UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA TEMA: Diagramas de Estabilidad Mineral

Diagramas de estabilidad mineral

DIAGRAMA DE FASES Se denomina diagrama de fase a la representación gráfica de las fronteras entre diferentes estados de la materia de un sistema, en función de variables elegidas para facilitar el estudio del mismo Ej.:

A.-DIAGRAMA DE FASE DE UNA SUSTANCIA PURA Los diagramas de fase más sencillos son los de presión- temperatura de una sustancia pura, como puede ser el del agua. En el eje de ordenadas se coloca la presión y en el de abscisas la temperatura. Generalmente, para una presión y temperatura dadas

En esta fase encontramos: Punto triple; En este punto del diagrama coexisten los estados Los pares (presión, temperatura): Que corresponden a una transición de fase como : Dos fases sólidas: Cambio alotrópico; Entre una fase sólida y una fase líquida: fusión - solidificación; Entre una fase sólida y una fase vapor (gas): sublimación - deposición (o sublimación inversa); Entre una fase líquida y una fase vapor: vaporización - condensación (o licuefacción).

B.-Diagrama de fase binario Cuando aparecen varias sustancias, la representación de los cambios de fase puede ser más compleja. Un caso particular, el más sencillo, corresponde a los diagramas de fase binarios. Ahora las variables a tener en cuenta son la temperatura y la concentración, normalmente en masa. En un diagrama binario pueden aparecer las siguientes regiones: Sólido puro o disolución sólida Mezcla de disoluciones sólidas (eutéctica, eutectoide, peritéctica, peritectoide) Mezcla sólido - líquido Únicamente líquido, ya sea mezcla de líquidos inmiscibles (emulsión) Mezcla líquido - gas Gas (lo consideraremos siempre homogéneo, trabajando con pocas variaciones da altitud).

El diagrama de fases del agua La riqueza del diagrama de fases del agua (capaz de presentar trece estructuras cristalinas diferentes) descansa en las sutilezas de las fuerzas existentes entre sus moléculas. El diagrama de fase presentado por el agua es la de una sustancia pura. El agua existe en tres estados: sólido, líquido y gaseoso.

A continuación se presenta el diagrama de fases para el agua: Componentes: el menor número de variables individuales independientes (vapor, líquido o sólido) por medio de los cuales la composición del sistema puede expresarse cuantitativamente. Punto de fusión congruente: la temperatura a la cual un sólido cambia a un líquido a la presión especificada, en la cual la fase líquida tiene la misma composición que la fase sólida. Punto de fusión incongruente: la temperatura a la cual una fase sólida cambia a una segunda fase sólida

Punto triple; En este punto del diagrama coexisten los estados La línea de puntos; muestra el comportamiento anómalo del agua La línea verde; marca el punto de congelación La línea azul; el punto de ebullición. Se muestra cómo varían con la presión Donde puede observarse que a altas presiones el hielo modifica su distribución molecular como sólido, dando origen a diferentes fases, con diferentes densidades. También se da origen a múltiples puntos triples.

ESTABILIDAD, ENERGIA DE ACTIVACION Y EQUILIBRIO Los minerales son estables dentro de una gama de variables físicas y químicas. Sobrepasadas estos límites se transforman en otros minerales (o se funden o disuelven) Las principales variables de las que depende la estabilidad de un mineral son: La Temperatura Modifica las redes cristalinas. Llega a fundirlos si es muy elevada. Facilita las reacciones químicas con compuestos próximos y la difusión de iones en las redes cristalinas. La Presión Modifica la red cristalina haciendo minerales más densos. Recristaliza algunos minerales. El Ambiente Químico Los compuestos que rodean a los minerales y con los que pueden reaccionar.

TEMPERATURA Provee la energía para las reacciones químicas, es el principal agente del metamorfismo. El aumento de la temperatura es producido por: Gradiente Geotérmico (30ºC/Km.), Intrusiones ígneas, Desintegración radioactiva (flujo de calor), Fricción tectónica, Convecciones del manto. Consecuencias del aumento de la temperatura: Mayor energía de activación para la recristalización de los minerales. Al aumentar la temperatura la difusión de los iones es más eficiente. Los minerales que contiene componentes volátiles (H2O, CO2) son menos estables y se produce la pérdida de estos componentes, por lo que los minerales recristalizados son menos ricos en volátiles. Al aumentar la temperatura el material rocoso adquiere un comportamiento viscoplástico que produce cambios en la textura de las rocas y deformación por la acción de esfuerzos dirigidos.

PRESION Consecuencias del aumento de la presión: El aumento de la presión es producido por: Fuerzas no direccionales: Presión hidrostática (columna de agua) o presión uniforme, produce cambios en el volumen del material. Presión litostática (presión de confinamiento >275 Kbar/Km. Presión de poros (fluidos). Local, por salida de fluidos. Fuerzas direccionales: Presión dirigida o presión de cizalla, produce cambios en la forma del material. Consecuencias del aumento de la presión: Al aumentar la presión, los minerales presentes en las rocas están sujetos a esfuerzos que tienden a comprimirlos, como consecuencia ocurre la recristalización en estructuras atómicas más compactas o más empacadas y de mayor densidad en comparación al mineral original. Por efecto de la presión los minerales de las rocas son comprimidos. La mayor evidencia del efecto de la presión durante el metamorfismo son los minerales orientados.

ACTIVIDAD QUIMICA DE FLUIDOS La acción de los fluidos químicos activos es el factor más importante del metamorfismo, aunque estos no añaden ni sustraen materia, catalizan las reacciones químicas. Solo volátiles como H2O y CO2 pueden ser excluidos del sistema y estos son agentes activos durante los cambios producidos por el metamorfismo. Cuando ocurre adición o sustracción de material el proceso es metasomatismo. Durante el metasomatismo, a diferencia del metamorfismo (Isoquímico), ocurren cambios en la composición química, pero el volumen molar se mantiene. El Metasomatismo es isovolumétrico.

Procedimiento para Construir un Diagrama de Estabilidad Mineral Determinar los minerales presentes y definir los componentes químicos necesarios para definir esas fases. Escribir los componentes en términos de un átomo individual del elemento de interés. Escoger algún elemento entre los varios minerales. Plotear las composiciones de los minerales en los diagramas de composición. Trazar las líneas de unión entre las composiciones de minerales que se observó juntas. Construir los límites de equilibrio con líneas perpendiculares a las líneas de unión de composición; los límites de fases perpendiculares líneas de unión que encierran áreas en el diagrama de composición se intersectarán mutuamente en esa área. Un área limitada por un conjunto de al menos tres de los límites de fases “perpendiculares” corresponden al campo de estabilidad de la composición sólida incluida en esa área.

ENERGIA DE ACTIVACION DE MINERALES La energía de activación suele utilizarse para denominar la energía mínima necesaria para que se produzca una reacción química dada. Para que ocurra una reacción entre dos moléculas, éstas deben colisionar en la orientación correcta y poseer una cantidad de energía mínima. La relación entre la energía de activación (Ea) y el incremento de la entalpía de formación (ΔHºf) con y sin catalizador. El punto de mayor energía representa el estado de transición. Con un catalizado, la energía requerida para que la reacción entre en el estado de transición disminuye, por lo tanto, la energía necesaria para iniciar la energía también disminuye.

Los sistemas naturales tienden a estados EQUILIBRIO Un sistema está en equilibrio termodinámico cuando no se observa ningún cambio en sus propiedades termodinámicas a lo largo del tiempo. Este estado tiene dos atributos: Un sistema en equilibrio ninguna de sus propiedades cambian con el tiempo. Un sistema en equilibrio retornará a ese estado después de haber sido perturbado por cualquier sistema que tenga gradientes de temperatura, presión o composición, tenderá a cambiar hasta eliminar esos gradientes. Equilibrio estable Nivel de energía más bajo. Reúne atributos de equilibrio. P. ej. grafito. Equilibrio metaestable Reúne los atributos de equilibrio, pero no tiene el nivel energético más bajo. Sólo si se supera la barrera de energía (energía de activación) se accederá al estado estable. P. ej. Diamante en la superficie de la tierra Sistema inestable Reúne primer atributo de equilibrio, pero no el segundo. No reúne ninguno de los atributos . Los sistemas naturales tienden a estados de mínima energía.

COMPONENTES

Los diagramas de estabilidad mineral, o de fases, que nos interesan en el campo de la Mineralogía son aquellos en que todas las fases están en estado sólido. Componentes son el número mínimo de entidades químicas necesarias para definir las composiciones de todas las fases de un sistema.

En función del número de componentes podemos distinguir: Diagramas de un componente Los diagramas de un único componente representan los campos de estabilidad en función de P y T de las fases polimórficas de un determinado compuesto.

Grafito: C Sistema :     Hexagonal

Otro diagrama monocomponente muy utilizado: Sílice (SiO2)

Diagramas de dos componentes En este tipo de diagramas se representa normalmente en el eje de abscisas la composición del sistema y en ordenadas la temperatura. Solución sólida completa entre dos miembros extremos: Las fases minerales puras se denominan A y B  y presentan una temperatura de fusión TA y TB respectivamente.

Plagioclasa Tomemos como ejemplo el sistema Albita-Anortita, que describe el comportamiento de las plagioclasas en procesos de cristalización magmática.

Subclase: Tectosilicatos NaAlSi3O8 Clase:               Silicatos Subclase:        Tectosilicatos Sistema :     Triclínico Anortita: CaAl2Si2O8

Serie del olivino entre forstarita y fayalita, Sistema Forsterita-Fayalita, que describe el comportamiento del olivino en procesos de cristalización magmática. El olivino forma una solución sólida completa con sustitución isovalente, es decir, una aleación natural en la cual el Mg y el Fe bivalentes.

Fayalita Clase: Silicatos Forsterita Mg2SiO4 Subclase: Nesosilicatos Olivino (Mg,Fe)2SiO4 Clase:             Silicatos Subclase:     Nesosilicatos Forsterita Mg2SiO4 Sistema :     Ortorrómbico Fayalita        Fe2SiO4

Solución sólida parcial con hueco de miscibilidad: en muchos casos la solución sólida no es completa a determinadas temperaturas existen huecos de miscibilidad como sucede en la serie de las plagioclasas. Ausencia de solución sólida entre diversas especies minerales: las fases minerales A y B son sustancias puras y no hay entre ellas solución sólida.

Subclase: Tectosilicatos Albita: NaAlSi3O8 - 25x20 cm Microclina: KAlSi3O8 - variedad Amazonita, 6x5 cm Clase:               Silicatos Subclase:        Tectosilicatos Sistema :     Triclínico Sanidina: (K,Na)AlSi3O8 - 3.5 cm Sistema :     Monoclínico Ortoclasa:KAlSi3O8 Sistema :     Monoclínico

Diagramas de tres o más componentes La mayoría de las rocas están formadas por más de dos componentes químicos lo que hace necesario utilizar otra serie de diagramas de estabilidad mineral.

Ankerita: Ca(Fe2+,Mg,Mn)(CO3)2 - 10x15 cm Calcita: CaCO3 Sistema :  Hexagonal Clase:  Carbonatos Magnesita: MgCO3 - 20x18 cm Sistema :  Hexagonal Dolomita CaMg(CO3)2 Ankerita: Ca(Fe2+,Mg,Mn)(CO3)2 - 10x15 cm Sistema : Trigonal Sistema :    Trigonal