为什么硅材料的熔点比镁材料低?

Question

从Bowen的反应序列中可以清楚地看出，更多的长英质矿物的熔点比基性矿物低。据我所知，淬火玻璃也是如此。

物理学家有更高程度的SiO₂聚合在固相中，我认为这在能量上是有利的，因此我认为一个石英玻璃比对应的玄武岩玻璃需要更多的能量来熔化，因此有更高的熔化温度。然而，事实恰恰相反。为什么会这样呢?

Answer 1

我想补充一下布莱恩的回答，并指出一些不准确的地方。

首先，说长英质矿物的熔化温度比镁质矿物低是不对的。下面是一些常见矿物的熔化温度，从高到低排序:

• 橄榄石(镁质):1890°C
• 石英(长石英):1713°C
• 钙长石(长石):1553°C
• 透辉石(镁铁):1391°C
• 高温(基材):1205℃
• Sanidine (felsic): 1150°C
• 钠长石(长石英):1118°C

请注意，这个顺序与Bowen系列中的顺序不同。这没有问题，因为Bowen的系列描述的是普通岩浆的结晶顺序(正如Brian正确识别的那样)，而不是矿物的结晶或熔化温度。虽然这两者密切相关，但它们并不完全相同。

那么是什么决定了Bowen系列中矿物质的顺序呢?这就是事情变得复杂的地方。上面给出的熔化温度只适用于大气压下的纯矿物。冷却的岩浆从来都不是纯矿物的确切成分，也很少处于大气压力下。成分混合(即。单一岩浆中的矿物质会降低所有成分的结晶温度，从而降低熔融温度。想想路上的冰:你可以通过加热或加盐来融化它。通过添加第二个组件($ \ mathrm{氯化钠}$)到纯成分($ \ mathrm {H_2O} $)，你就使冰在低于0°C的温度下融化成为可能。

它与结晶和熔化温度有什么关系?看看这两张图:

（源）

这些图表描述了岩浆中矿物结晶的顺序，其组成可以根据三个末端成员(钙长石、透辉石、长辉石和钙长石、长辉石、石英)来定义。一个下降线是一条追踪岩浆结晶矿物演化的线。以一种岩浆为例，它的Di和Fo的含量相等，而An的含量略低于其他成分。这种岩浆首先只会使橄榄石结晶，然后它会使橄榄石和透辉石一起结晶，最后它会使这三种矿物一起结晶，直到没有更多的液体。尽管钙长石的熔融温度高于透辉石。融化这块岩石首先会导致三种矿物质一起融化在1270°C，即使它们在隔离时的熔化温度相差约500°C。

第二张图显示了一个更复杂的情况，富含Fo成分的岩石可能首先结晶Fo，然后被消耗形成顽辉石。一种类似的岩浆，其含磷略少，甚至可能根本不会使橄榄石结晶，反而会使石英结晶，尽管其整体成分仍然富含磷。

岩浆结晶和熔化的主题是迷人的，这里有一个简短的介绍(有许多视觉辅助):教学相平衡。

Answer 2

好问题!如你所知，Bowen的反应序列描述了冷却岩浆中硅酸盐矿物的结晶顺序。

硅酸盐的复合阴离子是由四个氧原子围绕着一个硅原子组成的四面体，由强共价键连接。每个四面体可以彼此分离，或者它们可以通过在相邻四面体之间共享氧原子而共价连接在一起。以这种方式，它们可以形成单链(辉石)、双链(角闪石)、片状(黑云母)和互锁四面体(石英)的三维网络。

每一个共价键的结构基团(3D网络除外)都是通过带有中间阳离子(K⁺, Na⁺、钙^{2 +}、镁^{2 +}、铁^{2 +}等)。

相对而言,共价键的熔点比离子键低。源

在Bowen的反应系列中，在不连续系列的较冷一端形成的矿物质富含硅和氧，而金属阳离子含量较低。因此，较冷一端的矿物也更多地由共价键而不是离子键主导。这种普遍性是长英质矿物比镁质矿物在较低温度下熔化的原因。

在化学风化作用下观察矿物稳定性时，你的逻辑是正确的。在地球表面，这些共价键更加稳定，像石英这样的矿物往往比橄榄石或辉石更耐风化。这在戈德里奇稳定级数我喜欢把它想象成鲍恩的反应系列。

Answer 3

还有一个诀窍——长英质岩浆基本上是其他岩石的分馏衍生物。在岩石循环过程中，最易挥发的成分倾向于长英质岩石。水和助熔剂一般会降低熔点。与基性岩中的铁/镁相比，长英质岩通常含有碱性。碱的反应性和挥发性更强。

如果你部分熔化基性岩石，最活跃和最易挥发的成分是在第一次熔化。如果它从源头被移走，你会得到更多的分馏和硅熔体。重复很多次，你会得到非常分散的熔体，基性成分最少，挥发物含量高，碱或氟等高活性元素含量高。

助熔剂如水、硼、磷、氟等会大大降低熔点。例如，干燥的单倍花岗岩在700摄氏度时几乎不熔化，而一些伟晶岩在极端水和挥发物含量下熔化，在500摄氏度以下明显存在。干型造山花岗岩或冰晶岩的熔点比湿型s型花岗岩高得多。