Жариков В.А. Основы физической геохимии
Подождите немного. Документ загружается.
Большое значение для понимания условий кристаллизации горных пород имеет
трехкомпонентная система диопсид-анортит-альбит, где альбит-анортит образуют
твердый раствор I типа, а диопсид плавится конгруэнтно, находясь с плагиоклазами в
эвтектических соотношениях. Диаграмма плавкости системы приведена на рис. 3.82, I-III,
причем кроме проекций диаграммы на треугольник составов для краевых систем Ab-An и
An-Di на соответствующих сторонах треугольника представлены T-x диаграммы. Главная
особенность диаграммы состоит в том, что она имеет не тройную эвтектику, а
непрерывный ряд бинарных эвтектик - котектическую линию e
1
e
2
с максимальной
температурой в краевой системе An-Di и с минимальной температурой в краевой системе
Ab-An . Рассмотрим типичные случаи кристаллизации.
А. На рис. 3.82, I представлена кристаллизация расплава, исходный состав которого
обозначен точкой 1, лежащей в поле кристаллизации диопсида (исходный состав Di -73
вес.%, Ab -9 вес.%, An -19 вес.% или 27 вес.% Pl). При температуре, отвечающей точке 1
из расплава начнет кристаллизоваться Di, состав расплава при этом изменяется по линии 1
→ 2. При достижении точки 2, расположенной на котектической кривой, из расплава
вместе с Di начнет кристаллизоваться плагиоклаз. Совершенно строго определить состав
выделяющегося плагиоклаза можно только в том случае, если на диаграмме нанесены
конноды (типа линий 2-2
S
, 3-3
S
, и т.д.), соединяющие фигуративную точку расплава с
сосуществующим плагиоклазом (определение положения коннод - очень трудоемкая
работа и на диаграммах они обычно отсутствуют). Однако, если пренебречь влиянием Di
на активность плагиоклазовых компонентов, то с некоторым приближением, вполне
допустимым для многих систем, можно определить состав кристаллизующегося твердого
раствора - плагиоклаза по диаграмме состояния краевой плагиоклазовой системы. Для
этого проводят прямую через вершину Di и фигуративную точку расплава (точка 2) до
пересечения со стороной составов Ab-An (2
1
), как бы вычитая состав Di из расплава. Затем
проектируют точку 2
1
на линию ликвидуса плагиоклазовой системы (точка 2
L
1
) и
обычным путем, проведя конноду-изотерму, определяют состав сосуществующего
твердого раствора (из точки 2
L
1
в точку 2
S
1
). Опустив перпендикуляр на ось составов,
получим точку 2
S
, показывающую состав плагиоклаза (Pl93), равновесный с расплавом 2,
что показано коннодой 2-2
S
, и диопсидом. Продолжив линию 2-1 до вершины Di и
соединив точки Di и Pl
93
(на диаграмме не показано), получим треугольник
сосуществующих фаз (L
2
+ Pl
93
+ Di) отвечающий температуре точки 2 4.
При дальнейшем понижении температуры (трехфазовая ассоциация в системе
моновариантна, n=3 + 1-3=1) состав расплава будет изменяться по котектике e
1
e
2
и из
расплава будут кристаллизоваться диопсид и плагиоклаз, который, реагируя с расплавом
будет изменять свой состав с увеличением содержания альбитовой молекулы.
Кристаллизация расплава закончится в точке 3 (51 вес. % Ab, 18 вес.% An, 31 вес.% Di или
31 вес.% Di и 69 вес.% Pl - состав последних капель расплава). Координаты этой точки
определяем следующим образом. Окончательный состав закристаллизовавшейся системы
будет лежать на прямой, проходящей из точки Di через точку исходного состава 1 в точку
3
S
, отвечающей составу плагиоклаза (Pl
68
). Нетрудно убедиться, что соотношение
отрезков и отвечает исходному составу. Спроектируем точку 3
S
на кривую солидуса
плагиоклаза (3
S
1
) , проведем конноду-изотерму 3
S
1
-3
L
1
и, спроектировав точку на
ликвидусе 3
L
1
на сторону составов плагиоклаза (3
1
), получим плагиоклазовую
составляющую (Pl
25
) в последних каплях расплава. Проведя линию 3
1
-Di, на пересечении
ее с котектической линией получим искомую точку конечного расплава 3.
Подобно приведенным выше построениям можно получить составы сосуществующих фаз
на всем пути котектической кристаллизации от точки 2 до точки 3. На рис. 3.82, I такие
построения выполнены пунктиром для точки 4.
Рассмотрим теперь определение составов изменения фазовых соотношений при
плавлении в тройной системе. Эти построения на рис. 3.82, I выполнены пунктиром.
Пусть исходный состав содержит 58 вес. % диопсида и 42 вес. % плагиоклаза N50, чему
будет отвечать точка 7. Проведя линию Di-7, на продолжении ее при пересечении со
стороной состава плагиоклаза получим точку 5
S
, отвечающую составу плагиоклаза в
равновесии с первыми "каплями" выплавляющегося расплава. Состав расплава получим
уже использовавшимся построением 5
S
→ 5
1
S
→ 5
1
L
→ 5
1
и, соединяя состав расплава в
точке 5
1
с вершиной Di, при пересечении с котектической линией e
1
e
2
получим точку 5 -
состав первых капель расплава (76% Pl
12
и 24% Di). При дальнейшем нагревании состав
расплава будет перемещаться вверх по котектической линии e
1
e
2
до точки 6, когда весь
плагиоклаз будет выплавлен и далее на пути 6 → 7 происходит плавление диопсида.
Схема плавления может быть записана следующим образом:
где показано изменение состава расплава и плагиоклаза.
Б. Рассмотрим более сложный случай кристаллизации исходного состава, расположенного
в поле плагиоклаза (рис. 3.82, II). Как уже отмечалось, для точной диаграммы необходимо
знать составы сосуществующих расплава и плагиоклаза в двухфазовом поле L + Pl в
присутствии в расплаве диопсида. Если эти данные отсутствуют и можно пренебречь
влиянием диопсидового компонента на активности плагиоклазовых миналов, то
аналогично использованному выше приему можно прибегнуть к построению
схематического пути кристаллизации при помощи краевого плагиоклазового сечения.
Зададим исходный состав точкой 1 (77% Pl72 и 23% Di). Проведем прямую из вершины Di
через точку 1 до линии составов плагиоклаза, где получим состав чистого плагиоклаза
(точка 11). Спроектировав эту точку на кривую ликвидуса плагиоклаза (1
L
1
), проведя
конноду 1
L
1
-1
S
1
и опустив последнюю точку на ось составов получим состав плагиоклаза
(Pl
94
), который начнет кристаллизоваться из расплава состава 1 (как отмечалось выше,
вследствие "эвтектического" влияния присутствующего в расплаве диопсида температура
кристаллизации Pl
94
будет не 1500
o
C, а около 1430
o
C). При дальнейшем понижении
температуры из расплава будет кристаллизоваться более кислый плагиоклаз, состав его
будет перемещаться в направлении к точкам 2
S
, 3
S
и т.д. Путь кристаллизации - так
обозначают изменение состава расплава - намечается следующим образом. Пусть,
например, состав твердой фазы 2
S
. Тогда, проведя прямую 2
S
-1, на продолжении ее
используя правило слагаемости составов, получим точку 2, показывающую состав
расплава. Кривая 1-2 и представляет путь кристаллизации. Чтобы не загромождать
рисунок, на диаграмме показана только одна точка 2, хотя таких точек между 1 и 2 можно
наметить несколько. Определяем тем же способом путь кристаллизации до точки 3,
которая лежит на котектической кривой и которой отвечает состав плагиоклаза,
обозначенный точкой 3
S
. Начиная от точки 3 до точки 4 будет происходить котектическая
кристаллизация , во время которой состав плагиоклаза, реагируя с жидкостью, изменяет
свой состав от 3
S
(Pl
84
) до 4
S
(Pl
72
). В точке 4 кристаллизация будет завершена, поскольку
закристаллизовавшийся состав отвечает исходному. Общая схема кристаллизации:
Рассмотрим теперь плавление в этой системе, поскольку определение точек изменения
фазовых соотношений имеет некоторые особенности. Зададим исходный состав точкой 8
(81 вес.% Pl
36
, 19 вес.% Di ). Определим обычным способом при помощи краевой
диаграммы начальную точку плавления: проведем линии 8-5
S
(состав плагиоклаза) - 5
S
1
(точка на солидусе Pl) -5
L
1
(точка на ликвидусе) - 5
L
(состав "начальной" плагиоклазовой
жидкости) и при пересечении линии 5
L
-Di с котектической кривой получим точку 5 -
состав начального расплава (88 вес.% Pl
4
, 12 вес.% Di). По мере повышения температуры
из смеси твердых фаз (Pl
36
и Di) будет выплавляться расплав, который будет относительно
обогащаться диопсидом (каждая точка на котектике лежит ближе к диопсиду).
Плагиоклазовая составляющая расплава будет обогащаться анортитом (состав Pl на любой
точке котектики определяется обычным способом). Котектическое плавление будет
продолжаться до точки 6, в которой весь диопсид будет расплавлен. Точка 6 будет
расположена между пересечениями котектики линией Di-8 и продолжением линии 8
1
-8, и
наметить ее положение проще всего таким же способом, который использовался выше
при построении пути кристаллизации 1-3. При дальнейшем нагревании системы
происходит плавление плагиоклаза, состав которого изменяется от 61 до 81, состав
расплава фиксировует путь кристаллизации 6-8. Обратим внимание, что последние
реститы плагиоклаза значительно более основные (Pl
78
Di), чем общий состав системы
(Pl
36
Di). Выше температуры т.8 в системе стабилен один расплав.
Посмотрим теперь изотермическое и изоконцентрационные сечения диаграммы. На
рис. 3.83, I представлена проекция T-x диаграммы диопсид - плагиоклаз на треугольник
составов, на которой обозначена изотерма 1250
o
C и изоконцентрационное сечение AB
(Pl
20
- 0,2An
.
0,8Di).
Изотермическое сечение (T=1250
o
C) показано на верхней диаграмме (рис. 3.83, II).
Построение сечения подобно рассмотренным выше примерам. Наносится точка расплава
(L
1
), находящаяся в нонвариантном парагенезисе с Di и Pl
82
, коннодами ограничивается
нонвариантное поле L
1
+ Pl
82
+ Di. Изотерма 1250
o
C определяет составы расплава,
равновесные с диопсидом и плагиоклазами. Эти состояния моновариантны (n
T, p
= k - r = 3
- 2 = 1): в поле L + Di возможно изменение состава расплава в равновесии с Di (по смыслу
очевидно, что интенсивным параметром является y
Ab
или y
An
), в поле L + Pl возможно
сопряженное изменение составов L и Pl (точно так же интенсивный параметр y
Ab
или y
An
).
Еще один моновариантный парагенезис в области субсолидуса Pl + Di. И, наконец, в
районе альбитовых составов - дивариантное однофазовое поле расплава.
Изоконцентрационное сечение AB (Pl
20
- 0,2An
.
0,8Di) представлено в нижней части рис.
3.83, III. Сечение имеет простое строение. Плоскость сечения пересекает две поверхности
ликвидуса L + Pl, L + Di и котектическую линию e
1
e
2
(точка e
1
e
2
). Кроме того, на ось A
проектируется точка плавления альбита (T
m
Ab
), а на ось B - эвтектика e
1
. Соответственно,
на изотермическом сечении - поле кристаллизации Pl
ss
и Di. Между точками T
m
Ab
и e
1
располагается трехфазовое моновариантное поле L + Pl
ss
+ Di, отображающее
котектическую линию с минералом переменного состава. Ниже этого поля область
субсолидуса Pl
ss
+ Di. На рис. 3.83, I и III показана кристаллизация состава 1. Поскольку
внутри сечения нет спроектированных точек изменения фазовых соотношений в сечении,
как бы проекцией из вершины Di можно показать также и изменение состава расплава в
процессе кристаллизации (пунктирные стрелки на рис. 3.83, III).
В качестве следующего примера более сложной диаграммы плавкости с неограниченными
твердыми растворами рассмотрим систему кварц-альбит-калиевый полевой шпат. Система
псевдотройная, т.е. на диаграмме состояния находится поле кристаллизации фазы
(лейцита), состав которой располагается вне треугольника составов. Диаграмма плавкости
системы приведена на рис. 3.84, где кроме проекции на треугольник составов показана T-x
диаграмма краевой псевдобинарной системы Kfs-Ab. Калиевый полевой шпат и альбит
образуют твердый раствор с минимумом (III тип). Кроме того, калиевый полевой шпат
плавится инконгруэнтно, с образованием лейцита и расплава, что и обуславливает поле
устойчивости лейцита при выбранном составе системы. Поскольку присутствие
альбитового компонента понижает температуру инконгруэнтной реакции, на T-x
диаграмме псевдобинарной системы Kfs-Ab существует интервал P
S
1
-P
S
2
инконгруэнтного
перехода Lc + L → Kfs, и только предельные составы имеют единственную координату
инконгруэнтного перехода (т.е. постоянные T
P2
= 1080
o
C, состав расплава P
L
2
и состав
ортоклаза - P
S
2
). Ниже температуры предельного инконгруэнтного перехода и в
альбитовой части системы наблюдается обычная диаграмма твердых растворов с
минимумом (m
1
). На краевой диаграмме также штрих-пунктиром показаны фазовые
соотношения ортоклаз - альбит для сечения R
1
R
2
, распложенного внутри тройной
диаграммы. Эти построения будут использованы нами ниже при рассмотрении путей
кристаллизации (плавления) в тройной системе.
Рассмотрим типичные случаи кристаллизации, возникающие в системе в зависимости от
расположения фигуративных точек исходных расплавов.
А. Кристаллизация расплава, заданного фигуративной точкой 1, не отличается от
рассмотренного выше типа диаграммы (система Ab-An-Di). Общая схема кристаллизации
расплава:
Составы альбита, расплава, количественные соотношения фаз и все другие соотношения
определяются так же, как и в системе Ab-An-Di. Это справедливо и для случая
расположения исходного состава в поле Ab + L.
Б. Кристаллизация расплава, заданного фигуративной точкой 4, может быть прослежена,
если известен путь кристаллизации и солидус-ликвидус Kfs в сечении R
1
R
2
, проходящем
через точку 4. На рис. 3.84 соответствующее сечение показано штрих пунктиром на
краевой диаграмме и обозначен путь кристаллизации (4 → 5 → 6 → 7). В таком случае
нахождение сосуществующих составов и количественных соотношений аналогично
рассмотренной в предыдущем примере кристаллизации расплава из поля плагиоклаза.
Общая схема кристаллизации, показанная на рис. 3.84:
В. Наиболее сложные фазовые соотношения наблюдаются в том случае, когда
фигуративный состав расплава (точка 8) расположен в поле кристаллизации лейцита. При
достижении температуры, отвечающей положению точки 8 на поверхности ликвидуса, в
системе начинает кристаллизоваться лейцит. Изменение состава расплава при выделении
лейцита находим вспомогательным построением точки лейцита и продолжая линию Lc-8
до пересечения ее с перитектической кривой в точке 9. При достижении перитектической
кривой в расплаве происходит инконгруэнтная кристаллизация ортоклаза за счет реакции
кристаллов лейцита с расплавом. Состав расплава при этом изменяется по
перитектической кривой в направлении точки 10, что следует из соотношения
фигуративных составов фаз: Lc + L → Kfs + L
9 + n
(см. соответствующие построения на
рис.3.84).
Состав калиевого полевого шпата можно с известным приближением определить при
помощи T-x диаграммы краевой псевдобинарной системы так же, как это делалось выше
для определения состава твердых растворов. Спроектировав точку 9 на краевую систему
Kfs-Ab, получим в точке 9
L
состав расплава за вычетом SiO
2
. На краевой диаграмме
кривая P
1
-P
L
2
показывает состав расплава при перитектической реакции ("ликвидус
перитектики"), кривая P
S
1
-P
S
2
- состав калиевого полевого шпата, образующегося в
результате перитектической реакции ("солидус перитектики"). Простым построением
находим точки 9
S
1
и 9
S
, обозначающие состав ортоклаза, находящийся в равновесии с
составом 9
L
. Перитектическая реакция моновариантна (n
p
= K + 1 - r = 3 + 1 - 3 = 1):
изменению температуры отвечает сопряженное изменение составов расплава и твердого
раствора. В процессе перитектической реакции калиевый полевой шпат обогащается
альбитовой молекулой, изменяя состав от Kfs
9
S
до Kfs
10
S
. В точке 10 весь лейцит в системе
будет исчерпан, поскольку состав 8 лежит на прямой KAlSi
3
O
8
-10, и путь кристаллизации
пройдет через поле Kfs + L с кристаллизацией из расплава калиевого полевого шпата
переменного состава (мы опускаем соответствующие графические построения, чтобы не
загромождать рисунок, но напомним, что отправной точкой в этих построениях будет
расплав, равновесный с Kfs , т.е. точка 10). При достижении расплавом точки 11, лежащей
на котектической кривой, в системе вместе с Kfs будет кристаллизоваться Tr вплоть до
точки 12, в которой весь расплав будет исчерпан. Общая схема кристаллизации:
Посмотрим теперь изотермическое и изоконцентрационное сечения диаграммы. На
рис. 3.85, I представлена исходная проекция T-x диаграммы системы, на которой
нанесены поля ликвидусов фаз, изотерма полиморфного перехода (Crb=Tr), котектическая
линия (Q + Fsp) с минимумом и, поскольку диаграмма псевдотройная, - поле
кристаллизации лейцита (L + Lc). Обозначены изотермы, причем изотерма Т=1100
o
С, для
которой будет построено изотермическое сечение, выделена особо. Нанесено также
изоконцентрационное внутреннее сечение AB.
Изотермическое сечение (Т=1100
o
С) приведено на рис. 3.85, II. Построение его обычно:
изотермы на рис. 3.85, I показывают состав расплава, равновесного с соответствующей
фазой. Особенность диаграммы состоит в том, что Kfs и Ab - фазы переменного состава и
изотерма Т=1100
o
С пересекает перитектическую линию L + Lc → Kfs
ss
. Поэтому в правом
углу диаграммы будет нонвариантный трехфазовый парагенезис L + Lc + Kfs, где L и Kfs
имеют постоянный состав. Этот парагенезис разделяет три моновариантных равновесия: L
+ Lc, L + Kfs
ss
и Kfs
ss
+ Lc, где переменность состава отображена отрезком на стороне
составов. Точка также в поле L + Ab
ss
, последний также имеет переменный состав.
Изоконцентрационное сечение AB (постоянное содержание SiO
2
) показано на рис. 3.85,
III. Оно сравнительно простое. На нем представлены кривые ликвидусов L + Tr, L + Kfs
ss
,
проекция котектической линии с минимумом L + Tr + Kfs
ss
-Ab
ss
и область субсолидуса Tr-
Fsp
ss
(твердый раствор альбита и ортоклаза). Интерпретация этой диаграммы не вызовет
затруднений, но для построения полной трехкомпонентной диаграммы плавкости этого
сечения недостаточно, поскольку на нем отсутствуют фазовые соотношения
псевдотройной части диаграммы с лейцитом. Оставим построение внутреннего сечения
этой части диаграммы и общую реконструкцию диаграммы по внутренним сечениям для
самостоятельной топологической практики.
Рассмотрим диаграммы плавкости трехкомпонентных систем с неограниченной
смесимостью всех компонентов в жидком и твердом состояниях. Ограничимся
несколькими типовыми схемами, поскольку такие диаграммы достаточно редки среди
обычных природных систем.
Простейшие соотношения в системах с неограниченной растворимостью осуществляются
в том случае, если все краевые бинарные системы и, следовательно, трехкомпонентная
система образуют твердый раствор I типа без экстремумов, с монотонным понижением
температур ликвидуса и солидуса к одному из компонентов. Схема T-x диаграммы такой
системы и ее проекция на треугольник составов представлены на рис.3.86. Сплошными
кривыми обозначены поверхность и изотермы (на проекции) ликвидуса, штрих-пунктиром
- то же для солидуса. Для определения фазовых соотношений кроме T-x координат
ликвидуса и солидуса необходимо установить путь кристаллизации расплава данного
состава. На рис. 3.86 для расплава состава m путь кристаллизации обозначен жирной
линией m
L
1
-m
L
2
-m
L
3
. Проследим фазовые соотношения при кристаллизации расплава m.
При понижении температуры и достижении поверхности ликвидуса (при температуре
T
L
m1
) из расплава начнет кристаллизоваться твердый раствор ABC. Система в
двухфазовом состоянии дивариантна (n
p
= k + 1 - r = 3 + 1 - 2 = 2), и для полного ее
определения нужно знать состав твердой фазы, равновесной с расплавом m
L
1
, и
температуру. Обозначим состав твердой фазы m
S
1
, который расположится на изотерме .
Коннода m
L
1
-m
S
1
обозначит составы находящихся в равновесии расплавов. По мере
дальнейшего понижения температуры состав расплава изменяется по пути
кристаллизации m
L
1
-m
L
2
-m
L
3
, состав твердой фазы определим, проведя конноду от точки
состава расплава (например, m
L
2
) через фигуративную точку исходного состава m=m
L
1
до
соответствующей изотермы солидуса, на пересечении с которой получим искомый состав
расплава, например m
S
2
. Совокупность точек составов твердых растворов, равновесных с
расплавом разного состава при различных температурах, образует линию изменения
состава твердого раствора при кристаллизации (показана на рис.3.86 жирной линией).
Кристаллизация расплава m закончится при температуре T
4
, когда состав последних
капель расплава будет соответственно m
L
3
. Общая схема кристаллизации: