Главная
Новости
Строительство
Ремонт
Дизайн и интерьер




09.07.2019


09.07.2019


08.07.2019


08.07.2019


04.07.2019


02.07.2019


29.05.2019


29.04.2019


25.04.2019


22.04.2019





Яндекс.Метрика
         » » Двухкомпонентные системы

Двухкомпонентные системы

09.12.2017

Гораздо большее значение в петрологии имеют системы двухкомпонентные.

Эвтектика (рис. 26). Каждое из двух веществ А и В, в жидком состоянии полностью смешивающихся, при затвердевании понижает температуру другого, причем это понижение прогрессивно усиливается по мере увеличения относительных количеств того или другого компонента.

Получаются две кривые, которые должны пересечься в какой-либо точке Е. Эта наиболее низкая из всех возможных точек затвердевания для смеси двух компонентов А и В носит название эвтектической точки. Перпендикуляр EE1, опущенный из точки E на абсциссу, дает нам относительные количества обоих компонентов с наиболее низкой температурой затвердевания. Горизонтальная линия, проведенная через точку Е, дает нам эвтектическую температуру Tк, наименьшую температуру затвердевания или плавления смеси двух веществ А и В.
Обе кривые представляют собой несколько выпуклые линии. Эвтектическая точка, очевидно, лежит ниже точки затвердевания каждого из обоих компонентов в отдельности.

Кривые TbE и TbE дают нам верхний предел кристаллизации. Каждая точка этих кривых дает нам состав насыщенных растворов для различных температур.

Рассмотрим процесс кристаллизации в такой системе. Пусть состав гомогенной смеси в жидком состоянии будет я; при постепенном охлаждении смесь остается жидкой до тех пор, пока она не достигнет точки р; линия np изображает изменения, происходящие в данной системе по мере понижения температуры. Когда достигается точка р, жидкость будет насыщена веществом А, т. е. получится система равновесия при температуре T между твердой (кристаллы) и жидкой фазами А. При дальнейшем понижении температуры вещество А выделяется в твердом состоянии, т. е. происходит кристаллизация его. В результате этого концентрация раствора изменяется и система равновесия постепенно передвигается по кривой рЕ. Жидкость постепенно обогащается веществом В вследствие выпадения из расплава вещества А.

Фазовое равновесие при постоянном давлении будет выражаться формулой: E = K - P + 1, пли, подставляя числовые значения, имея в виду наличие двух компонентов и двух фаз — жидкой и твердой: P = 2 - 2 + 1 = 1. Степень свободы равна единице. Следовательно, температура должна понижаться н далее.

Когда фигуративная точка достигнет точки Е, к выпадению кристаллов состава + присоединится выпадение кристаллов состава В. Получится одна жидкая фаза и две твердые. В точке E будут выпадать А и В из общего раствора одновременно в постоянных относительных количествах, образуя эвтектическую смесь состава AE для компонента А и EВ для компонента В. Получающиеся при этом отношения называются эвтектическими. Формула фазового равновесия будет следующая: F = 2 - 3 + 1 = 0. Следовательно, температура не будет далее понижаться, так как степень свободы равна нулю.

Когда будет почерпана вся жидкая фаза, фазовое равновесие снова приобретет вид: F = 2 - 2 + 1 = 1, т. е. степень свободы снова будет равна единице, и понижение температуры возобновится. В дальнейшем может происходить только смена модификаций, если кристаллы способны к этому.

Если точка начала кристаллизации будет справа P1, получится, как и в первом случае, эвтектическая смесь из тех же относительных количеств А и В, но с той разницей, что в ней будут рассеяны кристаллы не А, а В.

До конца кристаллизации температура эвтектической точки (ТЕ) не изменяется, что характерно для эвтектики.

Основной вывод заключается в том, что выпадением кристаллов руководит в данном случае но температура их первичной кристаллизации из чистого расплава их и не температура их плавления, но относительные количества их по сравнению е эвтектической точкой.

Первоначально предполагалось, что эвтектика играет основную роль в процессах кристаллизации силикатных расплавов, следовательно и магмы. К числу таких процессов относили одновременную кристаллизацию калиевого нолевого пшата и кварца. Экспериментальные исследования, в особенности американских петрографов, показали, что, наряду с эвтектикой, большую роль в процессах кристаллизации силикатных расплавов и магм играет также перитектика или инконгруентное плавление, т. е. плавление с разложением. Как пример, можно привести энстатит, который при нагревании до 1557е даст расплав кремнекислоты и в нем кристаллы форстерита:

2MgSiО3 <—> Mg2SiO4 + SiO2.

Явления инконгруентного плавления оказались настолько распространенными, что Боуэн мог сказать: "Когда перитектика входит в дверь — эвтектика вылетает в окно". Усложняется эвтектика, кроме того, двойными соединениями и твердыми растворами, а также образованием довольно широко распространенных полиморфных разностей.

На предыдущих диаграммах не предусматривается переохлаждение (пересыщение), которое играет значительную роль в процессах кристаллизации расплавов (растворов).

В действительности расплав может быть переохлажден или пересыщен по отношению к одному или к обоим компонентам, в результате чего получаются различные системы равновесия.
На рис. 27 пунктирные линии указывают на возможные пределы переохлаждения (пересыщения). Вместо одной эвтектики здесь получается не менее трех псевдоэвтектик вследствие выделения тепла. Переохлаждение раствора Н или F может при этом оказывать очень сложное влияние и на порядок кристаллизации минералов в горных породах.

Характерные примеры эвтектик в двухкомпонентных (бинарных) системах без твердых растворов и без инконгруентного плавления приведены в табл. 10.
Системадиоисид — анортит — типичная бинарная эвтектика, которая была изучена Боуэном (рис. 28). Высокая температура плавления минералов в этой системе сильно снижается при сравнительно низкой эвтектической точке (около 1270°). Кристаллизация анортита (справа) и диопсида (слева) идет по несколько выпуклым кривым. Так как температуры плавления диопсида и анортита близки друг к другу, относительные количества обоих компонентов в эвтектической смеси почти одинаковы. Характерна для плагиоклаз-диопсидовых пород.
Система диоисид — алиби т — также типичная бинарная эвтектика, аналогичная предыдущей системе. Так как температура плавления значительно ниже у альбита, чем у диопсида, эвтектическая смесь особенно богата диопсидом.

Тот же характер носят, как видно из табл. 10, системы диоисид — форстерит, диопсид — тридимит, альбит — тридимит, диопсид — лейцит.

Система MgO—SiO2 (рис. 29). Значительно более сложна такая бинарная система, как MgO—SiO2, так как она распадается на две бипарные системы: MgO—Mg3SiO4 (периклаз — форстерит), представляющую собой простую бинарную эвтектику, и Mg2SiO4 — SiO3, с инконгруентным плавлением (форстерит — кремнекислота).
Между периклазом (температура плавления 2800°) и форстеритом (1890°) получается бинарная система с простой эвтектикой без твердых растворов и без инконгруентного плавления. Кристаллизация происходит так, как в описанных выше бинарных системах.

С другой стороны, между форстеритом и кремнекислотой образуется сложное соединение в виде клмноэнстатита, который плавится инконгруентно, согласно следующему уравнению:

2MgSiO3 <—> Mg2SiO4 + SiO2.

Как показано стрелками, данный химический процесс обратимый: клиноэнстатит при повышении температуры до 1657° распадается на жидкость состава SiO3 и выделяющиеся в ней кристаллы форстерита. Наоборот, при понижении температуры до 1657° кристаллы форстерита снова вменяются кристаллами клиноэнстатита.

Ход кристаллизации расплава, состав которого колеблется между форстеритом и кремнекислотой, следующий (рис. 30). Пусть состав соответствует точке х, т. е. будет содержать меньше кремнекислоты. чем расплав b. Первыми в точке а начнут выделяться кристаллы форстерита. Формула фазового равновесия будет: F = 2 - 2 + 1 = 1 (два компонента — форстерит и кремнекислота и две фазы — жидкая и твердая в виде кристаллов форcтерита). Следовательно, имеется одна степень свободы: кристаллизация должна происходить при постепенном понижении температуры.
Когда температура системы достигнет 1557°, равновесие нарушится, так как начнет выделяться клиноэнстатит но указанной выше формуле. При составе расплава а (энстатит) фазовое равновесие будет представлять уравнение: F= 2 - 3 + 1 = 0 (два компонента и три фазы — жидкая и две твердые: кристаллы форстерита и клиноэнстатита).

Так как степень свободы равна нулю, процесс преобразования форстерита в клиноэнстатит окончится полным исчезновением форстерита без изменения температуры.

Когда реакция между расплавом и форстеритом закончится, фазовое равновесие снова будет выражаться формулой: F = 2 - 2 + 1 = 1. Степень свободы будет опять равна единице. Следовательно, снова начнется понижение температуры, но с выделением не форстерита, а клиногиперстена и образованием в конечном результате эвтектической смеси при температуре 1543°, состоящей из 35% клиноэнстатита и 65% кремнекислоты — в условиях эксперимента в виде тридимита, в природных условиях в виде кварца. Если имеется избыток расплава с содержанием кремнекислоты не более, чем в расплаве а, первым выделяется клиноэнстатит.

При содержании кремнекислоты больше, чем соответствует эвтектической смеси клиноэнстатит — кремнекислота, первым выделяется при температуре выше 1670° кристобалит (при понижении температуры до 1070° переходит в тридимит). При высоких температурах происходит разделение расплава на две жидкости разного состава (происходит "ликвация" расплава).

Система MgO — SiO2 имеет крупное петрогенетическое значение, так как минералы, входящие в эту систему, — оливины и пироксены — образуют ряд широко распространенных магматических пород (габбро, базальты и др.).

Как видим, эта система отличается в то же время значительной сложностью: образуется сложное соединение (клиноэнстатит) и плавление носит инконгруентный характер, образуются две эвтектики:
Система FeO—SiO2. В данной системе (рис. 31) имеется одно соединение — Fe2SiO4 (ортосиликат — файалит), температура плавления которого всего 1065°, температура плавления крайних членов: FeO — 1541°, SiO2 —1713°.

Изучение системы FeO — SiO2 затрудняется тем обстоятельством, что окислы железа обладают чрезвычайно высокой реакционной активностью.

В природе встречаются минеральные виды, состоящие из FeO и SiO2, в виде файфлитa — Fe2SiO4 и др.
Температура плавления оливинового молекулярного соединения 2FeO*SiO2 (1065°) определена пока только приблизительно; температура плавления файалита очень низкая, как уже давно установлено, судя по технологическим процессам.

Большим затруднением при определения температуры плавления в данном случае является то обстоятельство, что при нагревании закисные соединения железа легко окисляются с образованием магнетита.

Пo мере возрастания относительного содержания окислов железа Fe2O3 и FeO происходит изменение окраски от интенсивно красной и желтой до зеленой и синей в сочти чистых закисных, от серой до почти черной, в почти чистых окисных минералах и соединениях.

На диаграмме рис. 32—34 представлены процессы кристаллизации нещелочных нироксенов (по Боуэну и Шереру) и равновесия вдоль пограничной линии CaMgSi2O6 — CaFеSi2O6. Вследствие инконгруентного плавления эти системы не бинарны.
Система диопсид — энстатит (CaMgSi2O6—MgSiO3) интересна по той причине, что она охватывает такие важнейшие породообразующие минералы, как оливины и пироксены, входящие в состав сиенитов, монцонитов, габбро со всеми переходами между этими породами, включая я вулканические аналогии этих пород (рис. 32).

Наиболее простой случай (когда расплав имеет состав энстатита) описан ранее при характеристике энстатита. Из этого состава выделяется сперва форстерит (Mg4SiO4), как первичная фаза. При понижении температуры расплава до 1557° форстерит резорбируется и вместо него образуется энстатат. То же происходит и с другими пироксенами.

Система волластонит — ферросилит (CaSiO3—FeSiO3) также не простая, с рядом полей, дающих разнообразные продукты кристаллизации.

Геденбергит (CaFeSi2O6) стабилен только при температуре 965°. При нагревании он преобразуется из химического соединения в гомогенную твердую фазу из ферросилита (FcSiO3) и волластонита (CaSiO3). Сам геденбергит, как предполагает Барт, образует непрерывный ряд твердых растворов с FeSiO3.

Система волластонит—клиноэнстатит (CaSiO3—MgSiO3) также в значительной степени сложная.

Миналы энстатита и волластонита дают химическое соединение — диопсид (CaMgSi2O6). При низких температурах энстатит не дает твердых растворов с диопсидом. Ho при повышении температуры до 1140° энстатит переходит в клиноэнстатит и может получиться непрерывный ряд твердых растворов диопсида и клиноэнстатита.

Система клиноэнстатит — ферросилит (MgSiOs — — FeSiO3). Боуэн и Шерер выявили взаимоотношения в сложной двухкомпонентной системе MgSiO3 — FeSiO3, имеющей большое петрогенетическое значение.

Энстатит (клиноэнстатит) плавится инконгруентно при температуре 1557°. Ферросилит плавится конгруентно. Поэтому их взаимоотношения в значительной степени усложнены (рис. 33).

На диаграмме рис. 33 можно видеть, что моноклинные пироксены состава MgSiO3 являются более высокотемпературными, чем ромбические, с пограничной линией около 1140°. Температура раздела (преобразования) полей моноклинных и ромбических пироксенов понижается по мерс увеличения содержания в них железа.

Преобразование моноклинных и ромбических пироксенов данного состава может служить геологическим термометром.

На той же диаграмме виден ряд нолей с определенным относительным содержанием MgSiO3 и FeSiO3. При определенных температурах инконгруентное плавление происходит только в случае значительного содержания в смеси энстатита; при большом содержании FeSiO3 гиперстен (Mg, Fe) SiO3 плавится конгруентно и может кристаллизоваться одновременно со свободной кремнекислотой, которая при сухом плавлении выделяется в виде тридимита.

Этим объясняется то, что чистый форстерит не встречается одновременно с кварцем, в то время как гортонолит кристаллизуется при образовании некоторых гранитов одновременно с кварцем (некоторые щелочные граниты Приазовья, рапакиви и др.).

Для большинства членов ряда диопсид — клиноэнстатит характерно то, что они плавятся инконгруентно. Так, например, описываются пути преобразования пироксена состава CaMgSi2O3 * MgSiO3. При температуре 1552° первыми выделяются из такого состава кристаллы форстерита. Кристаллизация форстерита продолжается, пока температура не достигнет 1523°. При этой температуре начинает кристаллизоваться пироксен, и в пределах 1523—1420° одновременно присутствуют три фазы — жидкость, форстерит и пироксен. При температуре 1420° исчезают как форстерит, так и расплав и все застывает в виде пироксена.

Таким образом, диаграмма дает представление о природе соответствующих фаз для каждой температуры и для каждого состава, но не дает точного представления относительно фаз гетерогенной смеси. Для этого необходимо иметь три компонента и трехкомпонентную диаграмму.

Кристаллизация CaFeSi2O6—FeSiO3 показана на рис. 34.

В общем состав пироксенов отличается уменьшением содержания FеO по мере того, как мы переходим от более кислых к более основным породам, в которых они присутствуют. Ниже приводится в весовых процентах содержание PeO в пироксенах различных пород:
Система кварц—калиевый полевой шпат. В магматических горных породах, в особенности кислых, очень часто наблюдается одновременное присутствие кварца и калиевого нолевого шпата; поэтому система кварц—калиевый полевой шпат имеет большое петрогенетическое значение.

Существуют четыре модификации калиевого солевого шпата, получающиеся в зависимости от физико-химических условий его образования.

Эти модификации следующие:

а) Моноклинные и псевдомоноклинные

1. Ортоклаз, обычно мутный, непрозрачный или просвечивающий, широко распространенный как в глубинных, так и в излившихся породах.

2. Санидин, прозрачный, стекловидный, входящий в состав ряда наиболее юных излившихся пород; иногда (Кавказ) он входит в состав также и глубинных магматических пород (неогранитов).

3. Адуляр, прозрачный и стекловидный, как и санидин, но с иными оптическими свойствами, белый или светлоокрашенный; образуется часто в виде хороших кристаллов в пустотах гнейсов и иногда даже в друзах гранитов при гидротермальных процессах.

б) Триклинные

4. Микроклин, с теми же свойствами, как и ортоклаз, макроскопически почти не отличимый от ортоклаза, но достаточно резко отличающийся от него под микроскопом; присутствует в гранитах, аплитах и других близких к ним породах.

Ортоклаз и микроклин обладают совершенно одинаковыми физическими свойствами: плотностью, показателями преломления, температурой плавления и т. д.; они представляют собой по существу структурные модификации одного и того же вещества, Можно рассматривать ортоклаз как субмикроскопический сдвойникованный микроклин.

Изучение системы кварц-ортоклаз связано с большими затруднениями вследствие перехода кварца при повышении температуры в иные модификация, в особенности же потому, что при плавлении этой системы образуется чрезвычайно вязкая масса. Все это делает равновесие системы несовершенным. Ocобенно большие затруднения представляет определение температуры плавления, тем более, что ортоклаз плавится инконгруентно. Распадение ортоклаза на лейцит и стекло происходит при температуре 1215°. Температура плавления альбита, по Боуэну, 1100°. В природе никогда не наблюдается образования твердых растворов между кварцем и полевым шпатом, не исключительно образуются эвтектики. При этом получаются характерные эвтектические структуры, вплоть до микроэвтектическиx структур кварца и нолевого шпата (микропегматита). Эти структуры указывают на взаимное прорастание обоих минералов и на их одновременную кристаллизацию, характерную для эвтектических смесей.

Подтверждением этого положения является обстоятельство, которое было установлено Фогтом: в том случае, когда над эвтектическим отношением между кварцем и полевым шпатом преобладает кремнекислота, первым выпадает избыточный кварц; наоборот, когда преобладает полевой шпат, в микропегматите первым выделяется нолевой шпат.

Эвтектика кварца и полевого шпата характеризуется довольно постоянным относительным количеством обоих компо нентов: 26% кварца и 74% полевого шпата. Фогт давал несколько иные числа: 27,5% кварца и 72,5% полевого шпата.

То обстоятельство, что щелочные полевые шпаты, в том числе ортоклаз, особенно хорошо кристаллизуются в ряде магматических пород, а в пегматитах кристаллы их достигают наиболее крупных размеров, обусловлено тем, что магма таких пород содержит значительные количества летучих веществ (минерализаторов), в том числе и воду, которые способствуют кристаллизации, делая магму менее вязкой, способной оставаться в жидком состоянии при температуре ниже 1215°.

Лишь когда магма подходит к поверхности земли и в особенности когда она выливается на эту поверхность в виде лавы, она теряет летучие компоненты и становится очень вязкой; происходит застывание ее в виде тонкозернистой или стекловатой основной массы соответствующих пород (липариты, кварцевые порфиры, пер литы, обсидианы и т. д.). В гранитах и особенно в пегматитах условия кристаллизации являются наиболее благоприятными.

Характерно, что кислые излившиеся породы, аналогично пегматитам, обладают составом, близким к эвтектическому. Фогт называет такой состав анхиэвтектическим. Выходя на поверхность земли, к моменту своего застывания, эти породы обладают температурой, близкой к 870°; температура обсидианов в этот момент равна 870°; свободная кремнекислота кристаллизуется в виде тридимита, который последовательно превращается в а-кварц и далее в 8-кварц. Сама система в действительности осложнена процессом инконгруеитного плавления ортоклаза с образованием лейцита.

Система ленцит—кремнекислота представляет собой бинарную систему с инконгруентным плавлением и с образованием сложного соединения — ортоклаза (рис. 35).

Формула уравнения, по которому происходят реакции, следующая:
В 1922 г. Боуэн и Морен при температуре 1200° получили из ортоклаза расплав, в котором заметна была после затвердевания очень тонкая решетчатая структура, а при повышенной температуре видны были ясно выраженные скелетные изометричные кристаллы лейцита. При температурах свыше 1400° выделялись круглые кристаллики лейцита с сильно двояко преломляющими пятнами натяжения в окружающем их стекле. Это последнее явление было связано с тем, что при превращении лейцита в другую модификацию происходит увеличение объема на 2%.
Присутствие молекул альбита в ортоклазе несколько снижает температуру инконгруентного плавления (1170°). В совершенно чистом ортоклазе достигается вполне жидкое состояние при температуре 1530°. Следовательно, получается интервал в 360°.

Инконгруентное плавление калиевого полевого шпата имеет большое значение при разрешении вопросов кристаллизация ортоклаза, образования щелочных пород, кристаллизации долевых шпатов и их заместителей в магматических породах.

В том случае, когда кристаллы лейцита покрываются защитными оболочками других минералов или когда они удаляются из данного магматического расплава, получается агрегат в виде кварцево-полевошпатовой породы.

Следовательно, выделения лейцита, как первого минерала, следует ожидать во всех богатых ортоклазом магмах. Такие лейциты, выделившиеся первыми, наблюдались в виде псевдолейцитов в лейцитовых гранит-порфирах Бразилии. В Уайоминге Кросс наблюдал присутствие кристаллов лейцита в очень богатой кремнекислотой основной массе.

Для самого лейцита чрезвычайно характерно обратимое превращение ромбического псевдокубического лейцита в действительно кубический. Температура превращения, по более новым данным (Гроссман, 1917 г.), около 620°, а не 560°, как думали раньше.

Температура плавления лейцита очень высокая и, по Буке и Эйтелю, лежит выше температуры плавления платины, т. е. около 1860°.

Характерно, что в глубинных породах лейцит совершенно отсутствует, зато он встречается в бескварцевых эффузивных породах.