Кристаллизация по закону эвтектики

4.1 Кристаллизация по закону эвтектики

Кристаллизация по закону эвтектикихарактеризуется следующими главными особенностями: 1) выделяющиеся из расплава минералы не меняют во время кристаллизации свой состав и не вступают в реакционное взаимодействие ни между собой, ни с расплавом; при нарушении нормального хода кристаллизации может быть лишь задержка в кристаллизации, обратное расплавление (оплавление) ранее выделившихся твердых кристаллов; 2) порядок выделения минералов из расплава определяется не столько температурой плавления этих минералов, сколько составом кристаллизующегося расплава, концентрацией в нем того или другого компонента; 3) температура начала кристаллизации расплава смеси зависит от состава этой смеси; небольшая прибавка к какому-либо компоненту другого компонента понижает температуру начала кристаллизации; 4) температура конца кристаллизации расплава смеси не зависит от состава смеси; кристаллизация заканчивается всегда при определенной эвтектической температуре; 5) состав последней порции расплава в конце процесса кристаллизации не зависит от состава исходного расплава. Состав последней порции расплава всегда определенный – эвтектический. Эвтектика – это определенное процентное соотношение двух или нескольких компонентов расплава, которые одновременно кристаллизуются при определенной температуре, которая всегда ниже температуры кристаллизации каждого их компонентов в отдельности.

Рассмотрим эвтектическую кристаллизацию на примере системы диопсид-анортит (рис. 4.1). Температура плавления анортита 1550 ºС, то есть если взять расплав чистого анортита, то он будет кристаллизоваться при этой температуре пока полностью не раскристаллизуется и температура будет постоянной. Это вытекает из «правила фаз», выражаемого формулой F=(K+2) – P, где F – число возможных изменений условий, К – число компонентов и Р – число фаз (твердых и жидких). Для конденсированных систем, где изменение давления не влияет на ход кристаллизации, это выражение принимает вид: F=(K+1) – P. В данном случае К=1, так как взят расплав только одного анортита и система однокомпонентная. Р=2 (расплав и кристаллы анортита), следовательно F= (1+1) – 2=0.

Прибавление 15% диопсида к расплаву понизит температуру начала кристаллизации до 1510ºС. При этом в ходе кристаллизации температура уже может понижаться, так как здесь К=2, Р=2, F=(2+1) – 2=1. Если взять состав расплава с еще большим содержанием диопсида (например, 35%), то температура начала кристаллизации будет еще ниже (1420ºС). Поскольку состав расплава можно изменять непрерывно, то полученная кривая выразит температуру начала кристаллизации всех смесей богатых анортитом.

То же самое будет характерно и для смесей богатых диопсидом, температура плавления которого 1400ºС. Прибавление 20% анортита понизит температуру начала кристаллизации до 1360ºС и т.д. В итоге может быть построена кривая изменения температуры начала кристаллизации для смесей богатых диопсидом. На рисунке 1 видно, что обе кривые пересекаются в точке е. Следовательно, если возьмет расплав, в котором 46% диопсида и 54% анортита, то он начнет кристаллизоваться при наименьшей температуре 1270ºС. Точка е соответствует эвтектике и для нее характерна определенная температура. Если исходный расплав имеет эвтектический состав, то с самого начала начнут выделяться одновременно и анортит и диопсид. По правилу фаз температура не изменится, пока не исчезнет весь расплав. К=2, Р=3 (две твердых фазы, диопсид и анортит плюс расплав), F=(2+1) – 3=0. Если же состав исходного расплава не эвтектический, то вначале из расплава будет выделяться только один минерал (тот которого во взятом расплаве больше, чем в эвтектическом). По мере уменьшения количества этого минерала, будет снижаться температура кристаллизации и уменьшаться концентрация этого минерала, пока не достигнет точки эвтектики.

Простая двухкомпонентная система диопсид-анортит имеет большое значение для петрологии. Состав основных магматических пород (например, габбро) почти эвтектический. Отсюда следует вывод, что пироксен и основной плагиоклаз должны кристаллизоваться из магмы одновременно. Состав основной магмы не точно отвечает эвтектике, поэтому первым может начать выделяться либо пироксен, либо плагиоклаз, но в ходе кристаллизации эвтектика будет достигнута. В эвтектических соотношениях находятся такие минералы как кварц и полевой шпат; нефелин и полевой шпат; полевой шпат и цветной минерал; нефелин и цветной минерал. Эвтектические соотношения существуют между цветными и бесцветными минералами любой магматической породы. По этой причине при кристаллизации магмы цветные и бесцветные минералы выделяются одновременно. Поскольку между кварцем и полевым шпатом тоже существует эвтектическое соотношение, оба этих минерал совместно присутствуют во вкрапленниках в гранит-порфирах или риолитах.

В системах с летучими компонентами, эвтектика между двумя минералами может иметь несколько иное количественное соотношение, чем в «сухих» системах, но сохраняется. В тех случаях, когда в дополнение к двум минералам присутствует третий, например, пироксен, плагиоклаз и оливин, то порядок кристаллизации определяется правилом Нернста о понижении растворимости веществ, имеющих общий ион. Так как оливин и пироксен имеют общий ион (Mg, Fe), растворимость оливина в присутствии пироксена значительно уменьшается, и он кристаллизуется раньше полевого шпата даже в тех случаях, когда его содержание невелико. Особенности эвтектики сохраняются не только в тройной системе. Они должны сохраняться и в многокомпонентной системе, какой является магма.