Fraktionierte Kristallisation (Geologie)
Fraktionierte Kristallisation ist die Entfernung und Trennung von mineralischen Niederschlägen aus einer Schmelze; Außer in besonderen Fällen verändert die Entfernung der Kristalle die Zusammensetzung des Magmas. Fraktionierte Kristallisation ist im Wesentlichen die Entfernung von früh gebildeten Kristallen aus einem ursprünglich homogenen Magma (z. B. durch Schwerkraftabsetzen), so dass diese Kristalle an einer weiteren Reaktion mit der Restschmelze gehindert werden. Die Zusammensetzung der verbleibenden Schmelze wird in einigen Komponenten relativ abgereichert und in anderen angereichert, was zur Ausfällung einer Folge verschiedener Mineralien führt.
Die fraktionierte Kristallisation in Silikatschmelzen (Magmen) ist im Vergleich zur Kristallisation in chemischen Systemen bei konstantem Druck und konstanter Zusammensetzung komplex, da Druck- und Zusammensetzungsänderungen dramatische Auswirkungen auf die Magmaentwicklung haben können. Zugabe und Verlust von Wasser, Kohlendioxid und Sauerstoff gehören zu den kompositorischen Veränderungen, die berücksichtigt werden müssen. Zum Beispiel kann der Partialdruck (Fugacity) von Wasser in Silikatschmelzen von primärer Bedeutung sein, wie bei der Near-Solidus-Kristallisation von Magmen mit Granitzusammensetzung. Die Kristallisationssequenz von Oxidmineralien wie Magnetit und Ulvospinel reagiert empfindlich auf die Sauerstoffflüchtigkeit von Schmelzen, und die Trennung der Oxidphasen kann eine wichtige Kontrolle der Kieselsäurekonzentration im sich entwickelnden Magma sein, und kann in der Andesitgenese wichtig sein.
Experimente haben viele Beispiele für die Komplexitäten geliefert, die steuern, welches Mineral zuerst kristallisiert wird, wenn die Schmelze am Liquidus vorbei abkühlt.
Ein Beispiel betrifft die Kristallisation von Schmelzen, die mafische und ultramafische Gesteine bilden. MgO- und SiO2-Konzentrationen in Schmelzen gehören zu den Variablen, die bestimmen, ob Forsterit-Olivin oder Enstatit-Pyroxen ausgefällt wird, aber auch der Wassergehalt und der Druck sind wichtig. In einigen Zusammensetzungen wird bei hohen Drücken ohne Wasserkristallisation von Enstatit bevorzugt, aber in Gegenwart von Wasser bei hohen Drücken wird Olivin bevorzugt.
Granitische Magmen liefern zusätzliche Beispiele dafür, wie Schmelzen von allgemein ähnlicher Zusammensetzung und Temperatur, aber bei unterschiedlichem Druck, verschiedene Mineralien kristallisieren können. Der Druck bestimmt den maximalen Wassergehalt eines Magmas aus Granitzusammensetzung. Hochtemperatur-fraktionierte Kristallisation von relativ wasserarmen Granitmagmen kann Single-Alkali-Feldspat-Granit produzieren, und Niedertemperatur-Kristallisation von relativ wasserreichen Magma kann Zwei-Feldspat-Granit produzieren.
Während des Prozesses der fraktionierten Kristallisation reichern sich Schmelzen an inkompatiblen Elementen an. Daher ist die Kenntnis der Kristallisationssequenz entscheidend für das Verständnis, wie sich Schmelzzusammensetzungen entwickeln. Texturen von Gesteinen geben Einblicke, wie in den frühen 1900er Jahren von Bowens Reaction Series dokumentiert. Ein Beispiel für eine solche Textur, die sich auf die fraktionierte Kristallisation bezieht, sind interkristalline (auch als Intercumulus bekannte) Texturen, die sich überall dort entwickeln, wo ein Mineral später als die umgebende Matrix kristallisiert und somit den verbleibenden interstitiellen Raum ausfüllt. Verschiedene Oxide von Chrom, Eisen und Titan zeigen solche Texturen, wie interkristallines Chromit in einer silikatischen Matrix. Experimentell ermittelte Phasendiagramme für einfache Gemische geben Einblicke in allgemeine Prinzipien. Numerische Berechnungen mit spezieller Software sind zunehmend in der Lage, natürliche Prozesse genau zu simulieren.