رسوبگذاري سنگهاي رسوبي Sedimentation & Sedimentary Rock

تعريف:

رسوبگذاري عمکرد متقابل اتمسفر و هيدروسفر بر روي زمين است. جنبه هاي مختلف رسوبگذاري در غالب پديده هاي هوازدگي فرسايش رسوبگذاري و دياژنز توصيف مي شود.

بحث در بي ثباتي کانيهاي سنگ آذرين در مقابل جو و اتمسفر و نهايتا رسوبگذاري.

عوامل کمک کننده در فرسايش: اکسيژن، اسيد کربنيک و آب

واکنشهاي کليدي در ژئوشيمي رسوبگذاري : واکنشهاي کليدي در ژئوشيمي رسوبگذاري شامل :

شکستن شيميايي (Chemical Breakdown):

شکستن شيمايي بعضي از کانيها موجب تشکيل شدن کانيهاي ديگر مي شود. از اين ميان کانيهاي سيليکاتي بيشترين اهميت را دارند.

روند شکستن:

الف) کاتيونهاي يک ظرفيتي و دو ظرفيتي بآساني بصورت محلول در مي آيند . مثل کلسيم، منيزيم، پتاسيم، سديم

ب) رفتار عناصر آلومينيم و سيليسيم هنوز بدرستي شناخته نشده است ولي تصور مي رود که سيليکاتهاي آلومينيم هيدروليز(Hydrolysis) گرديده و اسيد سيليسيليک کلوئيدي و هيدروکسيد آلومينيم را تشکيل مي دهد.

ج) در سطح هر بلور ظرفيتهاي اشباع نشده اي وجود دارد که مي تواند بعنوان کانون واکنش با ملکولهاي آب عمل کند. اين امر هيدراسيون و هيدروليز که طي آن فازهاي قوي مانند کلسيم پتاسيم و منيزيم حرکت داده شده و بخشي از آنيونهاي اکسيژن موجود در شبکه بلوري احتمالاً بوسيله يونهاي هيدراکسيد جايگزين مي شوند را در پي دارند.

د) آلومينيم و سيليسيم شديدا جاذب يونهاي OH هستند . آلومينيم شش يون OH را بدنبال خود دارد  و سيليسيم به همان صورت با کوردينانسيون چهار باقي مي ماند.

- فلزات قليايي با ثبات ترين يونها بوده و بدنبال آنها قليايي خاکي قرار دارند. بخش عمده اين عناصر بصورت محلول جابجا مي شوند.

- آلومينيم سيليسيم و آهن معمولا خيلي زود بصورت ترکيبات نامحلول مجددا رسوب کرده و کانيهاي جديدي از آنها در همان مراحل اوليه هوازدگي توليد مي شود.

واکنشهاي خالص هوازدگي به دو دسته تقسيم مي شوند:

1) متجانس (Congruent): که طي آن مواد هوازده حرکت داده شده مانند انحلال ساده بوسيله آب اسيدي شده بوسيله دي اکسيد کربن يا تجزيه و تلاشي ناشي از عملکرد ملکولهاي آلي در محلول را نام برد.

2) نامتجانس Incongruent)): که طي آن بخشي از مواد به کانيهاي نسبتاً غير متحيرک تبديل مي شوند مثل آّ بگيري و کربن گيري تشکيل هيدروکسيدها و کربناتهاي نامحلول

اکسيداسيون و بيش از همه ترکيبات آهن دو ظرفيتي براي تشکيل اکسيدهاي نامحلول آهن سه ظرفيتي يا هيدروکسيدها و همچنين هوازدگي سيليکاتها که در بالا مورد بحث قرار گرفت مي شود.

نيمرخ هاي هوازدگي در مناطق استوايي:

اين هوازدگي در بر دارنده مقداري مواد باقي مانده با ترکيب آلومين و گاهي اوقات باقي مانده غني از تيتانيوم است که اين مواد نيز ناشي از فرونشست (Leaching) سيليس همراه با غلظت هاي بالاي اسيدهاي آلي در آبهاي خاکي است. برخي از مواد بازمانده بخاطر تجمع کانيهاي بسيار مقاوم مانند ايلمنيت، روتيل، زيرکن، کوارتز و حتي طلا و پلاتين افزايش چشمگيري را در برخي از اين عناصر نشان مي دهد.

ژئو شيمي خاک (Geochemistry Of Soil):

هوازدگي و رسوبگذاري فرآيندهاي ژئوشيميايي هستند که براي انسان از اهميت بسياري برخوردارند. زيرا بوسيله اين فرآيندها است که خاک يعني منبع اقتصادي بشر فراهم آورده مي شود.

تعريف افق خاک: خاک داراي لايه هاي مختلفي است که داراي خصلتهاي متفاوت بوده و بطور عمودي با عمق تغيير تغيير مي کند. هر يک از لايه هاي مجزا را يک افق خاک مي گويند. ضخامت هر افق خاک از چند اينچ تا چند فوت متغير بوده.

نيمرخ خاک: تمام افقهاي را بر روي هم يک نيمرخ مي گويند.

تقسيم بندي نيمرخ خاک: نيمرخ هاي خاک از سه افق اصلي تشکيل شده اند که از سطح يه طرف پايين به ترتيب افق هاي A , B , C خوانده مي شوند.

افق A :

عمدتاً به خاطر از دست رفتن نسبي مواد اوليه بوسيله فرونشست و جابجايي مکانيکي (حرکت خاک) حاصل از نفوذي عمق آب باران است. اين مواد جابجا شده و در افق B مجتمع مي گردند.

افق B :

بنابراين افق B يک منطقه تجمع است مشخصاً از کانيهاي رس غني گرديده و اغلب رنگ قهوه اي متمايل به قرمز و يا قهوه اي متمايل به زرد دارد که ناشي از تجمع اکسيدهاي آهن است. عناصر فرعي و عناصر جزئي معمولاً در افق B غني شده اند.

افق C :

افق C مواد مادر افقهاي B , A  را تشکيل مي دهد. اين افق ممکن است از سنگي در محل اصلي خود تشکيل شده باشد يا از رسوبات رودخانه اي يا مواد بخاري که به آن محل منتقل شده اند تشکيل شده باشند و در آخر نيز امکان دارد خاکي از چرخه قبلي باشد.

ترکيب خاک:

ترکيب خاک به دو عامل بستگي دارد:

1-              ترکيب سنگ مادر _ که خاک حاصل هوازدگي آن است.

2-   عوامل محيطي _ شامل شرائط آب و هوايي فعاليتهاي زيستي توپوگرافي و زمان. از اين ميان شرائط آب و هوايي حائز بيشترين اهميت است.

مثال: خاک مناطق مرطوب استوائي از حاصلخيزي کمتري نسبت به خاک دماي بالا و جابجائي تقريباً مواد آلي بوسيله ميکروارگانيزم ها است.

تبديل سنگ مادر به خاک معمولاً کاهش در مقدار Ca , Mg , Na , K و کاهش کمتري در عناصر Al , Fe و افزايش Si همراه است. عناصر جزئي در خاک و تأثير آن بر عوامل زيست محيطي : مثال کبالت (Co) . علفها براي رشد خود نياز به کبالت ندارند ولي کمبود اين عنصر ايجاد نوعي بيماري در حيوان مي کند.

ترکيب شيميايي سنگهاي رسوبي:

SiO₂: در برخي ماسه سنگ است بيش از 99 % وزني را تشکيل دهد.

Al₂O₃ : در بوکسيت به حدود 70 % برسد.

Fe₂O₃ : در ليمونيت تا وزني 75 % برسد.

FeO : در سيدريت تا 60% برسد.

MgO : در دولوميت تا 20% برسد.

CaO : در سنگ آهک 56 % برسد.    

روش کلارک و واشنگتن در مورد سنگهاي آذرين به دليل کمبود آزمايش هاي موجود در اينجا در اينجا کاربردي ندارد.

در نمودار فوق قليايي در نظر نشده است. مقدار قليايي جز در مورد سنگهاي مورد سنگهاي رسي معمولاً ناچيزاست.

تعريف انواع سنگهاي رسوبي صرفاً با تکيه بر آزمايش هاي شيمايي يعني چيزي شبيه نورم در سنگهاي آذرين. اگر غير ممکن نباشد کاري بسيار دشوار است.

ترکيب مينرالوژي سنگهاي رسوبي:

مينرالوژي هر سنگ رسوبي به وسيله دو نوع ماده مشخص مي گردد:

1-              کانيهايي مقاوم ناشي از شکسته شدن مکانيکي سنگ مادر.

2-   کانيهاي جديد حاصل از تخريب شيميايي که معمولاً ترکيبات آبدارند و در واقع در محيط سرشار از آب تشکيل شده اند.

گلديش (Goldish): (1938)

بنا به نظر ايشان ترتيب پايدار کانيهاي کانيهاي سنگهاي آذرين در مقابل هوازدگي عکس آن چيزي است که در سري واکنش باون ديده مي شود . که به سريها پايداري گلديش معروف است.

کوارتز

مسکويت

پتاسيم فلدسپار

بيوتيت                            پلاژيوکلاز کلسيم دار قلياي

هورنبلد                            پلاژيوکلاز کلسيم دار قليايي

پيروکسن                         پلاژيوکلاز قليايي کلسيم دار

اليوين                           پلاژيوکلاز کلسيم دار

ماگماتيسم و سنگهاي آذرين

ماگما چيست؟

ماگما را به صورتهاي مختلف تعريف كرده اند:

1)  ماگما موارد توليه سنگهاي آذرين است.

گدازه (Lava): ماگمايي است كه از طريق مجاري آتشفشاني بيرون ريخته و از اين طريق در معرض مشاهده ما قرار مي گيرند.

2)  ماگما را بصورت مواد سنگي مذاب هم تعريف كرده اند.

اشكال تعاريف فوق :

در نظر نگرفتن اجزاي فراري كه نقش مهمي در تبلور ماگما بازي مي كنند.

مثال: انجماد ماگما مانند انجماد يك سرب مذاب كه در يك درجه حرارت معين صورت مي گيرد نيست. بلكه معمولاً در زمان و مكانهاي مختلف و از طريق تبلور تفريقي انجام مي شود كه محصول نهايي آن سنگ آذريني است كه در زير سطح زمين تشكيل شده و يك فاز گازي و احتمالاً يك محلول آبكي را نيز شامل مي شود.

ماگما شامل :

الف) بخش خميري   تبلور تفريقي

ب) بخش آبكي يا آبگين  : 1) مرحله پگماتيتي    2) مرحله پنوماتوليتي      3) هيدروترمال

ماگما از روي ويژگيهاي زير تعريف مي شود:

الف) يك تركيب عمدتاً سيليكاتي است.

ب) دما كه معمولاً داغ است (500^0c تا 1200^0c)

ج) تحرك: بدين معني كه ماگما قابليت جريان يافتن دارد.

منظور از ماگما در اين بحث : منظور تمام مواد سنگي طبيعي متحرك است كه بخش عمده اي از آن را فاز مايع با تركيب مذاب سيليكاتي تشكيل مي دهد.

آيا ماگماي اوليه (Primery Magma) وجود دارد؟

در اين زمينه نظرات متفاوت و جدالهاي فراواني صورت گرفته است.

1- بنزن (Bunsen)    الف) ماگماي اوليه گرانيتي   ب) ماگماي اوليه بازالتي    فراواني انواع سنگها نظريه بنزن را تاييد مي كرد.

2- ديلي (Daly)    الف) گرانيتها و گرانوديوريتها روي هم حداقل 95 % كل ماگماي نفوذيند.        ب) بازالتها و آندزيتها پيروكسن روي هم حداقل 98 % سنگهاي آذرين بيروني ماگماي خروجي را در بر مي گيرند.

دلايل تاييد ماگماي اوليه:

الف) در طول زمان زمين شناسي ماگمايي با تركيب بازالتي بصورت سيل هاي عظيم پوسته را شكسته و بر روي سطح آن جاري شده اند.

ب) سنگهاي حوضه هاي بزرگ اقيانوسي تقريباً تماماً بازالتي هستند.

ج) كارهاي تجربي نشان داده است كه تفريق ماگماي بازالتي مي تواند منجر به تشكيل سنگهايي با تركيب شيميايي و مينرالوژي كاملاً متفاوت شود.

تركيب شيميايي ماگما و سنگهاي آذرين:

طبق كارهاي كلارك و واشنگتن

SiO₂ = 59.14      Al₂O₃ = 15.34        Fe₂O₃ = 3.08   FeO = 3.80          MgO = 3.49   

 CaO = 5.08    Na₂O = 3.84     K₂O = 3.13       H₂O = 1.15      TiO₂ = 1.05

در اين تجزيه اجزاي سازنده جزئي حذف و مواد فرار نيز ناديده گرفته شده اند. عناصر اصلي تشكيل دهنده ماگما عبارتند از :

K , Na , Ca , Mg , Fe , Al , Si , O

لذا ماگماهاي سيستم هاي چند همنه (Molti Component Systems) از اين عناصر هستند.

 

رابطه بين رايج ترين اكسيدهاي سنگ ساز :

همنه هاي مختلف بطور تصادفي تغيير نمي كنند بلكه به يكديگر مربوط مي باشند اين همنه را اكسيد هاي سنگ ساز گويند.

1-              اكسيد SiO₂ اكسيد غالب سيليس است.      

Al₂O₃          10 to 20 %

مقادير كم Al₂O₃  مشخصه سنگهايي است كه فلدسپاتوئيد آنها ناچيز است. مقادير بالاي Al₂O₃ نيز مشخصه آنورتوزيت ها (anorthosites) و سنگهايي است كه داراي مقدار زيادي نفلين مي باشد.

Na₂O   2 to 5 %

K₂O         در بيشتر سنگها كمتر از درصد است.

 به ندرت به 15 % مي رسدS در منحني شيشه هم و نسبت به Si كاسته مي شود      FeO , Fe₂O₃

MgO   در سنگهاي اولترابازيك 20 % مقدار آن اندك است.

CaO      حداكثر آن 8 % و كمتر از 5%

H₂O   كم

 

H₂O   كم

TiO₂ , P₂O₅ , MnO اكسيدهاي مهمي هستند كه بايد با دقت مطالعه شوند.

تركيب مينرالوژي سنگهاي آذرين:

گرچه بيش از 1000 كاني مختلف شناخته شده اند تعداد درصد گونه ها در بيش از 99 % سنگهاي آذرين بسيار كم است. جدا از هفت كاني يا گروه كانيهاي اصلي (كانيهاي سيليسي، فلدسپات، فلدسپاتوئيد، اليوين، پيروكسنها، آمفيبول و ميكا) فقط مقدار كمي مگنتيت، ايلمينيت و آپاتيت و اسفن بطور معمول يافت مي شود. بقيه كانيها بسيار ناچيزند. مطالعه آماري 700 نمونه ميانگين كاني شناسي زير را نشان مي دهد.

نام كاني	درصد
كوارتز	12 %
فلدسپات	9/59 %
پيروكسن و هورنبلند	8/16 %
بيوتيت	8/3 %
كانيهاي تيتانيوم	5/1 %
آپاتيت	6/0 %
ساير كانيهاي فرعي	8/5  %

جدول : ميانگين كانيهاي سنگ آذرين

مقايسه اين تركيب مينرالوژي ميانگين يا مد (Mode) يا نورم  (Norm) محاسبه شده از تركيب ميانگين سنگهاي آذرين جالب توجه است.

Il = 1.98 , mt = 4.41  . hy = 8.64  di = 6.45  an = 15.29  Oli = 32.49  or = 18.35  q = 10.02  ap = 0.67

تركيب مينرالوژي يكي از معيارهاي اصلي در طبقه بندي سنگهاي آذرين است. تاكنون چند درصد نوع سنگ نام گذاري شده اند اما از اين ميان تعداد كمي بطور رايج رخ مي دهند.

 

 

 

 

 

 

 

 

جدول 2-5 :ميانگين ترکيب شيميايي (بصورت درصد وزني)برخي از سنگهاي آذرين دروني

گرانيت	کوارتز-مونزونيت	گرانوديوريت	سيانيت	مونزونيت	ديوريت	گابرو	اکسيد
72.08	69.15	66.88	59.41	55.36	51.86	28.36	SiO2
0.37	0.56	0.57	0.83	1.12	1.50	1.32	TiO2
13.86	14.63	15.66	17.12	16.58	16.40	16.84	Al2O3
0.86	1.22	1.33	2.19	2.57	2.73	2.55	Fe2O3
1.67	2.27	2.59	2.83	4.50	6.97	7.92	FeO
0.06	0.06	0.07	0.08	0.13	0.18	0.18	MnO
0.52	0.99	1.57	2.02	3.67	6.12	8.06	MgO
1.43	2.45	3.56	4.06	6.76	8.40	11.07	CaO
3.08	3.35	3.84	3.92	3.51	3.36	2.26	Na2O
5.46	4.58	3.07	6.53	4.68	1.33	0.56	K2O
0.53	0.54	0.65	0.63	0.60	0.80	0.64	H2O^+
0.18	0.20	0.21	0.38	0.44	0.35	0.24	P2O5

جدول 3-5 : ميانگين ترکيب شيميايي برخي از سنگهاي آذرين فوق مافيک (بصورت درصد وزني)

آنورتوزيت	پيروکسنيت	پريدوتيت	دونيت	اکسيد
54.54	50.50	43.54	40.16	SiO2
0.52	0.53	0.18	0.20	TiO2
25.72	4.10	3.99	0.84	Al2O3
0.82	2.44	1.51	1.88	Fe2O3
1.46	7.37	9.84	11.87	FeO
0.02	0.13	0.21	0.21	MnO
0.83	21.71	34.02	43.16	MgO
9.62	12.00	3.46	.075	CaO
4.66	0.45	0.56	0.31	Na2O
1.06	0.21	0.25	0.14	K2O
0.63	0.47	0.76	0.44	H2O^+
0.11	0.09	0.05	0.04	P2O5

اختلاف در تركيب شيميايي كلي سنگها حاكي از اختلاف موجود در نسبت هاي كاني انواع سنگ است و بالعكس. براي مثال ميانگين تجزيه شيميايي برخي از سنگهاي آذرين دروني در جدول زير آورده شده است. پلوتون هاي فلسيك در مقايسه با نفوذي هاي مافيك داراي مقدار بيشتر Na₂O , K₂O , SiO₂  و مقدار كمتري MgO , FeO , CaO هستند كه اين خود بازتاب فراواني كوارتز آزاد و فلدسپارهاي قليايي و كمبود كانيهاي فرومنيزيم است. تجزيه شيميايي گدازه ها نيز يك چنين گستره اي از تركيبات شيميايي را نشان مي دهد.

در هر حال برخي از سنگهاي پلوتونيك درشت دانه از نظر تركيب شيميايي معادلي در ميان سنگهاي بيروني ندارند. مثالهاي تيپيك شامل سنگهاي دونيت، پريدوتيت، پيروكسنيت و آنورتوزيت مي شود كه بترتيب از اليوين،  اليوين و  پيروكسنها،  پيروكسنها و پلاژيوكلازها تشكيل شده اند. برخي از اين سنگها بي شك نشان دهنده تجمع بلورها درون يك محفظه ماگمايي در پوسته زمين هستند. برخي ديگر نيز ظاهراً در جبه تشكيل شده سپس در حالت نيمه جامد وارد پوسته شده اند. به هر حال در هر دو مورد اين سنگها كه معمولاً تك كانيايي يا دو كانيايي مي باشند در شرائط پوسته از ماگمايي با تركيب شيميايي نظير خود متبلور نشده اند شاهد اين مدعا است كه گدازه هايي با چنين تركيب شيميايي يافت نشده اند. ميانگين تجزيه شيميايي اين سنگها در جدول بالا نشان داده شده است.

كانيهاي سيليس:

سيليس در طبيعت بصورت هفت كاني مشخص يافت مي شود كه در اين ميان كوارتز، كريستوباليت و تريديميت شكلهايي از سيليس هستند كه مي توانند در سنگهاي آذرين رخ دهند. اين سه شكل از سيليس نمايش دهنده هر پديده انانتيوتروپيسم هستند كه هر يك داراي حوزه پايداري خود است. انواع كانيهاي سيليس عبارتند از :

1-   كوارتز (شامل كلسدوني): سنگهاي آذرين در فشار اتمسفر و تا دماي 867 درجه پايدار است.

2-              تريديميت : در سنگهاي ولكانيك بين 867 تا 1470 درجه.

3-   كريستوباليت: در سنگهاي ولكانيك از 1470 درجه تا نقطه ذوب يعني 1713 درجه پايدار است. سيليس مايع نيز از 1713 درجه تا نقطه جوش پايدار است.

4-   اوپال: يك كاني غير معمول نيست SiO₂nH₂O  كاني ايزوتوپ به رنگهاي مختلف از چشمه هاي آب گرم حاصل مي شود. فرم آبدار كريستوباليت.

5-              لوشاته ليريت(Lechatelirite): شيشه سيليس بسيار كمياب است.

6-              كوئزيت (Coesite): شكل فشار بالا

7-   استيشوئيت: شكل فشار بالا داراي چگالي بالاي 29/4 ناشي از تغيير كورديناسيون چهار به شش است.

كوارتز كريستوباليت و تريديميت پديده انانتيوتروپيسم (Enantiotropism) هستند . شكلهايي از سيليس كه مي توانند در سنگهاي آذرين رخ دهنده اين پديده انانتيوتروپيسم مركب هر يك داراي حوزه پايداري خود است.

كوارتز در معرض آب :

افزايش مقدار ناچيز H₂O به اين سيستم نتايج قابل توجهي به ياد مي آورد. اين سيستم در دماي تا 1300 درجه و فشار بخار آب     2000kg/cm²بررسي شده است.

ذوب كوارتز در فشارهاي بيش از1400kg/cm²  در 1125 درجه رخ مي دهد يعني چيزي معادل 600 درجه كاهش در نقطه ذوب مايعي كه از اين طريق تشكيل مي شود. نوعي مذاب سيليس آبدار است كه داراي تقريباً  درصد H₂O است.

هر يك از سه پلي مورف داراي انواع دما بالا و دما پايين است. (اشاره به شكل) كوارتز دما پائين و كوارتز دما بالا فقط در محدوده اي از حوضه پايداري خود تشكيل شده و هيچگاه در دماي بالاتر تشكيل نمي شود. از روي اين اصل مي توان به نتايج زير دست يافت.

تعداد اندك تجزيه كامل كوارتز حضور مقادير Al , Na را نشان مي دهد كه بيان كننده جايگزيني NaAl به جاي Si در ساختمان باز است. از طرف ديگر كوارتز معمولاً بصورت SiO₂ خيلي خالص نيز يافت مي شود در مطالعه كوارتز دو پديده مهم قابل توجه است:

1-   اگر چه كوارتز فاز پايدار در دماهاي كمتر از 867 درجه است اما كريستوباليت و يا تريديميت هم مي توانند در زير اين دما متبلور شوند بخصوص هنگامي كه تبلور به سرعت رخ مي دهد. (مثلاً در حضور كانه زاها يا مينراليزرها (Mineralizers) چون گازهاي داغ).

2-   كوارتز دما پايين و كوارتز دما بالا فقط در محدوده حوضه پايدار خود تشكيل مي شوند و هيچگاه در دماي بالاتر تشكيل نمي شوند از روي اين اصل مي توان به نتايج زير دست يافت:

حضور كوارتز در يك سنگ آذرين نشان دهنده اين است كه تبلور آن از ماگماي در دماي زير 867 درجه صورت گرفته است (البته با در نظر گرفتن اثر فشار) از طرف ديگر حضور كريستوباليت با تريديميت بهيچوجه نمي تواند نشان دهنده دماي تبلور باشد. در درجات حرارت معمولي كوارتز همواره بعنوان كوارتز كم حرارت حضور دارد.

 

میکاها

ميكاها سيليكاتهايي ورقه اي هستند كه مي توان گفت همان پيچيدگي ساختاري و شيميايي آمفيبولها را دارند. واحد ساختاري اصلي آن را مي توان بصورت يك ساندويچ تلقي كرد كه از دو ورقه مقابل و متشكل از چهاروجهي هاي داراي تقارن شش ضلعي كه از يكديگر بوسيله لايه اي از كاتيونهاي مركزي با كورديناسيون هشت وجهي جدا شده اند تشكيل گرديده. اكسيژنهاي ناپلزن هر ورقه چهار وجهي رو به وسط ساندويچ قرار دارند جايي كه بوسيله كاتيونهاي داراي كورديناسيون هشت وجهي و كاتيونهاي كناري چهار وجهي به اشتراك گذاشته مي شوند. حفره هاي شش ضلعي موجود در اين لايه اكسيژنهاي ناپلزن نيز مانند آمفيبولها بوسيله يونهاي هيدروكسيلي كه همگي به كاتيونهاي داراي كورديناسيون شش متصلند پر شده اند. اين روابط در شكل زير كه مقطع عرضي از ساختار لايه اي است بطور نموداري نشان داده شده است.

شکل 5-4: نمايش محل قرار گرفتن اتمها در ساختار ميکا، در مقطعي عرضي، عمود بر ورقها، يک واحد تکرار ساندويچي نشان داده شده است. اندازه نسبي کرات تناسبي با شعاعهاي يوني ندارد.

نظر به اينكه هر صفحه چهار وجهي در هر ساندويچ نسبت به صفحه مقابل خود داراي انحراف جانبي مي باشد ساختار كامل فاقد تقارن شش ضلعي هر لايه مجزا از يون ها است. رايج ترين ساختارهاي ميكا بر مبناي شبكه مونوكلينيك براودي C قرار گرفته اند سيستم هاي مختلف بهم پيوستن ساندويچ هاي متوالي نيز سبب تشكيل انواع كمياب تر ميكاهاي تريكلينيك و شش ضلعي مي شود. در كليه ساختارهاي شبكه – لايه اي، لايه هاي اكسيژن پلزن مجاور هم در ساندويچ هاي همجوار درست بالاي سر يكديگر قرار مي گيرند (بعبارت ديگر تصوير آينه اي يكديگرند) اين (برهنش) يا روي هم قرار گرفتن حلقه هاي شش عضوي اكسيژنهاي پلزن توليد يك موضع بزرگ كاتيوني با كورديناسيون 12 مي كند كه غالباً بوسيله پتاسيم (شعاع يوني = 1.45 A⁰) و در موارد نادرتر بوسيله سديم (شعاع يوني = 1.0 A⁰) اشغال مي شود.

گرچه در طبيعت مي توان انواع ميكاي غني و فقير در سيلي سرا يافت ليكن در اكثر ميكاها يك چهارم از مواضع داراي كورديناسيون چهار وجهي بوسيله آلومينيم اشغال شده و فرمول يك لايه از سيليكات ورقه اي نيز بصورت (Si₃AlO₁₀)^-5 نوشته مي شود. كمبود بار الكتريكي حاصله در لايه هاي چهار وجهي بوسيله وجود كاتيونهاي بزرگ يك ظرفيتي ميان لايه اي (ميان ساندويچي) جبران مي شود. در برابر هر چهار وجهي موضع داراي كورديناسيون چهار وجهي در ساختار سه موضع هشت وجهي وجود دارد. نيازهاي الكتروستاتيك محلي اشغال كامل مواضع داراي كورديناسيون شش را بوسيله كاتيونهاي دو ظرفيتي و يا اشغال دو سوم از اين مواضع را بوسيله كاتيونهاي سه ظرفيتي ايجاب مي كند. در هر حالت اول ميكاها را هشت وجهي - سه مي نامند زيرا در مقابل هر چهار كاتيون چهار وجهي سه كاتيون R⁺² وجود دارد در حالت دوم نيز ميكا به هشت وجهي - دو موسوم است زيرا در مقابل هر چهار كاتيون داراي كورديناسيون چهار وجهي دو كاتيون R⁺³ موجود است. در هر دو حالت ساندويچ هاي مجاور بوسيله كاتيونهاي بزرگ يك ظرفيتي داراي كورديناسيون 12 بطور ضعيفي بهم متصلند. بعنوان مثالي از ميكاهاي هشت وجهي - دوي تيپيك مي توان از مسكويت Kal₂Si₃AlO₁₀(OH)₂ و پاراگونيت NaAl₂Si₃AlO₁₀(OH)₂ نام برد. رايج ترين ميكاهاي هشت وجهي - سه عبارتند از بيوتيت ها K(Mg , Fe⁺²)₃Si₃AlO₁₀(OH)₂ كه اعضاء واسط سري دو همنه اي هستند كه از فلوگوپيت KMg₃Si₃AlO₁₀(OH)₂ شروع شده و تا آنيت Kfe₃⁺²Si₃AlO₁₀(OH)₂ ادامه مي يابد.

 

ويژگي	مسکويت	بيوتيت
شبکه براوه	مونوکلينيک C	مونوکلينيک C
شبکه بلوري متداول	صفحات شش ضلعي	صفحات شش ضلعي
رخ	قاعده اي کامل	قاعده اي کامل
شکست	نا مشخص	نا مشخص
سختي	2.5 تا 3	2.5 تا 3
رنگ	بيرنگ، سبزروشن يا کهربايي ، سفيد	قهوه اي تيره، سياه ، خاکستري
خط اثر	سفيد	خاکستري
وزن مخصوص	2.8-2.9	2.8-3.4
خاصيت ويژه	بصورت ورقه هاي نازک در مي آيد.	بصورت ورقه هاي نازک در مي آيد.

 

 در يك ساندويچ چهار وجهي _ هشت وجهي _ چهار وجهي انفرادي پيوندهاي سيليسيوم _ اكسيژن و آلومينيم _ اكسيژن چه آنهايي كه بين ورقه ها قرار گرفته اند و چه آنهايي كه بين لايه هاي مجاور متصل از پهلو واقع شده اند بسيار قوي است و ساختار را مانند يك واحد منسجم نگه مي دارند. در عوض ساندويچ هاي متوالي توسط يون هاي بزرگ و ضعيف قليايي به يكديگر متصلند. اين اتصال از نظر آماري يك الكترون را بين 12 اكسيژن مجاور تقسيم مي كند. نظر به اينكه اين گونه پيوندها به آساني مي شكنند جابجايي ساندويچ هاي مجاور آسان بوده و اين خود منجر به بوجود آمدن سختي ناچيز و رخ كامل ساندويچ هاي مجاور و موازي با ورقه ها مي گردد.

ميكاها معمولاً در سنگهاي آذرين رسوبي و دگرگوني بسياري از محيطهاي متفاوت زمين شناسي يافت مي شوند. دليل اين چنين محدوده گسترده اي را مي توان در پايداري گرمايي وسيع آنها جستجو كرد. براي مثال فلوگوپيت خالص كه در دماهاي بالاتر از 1000 درجه سانتيگراد پايدار است بعنوان تنها كاني آبدار اوليه در لوله هاي كيمبرليت آفريقاي جنوبي جايي كه با اليوين و كلينوپيروكسن همجوار است يافت مي شود. بيوتيت هاي منيزيم بصورت فازهاي فرعي در گدازه هاي غني از منيزيم و در سنگهاي معادل آنها در اعماق زياد زمين يا به اصطلاح درهم - ارزهاي عمقي آنها يافت مي شوند.

در هر صورت در بين سنگهاي آذرين بيوتيت ها بطور مشخص در خاستگاه هاي گرانيتي وسيع مانند آيداهو، كاليفرنيا، اونتاريو، كبك، فنوسكانديا، فرانسه، نيجريه، هندوستان و بسياري مناطق ديگر يافت مي شوند. بيوتيت در سنگهاي گرانيتي معمولاً با يك يا دو فلدسپار قليايي و كوارتز همراه است در موارد نادرتر نيز با مانيتيت، هورنبلند يا مسكويت همجوار مي شود. بيوتيت و بويژه مسكويت مشخصه سنگهاي گرانيتي بسيار درشت دانه اي موسوم به پگماتيت هستند اندازه دانه ها در اين سنگها به حدود ده سانتيمتر يا بيشتر هم مي رسد مثالهاي نمونه را مي توان در شبه جزيره كارلي ين (واقع در اتحاد جماهير شوروي)، گرينلند كاليفرنيا، شمال كارولينا  برزيل و هندوستان يافت. مسكويت و فلوگوپيت هم در صنايع الكترونيك در كندانسورها و هم بصورت عايق الكتريكي و گرمايي بكار مي روند اين ميكاها اساساً از پگماتيت ها استخراج مي شوند.

ميكاها تقريباً در تمام سنگهاي دگرگوني به استثناي پردماترين آنها يافت مي شوند. فلوگوپيت در سنگ آهكهاي دولوميتي ناخالص كه دچار تبلور ثانويه شده باشند ديده مي شود جايي كه با كلسيت، ديوپسيد و يا تره موليت همزيست است.

در خاستگاه هاي دگرگوني ناحيه اي چنان وسيع و سيستماتيك است كه از وجود آنها براي نشان دادن شرائط فيزيكي تقريبي در تبلور ثانوي استفاده مي شود. در ميان همجوارهاي معمولي اين ميكاها مي توان از كلريت، گارنت، پلاژيوكلاز، سديم، اپيدوت و يك پلي مورف Al₂SiO₅ نام برد.

مسكويت و همچنين مسكويت غني از سيليسيوم و فقير در آلومينيم شاخص رسوبات ريز دانه گلي نيز هستند. مسكويت به دو صورت   1) دانه هاي رسوبي اصلي   2) مواد ميكا داري يافت مي شود كه پس از رسوب گذاري بوسيله تبلور ثانوي كانيهاي رسي از قبل موجود رشد كرده اند.

فلدسپارها:

فلدسپارها از نظر ساختاري داراي پيچيدگيهاي شگفت آوري بوده ولي از نظر شيميايي ساده هستند. آرايش اتمي از چهار وجهي هاي سيليسيوم و آلومينيم كه در يك داربست سه بعدي پليمريزه شده اند تشكيل گرديده است. هر چهار گوشه اين چهار وجهي ها بوسيله اكسيژنهاي پلزن اشغال شده است. بنابراين بار الكتريكي منفي داربست نسبت مستقيم دارد با تعداد يونهاي آلومينيم سه ظرفيتي اشغال كننده مواضع داراي كورديناسيون چهار : تعادل الكتروستاتيك محلي بوسيله حضور تعداد برابري از كاتيونهاي قليايي و يا به تعداد نصف آنها كاتيونهاي قليايي خاكي كه در حفره هاي داراي كورديناسيون تقريباً نه كه در خلل و فرج داربست واقع شده اند حفظ مي شود.

آلومينيم و سيليسيوم در فلدسپارهاي پردما بطور تصادفي بين مواضع داراي كورديناسيون چهار توزيع شده اند ولي همين دو در پلي مورفي كه حدود محدوده دمايي 500-700 درجه سانتيگراد متبلور مي شود از نظم اندكي برخوردارند. متقابلاً در انواع فلدسپارهاي پتاسيم كم دما، آلومينيم تنها به يك موضع ويژه در چهار وجهي محدود مي شود و اين در حالي است كه سيليسيوم سه موضع ديگر را اشغال مي كند. وجود تفاوت سيستماتيك در اشغال مواضع ساختاري در دماهاي كم باعث مي شود تا آرايش اتمي به دليل انقباض ساختمان در اين دماها نسبت به توزيع همگن تر در ساختارهاي پر دما از تقارن كمتري برخوردار باشد. فلدسپارهاي پتاسيم كه در دماهاي كمتر از 500 درجه سانتيگراد متبلور مي شوند ساختاري تريكلينيك دارند (ميكروكلين) در حالي كه پلي مورف هايي كه در درجه حرارتهائي بالاتر از اين دما پايدار هستند مونوكلينيك هستند (سانيدين كاملاً بهم ريخته و اورتوكلاز كمي منظم)

دليل سختي و نقطه ذوب فلدسپارها (بيش از 1000 درجه سانتيگراد) وجود پيوندهاي قوي سيليسيوم _ اكسيژن و آلومينيم _ اكسيژن است. اين پيوندها در كليه جهات متقابلاً به يكديگر متصل بوده و در نتيجه باعث انسجام زياد ساختار گشته اند. كاتيونها بزرگ يك ظرفيتي و دو ظرفيتي در حفره هاي خلل و فرجي ساختار بطور مجزا قرار داشته و چار چوب چهار  وجهي ها مانند پلي از روي آنها عبور مي كند. رخ ها كه موازي با قاعده و بخصوص سطح جانبي سلول واحد هستند سطوحي را تشكيل مي دهند كه در مقايسه با ساير راستاهاي ساختار از چگالي پيوندي كمتري برخوردارند. كم رنگ بودن فلدسپارها نيز ناشي از وجود الكترونهاي داراي پيوند شديد در ساختار است علاوه بر اين فقدان مواضع كاتيوني با اندازه هاي متوسط از ورود يون هاي رنگزاي آهن تيتانيوم و منگنز به درون ساختار جلوگيري مي كند.

از نظر شيميايي مي توان فلدسپارها را بصورت سه عنصر انتهايي اصلي تعريف كرد:  1) KalSi₃O₈ سانيدين اورتوكلاز و ميكروكلين   2) NaAlSi₃O₈ آلبيت     3) CaAl₂Si₂O₈ آنورتيت.

 در سومين نوع ذكر شده نيمي از مواضع چهار وجهي بوسيله آلومينيم اشغال شده است در صورتي كه در دو نوع اول تنها يك چهارم اين مواضع را آلومينيم اشغال مي كند. فلدسپارهاي طبيعي به دو سري محلول جامد مشخص دو همنه اي تعلق دارند. فلدسپار هاي واقع بين اعضاي انتهائي Na_K  فلدسپارهاي قليايي ناميده شده و آنهايي كه بين اعضاي انتهايي Ca_Na  واقع شده اند پلاژيوكلاز نام دارند. تغييرات شيميايي ارائه شده در شكل زير نشان مي دهد كه ميژاكي (اختلاط پذيري ) متقابل اين دو سري در دماهاي بالاتر بيشتر از دماهاي پايين است و علاوه بر آن بدون توجه به شرائط تشكيل محلول جامد موجود بين آنورتيت و فلدسپار پتاسيم محدود است. تركيبات شيميايي سري فلدسپارهاي پتاسيم و پلاژيوكلاز را مي توان به راحتي با استفاده از اين سه عضو انتهايي مشخص كرد. بنابراين Ab₅₀Or₅₀ يك فلدسپار قليايي است با نسبت هاي مساوي از NaAlSi₃O₈ و KalSi₃O₈ اما فاقد CaAl₂Si₂O₈ مي باشد ولي فرمول آن را مي توان بصورت Na_0.5K_0.5AlSi₃O₈ نوشت. علامت Ab₃₀Or₁₀An₆₀ نشان دهنده يك پلاژيوكلاز كلسيم است كه مقدار كمي پتاسيم دارد و فرمول آن نيز بصورت Na_0.3K_0.1Ca_0.6Al_1.6Si_2.4O₈ نوشته مي شود.

روابط پايداري گرمايي سري پلاژيوكلازها در فشار يك اتمسفر در شكل زير نشان داده شده. در دماهاي زياد محلول جامد كامل بين NaAlSi₃O₈ و CaAl₂Si₂O₈ رخ مي دهد و در نتيجه پلاژيوكلاز در گدازه ها پايدار مي باشد. مانند ساير جامدات (كه شامل يخ در فشارهاي بالاتر از 2000 بار نيز مي شود) افزايش فشار كل در پلاژيوكلاز ها نيز باعث بالا رفتن نقطه ذوب مي شود زيرا در اين صورت حجم و آنتروپي فاز جامد از مذاب كمتر خواهد بود.

 

به هر حال همانطور كه در فصل 2 بحث شد اگر سيالي موجود باشد كه بتواند تنها در فاز مذاب حل شود و نه در فاز افزايش مايع نقطه ذوب نيز به دليل كاهش حجم در هنگام عمل ذوب كاهش مي يابد (در مورد ذوب آلبيت بعنوان تابعي از فشار سيال شكل بالا  را ببينيد) بنابراين گرچه افزايش فشار (خشك) برآن دارد كه دماي ذوب پلاژيوكلاز را در مقايسه با رفتار ارائه شده در شكل زير بالا ببرد اما در واقع فشار زياد سيال مايل يه پايين آوردن دماي ذوب است. شكل زير براي سهولت تعادل فازي تجربي را در فشار سيالي برابر با 3000 بار براي سيستم دو همنه اي NaAlSi₃O₈ _ KalSi₃O₈ نشان مي دهد. درست مانند حالتي كه در سري پلاژيوكلازها مشاهده شد.در اينجا نيز در دماهاي بالا محلول جامد كامل وجود دارد با اين همه حداقل دماي ذوب از نظر تركيبي بجاي آنكه در يكي از اعضاي انتهايي قرار بگيرد به واسطه اين سري نزديك است. يك منحني سلووس فلدسپار قليايي نيز در دماهاي كمتر از 680 درجه سانتيگراد ديده مي شود. هر تركيب شيميايي واقع در محدوده منحني سلووس كه تنها از يك فاز همگن تشكيل شده باشد. پايدار نبوده و بوسيله دو فاز ديگر (يك فلدسپار قليايي غني از پتاسيم و يك فلدسپار غني از سديم) جايگزين مي شود. از اين روابط فازي مي توان فهميد چرا در سنگهاي آتشفشاني پر دما محلول جامد فلدسپار قليايي بسيار گسترده تر از سنگهاي آذرين هم ارز آنها در اعماق زياد و بويژه از سنگهاي دگرگوني كه در دماهاي كمتر از دماي ماگما دچار تبلور ثانوي مي شوند بيشتر است.

تبلور ماگما

 

در تبلور ماگما دو پديده مهم وجود دارد:

1) تقريباً تمام كانيهاي سنگ ساز سريهاي محلول جامد هستند. تبلور سيستم هاي داراي محلول جامد اين گونه تركيباتي در محدوده اي از دما صورت گرفته و فاز هاي جدا شونده از مذاب نيز داراي طيف تركيبي قابل ملاحظه اي هستند. مسير تبلور بستگي به نرخ انجماد و حضور و يا خروج بلورهاي اوليه تشكيل شده دارد. در حالي كه در تبلور يوتكتيك نرخ انجماد هيچ نقشي را ايفا نكرده و وضعيت نهايي هميشه يكسان است هرچه بلورهاي اوليه خارج شده يا در مذاب باقي بماند.

مسير تبلور : الف) نرخ انجماد  ب) حضور و يا خروج بلورهاي اوليه

2)  پديده مهم ديگر در سيستم هاي سيليكاتي وقوع فراوان ذوب نامتجانس است.

ذوب نامتجانس: ذوبي كه طي آن يك فاز جامد از طريق واكنش با مايع به دو فاز مختلف تبديل مي شود. بنابراين تبلور ماگما از طريق دو نوع واكنش مشخص مي شود:

الف) واكنش پيوسته (Cantinuous reactions): سريهاي محلول جامد كه در آنها تركيب بلورهاي اوليه بطور پيوسته از طريق واكنش با مذاب تغيير مي كند.

ب) واكنش نا پيوسته (Discantinuous R.) : در اين واکنش فاز تشکيل شده اوليه با مذاب واکنش داده و تبديل به فاز جديد مي شود که داراي ساختمان بلوري و ترکيب شيميايي متفاوت است.

مفهوم واكنش به عنوان پديده بنيادي تبلور ماگما حاصل تحقيقات باون بوده و توسط وي بصورت اصل واكنش ارائه گرديده.

اهميت پترولوژيكي اصل واكنش:

1-   با كاهش دما: دو فاز اوليه (بيتونيت و اليوين) كمابيش به طور كامل با مذاب واكنش داده و تبديل به پيروكسن و لابرادوريت مي شود.

الف) اگر تفكيكي صورت نپذيرد: مذاب بصورت يك سنگ متشكل از پيروكسن و لابرادوريت يعني يك بازالت و گابرو منجمد مي شود.

ب) اگر تفكيكي رخ دهد: بعضي باز اليوين و بنتونيت تشكيل شده از سيستم خارج شود فرآيند واكنش جلوتر رفته و مذاب باقيمانده بر روي پيروكسن و لابرادوريت عمل مي كند تا تشكيل هورنبلند و آندزيت مي دهد.

درجه تفكيك خيلي زياد باعث مي شود كه تمام سري واكنش طي شده و مايع نهايي در واقع محلولي آبگين و غني در سيليس باشد.

نكات برجسته سري واكنش پيوسته:

1) افزايش پيچيدگي اتصال سيليكاتي است     تكتو  صفحه اي  زنجيرهاي  دمبلي  فروسيليكات

2) افزايش حجم كانيها به شرح زير است:

ديوپسيد                   434A⁰³                                  فورستريت        294A⁰³

بيوتيت                   979A⁰³                                          هورنبلند          925A⁰³

افزايش غلظت بيشتر مواد فرار در بخش پاياني ورود فلوئور و هيدروكسيد به ساختار هاي مشخص (آمفيبول و بيوتيت) كه دليل بر غلظت بيشتر مواد فرار است. از آنجا كه بيوتيت مقدار متنوعي پتاسيم دارد. تبلور آن به جاي هورنبلند احتمالاً ناشي از افزايش غلظت K است.

حال بر عكس = افزايش ثبات گرمائي است. هر كدام از ساختمانها كه  در سري واكنش داراي مقام پائين تري است ممكن است در اثر حرارت از هم پاشيده و به صورت ساختاري كه در واكنش مقام بالاتري را اشغال كرده در آيد.

مثال : با افزايش گرما        Biotite      Amph    Pyroxen   Oliv

هر مرحله معمولاً با توليد يك مايع باقي مانده همراه است.

ذوب   پيروكسن + يك مايع و يا ذوب پيروكسن     اليوين + يك مايع در آزمايشگاه بررسي شده

مرحله بعدي : جايگزين اتمي است.

افزايش درجه جايگزيني Si بوسيله Al است. در اليوين هيچ شاهدي مبني بر جايگزيني نيست.

در پيروكسن شواهد جايگزيني وجود دارد: ژادئيت NaAlSi₂O₆ و اليوين LiAlSi₂O₆ آزبست (Ca , Mg , Fe , Al)₂(Al,Si)₂O₆ در آمفيبولها ماگمائي بيشتر بوده هورنبلند (Ca , Na , Mg , Fe , Al)_7-8(Al , Si)₈O₂₂(OH)₂ در ميكا (بيوتيت) حداقل يك چهارم اتمهاي Si هميشه بوسيله Al جايگزين شده اند متغير است.

Si : Al            6:2  to 5:3

جايگزيني در سري پيوسته:

بر خلاف اين پديده نسبت Si : Al در سري واكنشهاي پيوسته عكس سري ناپيوسته است يعني 1:1 در آنورتيت 1:3 در آلبيت و فلدسپار پتاسيم دار نشان مي دهد. نسبت Na + K :Al در هر سري واكنش هاي پيوسته و ناپيوسته متغير است. فزايندهاي از 0 تا 1 را نشان مي دهد.

جايگزيني موجب افزايش پايداري مي شود:

جايگزيني Al بجاي Si در ساختار باعث مي شود كه دماي از هم پاشي بالا رفته و در نتيجه كاني مقام بالاتري در سري اشغال كند. (موضوع مربوط به هر دو سري واكنش مي شود.)

غني و فقير شدن بعضي از عناصر در ماگما:

سري هر واكنش وضعيت صحيح جدايش و تجمع عناصر را ضمن تبلور در اختيار ما قرار مي دهد.

الف) نخستين كانيها تشكيل شده يعني اليوين و پلاژيوكلاز كلسيم دار در سيليس فقير بوده بنابراين مايع باقيمانده غني از سيليس مي شود.

ب) اليوين از منيزيم و پلاژيوكلاز غني از كلسيم است: بنابراين غلظت اين عناصر در مايع كاهش مي يابد.

ج) تبلور اليوين باعث تغيير نسبت Mg : Fe مي شود : زيرا اين نسبت در بلورها هميشه بيشتر از مايعي است كه بلورها از آن جدا مي شوند.

د) اليوين و ساير كانيها فرومنيزين هر يك به تنهايي يك سري پيوسته مي باشد كه در آنها بلورهايي كه اول تشكيل مي شوند از منيزيم و بلورهاي آخري از آهن غني هستند.

ه) همراه با پيشرفت تبلور پيروكسن به جاي اليوين فاز پايدار مي شود.

و) در اين مرحله كلسيم مي تواند از مذاب بصورت پلاژيوكلاز و يا اوژيت خارج شود.

ز) مايع بطور نسبي غني از Na , K , Si  مي شود.

ح) در اين مرحله با كاهش Ca بر مقدار Na افزوده شده و هورنبلند در سري ناپيوسته بصورت فاز پايدار ظاهر مي شود و مقداري Na در ساختار اين كاني جاي مي گيرد.

ط) پتاسيم (K) تا مراحل بالائي تبلور در مايع باقي مي ماند زيرا فقط بيوتيت و فلدسپار پتاسيم دار مي تواند مقدار قابل ملاحظه اي از اين عنصر را از مايع خارج كند.

نتيجه: بنابراين بر طبق اصل واكنش تبلور تفكيكي يك ماگماي بازالتي تحت شرائط مناسب مي تواند منجر به تشكيل سنگهايي شود كه بطور فزاينده اي سيليسي تر بوده و نهايتاً تركيبي گرانيتي بوجود آيد.

مثال : در منطقه اسلو.  سنگهاي پلوتونيكي كالدونين غرب اسكاتلند. باتوليت كاليفرنيا

 

 

ترموديناميك تبلور ماگمايي:

قانون مهم گلدشميت:

گلدشميت از روي مطالعه ساختارهاي بلوري و همچنين ملاحظات مربوط به انرژي قوانين كلي زير را بعنوان راهنمايي كلي براي تعيين مسير يك عنصر در يك سيستم چند همنه اي در ضمن تبديل مايع بلور ارائه نموده است.

1) اگر دو يون داراي شعاع و بار الكتريكي يكسان باشند هر دو با سهولت يكسان مي توانند وارد شبكه بلوري شوند.

2) اگر دو يون داراي شعاع نزديك به هم اما بار الكتريكي يكسان باشند يون كوچكتر با سهولت بيشتر مي تواند وارد شبكه بلوري شود.

3) اگر دو يون داراي شعاع يوني نزديك به هم اما بار الكتريكي متفاوت باشند يوني كه داراي بار الكتريكي بيشتري است راحت تر مي تواند وارد شبكه بلوري شود.

قوانين فوق بيان كننده اين مطلب هستند كه كاتيوني كه قويترين پيوند شيميايي را تشكيل مي دهد موضع بلوري را بطور ترجيحي اشغال مي كند.

تبلور تفكيكي و ذوب

ملاحظات تجربي و نظري رفتاري عناصر جزئي در تبلور تفكيكي و ذوب جزئي اطلاعات مفيدي را در رابطه با منشأ و تكوين شيميايي ماگماها ارائه مي كند. مدلهاي ارائه شده در رابطه با عناصر جزئي بر مبناي ضريب شركت پذيري جامد – مايع (K) عناصر جزئي قرار دارد. هنگامي كه جرمي معادل dm از يك ماگماي مايع متبلور مي شود بخشي از عناصر جزئي معادل dx وارد فاز جامد مي گردد. در شرائط تعادلي خواهيم داشت كه :     dx/dm=K x/m

در اين رابطه x مقدار عنصر جزئي باقي مانده در ماگماي داراي جرم m است. انتگرال گيري از اين معادله در حقيقت بيان كننده غلظت عنصر جزئي C_m در ماگما است: C_m = C₀F^k-1                 

كه C₀ غلظت عنصر جزئي در ماگماي اوليه و F بخش متبلور شده ماگما است. غلظت عنصر در فاز جامد نيز برابر خواهد بود با:     C_s = KC_liquidF^k-1   

براي يك جامد همگن كه در آن آخرين جزء متبلور شده در تمام مواد بلوريني كه قبلاً متبلور شده اند نيز توزيع شده و يا به عبارتي يك قطعه به عنوان نماينده كل جامد براي تجزيه انتخاب شده مقدار متوسط C_s را مي توان به شكل زير بدست آورد:     

C_s = C_liquid 1-Fk/1-F

عناصر جزئي در تبلور ماگما:

1) استتار: هنگامي كه يك عنصر جزئي داراي بار الكتريكي مساوي و شعاع يوني نزديك به يك عنصر به يك عنصر اصلي باشد معمولاً مي گوئيم اين عنصر جزئي در شبكه بلوري دارنده عنصر اصلي استتار شده است.

مثال Ga⁺³  (0.62A⁰)  در كانيهاي Al و HF⁺⁴  (0.78A⁰) در كانيهاي زيركونيم استتار شده است.

2) اسير: اگر يك عنصر جزئي داراي شعاع يوني مشابه اما بار الكتريكي بزرگتر از عنصر اصلي باشد (يا بار يكسان اما شعاع كوچكتر ) مي گوئيم كه اين عنصر در شبكه بلوري در بردارنده عنصر اصلي اسير شده.

مثال : Ba⁺²  (1.36A⁰) در كانيهاي K⁺   (0.38A⁰).

3) پذيرفته: اگر يك عنصر جزئي داراي شعاع يوني مشابه اما بار الكتريكي كوچكتر از عنصر اصلي باشد (يا بار مشابه اما شعاع بزرگتر) مي گوئيم كه عنصر جزئي در شبكه بلوري در بردارنده اصلي پذيرفته شده است.

مثال: Li⁺  (0.74A⁰) در كانيهاي منيزيم.

عناصر جزئي كه در پتروژنز و كانسارزايي اهميت دارند عبارتند از :

Cu , Cr , Ni , Co , Mn , Pb , Zn , Au , Ag

عناصر مهم در مطالعه پتروژنز:

سزيم Cs   با K جانشين مي شود و در بيوتيت فلدسپار پتاسيم دار جمع مي شود.

K Rb  جايگزين با K با پيشرفت تفريق نسبت Rb:K افزايش پيدا مي كند و در فلدسپار و ميكاي پگماتيتي به حداكثر مي رسد.

Ba  K (K تنها عنصر داراي اندازه يوني قابل مقايسه با باريم است) در بيوتيت و فلدسپار يافت مي شود.

Sr  Ca و هم K , Sr در كانيهاي كلسيم به صورت پذيرفته شده (بخاطر بار بيشتر) و در كانيهاي پتاسيم بصورت اسير شده (بخاطر بار بيشتر)

عناصر خاكي شامل:

Y   آلومينيم و ...    

Mn  منگنز در ماگما بصورت يون Mn⁺² حضور داشته و انتظار مي رود كه به همين شكل جانشين Fe⁺² و Ca⁺² شود. اندازه بزرگتر يون Mn باعث مي شود كه اين عنصر بصورت پذيرفته شده در كانيهاي فرومنيزين حضور يابد.

محلولهاي باقيمانده و پگماتيت ها:

ماده مذاب باقي مانده از تبلور تفكيكي ماگما بطور كلي مايعي غني در سيليس قليايي ها و Al خواهد بود كه حاوي آب و ساير اجزاي فرار بوده و غلظت آن دسته از عناصري كه نمي توانند وارد شبكه كانيهاي رايج سنگهاي آذرين شوند در اين مايع زياد است. چنين مايعي احتمالاً بطور غير عادي سيال بوده و بخاطر غلظت بالاي مواد فرار با مذاب سيليكاتي تفاوت بسيار دارد. پگماتيتها را معمولاً همراه با گرانيت مي توان يافت. پگماتيتهاي گرانيتي اساساً از كوارتز و فلدسپار هاي قليايي تشكيل يافته و معمولاً مقداري مسكويت و بيوتيت همراه دارند. تفاوت اصلي آنها با گرانيتها در بافت آنهاست. پگماتيتها را معمولاً همراه با گرانيت ها ميتوان يافت. پگماتيتهاي گرانيتي اساساً از كوارتز و فلدسپار هاي قليايي تشكيل يافته و معمولاً مقداري مسكوست و بيوتيت همراه دارند. تفاوت اصلي آنها با گرانيت ها در بافت آنهاست.

كانيهاي پگماتيتي از نظر اندازه دانه ها فوق العاده متفاوت بوده و بطور تيپيك درشت دانه بوده و بعضي از بزرگترين بلورهاي شناخته شده در آنها ديده شده است.

مثال :

1)  بريل به وزن 18 تن

2)  مسكويت به وسعت m² 7

3)  كوارتز به طول 2 متر در اورال

4)  اسپودومن بطول 14 متر در آمريكا

5)  اورتوز به وزن 100 كيلوگرم در نروژ

6)  زيركن به وزن 6 كيلوگرم در كانادا

دايكهاي آپليتي (Aplite Dikes)

بنا به نظر جانز و بورنام (Jahnes & Barnham) بافتهاي پگماتيتي هنگامي تشكيل مي شوند كه ماگماهاي غني از مواد فرار در زير نقطه بحراني محلول سرد شونده دچار جوشش دوم

 (Secord Boiling) شوند. در اثر اين جوشش دو فاز سيال تشكيل مي شوند كه فاز رقيق تر فضاي لازم براي رشد بلورها از يك فاز داراي ويسكوزيته بيشتر را فراهم مي آورد . اگر دماي محلول به زير دماي نقطه بحراني نرسد به جاي پگماتيت ها، دايكهاي آپليتي ريز دانه تشكيل خواهد شد.

انواع پگماتيت:

پگماتيتها از نظر شيميايي و مينرالوژي به دو گروه تقسيم مي شوند. (Schelle)

الف) پگماتيتهاي ساده: آنهايي هستند كه از نظر مينرالوژي ساده بوده و عمدتاً داراي فلدسپار (ميكروكلين) و كوارتز بوده.

ب) پگماتيتهاي ساده: داراي انواع كانيها بوده از نظر دارا بودن عناصر كمياب و كانيهاي غير عادي بسيار مورد توجه بوده است. پگماتيتهاي كمپلكس در واقع همان پگماتيتهاي ساده بوده كه بعداً بوسيله محلولهاي گرمابي كانيهاي ديگر در آنها جاي گرفته اند كه به اين پگماتيتها پلي فازيك

 (Polyphasic pegmatit) نيز گفته مي شود.

اين پگماتيتها از نظر اقتصادي حائز اهميت بوده و به منظور استخراج ليتيم، بريليم، اسكانديم (Sc) روبيديم (Rb) يتريوم (Y)  Zn , Mo , Sr، سزيم Cs عناصر نادر خاكي نيوبيوم (Nb) تانتالوم (Ta) تنگستن (W)   توريم (Th) اورانيوم (U) و بعضي كانيهاي صنعتي مانند فلدسپار مسكويت، فلوگوپيت، تورمالين، كوارتز مورد بهره برداري قرار گرفته اند.

پگماتيتهاي منطقه اي (Band and Layer Pegma): الف) پگماتيتهاي تاريك    ب: پگماتيتهاي روشن

اكثر پگماتيتهاي پيچيده داراي منطقه بندي داخلي بوده و معمولاً بصورت لايه هاي .متناوب تاريك و روشن مي باشند. لايه هاي روشن داراي كوارتز و فلدسپار و لايه هاي تاريك با تيره داراي تورمالين، مسكويت و غيره مي باشد.

Homogeneus pegmatites  The pegmatites having a single zon and more or leus unilorm mineralogy and texture drom and wall to the ither  have been designated as Homogereous pegmatite , whil includuos all unzordpegmatite.

Heterogrous pegmatites  Those haring variation in mineralogy and texture drom the borden to the contene are collot heterogoneus pegmatite.

آناتكسي و پگماتيت:

بسياري از پگماتيتها بخصوص آنهايي كه در خاستگاه هاي بشدت دگرگوني شده قرار دارند ممكن است در اثر ذوب تفريقي (Anatexis) سنگهاي قبلي بوجود آمده باشند. اگر پگماتيتي آخرين جزء متبلور ماگما باشد منطقي خواهد بود كه انتظار داشته باشيم نخستين جزء ذوب شده سنگ نيز تركيب پگماتيتي داشته باشد. (حرارت لازم 500 تا 700)

گرايزن: (Greisen)

تشكيل پگماتيتها تا حدودي مي تواند ناشي از عوامل كنترل كننده ساختاري هم باشد. بدين ترتيب كه در محيطهاي سنگي اي كه نتواند محلولهاي باقيمانده تحت فشار را نگهدارند محلولها در سنگ ديواره اطراف منتشر شده و سنگي از نوع گرايزن بوجود مي آورند. كانيهاي عمده آن مسكويت و كوارتز است ممكن داراي مقداري F و Li نيز باشد. گرايزن نوعي متامورفيسم است.

در بيشتر موارد رگه هاي گرمابي (Hydrothermal veins) يا هيدروترمال از پگماتيت هاي همزاد خود جوانتر هستند.

كانيهاي سولفيدي آرسنيدي و طلا هم در بعضي از پگماتيتها گزارش شده است. بعضي از زمين شناسان عقيده دارند كه محلولهاي هيدروترمال بصورت فازي مجزا پس از مرحله پگماتيتي تشكيل مي شوند.

اجزاي فرار ماگما:

H₂O  و Co₂ و H₂S و مقادير جزئي HCl و N₂ و HF .

با تغيير فوگاسيته اکسيژن تغييرات اساسي ممکن است در ترکيبات گوگرد موجود رخ دهد.

H₂S نوع غالب گوگرد در ماگماهاي احيا کننده است.

اما در شرائط اکسيد کننده SO₂ از اهميت بيشتري برخوردار است. مواد گازي خروجي از ماگما بسياري از عناصر ديگر  را جمع کرده ، منتقل نموده و رسوب داده اند.

اسفالريت، کووليت، کلريد فريک در دهانه دودخانها يافت شده است يعني جايي که مواد مستقيماً از گازها نهشته شده اند. مثل دره هزار دود در آلاسکا.

ماگماتيسم و رسوبگذاري سنگها

بسياري از کانسارها داراي رابطه ژنزي با ماگماها هستند برخي از اين شواهد در همراه بودن زمين شناسانه کانسارها با سنگهاي آذرين نهفته است. جدايش و تجمع کانه ها در ماگماها پديده شناخته شده است با اين وجود اختلاف عقيده اي اساسي در رابطه با فرآيندهايي که کانه ها از طريق آنها از منشأ اصلي جدا شده حمل گرديده و نهشته مي شوند وجود دارد. آيا تمام يا بخشي از مواد کانه ساز بصورت فاز گازي از ماگما جدا شده اند يا فاز مايع؟

آيا کانسنگ تماماً بوسيله ماگما فراهم شده است يا نقش ماگما صرفاً فراهم آوردن گرماي لازم براي حرکت آب موجود در سنگهاي اطراف يا چرخش آبهاي جوي بوده است؟  آيا سيال کانساز اوليه اسيدي بوده است يا قليايي؟ شرائط فشار و دما چه بوده است؟ به اين سؤال ها و بسياري از سؤالهاي ديگر بايد پاسخ داده شود.

بنظر مي رسد که بيشتر کانسارها بوسيله محلولهاي هيدروترمال يا محلولهاي آبگين داغ تشکيل شده باشند اما چنين موضوعي اين امکان را منتفي نمي کند که برخي از رسوبات بخصوص آنهايي که رابطه نزديکي با فعاليت ماگمايي دارند در ضمن تشکيل ممکن است يک مرحله انتقال بوسيله فاز گازي هم داشته باشند. محلولهاي هيدروترمال ممکن است از آبهاي ماگمايي آبهاي دگرگوني آبهاي فسيل و آبهاي جوي و آبهاي زير زميني ناشي شده باشند. مطالعه ايزوتوپهاي اکسيژن و هيدروژن نشان مي دهد که آبهاي زير زميني داراي منشأ جوي سهم عمده اي در تشکيل بيشتر کانسارهاي هيدروترمال داشته و اين آبها نيز سريعاً با سنگهاي اطراف به تعادل مي رسند . چنين آبي مي تواند مواد حل شده در سطح را  با خود به پايين حمل کرده و مواد محلول سنگهاي رسوبي و آتشفشاني سر راه خود را نيز خارج نمايد. آبهاي فسيل به حرکت در آمده بر اثر گرما هم به اين آبها مربوط هستند با اين تفاوت که اين آبها دوره هاي طولاني تري از زمان را در تماس با اين رسوبات گذرانده و ممکن است داراي منشأ دريايي بوده و تحت چرخه هاي قبلي گرم شدن قرار گرفته باشند. آبهاي دگرگوني در اثر تبديل سنگهاي رسوبي غني در آب به سنگهاي معادل دگرگوني خود توليد مي شوند. اين آبها عناصري را که به آساني در درون کانيهاي سنگ ساز اکسيدي و سيليکاتي رايج جاي نمي گيرند را در خود حل مي کنند. سيالهاي بر جاي مانده غني در آب که حاصل تفريق ماگما مي باشند مي توانند کانسارهايي را در نزديکي سطح تماس ماگما بوجود آورده يا با آبهاي هيدروترمال ساير منابع مخلوط شوند. صرف نظر از منشأ بنظر مي رسد که محلولهاي هيدروترمال محلولهاي غليظ يا به بيان ديگر شورابهايي باشند که تا 50 % وزني داراي مواد جامد حل شده باشند.

 

NH4	Cs	Rb	Li	K	Na	Ba	Sr	Mg	Ca	Mn	Fe	Al	SiO2	Ph(25^0c)
409	14	135	215	17500	50400	235	400	54	28000	1400	2290	4.2	400	5.2
	H2S	Ag	Pb	Zn	Cu	As	NO2	I	Br	F	Cl	SO4	HCO3	B
	16	1	102	540	8	12	-	18	120	15	155000	5	150	390

 

شواهد حاصل از شورابه هاي ژئوترمال سيالات درگير واقع در کانيها نشان مي دهد که اين محلولها در واقع کلريدهاي پتاسيم کلسيم و سديم هستند. ترکيب شورابهاي ژئوترمال درياي سالتون که در جدول زير ارائه شده است يک مدل تيپيک در اين رابطه مي باشد. ساير شورابها و سيالات درگير تغييراتي محلي در غلظت فلزات ناياب را نشان مي دهند اما مقدار اين فلزات بطور کلي در محدوده 1 تا 100 PPm قرار دارند . PH محلولها ممکن است اسيدي يا قليايي باشد اما معمولا نزديک PH آب خنثي است. از روي مطالعه محلولهاي طبيعي و در نظر گرفتن ملاحظات تجربي تخمين زده شده است که بيشتر محلولهاي هيدروترمال دمايي بين 50 تا 550 درجه سانتيگراد داشته و ماکزيمم فشار در آنها 2000 اتمسفر بوده و غلظت يون کلريد نيز در آنها زياد باشد. غلظت بالاي کلريد ظاهرا مکانيسم لازم براي انحلال و انتقال فلزات در محلولهاي هيدروترمال را فراهم مي آورد اگر چه فلزات در نهايت بصورت سولفيد فلزي را حل مي کنند اما بنظر نمي رسد که غلظت يون سولفيد آنقدر بالا باشد که بتواند با فلزات تشکيل کمپلکس دهد. طلا بوسيله واکنشي از نوع :

Au + 3.2 O₂ +6HCl    H₃AuCl₆ + 3H₂O

حل مي شود. بنابراين در 500 درجه سانتيگراد و 2/0 کيلوبار فشار حلاليت طلا در يک محلول دو مولار از KCl معادل 800 PPm است. مشکل مهم باقي مانده اين است که فلزات کمپلکس شده چگونه بصورت سولفيد يا ساير رسوبات نهشته مي شوند؟ مکانيسمهاي ارئه شده در بر گيرنده تغييرات دما و فشار است که مي تواند بر روي تعادل کمپلکس تأثير گذاشته و حلاليت آنها را کاهش دهد. واکنش شيميايي محلولهاي هيدروترمال با سنگ ديواره نيز بنظر مي رسد که فرآيندي اصلي در برخي از کانسارها مي باشد. اين مطلب بخصوص هنگامي که سنگ ديواره يونهاي سولفيدي را وارد سيستم کرده يا با حل کردن کربناتها تغييراتي در محلولهاي هيدروترمال بوجود مي آورد آشکار مي شود. اثرات رقيق شدگي ناشي از مخلوط شدن شورابهاي غليظ با آبهاي زير زميني نيز مکانيسم احتمالي رسوبگذاري برخي از سولفيدها را بوجود مي آورد.