Regola mineralogica delle fasi di Goldschmidt

La composizione dei minerali dipende dalle condizioni fisiche e chimiche con cui essi si sono formati nel corso delle varie ere geologiche. La presenza di un minerale, la sua paragenesi, la sua composizione fornisce informazioni relative alla storia geologica e ai processi subiti.

Di particolare interesse risultano essere la valutazione di pressione, temperatura, la conoscenza di altri parametri chimico-fisici come il pH e lo stato di ossidazione dei componenti, la pressione parziale dei gas.

La regola delle fasi di Gibbs, basata sulla termodinamica, consente di caratterizzare lo stato chimico di un sistema e di prevedere le relazioni di equilibrio delle fasi ( minerali, liquidi, vapori) presenti in funzione delle condizioni fisiche come pressione e temperatura.

La regola delle fasi di Gibbs consente inoltre di costruire diagrammi di fase che permettono di rappresentare e interpretare gli equilibri di fase in sistemi geologici eterogenei.

La regola delle fasi di Gibbs  è espressa dall’equazione:

P + F = C + 2

dove:

P è è il numero di fasi presenti nel sistema. In un minerale è possibile avere due o più fasi presenti come, ad esempio liquidi immiscibili come acqua e silicati, silicati e solfuri fusi ecc.

C è il numero minimo di componenti chimici necessari a costituire tutte le fasi nel sistema. I geologi definiscono i componenti di un minerale in termini di ossidi come, ad esempio, SiO2, Al2O3, CaO. Se due componenti si trovano nelle stesse proporzioni essi possono essere combinati in un singolo componente. Consideriamo la reazione:

CaMg(CO3)2 + 2 SiO2 = CaMgSi2O6 + 2 CO2

Se si ragionasse in termini si ossidi si dovrebbero considerare CaO, MgO, SiO2 e CO2. Tuttavia poiché Ca e Mg sono in rapporto di 1:1 in numerosi minerali quali la dolomite il sistema può essere considerato ternario costituito da: CaMgO2, SiO2 e CO2.

F è il numero di gradi di libertà del sistema ( varianza).

Nel campo geologico si riferisce al numero di variabili come pressione e temperatura che possono essere variate indipendentemente senza che venga alterato la stato del sistema. Sono possibili tre tipi di equilibri:

1)   Equilibrio invariante in cui non possono essere variate né la pressione né la temperatura: in un diagramma di fase ciò viene rappresentato come un punto invariante

2)   Equilibrio monovariante in cui la pressione e la temperatura possono essere cambiate indipendentemente, ma per mantenere lo stato del sistema si deve verificare una corrispondente variazione di altre variabili

3)   Equilibrio bivariante in cui sia la pressione che la temperatura possono essere cambiate  indipendentemente senza cambiare lo stato del sistema

Nella regola delle fasi di Gibbs compare il numero 2 che è relazionato al numero di parametri intensivi ad esempio pressione e temperatura anche se vi sono sistemi in cui viene considerato un solo parametro intensivo e in tal caso la regola delle fasi di Gibbs viene espressa come P + F = C + 1

Se il numero dei componenti aumenta si verifica anche un aumento della varianza mentre se il numero di fasi aumenta nel sistema diminuisce la varianza del sistema.

Un’estensione della regola delle fasi di Gibbs è costituita dalla regola mineralogica delle fasi formulata dal geologo norvegese Goldschmidt nel 1911 per la quale per un determinato minerale a una data pressione e temperatura il numero delle fasi è minore o uguale al numero di componenti. Riscriviamo la regola delle fasi come:

F = C – P + 2

Del numero totale di parametri intensivi indipendenti (temperatura, pressione, e potenziali chimici dei componenti), i parametri che possono assumere valori arbitrari entro certi limiti senza interrompere lo stato di fase del sistema hanno F gradi di libertà Le rocce si formano a valori arbitrari di temperatura e pressione, e il numero di gradi di libertà nella loro formazione non può essere inferiore a 2 (F ≥ 2; P ≤ C)

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Author: Chimicamo

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