Mineralogía de rocas
Los procesos geológicos son esencialmente un proceso físico y químico, y a menudo se pueden observar fenómenos ordenados especiales en minerales, como componentes o fases, átomos, defectos, etc. , muestran cierta regularidad y periodicidad. Según las características del entorno del sistema, los fenómenos de ordenamiento de los minerales se pueden dividir a grandes rasgos en las siguientes categorías: ① Los fenómenos de ordenamiento de los minerales precipitados en la masa fundida, como las bandas de oscilación y las estructuras de modulación de la plagioclasa y el granate, la turmalina y la casiterita. Tiras etc (2) Fenómenos de ordenamiento en minerales cristalinos disueltos, como la zonificación de halita y la zonificación de calcita; ③ Fenómenos de ordenamiento formados por la interacción agua-roca, como la simetría quíntuple de la serpentina poligonal y la estructura entre capas en minerales arcillosos; Minerales cristalinos de precipitación coloidal, como vetas concéntricas en ágata, estructuras oolíticas en calcita y hematita, nódulos de pedernal, etc. ⑤ Fenómenos ordenados formados por radiactividad, como bandas de circón formadas por la desintegración de elementos radiactivos y franjas iluminadas por topacio ⑥ Fenómenos ordenados formados por tensión, como anillos de dislocación y redes de dislocación en partículas dependientes del tiempo, piedra caliza e inducidas por tensión; Líneas de fusión de presión (suturas) en el tiempo, dislocaciones de compresión mineral bajo la acción de ondas de choque; ⑦ Fenómenos de orden en condiciones de enfriamiento (como enfriamiento), como la estructura de fraccionamiento de disolución y la estructura cuasicristalina de un solo metal o aleación, y el magma. en agua. Por lo tanto, el fenómeno de ordenamiento de los minerales tiene diferentes manifestaciones, como zonificación de la composición química mineral, zonificación de isótopos, zonificación de defectos, zonificación de crecimiento, etc., desde átomos hasta grandes bandas cristalinas, desde planos estructurales hasta morfología de capas estructurales, desde crecimiento, disolución hasta reacción. , del espacio unidimensional al espacio tridimensional, de la continuidad y la discontinuidad a los tipos transicionales.
El proceso de formación de los fenómenos de orden antes mencionados es complejo y el equilibrio de fases termodinámico tradicional, como los cambios de temperatura y presión, no es ampliamente adecuado para una explicación. Por ejemplo, las bandas de desintegración, las suturas y las líneas de oscilación no son causadas simplemente por la periodicidad del entorno externo, sino por el comportamiento dinámico no lineal de los procesos físicos y químicos del sistema. Estos cambios periódicos se forman espontáneamente después de la interacción de varias unidades del sistema. El establecimiento y mantenimiento de esta dinámica no lineal de procesos internos en condiciones de desequilibrio requiere energía disipada.
Los fenómenos de autoorganización y ordenamiento en algunos minerales se forman cuando los minerales se encuentran en un sistema dinámico no lineal. Por ejemplo, la formación de líneas concéntricas en el ágata se debe al polimorfismo de la deposición de SiO_2 en el sistema dinámico de iones de pigmento y coloides de SiO_2. Es causada por la oscilación de la concentración de iones de pigmento como Fe3 y Cr3 y la existencia de una sustancia química. umbral potencial de. Cuando se deposita SiO_2 puro, los iones de pigmento se acumulan en el sistema. Después de alcanzar el umbral, los iones de pigmento participan en la deposición de SiO2; luego el sistema se encuentra en la etapa de deficiencia y acumulación de iones de pigmento, formando así franjas concéntricas de ágata debido al salto causado por la existencia del umbral, los límites entre las franjas son claros; De la misma manera, también puede explicar la oscilación dinámica de granos ooides concéntricos entre carbonato de calcio, lodo y materia orgánica, en lugar de la oscilación del ambiente acuático en el análisis sedimentológico general. Otro ejemplo son los bucles de dislocación, las redes de dislocación y las espirales de dislocación formadas por tensión. Son esencialmente planos cristalinos ideales en movimiento. El polimorfismo de este movimiento es causado por ondas de tensión. Cuando un mineral en equilibrio está estresado, la fuerza de enlace químico de cada partícula reaccionará al estrés externo, por lo que el estrés externo sobre las partículas se acumulará gradualmente cuando la acumulación alcance un cierto umbral (como la fuerza de enlace), el estrés en; las partículas se liberan repentinamente, las partículas se desplazan al mismo tiempo y la onda de tensión oscila; si la tensión se concentra en un lado determinado, el cristal mineral se deslizará, por lo tanto, el deslizamiento escalonado es esencialmente el producto de los puntos minerales y la tensión; en el sistema dinámico oscilante. Si la difusión de partículas se produce significativamente impulsada por ondas de tensión, se producen "suturas" de solución de presión. Las irregularidades de la "sutura" pueden deberse a oscilaciones amortiguadas.
El fenómeno de autoorganización en los minerales es una estructura ordenada fuera del equilibrio. La razón fundamental de su formación es el efecto de retroalimentación no lineal de los componentes del plano cristalino sobre los componentes fluidos de la interfaz en condiciones de no equilibrio. Es precisamente debido a este efecto de retroalimentación que la repetición periódica de sobresaturación (acumulación)-nucleación-pérdida (insuficiencia)-resaturación (acumulación) conduce a las características policristalinas de las caras de los cristales minerales. El ciclo mineral es también un proceso dialéctico ordenado: desorden → orden → caos → orden avanzado; la razón del orden de los minerales puede explicarse por la estructura disipativa.
(2) La estructura ordenada espacio-temporal del anillo de Li Zegang.
Lesegang descubrió en experimentos químicos que en ciertos medios, cuando el KI reacciona con AgNO3_3, el precipitado formado puede mostrar un patrón de distribución espacial periódico en condiciones apropiadas, lo que se denomina anillo de Lese Gang. Este fenómeno es muy común en geología, como anillos de ágata, anillos de nódulos, estructuras esféricas, etc.
A excepción de las reacciones químicas, la ecuación de velocidad para la difusión de sustancias es:
Donde: d es el coeficiente de difusión del medio de migración; F(c) representa la velocidad de la reacción química. Si partimos de una muestra uniforme y asumimos que hay una fluctuación α en el estado estacionario, entonces:
Asumiendo ciertas condiciones de contorno, podemos obtener:.
Cuando es negativo, decaerá y el estado estacionario permanecerá estable; si es positivo, el término aumentará con el tiempo, lo que resultará en la formación de varios picos y valles, formando un cambio de oscilación espacial de concentración C, es decir, el componente espacial de la oscilación Bandas.
Para un solo cristal mineral, su crecimiento está controlado principalmente por tres efectos: reacción de interfaz, difusión y transporte de sustancias y conducción de calor. En términos generales, el tercer efecto tiene poco impacto sobre el crecimiento de los cristales, mientras que los dos primeros son los principales factores de control que conducen al crecimiento de los cristales. Suponiendo que los cristales están compuestos de componentes terminales en solución sólida, el crecimiento reactivo de los cristales en condiciones de no equilibrio puede conducir a la existencia de múltiples caras cristalinas estables. El crecimiento controlado por difusión sobre esta base puede conducir a la aparición de oscilaciones. bandas minerales, formando una estructura típica ordenada en el tiempo.
El análisis teórico de la estabilidad lineal muestra que el segmento QP de la curva corresponde a un estado inestable, por lo que el sistema químico se moverá a lo largo de la trayectoria de P→P′→Q→Q′→P en la Figura 4.1 . Supongamos que la concentración espacial promedio de un determinado componente en el sistema es x0. Cuando la concentración de X en la capa superficial del cristal es inferior a x0 en un momento determinado, moviéndose hacia arriba a lo largo de la rama (1), en el punto Q, el estado del plano cristalino correspondiente saltará repentinamente de una rama (1) a otra. En la rama (2), cuando X > x0, componente Esto da como resultado una banda anular oscilante de crecimiento cristalino (en secuencia de tiempo).
Figura 4.1 Estados multiestables de sistemas químicos
La teoría anterior explica razonablemente el origen de los anillos de Li Zegang y algunas estructuras oscilatorias. Muestra que algunos anillos regulares o estructuras rítmicas en las rocas no son causados por cambios en el entorno externo, sino que son el resultado de reacciones químicas inherentes y competencia de difusión dentro del sistema. Las bandas minerales en las rocas cristalinas no reflejan necesariamente cambios en las condiciones de temperatura y presión, y los ritmos en las rocas sedimentarias no son necesariamente causados por factores como la turbulencia del agua de mar y el suministro de materiales, sino que pueden ser el fenómeno ordenado del tiempo y el espacio formado por la sistema bajo condiciones específicas (desde el ciclo de centrifugado).
(3) Estratificación rítmica de rocas esferoidales y rocas magmáticas
En algunas rocas plutónicas, los dos minerales se distribuyen en capas concéntricas alrededor de ciertos centros, y la forma es esférica o elíptica. Las estructuras esféricas se denominan estructuras globulares y las rocas correspondientes se denominan rocas globulares. Esta estructura está distribuida en más de 30 países alrededor del mundo, con aproximadamente 100 orígenes. Las estructuras esféricas son las más comunes en el granito y representan aproximadamente el 43% del total de rocas esféricas. Seguidas por las rocas esféricas de diorita, que representan alrededor del 30%. El siguiente es Gabro, con 15. Las cromitas y las rocas ultramáficas representan alrededor de 8. Las rocas esféricas generalmente consisten en un núcleo esférico y capas rítmicas que rodean el núcleo. Su estructura es similar al anillo de Li Zegang, con un diámetro de unos 5 ~ 30 cm. Las capas concéntricas rítmicas son generalmente paralelas entre sí, y la estructura esférica es principalmente el producto de la cristalización continua de una masa fundida de silicato de dos componentes desde el centro de la esfera.
En las rocas magmáticas suelen aparecer minerales y rocas de diferentes colores o tamaños de grano en bandas, o aparecen alternativamente minerales y rocas oscuras y poco profundas capa por capa o minerales y rocas con estructura de grano grueso y fino; La estructura granulada aparece capa por capa, de modo que forman franjas en la roca que son paralelas o casi paralelas entre sí. Las estructuras rayadas se desarrollan principalmente en rocas básicas y rocas ultrabásicas.
(4) Estructura rítmica en forma de bandas en algunos minerales.
1) Estructura en bandas de la mica: En el granito, la moscovita y la biotita forman estructuras rítmicas en forma de bandas o anillos.
Por ejemplo, la estructura de bandas de moscovita de la pegmatita de Sichuan en China se caracteriza por bandas concéntricas de moscovita y biotita dispuestas alternativamente en obleas (001). Su núcleo cristalino es moscovita y su periferia está compuesta por tiras de biotita y moscovita de diferentes anchos (0,05 ~ 2 mm). Las superficies de unión donde crecen alternativamente biotita y moscovita son planos cristalinos paralelos (001).
2) Feldespato estriado: El feldespato estriado en los sistemas K-feldespato-albita y K-feldespato-plagioclasa es muy familiar para las personas. En los plutones o granitos ordinarios, el feldespato estriado se forma por cristalización al fundirse. También se encuentran bandas rítmicas de plagioclasa y feldespato potásico en fenocristales de plagioclasa en rocas volcánicas en erupción. Además, hay feldespatos bandeados compuestos de albita y microclina, cada banda consta de dos bandas secundarias. Algunas muestras tienen más de 75 bandas.
3) Ágata: El ágata es un agregado con forma de anillo compuesto por criptocristales. La composición y el color de cada capa de tiras son diferentes y muestran cambios periódicos. Las áreas de ónix generalmente consisten en una mezcla de áreas finas descoloridas e incoloras. La zona incolora consiste en fibras estacionales pobres en aluminio que crecen en forma helicoidal, mientras que la zona descolorida consiste en fibras estacionales que crecen en forma no helicoidal. Existen grandes diferencias en las propiedades y estructuras ópticas entre las fibras ópticas sensibles al tiempo con crecimiento helicoidal y no helicoidal. Son dos fases diferentes.
4) Estructura en bandas oscilatorias de plagioclasa en solución sólida completamente miscible: Hay abundantes estructuras en bandas en los cristales de plagioclasa. Especialmente en la plagioclasa neutra, las estructuras en bandas están más desarrolladas. La plagioclasa es una serie de minerales completamente homogénea compuesta por albita y anortita. Hay un cambio brusco de ritmo en esta zona y los límites son claros. El contenido de anortita fluctúa desde el núcleo hasta los bordes.
5) Bandas de oscilación de oligoelementos en cristales minerales: Las bandas de oscilación de oligoelementos suelen aparecer en minerales derivados de magma o fluidos hidrotermales, como los minerales de piroxeno, que a menudo se desarrollan en estructuras anulares. El análisis de la muestra con sonda de iones muestra que las concentraciones de elementos como Sc, Ti, V, Cr, Sr y Zr forman bandas de oscilación periódicas dentro de un amplio rango. Los experimentos de crecimiento de cristales han demostrado que las bandas de oscilación de trazas de manganeso en los cristales de calcita se autoexcitan y se autoorganizan, y se tomaron fotografías de bandas alternas de luz y oscuridad en los cristales de calcita bajo un microscopio láser electrónico catódico.
6) Esferas de calcio y ooides: Las esferas de calcio son rocas esféricas sedimentarias producidas en la piedra caliza. Se forma por diferenciación por recristalización de calcita micrita y calcita moscovita. En las rocas y minerales, muchos minerales tienden a tener una estructura ooide en capas concéntricas, que se caracteriza por un centro de nucleación y una capa concéntrica que crece alrededor del núcleo. El rango de diámetro es de aproximadamente 0,1 ~ 2 mm. La capa concéntrica se compone de varias a casi cien bandas rítmicas con diferentes composiciones y estructuras. La longitud de onda de oscilación de las bandas rítmicas es de 10-2 ~ 10-4 mm.
(5) Una capa mixta de capas de unidades estructurales en minerales arcillosos y minerales de tierras raras.
Durante el proceso de cristalización metasomática, suelen aparecer capas mixtas regulares o irregulares en las capas unitarias estructurales de los minerales arcillosos. Las capas mixtas suelen consistir en dos capas de diferentes minerales apiladas a lo largo del eje C. La clorita-pirofilita es un mineral de capa mixta compuesto de clorita con cuerpos diédricos y octaédricos y pirofilita con cuerpos octaédricos acumulados alternativamente a lo largo de la dirección del eje C. Las observaciones de microscopía electrónica de alta resolución muestran que durante el proceso de crecimiento de los cristales se forman capas mixtas regulares entre pirofilita y clorita. La flogopita de sodio es un mineral de capa mixta no periódico compuesto por pilas alternas de talco y biotita de sodio a lo largo del eje C. El talco y la biotita cristalizan alternativamente y crecen oblicuamente hacia el plano (001). Algunos minerales de rectorita y carbonato de tierras raras también constan de capas mixtas de capas regulares e irregulares.
(6) Aceite de parafina que contiene clorito
Los cristales de pirofilita entre los cloritos siempre mantienen un orden a nivel atómico similar a una estructura equilibrada en cada capa cristalina, puede haber continuidad estructural local. entre capas cristalinas, que se puede llamar una estructura ordenada autoorganizada a nivel molecular. La estructura ordenada autoorganizada a nivel molecular tiene una fórmula estructural definida, que se puede demostrar que pertenece al patrón de difracción entre capas regular exclusivo de especies minerales independientes y tiene un período de oscilación a escala molecular. Por lo tanto, es un estado estructural termodinámico único entre la estructura de equilibrio y la estructura ordenada espacio-temporal macroscópica.
Se observó bajo un microscopio electrónico de alta resolución que había de 1 a 2 bandas cristalinas de clorito de litio (1,42 nm) y pirofilita (0,92 nm) en el borde del dominio cristalino de la pirofilita entre la pirofilita y la clorita. Son estrictamente paralelos a los granos de la red de sus dominios cristalinos y no existe ningún fenómeno de reemplazo mutuo o crecimiento de nucleación. Este es un fenómeno de condensación diferencial causado por la oscilación de la concentración de cada componente en la solución cerca de la superficie de crecimiento durante el proceso de cristalización de los cristales (dominios cristalinos). En resumen, los cristales de pirofilita entre clorito son estructuras autoorganizadas y ordenadas a nivel molecular, y son productos de cristalización de soluciones sobresaturadas de silicato que contienen aluminio entre dos capas cristalinas en condiciones de no equilibrio y no lineales.
(7) Explicación del fenómeno de autoorganización de las juntas columnares de basalto.
Las juntas columnares de basalto son una especie de estructura de fractura por tracción primaria desarrollada en basalto. Su forma suele ser de cilindro largo, poligonal regular, normalmente hexagonal. Devils Postpile en el este de California y Ciant's Causeway en Irlanda tienen estructuras de juntas de columnas de basalto mundialmente famosas. Muchas áreas de distribución de basalto en mi país (como Guizishan en Liuhe, Nanjing, Niutoushan en Zhenhai, Fujian y Tuantian en Tengchong, Yunnan) también desarrollan uniones columnares de cierta escala y formas muy regulares.
Los geólogos creen que las uniones columnares se autoorganizan durante el proceso de condensación del magma. Cuando el número de Rayleigh del magma es mayor que el valor crítico (657,438 0) durante el proceso de solidificación, se produce la convección de Bernal en el magma, formando una celda de convección de rejilla hexagonal. A medida que continúa el enfriamiento, la energía de la roca fundida es insuficiente para vencer las fuerzas viscosas del magma y cesa la convección. En este momento, la densidad de cada parte en cada anillo de convección en el magma es obviamente diferente. La densidad en el centro de la celda de convección hexagonal es muy pequeña y aumenta hacia afuera a lo largo de la línea normal. Por lo tanto, una vez que se detiene la convección, la lava inevitablemente equilibrará su densidad, formando así un centro de contracción en frío. La ubicación del centro de contracción en frío coincide con el centro de convección original, lo que inevitablemente producirá grietas en cada borde hexagonal del patrón de convección original. , provocando así dos grietas. Las uniones de columnas están formadas por numerosos grupos de uniones a tensión que se cruzan entre sí para formar 120 y están distribuidas regularmente, y se forman por condensación y contracción capa por capa de arriba a abajo. Si hay faltas de homogeneidad en la composición del magma y la tasa de condensación, se formarán juntas de columnas poligonales con una rejilla no hexagonal.
(8) Explicación de la autoorganización de la estructura esférica del granito.
Algunas rocas ígneas, como el granito, la granodiorita, la diorita e incluso rocas intrusivas básicas, contienen en ocasiones cuerpos ovoides con estructura globular. El granito esférico se compone de muchas esferas. El diámetro de las esferas suele oscilar entre unos pocos centímetros y 1 m. El interior está compuesto por anillos minerales concéntricos que alternan luz y oscuridad. Los geólogos utilizan la teoría de la estructura disipativa y el modelo de convección de Bernal para estudiar el mecanismo dinámico de formación de estructuras globulares de granito. Se cree que cuando el número de Rayleigh excede el valor crítico, el magma homogéneo se vuelve inestable y forma una estructura disipativa. Si durante la derivación se supone que la superficie superior del magma es una forma hemisférica que sobresale hacia arriba, la estructura resultante es una estructura autoorganizada con un anillo rítmico alrededor de su centro.
(9) Tipos y clasificación de los mecanismos de retroalimentación de los fenómenos de autoorganización durante la diagénesis.
La formación de fenómenos autoorganizados debe tener un mecanismo de autorretroalimentación y condiciones desequilibradas, no ideales y no lineales. Se puede considerar que la autoorganización es la capacidad de un sistema de seleccionar uno de los patrones ordenados generados por todas las fluctuaciones cuando está lejos del equilibrio, y amplificarlo y mejorarlo hasta convertirlo en un fenómeno ordenado macroscópicamente identificable. La autorretroalimentación es un vínculo clave para fortalecer y amplificar las fluctuaciones, causar inestabilidad en estado estacionario y formar estructuras ordenadas macroscópicas estables. Por lo tanto, los fenómenos de autoorganización en las rocas se pueden clasificar según el tipo de autorretroalimentación. Los principales mecanismos de autoretroalimentación y los correspondientes fenómenos de autoorganización se muestran en la Tabla 4.1.
Tabla 4.1 Mecanismo de autorretroalimentación y fenómenos de autoorganización correspondientes
Continuación
(10) Métodos de investigación de los fenómenos de autoorganización
Los fenómenos de autoorganización en las rocas pueden ocurrir en diferentes secuencias a diferentes escalas temporales y espaciales, que van desde la zonificación oscilatoria de los componentes de los minerales hasta la convección del manto. La tarea de estudiar los fenómenos de autoorganización en el proceso diagenético es revelar el mecanismo de formación de estos fenómenos ordenados en las rocas, dilucidando así el mecanismo intrínseco del proceso diagenético. Por lo tanto, primero se requiere un trabajo detallado en el campo y en el interior de la roca.
A través de una observación profunda y detallada, podemos comprender las características macroscópicas y microscópicas (incluso a escala ultramicroscópica) de los fenómenos de autoorganización en las rocas, la escala espaciotemporal de distribución y las condiciones físicas y químicas de formación. El estudio de los fenómenos de autoorganización puede profundizar la comprensión del origen de las rocas, principalmente porque puede impulsar a los geólogos a realizar observaciones más profundas y detalladas, comprender mejor las conexiones y dependencias intrínsecas entre varias rocas y diferentes minerales en las rocas, y Realizar un análisis en profundidad. La relación intrínseca entre varios parámetros físicos y químicos durante el proceso diagenético establece un modelo general del proceso diagenético en diferentes escalas espaciales y temporales. La idea general de aplicar la teoría de la autoorganización a la investigación petrológica incluye los siguientes cuatro aspectos: la composición material del sistema, el tipo de procesos geológicos, el proceso de los procesos geológicos y la estructura espaciotemporal de los productos del proceso geológico. El proceso de investigación específico incluye los siguientes pasos:
1) Sistema. Esta es la premisa para la aplicación de la teoría de la autoorganización, es decir, a través de petrología, mineralogía, geoquímica y otros resultados de investigación detallados combinados con petrología y tectónica regionales, la complejidad (no linealidad, no idealidad), apertura y tectónica de la diagenética. proceso están determinados.
2) Encontrar el fenómeno de autoorganización en rocas y realizar análisis estático. Esta es una parte crucial de la investigación. Durante el proceso de exploración, se debe prestar especial atención al descubrimiento y análisis de estructuras con bandas, en forma de anillo, en capas, estructuras rítmicas, estructuras en forma de pez, en forma de frijol, nodulares, en forma de anillo y algunas estructuras irregulares. Al realizar análisis estáticos, debemos identificar especialmente aquellas características que no pueden explicarse satisfactoriamente mediante las teorías geológicas tradicionales.
3) Establecer un modelo dinámico para realizar un análisis dinámico del fenómeno de autoorganización espaciotemporal. Establecer un modelo dinámico, utilizar la teoría de la bifurcación para realizar análisis macroscópicos y fenoménicos de los fenómenos ordenados de autoorganización del espacio-tiempo y utilizar la teoría de la fluctuación para estudiar las causas microscópicas y los mecanismos dinámicos de los fenómenos de autoorganización. Antes de modelar, la estructura espacio-temporal ordenada y los mecanismos microscópicos (como reacción, difusión, percolación, disolución, etc.) deben analizarse y examinarse cuidadosamente para descubrir los mecanismos clave que el modelado sigue el principio de "primero lo fácil, luego lo difícil"; " y análisis de modelos. Generalmente, primero se utilizan el análisis de estabilidad y el análisis de perturbaciones singulares, porque estos dos métodos pueden comprender aproximadamente los posibles resultados del modelo sin resolver ecuaciones dinámicas específicas; finalmente, el modelo se analiza matemáticamente y se comparan los resultados de la simulación. con la geología real. Comparar y luego modificar el modelo.
4) Verificación del modelo, incluida la verificación de campo, la simulación numérica por computadora y la verificación experimental, y el uso del modelo para explicar y predecir las causas de diversos fenómenos y estructuras ordenadas en los procesos geológicos.