광물학 광물특성 8: 변성 광물과 변성암 8.4: 광물 변성반응 4.2: 변성 위상 다이어그램

[백산]

광물학 광물특성 8: 변성 광물과 변성암  8.4: 광물 변성반응 4.2: 변성 위상 다이어그램   

 
출처 덱스터 퍼킨스 노스다코타 대학교     소스: EK 이페어케이 플러스

8.4.2: 변성 위상 다이어그램

Figure 8.39: 다양한 알루미노실리케이트 광물의 안정성

열역학 법칙은 우리가 특정 조건에서 어떤 광물이 형성되는지 예측할 수 있게 해줍니다. 우리는 그림 8.39와 같은 위상 다이어그램을 사용하여 특정 광물 또는 광물 집합체가 안정한 조건을 보여줍니다.

예를 들어 왼쪽의 다이어그램은 Al2SiO5 다형체인 캬나이트, 실리마나이트, 안달루사이트의 안정장을 보여줍니다. 다른 필드는 각 다형체가 안정한 압력과 온도 범위입니다.

필드를 구분하는 반응선은 화학 반응이 일어나는 조건을 보여줍니다.

오른쪽의 도표는 같은 정보를 보여주지만, 반응에는 안정성 분야가 아니라 라벨이 붙어 있습니다. 석유학자들은 두 종류의 도표를 모두 사용합니다.

이 도표들은 우리에게 캬나이트를 포함하는 암석은 낮은 온도와 높은 압력에서 형성되고, 안달루시아이트를 포함하는 암석은 낮은 압력에서 형성되고, 실리마나이트를 포함하는 암석은 높은 온도에서 형성된다는 것을 알려줍니다.

이 도표는 또한 우리가 예측을 할 수 있도록 해줍니다: 예를 들어, 만약 안달루시아이트를 포함하는 암석이 높은 온도에서 변형된다면, 안달루시아이트는 실리마나이트로 변할 것입니다.

간단한 화학 시스템에 대한 위상 다이어그램은 몇 가지 반응만을 포함할 수 있습니다. 알루미노실리케이트 다이어그램(그림 8.39 위)이 하나의 예입니다.

고려되는 모든 광물은 동일한 구성을 가지며 세 가지 반응에 의해 관련됩니다:

캬나이트 = 안달루사이트 (reaction 1)
Al2SiO5 = Al2SiO5

안달루시아이트 = 실리마나이트 (reaction 2)
Al2SiO5 = Al2SiO5

캬나이트 = 실리마나이트 (reaction 3)
Al2SiO5 = Al2SiO5

캬나이트, 안달루시아이트, 실리마나이트 사이의 반응은 Al2O3, SiO2, H2O 화학계의 광물과 관련된 많은 것들 중 세 가지에 불과합니다.

다른 광물들은 이러한 동일한 구성 요소들로 구성되어 있습니다. 아래 그림 8.40에서 볼 수 있는 위상 다이어그램은 시스템에 대한 보다 완전한 위상 다이어그램입니다.

그것은 모든 안정한 광물과 반응을 포함합니다. 반응 중 일부는 H2O로 표시된 수증기를 방출합니다. 8개의 광물이 관련되어 있지만 대부분은 제한된 안정장을 가지고 있습니다.

그림 8.40: Al2O3 – SiO2 – H2O 시스템에서의 광물 및 반응

시스템의 안정적인 미네랄:

Al2O3 – SiO2 – H2O

미네랄 포뮬러

카올리나이트(Ka)  Al4(Si4O10)(OH)8
석영(Qz)   SiO2
피로필라이트(Py)   Al2Si4O10(OH)2
diaspore (Dsp) AlO(OH)
캬나이트(Ky) Al2SiO5
안달루사이트 ( And ) Al2SiO5
실리마나이트 ( Sil ) Al2SiO5
corundum (Co)  Al2O3

이 상도에 따르면, 낮은 온도에서는 카올리나이트와 석영이 함께 안정하지만, 온도가 거의 300 ̊ C까지 올라가면 카올리나이트와 석영이 반응하여 파이로필라이트와 H2O 증기를 생성합니다.

약간 더 가열하면 남은 카올리나이트는 파이로필라이트, 디아스포어, H2O 증기로 분해됩니다.

파이로필라이트 자체는 더 높은 온도 – 약 400 ̊ C - 에서 분해되기 때문에 파이로필라이트는 제한된 온도 범위에서만 안정합니다.

약 450 °C 이상의 온도에서 안정한 광물은 분추류, 석영, 그리고 세 가지 Al2SiO5 다형체(안달루사이트, 캬나이트, 실리마나이트)뿐이지만, 분추류와 석영은 함께 찾을 수 없습니다.

이와 같은 위상 다이어그램을 통해 개별 광물과 특정 광물 집합체가 형성될 압력과 온도를 예측할 수 있습니다.

반대로, 이 다이어그램을 통해 특정 광물을 포함하는 일부 암석의 압력과 형성 온도를 추정할 수 있습니다.

예를 들어, 카올리나이트와 석영을 포함하는 암석은 약 300°C 미만의 온도에서 형성되었을 것으로 제한됩니다(카올리나이트는 더 높은 온도에서 안정적이지 않기 때문입니다).

안달루시아이트가 카올리나이트와 석영을 동반하는 경우 압력은 1kbar 미만으로 제한됩니다. 암석은 바닥 축의 300o 케이블 근처의 작은 삼각형 필드 내의 조건에서 평형을 이루어야 합니다.

위상 다이어그램 사용

어떤 암석이 평형 상태에 있는 특정 광물 집합체를 포함하고 있다면, 우리는 적절한 위상 다이어그램을 사용하여 암석이 형성된 조건에 제한을 둘 수 있습니다.

예를 들어, 이 상자 안의 다이어그램은 그림 8.40에서 수정되었습니다. 이것은 반응 사이의 필드 내에서 안정한 모든 다른 3-광물 집합체를 나열합니다. (간단히 설명하기 위해 고압 필드에 있는 집합체에만 레이블이 지정됩니다.) 다른 집합체는 표시된 반응과 일치합니다.

그림 8.41: Al2O3-SiO2-H2O계에서의 광물 및 반응

그러나 3-광물 집합체 외에도 다른 분야에서 다른 광물 쌍들이 안정적입니다.

그리고 개별 광물들은 도표의 다른 부분에서 안정적입니다.

모두 87개의 다른 광물 조합들이 도표의 다른 부분에서 안정적입니다.

우리가 그것들에 모두 라벨을 붙이면 도표는 매우 지저분해질 것입니다.

이것이 대부분의 위상 도표에 라벨이 붙은 반응만 있는 이유입니다.

디아스포라만 포함된 암석을 생각해보세요.

이 도표는 그것이 1번부터 5번까지의 들판 중 어느 곳에서도 형성되었을 수 있다고 말합니다. 6번 밭에서 디아스포라는 안정적이지 않고 분구와 H2O로 분해됩니다.

암석이 피로필라이트가 있는 디아스포라를 포함하고 있다고 가정해보세요.

그것은 1번, 2번, 3번 밭에서는 안정적이지만 두 광물이 카얀라이트와 H2O에 반응하기 때문에 더 높은 온도에서는 안정적이지 않습니다.

그리고 피로필라이트, 디아스포라, 그리고 H2O를 포함하는 암석을 생각해보세요. 그것은 3번 밭에서만 안정적입니다.

더 낮은 온도에서는 광물이 반응하여 카올리나이트를 생성하고, 더 높은 온도에서는 피로필라이트와 디아스포라가 반응하여 카얀라이트를 생성합니다.

4개의 광물은 함께 어떤가요? 4개의 광물은 조건이 반응선 중 하나에 놓여있을 때만 안정적일 수 있습니다.

따라서, 우리는 더 많은 광물이 존재할수록 형성 조건이 더 제한된다는 것을 알 수 있습니다. 이것은 암석 내의 광물뿐만 아니라 평형 상태에 있는 모든 화학 시스템에 대해서도 마찬가지입니다.