Valamely elem(ek) egyenlőtlen megjelenése egyensúlyban levő két fázis között a frakcionált kristályosodás következménye. A magma (szilikátolvadék) frakcionált kristályosodása voltaképpen bonyolult jelenség, mert az összetétel-és nyomásváltozása jelentősen befolyásolja a magma fejlődösszetétel-ését. A főelemeken kívül a víz, CO2, O és H jelenléte vagy hiánya is tekintetbe veendő tényező. Például nagy hőmérséklet, de vízszegény gránitmagma esetében a kristályosodás egyszerű alkáliföldpátos, kis hőmérsékletű és vízben gazdag, előbbivel azonos magma esetében kétföldpátos gránithoz vezet. Mafikus kőzetek esetében adott nagy nyomáson víz jelenlétében olivin, víz hiányában ensztatit kristályosodik. Egy további példát ismét a gránitmagma kristályosodásából vehetünk, amikor a parciális oxigénnyomás (fugacitás) befolyásolja az oxidok (magnetit, ulvöspinell stb,) kiválási rendjét s vele a SiO2koncentrációt és utat nyit az andezitképződés irányába.
A granitoidok olyan magmákból kristályosodnak, melyek összetétele közel eutektikus. Ez a frakcionált kristályosodás és a kisfokú parciális olvadás következménye, amely végül is a Fe, Mg, Ti, Ca, Na csökkenéséhez és a Si (kvarc), K (ortoklász) növekedéséhez, vagyis a gránit két meghatározó komponensének kialakulásához vezet.
Közismert példája a kristályosodási frakcionálódásnak a felzikus kőzetek körében a Ca-, Na-földpátok (plagioklászok) és a mafikus kőzetekben gyakori forsterit és fayalit (olivin) ásványok korlátlan elegyedése és hőmérséklettől függő kiválása az olvadékból. Mindkét ásvány egyúttal a kőzetek leggyakoribb komponenseihez tartozik.
Induljuk ki az olivin közismert fázisdiagramjából (43. ábra). Ha csak egyetlen fázis volna jelen, akkor a kristályosodás a hőmérséklet változása nélkül fejeződnék be (pl. a forsterit 1890, a fayalit 1205 °C-on). Ha azonban két elegyedő fázis van, akkor a kristályosodás az összetételtől függő két érték között (szolidusz „kezdő-végső” között) elhúzódóan megy végbe.
Logikus feltételezés lenne, hogy egyensúlyi kristályosodás esetében a vasnak és magnéziumnak az olvadékban és az olivinban egyenlő arányban kellene előfordulnia. A való-ságban azonban ez nem így van, mert amorf vagy kristályos állapotban levő ion nem egyenértékű s így az elsőként kiváló kristályok az eredeti arányhoz képest több forsteritet tartalmaznak. Ennek megfelelően az olvadékfázisban relatíve több a fayalit.
A két fázis viszonyát tehát a következőképpen írhatjuk fel:
Mg2SiO4 (sz)+ Fe2SiO4 (f)= Mg2SiO4 (f)+ Fe2SiO4(sz) melyben (sz) = szilárd fázis, (f) = olvadék (folyékony) fázis.
Mivel a forsterit moláris koncentrációja az olivinben:
MgO/(MgO+FeO) és a fayalité FeO/(MgO+FeO), az egyensúlyi állandó:
K=
Mint látható, arányokról van szó, tehát a Kállandó meg-oszlási koefficiensnek tekinthető. Ha ez egyes elemekre vonat-kozik, akkor a Kvoltaképpen a már tárgyalt partíciós koeffici-enssel (D vagy KD, KD) azonos. Mivel pedig az eredetileg kivált olivinben több a forsterit, mint a fayalit, vagyis K< 1, tehát a fayalit inkább az olvadékban marad, ebből az következik, hogy a fayalit az olivinhez képest relatíveinkompatibilisfázis.
A nyomelemek kéregbeli elterjedése szempontjából nagy jelentősége van tehát annak, hogy a frakcionált kristályosodás során a kiváló kristályokban vagy az olvadékban gyülekeznek, amit az dönt el, hogy kompatibilis vagy inkompatibilis jellegűek-e. A fogalom azonban relatív és az adott ásvány(ok)ra és mátrixra vonatkozik. A specifikus ásványokhoz vonzódó nyomelemek: Sr, Rb, Ba, Y, RFF, V, Co, Se, Zr, Hf, Ta, Cr, U, Th, Ni.
A Ni és Cr mindig kompatibilis az olivin (ol) ásvánnyal. A Ni és az olivinben levő Mg kicserőlédési folyamata:
MgO(ol)+ NiO(f)= MgO(f)+ NiO(ol) 43. ábra.A fayalit és forsterit (olivin) fázisdiagramja
Ebből a közbeeső részletek elhagyásával:
K=
H a K empirikusan meghatározott értéke, tehát a Ni partíciós értéke 12, az azt jelenti, hogy a Ni 12-szer gyakoribb az olivinben, mint az olvadékban.
Valamely elem kompatibilitásának eldöntése nem mindig egyszerű feladat, különösen üledékes kőzetek esetében, amikor a nyomelem hordozó ásványa nem ismert. Egy példáját mutatjuk be, hogy talajban előforduló K, Ba és Sr milyen viszonyban vannak egymással a helyettesíthetőség tekintetében.
A 44. ábrán egy homokon kifejlődött csernozjom talajban (Újfehértó) a Sr és Ba nyomelem ásványi kapcsolatát látjuk (NEMECZ2006). Az ábrán a görbék a két nyomelem mintában levő teljes mennyiségének a szemcse frakciókban való %-os eloszlását mutatják be, melyek igen hasonló lefutásúak a K2O azonos módon szerkesztett görbéjéhez. A görbék alakulása a földpátéhoz (jelen esetben főleg ortoklász) is közel áll. A földpát mennyisége azonban a 10 µm alatti frakcióban lecsökken, amivel ellentétben a szintén K-tartalmú muszkovit relatív mennyisége növekszik s így kálium-oxiddal a Sr és Ba is növekszik. A Sr hányada a frakciókban azonban valamivel nagyobb, mint a báriumé s így azt mondhatjuk, hogy a Sr kissé kompatibilisebb a K (földpát) ásványaiban, mint a Ba, ami az ionsugarak nagyságával is összefügghet (Ba=1,35, K=1,38,
44. ábra.Újfehértói kvarc homokon kifejlődött csernozjom talaj
A szemcsefrakciókra bontott talajban a Ba és Sr mintában levő összes mennyisége a K2O-éval hasonló módon oszlik meg a szemcsefrakciók között. Ettől a földpát eloszlása a kis szemcsék tartományában eltér, amit a muszkovit és amorf anyag K-tartalma ellensúlyoz (NEMECZ2006)
Sr=1,28 A°). Ez a viszony azonban nem vonatkoztatható a teljes üledékképződés körülményeire. A földpátban levő nyomelemek a magmás képződéshez kapcsolódnak, míg az 5>mm frakciókban (muszkovit, montmorillonit K-tartalma, amorf anyag), a mállás során keletkeztek és már az üledékes fázisra jellemzőek. Ezekben a Ba hányada jóval meg is haladja a stronciumét, vagyis itt már a Ba a kompatibilisebb elem
A frakcionált kristályosodásnak két fő típusát különböztetjük meg. A „tökéletes” (pure, perfect) frakcionálódás során, amint egy fázis (ásvány) szemcse megjelenik, a rendszerből azonnal eltávozik, mert sűrűségkülönbség folytán vagy felfelé úszik, vagy lesüllyed. Ilyenkor az olvadék összetétele az ismétlődéssel rendre megváltozik és az egész megszilárdult anyag összetétele eutektikus lesz. Rendszerint így képződnek a porfíros szövetű olvadék-alapanyagba ágyazott nagy kristályok. A halmazati (batch) kritályosodás alkalmával nem csupán egy, hanem több fázis távozik a rendszerből s ekkor a folyamatot esetenként kell vizsgálni.
Tekintsünk egy vulkán magmakaréjában lezajló halmazati kristályosodási folyamatot, mely a következő jelenségekre bontható: (1) krisályos differenciáció, (2) a tholeiites és mészalkáli sorozat fokozatos szétválása, (3) primitív bazaltos magma ismétlődő betáplálása, (4) magmakeveredés miatti egyensúlytalanság (olivin, piroxén, plagioklász fordított zónássága), (5) inkompatibilis elemek dúsulása, (6) evolúciós határértékek kialakulása, amit a Rb/Sr 0,23–0,27 értéke és a SiO2 60–66 %-a jelez. A folyamat során mindig keletkezik egy felzikus, visszamarad egy reziduális magma és minél többször ismétlődik a betáplálás, a reziduális magma összetétele annál inkább közeledik a primer bazaltmagmáéhoz és amikor azonos lesz vele bekövetkezik egy állandósult (steady state) kristályosodási állapot.
A kristályosodás során a nyomelemek viselkedésével kapcsolatban azt kell figyelembe vennünk, hogy a frakcionált kristályosodás során az olvadék mindig az inkompatibilis elemekben gazdagodik. Az elemek különösen két csoportja nem tud a magmából kristályosodó fő ásványok rácsába belépni. Az egyik csoport nagy ionsugara következtében (K, Rb, Cs, Sr, Ba, RFF, Th, U) s ezeket nagy-ion litofilelemeknek is nevezik (LILE). A másik csoport a nagy töltés miatt nem tud társulni (Zr, Nb, Hf, Ta). Külön nevük: nagy töltésű elemek (HFSE). A köpenyben, kéregben lejátszódó folyamatokat e nyomelemek megoszlási viszonyaiból lehet rekonstruálni.
A frakcionált kristályosodást azzal egészíthetjük ki, hogy a kristályosodás során keletkező ásványok sűrűségük szerint többnyire a magmakamra alján, de pl. földpátok a kamra tetején is gyülekezhetnek. Megszilárdulás után ún. kumulátos kőzetetalkotnak. Felosztásuk az alapanyagukban túlnyomóan található magmás ásványok szerint történik:
— adkumulátos a kőzet, ha 100–93% egyfajta magmás ásványt tartalmaz,
— mezokumulátos 93–85% között,
— ortokumulátos 85–75 % között.
Például olivin ortokumulátos egy kőzet 80% olivin, 5% magnetit, 15% alapanyag tartalom esetén (ebben az esetben ez a peridotit). Kumulátos kőzet kialakulása jelentősen befolyásolja a magmából végül kiváló kőzeteket. Pl. bazaltos magmából kumulátos kőzetként keletkezhet anortit+piroxén tartalmú gabbró, míg az olvadék alumíniumdús felzikus irányba (andezit) tolódik (további részletek: Függelék 9.1-ben).
ASSZIMILÁCIÓ
A magma felszín felé tartó mozgása során illó elemeket, nyomelemeket vehet fel vagy kőzetdarabokat is szakít le a környező kőzetből és kérdés, milyen mértékben asszimilálja azokat. Ha a leszakított darab teljesen asszimilálódott, a magmában feloldódott, a kimutatás csak kémiai úton, biztosan pedig csak izotópvizsgálattal lehetséges, amelyre a Rb–Sr rendszert használjuk. A 87Rb 47 G év felezési idővel
87Sr-má bomlik. A Rb inkompatibilis elem lévén a köpeny extrakciójával került a kéregbe, ahol koncentrációja jóval nagyobb (~100 ppm), mint a köpenyben (~4 ppm). Ennek folytán a 87Sr/86Sr értéke a kéregben idővel növekszik a köpeny értékéhez (0,702–0,705) képest és minél fiatalabb, annál nagyobb (0,705–0,720). Így a magma és kéreg kontaminációjának mértékét a Sr (ppm) vs 87Sr/86Sr függvényében egy hiperbola írja le. Sok tekintetben hasonló a helyzet bazaltos éa gránitos magma keveredése esetén, melynek mértékét a 87Sr/86Sr vs 143Nd/144Nd diagram arányértékeivel állapíthatjuk meg (45. ábra).
45. ábra. A bazaltos és gránit magma keveredését leíró diagram a Sr/Nd-izotóparányok felhasználásával, A=1 (FAURE1986)
Ha a magmával érkező leszakított darab nem olvadt meg, nem lépett reakcióba a mellékkőzettel xenolitnakhívják, vagy a mellékőzet kristályai is épségben maradtak xenokristály a nevük. Amennyiben az eredeti ásványok sérültek, az eloszlási egyensúly felborult, fordított zónásság lépett fel, akkor e jelek a magma és xenolit könnyen kimutatható kölcsönhatását jelentik. A xenolitok vizsgálata értékes módon járul a mélykéreg és köpeny megismeréséhez.