相图的编制

Question

如题所述

Answer 1

通过矿物热力学计算可以编制各种相平衡或相平衡关系相图。从相图中可以看到矿物及其组合在不同热力学环境中的稳定场。结合自然界中出现的矿物和矿物组合及其相互间关系,应用这种图解可以估计成矿和成岩作用发生的物理化学条件。相图的编制基础也就是前面所介绍的三种矿物热力学计算方法。常见的相图有温度—压力相图、逸度—逸度相图、活度—活度相图、氧逸度—pH 相图、E_h—pH 相图等,下面举例介绍前三种,其他类型的相图在后面相关章节中介绍。

1.温度-压力 (T—P)相图

以水铝石AlO(OH)(diaspore)脱水反应为例,绘制T—P相图。反应方程式如下:

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在相平衡时,

=0,由式(3-111)得:

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式中:矿物及水的等压热容采用式 (3-101)的形式,固相体积公式和其他的热力学数据都来自文献(Hollandetal.,1998)。

是水的逸度,等于逸度系数f_c乘以压力P。f_c是温度和压力的函数,由国际标准水的状态方程 (Wagner et al.,2002)计算获得。很显然,式 (3-115)在给定温度下是压力的一个非线性方程,必须采用非线性方法进行迭代计算。作者采用二分法,得出了此反应的相平衡曲线,如图3-9 所示,并与相平衡实验数据 (Grevel et al., 1994;Haas,1972)进行了对比。可以看出在曲线上方是水铝石的稳定区,在曲线下方是刚玉和水的稳定区。在 800K 和2GPa以下,计算的相平衡曲线与实验数值一致,在高温时有一定的误差。

图3-9 反应2水铝石=刚玉+水的P—T相图

实际上,式 (3-115)还可以进行简化近似计算,矿物的固相体积近似为298K和 0.1MPa 下的数值,水的逸度系数近似为 1。这样上式就变为

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2.逸度—逸度相图

以Fe-Si-O₂-S₂体系为例说明lg(

)-lg(

)相图的做法。该体系存在以下的独立反应:

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以473K、0.1MPa时的氧逸度—硫逸度相图为例,对反应 (3-118),标准平衡常数

),在图3-10中为平行于横坐标轴的一条直线。同理,反应(3-117)、(3-119)也是平行于lg (

)轴的直线;反应式(3-120)～(3-122)与硫逸度无关,是平行于纵坐标轴的直线。

对于反应(3-123),

=lg (

)-lg (

),是斜率为1的直线方程,因为lg (

)=lg (

)-

,可在图3-10中画出。其余反应都可以照此画在图上。在计算过程中,假定所有的固相活度等于1,对于不形成固溶体的反应都是成立的。由图3-10可看出,图被一些点、线分割为多个区域。其中的点称为不变点。在本体系中为三相点,如点A为铁、橄榄石和磁黄铁矿共生点,点 B为橄榄石、磁黄铁矿和磁铁矿共生点。图中的线为单变线,即自由度为1。在单变线上,一些矿物可以两相共存,如BC线为磁黄铁矿和磁铁矿的共存线。图中被线分割的区域为双变区,即自由度为2。每个区域内矿物可以稳定存在,如黄铁矿、磁黄铁矿、磁铁矿等都有各自的稳定区域。

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—氧逸度;

—硫逸度;

—标准态压力(0.1MPa)]]

Na₂ O-K₂ O-Al₂ O₃-SiO₂-H₂ O体系是矿床地球化学中常见的一个体系。以这个体系为例说明lg

相图的做法。

在这个体系中,主要矿物有钾长石 (K-Feldspar),分子式为 KAlSi₃ O₈;钾白云母(K-Mica),分子式为KAl₃Si₃O₁₀(OH)₂;高岭石(Kaolinite),分子式为Al₂Si₂O₅(OH)₄;钠蒙托石(Montmorillonite),分子式为Na_0.33Al_2.33Si_3.66O₁₀(OH)₂;钠长石(Na-Feldspar),分子式为 NaAlSi₃ O₈。很显然,在 SiO₂ 饱和的溶液中,矿物出现的顺序与溶液的组成有关,钾长石在K⁺最富的溶液中出现,高岭石在最贫K⁺的溶液中出现。含钠的矿物情况类似。各矿物间的反应如下:

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由反应方程式(3-129)写出

,即钾长石与白云母的转变由溶液中K⁺活度与H⁺活度的比值决定,在图3-11 中表现为一条直线。同理,反应式 (3-130)、(3-131)和 (3-132)与反应 (3-129)类似。对于反应 (3-133)有

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由此可知白云母和钠蒙脱石的相界线是斜率为2.3 的直线。同样,可以在图3-11 中作出白云母和钠长石、钾长石和钠长石反应的相界线。

图3-11 Na-₂ O-K ₂ O-Al ₂ O ₃ SiO ₂-H ₂ O 体系的活度相图

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