8.!Reacciones! metamórficas!y! evaluación!del! … · El!valor!G...
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8. Reacciones metamórficas y evaluación del metamorfismo La mayor parte de las ilustraciones de esta presentación han sido tomadas de Winter, 2001.
Transcript of 8.!Reacciones! metamórficas!y! evaluación!del! … · El!valor!G...
!8.!Reacciones!metamórficas!y!evaluación!del!metamorfismo!
La!mayor!parte!de!las!ilustraciones!de!esta!presentación!han!
sido!tomadas!de!Winter,!2001.!
Termodinámica!de!las!reacciones!
Equilibrio!local!
Partes!del!sistema!que!se!acerquen!al!equilibrio!termodinámico!
5!km!
Equilibrio!local!
Bases!termodinámicas!
• Los!sistemas!naturales!=enden!a!un!estado!de!
energía!mínima!(minimización(de(la(energía).!Estados!de!energía!de!un!sistema:!
Inestable!Metaestable!Estable!!
Bases!termodinámicas!• Energía!libre!de!Gibbs:!energía!potencial!termodinámica!
(química).!
• Todas!las!fases!minerales!poseen!un!valor!de!Energía!libre!de!Gibbs!de!formación!(G
f).!
!
El!valor!Gf!!describe!la!can=dad!de!energía!que!se!libera!o!consume!
cuando!la!fase!se!formada!a!par=r!de!ciertos!componentes!o!de!
otras!fases.!
Energía!libre!de!Gibbs!para!una!fase!
dG!=!V!dP!–!S!dT!
Integrando!esta!ecuación!es!posible!calcular!G!
para!cualquier!fase!en!determinadas!PNT:!
G! G! VdP! SdT!T! P! T! P!T!
T!
P!
P!
2! 1! 1!1!
2!
1!
2!
2!
�! =! �!
G!es!una!medida!de!la!estabilidad!de!la!fase!
V!y!S!datos!experimentales!
Si!se!considera!que!V!y!S!son!constantes,!la!
ecuación!se!reduce!a:!
! !GT2!P2
!N!GT1!P1
!=!V(P2!N!P
1)!N!S!(T
2!N!T
1)!!
α-quartz!P (MPa)! T (C)! G (J)! V (cm3)! S (J/K)!
0.1! 25! -856,288! 22.69! 41.36!500! 25! -844,946! 22.44! 40.73!0.1! 500! -875,982! 23.26! 96.99!500! 500! -864,640! 23.07! 96.36!
GT2!P2!I!GT1!P1
!=!V(P2!I!P1)!I!S!(T2!I!T1)!
G298,!0.1
!=!N856,288!J/mol!!
Estado!estandar!
T=!298!K!
P=!0.1!MPa!
Valores!negaNvos!de!G:!el!cuarzo!es!más!estable!que!los!elementos!por!separado!
Estabilidad!relaNva!entre!diferentes!fases?!
Importancia!de!G!! G"es!una!medida!de!la!estabilidad!
de!la!fase.!
! La!ecuación!de!G!permite!es=mar!la!
capacidad!de!reacción!de!acuerdo!a!
los!cambios!en!P!y!T.!
USO??!
! Sistemas!que!puede!generar!más!de!
una!fase,!conociendo!G,!podemos!
determinar!cual!es!la!más!estable.!
REACCIÓNES!METAMÓRFICAS!
¿En!altas!temperaturas!es!más!estable!una!roca!sólida!o!un!magma?!
¿A!150!km!de!profundidad!es!estable!el!grafito!o!el!diamante?!
• Es!posible!calcular!la!Energía!Libre!de!Gibbs!para!cualquier!reacción!mineral.!
!Reacción!para!la!formación!de!la!ensta=ta!a!par=r!de!
elementos!separados:!
Mg!+!Si!+!3O!=!MgSiO3!
!
!
!
!ΔGreacción
!=!ΔGf(ensta=ta)!N!ΔG
f(Mg)NΔG
f(Si)N3ΔG
f(O)!!
!
Todas!las!reacciones!minerales!Nenen!una!ΔGreacción!
definida,!pero!el!valor!depende!de!P!y!T!
Energía!libre!de!Gibbs!de!reacción!
ΔG!=!ΔV!dP!–!ΔS!dT !!ΔGreacción!=!ΔGproductosI!ΔG!reacNvos!!
Diagrama!PNT!esquemá=co!de!
una!reacción!de!fusión!
Energía!libre!de!Gibbs!de!reacción!o 2!fases:!sólido,!líquido!o ¿Cuál!fase!=ene!mayor!
volumen?!
o Las!altas!presiones!favorecen!los!menores!
volúmenes,!entonces!¿cuál!
fase!será!estable!a!mayor!P?!
o ¿Cuál!fase!=ene!mayor!
entropía?!
o La!alta!temperatura!
favorece!las!estructuras!
desordenadas,!entonces!¿cuál!
fase!será!más!estable!a!mayor!
T?!
!Podemos!predecir!la!forma!de!la!curva!de!reacción!
Diagrama!PNT!esquemá=co!de!
una!reacción!de!fusión!
Energía!libre!de!Gibbs!de!reacción!
A:!!!!GS<G
L!
B:!!!!GS>G
L!
La!fase!con!menor!G!en!determinadas!condiciones!PIT!es!la!más!estable!
���������������������� �����!
���������������������� �����!
dG!=!V!dP!–!S!dT!
Considerando!que!se!trata!de!una!reacción:!
dG!=!V!dP!–!S!dT!
dΔG!=!ΔV!dP!–!ΔS!dT!
X!
Y!dΔG!=!0!=!ΔVdP!N!ΔSdT!
dP!dT!
ΔS!=!ΔV!
Ecuación!de!Clapeyron!
• La!ecuación!de!Clapeyron!relaciona!la!pendiente!de!la!curva!de!reacción!en!un!diagrama!de!fase!con!las!propiedades!
termodinámicas!fundamentales.!
Figuras!tomadas!de!“Teaching!phase!equilibria”!Koziol!y!Perkins!
En!reacciones!que!involucran!fases!fluidas!
(como!H2O!o!CO
2!),!el!valor!ΔS/ΔV!!varía!
con!la!P!y!la!T.!Esto!se!debe!a!un!
incremento!en!la!entropía!del!gas!y!a!la!
compresibilidad!del!fluido.!Es!por!eso!que!
estas!reacciones!=ene!una!forma!de!curva.!
Para!reacciones!sólidoNsólido!como!
jadeita+cuarzo=!albita,!el!valor!ΔS/ΔV!es!
constante!por!lo!que!la!curva!de!equilibrio!
es!una!línea!recta!en!el!espacio!PNT.!
Diagrama!de!fases!de!Al2SiO5!“polimorfos(del(silicato(de(aluminio”(
Al2SiO5!
• !Cianita!• !Andalucita!• !Sillimanita!
Volumen!molar!
menor!V!
mayor!S!
Andalucita!
T!
P!
En!condiciones!estándar:!1!atm!
Cianita!
Sillimanita!
Andalucita!
P:!1!atm!!!!!Equilibrio!∆G=!0!
Ky!=!And!
Clapeyron!
P2NP
1=!m!(T
2!–!T
1)!
Volumen!molar!
Equilibrio!
(1!atm,!189!°C)!!
Punto!de!referencia:!
Pendiente!de!
la!línea!de!
reacción!
P1=!1!atm;!T
1=!189!°C!
m!=!11.84!bar/°C!!!
Para!T=!500!°!C!
P=!?!
P2N(~0)=!11.84!(500!–!189)!
P2!=!3.7!kbar!
Ky!=!And!
P2NP
1=!m!(T
2!–!T
1)!
T!
P!
Cianita!Sillimanita!
Andalucita!
Diversidad!de!
datos!
experimentales
:!
Diferentes!límites!
Reacciones!metamórficas!
Tipos!de!
reacciones!
metamórficas!
Tipo!de!fases!
involucradas!
Mecanismo!de!
reacción!
Reacciones!sólidoNsólido!
Reacciones!sólidoNfluido!
Reacciones!discon=nuas!
Reacciones!con=nuas!
Polimórficas!(homogéneas)!
Transferencia!neta!(heterogéneas)!
Intercambio!
Reacciones!disconNnuas:!!o Ocurren!a!temperatura!
y!presión!par=culares!
(PNT).!
o En!el!espacio!PNT!pueden!representarse!
como!un!curva.!
o En!cada!lado!de!la!curva!una!fase!o!una!serie!de!
fases!diferentes!son!
estables.!
o Productos!y!reactantes!solo!coexisten!en!la!
curva!de!reacción.!
P
T!
a+b!
c+d!
curva!de!reacción!
a+b!=!c+d!
Curva!de!reacción!o!de!equilibrio!?!!De!un!lado!a!otro!define!una!reacción!pero!sobre!la!curva!
define!un!equilibrio!múl=ple.!
Reacciones!disconNnuas:!polimórficas!
• Reacciones!sólidoNsólido.!• Reac=vos!y!productos!poseen!la!misma!composición.!
• Transición!de!fase.!!!!!!!(sistema:!1!componente!y!n!fases)!
And!
Ky!Sepahi!et!al.!2004!(JMG)!
Reacciones!disconNnuas:!transferencia!neta!
• Reacciones!sólidoNsólido.!
• Los!componentes!químicos!
se!transfieren!de!una!fase!a!otra.!
• Se!consumen!los!reactantes!y!se!forman!nuevas!fases.!
• Las!proporciones!modales!de!
las!fases!se!modifican!
durante!la!reacción.!
• Reac=vos!y!productos!
poseen!diferente!
composición.!
• Sistema:!n!componentes!y!n!
fases.!
Ca3Al
2Si
3O12!!+!SiO
2!=!CaAl
2Si
2O8!+!2CaSiO
3!
!!!!!!grosularia!!!!!!!!!!!!!!!!!cuarzo!!!!!!!!!!!!!!anor=ta!!!!!!!!!!wollastonita!
(Tomado!de!Best,!2003)!
Clapeyron!
T1=!498!°C!
m!=!18.7!bar/°C!!!
P2NP
1=!m!(T
2!–!T
1)!
Para!T=!1000!°!C!
P=!?!
P2=!18.7!(1000!–!498)!
P2!=!9.4!kbar!
Ca3Al
2Si
3O12!!+!SiO
2!=!CaAl
2Si
2O8!+!2CaSiO
3!
!!!!!!grosularia!!!!!!!!!!!!!!!!!cuarzo!!!!!!!!!!!!!!anor=ta!!!!!!!!!!wollastonita!
Ejemplo!de!reacción!de!transferencia!neta!en!
rocas!máficas:!textura!de!corona!
olivino! ortopiroxeno! clinopiroxeno!
plagioclasa!
A!bajas!temperaturas!(583°)!el!cloritoide!es!estable!
para!composiciones!de!roca!que!caen!dentro!de!los!
subtriángulos!verde!,amarillo!y!rojo.!
A!mayor!temperatura!(584°)!estaurolita,!granate!y!
clorita!son!estables!y!el!cloritoide!desaparece.!
Entonces!la!reacción!ocurre!a!583°!!584°!a!1!Gpa.!
Reacciones!de!transferencia!neta:!
reacción!terminal!(formación!de!1!fase!
mineral!a!par=r!de!2!o!3)!
cloritoide!=!estaurolita!+!granate!+!clorita!
El!granate!y!la!clorita!son!estables!a!
temperaturas!debajo!de!la!“reacción!de!línea!
de!conjunción”!
La!estaurolita!y!la!bio=ta!son!estables!a!
temperaturas!por!encima!de!la!“reacción!de!
línea!de!conjunción”!
Reacciones!de!transferencia!neta:!
reacción!de!línea!de!conjunción!(formación!de!2!fase!mineral!a!par=r!de!
2!más)!
clorita!+!granate!=!bio=ta!+!estaurolita!
Ejemplo!de!reacción!de!línea!de!conjunción:!
texturas!de!reacción!
HighNpressure!mafic!granulites!in!the!TransNNorth!China!
Orogen:!Tectonic!significance!and!age.!Jian!Zhang,!et!al.,!2006!
Imagen!de!microsonda!electrónica!
simplec=tas!
Reacciones!conNnuas!• Ocurren!en!un!rango!PNT!• Implican!fases!que!cambian!de!composición!
con=nuamente.!
• El!=po!de!reacción!con=nua!{pica!es!la!de!intercambio.!
cianita!+!ortopiroxeno1!=!ortopiroxeno
2!+!granate!
Reacciones!conNnuas:!intercambio!
• Componentes!químicos!son!intercambiados!entre!las!fases.!
• Las!proporciones!modales!se!man=enen.!
• No!se!consumen!ni!se!forman!nuevas!fases.!
• Intercambio!ca=ónico!entre!soluciones!sólidas!para!mantener!el!equilibrio.!
Reacciones!y!Quemografias!Podemos!usar!quemogra|as!para!inferir!reacciones!
MgO SiO2
Per FoEn Qtz
• En!un!sistema!binario,!un!par!de!fases!puede!
reaccionar!para!formar!una!fase!intermedia.!
• Fo!+!Qtz!=!En !!!!Mg2SiO
4!+!SiO
2!=!Mg
2Si
2O6!
• En!+!Per!=!Fo !!!!Mg2Si
2O6!+!2!MgO!=!2!Mg
2SiO
4!
• Per!+!Qtz!=!Fo!o!En!
Reacciones!y!Quemografias!
¿Qué!reacción!permite!inferir!este!diagrama?!
Tomado!de!Winter!(2010)!An!
Introduc=on!to!Igneous!and!
Metamorphic!Petrology.!Pren=ce!Hall.!
Reacciones!y!Quemografias!
A!+!B!+!C!=!X!
Por!debajo!de!la!isograda!“x”!
Antes!de!xNin!
Por!encima!de!la!isograda!“x”!
Después!de!xNin!
Reacciones!y!Quemografias!
¿Qué!reacción!es!posible!entre!ANBNCND?!
Diagrama!de!
compa=bilidad!para!una!
zona(metamórfica(
Tomado!de!Winter!(2010)!An!
Introduc=on!to!Igneous!and!
Metamorphic!Petrology.!Pren=ce!Hall.!
A!+!B!=!C!+!D!
Este!cambio!de!la!línea!de!conjunción!(=eN
line!flip)!resulta!en!nuevo!agrupamiento!
mineral!despúes!de!la!isograda.!
En!la!isograda!
Después!de!la!
isograda!
Antes!de!la!
isograda!
Tomado!de!Winter!(2010)!An!
Introduc=on!to!Igneous!and!
Metamorphic!Petrology.!Pren=ce!Hall.!
Tipos!de!equilibrios!de!acuerdo!a!la!
regla!de!las!fases!
REGLA!DE!LAS!FASES!F=!C!+!2!–!P!
C=!!!componentes!
F=!!!grados!de!libertad!(T!y!P)!
P=!!!#!de!fases!!!!!!!!!!!
!!
Spear,!1999!
Sistema!??!(número!de!
componentes)!
Equilibrios:!
Divariante!(2!F)!Univariante!(1!F)!Invariante!(0!F)!
Redes!Petrogené=cas!
!!!!Diagramas!PNT!para!sistemas!mul=componentes!que!muestran!
toda!la!gama!de!reacciones!posibles!en!dicho!sistema,!aplica!
para!determinado!=po!de!rocas.!
Red!petrogenéNca!para!rocas!máficas!
Sistema!CaONMgONAl2O3NSiO
2NH
2ON(Na
2O),!tomado!de!Winter!(2010)!An!Introduc=on!to!Igneous!and!Metamorphic!
Petrology.!Pren=ce!Hall.!
Red!petrogenéNca!para!rocas!pelíNcas!
Termobarometría!!
termo~!calor:!temperatura!
baro~!peso:!presión!
Termobarometría!
Determinación!cuan=ta=va!del!PNT!en!el!cual!una!roca!
ígnea!o!metamórfica!alcanzó!un!equilibrio!químico!
NObtener!condiciones!|sicas!del!metamorfismo!
NInformación!química!a!par=r!de!minerales!que!coexisten!
en!EQUILIBRIO!
NInformación!termodinámica!teórica!
!
¿Cómo!se!determina!P!y!T?!
" Estructura!y!Textura!
" Minerales!índice:!minerales!caracterís=cos!que!indican!T!
o!P!(!no!todas!las!rocas!poseen!una!“química”!favorable!
para!producir!minerales!índice)!
" Asociaciones!minerales!(paragénesis)!
" Facies!metamórficas:!paragénesis!en!determinados!
lito=pos!que!indican!un!rango!de!PNT!
EstructuraNtextura!
Estaurolita!Ortopiroxeno!
Minerales!índice!
AnNclockwise!evoluNon!of!ultrahighItemperature!granulites!within!conNnental!collision!zone!in!southern!India!(Santosh!y!Saajev,!2006)!
The!Dabie–Sulu!conNnental!collision!zone:!A!comprehensive!review!(Zhang,!Liou!y!Ernst,!2009)!
Asociaciones!de!ultra!alta!
temperatura!en!rocas!pelí=cas!
Asociaciones!de!ultra!alta!
presión!en!rocas!máficas!
Paragénesis!
Tipo!químico:!Máfico!
Paragénesis:!!
granate+clinopiroxeno!!
onfací=co+ru=lo!
Facies!metamórfica!
Termodinámica!del!equilibrio!
V!H!
S!
P!
T!
Termodinámica!del!equilibrio(2)!
Condición!del!equilibrio:!P,!T,!μ!.....!constantes!
!
!
!
!
!
!
Teórico!(P,!T)!! Analí=co!(P,!T,!X)!
!ΔG=!!ΔG°+!RTlnK!
ΔG=!Σ!μ!n!=!0!
equilibrio!desequilibrio!
K=!constante!de!equilibrio!
Hay!un!valor!de!K!que!sa=sface!
G!para!cada!condición!PNT!en!
específico!!
Termodinámica!del!equilibrio(3)!
PNT!!!!!!!!!!!!!!!!!!!f((P,!T,!K)!!
Conocer!PNT!a!par=r!de!una!función!de!estas!dos!variables!y!de!
K...!
!
(f(P,!T,!K)!
!Equilibrio!mineral!
observado!en!la!roca!!
!
P!
T!
f!
!ΔG=!!ΔG°+!RTlnK!!!!
Intervalo!de!temperatura!acotado!
f1(P,!T,!K)...1°equilibrio!
f2(P,!T,!K)...2°equilibrio!
!
P!
T!
f1!
f2!
El!método!más!convencional!es!resolver!dos!
“equilibrios!minerales”!de!forma!simultánea!
(es!decir:!2!ecuaciones!de!Gibbs)!
Sistema!de!dos!ecuaciones!simultáneas!
Termodinámica!convencional!
Termómetros!y!barómetros!
f1(P,!T,!K)!!!termómetro...sensible!a!los!cambios!de!temperatura!
f2(P,!T,!K)!!!barómetro...sensible!a!los!cambios!de!presión!
F=!CN!P+!2!
Condiciones!para!usar!los!métodos!
termobarométricos!
# Texturas de equilibrio
# Ausencias de texturas de reacción
# No violar la regla de las fases
Texturas!de!reacción:!
desequilibrioNequilibrio!local!
Termómetro!GranateIbioNta!Intercambio!FeNMg!
Sensi=vo!a!T!
K=(Mg/Fe)granate
/(Mg/Fe)bio=ta!
Bio=ta!
K(Mg,Fe)3AlSi
3O10(OH)!
Granate!
(Mg,Fe)3Al
2Si
3O12!
!
Grt!
Bt!
K(Mg)3AlSi
3O10(OH)+(Fe)
3Al
2Si
3O12=K(Fe)
3AlSi
3O10(OH)+(Mg)
3Al
2Si
3O12!
flogopita!+!almandino=!anita!+!piropo!
Termómetro!GranateIbioNta!Bio=ta!
K(Mg,Fe)3AlSi
3O10(OH)!
Granate!
(Mg,Fe)3Al
2Si
3O12!
!
Sill!
Grt!
Pl!
Qtz!
Ca3Al
2Si
3O12!+!2Al
2SiO
5!+!SiO
2!=!3CaAl
2Si
2O8!
grosularia(Grt)!+!sillimanita!+!cuarzo!=!anor=ta(Pl)!
Granate!
(Fe,!Mg,!Mn,!Ca)3Al
2Si
3O12!
!
Plagioclasa!
(Na,!Ca)Al2Si
2O8!
!
Cuarzo!
SiO2!!
!
Aluminosilicato!
Al2SiO
5!
!
!
Barometro!GASP!(GranateNAluminoSilicatoNPlagioclasa)!
Barometro!GASP!(GranateNAluminoSilicatoNPlagioclasa)!
• Reacción!de!transferencia!neta!
• Sensible!a!la!presión!
• Aunque!la!pendiente!de!la!curva!no!es!tan!“suave”!implica!
una!paragénesis!muy!común!!
Ca3Al
2Si
3O12!+!2Al
2SiO
5!+!SiO
2!=!3CaAl
2Si
2O8!
grosularia(Grt)!+!cianita!+!cuarzo!=!anor=ta(Pl)!
Termobarometría!GARBIGASP!(GranateNBio=taNAluminosilicatoNPlagioclasaNCuarzo)!
Ca3Al
2Si
3O12!+!2Al
2SiO
5!+!SiO
2!=!3CaAl
2Si
2O8!
grosularia(Grt)!+!aluminosilicato!+!cuarzo!=!anor=ta(Pl)!
Sill!
Grt!
Bt!Pl!
Qtz!
K(Mg)3AlSi
3O10(OH)+(Fe)
3Al
2Si
3O12=K(Fe)
3AlSi
3O10(OH)+(Mg)
3Al
2Si
3O12!
flogopita!+!almandino=!anita!+!piropo!
Termobarometría!de!mul=equilibrio!
Ejemplo!TWQ!
• Base!de!datos!termodinámicos!para!n!
numero!de!fases!minerales!
• Resolución!múl=ple!simultánea!de!
equilibrios!en!una!misma!roca!
• Idealmente!convergen!en!un!mismo!punto!
Aplicación!de!la!Termobarometría!
Zoneamiento!mineral!
Trayectoria!PNT!
Pseudosecciones!
Diagramas!PNT!personalizados!
