Capítulo 6_Fase Binária (Resumo)

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Capítulo 6 – Fase Binária
Cristalização e o Comportamento do Fundido 
1. Ao resfriar-se o magma cristaliza do liquido para o solido dentro de uma faixa de T (e P)
2. Diversos minerais cristalizam dentro desta faixa de T (e P), e o numero de minerais aumenta quando T decresce 
3. Os minerais se formam sequenciadamente, com considerável superposição 
4. Minerais envolvendo solução solida mudam a composição quando o resfriamento progride 
5. A composição do fundido também muda durante a cristalização 
6. Os minerais que cristalizam (assim como a sequência) dependem de T e X do liquido 
7. A P pode afetar os tipos de minerais que se formam em sequência 
8. A natureza e pressão de voláteis podem também afetar os minerais e suas sequências de cristalização 
Experimentos de laboratório com fusão de magma
- Fusão de rochas naturais. Hoje se sintetiza composições minerais de rochas através de reagentes químicos. Hoje é possível reproduzir faixas amplas de composição, temperatura e pressão que pode existir na natureza durante a formação e cristalização de magmas.
- A amostra é submetida às condições desejadas de T e P com um tempo suficiente (horas ou semanas) para a reação se completar. A T e P é rapidamente reduzida para se formar uma assembleia mineral. Super resfriamento comumente faz se formar vidro, especialmente composições mais ricas em SiO2. Exames do vidro e dos cristais formados são medidos com refração de Raios X ou microssonda eletrônica. Os resultados de experimentos com diversas composiçòes, e diversas T e P permitem a construção de diagramas de fases.
Equilibrio e regra de fases 
Grande avanço da petrologia no século 20 foi a identificação de que rochas e magmas se comportam rigorosamente de acordo com as leis da fisica e quimica. As leis da termodinâmica tem sido aplicadas nos processos geológicos que ocorrem a altas temperaturas 
Equilibrio – significa que o sistema geológico (rocha ou magma) está em um estado onde não há forças dirigidas para mudá-lo. Se as condições do sistema forem mudadas (alterando T e/ou P) o sistema sai do equilíbrio e deve mudar os tipos ou proporções dos minerais (ou quantidade e composiçào do fundido) através de reações até alcançar um outro estado de equilíbrio. Como todo processo físico ou quimico, para se atingir expontaneamente o equilibrio é preciso alcançar uma minimização da energia. Geralmente se muda o equlibrio mudando-se T e/ou P até que o sistema alcance o novo equilíbrio. Mudar a composição também pode desequilibrar o sistema (mistura de magmas ou assimilação). 
Fase: É definida como uma parte fisicamente distinta do sistema (um fundido ou uma particular especie mineral) que é mecanicamente separada de outras fases do sistema.
Componente: 	É definido como o número minimo de constituintes químicos que são requeridos para definir a composição de todas as fases do sistema. O componente não é um mineral, entretanto o componente pode ter a mesma composição do mineral. Regra fundamental: não se pode nunca ter mais componentes que fases no sistema. Se a rocha tem 3 minerais então somente 3 componentes podem ser definidos. Se um fluido ou um fundido estiver presente no sistema, ele pode ser considerado como uma fase. Quando componentes são definidos considerando-se os 10 ou 12 óxidos das análises químicas normais de uma rocha, este número de componentes excede o número de minerais (mais fundido) e, considerar todos esses óxidos como componentes, isto é incorreto. O correto é recombinar óxidos simples. MgO + SiO2 que vão formar Mg2SiO4 (forsterita) ou CaO+MgO+SiO2 para formar CaMgSi2O6 (diopsídio).
Sistema fechado: Energia termal e mecânica pode ser trocada com as encaixantes, mas a massa não pode ser modificada. Uma rocha ígnea ou magma considerados como sistema fechado, pode sofrer variações de P e T, mas o conteúdo dos componentes químicos permanece fixo.
Sistema aberto: Pode trocar energia e massa com as encaixantes. A assimilação de pedaços da rocha encaixante que pode mudar a a composição química do magma é um exemplo.
Balanço de massa: É o conceito da preservação de uma constante composição de volume durante a operação de processos químicos ou físicos. A mudança de constituintes químicos de um estado físico para outro (como cristalização de um magma) ou de um mineral para outro deve ser balanceado através da manutenção de uma composição total constante.
A Regra de Fases: F = C – Φ + 2
F = quantidade de graus de liberdade ou variânça 
O número de parâmetros intensivos que deve ser especificado para que o sistema seja completamente determinado 
Φ = quantidade de fases mecanicamente separadas 
C = mínima quantidade de componentes (constituintes químicos que devem ser especificados para definir todas as fases) 
2 = quantidade de parâmetros intensivos 
Usualmente = temperatura e pressão para os geólogos 
Sistemas com 1 Componente: Sílica e Água
Campo Divariante: - Nessas áreas do diagrama, a P e T podem ser mudadas independentemente e a mesma fase permanece estável. 
Linhas (ou curva) Univariante: Os campos divariante são superados por linhas invariantes. Duas fases existem somente ao longo dessas linhas indicando especial restrição a uma faixa de P e T. São univariantes porque somente uma variável pode ser independentemente mudada, obrigando que a outra seja também mudada para que o sistema continue em equilíbrio.
Pontos invariantes: Três fases podem coexistir somente nos pontos onde três linhas se cruzam. Como não se pode mudar P e T para que as 3 fases minerais coexistam, esses pontos são chamados invariantes.
Fase instável: É possível que um componente químico possa cristalizar como uma fase não descrita pelo diagrama de equilíbrio de fases na T e P de formação. Nesse caso o sistema está em desequilíbrio e a fase é instável, quando ela está em mudança para uma fase mais estável.
Fase metaestável: A fase metaestável tem mais energia que a fase estável em equilíbrio e ela persiste por uma boa extensão de tempo sem mudar, face a uma taxa de reação muito baixa. Por exemplo, rocha ígnea ou metamórfica exposta na superfície da Terra consiste de minerais metaestáveis, que tiveram campo de estabilidade para as suas formações em partes profundas da Terra.
 O sistema SiO2 O sistema H2O
 
Sistema com 2 Componente: Plagioclásio (Ab-An) e Olivina (Fo-Fa)
Fusão congruente: Significa que uma fase sólida pura funde completamente na sua temperatura de fusão produzindo um líquido de mesma composição que o sólido. Nesse sistema binário simples os limites são feitos por dois sólidos puros e seus comportamentos podem ser representados em um diagrama de duas dimensões (T versus X – diagrama isobárico) ou (P versus X – diagrama isotérmico). O arranjo de áreas divariantes, linhas univariantes e pontos invariantes são chamados de diagramas topológicos.
Fusão em equilíbrio: Significa que a fusão de um material sólido multifase ocorre através de um processo que gera uma sucessão contínua de fundidos variando desde a baixa temperatura inicial produzindo líquidos eutéticos distintos em composição do material sólido original para um fundido final que é igual a composição total da rocha original. O nome em equilíbrio refere-se à manutenção do balanço de massa em um sistema fechado, isto é: o fundido que se forma e permanece em contato com o material sólido original e continuadamente em equilíbrio com ele. O peso total das duas composições (sólido e líquido) sempre é igual ao peso total do material original.
Fusão fracionada: É o processo no qual o fundido é assumido ser continuadamente removido do material sólido remanescente. O sistema químico é reduzido para duas partes: (i) somente o fundido e, (ii) somente os sólidos residuais e ambos são considerados separado.
Plagioclásio (Fusão Congruente)
Plagioclásio (Ab-An, NaAlSi3O8 - CaAl2Si2O8): Sistemas com solução solida completa 
Diagrama de fase isobárico 
T-Xa uma pressão de 
1
 
atm
.
 
Composição total
:
a
 = An
60
 = 60gr 
An
 + 40gr 
Ab
 
X
An
 = 60/(60+40) = 0.60 
Aplicando-se a regra de fases: F = 2 (F=C-Ǿ+2); C= 2; Ǿ = 2 
1. Devem ser especificadas 2 variáveis independentes intensivas para definir/determinar completamente o sistema. 
Trata-se de uma situação divariante. 
2. Pode-se modificar 2 variáveis intensivas independentes sem mudar f, que é o número de fases 
 
F = 2 - 2 + 1 = 1
 (“
univariante
”)
Deve-se especificar somente uma vari
á
vel que é 
T
. 
(P constante)
. 
Considerando-se um magma esfriando-se isobaricamente,
 
ele é dependente
 sobretudo
 de 
T
. 
bc
 = “
tie
 
line
” conecta duas fases coexistentes 
A 
1450
o
C
, liquido 
d
 e plagiocl
á
sio 
f 
coexistem 
em
 
equilibrio
 
Uma reação continua aparece
,
 ou seja:
liquido
b
 + 
solido
c
 = 
liquido
d
 + 
solido
f
 
Pode-se variar T e X sem mudar o número de fases 
(situação 
divariante
). 
Para a colocação de uma nova fase dentro do líquido
os
 primeiros cristais de plag
ioclásio
 = 0.87
An
 (
pt
 
c
) deve resfriar -se para 1475
o
C (
pt
 b).		
O plagioclásio final a se formar é i em 
X
An
plag
= 0.60
Agora f = 1 e F = 2 - 1 + 1 = 2 
Então g é a composição do ultimo liquido a cristalizar em 
1340
o
C
 quando 
X = 0.60 
An 
Notar o seguinte:
1. O fundido cristalizou-se quando 
T
 é igual a 
1350
o
C
2. A composição do liquido mudou 
d
e 
b
 para 
g
3. A composição do solido mudou 
d
e 
c
 para
 
 
h
F
usão Parcial (Fusão Fracionada): 
São processos importantes porque eles vão causar mudanças significativas na rocha final 
Remove-se o fundido quando ele vai se formando
.
 
Fundido 
X
bulk
 = 0.60 primeiro liquido = 
g
 remove-se o total
 resfriado = g 
plagioclá
sio final = 
i 
Cristalização Fracionada
:
 
Remove-se o cristal 
a
 medida que eles vão se formando e, assim eles não podem ser submetidos a uma reação continua com o fundido. O liquido e solido continua a seguir 
liquidus
 e 
solidus
 em direç
ã
o a 
albita
 no 
final do sistema. Obtêm-se um lí
quido final diferente e tamb
é
m um mineral diferente. 
Fusão em Equil
í
brio
: 
 
- 
Esquentando An
60
 o primeiro l
í
quido aparece em g com An
20 
e 
1340
o
C
.
-
 Continua-se esquentando: ambos, l
í
quido e 
plag
 
mudam
 a comp
osição 
 X
-
 O 
ú
ltimo 
plag
ioclásio
 no fundido é c (An
87
) a 
1475
o
C
. 
(OBS – Fusão Fracionada – quando se tira liquido do sistema)
.
Notar a diferença entre os dois tipos de campos 
Olivina
: 
Fo - 
Fa
 (Mg
2
SiO
4
 - Fe
2
SiO
4
); 
A OLIVINA também apresenta uma série de solução sólida 
Exemplo: 
Uma fusão de composição 
a
 
(Fo
56
), por exemplo
,
 irá produzir primeiro um sólido 
c
(
Fo
84
)
 
em aproximados 
1700°C
 e se cristalizará completamente em 
1480°C
 quando o líquido final (ponto 
d, 
Fo
23
) é consumido. O comportamento da 
Olivina
 é inteiramente análogo para o plagioclásio.
Os campos externos (
L
iquid
 e 
Plagioclase
) são campos de uma fase:
 
Qualquer ponto nesses campos representam
 a composição verdadeira da fase
.
 
O campo interno (
Plagioclase
, 
plus
, 
Liquid
) é um campo de duas fases: 
Qualquer ponto neste campo representa uma composição composta de duas 
 
fases e o comprimento do campo azul escuro 
são conectados
 por uma 
tie-line
 horizontal. 
Sistema Eutético com 2 Componentes: Diopsídio-Anortita
 
Sistema Diopsidio - Anortita (Não ocorre solução sólida) Resfriando o líquido com composição a: Composição total = An70 
 
Resfriando a 
1455
o
C
 
(ponto b). Forma 
anortita
 pura em c.
F=C – Ø + 2; F= 2 – 2 +1 = 1. Composição de todas as fases determinada por T.
Continua-se resfriando com a 
X
liq
 variando ao longo do 
liquidus
. 
Reação Contínua:
 
liq
a
 
 
anortita
 + 
liq
b
. 
Menos l
í
quido e mais 
anortita
 no processo de resfriamento 
 
Reação d
e
scontinua: elas ocorrem em uma 
ú
nica 
T.
 
d
 entre 
g
 e 
h
 a reação deve ser: 
Diops
í
d
i
o
 + 
An
 = 
liq
. 
Abaixo de 
1274
o
C
 
tem-se 
diops
í
dio
 + 
An
. 
e
 F= 2 - 2+1 = 1. 
A 
ú
nica vari
á
vel neste caso é T (desde que a composiç
ã
o de ambos os s
ó
lidos sejam fixadas). 
Primeira fase perdida é o liquido. 
A 
1274
o
C
 f = 3 logo F = 2 - 3 + 1 = 0 invariante 
(P)
,
 T e a composição de todas as fases 
é fixada
.
Deve-se permanecer a 
1274
o
C
 quando uma Reação D
e
scontinua se procede até que uma fase é perdida (desaparece). 
 
Notar o seguinte:
1. 
O fundido cristaliza dentro de uma faixa de 
T~
280
o
C
2. 
Forma-se uma sequência de minerais neste intervalo 
e o nú
mero de minerais aumenta quando 
T
 diminui
3. 
Os minerais que cristalizam dependem de T e a sequência muda com a composição total
.
No lado esquerdo do gráfico ocorre situação 
similar 
:
- 
Continua-se resfriando: reação continua com F = 1
- 
Resfriando An
20
 
1350
o
C
 (
e
) 
diopsidio
 forma-se primeiro em 
f
 
- 
A 
1274
o
C
 
anortita
 (
h
) junta-se ao 
diopsidio
 (
g
) + liquido (
d
)
- 
Fixa-se a 
1274
o
C
 até que o liquido é consumido por reação d
e
scontinua:
 
 
 
l
í
quid
o
 
diopsid
io
 + 
anortit
a
 
Diopsidio forma-se antes do Plagioclásio
Estes minerais formam-se do lado esquerdo do eutético 
Plagioclásio forma-se antes do Diopsidio (Textura Ofitica) 
Estes minerais formam-se do lado direito do eutético 
 
Notar também: 
- 
O 
ú
ltimo fundido a cristalizar em qualquer mistura bin
ária 
eutética
 tem composição 
eutética
.
- 
Fusão em 
equilibrio
 é o oposto de cristalizaç
ão em equilí
brio 
- 
Então o primeiro fundido de qualquer mistura Di e 
An
 
deve ter a mesma composição do 
eutético
.
 
Cristalização Fracionada
:
 
- 
Desde que os s
ó
lidos não são reagentes através de reações continuas do tipo 
eutético
, o 
caminho
 do liquido não muda 
- 
Somente a rocha final difere: = 
eutectic
 X, e não 
bulk
 X 
 
Fusão Parcial 
 Se o liquido for removido perfeitamente logo que ele se forma:
 Fundido Di + 
An
 a 
1274
o
C
 
: 
-
 Reação 
d
e
scontinua :
 Di + 
An
 
 liquido 
eutetico
 d
-
 
Consome-se
 ambos Di 
ou
 
An
 primeiro 
dependendo 
d
a composição total (
bulk
 X)
-
 
Logo 
fundindo-se
 o solido deverá se formar pura Di ou 
An
 dependendo da composição (lado direito ou esquerdo)
.
 
Sistema Binário Peritético: Enstatita = Forsterita + SiO2 
Diagrama de fase isobárico T-X a pressão atmosférica
 
Fo-Silica
 em 0.1 
MPa
. 
 
Fo-Silica
 a 0.1 
MPa
. 
Composição total resfriada (42% 
SiO
2
)
Em a: F = 2 – 1+ 1 = 2
Resfriando a 1625
°
C 
cristobalitaforma-se em b: 
F = 2 – 2 + 1 = 1
Diagrama de fase isobárico T-X a pressão atmosférica 
Fo-Silica
 a 0.1 
MPa
. 
Composição total resfriada
 
(13% 
SiO
2
). 
A 
1800°C
 forma-se 
olivina
 (Fo): 
F = 2 – 2 +1 = 1
 
(
univariante
)
A 
1557°C
 forma-se 
Opx
 (
En
)
:
F = 2 – 2 + 1 (invariante)
Diagrama de fase isobárico T-X a pressão atmosférica 
Fo-Silica
 em 0.1 
MPa
. 
Abaixando a temperatura composição do liquido segue o caminho até 
c
 que é o 
eutético
 
A 1543
°
C Cr
o
st
a
 forma-se em 
d
: 
F = 2 - 3 + 1 = 0 (invariante).
Nesse ponto ocorre reaç
ã
o descontinua: 
Liq
 
= 
En
 + Cr
i
st
. Fixa-se nessa temperatura até que todo o liquido seja consumido. 
Então 
t
ê
m-se
 
En
 + Cr
i
st
.
F = 2 – 2 + 1 =1
 (
univariante
)
A 1470
°
C consegue-se transformaç
ã
o polimorfa Cr
i
st = 
Trid
 
 
Fusão Incongruente: Enstatita 
Ocorre quando uma fase sólida funde para formar um líquido e uma outra fase sólida, que não tem a mesma composição da fase original.
Nesses gráficos enstatita é um composto intermediário que funde incongruentemente. Indo da esquerda para direita nesses gráficos tem-se: Fo sozinha, Fo+En, En sozinha, En + Crist. e Crist. sozinha. 
 
Isoplet é uma linha vertical nesses gráficos. Ela tem a mesma composição, mas com temperaturas variáveis.
Líquido Imiscíveis
Resfriando X = n
A 
1960
o
C
 atinge o 
solvus
 
exsolução
 2 
liquidos
 
o
 e 
p
Ø
 = 2
;
 F = 1
Ambos os 
liquidos
 seguem o 
solvus
 
A 
1695
o
C
 
cristobalita
 també
m se forma 
Efeitos da Pressão
As fases têm diferentes compressibilidades 
Então 
o formato dos gráficos mudam
 com a mudança de 
P
 
(
press
Alcança o ponto de fusão 
Desloca a posição do 
eut
é
tico
 (e assim a composição do primeiro fundido, etc.)
Sistema Fo-SiO2 com pressão atmosférica (0,1MPa) e com pressão de 1.2 GPa. 
Solução Sólida com Eutético: Ab-Or (Os Alkali - Feldspatos) 
Liquidus
 
E
ut
é
tico
 
Mí
nimo
Composição de resfriamento
 
i
:
- 
Primeiro sólido
 
em
 
j
: 
1020
o
C
- Ú
ltimo liquido
 
em
 
k
: 
970
o
C
- 
Agora líquido produz 
 
mais 
Or
- 
Não alcança o 
eutético
 
- Sólido final = X
i
 
- 
Tamb
é
m inter
c
epta 
solvus
 
 
exsolução
 
(
antipertita
)
- Cristalização Fracionada
 
 
l
í
quido ap
r
oxima-se do 
eutético
.
- 
Fusão
 
Par
c
ial 
 lí
quido mais perto da comp
osição
 do
 
eutético
 que fonte 
do só
lido
.
 
 
 
Composição de resfriamento 
a
:
- 
Primeiro sólido em 
b
: 
1090
o
C
- 
Ú
ltimo liquido em 
e
: 
1000
o
C
- 
Não alcança o p
on
t
o
 
eutético
 
- 
Só
lido final = 
d
 
- A
 
780
o
C
 inter
c
epta o 
solvus
 
 
2 fases sólidas: 
exsolução
 
(
pertita
)
- 
Ø
 = 2 então F = 1
- 
Composição sólido =
 f(T)
- 
Par de mineral - 
geotermometria
 
Diagrama de fase T-X do sistema albita-ortoclásio a 0.2 GPa de pressão de H2O. 
Efeitos da pressão de PH2O sobre Ab-Or
Sistema Albita-Kfeldspato a varias pressões de H2O (a) e (b) 
Aumento PH2O progressivamente mais baixo pt fusão (liquidus) com pouco efeito no solvus 
A 500 MPa (cerca de 15 km prof.) o solidus intercepta o solvus, e solução sólida torna-se limitada 
O principio básico: Quantidade de líquido /Quantidade de sólido = ef /de 
Onde; d = composição liquido, f = composição sólido e e = composição total 
i
 = ponto “
perit
é
tico
” 
1557
o
C
 tem colinear 
Fo-En-liq
 
- G
eometria indica uma reação: Fo + 
liq
 = 
En
- 
Consome-se 
olivin
a
 (e liquido) 
 texturas de corrosão
.
 
Quando é que a re
a
ção termina? 
Ela termina quando todo o liquido é consumido
.
 
 Bulk X
 
Começ
a
mos com comp. total mostrada a alta T:
 
 
F = 2
- 
olivina
 forma
-se
 em 
y
 a 
1590
o
C
 
 
liq
 = 
x 
 F = 1 
- 
1557
o
C
 
En
 junta-se a 
Fo 
e 
liq
 
 
 C
 = 3 F = 0 
Novamente reação 
descontínua :
 Fo + 
liq
 = 
En
 
- Nesta etapa 
olivin
a
 é consumida antes do liquido 
Olivina
 aparece e desaparece 
- 
X
liq
 segue o 
liquidus
 
 c
- Abaixo de m:
 
En
 + 
liq
 
 C= 2
 
F = 1
- 
A 
1543
o
C
 aparece 
En
 + 
Cristobalita
+ 
liq
Eut
é
tico
 
invariante
 
liq
 
 En + 
Crst
 
Fusão incongruente da 
Enstatita
 
- 
Fusão da 
En
 não se faz 
 fundido da mesma composição 
- 
Principalmente 
En
 
 
Fo
 
+
 
Liq
 
i
 
no mesmo 
peritético
 
Fusão parcial de
 
Fo + 
En
 (
harzburgito
) 
mantélicos
 
- 
En
 + Fo também 
 primeiro 
liq
 = 
i
 
- Remove-se 
i
 
 
e
 
 
resfria-se