DIAGRAMAS DE FASES. Francisco José Pérez Torrado. Universidad de Las Palmas de Gran Canaria

Transcripción

1 DIAGRAMAS DE FASES Francisco José Pérez Torrado Universidad de Las Palmas de Gran Canaria

2 DIAGRAMAS DE FASES Un diagrama de fases es cualquier diagrama que muestra cuales fases son estables en función de alguna variable o variables del sistema que se haya escogido (P, T, X, ph, fo 2, Eh, etc) Como los sistemas naturales son complejos y difíciles de interpretar y representar, generalmente se trabaja con sistemas más simples, de uno a tres componentes, para entender los principios que los controlan. La interpretación de estos diagramas da información valiosa sobre el origen de las rocas REGLA DE GIBBS V = 2 + c - f COMPONENTE (c): constituyente necesario para construir las fases de un sistema. Interesa conocer el número mínimo de componentes con los que se puede describir un sistema. Los componentes pueden ser elementos químicos, óxidos, minerales, etc. GRADOS DE LIBERTAD o VARIANZA (V): número de variables intensivas que se pueden cambiar independientemente sin que varíe el número de fases en un sistema FASE (f): cada uno de los constituyentes de un sistema separables físicamente. Las fases pueden ser sólidos (por ejemplo, los minerales), líquidos (por ejemplo, fundido magmático) o gases EQUILIBRIO: configuración de máxima estabilidad y mínima energía de un sistema bajo condiciones ambientales específicas. Una vez alcanzado el equilibrio, el número y la proporción de las distintas fases en un sistema permanece constante mientras no cambien las condiciones ambientales CONCLUSIÓN IMPORTANTE: Dos sistemas con la misma composición química y sometidos a las mismas condiciones ambientales desarrollarán las mismas fases cuando alcancen el equilibrio, independientemente de cómo lo hayan alcanzado.

3 DIAGRAMAS DE 1 COMPONENTE - POLIMORFISMO Sistema H 2 O Sistema SiAl 2 O 5 Excelente geotermómetro y geobarómetro para las rocas metamórficas REGIÓN (CAMPO) DIVARIANTE: Coexiste en equilibrio una fase (f = 1) Por la regla de Gibbs, V = 2. P y T pueden variar independientemente sin que cambie el número de fases. Por ejemplo, en el campo de estabilidad de la Distena (1 fase), a una P=8 kb le pueden corresponder T desde 0ºC hasta casi 700ºC LÍNEA (CURVA) UNIVARIANTE: Coexisten en equilibrio dos fases (f = 2) Por la regla de Gibbs, V = 1. Solo una T para cada P (y viceversa). Por ejemplo, en la curva univariante de coexistencia de los minerales Sillimanita y Distena (dos fases), a una P= 8 kb, le corresponde una única T = 700ºC (y viceversa) PUNTO INVARIANTE: Coexisten en equilibrio tres fases (f = 3) Por la regla de Gibbs, V = 0. Un único valor de T le corresponde un único valor de P. El punto invariante de las tres fases de los aluminosilicatos (Andalucita-Sillimanita-Distena) sólo puede tener un valor de P y T (en el gráfico, aproximadamente 3,5 kb y 500ºC)

4 DIAGRAMAS DE 1 COMPONENTE - POLIMORFISMO EJEMPLOS DE DIAGRAMAS DE 1 COMPONENTE - POLIMORFISMO Sistema carbono Sistema Al 2 SiO 5 Sistema SiO 2 Sistema CaCO 3 Figura tomada de Clein y Hurlbut (1997)

5 DIAGRAMAS DE 2 COMPONENTES Diagramas del tipo T Composición (X) donde la P se mantiene constante. Pueden darse 3 casos: Solución sólida completa Solución sólida parcial Ausencia de solución sólida Figuras tomadas de Winter (2001)

6 SOLUCIÓN SÓLIDA COMPLETA - ISOMORFISMO La posibilidad de intercambio químico entre varios elementos en una misma posición estructural de un mineral, hace que éstos dificilmente constituyan sustancias químicas puras. En determinadas ocasiones, esa sustitución puede llegar a ser de hasta el 100% formando series isomorfas. Para ello: El radio iónico entre los elementos a sustituir debe ser parecido (< 15% de diferencia de tamaños) Cargas parecidas (si son diferentes, deben darse sustituciones acopladas) Temperatura. A alta temperatura se permite mejor la sustitución isomorfa. Sistema Albita Anortita. Serie de las Plagioclasas Solución sólida acoplada (Intercambios Si-Al y Na-Ca) Albita: Si 3 AlO 8 Na Anortita: Si 2 Al 2 O 8 Ca Sistema Forsterita Fayalita. Serie de los Olivinos Solución sólida simple (Intercambio Mg-Fe) Forsterita: SiO 4 Mg 2 Fayalita: SiO 4 Fe 2 Figuras tomadas de Winter (2001)

7 SOLUCIÓN SÓLIDA COMPLETA - ISOMORFISMO Sistema Albita Anortita. Serie de las Plagioclasas Solución sólida acoplada (Intercambios Si-Al y Na-Ca) Albita: Si 3 AlO 8 Na Anortita: Si 2 Al 2 O 8 Ca T1 L1 Se parte de un líquido (1 fase) homogéneo de composición L1 a una T1 (aprox. 1550ºC) La composición de ese líquido inicial L1 se determina en el eje composicional (abcisas) y es de An 60 (por tanto, Ab 40 ) Figura tomada de Winter (2001)

8 SOLUCIÓN SÓLIDA COMPLETA - ISOMORFISMO Sistema Albita Anortita. Serie de las Plagioclasas Solución sólida acoplada (Intercambios Si-Al y Na-Ca) Albita: Si 3 AlO 8 Na Anortita: Si 2 Al 2 O 8 Ca T1 T2 L1 L2 S1 Figura tomada de Winter (2001) El líquido se enfría y alcanza T2, donde corta la curva del liquidus. En ese momento empieza a cristalizar en equilibrio el primer cristal de plagioclasa La composición del líquido residual se determina siempre en la curva del liquidus, por tanto, en la vertical del punto b (sigue aún siendo An 60 puesto que apenas ha comenzado la cristalización que modifique la composición del líquido) La composición de los cristales se determina en la curva del solidus, por tanto, en la vertical del punto c. Para T2 sería de An 88 La proporción de líquido/sólido que va formando el sistema en cada paso de T se determina por la regla de la palanca. En este momento, prácticamente todo sigue siendo líquido

9 SOLUCIÓN SÓLIDA COMPLETA - ISOMORFISMO Sistema Albita Anortita. Serie de las Plagioclasas Solución sólida acoplada (Intercambios Si-Al y Na-Ca) Albita: Si 3 AlO 8 Na Anortita: Si 2 Al 2 O 8 Ca T1 T2 T3 L3 L1 L2 S1 S2 Una vez se corta la curva del liquidus, el enfriamiento sucesivo del sistema sigue el camino marcado por esa curva. A T3 se tienen los siguientes parámetros: Composición del líquido residual L3 (en la vertical del punto d): aproximadamente An 48. Lógicamente, el líquido residual al irse enfriando e ir cristalizando en su seno plagioclasa rica en An, se tiene que empobrecer en ese componente (An) y enriquecerse en el componente de menor T (Ab) Composición del sólido S2 (en la vertical del punto f): aproximadamente An 80. Lógicamente también, al enfriarse el sistema, el sólido se tiene que ir empobreciendo en el componente de alta T Proporción de la fase líquida: aplicando la regla de la palanca debe ser el segmento eeee Proporción de la fase sólida: aplicando la regla de la palanca debe ser el segmento eedd Figura tomada de Winter (2001)

10 SOLUCIÓN SÓLIDA COMPLETA - ISOMORFISMO Sistema Albita Anortita. Serie de las Plagioclasas Solución sólida acoplada (Intercambios Si-Al y Na-Ca) Albita: Si 3 AlO 8 Na Anortita: Si 2 Al 2 O 8 Ca T1 T2 T3 T4 L4 L3 L1 L2 S3 S1 S2 Si el sistema se sigue enfriando en equilibrio, llegará un momento en que se agote la fase líquida y el último crecimiento de plagioclasa tenga la composición inicial del líquido En el diagrama eso ocurre a T4 donde se tiene: Composición del líquido residual L4 (en la vertical del punto g): aproximadamente An 20 Composición del sólido S3 (en la vertical del punto h): aproximadamente An 60 (la del líquido inicial L1) Proporción de la fase líquida: se ha agotado por completo Proporción de la fase sólida (plagioclasa): aplicando la regla de la palanca debe ser el segmento hgg, por tanto, todo el sistema ya ha cristalizado Figura tomada de Winter (2001)

11 SOLUCIÓN SÓLIDA COMPLETA - ISOMORFISMO Sistema Albita Anortita. Serie de las Plagioclasas Solución sólida acoplada (Intercambios Si-Al y Na-Ca) Albita: Si 3 AlO 8 Na Anortita: Si 2 Al 2 O 8 Ca COMPORTAMIENTO ÓPTICO DE LAS SOLUCIONES SÓLIDAS - ZONACIONES An 60 Zonado químico en plagioclasa observado al microscopio petrográfico con nícoles cruzados (NX) La composición del centro de la plagioclasa es de An 85, mientras que el borde externo es An 60 Cada franja del zonado tiene ligeras variaciones composicionales entre sí (que deben ser cada vez más pobres en componente An desde el centro al borde), lo que permite establecer el camino térmico que ha seguido el cristal en su crecimiento en equilibrio en el seno de un líquido magmático An 85

12 AUSENCIA DE SOLUCIÓN SÓLIDA - INMISCIBILIDAD Sistema Diópsido Anortita Diópsido: Clinopiroxeno de composición Si 2 O 6 CaMg Anortita: Plagioclasa de composición Si 2 Al 2 O 8 Ca L + Di Líquido E L4 Di + An L3 L2 S L1 Figura tomada de Winter (2001) m L + An T1 T2 T3 T4 TE T5 Se tiene líquido de composición L1 (An 75 ). Al enfriarse a T2 se alcanza el liquidus y empezará a cristalizar An pura Si sigue descendiendo la temperatura cristalizará cada vez más An y el líquido residual se volverá cada vez más rico en Di La proporción de L y An a cada temperatura se puede determinar con la regla de la palanca Al alcanzar la temperatura del eutéctico (TE), el líquido tiene la composición E. Empieza a cristalizar Di y el sistema se vuelve invariante (V = 1+c-f = = 0) La temperatura permanece constante mientras continúan cristalizando An y Di simultáneamente Al desaparecer todo el Líquido, se tiene An y Di sólidas y el sistema puede seguir enfriandose (p. ej. a T5). La composición modal en el sólido resultante (S) es 75% de cristales de An y 25 % de cristales de Di (igual que L1)

13 AUSENCIA DE SOLUCIÓN SÓLIDA - INMISCIBILIDAD COMPORTAMIENTO ÓPTICO DE LA AUSENCIA DE SOLUCIÓN SÓLIDA ORDEN DE CRISTALIZACIÓN Sistema Diópsido Anortita Diópsido: Clinopiroxeno de composición Si 2 O 6 CaMg Anortita: Plagioclasa de composición Si 2 Al 2 O 8 Ca Piroxeno cristaliza antes que Plagioclasa Px Líquido Plg L + Di E Di + An L + An Plagioclasa cristaliza antes que Piroxeno Plg Px Si la composición del líquido inicial está a la izquierda de E, cristalizará primero Di y luego Di + An Si la composición del líquido inicial está a la derecha de E, cristalizará primero An y luego An + Di Figuras tomadas de Winter (2001)

14 SOLUCIÓN SÓLIDA PARCIAL - DESMEZCLAS Sistema Albita Ortosa. Serie de los Feldespatos Alcalinos Albita: Si 3 AlO 8 Na Ortosa: Si 3 AlO 8 K Altas T: Solución sólida completa (dentro de unos límites) Bajas T: desmezclas (texturas pertíticas) Pertita: cristal base K, lamelas desmezcla Na Antipertitas: cristal base Na, lamelas desmezcla K COMPORTAMIENTO ÓPTICO DE LA DESMEZCLA Ab Figuras tomadas de Winter (2001) Mcl Ab

15 EFECTOS DE LA PRESIÓN LITOSTÁTICA (PL)y LA PRESIÓN DE FLUIDOS (P H20 ) Figuras tomadas de Winter (2001) A mayor PL, aumenta la temperatura del eutéctico y la composición se desplaza hacia An (crece el campo de estabilidad del Di) A mayor PH 2 O, disminuye TE y la composición se desplaza hacia An

16 DIAGRAMAS DE 3 COMPONENTES Formas de prismas triangulares. Variaciones más complejas Suelen analizarse las caras independientemente (diagramas de 2 componentes) y luego se asocian Ejemplos: Series de los Feldespatos y Series de los Piroxenos Figura tomada de Clein y Hurlbut (1997)

17 DIAGRAMAS DE T-P DE MÚLTIPLES COMPONENTES Se analizan las paragénesis estables observadas al microscopio y se estiman P-T Muy comunes en procesos metamórficos Figuras tomadas de Clein y Hurlbut (1997)

18 REFERENCIAS Clein, C. y Hurlbut, C.S. (1997): Manual de Mineralogía de Dana (4ª Edición, vol. 1 y 2). Ed. Reverté, Barcelona. 362 y 438 pp. Winter, J.D. (2001): An introduction to igneous and metamorphic petrology. Ed. Prentice Hall, New Jersey. 697 pp.