Πετρογένεση Πυριγενών Πετρωμάτων & Οφιολιθικών Συμπλεγμάτων

Transcript

1 Πετρογένεση Πυριγενών Πετρωμάτων & Οφιολιθικών Συμπλεγμάτων ιαγράμματα φάσεων Βασικές αρχές Τα διαγράμματα φάσεων απεικονίζουν πεδία σταθερότητας των φάσεων που συμμετέχουν σε ένα σύστημα. Σύστημα είναι κάθε τμήμα του υλικού σύμπαντος, το οποίο επιλέγουμε νοερά για να επικεντρώσουμε τη μελέτη μας. Κάθε τι έξω από το σύστημα, αποτελεί το περιβάλλον. Φάση είναι ένα χημικά και φυσικά ομογενές τμήμα του συστήματος, το οποίο διαχωρίζεται από τις γειτονικές του φάσεις με μια οριακή επιφάνεια. Μια φάση μπορεί να είναι υγρή, στερεή (κρυσταλλική ή άμορφη) ή αέρια. Τα συστατικά είναι διαφορετικά από τις φάσεις και πολλές φορές δημιουργούν σύγχυση. Η έννοια συστατικό μπορεί να ορισθεί ως η χημική ουσία που συμμετέχει στο σχηματισμό μιας φάσης. Για παράδειγμα σε ένα δοχείο με πάγο που λειώνει, θα έχουμε δύο φάσεις (νερό + πάγος), αλλά μόνο ένα συστατικό, το νερό (H 2 O). Οι μεταβλητές διακρίνονται σε εντατικές μεταβλητές και εκτατικές μεταβλητές.

2 Βασικές αρχές Οι εντατικές μεταβλητές έχουν ορισμένη τιμή σε κάθε σημείο μέσα στο σύστημα. Η θερμοκρασία, η πίεση και οι συγκεντρώσεις των χημικών συστατικών είναι εντατικές μεταβλητές. Οι εκτατικές μεταβλητές εξαρτώνται από τη συνολική ποσότητα της ύλης μέσα στο σύστημα. Η εσωτερική ενέργεια, η μάζα, ο όγκος είναι εκτατικές μεταβλητές. Liquidus: Η θερμοκρασία πάνω από την οποία το σύστημα είναι τελείως υγρό. Solidus: Η θερμοκρασία κάτω από την οποία το σύστημα είναι τελείως στερεό. Sub-solidus: Μεταβολή που μπορεί να επηρεάσει το σύστημα εφόσον έχει κρυσταλλωθεί ολοκληρωτικά (π.χ. απόμιξη) Ισόθερμη γραμμή λέγεται κάθε γραμμή παράλληλη στη γραμμή σύστασης. Ισοπληθής ή Γραμμή Σύστασης λέγεται κάθε γραμμή κάθετη στη γραμμή σύστασης. Το Ευτηκτικό Σημείο αντιπροσωπεύει ένα αμετάβλητο σημείο με τρεις φάσεις σε ισορροπία σε μοναδική θερμοκρασία, πίεση και σύσταση. Ο κανόνας των φάσεων Η βάση όλων των εργασιών στα διαγράμματα ισορροπίας είναι ο κανόνας των φάσεων του W. Gibbs. Κάθε σύστημα διατηρεί έναν ορισμένο αριθμό ανεξάρτητων μεταβλητών, ο οποίος πρέπει να προσδιορίζεται για να περιγραφεί το σύστημα. Για να δημιουργήσει τον κανόνα των φάσεων, ο Gibbs θεώρησε τις ακόλουθες ανεξάρτητες μεταβλητές: 1. Τη θερμοκρασία 2. Την πίεση 3. Τη σύσταση των φάσεων (τις οποίες ένα σύστημα διατηρεί σε κατάσταση ισορροπίας) ΚΑΝΟΝΑΣ ΤΩΝ ΦΑΣΕΩΝ: P + F = C + 2 C = ο ελάχιστος αριθμός των συστατικών που είναι απαραίτητος για τη δημιουργία όλων των φάσεων του συστήματος P = ο αριθμός των φάσεων που είναι παρούσες σε ισορροπία F = οι βαθμοί ελευθερίας (μεταβλητές) του συστήματος ΠΡΟΣΟΧΗ! Ο κανόνας των φάσεων εφαρμόζεται μόνο σε καταστάσεις χημικής ισορροπίας του συστήματος.

3 Παράδειγμα του κανόνα των φάσεων στο σύστημα H 2 O C = 1 Αν το νερό είναι στερεό (πάγος), τότε P = 1. Εφαρμόζοντας τον κανόνα των φάσεων P + F = C + 2 προκύπτει F = 2. Οι δύο βαθμοί ελευθερίας αντιπροσωπεύουν την πίεση και τη θερμοκρασία. Το F μας δίνει επίσης τον αριθμό των εντατικών μεταβλητών που μπορούν να μεταβάλλονται ανεξάρτητα. Στην περίπτωση του πάγου μπορούμε να μεταβάλλουμε σε ένα ευρύ πεδίο την πίεση και τη θερμοκρασία και να έχουμε ακόμα πάγο. Αν θερμάνουμε τον πάγο (σε σταθερή πίεση), τότε θα προκύψει μία νέα φάση που θα είναι το νερό σε υγρή μορφή και έτσι σύμφωνα με τον κανόνα των φάσεων, P = 2 και F = 1 Όταν εμφανίζεται μία νέα φάση στο σύστημα, χρειάζεται να προσδιορίσουμε μία μόνο εντατική μεταβλητή για να ορίσουμε το σύστημα αυτό. Αν F = 2, τότε το σύστημα λέγεται διμεταβλητό (πεδίο). Αν F = 1, τότε το σύστημα λέγεται μονομεταβλητό (γραμμή). Αν F = 0, τότε το σύστημα λέγεται αμετάβλητο (σημείο). ΣΥΣΤΗΜΑ ΙΟΨΙ ΙΟΣ - ΑΝΟΡΘΙΤΗΣ

4 ΣΥΣΤΗΜΑ ΙΟΨΙ ΙΟΣ - ΑΝΟΡΘΙΤΗΣ ΣΥΣΤΗΜΑ ΙΟΨΙ ΙΟΣ - ΑΝΟΡΘΙΤΗΣ

5 ΣΥΣΤΗΜΑ ΙΟΨΙ ΙΟΣ - ΑΝΟΡΘΙΤΗΣ ΣΥΣΤΗΜΑ ΙΟΨΙ ΙΟΣ - ΑΝΟΡΘΙΤΗΣ

6 ΣΥΣΤΗΜΑ ΙΟΨΙ ΙΟΣ - ΑΝΟΡΘΙΤΗΣ F G H ΚΑΝΟΝΑΣ ΤΟΥ ΜΟΧΛΟΥ Ποσοστό υγρής φάσης: FG / FH = 0,64 Ποσοστό στερεής φάσης: GH / FH = 0,36 ΣΥΣΤΗΜΑ ΙΟΨΙ ΙΟΣ - ΑΝΟΡΘΙΤΗΣ

7 ΣΥΣΤΗΜΑ ΙΟΨΙ ΙΟΣ - ΑΝΟΡΘΙΤΗΣ ΣΥΣΤΗΜΑ ΙΟΨΙ ΙΟΣ - ΑΝΟΡΘΙΤΗΣ

8 ΣΥΣΤΗΜΑ ΙΟΨΙ ΙΟΣ - ΑΝΟΡΘΙΤΗΣ ΣΥΣΤΗΜΑ ΙΟΨΙ ΙΟΣ - ΑΝΟΡΘΙΤΗΣ

9 ΣΥΣΤΗΜΑ ΛΕΥΚΙΤΗΣ - ΤΡΙ ΥΜΙΤΗΣ ΣΥΣΤΗΜΑ ΛΕΥΚΙΤΗΣ - ΤΡΙ ΥΜΙΤΗΣ

10 ΣΥΣΤΗΜΑ ΛΕΥΚΙΤΗΣ - ΤΡΙ ΥΜΙΤΗΣ ΣΥΣΤΗΜΑ ΛΕΥΚΙΤΗΣ - ΤΡΙ ΥΜΙΤΗΣ

11 ΣΥΣΤΗΜΑ ΛΕΥΚΙΤΗΣ - ΤΡΙ ΥΜΙΤΗΣ ΣΥΣΤΗΜΑ ΛΕΥΚΙΤΗΣ - ΤΡΙ ΥΜΙΤΗΣ

12 ΣΥΣΤΗΜΑ ΛΕΥΚΙΤΗΣ - ΤΡΙ ΥΜΙΤΗΣ ΣΥΣΤΗΜΑ ΛΕΥΚΙΤΗΣ - ΤΡΙ ΥΜΙΤΗΣ

13 ΣΥΣΤΗΜΑ ΛΕΥΚΙΤΗΣ - ΤΡΙ ΥΜΙΤΗΣ ΣΥΣΤΗΜΑ ΛΕΥΚΙΤΗΣ - ΤΡΙ ΥΜΙΤΗΣ

14 ΣΥΣΤΗΜΑ ΛΕΥΚΙΤΗΣ - ΤΡΙ ΥΜΙΤΗΣ ΣΥΣΤΗΜΑ ΛΕΥΚΙΤΗΣ - ΤΡΙ ΥΜΙΤΗΣ

15 ΣΥΣΤΗΜΑ ΛΕΥΚΙΤΗΣ - ΤΡΙ ΥΜΙΤΗΣ ΣΥΣΤΗΜΑ ΛΕΥΚΙΤΗΣ - ΤΡΙ ΥΜΙΤΗΣ

16 ΣΥΣΤΗΜΑ ΑΛΒΙΤΗ ΑΝΟΡΘΙΤΗ (1 Atm) ΣΥΣΤΗΜΑ ΑΛΒΙΤΗ ΑΝΟΡΘΙΤΗ (1 Atm)

17 ΣΥΣΤΗΜΑ ΑΛΒΙΤΗ ΑΝΟΡΘΙΤΗ (1 Atm) ΣΥΣΤΗΜΑ ΑΛΒΙΤΗ ΑΝΟΡΘΙΤΗ (1 Atm)

18 ΣΥΣΤΗΜΑ ΑΛΒΙΤΗ ΑΝΟΡΘΙΤΗ (1 Atm) ΣΥΣΤΗΜΑ ΑΛΒΙΤΗ ΑΝΟΡΘΙΤΗ (1 Atm) C D E ΚΑΝΟΝΑΣ ΤΟΥ ΜΟΧΛΟΥ Ποσοστό υγρής φάσης: DE / CE = 0,77 Ποσοστό στερεής φάσης: CD / CE = 0,23

19 ΣΥΣΤΗΜΑ ΑΛΒΙΤΗ ΑΝΟΡΘΙΤΗ (1 Atm) ΣΥΣΤΗΜΑ ΑΛΒΙΤΗ ΑΝΟΡΘΙΤΗ (1 Atm)

20 ΣΥΣΤΗΜΑ ΑΛΒΙΤΗ ΑΝΟΡΘΙΤΗ (1 Atm) ΣΥΣΤΗΜΑ ΑΛΒΙΤΗ ΑΝΟΡΘΙΤΗ (1 Atm)

21 ΣΥΣΤΗΜΑ ΑΛΒΙΤΗ ΑΝΟΡΘΙΤΗ (1 Atm) ΣΥΣΤΗΜΑ ΑΛΒΙΤΗ ΑΝΟΡΘΙΤΗ (1 Atm)

22 ΣΥΣΤΗΜΑ ΑΛΒΙΤΗ ΑΝΟΡΘΙΤΗ (1 Atm) ΣΥΣΤΗΜΑ ΑΛΒΙΤΗ ΑΝΟΡΘΙΤΗ (1 Atm)

23 ΣΥΣΤΗΜΑ ΑΛΒΙΤΗ ΑΝΟΡΘΙΤΗ (1 Atm) Τήξη Στερεό μίγμα των φάσεων Α και Β του οποίου σύσταση και η θερμοκρασία αντιστοιχούν στο σημείο Χ θερμαίνεται (ισοπληθής ΧR) σε σταθερή πίεση. Όταν η θερμοκρασία φτάσει τη solidus αρχίζει η τήξη (στο ευτηκτικό σημείο C) και από τις δύο φάσεις. Με την συνεχή προσφορά θερμότητας, παράγεται όλο και περισσότερο τήγμα (ευτηκτικής σύστασης C), που βρίσκεται σε ισορροπία με το στερεό υπόλοιπο, χωρίς ωστόσο να αυξηθεί η θερμοκρασία. Το τελευταίο συμβαίνει μέχρι να λειώσει και το τελευταίο ίχνος Α (το Β είναι σε περίσσεια). Ακολούθως τήκεται αμιγές Β, ενώ η σύσταση και η θερμοκρασία του τήγματος μεταβάλλονται επί της CB μέχρι το σημείο R, στο οποίο η ισοπληθής από το Χ τέμνει τη liquidus, όπου εξαφανίζεται και το τελευταίο ίχνος στερεού Β. solidus

24 C = 3: Τριαδικά συστήματα: Παράδειγμα 1: Τριαδικό Ευτηκτικό Τρία δυαδικά ευτηκτικά σημεία Όχι στερεό διάλυμα Ένα τριαδικό ευτηκτικό = M Di - An - Fo Anorthite M T Diopside Forsterite T - X προβολή του Di - An - Fo συντηκτική Figure 7.2. Isobaric diagram illustrating the liquidus temperatures in the Di-An-Fo system at atmospheric pressure (0.1 MPa). After Bowen (1915), A. J. Sci., and Morse (1994), Basalts and Phase Diagrams. Krieger Publishers.

25 Έστω σύσταση α στους 2000 ο C Πόσες είναι οι φάσεις; Πόσοι οι βαθμοί ελευθερίας; Ποιοι οι βαθμοί ελευθερίας; Τι γίνεται όταν πέσει η Τ στους 1700 ο C; Di + Liq Liquid a Fo + Liq Fo Di + Fo Σχηματίζεται καθαρός Fo Όπως στο δυαδικό =? F =?

26 = 2 (Fo + Liq) F = = 2 Στη liquidus, έχουμε 2 βαθμούς ελευθερίας T και liq X An ή liq X Fo και liq X An X του Fo είναι σταθερή Καθώς το σύστημα ψύχεται: Κρυσταλλώνεται καθαρός Fo X liq κινείται μακριά από την κορυφή Fo Η γραμμή καθόδου είναι η a b Κατά μήκος της γραμμής αυτής από τους 1700 ο C στους 1350 ο C έχουμε μια συνεχόμενη αντίδραση: LiqA LiqB + Fo

27 Κανόνας του μοχλού σχετικές ποσότητες υγρού και κρυστάλλων Fo Στους 1500 o C Liq x + Fo = bulk a x/fo = a-fo/x-a Τι γίνεται στους 1350 ο C; Καθαρός Di συναντά τον Ol + liquid φ = 3 F = = 1 X liq = F(T) Η γραμμή καθόδου οδηγείται προς το τριαδικό ευτηκτικό M

28 1274 M b 1392 Diopside c 1387 Fo + Liq Στους 1300 o C υγρό = X Φανταζόμαστε το τριγωνικό επίπεδο X - Di - Fo να ισορροπεί στο a Liq x Di a m Fo Liq / total solids = a-m / x-a total Di / Fo = m-fo / Di-m

29 Στους 1270 ο C το υγρό φτάνει στο Μ: Καθαρός An συναντά τον Ol + Di + liquid φ = 4 F = = 0 (αμετάβλητο) Ασυνεχής αντίδραση: Liq = Di + An + Fo παραμένει στους 1270 ο C μέχρι να κρυσταλλωθεί όλο το τήγμα. Κάτω από τους 1270 ο C θα έχουμε μόνο στερεό Fo + Di + An φ = 3 F = = 1 ΣΥΣΤΗΜΑ ΙΟΨΙ ΙΟΥ ΑΝΟΡΘΙΤΗ - ΦΟΡΣΤΕΡΙΤΗ (1 Atm)

30 ΣΥΣΤΗΜΑ ΙΟΨΙ ΙΟΥ ΑΝΟΡΘΙΤΗ - ΦΟΡΣΤΕΡΙΤΗ (1 Atm) ΣΥΣΤΗΜΑ ΙΟΨΙ ΙΟΥ ΑΝΟΡΘΙΤΗ - ΦΟΡΣΤΕΡΙΤΗ (1 Atm)

31 ΣΥΣΤΗΜΑ ΙΟΨΙ ΙΟΥ ΑΝΟΡΘΙΤΗ - ΦΟΡΣΤΕΡΙΤΗ (1 Atm) ΣΥΣΤΗΜΑ ΙΟΨΙ ΙΟΥ ΑΝΟΡΘΙΤΗ - ΦΟΡΣΤΕΡΙΤΗ (1 Atm)

32 ΣΥΣΤΗΜΑ ΙΟΨΙ ΙΟΥ ΑΝΟΡΘΙΤΗ - ΦΟΡΣΤΕΡΙΤΗ (1 Atm) ΣΥΣΤΗΜΑ ΙΟΨΙ ΙΟΥ ΑΝΟΡΘΙΤΗ - ΦΟΡΣΤΕΡΙΤΗ (1 Atm)

33 ΣΥΣΤΗΜΑ ΙΟΨΙ ΙΟΥ ΑΝΟΡΘΙΤΗ - ΦΟΡΣΤΕΡΙΤΗ (1 Atm) ΣΥΣΤΗΜΑ ΙΟΨΙ ΙΟΥ ΑΝΟΡΘΙΤΗ - ΦΟΡΣΤΕΡΙΤΗ (1 Atm)

34 ΣΥΣΤΗΜΑ ΙΟΨΙ ΙΟΥ ΑΝΟΡΘΙΤΗ - ΦΟΡΣΤΕΡΙΤΗ (1 Atm) ΣΥΣΤΗΜΑ ΙΟΨΙ ΙΟΥ ΑΝΟΡΘΙΤΗ - ΦΟΡΣΤΕΡΙΤΗ (1 Atm)