Фазовые диаграммы в петрологии » Ремонт Строительство Интерьер

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Фазовые диаграммы в петрологии

13.07.2021

Теперь рассмотрим ряд дополнительных примеров фазовых диаграмм (или диаграмм стабильности), изображающих поля стабильности минералов. При низких температурах и давлениях, которые преобладают при атмосферных условиях, часто бывает полезно выражать поля стабильности фаз (или минералов) через Eh (окислительный потенциал) и pH (отрицательный логарифм концентрации водородных ионов, он позволяет определить кислотную среду как pH = 0—7, основную среду как pH = 7—14, а нейтральный раствор будет при pH = 7). Построение таких диаграмм на основе термодинамических параметров показано у Гаррелса и Крайста. Рис. 11.2 демонстрирует поля стабильности некоторых окислов и сульфидов железа, рассчитанные для атмосферных условий (25 °С, давление 1 атм.). Нетрудно заметить, что гематит стабилен в окислительной области (высокий Еh), магнетит же, напротив, стабилен при более восстановительных условиях, с более низким Fh. Два сульфида, пирит и пирротин, встречаются при восстановительных условиях, pН от 4 до 9. Вдоль линий, разделяющих разные минеральные поля, два минерала могут сосуществовать в равновесии. Например, гематит и магнетит могут сосуществовать в условиях переменных pH и Eh (линии ab, см. рис. 11.2); действительно, гематит и магнетит часто встречаются вместе и осадочных железистых формациях. Диаграммы такого типа особо полезны при оценке некоторых физикохимических параметров, которые преобладают в условиях атмосферного выветривания и химического осаждения и диагенеза осадков, образовавшихся в воде (при условиях преимущественно атмосферного давления и температуре от 25 °C почти до 100 °C). На основании частого сосуществования гематита и магнетита в полосчатых железных формациях протерозоя, мы сможем до некоторой степени оценить такие параметры, как Еh и pH в первичном осадочном протерозойском бассейне.
Фазовые диаграммы в петрологии

При оценке минералов и пород, претерпевших метаморфические изменения, часто используются диаграммы P—T и T—X. На рис. 11.3 приводится пример сложной диаграммы P—T с реакционными кривыми нескольких минералов. Реакционные кривые Al2SiO5 и мусковит + кварц-калиевый полевой шпат + силлиманит + Н2О особенно показательны для метаморфических пород, в которых содержание Al3O3 высоко по сравнению с другими компонентами, такими как CaO, MgO и FeO. В глинистых сланцах многочисленные минералы имеют сравнительно высокое содержание Al2O3, и в процессе метаморфизма происходят минеральные реакции и перекристаллизация. Метаморфические эквиваленты глинистых сланцев, известные под собирательным названием пелптовые сланцы, могут иметь в своем составе значительное количество силлиманита, мусковита и кварца. Как показывают реакционные кривые и поля стабильности минералов на рис. 11.3, этот тин сланцев может находиться в состоянии равновесия в условиях P-T, ограниченных заштрихованным участком на рис. 11.3. В метаморфических породах, подвергшихся очень высоким давлениям, таких как кимберлиты и эклогиты, первоначально присутствовавший альбит должен был в процессе метаморфизма прореагировать с образованием жадеита + кварц, а первоначальный кальцит, если он был, превратится в арагонит. Например, присутствие жадеита кварц показывает, что наименьшее давление во время метаморфизма было 10 кбар при 300 С (см. верхнюю левую кривую на рис. 11.3).

Следует отметить, что диаграммы стабильности, такие как на рис. 11.2 и 11.3, получаются в результате теоретических расчетов или лабораторных экспериментов. Что касается экспериментального изучения нолей стабильности трех полиморфов Al2SiO5, для опытов можно использовать очень чистые минералы, хотя чаще всего исходными материалами являются чистые химические реактивы. Например, благородная разновидность кианита без включений при повышенной температуре может образовать силлиманит (см. рис. 11.3). Положение кривой, разделяющей поля стабильности кианита и силлиманита, основано на первой точке образования силлиманита за счет кианита при повышении температуры и наличии обратной реакции, а именно, силлиманита, переходящего в кианит при понижении температуры и повышении давления. Определение начала таких реакций обычно основано на комбинации рентгеновской порошковой дифракции и оптико-микроскопических методов. В связи с неточностью различных аспектов экспериментальных методов в локализации специфических реакции, реакционные кривые, определяемые значениями P и Т, могут представлять собой довольно широкие зоны реакции, хотя обычно их изображают топкими прямыми или кривыми линиями. Самое сложное — это сопоставить экспериментальную, химически относительно простую систему с более сложной, встречающейся в естественных условиях.

Значение диаграмм стабильности особо велико в оценке таких параметров, как температура и давление во время метаморфизма. Из нашего последующего обсуждения метаморфических пород станет ясно, что такие породы можно отнести к вполне определенным областям образования, давления и температуры на основе минеральной ассоциации.

При оценке происхождения изверженных пород весьма поучительно экспериментально изучить плавление смесей, отвечающих составам изверженных пород, а также последовательность кристаллизации минералов из расплава. Диаграммы, включающие жидкую фазу — расплав — известны как диаграммы ликвидуса. Пример такой диаграммы приведен па рис. 11.4, для составов, выраженных через 3 соединения: SiO2, KAlSiO4 и Mp2SiO4. Пунктирные линии на этой диаграмме представляют температуры плавления и называются изотермами. Поверхность, ограниченная этими изотермами — это поверхность ликвидуса. Стрелки вдоль границ разных фазовых полей показывают пути кристаллизации при понижении температуры.

На сечения температура — состав (Т—X) через такие диаграммы ликвидуса сильно влияет существование твердого раствора (вариации состава в минералах). Приведем несколько примеров сечений T—X при постоянном давлении (изобарические сечения) некоторых двукомпонентных систем. Рис. 11.5, а — это сечение T—X, показывающее эвтектическое отношение. Фазы А и В — чистые вещества и между ними нет твердого раствора. Для состава А температура плавления будет TА; аналогично, для состава В температура плавления — TВ. Добавление некоторого количества состава В в расплав А понижает температуру жидкости, которая может сосуществовать с А вдоль кривой между TА и е (точка эвтектики). Аналогично, как показывает кривая между TВ и е, температура плавления жидкости, которая может сосуществовать с В, понижается при добавлении некоторого количества А. Самая низкая температура, при которой кристаллы и расплав находятся в равновесии, - это Тс, температура эвтектики. Теперь рассмотрим последовательность кристаллизации расплава состава М. При понижении температуры расплава в точке M (начальная температура TВ) из расплава начнет кристаллизоваться чистое вещество В при TА. Кристаллизация В из расплава будет продолжаться вдоль кривой ликвидуса (от TВ до с), постепенно увеличивая содержание вещества А в расплаве. В точке эвтектики (е) вещество А присоединится к В как продукт кристаллизации. В этой точке в составе расплава не происходит более никаких изменений, так как A и B кристаллизуются из расплава в тех же пропорциях, что присутствуют в расплаве. Если кристаллизация продолжится, расплав исчезнет, и конечными продуктами кристаллизации будут B и A в пропорциях, представленных общим первоначальным составом М. Рис. 11.5,6 иллюстрирует отношение эвтектического плавления в системе KaAlSi3O8*SiO2.

Другой тип T-X сечения диаграммы ликвидуса показан на рис. 11.6, а. Эта диаграмма иллюстрирует явления перитектики и эвтектики в процессе кристаллизации. Эта диаграмма, кроме фаз А и В, между которыми нет твердого раствора, показывает присутствие 3-й фазы постоянного состава С. Фазы состава А и В плавятся в жидкость соответственно при TА и TВ, а фаза С плавится инконгруэнтно, это значит, что реагируя, она разлагается, образуя другое твердое вещество плюс жидкость, в данном случае В и расплав состава MС при температуре TС. Рассмотрим историю расплава состава M (первоначально при температуре ТВ); его можно охладить до достижения кривой ликвидуса при температуре T1, б этой точке начинает кристаллизоваться фаза В. При продолжающейся потере тепла состав расплава будет двигаться к А вдоль кривой ликвидуса, с постепенным осаждением фазы В, вплоть до достижения точки р (точки перитектики). В этой точке ранее сформировавшаяся фаза В будет реагировать с расплавом, образуя фазу С. При дальнейшем понижении температуры расплава температура получающейся фазы С будет падать, пока не достигнет точки е (эвтектика). В этой точке к С присоединяются продукты кристаллизации состава А. Рис. 11.6,б иллюстрирует эти типы явлений кристаллизации в системе Alg2SiO4*SiO2.

Совсем иной тип сечения T—X диаграммы ликвидуса наблюдается, когда существует полный твердый раствор между двумя конечными членами составов А и В, как на рис. 11.7. Эта диаграмма показывает, что чистый конечный член А плавится при TА, а чистый конечный член В — при TВ, но промежуточные составы (АВ), состоящие из одной фазы (часть ряда твердого раствора), плавятся при температурах, промежуточных между TА и TВ. Верхняя кривая в сечении T—Х (кривая ликвидуса) представляет место положение расплавленных составов, находящихся в равновесии с кристаллическими продуктами; нижняя кривая, называемая кривой солидуса, - это местоположение состава кристаллических фаз, находящихся в равновесии с расплавом. Из расплава состава M при температуре TВ начнет кристаллизоваться член ряда твердого раствора AB со специфическим составом хА, уВ при температуре T1. Эти кристаллы обогащены компонентом В, по отношению к расплаву состава М, и их рост будет обеднять расплав компонентом В. В результате этого истощения состав расплава будет двигаться вдоль кривой ликвидуса в направлении А, что показано верхней стрелкой. В результате продолжающегося понижения температуры твердая фаза первоначального состава хА, у В будет реагировать с расплавом в направлении нижней стрелки. Таким образом, и в расплаве, и в кристаллических продуктах с понижением T увеличивается содержание А. Наконец, при T2 кристаллизованные продукты имеют тот же состав, что и первоначальный расплав М, а количество расплава в равновесии с кристаллами достигнет нуля. При дальнейшем понижении температуры состав кристаллического продукта остается постоянным и отвечающим общему составу M первоначального расплава. Этот тип поведения при плавлении и кристаллизации обнаружен в системе оливина между форстеритом Mg2SiO4 и фаялитом Fe2SiO4 (см. рис. 10.7). Подобное, но неидентичное сечение T—X имеется также в системе плагиоклазовых полевых шпатов (см. рис. 10.79). Из-за наличия мональбита и разрыва между объемноцентрированными анортитовыми составами и твердым раствором высокотемпературного альбита, сечение T—X, для плагиоклазовых полевых шпатов более сложно, чем это схематически показано на рис. 11.7.

Четыре приведенных выше рисунка (рис. 11.4—11.7) иллюстрируют некоторые специфические последовательности кристаллизации, которые действуют как ограничения в истории кристаллизации изверженных расплавов.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: