Фракционная кристаллизация представляет собой процесс последовательного выделения минералов из магмы или расплава при её охлаждении. Она обусловлена различной температурой кристаллизации компонентов магмы, что ведет к разделению минералов по химическому составу и кристаллической структуре. Основная термодинамическая основа процесса заключается в снижении свободной энергии системы при переходе от расплава к кристаллу, сопровождающемся локальной изменчивостью состава остаточной магмы.
Процесс фракционной кристаллизации можно рассматривать через законы распределения элементов между кристаллом и расплавом. Коэффициент распределения ( D ) определяется как отношение концентрации элемента в кристалле к его концентрации в расплаве:
[ D = ]
Элементы с ( D > 1 ) называются лифильными — они концентрируются в кристаллах, а с ( D < 1 ) — гонными, остаются преимущественно в расплаве.
Начальная кристаллизация При высокой температуре первыми кристаллизуются минералы с высокой температурой плавления: оливин, пироксен, кальциевые плагиоклазы. Эти кристаллы удаляют из расплава элементы, для которых они являются лифильными, изменяя химический состав остаточной магмы.
Средняя стадия По мере снижения температуры начинают кристаллизоваться минералы с более низкой температурой плавления: натриевые плагиоклазы, биотит, амфиболы. Расплав обогащается элементами, не включаемыми в предыдущие фракции, что способствует возникновению зональной дифференциации.
Конечная стадия В поздней стадии формируются минералы с самыми низкими температурами плавления: кварц, мусковит, апатит. Остаточная магма может привести к образованию гранитных или риолитовых тел с высокими концентрациями летучих и редких элементов.
Фракционная кристаллизация определяет химическую и минералогическую дифференциацию магматических тел. Основные геохимические последствия включают:
Обогащение остаточной магмы гоними элементами. Элементы, слабо включаемые в кристаллы (K, Rb, Cs, U, Th, редкоземельные элементы), концентрируются в последних порциях магмы, что объясняет образование гранитных интрузий и редкометальных рудных скоплений.
Зональность минералов. Последовательная кристаллизация минералов приводит к образованию зон в магматических кристаллических телах, что отражается в химическом составе и текстуре пород (например, зональные плагиоклазовые кристаллы с изменением Na/Ca от ядра к корке).
Изотопные изменения. Элементы с различными изотопами (например, Sr или Nd) перераспределяются между кристаллами и расплавом в соответствии с изотопными коэффициентами распределения, что позволяет использовать фракционную кристаллизацию для петрологических и геохронологических исследований.
Формирование породообразующих серий. Фракционная кристаллизация лежит в основе магматических серий: базальтовой, андезитовой, риолитовой. Последовательное удаление минералов с разными химическими характеристиками ведет к изменению SiO₂, MgO, FeO, CaO, Na₂O и K₂O в остаточной магме, формируя закономерности магматической эволюции.
[ C_L = C_0 F^{(D-1)}]
где ( C_L ) — концентрация элемента в остаточной магме, ( C_0 ) — исходная концентрация, ( F ) — доля оставшегося расплава, ( D ) — коэффициент распределения.
Температура, давление и состав исходной магмы определяют скорость и последовательность кристаллизации. Высокое давление способствует стабилизации кальциевых плагиоклазов и амфиболов, а понижение давления усиливает роль кварца и мусковита. Вязкость расплава влияет на отделение кристаллов: высоковязкие риолитовые магмы задерживают выпадение минералов, что изменяет геохимический путь эволюции магмы.
Фракционная кристаллизация является ключевым инструментом для интерпретации химических и минералогических данных магматических тел, прогнозирования месторождений редких и рассеянных элементов, а также для моделирования процессов магматической эволюции и формирования литосферных структур. Анализ кристалл-химических коэффициентов распределения позволяет прогнозировать накопление ценных элементов и оценивать ресурсоёмкость магматических систем.