ØVELSE 1 + 2 MAGMATISK PETROLOGI Geologi 3.1 Blok 3 / 2. år Paul Martin Holm Geologisk Institut Københavns Universitet
Ø1 + Ø2 FASEDIAGRAMMER Her gives en gennemgang som supplement til sen kap. 7, samt nogle opgaver. De forandringer en bjergart eller en smelte undergår ved ændringer i tryk, temperatur eller sammensætning, kan ofte med fordel fremstilles grafisk i et fasediagram. Et fasediagram viser grafisk de mulige faserelationer og fasetransformationer i bjergarten/smelten under givne betingelser af tryk, temperatur og kemisk sammensætning. 1. Fasereglen Fasereglen sammenknytter antallet af faser (f.eks. smelte, mineraler, gas), antallet af komponenter (f.eks. mineraler, oxider, grundstoffer) og antallet af tilstandsparametre (f.eks. tryk og temperatur) i et system (f.eks. et magma eller en bjergart) på en sådan måde, at vi kan forudsige visse egenskaber ved systemet. Gibbs' faseregel siger, at For et heterogent system bestående af C komponenter i P faser i ligevægt gælder at F = C P + 2 hvor C = Antallet af komponenter i systemet P = Antallet af faser i ligevægt i systemet F = Antallet af frihedsgrader (variansen) i systemet. Termer i fasereglen System. Et system er en udskilt, isoleret del af et hele og underlagt nogle ydre betingelser. Geometrisk udgør et system et rum. Et system kan udveksle energi (ved arbejde eller varme), stof m.m. med omgivelserne. I fasereglen betragtes dog kun lukkede systemer, dvs. systemer der kun ændrer sig ved at udvikle energi med omgivelserne. Et system er heterogent, hvis det indeholder mere end én tilstandsform (f.eks. væske + gas), én tilstandsform i mere end én struktur (f.eks. polymorfe former) eller én tilstandsform i flere dele (f.eks. 2 ikke-blandbare smelter). Komponenter. Antallet af komponenter er det mindst mulige antal sammensætningstermer, der er nødvendige for en beskrivelse af sammensætningen af alle faser i systemet. Faser. En fase kan defineres som en del af et system; en del der er karakteriseret ved homogenitet i sammensætning (dvs. et kemisk rent stof), som er fysisk identificerbar og som (i hvert fald principielt) kan frasepareres mekanisk. En fase er ikke nødvendigvis konstant i egenskaber. Så længe variationerne i egenskaber er kontinuerlige, betragtes delen stadig som én fase. (Plagioklas, Ab x An 1-x, udgør således én fase; Ab og An kan betragtes både som faser og komponenter). Frihedsgrader (variansen). De parametre, der er nødvendige for at beskrive et systems tilstand og hvilke faser, der er til stede i systemet, kaldes tilstandsparametre. Intensive parametre er uafhængige af mængden af systemet, ekstensive parametre er afhængige af systemets mængde. I fasereglen indgår kun intensive tilstandsparamtere: tryk, temperatur og koncentrationer af komponenter. Antallet af frihedsgrader (variansen) er antallet af uafhængige tilstandsparametre (tryk, temperatur, koncentrationer af komponenter), der kan ændres uden at ændre systemets tilstand, og som må specificeres for at definere systemets tilstand fuldstændigt. 2
Fasediagrammer: grafisk fremstilling af fasereglen. Fasediagrammet er den grafiske fremstilling af fasereglen. Efter antallet af komponenter, C, benævnes systemerne: C = 1 unære C = 2 binære C = 3 ternære C = 4 kvaternære osv. Valget af antal komponenter i et system er til en vis grad et spørgsmål om erfaring. Antallet af komponenter må vælges på en sådan måde, at de ønskede oplysninger om systemet kan fås. Eksempelvis kan diopsid (CaMgSi 2 O 6 ) betragtes i et: Unært system CaMgSi 2 O 6 Ønskes for eksempel blot smeltetemperaturen for diopsid ved forskellige tryk, vil det unære system være tilstrækkeligt. Binært system CaSiO 3 -MgSiO 3 Dette system vil være valget, hvis afblandinger i fast fase skulle undersøges. Ternært system CaO-MgO-SiO 2 Valget af dette system ville tillade, at andre mineraler kunne blive repræsenteret i systemet sammen med diopsid; f.eks. enstatit, forsterit, silica-mineraler m.m. Kvaternært system Ca-Mg-Si-O Dette ville udvide antallet af mulige faser yderligere. I et fasediagram er hver af tilstandsparametrene repræsenteret ved en akse. Antallet af akser i et fasediagram afhænger af antallet af komponenter, men mulige akser er tryk, temperatur og et antal akser til afsætning af kemiske sammensætninger. Beregnet på basis af Gibbs' faseregel er i nedenstående skema angivet antallet af faser i ligevægt for systemer af op til 5 komponenter. I skemaet er anført antallet af faser i ligevægt som funktion af antallet af komponenter i systemet (C) og som funktion af antallet af frihedsgrader (F). Endelig er angivet den geometriske/grafiske fremstilling af faseselskaber svarende til forskellige værdier af F i et fasediagram med tryk og temperatur som akser (et tryk-temperatur diagram). Antal frihedsgrader F Geometri sk fremstilli ng Unær e 1 Binær e 2 Antal komponenter i systemet (C) Ternær e 3 Kvaternær e 4 Kvinær e 5 Generel t N Invariant 0 Punkt 3 4 5 6 7 N + 2 Univariant 1 Linje 2 3 4 5 6 N + 1 Divariant 2 Flade 1 2 3 4 5 N Trivariant 3 Volumen - 1 2 3 4 N 1 Tetravariant 4 - - - 1 2 3 N 2 Pentavariant 5 - - - - 1 2 N 3 Gibbs' faseregel: F = C P + 2 3
2. Unære (1-komponent) systemer I 1-komponent systemer er antallet af uafhængigt variable tilstandsparametre begrænset til tryk og temperatur da sammensætningen er fastlagt. Et 1-komponentsystems fasediagram kan derfor fremstilles fuldstændigt i et tryk-temperatur diagram. Det følger af fasereglen, at systemet er divariant (F = 2), hvis kun 1 fase er til stede i systemet, univariant (F = 1), hvis 2 faser er til stede og invariant (F = 0), hvis 3 faser er til stede. Af ovenstående skema fremgår det endvidere, at for et 1-komponentsystem fremstilles invarians med et punkt, univarians med en linje og divarians med en flade i et tryk-temperatur diagram. Som eksempel på et unært system er i fig. Ø1.1 vist fasediagrammet for SiO 2. Fig. Ø1.1 Tryk-temperatur diagram for systemet SiO 2 visende de forskellige modifikationer af fast SiO 2, SiO 2 - smelte og SiO 2 -gas som funktion af tryk og temperatur. Vist er de divariante felter (1 fase til stede), de univariante kurver (2 faser til stede) og de invariante punkter (3 faser til stede). De forskellige invariante punkters tryk er kun omtrentligt angivet. På fig. Ø1.1 ses, at i 1-fase felterne kan både tryk og temperatur varieres uden ændring af systemet (F = 2); langs 2 fase kurverne kan enten tryk eller temperatur ændres (medførende en ændring af den anden samtidig) uden at ændre systemet (F = 1); i 3-fase punkterne (de invariante punkter) kan hverken tryk eller temperatur ændres uden at en af faserne forsvinder (F = 0). Et invariant punkt der repræsenterer ligevægt mellem en fast fase, smelte og gas, kaldes et trippel punkt. I systemet SiO 2 er trippelpunktet defineret ved ligevægt mellem cristobalit + smelte + gas. Af fig. Ø1.1 fremgår det endvidere, at SiO2-gas kun fås ved meget lave tryk (højst nogle få bar), selv ved meget høje temperaturer. Dette betyder, at en gasfase i rene silikat-systemer er meget sjælden for de fleste geologiske tryk- og temperaturbetingelser. (Tilsættes gasser som eksempelvis H 2 0 eller CO 2 til systemet, ændres dette forhold dog drastisk). 4
3. Binære systemer I binære systemer haves 3 mulige uafhængige tilstandsparametre, nemlig tryk, temperatur og 1 sammensætningsvariabel. For en fuldstændig grafisk fremstilling af fasediagrammet behøves derfor 3 dimensioner. Fasediagrammer for geologiske systemer er dog ofte undersøgt eksperimentelt ved et fast tryk således at antallet af frihedsgrader mindskes med 1. Dette betyder at for isobare fasediagrammer (tryk = konstant) får fasereglen udseendet F = C P + 2 1. Invarians (F = 0) fås ved 3 faser i ligevægt, univarians (F = 1) ved 2 faser og divarians (F = 2) ved tilstedeværelsen af 1 fase. Faserelationerne for binære systemer ved konstant tryk kan fremstilles i temperatursammensætningsdiagrammer. Nogle hovedtyper af sådanne binære systemer gennemgås i det følgende. (a) Binære eutektiske systemer uden gensidig opløselighed i fast fase Et eksempel på et binært eutektisk system er givet ved systemet anorthit-diopsid, vist skematisk i fig. Ø1.2. Fig. Ø1.2 Temperatursammensætningsdiagram for systemet anorthit-diopsid ved 1 atmosfæres tryk. An: anorthit, Di: diopsid. I fig. Ø1.2 repræsenterer de lodrette temperaturakser de rene 1-komponentsystemer anorthit og diopsid. Begge komponenter har ved 1 atmosfæres tryk veldefinerede smeltepunkter på henholdsvis 1553 og 1392 C. Indflydelsen på smeltetemperaturen for de to endekomponenter ved tilsætning af det andet mineral er angivet ved kurverne fra smeltepunkterne i 1-komponentsystemerne til punktet e. Disse kurver, liquidus-kurverne, repræsenterer således mætningskurverne for de to mineraler i systemet. De to liquidus-kurver mødes i punktet e, hvor smelten vil være overmættet med både anorthit og diopsid ved temperaturen 1270 C. Punktet e kaldes det eutektiske punkt, og dets temperatur er den laveste, ved hvilken smelte kan være til stede i systemet. Den horisontale (isotermale) linje gennem e angiver dette og kaldes solidus i systemet. I et binært system er et eutektisk punkt karakteriseret ved, at 2 faste faser (anorthit og diopsid) ved opvarmning ændres til 1 smelte af eutektisk sammensætning e. Vægtstangsreglen Forholdet mellem 2 faser i et binært system ved en given temperatur kan bestemmes ved 5
hjælp af vægtstangsreglen (se fig. Ø1.2). Ved afkøling af en smelte med sammensætningen X udkrystalliseres ved temperaturen A, når liquidus for anorthit nås, anorthit. Smelten beriges derved i diopsid og bevæger sig med faldende temperatur langs liquidus-kurven mod e. Ved en lavere temperatur, markeret ved den prikkede linje, er således en vis mængde anorthitkrystaller i ligevægt med en smelte af sammensætningen D. Vægtstangsreglen siger, at forholdet mellem 2 faser er omvendt proportional med deres afstand til den oprindelige sammensætning. Det vil sige at mængden af anorthit mængden af smelte = CD BC Den stiplede linje, der forbinder sammensætningen af 2 faser i ligevægt ved en bestemt temperatur, kaldes en bindelinje (en konode). Det fremgår af fig. Ø1.2 at i et binært eutektisk system vil udviklingen i smeltens sammensætning være uafhængig af, om der er tale om ligevægtskrystallisation (hvor de dannede krystaller kontinuerligt er i ligevægt med smelten) eller perfekt fraktioneret krystallisation (hvor krystallerne fjernes fra smelten i samme øjeblik de dannes). I begge tilfælde vil den sidste smelte have sammensætningen e, ligesom den eutektiske temperatur stadig vil være den laveste temperatur for tilstedeværelse af smelte i systemet. b) Binære systemer med en kongruent smeltende intermediær forbindelse Systemet nefelin-sio 2 er et eksempel på et binært system indeholdende en intermediær/binær forbindelse, albit, der smelter ved et temperaturmaksimum og derved opdeler systemet i 2 eutektiske delsystemer (fig. Ø1.3), et på hver side af albit-sammensætningen. Ved 1118 C smelter albit ved et lokalt temperaturmaksimum (M) til en smelte af samme kemiske sammensætning. Albit siges at smelte kongruent. Forbindelsen albit ses at danne en termal barriere i systemet nefelin-sio 2. Ingen smelte kan, uanset sin sammensætning, under afkøling krydse barrieren; to smelter, hvis sammensætninger ligger meget tæt på albits, men på hver sin side, vil ved afkøling, og i begge tilfælde med krystallisation af albit, bevæge sig mod henholdsvis det eutektiske punkt e 1 eller e 2. Små variationer i sammensætning omkring albit kan således give vidt forskellige slut-krystallisationsprodukter, enten selskabet nefelin + albit eller selskabet albit + kvarts. Sammensætningen af det eutektiske punkt e, kan betragtes som en umættet model for bjergarten phonolit, der er slutleddet ved fraktionering i alkalibasaltassociationen. Sammensætningen af det eutektiske punkt e 2 kan tilsvarende betragtes som en syntetisk analog til rhyolit, det almindelige slutprodukt ved fraktionering ud fra tholeiitiske smelter. 6
Fig. Ø1.3 Fasediagrammet for systemet nefelin-sio 2 ved 1 atmosfæres tryk. Diagrammet er delvis forenklet, idet nefelin i virkeligheden indeholder en lille del SiO 2 i fast opløsning. Cg: carnegieit -Ne: nefelin - Ab: albit - Cr: cristobalit -Tr: tridymit. Da systemet nefelin-sio 2 kan opdeles i 2 eutektiske delsystemer og indeholder en termal barriere, der ikke kan krydses, vil smelteudviklingen både ved ligevægtskrystallisation og fraktioneret krystallisation gå mod enten e 1 eller e 2, afhængigt af udgangssmeltens sammensætning. (c) Binære systemer med en inkongruent smeltende intermediær forbindelse Systemet forsterit-sio 2 indeholder den binære forbindelse enstatit (se fig. Ø1.4). Når krystallin enstatit opvarmes, smelter det ved 1557 C til forsterit plus en mere SiO 2 -rig sammensætning. Denne type opsmeltning kaldes inkongruent, fordi den dannede smeltes sammensætning er forskellig fra sammensætningen af den fase, der smelter. Den reaktion, der finder sted, kaldes også en peritektisk reaktion. Punktet R i fig. Ø1.4 kaldes et peritektisk punkt (reaktionspunkt) og angiver sammensætningen af smelten dannet ved den peritektiske reaktion. Resultaterne af ligevægtskrystallisation i systemet vil blive illustreret ved afkøling af smeltesammensætningerne 1 til 4 i fig. Ø1.4: Sammensætning 1 ligger til venstre for enstatit-sammensætningen. Ved afkøling vil denne smelte starte med krystallisation af forsterit, når liquidus-kurven for forsterit nås. Krystallisation af forsterit vil fortsætte indtil smelten når R ved en temperatur på 1557 C. Her sætter en reaktion ind, idet smelten er blevet for SiO 2 -rig til, at forsterit er fuldstændig stabil, og forsterit-krystallerne vil omdannes til enstatit efter reaktionen: Mg 2 SiO 4 + SiO 2 = Mg 2 Si 2 O 6 fosterit + smelte = enstatit 7
Fig. Ø1.4 Fasediagrammet for systemet forsterit-sio 2 ved 1 atmosfæres tryk. R er reaktionspunktet, e et eulektisk punkt. Fo: forsterit - En: enstatit - Cr: cristobalit. 4 smeltesammensætninger markeret ved 1-4. Da sammensætningen 1 ligger til venstre for enstatit-sammensætningen, opbruges smelten først, og selskabet forsterit + enstatit fås ved en fortsat afkøling. Sammensætning 2 er lig med enstatit-sammensætningen. Afkølingen vil være som for sammensætning 1, men nedbrydningen af forsterit ved reaktion med smelten vil nu være komplet, og den sidste dråbe smelte reagerer med den sidste forsteritkrystal til enstatit. Resultatet er enstatit alene ved yderligere afkøling. Sammensætning 3 er beliggende mellem enstatit-sammensætningen og reaktionspunktet R's sammensætning. Som tidligere vil reaktionen mellem forsterit og smelte sætte ind ved 1557 C med destruktion af forsterit og dannelse af enstatit, men nu vil der være smelte i overskud, og selskabet smelte + enstatit vil ved fortsat afkøling bevæge sig nedad liquidus-kurven R-e mod det eutektiske punkt e. Slutproduktet bliver nu enstatit + cristobalit. Enhver smelte med en sammensætning mere SiO 2 -rig end enstatit vil ikke ved ligevægtskrystallisation kunne bevare forsterit i nærvær af et SiO 2 mineral på grund af reaktionsforholdet mellem olivin og smelte. Sammensætning 4 krystalliserer, som om systemet havde været eutektisk og uden en tidlig dannelse af forsterit. Betragtes systemet forsterit-sio 2 som en model for krystallisation af basaltiske smelter, ses det af ovenstående at en fraktioneret krystallisation af smelter af sammensætning som 1-3 kan foregå enten ved fjernelse af tidligt dannede olivinkrystaller fra smelten eller ved isolering fra smelten af dannet olivin ved indkapsling med orthopyroxen. I begge tilfælde vil resultatet være en ændring af smeltens sammensætning således, at den ved perfekt fraktionering vil 8
udvikle sig mod det eutektiske punkt e, med krystallisation af et SiO 2 -mineral til følge. (d) Binære systemer med total opløselighed i fast fase mellem komponenterne Mineraler med variabel sammensætning kaldes faste opløsninger. Plagioklas-rækken (albitanorthit) udviser komplet opløselighed mellem albit- og anorthit-komponenten. Fasediagrammet for systemet albit-anorthit er vist i fig. Ø1.5. Fasediagrammet for albitanorthit er karakteriseret ved 2 kurver, liquidus-kurven og solidus-kurven, der angiver henholdsvis sammensætningen af smelten og plagioklas i ligevægt ved forskellige temperaturer. Da systemet kun indeholder 1 fast fase, er der intet invariant punkt i systemet. En smelte af sammensætningen X (se fig. Ø1.5) vil ved afkøling til ca. l450 C udkrystallisere plagioklas af sammensætningen S 1, dvs. meget mere anorthit-rig end smelten i ligevægt hermed, L 1 (=X), og gøre den resterende smelte mere albit-rig. Ved ligevægtskrystallisation vil smelten ved fortsat afkøling bevæge sig ad liquidus-kurven mod L 3 og kontinuerligt etablere ligevægt med en plagioklas, hvis sammensætning bevæger sig langs solidus-kurven mod S 3. Ved en temperatur H vil forholdet mellem mængderne af smelte af sammensætningen L 2 og plagioklas, at sammensætningen S 2 kunne bestemmes ved hjælp af vægtstangsreglen. Vægtstangsreglen fortæller samtidig, at den sidste smelte må være brugt op, når sammensætningen af plagioklasen har nået den oprindelige smeltes sammensætning, S 3 (=X). Den sidste dråbe smelte i ligevægt med denne plagioklas har sammensætningen L 3. Ved fortsat afkøling bevares en plagioklas af sammensætning S 3. Fig. Ø1.5 Fasediagrammet for systemet albit-anorthit ved 1 atmosfæres tryk. Ved fraktioneret krystallisation med total fjernelse af plagioklas-krystaller i det øjeblik de dannes, vil den resterende smelte hele tiden blive rigere på albit, og først størkne fuldstændigt når smelten når sammensætningen albit, ved 1118 C. Ved en mindre perfekt fraktionering vil 9
den sidste smelte indeholde lidt anorthit og krystallisere endeligt ved en lidt højere temperatur. Systemet albit-orthoklas er et andet binært system, der som plagioklas har total opløselighed mellem komponenterne i fast fase. Systemet albit-orthoklas adskiller sig dog fra albit-anorthit systemet ved at have et minimumspunkt på liquidus- og solidus-kurven for en sammensætning omkring 30 vægt-% orthoklas og 70 vægt-% albit. Systemet albit-orthoklas adskiller sig endvidere fra albit-anorthit systemet ved at have en faldende gensidig opløselighed mellem albit og orthoklas med faldende temperatur. En oprindelig homogen alkali-feldspat afblander derfor ved lavere temperaturer til en albit-rig og en orthoklas-rig del. Den kurve, der angiver den kemiske sammensætning af co-eksisterende feldspat-faser ved forskellige temperaturer under solidus kaldes solvus-kurven. (e) Trykkets indflydelse på smeltetemperaturen Fig. Ø1.2 til 4.5 viste forskellige krystalisations- og smelterelationer ved atmosfærisk tryk. Indflydelsen af højere tryk på temperaturen for eutektisk opsmeltning af diopsid + anorthit er vist i fig. Ø1.6 og diskuteret nedenfor. Fig. Ø1.6 Solidus temperatur (eutektisk temperatur) og eutektisk sammensætning ved forskelligt tryk for systemet diopsid-anorthit. Til venstre er vist tryk-temperatur diagrammet for reaktionen diopsid + anorthit = smelte. Til venstre for kurven kan smelte ikke eksistere i diopsid-anorthit systemet. Til højre er vist tryksammensætningsdiagrammet for de eutektiske sammensætninger dannet ved opsmeltning af diopsid + anorthit ved forskellige tryk. Ved at tillade variationer i trykket vender vi tilbage til den almindelige faseregel: F = C P + 2. For systemet diopsid-anorthit fås: C = 2: F = O (invarians) for P = 4 et punkt i et P,T diagram F = 1 (univarians) for P = 3 en kurve i et P,T diagram F = 2 (divarians) for P = 2 et felt i et P,T diagram Ved 1 atmosfæres tryk dannes ved opsmeltning af diopsid og anorthit ved 1274 C en smelte af eutektisk sammensætning e. Reaktionen diopsid + anorthit = smelte 10
er ved konstant tryk invariant (3 faser i ligevægt), men bliver med muligheden for at variere trykket univariant; reaktionen bliver derfor i et tryk-temperatur diagram en kurve. Denne kurve er blevet eksperimentelt bestemt, og resultatet er vist i fig. Ø1.6 (til venstre). De eksperimentelle resultater viste samtidig med en øgning i smeltetemperaturen for øgning af trykket at den kemiske sammensætning af den eutektiske smelte blev mere anorthit-holdig med øgning af trykket. Resultaterne for diopsid-anorthit systemet viser, at de eksperimentelt bestemte faserelationer for 1 atmosfærisk tryk må anvendes med forsigtighed ved tolkning af bjergarter dannet under højere tryk (plutoniske bjergarter). 4. Ternære systemer I et ternært system kan enhver ternær forbindelse beskrives ved 2 sammensætningsvariable: %A og %B, da %A + %B + %C = 100. Til en fuldstændig beskrivelse af et ternært system haves derfor 4 tilstandsparametre: tryk, temperatur og 2 sammensætninger. Til en fuldstændig grafisk fremstilling af et ternært system behøves derfor 4 dimensioner. Betragtes et ternært system under isobare betingelser (trykket konstant), kan faserelationerne vises i 3 dimensioner i form af et prisme med sammensætningstrekanten som basis og en herpå vertikal temperaturakse (fig. Ø1.7). Kanterne i prismet repræsenterer 1- komponentsystemerne, og prisme-fladerne de 3 binære systemer, der danner det ternære system. Fig. Ø1.7. Isobart temperatur-sammensætningsdiagram for et ternært system A-B-C. Til venstre er perspektivisk vist liquidus-overfladerne i systemet (prikket) og de 3 binære eutektiske systemer. Til højre er vist projektionen af liquidus-overfladen på sammensætnings-trekanten med angivelse af primær-felter, co-tektiske kurver og eutektiske punkter. For et ternært system under isobare betingelser fås fra fasereglen: F = C P + 2 1 = C P + 1, og da C = 3: F = 4 P F = 0 for 4 faser (invarians) et punkt 11
F = 1 for 3 faser (univarians) en kurve F = 2 for 2 faser (divarians) en flade F = 3 for 1 fase (trivariant) et volumen Faserelationerne i et ternært system afhænger af typen af de systemer, der danner det, samt af om der eksisterer ternære forbindelser i systemet. (a) Ternære eutektiske systemer I fig. Ø1.7 er vist det isobare fasediagram for et ternært system uden ternære forbindelser og opbygget af binære eutektiske systemer. Liquidus-kurverne i de binære systemer bliver ved tilsætning af den tredje komponent til flader således, at der dannes 3 liquidus-flader repræsenterende sammensætningen af smelte i ligevægt med A, B eller C. Skæringen mellem de 3 liquidus-flader danner 3 linjer, de co-tektiske kurver (eller grænsekurverne), der angiver sammensætningen af smelten i ligevægt med A+B, A+C og B+C. Disse kurver begynder i de binære systemers eutektiske punkter. De co-tektiske kurver i det ternære system skærer hinanden i det ternære systems eutektiske punkt, e, der viser sammensætningen af smelten i ligevægt med alle 3 faser: A + B + C. Projektionen af liquidus-flader, co-tektiske kurver og det eutektiske punkt på sammensætnings-trekanten (fig. Ø1.7, til højre) danner et liquidusfasediagram, der viser sammensætningen af smelten, der er i ligevægt med én eller flere faste faser i systemet. Liquidus-fladerne danner 3 felter (primærfelter), der angiver, hvilken fase der vil krystallisere først ved afkøling af en smelte med en sammensætning i feltet. Fig. Ø1.8 Liquidus-fasediagram for 1 atmosfæres tryk af systemet anorthit-diopsid-forsterit. e angiver det ternære systems eutektiske punkt; de tynde linjer angiver isotermer på liquidus- fladerne. Øvrige punkter er omtalt i teksten. Ligevægtskrystallisation i et ternært eutektisk system kan illustreres ved liquidusfasediagrammet for systemet anorthit-diopsid-forsterit, vist i fig. Ø1.8. 12
Ved afkøling af en smelte med sammensætningen x og beliggende i primærfeltet for forsterit udkrystalliserer ved ca.1525 C når liquidus overfladen nås, forsteritkrystaller og smeltens sammensætning vil bevæge sig langs en ret linje bort fra forsterithjørnet (da forsterit har en fast sammensætning). Ved afkøling til 1400 C vil smeltens sammensætning være ændret til y, og forholdet mellem mængden af smelte af denne sammensætning og mængden af forsterit vil være givet ved vægtstangsreglen som: mængden af smelte y mængden af forsterit = x - Forsterit x - y Ved yderligere afkøling nås ved ca. 1325 C den co-tektiske kurve mellem primærfelterne for forsterit og diopsid, og diopsid vil begynde at udkrystallisere sammen med forsterit og bevæge smeltens sammensætning langs den co-tektiske kurve mod systemets eutektiske punkt e. Mængden af forsterit og diopsid, der krystalliserer langs den co-tektiske kurve, kan bestemmes ved at tegne tangenten til den co-tektiske kurve i punktet (vist for z) svarende til smeltens sammensætning. Tangentens skæring med diopsid-forsterit siden, z', giver sammen med vægtstangsreglen mængderne af krystalliserende diopsid og forsterit i z til: mængden af forsterit mængden af diopsid = z' - Diopsid z' - Forsterit Ved 1270 C når smelten den eutektiske sammensætning e, og anorthit begynder at udfældes sammen med diopsid og forsterit. Dette vil fortsætte, indtil den resterende smelte af eutektisk sammensætning er krystalliseret. Forholdet mellem forsterit, diopsid og anorthit-krystaller vil være givet ved udgangssmeltens sammensætning x. Fraktioneret krystallisation vil ikke ændre udviklingen af smeltesammensætninger ved afkøling af smelten x, men vil kunne ændre forholdet mellem de 3 krystalliserede mineraler i den helt krystalliserede smelte. Perfekt fraktionering af forsterit under afkølingen af smelten x vil således dels give en fraktion udelukkende bestående af olivin (en dunit), dels en restsmelte af sammensætningen z. Fortsat perfekt fraktionering, nu af diopsid + forsterit, vil dels bevæge smelten mod e, dels danne en fraktion primært bestående af ca. 15% forsterit og 85% diopsid (en olivin-pyroxenit). Den sidste smelterest af sammensætningen e vil størkne til ca. 45% anorthit, 45% diopsid og 10% olivin (en olivin-gabbro). Naturlige associationer af de 3 nævnte bjergartstyper findes i nogle lagdelte basiske intrusioner og kunne være dannet ved fraktioneret krystallisation af en smelte af lignende sammensætning som diskuteret. (b) Ternære systemer med en binær fast opløsning Et vigtigt eksempel på denne type systemer er systemet diopsid-albit-anorthit, der er opbygget af 2 eutektiske binære systemer, diopsid-anorthit og diopsid-albit, samt af systemet albitanorthit med total opløselighed i fast fase. Liquidus fasediagrammet er vist i fig. Ø1.9. Da systemet kun indeholder 2 faste faser, haves ingen ternære invariante punkter og kun 2 primære fasefelter, et for diopsid og et for plagioklas (fig. Ø1.9). Ligevægtskrystallisation af en smelte med en sammensætning A i diopsid-feltet er vist i fig. Ø1.10. Krystallisation af diopsid bevæger smelten langs en ret linje væk fra diopsid-hjørnet og mod den co-tektiske kurve, der nås i B (fig. Ø1.10, A), hvor plagioklas begynder at krystallisere sammen med diopsid. Sammensætningen af denne plagioklas må bestemmes eksperimentelt (P B i fig. Ø1.10, B). Vist i fig. Ø1.10, B er de 3 bindelinjer mellem de 3 faser i ligevægt (smelte, diopsid og plagioklas P B ) ved denne temperatur. De 3 bindelinjer danner tilsammen en trekant, inden for hvilken udgangssmeltens sammensætning må være 13
beliggende. Ved fortsat afkøling fås yderligere krystallisation af diopsid og en mere albit-rig plagioklas (P B,), medens smelten bevæger sig ned langs den co-tektiske kurve mod C (fig. Ø1.10, C). Fig. Ø1.9 Liquidus fasediagram for systemet diopsid-albit-anorthit ved 1 atmosfæres tryk. 14
Fig. Ø1.10 Tre stadier i ligevægtskrystallisation af sammensætningen A i primærfeltet for diopsid. Omtalt mere i teksten. Krystallisation af den sidste dråbe smelte kan bestemmes ved hjælp af bindelinjerne til smeltesammensætningen C. Den oprindelige smeltes sammensætning (A) fortæller os at slutproduktet ved krystallisationen må bestå af diopsid og en plagioklas med sammensætningen P C da diopsid, plagioklas og smelte A må ligge på en ret linje. Den sidste dråbe smelte må derfor have sammensætningen i ligevægt med diopsid og plagioklas af denne sammensætning, dvs. C på den co-tektiske kurve. Ligevægtskrystallisation af en smelte med en sammensætning i plagioklas primærfeltet er vist i fig. Ø1.11. 15
Fig. Ø1.11 Perfekt ligevægtskrystallisation af sammensætningen D i systemet diopsid-albit-anorthit. Udviklingen i smeltesammensætning er angivet med en pil i plagioklas-feltet (fra D til e) og videre langs den cotekniske linje indtil g, hvor krystallisationen ophører. Ved afkøling af en smelte med sammensætningen D nås liquidus-overfladen for plagioklas ved ca. 1420 C, og plagioklas af sammensætningen P D krystalliserer. Smeltens sammensætning udvikler sig i modsat retning af P D, men samtidig reagerer plagioklas og smelte, og danner ved yderligere afkøling en lidt mere albit-rig plagioklas. Resultatet bliver et kurvet forløb af smeltens sammensætning ved krystallisation af plagioklas under afkøling. Bindelinjerne mellem smelte-sammensætning og plagioklas må hele tiden gå gennem D så sammensætningen af plagioklasen når smelten, når den co-tektiske kurve i E vil være P E. Fortsat afkøling vil bevæge smelten mod G med krystallisation af diopsid sammen med plagioklas af fortsat mere albit-rig sammensætning. Når den co-tektiske smelte når G, vil den være i ligevægt med diopsid og en plagioklas af sammensætning P G. Ved denne temperatur vil den oprindelige smeltesammensætning ligge på bindelinjen mellem diopsid og plagioklas, og den sidste dråbe smelte af sammensætning G vil være brugt og systemet helt krystalliseret. Fraktioneret krystallisation Fraktioneret krystallisation i diopsid primærfeltet starter med fjernelse af diopsid, og smeltens sammensætning ændrer sig retlinet bort fra diopsid. Når smeltens sammensætning når den cotektiske kurve, kan den derfor ikke skelnes fra en oprindelig smelte dannet i ligevægt med plagioklas og diopsid. Fortsat fraktionering, nu af diopsid og plagioklas, driver smelten mod lavere temperaturer langs den co-tektiske kurve, og med en perfekt fraktionering vil en smeltesammensætning i det binære system diopsid-albits eutektiske punkt kunne opnås. Fraktioneret krystallisation af smelter i plagioklas primærfeltet vil presse smeltesammensætningen mod mere albit-diopsidrige sammensætninger. Da sammensætningen af plagioklas bliver mere albit-rig med faldende 16
temperaturer, vil smeltens sammensætning også ved fraktioneret krystallisation beskrive en kurve. Det præcise forløb må dog bestemmes eksperimentelt. Når smeltens sammensætning når den co-tektiske kurve, vil en fortsat fraktionering foregå som beskrevet for smelter i diopsid primærfeltet. Teksturerne i mange basaltiske og gabbroide bjergarter tyder på en samtidig krystallisation af pyroxen og plagioklas fra et tidligt tidspunkt i deres afkølingshistorie. Diagrammet diopsidalbit-anorthit viser, at sådanne magmaer kunne have opnået deres sammensætning ved fraktioneret krystallisation, eksempelvis ved bundfældning af pyroxen under magmaets intrudering. 17
Opgave 1 Denne opgave gennemgås delvis ved øvelsen. Løsningen for (1) og (2) f.s.a. systemerne Di- Ab-An og An-Di-Fo afleveres. (1) Nedenfor stående kemiske analyse og CIPW-norm repræsenterer gennemsnittet af en række prøver af plateau-lava fra Østgrønland. Vægt i % oxider CIPW normativ sammensætning SiO 2 47,37 q - TiO 2 2,48 or 1,48 Al 2 O 3 13,19 ab 21,49 Fe 2 O 3 4,82 an 24,70 FeO 8,54 lc - MnO 0,21 ne - MgO 6,55 di 26,09 CaO 11,40 hy 12,75 Na 2 O 2,48 ol 5,23 K 2 O 0,26 mt 2,52 P 2 O 5 0,25 il 4,82 H 2 O + 1,92 ap 0,58 CO 2 Total 99,47 Total 100,0 - Karakteriser og navngiv lava-typen ud fra den kemiske sammensætning og den normative sammensætning. For hvert af følgende underspørgsmål: - Plot den normative sammensætning i nedenfor stående systemer, og angiv liquidus og solidus temperaturen. Beskriv afkølingshistorien og reaktionerne ved både ligevægts og fraktioneret krystallisation. Systemet Ab-An Angiv sammensætningerne af smelte og plagioklas ved liquidus og solidus temperaturen. Angiv sammensætningerne af smelte og plagioklas i ligevægt ved 1400 C og de to fasers relative mængde. Systemet An-Di Systemet Di-Ab Systemet Fo-SiO 2 Angiv liquidus og solidus temperaturen. Angiv liquidus og solidus temperaturen. Ud fra den normative sammensætning kan det beregnes at denne svarer til 54,5 vægt % SiO 2 ; så brug denne værdi i diagrammet. Angiv reaktionerne ved ligevægtskrystallisation og ved perfekt fraktionering af forsterit. Systemet Di-Ab-An Angiv liquidus og solidus temperaturen. 18
Systemet An-Di-Fo Angiv sammensætningen af den sidste dråbe smelte og den coeksisterende plagioklas. (Afleveres) Anvend mængden af normativ olivin (ol) som mængde Fo i diagrammet. Angiv liquidus og solidus temperaturen og beskriv afkølingshistorien. (Afleveres) - Sammenlign de opnåede liquidus og solidus temperaturer ved ligevægtskrystallisation i nedenstående skema. Forsøg at kommentere resultaterne; hvilke er "bedst". System Liquidus T, C Solidus T, C Ab-An An-Di Di-Ab Fo-SiO 2 Di-Ab-An An-Di-Fo (2) Ved fraktioneret krystallisation af et magma i et magmakammer dannes en følge af akkumulationer af mineralkorn. Disse kumulater danner bjergarter som sidenhen vil udgøre en intrusion. Angiv sammensætningen (i % af hvert mineral) af kumulatbjergarterne for krystallisationsforløbet af den østgrønlandske basalt i hvert af fasediagrammerne: Ab-An, An-Di, Di-Ab, Fo-SiO2 Di-Ab-An (afleveres) og An-Di-Fo (afleveres) 19
Fig. ØV1.1 Temperatur-sammensætningsfasediagram for systemet Albit(Ab)-Anorthit (An) ved trykket 1 atmosfære. Fig. ØV1.2 Temperatur-sammensætningsfasediagram for systemet Diopsid(Di)-Anorthit(An) ved trykket 1 atmosfære. 20
Fig. 2.3 Temperatur-sammensætningsfasediagram for systemet Diosid(Di)-Albit(Ab) ved trykket 1 atmosfære. Fig. 2.4 Temperatur-sammensætningsfasediagram for delsystemet Forsterit(Fo)-SiO 2 der er en del af systemet MgO-SiO 2 ; vist for trykket 1 atmosfære. 21
Fig. ØV1.5 Liquidus fasediagram for systemet Di-Ab-An ved 1 atmosfære. De tynde linier med temperaturer som angivet er isotermer på liquidus-fladen. De tynder linier markeret med pilespidser er fraktioneringslinjer og angiver udviklingen i smeltesammensætning ved perfekt fraktionering af plagioklas. 22
Fig. ØV1.6 Liquidus-fasediagram for systemet An-Di-Fo ved 1 atmosfære. De tynde linjer med temperatur som angivet er isotermer på liquidus-fladen. e angiver det ternære eutektiske punkt. 23