ПРАВИЛО ФАЗ F =C+2

ПРАВИЛО ФАЗ
Важной составляющей в построении и интерпретации
фазовых диаграмм является правило фаз
F =C+2
+2--p
С ‐ минимальное число компонентов
минимальное число компонентов, с помощью которых можно задать все фазы в системе.
можно задать все фазы в системе.
2 (константа) - количество рассматриваемых
интенсивных параметров.
параметров.
p ‐ число фаз
число фаз
число фаз. F ‐ число степеней свободы (или вариантность системы)
(
р
)‐
число независимых параметров равновесной системы (интенсивных), которые можно менять без изменения количества фаз.
Двухвариантная система = 2 Двухвариантная система = 2 степени свободы
степени свободы,,
моно
оновариантная система
вариантная система = = 1
1, нон
нонвариантная = вариантная = 0
0.
Иллюстрация применения правила фаз
Гиббса к однокомпонентной
д
системе:
фазовая диаграмма для H2O
Н2О,
О С=1
С 1
F =C+2
+22- p
F=2:: дивариантное
F=2
поле; С=1, р=1;
независимо
меняются давление и
Т.
F=1:: моновариантная
F=1
линия; С=1, р=2;
независимо меняменяется давление или Т
Т.
F=0:: нонвариантная
F=0
точка, С=1, р=3;
независимых
параметров нет.
1600
В фазовых диаграммах
диаграммах,
где один из интенсивных
параметров принимается
постоянным (напр.,
(напр
P=const)), правило фаз
P=const
приобретает вид
o
T, C
1500
P=const
А
Расплав
ли
1L
1400
F = C + 1 - р*.
Плагиоклаз
+
расплав
1300
Например, для описания
кристаллизации
анортозитового расплава в
изобарических условиях
давление в правиле фаз не
учитывается (рис
(рис. )
3L1
Т2
2S
3S
1200
П
Плагиоклаз
1118
1000
NaAlSi3O8
Т1
1S
b
2L
1558
ус
д
и
кв
10
Альбит
30
50
Андезин
70
90
CaAl2
Анортит
*не путайте символы: р - фаза (p
(phase); P - давление (p
(pressure)
Петрология
А.Л. Перчук
Лекция 4
Основы минералогии
силикатов и
алюмосиликатов
Уральская петрографическая практика
гранит, Бердяуш
Кафедра петрологии МГУ
по цвету
по цвету
по относительному
по относительному содержанию в породе
породообразующие
р д
р у щ
акцессорные
ц
р
по генезису
первичные
вторичные
Минералы
По цвету разделяются на
лейкократовые
р
(от греч.
светлоцветные
лейкос - белый, светлый и kratos - сила)
-
меланократовые (от греч. melanos – чёрный) - темноцветные.
Амфиболовое габбро
(Am
A -Pl плутоническая
Amпорода), Нуралинский
массив, Урал
плагиоклаз - лейкократовый
минерал
Уральская
петрографическая практика
амфибол - меланократовый
минерал
По содержанию в породе
Породообразующие минералы
содержатся в породе в количестве
б
более 5 объемных
б
% ((каждый).
(каждый)
й).
5%
акцессорные
Относительные содержания этих минералов определяют название
горной породы. Например, в лерцолите породообразующими минералами являются
оливин, ортопироксен и клинопироксен. Исчезновение любого из этих минералов из состава
породы (или снижение порогового содержания менее 5%) приведет к изменению ее названия.
Т
Так,
если убрать
б
клинопироксен, то порода будет
б
называться гарцбургит.
б
 Породообразующие минералы чаще всего являются силикатами,
алюмосиликатами и карбонатами
карбонатами.
Акцессорные (от лат. accessorius - добавочный) - минералы,
которые входят в состав пород в количествах менее 5
объемных % (каждый) и не влияют на название
породы Обычно это несиликатные*
породы.
несиликатные и некарбонатные
минералы, но бывают и исключения.
* Некоторые минералы (напр., циркон, сфен),
сфен), как правило,
правило, являются акцессорными
Один и тот же минерал может быть
породообразующим в одной породе, но
акцессорным
ц
р
в дру
другой.
Кварц
р – акцессорный
р
минерал
р в
габбро (Сpx
(Сpx--Pl порода). Вид под
микроскопом, николи Х.
Кварц
р – породообразующий
р
р у щ
минерал в граните. Вид под
микроскопом, николи Х.
Qz
Qz
Qz
Qz
Сpx
Qz
Pl
https://www2.imperial.ac.uk/earthscienceandengineering/rocklibrary/vi
ewrecord.php?SampleNo=IG101
Фото М.А. Богомолова
Акцессорные
ц
р
минералы
р
С этим термином часто
ассоциируются вполне
определенные минералы (рутил,
сфен
сфен, циркон
циркон, ильменит
ильменит, гематит
гематит,
магнетит, апатит, хромит, алмаз и
др.),
р содержания
р
которых
р
в
большинстве пород много меньше 5
объемных %. В то же время многие из
них могут образовывать
б
рудные
месторождения.
Значение этих минералов для
петрологии с рудоносностью не
связано.
связано
Акцессорные минералы
Многие акцессорные минералы являются главными
концентраторами редких (рассеянных) элементов* –
важнейших индикаторов генезиса пород. Не входя в
состав породообразующих минералов, эти элементы
легко "обустраиваются
обустраиваются"" в кристаллических решетках
акцессориев Например,
акцессориев.
Например фосфор и фтор находятся в
акцессорном апатите Ca5(PО4)3(OH
OH,,F).
По распространенности иногда выделяют
 специфические акцессорные минералы,
минералы,
характерные
р
р
для определенных
р
типов пород.
р
Например, хромит широко распространен в
перидотитах, а циркон и флюорит – в гранитоидах.
 Сквозные акцессорные минералы
встречаются в породах самого разного состава.
Например
Например, апатит и магнетит
магнетит.
* крупноионных литофильных элементов ((LILE
LILE),
), высокозарядных элементов (HFS
(HFSЕ),
Е),
редкоземельных элементов (РЗЭ, REE (англ.)), элементы платиновой группы (ЭПГ, PGE
PGE).
).
циркон
en wikipedia org
en.wikipedia.org
апатит
fr.wikipedia.org
fr
.wikipedia.org
Роль акцессорных минералов в
геологии р
резко возросла
р
в последние
годы в связи с появлением
высокочувствительных аналитических
приборов.
б
Гранат в алмазе
news.sciencemag.org
Информация, заключенная в акцессорных минералах:
минералах:
• возраст;
• температура;
• давление;
• ранние парагенезисы
парагенезисы,
расплавы, флюиды.
Rubatto & Hermann, 2007
По генезису (происхождению) минералы
делятся на первичные и вторичные.
вторичные
Первичные минералы образуются на самой главной (как
правило, ранней)
й) стадии процесса.
процесса.
В магматических породах эта стадия - кристаллизация магмы.
Например,
р
р первичными
р
минералами
р
в габбро
р являются
плагиоклаз или клинопироксен.
Вторичные минералы образуются в результате изменения и
замещения первичных минералов при гидротермальных и
метаморфических процессах
процессах, а также при процессах
выветривания.
Минералы в метаморфических породах чаще относят к этапам
метаморфизма (напр., клинопироксен гранулитового этапа
метаморфизма).
)
Главные
породо
ородо-образующие
минералы
www.geologycafe.com
Породообразующие силикаты
Тетраэдр [SiO4]4- - основа каркаса
http://arapaho.nsuok.edu
Обратите внимание на различие ионных радиусов Si и O.
Основные подклассы силикатов
О
Островные
Ц
Цепочечные
Изолированные тетраэдры,
мостиковых кислородов
(м.к.) = 0
Цепочки тетраэдров,
м.к. = 2
Ленточные
Ленты из 2 цепочек,
м
м.к.
к = 2 или 3
Слоистые
Слои, м.к. = 3
Каркасные
3D каркас,
каркас м
м.к.
к =4
http://nature.berkeley.edu
Подкласс "Островные силикаты"
Группа
ру
оливина
(Mg,Fe)2[SiО4]
Непрерывный твердый раствор
Фаялит
(Fa) Fe2SiO4
Форстерит (Fo) Mg2SiO4
Структура. Изолированные [SiO4]
тетраэдры.
р
р Вершины
р
направлены
р
поочередно вверх и вниз. Тетраэдры
связаны через катионы. Катионные
позиции M1 и M2
M2..
Сингония ромбическая.
dco.gl.ciw.edu
Островные силикаты
В шлифах оливин FoFo-Fa ряда легко узнается по
отсутствию окраски
окраски, характерным формам
выделения, прямому угасанию, несовершенной
спайности, высокому рельефу и высокому
двулучепреломлению.
д
у у
р
Состав оливина определяется
р д
под микроскопом по углу 2
2V
V ().
Зерна оливина с характерной
шестиугольной
й (б
(большое в центре)) и
ромбической (маленькое – внизу)
формами и несовершенной
спайностью.
Поперечник поля зрения – около 2 мм.
николи Х
Fo
Fa
1 николь
Островные силикаты
Один из важнейших диагностических признаков оливина в шлифе вторичные
р
преобразования
преобразования.
р
р
. Обычно продукты
р ду
изменения оливина в
ультраосновных породах - серпентин (тальк) – образуют непрерывную
сеть из тонких жил.
Серпентинизированный оливин. Серпентин
(голубовато--серый) выполняет трещинки в
(голубовато
зернах. Николи скрещены. Поперечник поля
зрения 5 мм.
мм.
Найдите в этом перидотите
оливин.
Островные силикаты
Пределы стабильности оливина в мантии
Пропорции минералов
20
10
20
40
60
80
пироксены
оливин
ВЕРХНЯЯ МАНТИЯ
гранат
вадслеит
рингвудит
ПЕРЕХОДНАЯ ЗОНА
100
200
600
40
50
Fe-периклаз
Ca-перовскит
Ca
перовскит
1400
70
80
90
перовскит
НИЖНЯЯ МАНИЯ
100
125
150
Диаграмма составсостав-давление для
системы Mg2Si
Si0
04- Fe2Si
Si0
04 при 1200 и
1600oС (Akaogi
(Akaogi,, 1987).
1000
1800
2200
2600
постперовскит
3000
Рис. Изменение фазового состава пиролитовой
мантии вдоль нормальной геотермы
(Ono, Oganov, 2005, с упрощениями).
Глуб
бина, км
Давлен
ние, ГПа
30
Подкласс "Островные силикаты"
Фазовая ТТ-х диаграмма
р
для оливина при
р 1 атм:
система FaFa-Fo (Fe2SiO4-Mg2SiO4)
расплав
Т
Темпера
атура, оС
1900
1700
р
расплав
+ оливин
1500
идус
ликв
с
ду
и
л
со
1890
оливин
1300
1205
оливин в мантии
Fa
20
40
60
80
Fo
Форстерит,
р
р
масс.%
На основе данных Bowen and Shairer (1932)
Геотермы и адиабата
показывают
ю общее
б
распределение Т в мантии.
Подкласс "Островные силикаты"
Распространение в природе
 Главнейший минерал верхней мантии (встречается в
перидотитах и пироксенитах
пироксенитах).
).
В магматических породах
Вулканические (эффузивные):
(эффузивные):
кимберлиты (алмазоносные породы),
коматииты (древние высокотемпературные
лавы), базальты, пикриты
пикриты..
Плутонические (интрузивные):
(интрузивные): перидотиты,
габброиды
габброиды.
бб
.
Схема
осаждения
оливина на дне
габброидной
камеры в зоне
спрединга
спрединга.
Shore, Fowler 1999
Удлиненные кристаллы
оливина в коматиите (до 1
м в длину, ширина – первые
мм) – результат
стремительного роста.
Подкласс "Островные силикаты"
Распространенность в природе
В метаморфических породах
• Большинство перидотитов
р д
мантии - метаморфические
рф
породы.
р д
• В толщах железистых кварцитов среди кварц
кварц--магнетитовых пород
(напр., в карьере «Радостный», УПП
УПП))
Реакция образования Fe
Fe--оливина
3SiO2 + 2Fe3О4 = 3Fe2SiO4 + O2
является кислородным буфером (QFM
QFM));
содержание кислорода контролируется за
счет смещения реакции в ту или иную сторону.
• В серпентинитах (при повышении темп
температуры).
В скарнах – метасоматических породах, возникающих на контакте
силикатных интрузивов и карбонатных пород (напр., скарны в рр-не
ст. Бердяуш, УПП
УПП).
).
) Образование форстерита контролируется
реакцией:
2CaMg(
CaMg(CО3)2 + Si
SiО
О2 = Mg2Si
SiО
О4 + 2СаСО3 + 2СО2,
доломит форстерит кальцит
SiO2 – привносится флюидами из расплава
Подкласс "Цепочечные силикаты"
Группа
ру
пироксенов
р
АВ[T
АВ
[T2О6]; радикал [Si2О6]4-
где А = [Са,
[Са Na,
Na Mg,
Mg Fe2+, Mn и Li]
В = [Mg, Fe2+, Fe3+, Al, Cr и Ti], T = [Si, Аl]
Основные разновидности породообразующих пироксенов
по преобладающим катионам :
• магнезиально
магнезиально--железистые
• кальциевые
• натриевые (щелочные)
Гипотетические миналы
миналы::
Ортопироксены (ромбические, Opx)
Энстатит (En)
Mg2Si2O6
Ферросилит(Fs)
Fe2Si2O6
Клинопироксены (моноклинные,
(моноклинные, Cpx)
Диопсид(Di)
CaMgSi2O6
Геденбергит(Hd)
CaFe2+Si2O6
Жадеит (Jd)
NaAlSi2O6
Эгирин (Ae)
NaFe3+Si2O6
CaAl2SiO6, MgAl2SiO6, Ca0,5□AlSi2O6
На Уральской практике
пироксены мы встретим в
перидотитах хребта Нурали.
Mg--ортопироксен
Mg
Цвет: болотноболотно-зеленый
Mg-клинопироксен
MgЦвет: темнотемно-зеленый
en.wikipedia.org
guerisseur--magnetiseur.ch
guerisseur
Подкласс "Цепочечные силикаты"
Группа
ру
пироксенов
р
Структура. Цепочки
[SiO4]4- тетраэдров,
тетраэдров
между ними два типа
катионных позиций:
ц
M1 – малая, находится
между вершинами
тетраэдров. Заселяется
Заселяется,,
напр., Mg, Al.
M2 – крупная,
находится между
у
основаниями. Заселяется,
напр.., Na, Ca.
напр
Сингония ромбическая или
моноклинная.
Вид
вдоль
оси С
Плоскость
кристаллографических
осей а и b
Подкласс "Цепочечные силикаты"
Классификационная
диаграмма Са и
Mg--Fe пироксенов
Mg
Wol
Ca2Si2O6
Пижонит –
моноклинный
клинопироксен с долей
Wol 5-20 %.
("пироксеновая трапеция")
CaMgSi2O6 50
45
Di
Авгит – моноклинный
клинопироксен с долей
Wol 20
20--45 %.
диопсид
геденбергит
авгит
50 C
CaFeSi
F Si2O6
45
Hd
Fs
20
20
пижонит
5
M 2Si2O6
Mg
En
энстатит
ферросилит
50
5
F 2Si2O6
Fe
Fs
Wol
Ca2Si2O6
Подкласс "Цепочечные силикаты"
Условия термодинамической стабильности
пироксенов
CaMgSi2O6 50
45
Di
диопсид
геденбергит
авгит
50 CaFeSi2O6
45
Fs
20
20
пижонит
5
Mg2Si2O6
En
Количество Opх
Opх в
Срх при 1000 оС
Pig+Aug
Pi O
Pig+Opx
Lindsley, 1983
энстатит
ферросилит
50
5
Fe 2Si2O6
Fs