Понятие о фазовых диаграммах (стр. 2 )

 

Примеры диаграмм с разрывом смесимости.

1. Альбит-анортит при низких температурах.

Разрывы - перистеритовый разрыв, срастания Бёггилда, срастания Гуттенлокера.

Иризация лунного камня - перистеритовый разрыв, ламелли An0-An25.

Лабрадоризация - An45-An58.

2. Альбит-микроклин.

Пример диаграммы с очень слабой смесимостью при низких температурах и почти полной смесимостью при высоких температурах. Причина разрыва - ионные радиусы Na+ (1.18) и K+ (1.51) в координации 8.

Распад твердых растворов в этой системе (образование ламеллей распада - пертитов) - обычное дело.

Для геологов имеет важное значение случай, если в эту систему добавить воду. Следующая диаграмма - для той же системы при PH2O=5 кбар. Повышение давления препятствует смесимости, поэтому максимальная температура разрыва возрастает. Однако присутствие воды чильно снижает температуры плавления. При 5 кбар происходит смыкание максимума разрыва и минимума расплава. Эта точка известна как эвтектическая.

Эвтектика - это точка наименьшей температуры на ликвидусе уникальная тем, что в ней расплав равновесно сосуществует с двумя полевыми шпатами. Это равновесие будет находиться при неизменной температуре до тех пор, пока весь расплав не раскристаллизуется. Совместное существование альбита и калишпата в виде крупных кристаллов характерно для гранитов и гранитных пегматитов. Оно отражает, что оба минерала кристаллизовались из обогащенного водой расплава. При этом пертиты и антипертиты в этих минералах указывают на распад твердых растворов при дальнейшем снижении температуры.

 

Примеры диаграмм при отсутствии смесимости между компонентами.

1. Альбит-кварц.

Простая диаграмма с эвтектическими взаимоотношениями. Если в кварц по-немногу добавлять альбит, то температура плавления кварца снижается. Кристаллизация всегда заканчивается в эвтектике.

2. Форстерит-кремнезем.

Диаграмма, когда между двумя крайними компонентами образуется промежуточное соединение, а именно - энстатит. Если состав системы - менее 30% кремнезема, то при кристаллизации мы не выйдем из точки р (точка перитектики) до тех пор, пока весь форстерит не прореагирует с расплавом с образованием энстатита.

3. Еще одна диаграмма такого же типа, что и 2, - лейцит-кремнезем.

Промежуточное соединение - калишпат.

Из 2 и 3 мы видим, что равновесно могут сосуществовать форстерит-энстатит, энстатит-кремнезем (кристобалит), лейцит-калишпат, калишпат-кремнезем (тридимит). Запрещенные (или предельно неравновесные) ассоциации - форстерит-кварц и лейцит-кварц. То же самое касается нефелина.

 

Трех- и более компонентные диаграммы.

Так как почти все природные системы (магматические, метаморфические или осадочные) состоят из 6-10 и более химических компонентов, то понятно, что одно- и двухкомпонентные диаграммы имеют весьма ограниченное практическое применение.

Однако, графическое представление мультикомпонентных систем обычно ограничено трехкомпонентными диаграммами (треугольниками составов). Возможно, вы столкнетесь и с четырехкомпонентными диаграммами в виде тетраэдров, однако даже такие построения становятся графически трудночитаемыми.

Треугольные фазовые диаграммы обычно используются в петрологии для представления экспериментально изученных путей плавления и последовательностей кристаллизации магматических пород.

1. Пример: форстерит-кремнезем-кальсилит.

Линии на этой диаграмме тоже моновариантны (посчитайте сами по правилу фаз). Линии постоянных температур называются изотермами. Ликвидус представляет собой не линию, а уже некую поверхность. Стрелки вдоль фазовых границ - пути кристаллизации при снижении температуры. Каждая сторона треугольника может быть представлена как двухкомпонентная система (пример - лейцит-кремнезем).

При изучении минералогических ассоциаций и типов пород часто используются субсолидусные фазовые диаграммы.

2. Схематическое изображение в объеме трехфазной диаграммы калишпат-альбит-анортит.

В основании лежит треугольник, показывающий фазовые отношения при температурах 650, 750 и 900оС и давлении РН2О=1 кбар. Такой треугольник обычно используется при описании твердых растворов полевых шпатов для различных температур. Сравните этот треугольник с двухфазными диаграммами. Здесь мы видим, что ряд плагиоклазов непрерывен. Однако, ранее я показал, что ниже 800оС в этом ряду существуют три разрыва. Здесь они не показаны, потому что на момент экспериментов, по которым строилась эта диаграмма, еще не существовало технических возможностей, позволяющих зафиксировать сверхтонкие ламелли распада в плагиоклазах.

3. Другая очень часто используемая треугольная диаграмма - взаимоотношение минералов в семействе пироксенов - волластонит-ферросилит-энстатит. Эта диаграмма построена на основании тысяч анализов сосуществующих природных пироксенов, поэтому она не дает представления о поведении их в высоко- и низкотемпературной областях (например, пироксены в базальтах и габбро). Эта диаграмма показательна только при оценке степеней растворимости при образовании твердых растворов пироксенов. Здесь вы хорошо видите разрыв смесимости между клино- и ортопироксенами.

Подобные треугольные диаграммы также широко применимы для описания составов, например, минералов группы оливина и семейства амфиболов.

Трехкомпонентные диаграммы могут также использоваться для иллюстрации ссосуществующих пар минералов или групп из трех минералов. Такие диаграммы получили название парагенетических.

4. Пример парагенетической диаграммы в системе SiO2-NaAlSiO4 (нефелин) - KAlSiO4 (кальсилит) при Т=1000оС.

Эта диаграмма важна для магматических пород, так как показывает, что в недосыщенных кремнеземом ассоциациях равновесного кварца (тридимита, кристобалита) быть не может.

 

Пока мы рассматривали только треугольные диаграммы. Однако, петрологи часто пользуются треугольниками, в которых группируют некоторые минералы попарно в каком-либо углу, чтобы проиллюстрировать более сложные многокомпонентные системы. Для примера приведу две диаграммы CaO-Al2O3-MgO+FeO - для базальта (Р=1-2 кбар, Т=1000-1200оС) и для эклогита (Р=12-30 кбар, Т=400-800оС).

 

Еще более сложные диаграммы вы можете увидеть при иллюстрации взаимоотношений в метаморфических породах. И, наконец, поскольку химизм многих пород слишком сложен для графического представления парагенезисов, вместо этого используются математические отношения.

 

Диаграммы для систем, содержащих СО2 и Н2О.

До этого мы рассматривали Р-Т диаграммы для полиморфных модификаций или реакций между минералами, не содержащими летучих. Однако экспериментально можно также установить, например, области стабильности водосодержащих минералов и их безводных продуктов реакций.

1. Антофиллит ® энстатит + кварц + Н2О.

Mg7Si8O22(OH)2 ® 7MgSiO3 + SiO2 + H2O, вода уходит во флюидную фазу. Система может быть задана как MgO-SiO2-H2O.

2. Кальцит ® СаО + СО2 и кальцит + кварц ® волластонит + СО2.

Видно, что кальцит в системе СаО-СО2 устойчив до 1000оС, однако добавление SiO2 приводит к резкому снижению устойчивости кальцита до 500-600оС.

 

Для анализа отношений между минералами в метаморфических породах часто используются составные РТ-диаграммы, которые позволяют выделять сосуществующие ассоциации для заданных систем.

3. Реакционные взаимоотношения в метаморфических породах.

Линии реакций: Al2SiO5, кальцит-арагонит, альбит = жадеит + кварц, мусковит + кварц = калишпат + силлиманит, антофиллит = энстатит + кварц.

 

В заключение напомню вам, что для описания экзогенных реакций используются диаграммы, которые вы уже привыкли видеть на химии, или которые зачастую более знакомы химикам, чем геологам. Это диаграммы Eh-pH (окислительный потенциал и отрицательный логарифм концентрации ионов водорода).

 

Строение и химизм минералов.

 

I. Кристаллические структуры минералов.

 

Эта часть должна быть в основном восстановлена в вашей памяти по материалам курсов кристаллографии и химии. Мы отметим сейчас лишь самое основное.

1. Когда делалось определение, что такое - минерал, речь шла о том, что одной из важнейших характеристик в этом понятии является его структура - т.е. строение кристаллической решетки минерала. Вспомним, что в кристаллической решетке выделяются узлы - т.е. точки, в которых располагаются материальные частицы - атомы, ионы, иногда группа частиц; узлы соединяются в ряды - совокупность материальных точек на прямой линии; и в плоские сетки - совокупность тех же точек на плоскости.

Как на кристалле? Вершина - узел, ребро - ряд, грань - плоская сетка.

Чем характеризуется каждая кристаллическая структура? Параметрами элементарной ячейки - т.е. той наименьшей единицы решетки, повторяемость которой дает возможность построить всю решетку. В зависимости от симметрии кристалла параметры ячейки будут различны - в кубической сингонии достаточно одного, в сингониях средних категорий - двух (а и с), в ромбической --трех, а в низших - еще надо учитывать и углы между осями.

Теперь - важнейший момент, который необходимо помнить, - что реальная структура минерала - это совокупность не математических точек, а реальных частиц, имеющих объем, и потому размещение их в пространстве непременно это учитывает. Как располагаются частицы, так и определяются типы кристаллических структур минералов.

Первое, с чем мы столкнулись, когда начали смотреть минералы, - это плотнейшая упаковка частиц. Вспомним, что ПУ возможна для частиц одинакового размера, что возможны два способа упаковки - ПКУ и ПГУ (пример - самородные металлы).