Chapitre 4: diagrammes de phase binaires. Systèmes avec solution solide: Ab-An Systèmes...

Chapitre 4: diagrammes de phase binaires

Systèmes avec solution solide: Ab-An

Systèmes eutectiques: Di-An

1. Plagioclase (Ab-An, NaAlSi3O8 - CaAl2Si2O8)

Solution Solide Complète

Fig. 6-8. Isobaric T-X phase diagram at atmospheric pressure. After Bowen (1913) Amer. J. Sci., 35, 577-599.

D’après cours en ligne de Winter

a = An60

= 60 g An + 40 g Ab XAn = 60/(60+40) = 0.60

D’après cours en ligne de Winter

F = 2-1+1=2

1. 2 variables intensives indépendentes doivent être spécifiées pour déterminer complètement le système

= situation divariante

2. On peut faire varier 2 variables intensives independamment sans changer , le nombres de phases

Variables intensives peuvent être P, T, X, masse volumique, G-V-S molaire etc.

Du point de vue géologique, les variables les plus intéressantes sont T et X (P constante)

D’après cours en ligne de Winter

Refroidissement à1475oC (point b) .

D’après cours en ligne de Winter

Refroidissement à1475oC (point b) .

D’après cours en ligne de Winter

et dépendent deT

XAnliq X

Anplag

F = 2 - 2 + 1 = 1 (“univariant”)Une seule variable doit être spécifiée:

T XAnliq X

Abliq X

Anplag X

Abplag (P cte)

D’après cours en ligne de Winter

A 1450oC, liquide d et plagioclase f coexistent à l’équilibre

Réaction continue du type:

liquidB + solidC = liquidD + solidF

D’après cours en ligne de Winter

fd e

de ef

Principe du levier:

Quantité de liquide Quantité de solide de

ef=

d = composition du liquide, f = composition du solidee = bulk composition

liquidus

solidus

D’après cours en ligne de Winter

Lorque Xplag h, Xplag = Xbulk la quantité de liquide 0

Donc g est la composition du dernier liquide à cristalliser à 1340oC pour Xbulk = 0.60

D’après cours en ligne de Winter

Le dernier plagioclase est i quand = 0.60

= 1 et F = 2 - 1 + 1 = 2

XAnplag

D’après cours en ligne de Winter

Note :oLe liquide cristallise sur un interval T de 135oC *oLa composition du liquide change de b à goLa composition du solide change de c à h

* La temperature et l’interval dépendent de la composition globale

(An/Ab)plag > (An/Ab)liq

D’après cours en ligne de Winter

Fusion à l’équilibre On chauffe An60 et le premier liquide est g à An20 et 1340oC On continue de chauffer: liquide et plagioclase changent de X Dernier plagioclase à fondre est c (An87) à 1475oC

D’après cours en ligne de Winter

Figure 3-5. a. Compositionally zoned hornblende phenocryst with pronounced color variation visible in plane-polarized light. Field width 1 mm. b. Zoned plagioclase twinned on the carlsbad law. Andesite, Crater Lake, OR. Field width 0.3 mm. © John Winter and Prentice Hall.

D’après cours en ligne de Winter

Cristallisation à l’équilibre:Avec une diminution de la température la composition du liquide et des minéraux devient plus albitiquesComposition finale du solide = Composition initiale du liquidePlagioclase (An/Ab)plag> (An/Ab)liq

Minéraux ferro-magnésiens Mg/(Mg+Fe)sol> Mg/(Mg+Fe)liq

Diffusion (Na+Si4+⇆Ca2+Al3+) très lente (liaisons fortes) : plagios zonésDiffusion (Mg⇆Fe) plus rapide

Fo - Fa (Mg2SiO4 - Fe2SiO4)

Fig. 6-10. Isobaric T-X phase diagram at atmospheric pressure After Bowen and Shairer (1932), Amer. J. Sci. 5th Ser., 24, 177-213.

Mg/(Mg+Fe)solide > Mg/(Mg+Fe)liquide

D’après cours en ligne de Winter

Cristallisation fractionée: Soustraction des cristaux lors de leur formation: pas de reaction continues avec le liquide

Pout toutes T: Xbulk = Xliq

•Le liquide s’enrichit en composants non réfractaires (liquide évolué)•La température du liquide descend en dessous de la température du solidus à l’équilibre

D’après cours en ligne de Winter

Fusion partielle:Les premiers liquides sont soustraits lors de leur

formation Xbulk = 0.60; premier liquide = g

Le liquide et le solide s’enrichissent en composants anorthitiques

D’après cours en ligne de Winter

Plagioclase

Liquid

Liquid

plus

Plagioclase

Différence entre les deux types de champs

Bleu clair : une phase

Tout point représente une composition de phase vraie

Bleu foncé: deux phases

Tout point correspond à deux phases à l’interface avec les

champs bleus et connecté par une droite horizontale

D’après cours en ligne de Winter

•Augmentation de la pression anhydre augmente la température du solidus

•Augmentation de la pression en présence d’eau abaisse le Augmentation de la pression en présence d’eau abaisse le solidussolidus

Figure 5-4. Relationship between Gibbs free energy and pressure for the solid and liquid forms of a substance at constant temperature. Peq is the equilibrium pressure. Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall.

dG = VdP - SdT à T constante: dG/dP = V

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Systèmes avec solution solide: Ab-An

Systèmes eutectiques: Di-An

Example: Diopside (CaMgSi2O6) – Anorthite (CaAlSi2O8)Sans solution solide

Fig. 6-11. Isobaric T-X phase diagram at atmospheric pressure. After Bowen (1915), Amer. J. Sci. 40, 161-185.

D’après cours en ligne de Winter

Composition a:

An70

F = 2 - 1 + 1 = 2

Cristallisation à l’équilibre

D’après cours en ligne de Winter

1455oC (point b)

F = 2 - 2 + 1 = 1

D’après cours en ligne de Winter

Refroidissement continu: Xliq descend le long du liquidus

Reaction continuoue: liqA anorthite + liqB

D’après cours en ligne de Winter

1274oC = 3 so F = 2 - 3 + 1 = 0 invariant◦ (P) T, composition de toutes les phases sont fixes◦ Réaction discontinuoue jusqu’à épuisement d’une

phase.

D’après cours en ligne de Winter

A gauche de l’eutectique: situation similaire

D’après cours en ligne de Winter

Cristallisation sur un interval T de~280oC-Une séquence de mineraux cristallise sur cet

intervalLes minéraux qui cristallisent dependent de T

- La séquence change avec la composition

D’après cours en ligne de Winter

Stillwater complex, Montana. Field

D’après cours en ligne de Winter

Texture Texture OphitiqueOphitique

Dike de Dike de diabasediabase

D’après cours en ligne de Winter

• Le dernier liquide qui cristallise dans un sytème binaire eutectique est de composition eutectique•La Fusion à l’équilibre est l’opposé de la cristallisation à l’equilibre

• Les premiers liquides sont de composition eutectique

D’après cours en ligne de Winter

Cristallisation fractionée:

Fig. 6-11. Isobaric T-X phase diagram at atmospheric pressure. After Bowen (1915), Amer. J. Sci. 40, 161-185.

•La fractionation d’une phase n’influence pas la cristallisation•La roche finale aura la composition eutectique et non pas la composition du liquide initial

D’après cours en ligne de Winter

Fusion partielle:

•Après consomation d’une phase à l’eutectique, le solide est soit Di pur ou An pur•Fusion interompue jusqu’à ce que Tliq de Di ou de An est atteinte

D’après cours en ligne de Winter

Le mélange de deux composants provoque une dépression du liquidus

Tous les système atteignent le point eutectique Pas de réaction entre liquide et solide:

cristallisation fractionée = cristallisation à l’équilibre

Tous les mélanges An + Di fondent à la même T (1274°)

Fusion fractionée: saut de température du liquidus. Pas de liquide de composition intermédiaire

Figure 6-16. T-X phase diagram of the system albite-orthoclase at 0.2 GPa H2O pressure. After Bowen and Tuttle (1950). J. Geology.

D’après cours en ligne de Winter

D’après cours en ligne de Winter

Composition aPremier solide à b: 1090oCDernier liquide à e: 1000oC

Le point eutectique n’est pas atteint

Solide final = d780°C: Intersection du solvusexsolution (perthite)

D’après cours en ligne de Winter

Composition iPremier solide à j: 1020oCDernier liquide à k: 970oC

Le point eutectique n’est pas atteint

Solide finale = Xi

Intersection du solvusexsolution (antiperthite)

Cristallisation Fractionée-> liquide approche l’eutectique

Figure 6-17. The Albite-K-feldspar system at various H2O pressures. (a) and (b) after Bowen and Tuttle (1950), J. Geol, (c) after Morse (1970) J. Petrol.

Système hypersolvus Système subsolvus

•Perthite: Composition a: exsolution de lamelles de feldaspaths riche en Na dans un feldspath riche en K•Antiperthite: Composition i: exsolution de lamelles de feldaspaths riche en K dans un feldspath riche en Na

http://www.ucl.ac.uk/~ucfbrxs/PLM/perthites/DSCN7203.jpg