ΑΣΚΗΣΗ 2 η Εφαρμογή Βασικών Αρχών Θερμοδυναμικής - Διαγράμματα Φάσεων Δύο Συστατικών

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ Πετρολογία Μαγματικών ΤΜΗΜΑ ΓΕΩΛΟΓΙΑΣ & Μεταμορφωμένων Πετρωμάτων Τομέας Ορυκτών Πρώτων Υλών Εξάμηνο 6 ο / Ακαδ. Έτος Ονοματεπώνυμο: Αρ. Μητρώου: Oμάδα: Αριθμός Θέσης: Ημερομηνία: 7/3/2017 ΑΣΚΗΣΗ 2 η Εφαρμογή Βασικών Αρχών Θερμοδυναμικής - Διαγράμματα Φάσεων Δύο Συστατικών 1. Δίνεται το παρακάτω διάγραμμα πίεσης (Ρ) θερμοκρασίας (Τ) για τα πολύμορφα διαμάντι και γραφίτη. Ποια από τις δυο φάσεις έχει υψηλότερη ελεύθερη ενέργεια Gibbs σε υψηλή πίεση; Ποια από τις δυο φάσεις έχει μεγαλύτερη εντροπία S; Δικαιολογήστε. Ρ Διαμάντι Γραφίτης Τ 2. Δίνεται το παρακάτω δυαδικό διάγραμμα φάσεων Ανορθίτη-Διοψίδιου. A) Σημειώστε πάνω σε αυτό τα εξής: Την περιοχή ύπαρξης μόνο υγρής φάσης με την ένδειξη Υ, την περιοχής ύπαρξης στερεού με την ένδειξη Σ, την περιοχή συνύπαρξης υγρής και στερεής φάσης με την ένδειξη Υ+Σ, την καμπύλη liquidus με την ένδειξη L και την καμπύλη solidus με την ένδειξη S. Β) Από πόσες φάσεις αποτελείται το στερεό που σχηματίζεται; Γ) Πόσους βαθμούς ελευθερίας έχει το σύστημα στα σημεία Κ, Λ και Μ; Δικαιολογήστε αναλυτικά, υποθέτοντας ότι ο παράγοντας της πίεσης είναι σταθερός. 1

2 Δ) Υποθέστε αρχική σύσταση ενός τήγματος An 20 Di 80. i) Σημειώστε αυτή τη σύσταση πάνω στο διάγραμμα σε θερμοκρασία 1450 ο C. ii) Σχεδιάστε ευκρινώς τις πορείες σύστασης της υγρής και της στερεής φάσης, υποθέτοντας ότι πραγματοποιείται κρυστάλλωση ισορροπίας έως τους 1250 ο C iii) Ποια είναι η αναλογία υγρής προς στερεή φάση όταν το σύστημα βρίσκεται στους 1350 ο C; iv) Ποια η σύσταση της υγρής φάσης στους 1350 ο C; v) Ποια η σύσταση της στερεής φάσης στους 1350 ο C; vi) Ποια η σύσταση και οι αναλογίες του υλικού που υπάρχει στους 1250 ο C; Ποιο πέτρωμα είναι αυτό (πλουτώνιο και ηφαιστειακό); T o C Κ 1500 Μ An Λ Di 3. Δίνεται το παρακάτω διάγραμμα φάσεων των πλαγιοκλάστων. Α) Σημειώστε πάνω σε αυτό τα εξής: Την περιοχή ύπαρξης μόνο υγρής φάσης με την ένδειξη Υ, την περιοχής ύπαρξης στερεού διαλύματος με την ένδειξη Σ, την περιοχή συνύπαρξης υγρής και στερεής φάσης με την ένδειξη Υ+Σ, την καμπύλη liquidus με την ένδειξη L και την καμπύλη solidus με την ένδειξη S. Β) Πόσους βαθμούς ελευθερίας έχει το σύστημα στα σημεία Κ, Λ και Μ; Δικαιολογήστε αναλυτικά, υποθέτοντας ότι ο παράγοντας της πίεσης είναι σταθερός. Γ) Υποθέστε αρχική σύσταση ενός τήγματος Ab 40 An 60. i) Σημειώστε αυτή τη σύσταση πάνω στο διάγραμμα σε θερμοκρασία 1600 ο C. ii) Σχεδιάστε ευκρινώς τις πορείες σύστασης της υγρής και της στερεής φάσης, υποθέτοντας ότι πραγματοποιείται κρυστάλλωση ισορροπίας έως τους 1050 ο C 2

3 iii) Ποια είναι η εκατοστιαία αναλογία της υγρής φάσης στο σύνολο του συστήματος όταν αυτό βρίσκεται στους 1400 ο C; iv) Ποια είναι η αναλογία υγρής προς στερεή φάση όταν το σύστημα βρίσκεται στους 1200 ο C; v) Ποια η αναλογία των ακραίων μελών Ab και An στο στερεό διάλυμα; Να γραφεί αναλυτικά η διαδικασία υπολογισμού vi) Δώστε την ακριβή ονομασία του ορυκτού που τελικά σχηματίζεται. vii) Ακολουθώντας την αντίστροφη πορεία, υποθέστε ότι ένα στερεό υλικό με σύσταση Ab 40 An 60 υφίσταται μερική τήξη. Πάρτε το αρχικό, μερικό τήγμα που παράγεται και απομακρύνετε το από το σύστημα (αυτή είναι και η ακριβής διαδικασία της μερικής τήξης) και επανακρυσταλλώστε το. Τι πλαγιόκλαστο θα πάρουμε τελικά μετά από αυτή τη διαδικασία; Μ Λ Κ

4 Σχ. 1. Σειρά κρυστάλλωσης σε υγρά που υπόκεινται σε ευτηκτική διαδικασία, και επακόλουθοι ιστοί στα προϊόντα συγκρυστάλλωσης (intergrowths, symplectites). Σχ. 2. Συμπλεκτίτες χαλαζία+αστρίου (γρανοφυρικός ιστός) στα περιθώρια πιο πρώιμων κρυστάλλων ορθόκλαστου. Δημιουργήθηκε από την ευτηκτική συν-κρυστάλλωση τελικών σταδίων χαλαζία + αλκαλικού αστρίου, από υπολειμματικό τήγμα εμπλουτισμένο σε SiO 2. 4

5 (α). Διάγραμμα φάσεων του συστήματος διοψίδιου-ανορθίτη. Διαγράμματα πολλών άλλων κοινών σιδηρομαγνησιούχων ορυκτών με το πλαγιόκλαστο είναι παρόμοια με αυτό. Πολλοί βασάλτες έχουν συστάσεις κοντά στα ευτηκτικά αυτών των συστημάτων. (β). Oφειτικός ιστός σε δολερίτη. Πιθανόν έχει αναπτυχθεί ως ευτηκτικό συσσωμάτωμα. Στον οφειτικό ιστό οι κρύσταλλοι πλαγιόκλαστου είναι πολύ περισσότεροι των Fe-Mg-ούχων ορυκτών και έτσι τα πινακοειδή των πλαγιοκλάστων φαίνονται να αιωρούνται μέσα στους μεγάλους κρυστάλλους των Fe-Mg-ούχων ορυκτών. (γ). Υποφειτικός ιστός σε φλεβικό διαβάση. Εδώ υπάρχουν κατά μέσο όρο ίσοι αριθμοί κρυστάλλων πλαγιοκλάστου και Fe-Mg-ούχων ορυκτών. Επομένως κάθε τριγωνική περιοχή μεταξύ κρυστάλλων πλαγιοκλάστου καταλαμβάνεται από έναν κρύσταλλο Fe-Mg-ούχου. (δ). Ενδοκοκκώδης ιστός σε διαβάση. Το δείγμα αυτό είναι από την ίδια φλέβα με το (γ) πιο πάνω αλλά πλησιέστερα στην επαφή, οπότε η ψύξη ήταν ταχύτερη. Στον ιστό αυτό κάθε τριγωνική περιοχή μεταξύ κρυστάλλων πλαγιοκλάστου καταλαμβάνεται από περισσότερους του ενός κρυστάλλους Fe- Mg-ούχων. Με ακόμη πιο γρήγορη ψύξη, το υπολειμματικό υγρό αυτής της φλέβας (υγρό τελικών σταδίων) κρυσταλλώθηκε σε μία λεπτόκοκκη μεσόσταση. Σχ. 3. Ιστοί συγκρυστάλλωσης 5

6 (α). Διάγραμμα φάσεων για το σύστημα αλβίτη-sio 2. H ευτηκτική σύσταση στα 40% πυρίτιο και 60% αλβίτη προσεγγίζει τη σύσταση των Na-ούχων γρανιτών, υποδηλώνοντας προέλευση αυτών των πετρωμάτων από συστασιακό ελάχιστο (ευτηκτικό εδώ). (β). Γραφικός γρανίτης. Σε πηγματίτες κυρίως, ο χαλαζίας και ο αλκαλικός άστριος συν-κρυσταλλώνονται με τρόπο που οι τριγωνικοί και εξαγωνικοί κρύσταλλοι χαλαζία διασπείρονται μέσα στους μεγάλους κρυστάλλους του αλκαλικού άστριου. Εδώ η τομή έχει κοπεί κάθετα στα «καρφιά» χαλαζία που διαπερνούν τον κρύσταλλο αλκαλικού αστρίου και δείχνουν με αυτό τον τρόπο τις τυπικές τους διατομές σε σχήμα ιερογλυφικής γραφής. (γ). Γραφικός γρανίτης με περθιτικές λαμέλλες απόμειξης στον ξενιστή αλκαλικό άστριο. Σε μάγματα που έχουν ψυχθεί πιο γρήγορα αναπτύσσεται ένας παρόμοιος ιστός αλλά πιο ακανόνιστος και πιο λεπτόκοκκος που αναφέρεται ως γρανοφυρικός ή μικρογραφικός ιστός. (δ). Μικρογραφικός ή γρανοφυρικός ιστός στο υπολειμματικό υγρό ενός φλεβικού πετρώματος. Δύο ιδιόμορφοι κρύσταλλοι πλαγιόκλαστου (σε κατάσβεση) κρυσταλλώνονταν πριν από τη συν-καθίζηση αστρίου+χαλαζία. Σχ. 4. Ιστοί συγκρυστάλλωσης 6