.

Reaktionstyper

Det finns tre typer av reaktioner som klinopyroxen är inblandat i och som kan användas för termobarometri.

Univarianta reaktioner eller förskjutna jämviktsreaktioner skapar eller förstör faser i magman. Varje fas kommer så småningom att kristallisera som ett unikt mineral. Baserat på temperatur- och tryckförhållandena kommer olika proportioner av dessa faser att uppstå i det slutliga berget. Ett exempel på reaktion är jadeit och kvarts som reagerar för att göra analbit . Jadeit är en typ av pyroxen , så denna reaktion används för klinopyroxenbarometri.

${\ce {NaAlS2O6 + SiO2 -> NaAlS3O8}}$

Denna speciella reaktion innebär en stor volymförändring mellan reaktanterna och produkterna , så reaktionen är mycket känslig för tryckförändringar.

Utbytesreaktioner uppstår när det finns mineraler med liknande strukturer och joner byter plats med varandra inom den strukturen. Detta är en vanlig metod för att beräkna temperaturen eftersom de flesta utbytesreaktioner har hög entalpi . Ett exempel på reaktion är ett utbyte av Fe ²⁺ och Mg ²⁺ inom granat och klinopyroxen. Det gör att pyrope och hedenbergit (pyroxen) förvandlas till almandin och diopsid (pyroxen).

${\ce {Mg3Al2Si3O12 + 3CaFeSi2O6 -> Fe3O1Al2Si 32Ci} 32CaM2Si$

Solvus Equilibria -reaktioner uppstår när två faser löses upp i varandra baserat på temperaturen, så det är vanligtvis användbart för geotermometri. En sådan reaktion är när klinopyroxen och ortopyroxen löses upp i varandra. Detta förändrar fördelningen av kalcium och magnesium genom mineralet.

Ansökningar

Clinopyroxen termobarometri används vanligtvis av gruvindustrin . Det är särskilt användbart för diamantindustrin , så många intressenter har tryck- och temperaturdata angående bildandet av stenar som innehåller diamanter. Detta är viktigt eftersom diamanter vanligtvis finns i kimberliter , men kimberliter innehåller inte alltid diamanter. Istället för att bryta varje kimberlit som hittas, kan de provtas för att se om de bildades i en miljö som skulle ha gynnat kristalliseringen av diamanter.

Andra tillämpningar är till stor del vetenskapliga; tryck- och temperaturdata om magma kan användas för att föreslå detaljerade modeller av litosfären och manteln. Dessa modeller förbättrar förståelsen för geologisk och vulkanisk aktivitet, vilket kan bidra till forskarnas förmåga att förutsäga händelser som utbrott eller jordbävningar .

^ ^a ^b Putirka, Keith; Johnson, Marie; Kinzler, Rosamond; Longhi, John; Walker, David (1996). "Termobarometri av mafiska magmatiska bergarter baserad på clinopyroxen-vätskejämvikter, 0-30 kbar". Bidrag till mineralogi och petrologi . 123 : 92–108.
^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h ⁱ ^j ^k ^l ^m Misra, Kula C. (2012). Introduktion till geokemi principer och tillämpningar . Pondicherry, Indien: Wiley-Blackwell. s. 107–128. ISBN 97814444347197 .
^ ^a ^b ^c Grütter, Herman S. (2009). "Pyroxene xenocyst geotermer: tekniker och tillämpning". Lithos . 112 : 1167–1178. doi : 10.1016/j.lithos.2009.03.023 .

[:12-1] Putirka, Keith; Johnson, Marie; Kinzler, Rosamond; Longhi, John; Walker, David (1996). "Termobarometri av mafiska magmatiska bergarter baserad på clinopyroxen-vätskejämvikter, 0-30 kbar". Bidrag till mineralogi och petrologi . 123 : 92–108.

[:02-2] ^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h ⁱ ^j ^k ^l ^m Misra, Kula C. (2012). Introduktion till geokemi principer och tillämpningar . Pondicherry, Indien: Wiley-Blackwell. s. 107–128. ISBN 97814444347197 .

[:22-3] Grütter, Herman S. (2009). "Pyroxene xenocyst geotermer: tekniker och tillämpning". Lithos . 112 : 1167–1178. doi : 10.1016/j.lithos.2009.03.023 .