I sistemi binari sono dei diagrammi che spiegano il processo di cristallizzazione e/o fusione di un magma costituito da 2 componenti chimici

SISTEMA BINARIO CON 1 EUTETTICO Diopside (MgCaSi2O6) Anortite (CaAl2Si2O8)

Diopside (MgCaSi2O6) = Pirosseno Inosilicato a catena singola Si+4 O-2 Mg+2 Ca+2

O-2 Ca+2 Si+4 Al+3 Plagioclasio (Na,Ca)(Si,Al)4O8 = Soluzione solida di 2 componenti Albite (NaAlSi3O8) e Anortite (CaAl2Si2O8) Sostituzione di Na+Si+4 con Ca+2Al+3 Tettosilicato con struttura tridimensionale di tetraedri O-2 Ca+2 Si+4 Al+3

L = posizione nel diagramma; C = concentrazione del fuso; E = eutettico binario Fuso + Di

REGOLA delle FASI -> V = C – F + n FASE (F) = Parte di un sistema che ha diverso stato fisico e chimico (n° solidi, n° liquidi o n° gas). COMPONENTE (C) = la sostanza chimica più semplice del sistema (ad esempio Nefelina + 2Quarzo -> Albite ovvero NaAlSiO4 + 2SiO2 -> NaAlSi3O8; solo Nefelina e Quarzo sono sostanze semplici). NUMERO DI VARIABILI INDIPENDENTI (N) = le condizioni di pressione e temperatura del magma (variabili intensive). VARIANZA = grado di libertà del sistema ovvero numero di variabili indipendenti che possono mutare il loro valore senza che avvengano cambiamenti di fase.

la temperatura diminuisce, la composizione del liquido non cambia C = 2 (An + Di) F = 1 (un liquido) N = 1 (temperatura) V = 2 – 1 + 1 = 2 SISTEMA BIVARIANTE la temperatura diminuisce, la composizione del liquido non cambia

F = 2 (un liquido + un solido) N = 1 (temperatura) V = 2 – 2 + 1 = 1 C = 2 (An + Di) F = 2 (un liquido + un solido) N = 1 (temperatura) V = 2 – 2 + 1 = 1 SISTEMA MONOVARIANTE la temperatura diminuisce, la composizione del liquido cambia

F = 2 (un liquido + un solido) N = 1 (temperatura) V = 2 – 2 + 1 = 1 C = 2 (An + Di) F = 2 (un liquido + un solido) N = 1 (temperatura) V = 2 – 2 + 1 = 1 SISTEMA MONOVARIANTE la temperatura diminuisce, la composizione del liquido cambia

F = 2 (un liquido + un solido) N = 1 (temperatura) V = 2 – 2 + 1 = 1 C = 2 (An + Di) F = 2 (un liquido + un solido) N = 1 (temperatura) V = 2 – 2 + 1 = 1 SISTEMA MONOVARIANTE la temperatura diminuisce, la composizione del liquido cambia

F = 3 (un liquido + due solidi) N = 1 (temperatura) V = 2 – 3 + 1 = 0 C = 2 (An + Di) F = 3 (un liquido + due solidi) N = 1 (temperatura) V = 2 – 3 + 1 = 0 SISTEMA ZEROVARIANTE la temperatura non cambia, la composizione del liquido non cambia

la temperatura diminuisce, la composizione del solido non cambia C = 2 (An + Di) F = 2 (due solidi) N = 1 (temperatura) V = 2 – 2 + 1 = 1 SISTEMA BIVARIANTE la temperatura diminuisce, la composizione del solido non cambia

REGOLA della LEVA - Permette di eseguire una trattazione quantitativa dei processi. - Si può conoscere la percentuale del fuso residuo e del solido cristallizzato alle varie temperature.

M1 = (wt.% elemento1) / (wt.% elemento1 + elemento2) M1 + M2 = 1 quindi M1 = 1- M2 In condizioni di equilibrio M1 * a = M2 * b che corrisponde (1 – M2) * a = M2 *b ovvero M2 = a / (a+b)

SISTEMA BINARIO CON 2 EUTETTICI Nefelina + 2Quarzo -> Albite NaAlSiO4 + 2SiO2 -> NaAlSi3O8

con struttura tridimensionale di tetraedri Nefelina (Na, K)AlSiO4 = Feldspatoide Tettosilicato con struttura tridimensionale di tetraedri K+ O2- Na+ Si4+ Al3+

Si+4 O-2 Al+3 Na+ Plagioclasio (Na,Ca)(Si,Al)4O8 = Soluzione solida di 2 componenti Albite (NaAlSi3O8) e Anortite (CaAl2Si2O8) Sostituzione di Na+Si+4 con Ca+2Al+3 Tettosilicato con struttura tridimensionale di tetraedri Na+

con struttura tridimensionale di tetraedri Quarzo (SiO2) = Tettosilicato con struttura tridimensionale di tetraedri

FUSIONE ALL’EQUILIBRIO

CE, C1, C0 sono le composizioni del magma prodotto dalla fusione di una roccia la cui composizione iniziale corrisponde al cerchio giallo.

Il primo liquido ha SEMPRE la composizione eutettica CE Tutti i sistemi iniziano a fondere alla temperatura TE del loro minimo termico: l’EUTETTICO Il primo liquido ha SEMPRE la composizione eutettica CE La fusione termina quando il liquido raggiunge la composizione del solido iniziale C0 (fusione del 100% della roccia di partenza) ATTENZIONE: In natura non avviene mai la fusione totale di un protolito (roccia di partenza). Le percentuali di fusione massima sono ~40%. In genere non superano il 10-15%.

FUSIONE dei minerali Il quarzo (SiO2) e l’olivina (Mg, Fe)2SiO4 sono minerali caratterizzati da FUSIONE CONGRUENTE La composizione del fuso è “congruente” [= uguale] alla composizione del solido

(tetraedri isolati connessi da cationi) Mg2+ Fe2+ Olivina (Mg,Fe)2SiO4 = Nesosilicato (tetraedri isolati connessi da cationi)

FUSIONE dei minerali L’enstatite (Mg2Si2O6) fonde producendo un fuso a composizione diversa da quella del solido: FUSIONE INCONGRUENTE La composizione del fuso è “incongruente” [= diversa] dalla composizione del solido.

Enstatite Mg2Si2O6 Si4+ O2- = Pirosseno Mg2+ Inosilicato Lezione4 – I sistemi binari Enstatite Mg2Si2O6 = Pirosseno Inosilicato a catena singola Si4+ O2- Mg2+ Corso di Laurea in Scienze Ambientali/Scienze Naturali

SISTEMA BINARIO CON PERITETTICO MgSiO3 = Mg2SiO4 + SiO2 En = Fo (olivina di Mg) + Qtz

A temperature superiori a P, cristallizza sul liquidus olivina. A temperature inferiori a P, cristallizza sul liquidus enstatite. P si dice PERITETTICO ed è un punto ZEROVARIANTE (V = 0) in cui ci sono 2 componenti semplici (Fo e Qzt; i componenti intermedi come En NON contano), 1 variabile indipendente (temperatura), 3 fasi (Fo, En e Qzt). Magmi con composizioni a sinistra di P si trasformano in rocce (il fuso scompare completamente) quando raggiungono la temperatura di peritettico. Tuttavia P NON è un punto di minimo termico (che è ESCLUSIVAMENTE l’eutettico E) V = 2-3+1=0

Nella cristallizzazione all’equilibrio, il fuso di composizione A cristallizza Fo sul liquidus. Il punto A si trova a sinistra nel campo Fo+En e quindi NON potrà mai cristallizzare Qzt. Nel punto B, %fuso e %Fo sono rispettivamente Y/(X+Y) e X/(X+Y). Nel punto P, coesistono fuso+Fo+En. PARTE della Fo formata in precedenza viene riassorbita nel %fuso (J) per cristallizzare En mediante la reazione: Mg2SiO4(solido) + SiO2(fuso) = MgSiO3 (solido) Quando il fuso sarà finito, la roccia sarà composta da %Fo e %En rispettivamente di Z/(W+Z) e W/(W+Z). A a b Y X B V = 2-3+1=0 J W Z

Nella cristallizzazione all’equilibrio, il fuso di composizione A cristallizza Fo sul liquidus. Il punto A si trova sul confine del campo Fo+En e quindi NON potrà mai cristallizzare Qzt. Nel punto B, %fuso e %Fo sono rispettivamente Y/(X+Y) e X/(X+Y). Nel punto P, coesistono fuso+Fo+En. TUTTA la Fo formata in precedenza viene riassorbita nel %fuso (J) per cristallizzare En mediante la reazione: Mg2SiO4(solido) + SiO2(fuso) = MgSiO3 (solido) Quando il fuso sarà finito, la roccia sarà composta da 100% En. A a b Y X B V = 2-3+1=0 J W Z

A a b Se una roccia di composizione A (ovvero fatta di 100% En) viene riscaldata, la sua fusione è incongruente perchè si formerà un fuso che NON avrà composizione uguale a 100% En ma avrà composizione 40% Qzt e 60% Fo) V = 2-3+1=0

Nella cristallizzazione all’equilibrio, il fuso di composizione A cristallizza Fo sul liquidus. Il punto A è nel campo En+Qtz e quindi alla fine della cristallizzazione la roccia NON potrà mai contenere Fo. Nel punto B, %fuso e %Fo sono rispettivamente Y/(X+Y) e X/(X+Y). Nel punto P, coesistono fuso+Fo+En. TUTTA la Fo formata in precedenza viene riassorbita nel %fuso (J) per cristallizzare En mediante la reazione: Mg2SiO4(solido) + SiO2(fuso) = MgSiO3 (solido) Quando il fuso sarà finito, la roccia sarà composta da %En e %Qzt rispettivamente di Z/(W+Z) e W/(W+Z). A a b Y X B V = 2-3+1=0 J Z W

SISTEMA BINARIO CON SOLUZIONE SOLIDA Plagioclasio (Na,Ca)(Si,Al)4O8 = Soluzione solida di 2 componenti Albite (NaAlSi3O8) e Anortite (CaAl2Si2O8) Sostituzione di Na+Si+4 con Ca+2Al+3

Classificazione dei plagioclasi: (K) (Na) (Ca) Feldspati alcalini Plagioclasi An 0-10% = Albite An 11-30% = Oligoclasio An 31-50 = Andesina An 51-70 = Labradorite An 71-90 = Bitownite An 91-100 = Anortite

Fuso Plagioclasio Composizione iniziale del fuso = a = An60 = = 60% An + 40% Ab = = XAn = 60/(60+40) = 0.60 Fuso Curva di liquidus Curva di solidus 100% Fuso 0% Plagioclasio Plagioclasio

Composizione del fuso = b = An60 Composizione del primo cristallo di plagioclasio = c = An88 b 99,99% Fuso 0.01% Plagioclasio

Composizione del fuso = e = An45 Composizione del plagioclasio = c = An80 b X 72% Fuso = Xd/ed 28% Plagioclasio = eX/ed

Composizione del fuso = e = An38 Composizione del plagioclasio = c = An73 X 38% Fuso = Xf/ed 62% Plagioclasio = gX/ed

Composizione del fuso = e = An29 Composizione del plagioclasio = c = An68 X 19% Fuso = Xh/ih 81% Plagioclasio = 1X/ih

Composizione del fuso = e = An21 Composizione del plagioclasio = c = An60 0% Fuso 100% Plagioclasio = kj

Durante la cristallizzazione Il plagioclasio cambia lungo il tratto c-j invece il liquido cambia lungo il tratto a-k. Quindi la composizione del liquido e la composizione del solido cambiano CONTINUAMENTE.