3 diagramas de fase
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MINERALOGIA
A. V. Corrêa Neto
MINERALOGIA: ESTA AULA
CAPÍTULO 11, Klein & Dutrow (2007)
•Estabilidade, Energia de Ativação e Equilíbrio
•Diagramas de Fase
Um, dois, três ou mais componentes
Reações com H2O e CO2
Diagramas Eh-pH
DIAGRAMAS DE FASE
Estado Estável (stable) : É necessário aplicar muita
energia para mudar o estado de um sistema. É o estado
de menor energia para aquelas condições ambientais.
Estado Metaestável (metastable): Basta a aplicação
de pouca energia para mudar o estado de um sistema.
Estado Constante (steady state): Sistema não
apresenta mudança com o tempo. O tempo pode variar
entre horas, meses ou anos em função da velocidade
das reações e da paciência do pesquisador.
DIAGRAMAS DE FASE
Em rochas a definição de estado de equilíbrio é difícil
pois as rochas podem ter se formado milhões ou
mesmo bilhões de anos atrás.
Os minerais podem estar em estado metaestável; pode
não ter ocorrido suficiente entrada de energia no
sistema e/ou decorrido tempo suficiente para que atingir
um estado de menor energia.
DIAGRAMAS DE FASE
Diagramas de Fase ou Estabilidade: Construídos a
partir de dados experimentais e cálculos, demonstram o
comportamento de sólidos, líquidos e gases em função
de condições externas tais como T e P.
Fase: Substância homogênea com propriedades
químicas e físicas bem definidas. Uma fase pode ser
sólida, líquida ou gasosa.
Componente: Entidade química necessária para definir
a composição de todas as fases de um sistema. Ex.:
H2O, Al2SiO5.
DIAGRAMAS DE FASE
Um mineral pode ser uma fase (sólida) apenas se seus
cristais forem homogêneos, sem zonação interna.
Imagem de microssonda de íons;
zonação de Fe (amarelo) em granada
A3B2(SiO4)3, onde
A= Ca, Mg, Fe2+ ou Mn
B= Al, Fe3+ eCr3+
DIAGRAMAS DE FASE
Diagramas de Fase de Um Componente: Sistema
polimorfos de H2O Campo de Estabilidade do Gelo VII
Curvas: coexistência
de duas fases (gelo
VI e VII)
Ponto Triplo: três
fases coexistem
(gelo VI, VII e água)
DIAGRAMAS DE FASE
Diagramas de Fase de Um Componente: Sistema
polimorfos de H2O
Ponto Crítico: Propriedades
das fases se tornam
idênticas. Fluido
supercrítico.
Curvas: Coexistência de
duas fases
Ponto Triplo: três fases
coexistem
DIAGRAMAS DE FASE
Diagramas de Fase de Um Componente: Sistema
polimorfos de Al2SiO5
Núcleo de cianita, borda de
sillimanita
Núcleo de sillimanita, borda
de andalusita
DIAGRAMAS DE FASE
Diagramas de Fase de Dois Componentes:
Demonstram variação na composição das fases em
função de T, mantendo a pressão constante (diagramas
temperatura-composição, T-X).
Podem mostrar:
•Solução sólida completa entre dois membros finais.
•Solução sólida parcial, com uma lacuna de
miscibilidade (miscibility gap).
•Ausência de solução sólida.
DIAGRAMAS DE FASE
Diagramas de Fase de Dois Componentes: Sistema
Mg2SiO4-Fe2SiO4.
Diagramas liquidus:
Incorporam fase líquida ou
fusão (melt).
Liquidus: Acima dessa
linha há apenas fusão.
Solidus: Abaixo dessa linha
há apenas fases sólidas.
DIAGRAMAS DE FASE
Diagramas de Fase de Dois Componentes: Sistema
Mg2SiO4-Fe2SiO4.
Temperatura de
fusão, Mg2SiO4
Temperatura
de fusão,
Fe2SiO4
Fusão de
composição M
(20%Fe2SiO4,
80% Mg2SiO4),
T=1890oC
Sólido de
composição S
(80%Fe2SiO4,
20% Mg2SiO4),
T=800oC
DIAGRAMAS DE FASE
Diagramas de Fase de Dois Componentes: Sistema
Mg2SiO4-Fe2SiO4.
Fusão
Apenas fusão
até atingir o
liquidus a T1
~1800oC
Primeira fase
sólida:
06%Fe2SiO4,
94% Mg2SiO4
DIAGRAMAS DE FASE
Diagramas de Fase de Dois Componentes: Sistema
Mg2SiO4-Fe2SiO4.
O primeiro
cristal
remove mais
Mg do que
Fe da fusão
A composição da
fusão se desloca
para a direita,
sempre ao longo
do liquidus a
medida que T
diminui
Variam as
composições
dos cristais e da
fusão
X fusão a
T=
1710oC
X cristal a
T=
1710oC
DIAGRAMAS DE FASE
Diagramas de Fase de Dois Componentes: Sistema
Mg2SiO4-Fe2SiO4.
Em T2 (1660oC),
a composição dos
cristais é igual à
da fusão original
M (20%Fe2SiO4,
80% Mg2SiO4)
Não há mais
mudança na
composição
dos cristais
DIAGRAMAS DE FASE
Diagramas de Fase de Dois Componentes: Outros
exemplos:
DIAGRAMAS DE FASE
Diagramas de Fase de Dois Componentes: Sistema
albita-ortoclásio
Ocorre s.s. apenas
em alta temperatura
A temperaturas
baixas não há s.s.;
duas fases de
feldspato se formam.
Falha de miscibilidade
miscibility gap
DIAGRAMAS DE FASE
Diagramas de Fase de Dois Componentes: Sistema
albita-ortoclásio
A falha de
miscibilidade
localiza-se abaixo do
campo da s.s.,
quando não há mais
fusão.
A separação entre as
fases albita e
ortoclásio ocorre em
estado sólido.
Falha de miscibilidade
miscibility gap
DIAGRAMAS DE FASE
Diagramas de Fase de Dois Componentes: Sistema
albita-ortoclásio com H2O.
Menor
temperatura de
fusão.
A falha de
miscibilidade tem
seu limite superior
de T aumentado,
intersectando o
solidus.
DIAGRAMAS DE FASE
Diagramas de Fase de Dois Componentes: Sistema
albita-ortoclásio com H2O.
Ponto eutético:
menor
temperatura no
liquidus em que
uma fusão de
composição fixa
está em equilíbrio
com duas fases
minerais
DIAGRAMAS DE FASE
Diagramas de Fase de Dois Componentes: Sistema
albita-ortoclásio com H2O.
Uma fusão de
composição e ao
cristalizar gerará
diretamente albita
e ortoclásio.
DIAGRAMAS DE FASE
Diagramas de Fase de Dois Componentes: Casos
sem solução sólida.
Uma fusão de
composição M,
com a diminuição
de T muda de
composição
(seguindo o
liquidus) até que
não reste mais
fusão (ponto c).
DIAGRAMAS DE FASE
Diagramas de Fase de Dois Componentes: Casos
sem solução sólida.
A e B têm relações
eutéticas, não
demonstrando
solução sólida.
DIAGRAMAS DE FASE
Diagramas de Fase de Dois Componentes: Casos
sem solução sólida.
TA é a temperatura
de fusão de A
puro.
TB é a temperatura
de fusão de B
puro.
A temperatura de
fusão se altera
com a razão A/B.
DIAGRAMAS DE FASE
Diagramas de Fase de Dois Componentes: Casos
sem solução sólida.
A fusão coexistirá
com A ao longo da
curva entre TA e c
(ponto eutético).
A quantidade de A
na fusão aumenta
com a diminuição
de T.
DIAGRAMAS DE FASE
Diagramas de Fase de Dois Componentes: Casos
sem solução sólida.
Ao atingir o ponto
eutético, B se
cristalizará ao
mesmo tempo que
A nas mesmas
proporções
presentes na
fusão original M e
a composição da
fusão não mais se
altera.
DIAGRAMAS DE FASE
Diagramas de Fase de Dois Componentes: Sistema
albita-sílica.
DIAGRAMAS DE FASE Diagramas de Fase de Dois Componentes: Sistema
K-feldspato-sílica.
DIAGRAMAS DE FASE
Diagramas de Fase de Três Componentes:
Diagramas binários têm aplicabilidade limitada uma vez
que a maioria das rochas possui seis a dez
componentes.
Diagramas ternários são comuns em petrologia ígnea
para representar resultados experimentais.
DIAGRAMAS DE FASE
Diagramas de Fase de Três Componentes: SiO2-
KAlSiO4-Mg2SiO4.
Isotermas-
contornos
(tracejados) que
representam
temperaturas de
fusão para
composições
específicas.
Superfície
Liquidus- definida
pelas isotermas
DIAGRAMAS DE FASE
Diagramas de Fase de Três Componentes: SiO2-
KAlSiO4-Mg2SiO4.
As setas ao longo
dos limites entre
as fases
representam
trajetórias de
cristalização em
função da
diminuição de T.
DIAGRAMAS DE FASE
Diagrama de Liquidus-Solidus em 3D: anortita-albita-
K feldspato.
Superfície liquidus
DIAGRAMAS DE FASE
Diagramas de Fase de Três Componentes: quartzo-
forsterita-anortita.
DIAGRAMAS DE FASE
Diagramas de Fase de Três Componentes: Podem
mostrar a variação composicional entre membros de um
grupo.
Tielines unem
composições minerais
que representam
coexistência em
equilíbrio.
Falha de miscibilidade
DIAGRAMAS DE FASE
Diagramas de Fase de Três Componentes: Podem
identificar assembléias de minerais em equilíbrio, a
partir de dados experimentais e petrográficos.
Tielines unem
composições minerais
que representam
coexistência em
equilíbrio.
Triângulos representam
coexistência de três fases
DIAGRAMAS DE FASE
Diagramas Com Mais de Três Componentes: Dois
componentes agrupados em um vértice.
Componentes com
solução sólida
agrupados
Basalto, p 1 a 2Kb
T 1000 a 1200oC
DIAGRAMAS DE FASE
Diagramas Com Mais de Três Componentes: Dois
componentes agrupados em um vértice.
Basalto, p 12 a 30Kb
T 400 a 800oC
DIAGRAMAS DE FASE
Diagramas Para Reações Com H2O e CO2: Campos
P-T de estabilidade; podem ou não conter um campo de
fusão.
CaO-SiO2-CO2
DIAGRAMAS DE FASE
Diagramas P-T Compostos: Campos P-T de
estabilidade para vários minerais.
Avaliação de
condições P-T
metamórficas a partir
de assembléias
minerais, assumindo o
equilíbrio entre as
fases observadas na
rocha.
DIAGRAMAS DE FASE
Diagramas Eh-pH: Úteis para fases de baixa
temperatura e pressão (intemperismo, sedimentação,
diagênese).
Eh- potencial de oxidação
pH- log negativo da concentração de íons de H
Predição dos minerais que se precipitarão a partir de
uma solução em dadas condições P-T.
Interpretar condições de precipitação de assembléias
(paleoclimas, estados de oxidação da atmosfera,
condições diagenéticas, etc.).
DIAGRAMAS DE FASE
Diagramas Eh-pH:
Óxidos e sulfetos de Fe a
T=25oC e P=1atm; enxofre
dissolvido total = 10-6.
Fases coexistem ao longo
das linhas.
DIAGRAMAS DE FASE
Diagramas Eh-pH:
Óxidos, hidróxidos e
sulfetos de Mn a T=25oC e
P=1atm; enxofre dissolvido
total = 10-1.