Document Type : Original Article
Author
ارومیه - بلوار دانشگاه - دانشگاه ارومیه - کیلومتر 11 جاده سرو - دانشکده علوم - گروه زمین‌شناسی University of Urmia
Abstract
Keywords
Main Subjects
بافت سنگ‌ها اطلاعات ارزشمندی درباره فرایندهای فیزیکی دخیل در پیدایش سنگ‌ها به‌دست می‌دهد و ازاین‌رو، پارامترهایی مانند اندازه، شکل و توزیع فضایی در این راستا مورد توجه است و باید اندازهگیری شوند (Jerram et al., 2018). البته کار روی الگوی توزیع فضایی بلورها[1] که به اختصار SDP خوانده می‌شود بسیار محدودتر است و چگونگی اندازهگیری یا تفسیر آن هنوز چندان روشن نیست (Modjarrad, 2022). بیشتر پترولوژیستها به شرح کیفی بافتها و ریزساختارها بسنده کرده‌اند و اندازهگیریهای عددی برای دستیابی به فاکتورهای کمی بافتی، به‌ویژه در ایران، بسیار محدود است (Modjarrad, 2015; Modjarrad and Sheykhbaglou, 2016; Modjarrad, 2019). حال‌آنکه زمینشیمی به‌تنهایی نمیتواند پترولوژیست را به همة زاویه‌های پنهان دخیل در فرایند تبلور آگاه کند و عوامل پتروفیزیکی نیز دارای اهمیت هستند و این مورد کلیدی میتواند رهیافت نوینی در راستای ملموستر و باورپذیرشدن عوامل دخیل در هستهبندی و رشد بلورها به‌شمار رود که در بیشتر موارد مغفول می‌ماند. می‌توان گفت اگر همة بررسیهای پترولوژی، اعم از آذرین یا دگرگونی که با درشت بلورهای قابل‌دیدن و اندازهگیری سرو کار دارند از این جنبه بازنگری شوند اطلاعات کاملتری درباره روند پترولوژیک پیدایش سنگ‌ها به‌دست خواهد آمد. در موارد معدودی نیز که به مطالعات عددی بافتی توجه شده است (Modjarrad, 2019; Hamzehei et al., 2020) بافت تنها از جنبة اندازة بلور بررسی شده است و به شکل یا توزیع فضایی دانهها هیچ توجهی نشده است. هدف از نگارش این متن آگاه‌کردن پژوهشگران عرصة پترولوژی از لزوم توجه به این شاخه از علم و تکمیل پازل داده‌های سنگشناختی در راستای درک ژرفتر از سازوکار پیدایش سنگ‌هاست. گرچه تبدیل اندازههای دوبعدی به‌دست‌آمده از کار روی مقاطع یا برونزدها به داده‌های سهبعدی دشواریهایی دارد، اما با پیشرفت نرم‌افزارها (CSDCorrections) و ابزارها (توموگرافی پرتوی ایکس و ...) تا اندازه‌ای چنین تبدیلی امکان‌پذیر شده است (Higgins, 2006) و اکنون زمان خوبی برای ورود گسترده به عرصة کار کمی در بررسی بافت سنگ‌هاست.
شکل، اندازه و توزیع فضایی جمعیت بلوری را می‌توان از روی برشهای دیجیتالی دوبعدی از سنگ‌ها بررسی کرد. با استفاده از تعداد معناداری از بلورها در مساحت معینی از سطح سنگ می‌توان دادهها را به‌دست آورد و آن را به‌عنوان پنجرهای رو به مقیاس بزرگ‌تر در نظر گرفت و به کل سنگ تعمیم داد (Mock and Jerram, 2005). این نوع بررسیها را می‌توان پیش از کار زمینشیمیایی و به‌عنوان پایة تحقیقات تفصیلی زمینشیمیایی یا ایزوتوپی به‌کار بست (Jerram and Martin, 2008). بهعلت محدودیتهای بسیاری که روشهای 3D دارند، اندازهگیریها در مقاطع 2D به‌صورت مرسوم انجام می‌شود و سپس به کمک روشهای استریولوژی به داده‌های حجمی تبدیل می‌شوند (Underwood, 1970; Exner, 2004; Higgins, 2006). تفسیر دادهها در سنگ‌های آذرین با سنگ‌های دگرگونی تفاوت دارد و به رویداد پیدایش و تکامل ماگما بستگی دارد (Modjarrad, 2015; Modjarrad, 2020)؛ اما بررسیهای کمی بافت در سنگ‌های دگرگونی در راستای بررسی میزان انتقال گرما، درجه خروج از حالت تعادل[2]، میزان دخالت فازهای فرعی در هستهبندی پورفیروبلاستها و عوامل مؤثر بر درشتشدگی[3] بهواسطه پیوند فازهای ریزتر توسط فرایند بازپخت استوالد[4] به‌کار برده می‌شوند (Moazzen and Modjarrad, 2005; Modjarrad and Alipour, 2021). در این بررسی با توجه به ویژگیهای منحصربه‌فرد کانی گارنت (Ashley et al., 2016)، سه گروه سنگ دگرگونی از استان آذربایجان‌غربی (شکل 1) انتخاب شدند و همة اندازهگیریهای بافتی روی بلورهای گارنت آنها انجام شد (شکل‌های 2- A تا 2- C).
|
|
شکل 1- موقعیت جغرافیایی سه منطقه از سنگ‌های دگرگونی گارنتدار استان آذربایجان‌غربی. نقشههای زمین‌شناسی و شرح پترولوژی آنها در کارهای پیشین چاپ شده است (Modjarrad, 2020; Modjarrad and Alipour, 2021) (SMC: شیستهای همتافت شاهیندژ؛ Osh.: هورنفلسهای اشنویه؛ Hal Hal: گارنت آمفیبولیتهای هال‌هال چالدران).
|
شکل 2- نمونههای مزوسکوپی از گروه‌های مورد بررسی که در آنها بلورهای گارنت به‌خوبی دیده می‌شوند. عکس A مربوط به ناحیة SMC، تصویر B از هورنفلسهای اشنویه و C از آمفیبولیتهای چالدران است.
خلاصهای از شرایط دگرگونی و زمینشیمی مناطق
الف) میکاشیستهای همتافت شاهیندژ ([5]SMC): این منطقه که در پهنة ایران مرکزی جای دارد، سنگ‌های دگرگونی و آذرین گوناگونی را در خود جای داده است. شیستهای گارنتدار در ناحیة اوچدره شاهیندژ برونزد دارند. بررسیهای پیشین تبلور فازهایی مانند کردیریت، گارنت، آلومینوسیلیکات‌ها و استارولیت در شیستها را نشان داده‌اند (Modjarrad et al., 2007). با استناد به روشهای متعدد دما-فشارسنجی، این سرزمین از نوع دگرگونی HT/L-MP ارزیابی شده است (Modjarrad et al., 2008). متاپلیت‌های مورد بحث دگرگونی چندین فازی را تجربه کرده‌اند و با بررسیهای ریزساختاری دقیق، رخداد دستکم دو فاز دگرگونی ناحیهای و یک فاز دگرگونی همبری (با نفود تودة پیچاقچی) در آنها شناسایی شده است (Modjarrad et al., 2008). ترکیب سنگ مادر این سنگ‌ها (جدول 1) از نوع شیل حاصل از مواد آذرین کرانة فعال قاره‌ای بوده است (Modjarrad et al., 2010). بیشترگارنتها منطقهبندی دارند (شکل 3- A) و ترکیب آنها به روش تجزیة نقطهای به‌صورت Alm74-86 Py4-23 Sps1.5-20 Grs0.6-8 است (جدول 2).
جدول 1- گزیده‌ای از داده‌های تجزیة XRF از سه گروه سنگی مورد بحث (فراوانی برپایة wt%).
|
Sample No. |
SMC56 |
SMC57 |
SMC58 |
SMC59 |
Osh. 03 |
Osh. 05 |
Osh. 14 |
Osh. 16 |
Hal Hal 02 |
Hal Hal 06 |
Hal Hal 09 |
|
SiO2 |
71.5 |
58.7 |
64.8 |
64.9 |
31.32 |
35.19 |
30.23 |
38.40 |
51.72 |
51.50 |
47.67 |
|
TiO2 |
0.781 |
0.846 |
0.86 |
0.740 |
7.57 |
6.20 |
6.24 |
6.11 |
1.00 |
0.97 |
1.46 |
|
Al2O3 |
12.5 |
17.6 |
15.0 |
13.3 |
35.79 |
28.68 |
35.43 |
23.5 |
14.96 |
15.39 |
17.01 |
|
Fe2O3 |
5.90 |
8.40 |
7.72 |
10.04 |
20.84 |
25.80 |
20.72 |
26.21 |
22.15 |
22.64 |
19.24 |
|
MnO |
0.048 |
0.076 |
0.029 |
0.048 |
0.04 |
0.05 |
0.04 |
0.05 |
0.92 |
0.83 |
0.52 |
|
MgO |
2.28 |
4.50 |
3.20 |
2.96 |
1.05 |
1.85 |
0.98 |
1.67 |
2.41 |
2.79 |
2.96 |
|
CaO |
0.47 |
1.00 |
0.64 |
0.91 |
0.45 |
0.21 |
0.22 |
0.53 |
4.47 |
3.87 |
3.89 |
|
Na2O |
2.97 |
2.93 |
0.97 |
2.91 |
0.69 |
0.22 |
0.52 |
0.24 |
1.08 |
1.12 |
2.36 |
|
K2O |
1.36 |
3.42 |
2.73 |
1.84 |
1.07 |
0.84 |
2.51 |
1.62 |
0.24 |
0.21 |
0.61 |
|
P2O5 |
0.240 |
0.257 |
0.324 |
0.26 |
0.27 |
0.09 |
0.06 |
0.32 |
0.33 |
0.33 |
0.56 |
|
LOI |
1.69 |
1.89 |
3.29 |
1.83 |
0.95 |
1.56 |
3.09 |
2.4 |
0.10 |
0.17 |
2.31 |
|
Total |
99.7 |
99.6 |
99.5 |
99.7 |
100.04 |
100.70 |
100.04 |
100.74 |
100.22 |
100.23 |
100.23 |
جدول 2- داده‌های تجزیة نقطهای کانی گارنت در سنگ‌های دگرگونی مورد بررسیِ بافتی به‌همراه فرمول ساختاری به‌دست‌آمده برپایة 12 اتم اکسیژن.
|
Sample No. |
|
SMC57 |
|
SMC59 |
Osh. 01 |
Osh. 05 |
Osh. 12 |
Osh. 18 |
Hal Hal 10 |
Hal Hal 18 |
Hal Hal 21 |
||
|
|
|
rim |
core |
|
rim |
core |
|
|
|
|
|
|
|
|
SiO2 |
|
36.12 |
36.90 |
|
37.53 |
37.33 |
32.83 |
33.83 |
31.27 |
30.30 |
35.93 |
31.23 |
34.21 |
|
TiO2 |
|
0.00 |
0.03 |
|
0.01 |
0.03 |
0.58 |
0.28 |
3.15 |
3.57 |
1.60 |
1.18 |
1.52 |
|
Al2O3 |
|
20.59 |
20.44 |
|
21.22 |
21.79 |
20.94 |
21.64 |
19.66 |
20.44 |
20.15 |
22.67 |
20.59 |
|
Fe2O3 |
|
1.15 |
2.45 |
|
0.85 |
1.32 |
7.02 |
6.80 |
7.28 |
8.26 |
3.07 |
6.05 |
6.14 |
|
FeO |
|
36.42 |
35.75 |
|
36.18 |
33.70 |
36.70 |
35.85 |
37.25 |
36.37 |
26.93 |
27.72 |
26.84 |
|
MnO |
|
1.82 |
1.24 |
|
0.61 |
0.44 |
0.80 |
0.42 |
0.35 |
0.30 |
0.65 |
0.32 |
0.41 |
|
MgO |
|
1.07 |
1.40 |
|
4.14 |
5.47 |
0.42 |
1.02 |
0.87 |
0.88 |
4.38 |
7.35 |
3.75 |
|
CaO |
|
2.33 |
2.40 |
|
0.53 |
0.60 |
0.80 |
0.75 |
0.53 |
0.61 |
6.27 |
2.53 |
5.74 |
|
Na2O |
|
0.00 |
0.34 |
|
0.00 |
0.00 |
0.00 |
0.00 |
0.00 |
0.00 |
0.84 |
0.32 |
0.75 |
|
K2O |
|
0.01 |
0.00 |
|
0.01 |
0.00 |
0.00 |
0.00 |
0.12 |
0.13 |
0.05 |
0.29 |
0.21 |
|
Total |
|
99.52 |
100.95 |
|
101.08 |
100.69 |
100.09 |
100.59 |
100.47 |
100.85 |
99.87 |
99.66 |
100.16 |
|
Si |
|
2.968 |
2.978 |
|
2.981 |
2.945 |
2.541 |
2.967 |
2.612 |
2.522 |
2.833 |
2.453 |
2.709 |
|
Ti |
|
0.000 |
0.002 |
|
0.001 |
0.002 |
0.035 |
0.017 |
0.198 |
0.224 |
0.095 |
0.070 |
0.091 |
|
Al |
|
1.994 |
1.945 |
|
1.987 |
2.027 |
1.984 |
2.055 |
0.198 |
2.005 |
1.873 |
2.099 |
1.922 |
|
Fe3+ |
|
0.071 |
0.149 |
|
0.051 |
0.078 |
2.065 |
2.147 |
2.604 |
2.533 |
0.405 |
0.935 |
0.616 |
|
Fe2+ |
|
2.503 |
2.413 |
|
2.403 |
2.224 |
0.531 |
0.469 |
0.458 |
0.517 |
1.573 |
1.272 |
1.57 |
|
Mn |
|
0.127 |
0.085 |
|
0.041 |
0.029 |
0.123 |
0.075 |
0.025 |
0.021 |
0.043 |
0.021 |
0.027 |
جدول 2- ادامه.
|
Sample No. |
|
SMC57 |
|
SMC59 |
Osh. 01 |
Osh. 05 |
Osh. 12 |
Osh. 18 |
Hal Hal 10 |
Hal Hal 18 |
Hal Hal 21 |
||
|
|
|
rim |
core |
|
rim |
core |
|
|
|
|
|
|
|
|
Mg |
|
0.131 |
0.168 |
|
0.490 |
0.643 |
0.109 |
0.105 |
0.108 |
0.109 |
0.515 |
0.860 |
0.443 |
|
Ca |
|
0.205 |
0.208 |
|
0.045 |
0.051 |
0.155 |
0.147 |
0.047 |
0.054 |
0.530 |
0.213 |
0.487 |
|
Na |
|
0.000 |
0.053 |
|
0.000 |
0.000 |
0.00 |
0.00 |
0.00 |
0.00 |
0.128 |
0.049 |
0.115 |
|
K |
|
0.001 |
0.000 |
|
0.001 |
0.000 |
0.00 |
0.00 |
0.013 |
0.014 |
0.005 |
0.029 |
0.021 |
|
XAlm |
|
0.844 |
0.84 |
|
0.806 |
0.755 |
0.578 |
0.589 |
0.717 |
0.737 |
0.591 |
0.537 |
0.621 |
|
XSps |
|
0.043 |
0.030 |
|
0.014 |
0.01 |
0.13 |
0.12 |
0.04 |
0.03 |
0.016 |
0.008 |
0.010 |
|
XPy |
|
0.044 |
0.06 |
|
0.164 |
0.22 |
0.11 |
0.13 |
0.17 |
0.15 |
0.193 |
0.363 |
0.380 |
|
XGrs |
|
0.069 |
0.072 |
|
0.015 |
0.02 |
0.17 |
0.18 |
0.07 |
0.08 |
0.20 |
0.090 |
0.185 |
شکل 3- تصویرهای میکروسکوپی از گروه‌های مورد بحث. A و B مربوط به شیستهای SMC، C و D از هورنفلسهای اشنویه و تصویرهای E، F و G از آمفیبولیتهای چالدران تهیه شده است. بجز تصویر B، دیگر تصویرها در نور ساده تهیه شده‌اند (مخفف نام کانی‌ها برگرفته از Whitney و Evans (2010)).
ب) هورنفلسهای پلیتی اسلاملو اشنویه: این منطقه در هالة همبری تودة گابرویی اسلاملو در شمال اشنویه جای دارد و دارای پورفیروبلاستهای کلریتویید، آندالوزیت، گارنت و کردیریت و ریزبلورهای سیلیمانیت و هرسی‌نایت است (Modjarrad and Mohamed, 2015). بیشینة دمای نزدیک به 700 درجة سانتیگراد برای این هاله برآورد شده است. سنگ مادر این هورنفلسها (جدول 1) از نوع شیل آهنی (لاتریتی) و ماسه‌سنگ حاصل از سنگ‌های آذرین کرانة فعال قاره‌ای بوده است (Mohamed and Modjarrad, 2015). برپایة روش تجزیة نقطهای، ترکیب گارنتهای همگن (شکل 3- B) به‌صورت Alm88 Py7 Grs4 Sps1 است (جدول 2).
پ) گارنت آمفیبولیت هال‌هال چالدران: این منطقه در کرانة شمالباختری ایران در شمال استان آذربایجان‌غربی جای دارد (شکل 1). در این ناحیه، آمیزة رنگی افیولیتی ماکو پهنة گستردهای را پوشانده است و گارنت آمفیبولیتهای ارتفاعات هال‌هال از اجزاء آن در مسیر کلیساکندی است. در نتایج XRD کانیهای غالب این سنگ‌ها گارنت، آمفیبول و پلاژیوکلاز هستند و کانیهای کوارتز، کلریت، بیوتیت، کدر، اپیدوت، کلسیت و میکای سفید (کانی رسی) در حد فرعی در آنها دیده می‌شوند. بافت اصلی سنگ‌ها پورفیروبلاستی و پوییکیلوبلاستی است و نشانه‌هایی از دگرریختی جهتدار نیز در آنها دیده می‌شود. برپایة بررسیهای زمینشیمیایی (جدول 1)، این سنگ‌ها از نوع ارتوآمفیبولیت هستند و سنگ مادر آنها بازالت توله‌ایتی است. نمودارهای متمایزکننده زمین‌ساختی نشان‌دهندة محیط درونصفحهای (شاید اقیانوسی) برای این سنگ‌ها هستند که با مواد پوستهای آلایش یافته است (Modjarrad and Alipour, 2021). ترکیب گارنت آن یکنواخت (شکل 3- C) و به‌صورت Alm60 Grs20 Pyp15 Spss5 به‌دست آمده است (جدول 2).
روش انجام پژوهش
این نوشتار حاصل یک کار بافتی است و برای این منظور ده‌ها مقطع میکروسکوپی تصویربرداری شدند. از ابزارهای مفیدی که در این تحقیق استفاده شده است روش اسکن کل مقطع میکروسکوپی به‌صورت یکپارچه است (روشریزنمایشگر[6]). با دستیابی به یک تصویر دوبعدی بزرگ (نزدیک به 3 سانتیمتر در نزدیکِ 2 سانتیمتر) از سطح سنگ‌ها بررسی دانههای کامل و درشت بیشتری امکان‌پذیر می‌شود و خطای ناشی از کنارهم‌چیدن تصویرهای متعدد کوچک به‌صورت موزاییکی به صفر می‌رسد. این تصویر کلی برش[7] یا WSI به کمک ریزنمایشگر تولیدی شرکت دانشبنیان پرتو نور آسمان اصفهان که همانند یک دوربین دیجیتال روی میکروسکوپ نصب می‌شود، در دانشگاه ارومیه، تهیه شده است (شکل 4).
وضوح تصویر به‌دست‌آمده بسیار بالاست و بررسیهای بسیار ریز بافتی را به کمک نرم‌افزارهای پردازش تصویر امکان‌پذیر می‌کند. پس از ردهبندی دیجیتال تصویرها و ترسیم طرحواره[8] از بلورهای گارنت، تصویرهای به‌دست‌آمده با نرمافزار پردازش تصویر Digimizer و ImageJ تجزیه شدند و پارامترهای پتروفیزیکی 2D مانند درازا، پهنا، مساحت و گردشدگی بلورها به تفکیک به‌دست آورده شدند (جدول 3). داده‌های به‌دست‌آمده در نرم افزار CSDCorrections برپایة نوع کانی و بافت زمینة سنگ و مساحت کلی زیر پوشش فاز گارنت در سنگ، به داده 3D تبدیل و الگوی CSD در نمودار تراکم جمعیت در برابر اندازه و داده‌های مربوط به شکل بلور به‌دست آمد.
شکل 4- تصویرهای کل مقطع میکروسکوپی (WSI) تهیه‌شده با اسکنر ریزنمایشگر. طول و عرض مقطع اسکن‌شده روی تصویر نوشته شده است.
با ترسیم خط وایازشی[9] روی این الگو اطلاعات کلیدی مانند عرض از مبدأ[10] و شیب خط[11] به‌طور دقیق به‌دست آورده شد که معرف نسبت هستهبندی به رشد (J/G) و معکوس نرخ رشد در واحد زمان (-1/Gt) هستند (جدول 4). دیگر مراحل دربارة شکل بلور، محاسبه از طریق معادلات بوده است. برای بررسی SDP، فاصلهها به‌صورت دستی و نیز با برنامه ASAP روی WSI اندازهگیری شدند و سپس با به‌کارگیری روابط موجود، مقدارهای R بزرگ روی کاغذ (غیر نرم‌افزاری) به‌دست آورده شدند. همچنین، برای آشنایی خوانندگان با ترکیب کانی گارنت و سنگ کل نمونههای یادشده، جدول داده‌های معرف در متن گنجانده شده‌اند (جدولهای 1 و 2) که با توجه به بررسی تفصیلی پیشین روی آنها و خودداری از تکرار در این نوشتار بیش از این توضیحی داده نشده است (به Modjarrad (2020) و Modjarrad و Alipour (2021) مراجعه شود).
جدول 3- نتایج توزیع تعداد بلورهای گارنت در بازههای تعریف‌شدة اندازه برای کانی گارنت در سنگ‌های بررسی‌شده که اساس ترسیم الگوی CSD بودهاند.
|
|
|
|
Size interval (cm) |
|
|
|
|
||
|
2.51 |
1.58 |
1.000 |
0.631 |
0.398 |
0.251 |
0.158 |
0.100 |
0.0631 |
Sample No. |
|
|
|
2 |
3 |
2 |
21 |
22 |
15 |
2 |
SMC56 |
|
|
|
|
|
|
2 |
5 |
3 |
0 |
SMC57 |
|
|
|
|
1 |
1 |
5 |
3 |
0 |
|
SMC58 |
|
|
|
|
|
3 |
27 |
66 |
33 |
13 |
SMC59 |
|
4 |
4 |
4 |
0 |
|
|
|
|
|
Osh.03 |
|
|
2 |
6 |
3 |
1 |
0 |
|
|
|
Osh.05 |
|
|
4 |
4 |
2 |
0 |
|
|
|
|
Osh.14 |
|
2 |
6 |
4 |
2 |
0 |
|
|
|
|
Osh.16 |
|
|
|
1 |
8 |
13 |
4 |
2 |
0 |
|
Hal Hal 02 |
|
|
|
1 |
3 |
3 |
4 |
1 |
0 |
|
Hal Hal 03 |
|
|
|
|
2 |
7 |
0 |
2 |
0 |
|
Hal Hal 05 |
|
|
1 |
1 |
3 |
4 |
1 |
0 |
|
|
Hal Hal 07 |
|
|
3 |
3 |
7 |
7 |
3 |
0 |
|
|
Hal Hal 09 |
|
|
|
2 |
7 |
5 |
0 |
|
|
|
Hal Hal 10 |
|
|
|
4 |
12 |
2 |
2 |
1 |
0 |
|
Hal Hal 14 |
|
|
1 |
5 |
6 |
2 |
0 |
|
|
|
Hal Hal 15 |
جدول 4- داده‌های به‌دست‌آمده از پردازش تصویر شامل گردشدگی، مساحت و درازا و پهنای بلور گارنت و اطلاعات شیب و عرض از مبدأ مربوط به خط وایازشی CSD در سنگ‌های دگرگونی بررسی‌شده.
|
Intercept of regression (cm-4)=J/G |
Slope of regression (-1/Gt) of CSD curve |
Average area which crystal covered (cm2) |
Average width of crystal (cm) |
Average length of crystal (cm) |
Average roundness of crystal |
Total area of crystal (cm2) on the thin section with 8 cm2 area |
Sample No. |
|
8.64 |
-9.19 |
0.024 |
0.135 |
0.177 |
0.71 |
1.54 |
SMC56 |
|
12.23 |
-23.4 |
0.012 |
0.096 |
0.123 |
0.67 |
0.075 |
SMC57 |
|
9.50 |
-11.4 |
0.035 |
0.151 |
0.230 |
0.64 |
0.253 |
SMC58 |
|
11.21 |
-18.8 |
0.012 |
0.095 |
0.126 |
0.70 |
1.187 |
SMC59 |
|
1.05 |
-1.04 |
1.14 |
1.005 |
1.131 |
0.636 |
1.919 |
Osh.03 |
|
5.13 |
-4.07 |
0.44 |
0.603 |
0.734 |
0.790 |
3.920 |
Osh.05 |
|
2.01 |
-1.26 |
0.68 |
0.709 |
0.962 |
0.753 |
2.382 |
Osh.14 |
|
2.97 |
-2.41 |
1.02 |
0.911 |
1.120 |
0.746 |
9.930 |
Osh.16 |
|
7.15 |
-6.74 |
0.07 |
0.27 |
0.34 |
0.74 |
2.05 |
HAL HAL 02 |
|
6.16 |
-5.75 |
0.09 |
0.29 |
0.35 |
0.75 |
1.12 |
HAL HAL 03 |
|
7.79 |
-7.25 |
0.05 |
0.24 |
0.32 |
0.75 |
0.59 |
HAL HAL 05 |
|
5.81 |
-5.50 |
0.15 |
0.34 |
0.50 |
0.70 |
1.51 |
HAL HAL 07 |
|
4.66 |
-3.48 |
0.16 |
0.37 |
0.51 |
0.71 |
3.62 |
HAL HAL 09 |
|
7.27 |
-7.08 |
0.13 |
0.37 |
0.49 |
0.76 |
1.80 |
HAL HAL 10 |
|
- |
- |
0.14 |
0.37 |
0.50 |
0.74 |
2.86 |
HAL HAL 14 |
|
4.41 |
-2.95 |
0.19 |
0.44 |
0.63 |
0.72 |
2.69 |
HAL HAL 15 |
مرور مبانی نظری مسئله
1- شکل بلورها
شکل بلور فاکتوری است که توصیف کیفی آن ساده، اما کمی‌سازی آن دشوار است. شکل کلی بلورها گویای رشد، انحلال و دگرریختی است (Modjarrad, 2022). بلورهایی که بدون هیچ مانعی در یک محیط یکسان رشد کرده‌اند ممکن است شکل‌های بسیار متفاوتی داشته باشند؛ اما شکل آنها در نهایت توسط ساختمان بلور کنترل می‌شود. دانشمندان دریافتند زاویه‌های دوسطحی میان بلورها ثابت است؛ اما شکل نهایی بلور رشدیافته از یک مایع وابسته به نرخ نسبی رشد در سطوح مختلف آنست (Higgins, 2006). برای تخمین شکل باید برخی اصلاحات استریولوژی (سهبعدیسازی) در نظر گرفته شود. برای این کار شکل کلی بلور ساده در نظر گرفته می‌شود و دو پارامتر مهمِ نسبت محوری و درجة گردشدگی لحاظ می‌شوند (Higgins, 2000).
در اصل سطوح یک بلور بر اساس زنجیرههای متناوب پیوندی ([12]PBC) پدید می‌آید (Baronnet, 1984). یک PBC یک زنجیرة پیوستة قوی پیوندی میان اتمهای بلور است که بر اساس فرم صفحات به سه حالت دسته‌بندی می‌شود: وجوه مسطح F[13] با دو تا یا چند PBC، وجوه پلکانی S[14] با یک PBC و وجوه پیچخورده K[15] فاقد PBC.
در مرحلة عمل، برای استخراج پارامترهای کلی شکل بلور اغلب از اندازگیری نسبتهای محوری متوازیالاضلاع محاط شده بلورها در تصویر 2D استفاده می‌شود. ابعاد کوچک‌ترین متوازیالاضلاع محاط‌شده درون بلور سه پارامتر قطر کوچک (S)، متوسط (I) و طویل (L) دارد و نسبت محوری از روی آنها به‌دست می‌آید (S:I:L). به دلایل ریاضی بهتر است نسبت محوری کلی را به دو بخش تقسیم کرد و به‌صورت دو نسبت S/I و I/L به‌دست آورد. پس از استخراج دادهها از تصویرهای مقاطع دوبعدی، نسبت دو پارامتر مهم پهنا و درازا (w/l) سنجیده می‌شود. برای دانههای مستطیلی مقدار w/l معادل S/I است (Higgins, 1994) که در محور طولهای نمودار ویژه قرار داده می‌شود. برای دستیابی به نسبت I/L از روی خود بلور و یا پس از محاسبات آماری، معادلة زیر به‌کار برده می‌شود (Garrido et al., 2001):
نسبت حاصل در محور عرضهای نمودار مربوطه قرار داده می‌شود تا شکل کلی بلور در یکی از گروه‌های هم‌بعد[16]، صفحهای یا الواری[17]، مستطیلی[18] و یا سوزنی[19] ردهبندی شود (Higgins, 1996).
2- توزیع اندازه بلورها
برپایة تحلیل و تفسیر CSD و دیگر پارامترهای فیزیکی جمعیت بلوری می‌توان خاستگاه گوناگون و تاریخچة رشد متفاوت را از یکدیگر شناسایی کرد و از این‌رو، درک نهایی ما از فرایندهای مرتبط با تبلور بهبود می‌یابد. اندازهگیریهای فیزیکی برپایة ترکیب مراحل مختلف رشد را نشان می‌دهد و مقیاس زمانی برای انتشار در شرایط تبلور را آشکار می‌کند (Cashman, 2020). تا 30 سال پیش (Cashman and Marsh, 1988)، این دست بررسیها چندان مورد توجه نبودند. در سنگ‌های دگرگونی برآورد میزان انتقال گرما، درجة خروج از حالت تعادل، میزان دخالت فازهای فرعی در هستهبندی پورفیروبلاستها، عوامل مؤثر بر درشتشدگی و دگرگونی چندفازی را می‌توان برپایة الگوی CSD بررسی کرد.
اگر شکل یک بلور در هنگام رشد یا انحلال تغییر کند، بررسی تغییر اندازة حجم آن ضروری است. مقصود از اندازه، اندازة خطی فضای پُرشده توسط یک دانه است. جمعیت بلوری نهایی چه‌بسا با عوامل مکانیکی، مانند جورشدگی، درشتشدگی در پی جوشخوردگی[20] یا اختلاط (دو نسل بلور) تغییر کند (Modjarrad, 2022).
عملکردهای اساسی که بافتهای رشد را کنترل میکنند عبارتند از: نرخ هستهبندی که تابعی است از زمان J (t) و نرخ رشد که تابعی از زمان و اندازة بلور G (t,l) است. اگر هر دو تابع معلوم باشند، آنگاه می‌توان توزیع اندازة بلوری در زمان n (t,l) را به‌دست آورد. فرض رایج اینست که نرخ رشد مستقل از اندازه است؛ از این‌رو، این متغیر را می‌توان ساده کرد و آن را تنها تابعی از زمان دانست. البته همیشه نمیتوان به نبود وابستگی نرخ رشد به اندازه بسیار مطمئن بود؛ برای نمونه، هنگام درشتشدگی (تعادل تأخیری)، نرخ رشد به اندازه وابسته است. رابطة خطی بین لگاریتم طبیعی تراکم جمعیت[21] و اندازه L وجود دارد. برای یک فاز در چنین سیستمی:
که در آن سمت چپ برابر با تراکم جمعیت بلورهایی با اندازه L و سمت راست تراکم هسته ها، G نرخ رشد و t زمان صرف‌شده برای آنست. این توزیع روی نمودار تراکم جمعیت در برابر اندازة حالت خطی[22] دارد. عرض از مبدأ این خط برابر با نسبت نرخ هستهبندی به نرخ رشد (J/G) و شیب آن برابربا -1/Gt است (Marsh, 1988).
بررسی شکل الگو نیز به‌خودی خود اطلاعات ارزشمندی از فرایندهای فیزیکی در اختیار قرار می‌دهد. مواردی مانند جوشخوردگی استوالد، اختلاط دو جمعیت بلوری و تجمعات بلوری منجر به تغییرات و خمش در الگوی خط راست CSD می‌شود (Marsh, 1998; Turner et al., 2003). در مقابل، طرح خطی تک شیب الگو نشانة عملکرد تک فاز دگرگونی در تبلور فاز جدید است. الگوی CSD از روی برشهای سطحی تعیین و سپس به حالت حجمی تبدیل می‌شود (Higgins, 2000; 2006). برنامه کاربردی و مفید CSDCorrections با لحاظ‌کردن اطلاعاتی از شکل بلور، گردشدگی، بافت کلی سنگ در کنار دادههایی مانند درازا، پهنا و مساحت هر دانه به‌صورت جداگانه این تبدیل را انجام می‌دهد.
3- توزیع فضایی بلورها
در بسیاری از سنگ‌ها بلورها نه به‌صورت تصادفی که به‌صورت خوشهای[23]، لایهای، زنجیری و یا حتی منظم پخش می‌شوند. چنین الگوهای توزیع فضایی (SDPs) را می‌توان برپایة نظریة بستهبندی ذرات کروی در بلورها مطرح کرد که نخستین‌بار Johannes Kepler در 1611 میلادی آن را پیشنهاد داد. در علوم زمین، این مفهوم نخستین‌بار در رسوب‌شناسی به‌کار رفت و سپس به دیگر شاخهها تسری یافت (Rogers et al., 1994).
تحلیل الگوی توزیع فضایی بلورها یک راهکار ارزشمند برای ارزیابی فرایندهای دخیل در پیدایش سنگ‌هاست (Jerram and Cheadle, 2000). اگر هستهبندی به‌طور خودبخودی در یک فاز روی دهد به آن هستهبندی همگن گفته می‌شود. اگر دما و ترکیب مایع ثابت بماند، موقعیت هسته جدید تصادفی خواهد بود. اگر منطقهای از سنگ یا مذاب از اجزاء سازندة بلور تهی شود، چه‌بسا هستهبندی متوقف می‌شود (Modjarrad, 2022). هستهبندی میتواند روی فازهای موجود هم رخ دهد که به آن هستهبندی ناهمگن گفته می‌شود. موقعیت هستة بلور جدید آشکارا به محل استقرار بلور میزبان وابسته خواهد بود و توزیع خوشهای بلورها در این حالت بسیار محتمل است.
در این مقاله، کمی‌سازی SDP بلورها در مقاطع دوبعدی انجام شده است. در این بررسی با روش ساده و مؤثر، فاصلة میان مرکز هر دانه با مرکز نزدیک‌ترین دانة کنار آن[24] اندازهگیری (Clark and Evans, 1954) شده و از آن برای تعیین الگوی SDP استفاده شده است (rA). سپس این عدد به توزیع تصادفی نقاط با در واحد سطح (rE) بهنجارشده تا مقادیر R بزرگ به‌دست آید. بعد این مقدار در برابر مجموع دیگر کانیهای زمینه[25] پیاده شده است تا SDP به‌دست آید. با درنظرگرفتن توزیع تصادفی دانههای کروی و هم‌بعد یک خط راست[26] با نام RSDL در این نمودار پدید می‌آید. اگر دانهها بالای این خط قرار بگیرند SDP حالت منظم دارد و اگر در زیر خط باشند به معنی توزیع خوشهای بلورها در زمینة سنگ است (Kim and Ree, 2012).
سادهترین راه تعیین موقعیت N مرکز بلوری و پیداکردن فاصلة آن با مرکز نزدیک‌ترین بلور همسایه r است (Jerram et al., 2003). میانگین مسافت نزدیک‌ترین همسایه عبارت است از:
میانگین مسافت نزدیک‌ترین همسایه برای نقاطی با پراکندگی تصادفی در همان تراکم جمعیتی (تعداد بلورها در واحد سطح (NA عبارتست از:
نسبت این دو پارامتر، برابر با R بزرگ همان توزیع موقعیت دانه‌هاست:
در اصل برای توزیع نقاط تصادفی R بزرگ برابر یک است. برای نقاط خوشهای این عدد کمتر از یک و برای نقاط منظم بیشتر از یک خواهد بود. بیشینة مقادیر R برابربا 148/2 برای بستهبندی کامل منظم مکعب مربعی/هگزاگونال است. کمینة این مقدار به نسبت دانهها در حجم نمونه وابسته است و نزدیک به 2/1 برای 30 درصد بلور (در برابر 70 درصد فاز دیگر) است (Higgins, 2006). تغییر در جورشدگی ابعاد دانهها ممکن است به اندازة 25/0 مقدار R را تغییر دهد. تراکم مکانیکی اسکلت فشردة دانهها بستهبندی[27] مستحکمتر و افزایش مقدار R منجر را در پی خواهد داشت. چنانچه این فشردگی تداوم یابد چه‌بسا از R کاسته می‌شود و حالت خوشهای در جهت عمود بر تنش اصلی پدید می‌آید. رشد بیشتر دانهها باعث تغییر محل مرکز دانهها می‌شود و R را افزایش می‌دهد؛ اما از مقدار کلی دیگر فازها (در محور xها) میکاهد. نکتهای که نباید نادیده گرفت، تأثیر شکل، اندازه و جهتیابی ترجیحی شکل و شبکة بلور (LPO, SPO) بر چگونگی آرایش فضایی دانه‌هاست که در نظریة R بزرگ لحاظ نشده است و به بروز خطا در ارزیابی SDP منجر خواهد شد (Kim and Ree, 2012).
بحث
بررسی نسبتهای مرتبط با شکل بلور گارنت در سه گروه سنگ دگرگونی بررسی‌شده نشان داد، نسبت متوسط محور کوتاه به متوسط محور بلند بیضوی یا متوازیالاضلاع محاط‌کنندة بلور برای گارنت هورنفلس اشنویه برابربا 9/0 و برای گارنت آمفیبولیت هال‌هال چالدران و گارنت میکاشیست SMC برابربا 7/0 تا 9/0 بوده است (شکل 5) که این بهعلت اندکی کشیدگی بلورها در اثر دگرگونی ناحیهای به‌ویژه در نمونههای چالدران است. بدون درنظرگرفتن بافت سوگیرش (یا جهت‌یافتگی ترجیحی) کلی سنگ ناشی از دگرگونی ناحیهای، این نتایج در کل یک شکل هم‌بعد را نشان می‌دهد (شکل 6). برای راستیآزمایی و با توجه به سهولت جدایش گارنت از زمینة سنگ، بلورهای درشت نمونههای هال‌هال و اشنویه از دیدگاه شکل بررسی شده‌اند و هم‌بعد بودن بیشتر بلورها تأیید شده است. برای نمونههای SMC بهعلت ریزی بلورها این امر میسر نشد.
برای درک ارتباط میان شکل بلور با رخداد پیدایش بلور باید مقدمهای ذکر شود. عوامل محدودکنندة سرعت رخداد واکنشهای دگرگونی به ناشی از رابط بینسطحی[28]، انتشار[29] و شارش گرما[30] دسته‌بندی می‌شوند (Fisher, 1978). پیدایش گارنت از واکنشهای آبزدایی مهم در پوستة زمین است (Ague and Carlson, 2013)؛ ازاین‌رو، فرایندهای مرتبط با سیال آبکی یا مذاب در فرایندهای هستهبندی، رشد و درشتشدگی آن اغلب بررسی می‌شود؛ اگرچه درجة نبود تعادل[31] هنگام رخداد هستهبندی و رشد از هنگام درشتشدگی بسیار بیشتر است و به‌طور مستقیم بر نرخ واکنش دگرگونی و بافت حاصله اثر دارد.
بررسیهای Miyazaki (2015) روی پورفیروبلاستهای گارنت در سنگ‌های دگرگونی مرکز ژاپن (ناحیة Tsukuba) نشان می‌دهند گارنتهای این منطقه در اثر رشد کنترل‌شده توسط انتشار سیال، با حالت بیشکل و با ریخت شاخهای بینظم با هالة مشخص انتشاری پدید آمدهاند و به‌وضوح آثار نفوذ سیال را ثبت کرده است (Miyazaki, 2015). چنین شرایطی اغلب نادر و منحصر به پهنه‌های فرورانشی است؛ در حالی‌که پورفیروبلاستهای گارنت با شکل منظم و گردشدة هم‌بعد به احتمال بالا در درجة بالایی از نبود تعادل و در شرایط رشد و درشتشدگی کنترل‌شدة بهوسیله رابط بینسطحی[32] پدید آمدهاند و نه در شرایط انحلال هیدرواستاتیک (Miyazaki et al., 2019). انرژی بینسطوح[33] کنترل شدیدی روی شکل و اندازه بلورها دارد؛ از این‌رو، رشد در چنین شرایطی با شمار معدود هسته، منجر به پیدایش بافت درشت بلورهای شکلدار می‌شود، مانند آنچه دربارة سنگ‌های بررسی‌شده در این مطالعه روی داده است.
شکل 5- نمودارهای تعیین فاکتورهای شکل بلور که نسبت میانگین پهنا به میانگین درازای بلورهای گارنت را نشان می‌دهند. نسبت w/l در گارنتهای SMC برابربا 7/0 تا 8/0، در گارنتهای اشنویه دقیقاً برابربا 9/0 و در گارنت هال‌هال برابربا 8/0 تا 9/0 بوده است (یکای اندازه‌گیریِ درازای بلورها میلیمتر است).
شکل 6- نمودار نسبت قطر متوسط به بلند در برابر قطر کوچک به متوسط (Higgins, 1996) برای گارنتهای بررسی شده. تصویرهایی از تک بلورهای بررسی‌شده در کنار نقاط درج شده‌اند.
با ترسیم الگوهای CSD برای گارنت مناطق سه‌گانه نتایج زیر به‌دست آمد:
شکل 7- نمودارهای الگوی CSD برای سه نوع گارنت بررسی‌شده. نمودار A برای گارنتهای SMC، B برای اشنویه و C برای چالدران ترسیم شده است. مقدارهای عرض از مبدأ و شیب خط وایازشی در شکل یادداشت شده‌اند. دربارة گارنت SMC دو دسته جمعیت آماری ریز و درشت دانه از الگو استنباط شده است و فاکتورهای هستهبندی و رشد هر یک جداگانه نوشته شده‌اند.
با مقایسه نتایج معلوم می‌شود که شمار هستههای اولیه در هورنفلسها نزدیک به یک چهارم میکاشیستهاست (انتقال آهسته دما) که منجر به رشد نزدیک به 40 برابری در اندازة دانههای هورنفلسها شده است (Modjarrad, 2020). البته نباید ترکیب مناسبتر هورنفلسها (با دارابودن آلومینیم بالاتر، جدول 1) و نیز نقش سیال آبکی در جلوگیری از پدیدارشدن هستههای متعدد و مساعدت آن در تسریع انتقال یون‌ها به محل مورد نظر را نادیده گرفت. کمترین میزان Gt به جمعیت دانه ریز شیستها و بیشترین آن به گارنت هورنفلسها مربوط است. این کمیت برای گارنت آمفیبولیت هال‌هال نسبتاً بالاست؛ اما نه به اندازة هورنفلسها. این نتیجه نشان می‌دهد اندازة بلورها تابعی از نوع دگرگونی نیست (Dempster et al., 2019) و بیش از آن از تناسب ترکیب پروتولیت (Inui and Tanifuji, 2018)، وجود سیالات آبکی و درجه خروج از حالت تعادل (Moazzen and Modjarrad, 2005) تأثیر گرفته است.
بررسی روی SDP گارنتها در سه گروه مورد نظر از سنگ‌های دگرگونی، از طریق محاسبة دقیق دستی مقادیر R بزرگ (شکل 8) و کار روی طرحواره گارنتها (شکل 9) توزیع تصادفی تا منظم بلورها را در زمینة سنگ نشان می‌دهد (شکل 10). این نکته علامت ترکیب یکنواخت سنگ‌ها و پخش تصادفی موقعیتهای رخداد واکنش مسؤول پیدایش گارنت در زمینة سنگ (Kretz, 2006; Clerc et al., 2018) و هستهبندی از نوع همگن برای گارنت در این سنگ‌هاست.
شکل 8- نمایی از چگونگی اندازهگیری فاصله با نزدیک‌ترین بلور همسایه برای محاسبة R بزرگ و بررسی SDP. اندازهگیریها با نرم افزار ASAP انجام شده‌اند.
شکل 9- تصویری از طرحوارة ترسیمی از بلورهای بررسی‌شده در هر گروه با نرمافزار پردازش تصویری. مبنای اندازهگیریهای پتروفیزیک بوده است.
شکل 10- نمودار مربوط به ارزیابی SDP به‌روش محاسبة R بزرگ و قراردادن آن دربرابر مقدار مجموع دیگر فازهای زمینة سنگ (یا نسبت حجمی ذرات مورد نظر به حجم زمینه[35]) (Jerram et al., 2003). گارنتها در گروه‌های یادشده پراکندگی منظم تا تصادفی (و نه خوشهای) نشان می‌دهند.
برداشت
اندازهگیری پارامترهای فیزیکی بلورها ابزار قدرتمندی برای ارزیابی شرایط تبلور است و در کنار توجه به ترکیب زمینشیمیایی (سنگ و کانی) و شرح توصیفی ریزساختارها، کمک بزرگی برای درک صحیح و کامل‌تر از چگونگی پیدایش سنگ‌ها به‌شمار می‌رود.
بررسی سه گروه سنگ متنوع دگرگونی گارنتدار نشان داد شکل بلور تابعی از نوع دگرگونی، شرایط دما-فشاری یا ترکیب سنگ نیست و چنانچه تبلور تحت کنترل شرایط بینسطحی باشد، اغلب شکل همبعدی از گارنت مورد انتظار خواهد بود؛ اگرچه میزان رشد در نمای شکل نهایی دخیل است و با رشد بیشتر، گارنتهای شکلداری پدید آمده است.
بررسی CSD روی گارنتها نشان داد نرخ هستهبندی همواره نسبت به نرخ رشد بیشتر بوده است که این پدیده خود تابعی از ترکیب سنگ کل مناسب، ورود ناگهانی عوامل دگرگونساز به سنگ، خارج‌کردن آن از حالت تعادلی و در اختیاربودن سیال‌ها به‌عنوان عوامل تسهیل مهاجرت یونی به محل هستهبندی است. هرگاه جمعیت اولیه هستهها کم باشد، رشد چشمگیری رخ می‌دهد و البته نقش ادغام بلورهای ریزتر با هدف کاهش انرژی آزاد سطحی برای پیدایش بلورهای درشتتر نیز پررنگ است. همچنین، دقت در الگوها ما را در راستای شناسایی فازهای دگرگونی متعدد دخیل در تولید کانی (با دو تکه‌بودن شیب الگوها) راهنمایی می‌کند. بررسی SDP بلورهای گارنت گویای پراکنش تصادفی تا منظم دانهها در زمینة سنگ بهعلت ترکیب یکنواخت کلی (نبود لایه‌بندی) و نیز پخش نقاط مناسب برای بسته‌شدن هستهها به‌صورت همگن در سنگ است.
[1] Spatial Distribution Pattern
[2] degree of overstepping
[3] coarsening
[4] Ostwald ripening
[5] Shaindezh Metamorphic Complex
[6] microvisioneer
[7] Whole Slide Imaging
[8] sketch
[9] regression
[10] intercept value
[11] slope of the regression
[12] Periodic bond chains
[13] Flat
[14] Stepped
[15] Kinked
[16] equan
[17] tabular
[18] bladed
[19] prolate, acicular
[20] annealing
[21] population density
[22] ln (population density) versus size, L
[23] cluster
[24] distance to nearest-neighbor
[25] porosity
[26] Random Sphere Distribution Line
[27] packing
[28] interface-controlled
[29] diffusion-controlled
[30] heat flow-controlled
[31] degree of disequilibrium
[32] interface-controlled growth and Ostwald ripening
[33] interfacial energy
[34] annealing
[35] porosity
)
