Phasengleichgewichte und Schmelzen

Phasendiagramme beschreiben, wie Minerale und Schmelze als Funktionen von Temperatur, Druck und Zusammensetzung koexistieren, und liefern den quantitativen Rahmen für Schmelzen und Kristallisation.

Definition

Die Untersuchung der Gleichgewichtsbeziehungen zwischen Mineralen und Silikatschmelze als Funktionen von Temperatur, Druck und Zusammensetzung, die zur Vorhersage von Schmelz- und Kristallisationspfaden verwendet wird.

Scope

Dieses Thema behandelt die Gibbs'sche Phasenregel, binäre und ternäre Phasendiagramme mit eutektischem, peritektischem und Mischkristallverhalten, den Kontrast zwischen Gleichgewichts- und fraktionierter Kristallisation und Schmelze sowie die Auswirkungen von Druck und flüchtigen Bestandteilen auf das Schmelzen. Es bildet die experimentelle Grundlage, die die Thermodynamik mit der Petrologie magmatischer Gesteine verbindet.

Core questions

• Wie beschränkt die Gibbs'sche Phasenregel die Anzahl der koexistierenden Phasen?
• Wie werden eutektische und peritektische Beziehungen aus binären Phasendiagrammen abgelesen?
• Wie unterscheiden sich Gleichgewichts- und fraktionierte Kristallisationspfade?
• Wie verschieben Druck und Wassergehalt die Schmelztemperaturen?

Key theories

Gibbs'sche Phasenregel

Die Beziehung F = C - P + 2 verknüpft die Anzahl der Freiheitsgrade mit den Komponenten und koexistierenden Phasen und bestimmt, wie viele Phasen koexistieren können und wie invariante, univariante und divariante Gleichgewichte in Phasendiagrammen erscheinen.

Experimentelle Phasengleichgewichte von Silikatsystemen

Die Laborbestimmung von Schmelzbeziehungen in Systemen wie Forsterit-Diopsid-Siliziumdioxid und dem Plagioklas-Binärsystem, die von Bowen initiiert wurde, etablierte eutektisches und peritektisches Verhalten und quantifizierte die Kristallisationssequenzen natürlicher Magmen.

Clinical relevance

Phasengleichgewichte ermöglichen es Petrologinnen und Petrologen, Kristallisationsabfolgen vorherzusagen, Magmatemperaturen und -tiefen abzuschätzen, partielles Schmelzen im Mantel zu modellieren und die in magmatischen Gesteinen erhaltenen Mineralparagenesen und Zonierungen zu interpretieren.

History

Gibbs' Phasenregel lieferte die Theorie in den 1870er Jahren; das Geophysikalische Labor unter Bowen und Kollegen bestimmte die Schmelzbeziehungen von Silikatsystemen experimentell im frühen zwanzigsten Jahrhundert, und Morses Lehrbuch kodifizierte später deren quantitative Anwendung in der magmatischen Petrologie.

Key figures

• Norman L. Bowen
• J. Willard Gibbs
• S. A. Morse

Seminal works

• bowen1928
• morse1980
• winter2013

Frequently asked questions

Was ist ein Eutektikum?

Die Zusammensetzung und Temperatur, bei der eine Flüssigkeit zwei oder mehr Minerale gleichzeitig kristallisiert, der niedrigste Schmelzpunkt in einem System; viele Magmen nähern sich beim Kristallisieren eutektischen Zusammensetzungen an.

Warum senkt die Zugabe von Wasser die Schmelztemperatur von Gestein?

Gelöstes Wasser stört die Silikatschmelzstruktur und stabilisiert die Flüssigkeit, wodurch der Solidus gesenkt wird, sodass wasserhaltige Gesteine bei deutlich niedrigeren Temperaturen zu schmelzen beginnen als trockene.