Фазовое равновесие в петрологии

Область фазовых равновесий включает применение физической химии к изучению происхождения минералов и пород. Фаза — это однородное вещество с точно определенными физическими и химическими свойствами. Термин «фаза» в таком понимании взаимозаменяем с термином «минерал» только в том случае, если минерал является совершенно чистым веществом (т. е. не имеет вариаций состава). Например, низкотемпературный KBapn(SiO2) — это низкотемпературная фаза в химической системе Si—O2 (или SiO2). Кианит (Al2SiO3) — фаза высокого давления в химической системе Al2O3—SiO2 (или Al2SiO3). Если минерал представляет собой твердый раствор, как в ряду полных твердых растворов форстерита и фаялита, мы говорим о фазовой области. Фаза может быть твердой, жидкой или газообразной, как в случае Н2O, имеющей 3 различные фазы: лед, вода и пар. Ранее были показаны области стабильности (или поля) для различных полиморфов льда и для жидкой H2O в координатах изменения температуры и давления. Результаты исследований в системе H2O при более высоких давлениях приведены на рис. 11.1. Вдоль разных кривых на этой диаграмме две фазы могут устойчиво сосуществовать (быть в равновесии, см. ниже). Например, лед и вода могут сосуществовать вдоль кривой P—T (кривая температур замерзания) в левой части диаграммы (а—t). R той точке, где пересекаются все три кривые, могут сосуществовать три фазы: лед, вода и пар. Она известна под названием тройной точки t (аналогичная тройная точка имеется на диаграмме Р—T для Al2SiO5). Вдоль кривой t—с могут сосуществовать вода и пар, но с увеличением P и T (при движении вверх и вправо вдоль кривой) водная фаза становится менее плотной (расширяется в соответствии с повышением температуры), а фаза пара — более плотной (из-за увеличения Р). В точке с (критическая точка) обе фазы становятся идентичными и, следовательно, неразличимыми. В пространстве P—Т вверху справа от с мы говорим уже не о воде и паре, а о сверхкритическом водном флюиде.

Понятие равновесия связано со временем. Например, если лед и вода сосуществуют в постоянных количествах неопределенно долго, т. е. за счет льда не образуется вода и наоборот (как вдоль кривой а—t на рис. 11.1), мы говорим, что в этих конкретных условиях вода и лед находятся в равновесии. Если составляющие минералы сосуществуют в породах со времени их образования, возможно несколько миллионов лет, нельзя никогда с точностью утверждать, находятся ли составляющие минералы в равновесии или нет. Если между соприкасающимися в природе минералами не наблюдается реакционной каемки, можно предположить, что минералы находились в равновесии во время образования; это предположение всегда должно подтверждаться дополнительной химической информацией относительно распределения элементов между физически соприкасающимися минералами. Однако если между минералами существуют видимые глазом или наблюдаемые под микроскопом каемки, напрашивается вывод о том, что некоторые минералы не были в равновесии друг с другом. Например, гранат может быть отделен хлоритовой каемкой от соседнего биотита. Отсюда заключаем, что гранат и биотит не были в равновесии друг с другом, так как они разделены продуктом реакции, хлоритом. В экспериментальной петрологии исследователь приходит к выводу, что указанные фазы находятся в равновесии, если между ними не происходит дальнейших изменений в течение определенного промежутка времени. Эти промежутки могут быть от нескольких часов до нескольких месяцев или даже лет, в зависимости от того, быстрая реакция или медленная, и от терпения экспериментатора.

На рис. 11.1 показаны поля стабильности в виде пограничных кривых равновесия для фаз в системе, которая химически может быть описана одним соединением — H2O. Фазы в системе описывают независимыми химическими видами, или компонентами; обычно выбирается минимальное число химических переменных. Например, в случае H2O берется соединение H2O, но можно было бы также описать химическую систему в координатах H2 и O2. В системе Al2SiO5 (андалузит—силлиманит—кианит) в качестве компонента обычно выбирается соединение Al2SiO6, хотя для химического определения системы можно выбрать три элемента: Al, Si и О или два окисных компонента: Al2O3 и SiO2. Тот, кто интересуется отношениями стабильности волластонита CaSiO3, может выбрать для представления своих результатов компонент-соединение CaSiO3. Однако тот, кто хочет изучить поля стабильности пироксенов в системе CaO—MgO—FeO—SiO2, обычно выбирает для химического определения системы три компонента: CaSiO3— MgSiO3—FeSiO3.