Chapitre 4: diagrammes de phase binaires

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1 Chapitre 4: diagrammes de phase binaires
Pétrologie générale Chapitre 4: diagrammes de phase binaires

2 Diagrammes de phase binaires
Systèmes avec solution solide: Ab-An Systèmes eutectiques: Di-An

3 2 - C Systems 1. Plagioclase (Ab-An, NaAlSi3O8 - CaAl2Si2O8)
Solution Solide Complète 1. Plagioclase (Ab-An, NaAlSi3O8 - CaAl2Si2O8) Fig Isobaric T-X phase diagram at atmospheric pressure. After Bowen (1913) Amer. J. Sci., 35, D’après cours en ligne de Winter

4 a = An60 = 60 g An + 40 g Ab XAn = 60/(60+40) = 0.60
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5 = situation divariante
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 f, 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

6 Refroidissement à1475oC (point b) .
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7 Refroidissement à1475oC (point b) .
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8 Une seule variable doit être spécifiée: T (P cte)
F = = 1 (“univariant”) Une seule variable doit être spécifiée: T X An liq Ab plag (P cte) et dépendent deT X An liq plag D’après cours en ligne de Winter

9 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

10 Principe du levier: = D Quantité de liquide Quantité de solide
ef = Quantité de solide de d = composition du liquide, f = composition du solide e = bulk composition d e f D liquidus de ef solidus D’après cours en ligne de Winter

11 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

12 Le dernier plagioclase est i quand = 0.60 f = 1 et F = 2 - 1 + 1 = 2
X An plag Le dernier plagioclase est i quand = 0.60 f = 1 et F = = 2 D’après cours en ligne de Winter

13 Le liquide cristallise sur un interval T de 135oC *
Note : Le liquide cristallise sur un interval T de 135oC * La composition du liquide change de b à g La composition du solide change de c à h (An/Ab)plag > (An/Ab)liq * La temperature et l’interval dépendent de la composition globale D’après cours en ligne de Winter

14 On chauffe An60 et le premier liquide est g à An20 et 1340oC
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

15 Solutions solides: cristaux zonés
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

16 Cristallisation à l’équilibre:
Avec une diminution de la température la composition du liquide et des minéraux devient plus albitiques Composition finale du solide = Composition initiale du liquide Plagioclase (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 zonés Diffusion (Mg⇆Fe) plus rapide

17 Système Olivine Fo - Fa (Mg2SiO4 - Fe2SiO4) Mg/(Mg+Fe)solide >
Fig Isobaric T-X phase diagram at atmospheric pressure After Bowen and Shairer (1932), Amer. J. Sci. 5th Ser., 24, Mg/(Mg+Fe)solide > Mg/(Mg+Fe)liquide D’après cours en ligne de Winter

18 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

19 Les premiers liquides sont soustraits lors de leur formation
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

20 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 Plagioclase Liquid plus D’après cours en ligne de Winter

21 Effet de la pression: Augmentation de la pression anhydre augmente la température du solidus dG = VdP - SdT à T constante: dG/dP = V 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. Augmentation de la pression en présence d’eau abaisse le solidus D’après cours en ligne de Winter

22 Diagrammes de phase binaires
Systèmes avec solution solide: Ab-An Systèmes eutectiques: Di-An

23 Systèmes Eutectiques Example: Diopside (CaMgSi2O6) – Anorthite (CaAlSi2O8) Sans solution solide Fig Isobaric T-X phase diagram at atmospheric pressure. After Bowen (1915), Amer. J. Sci. 40, D’après cours en ligne de Winter

24 F = 2 - 1 + 1 = 2 Cristallisation à l’équilibre Composition a: An70
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25 1455oC (point b) F = = 1 D’après cours en ligne de Winter

26 Refroidissement continu: Xliq descend le long du liquidus
Reaction continuoue: liqA ® anorthite + liqB D’après cours en ligne de Winter

27 1274oC f = 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

28 A gauche de l’eutectique: situation similaire
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29 Cristallisation sur un interval T de~280oC
-Une séquence de mineraux cristallise sur cet interval Les minéraux qui cristallisent dependent de T - La séquence change avec la composition D’après cours en ligne de Winter

30 Le pyroxène crystalise avant le plagioclase
Stillwater complex, Montana. Field D’après cours en ligne de Winter

31 Le Plagioclase crystalise avant le pyroxène
Texture Ophitique Dike de diabase D’après cours en ligne de Winter

32 Les premiers liquides sont de composition eutectique
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

33 Cristallisation fractionée:
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 Fig Isobaric T-X phase diagram at atmospheric pressure. After Bowen (1915), Amer. J. Sci. 40, D’après cours en ligne de Winter

34 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

35 Sytème binaire eutectique
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

36 Solution solide avec Eutectique: Ab (NaAlSi3O8) -Or KAlSi3O8) (feldspaths alcalins)
Figure 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

37 780°C: Intersection du solvus
Composition a Premier solide à b: 1090oC Dernier liquide à e: 1000oC Le point eutectique n’est pas atteint Solide final = d 780°C: Intersection du solvus -> exsolution (perthite) D’après cours en ligne de Winter

38 Intersection du solvus
Composition i Premier solide à j: 1020oC Dernier liquide à k: 970oC Le point eutectique n’est pas atteint Solide finale = Xi Intersection du solvus -> exsolution (antiperthite) Cristallisation Fractionée-> liquide approche l’eutectique D’après cours en ligne de Winter

39 Effet de PH2O sur Ab-Or Système hypersolvus Système subsolvus
Figure 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.

40 Perthites et antiperthites
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