Ασβεστίτης και χαλαζίας αντιδρούν και παράγουν βολλαστονίτη και CO2. ΠΕΤΡΟΓΕΝΕΣΗ ΜΕΤΑΜΟΡΦΩΜΕΝΩΝ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ Πορεία Μεταμορφικής Αντίδρασης Οι χημικές αντιδράσεις στα μεταμορφωμένα πετρώματα προχωρούν ανάλογα με τις τιμές των εντατικών παραμέτρων (P, T). Ας πάρουμε ως παράδειγμα την αντίδραση σχηματισμού βολλαστονίτη: CaCO3 + SiO2 = CaSiO3 + CO2 Ασβεστίτης και χαλαζίας αντιδρούν και παράγουν βολλαστονίτη και CO2. Οι συνθήκες ισορροπίας δίνονται στο παρακάτω σχήμα όπου προβάλλεται η θερμοκρασία σε συνάρτηση με τη σύσταση ενός δυαδικού ρευστού CO2 – Η2Ο σε πίεση 2 kbar.

ΠΕΤΡΟΓΕΝΕΣΗ ΜΕΤΑΜΟΡΦΩΜΕΝΩΝ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ Πορεία Μεταμορφικής Αντίδρασης 800 βολλαστονίτης + CO2 Αλλοχημική μεταμόρφωση: Η σύσταση του ρευστού καθορίζεται από κάποια εξωτερική πηγή 700 σύσταση εξωτερικής ρευστής φάσης ασβεστίτης + χαλαζίας 600 πορεία αλλοχημικής αντίδρασης (διήθηση) Θερμοκρασία (οC) Ισοχημική μεταμόρφωση: Η σύσταση του ρευστού καθορίζεται από τη σύσταση του πετρώματος 500 πορεία ισοχημικής αντίδρασης 400 P = 2 kbar 300 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 XCO2 Αρχική σύσταση ρευστής φάσης Τελική σύσταση ρευστής φάσης

ΠΕΤΡΟΓΕΝΕΣΗ ΜΕΤΑΜΟΡΦΩΜΕΝΩΝ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ Πορεία Μεταμορφικής Αντίδρασης Έστω ότι έχουμε ένα αρχικό πέτρωμα που περιέχει ασβεστίτη και χαλαζία και έχει ένα αρχικό όγκο πόρων 1%. Η ρευστή φάση που βρίσκεται στους πόρους του πετρώματος έχει σύσταση XCO2=0,01. Αν προσθέσουμε θερμότητα σ’ αυτό το πέτρωμα, στους 450οC, θα αρχίσει να σχηματίζεται βολλαστονίτης με βάση την αντίδραση. Με περαιτέρω αύξηση της θερμοκρασίας θα παράγεται συνεχώς βολλαστονίτης και η ρευστή φάση θα εμπλουτίζεται σε CO2 που επίσης παράγεται από την αντίδραση. Στους 600οC το πέτρωμα θα περιέχει την παραγένεση Cc+Qtz+Wo. Μπορεί να υπολογιστεί ο όγκος του βολλαστονίτη που παράγεται στους 600οC;

ΠΕΤΡΟΓΕΝΕΣΗ ΜΕΤΑΜΟΡΦΩΜΕΝΩΝ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ Πορεία Μεταμορφικής Αντίδρασης Υποθέτουμε ότι ο αρχικός όγκος του πετρώματος είναι 1000 cm3. Επειδή ο όγκος των πόρων είναι 1%, ο όγκος της ρευστής φάσης είναι 100 cm3. Στους 450οC και στα 2 kbar, Cc+Qtz βρίσκονται σε ισορροπία με ρευστή φάση σύστασης XCO2=0,01. Στους 600οC και στα 2 kbar, Cc+Qtz+Wo βρίσκονται σε ισορροπία με ρευστή φάση σύστασης XCO2=0,19. Από το διάγραμμα προβολής των ισόχωρων του H2O (βλ. παρακάτω) προκύπτει ότι στους 450οC και στα 2 kbar, ο μοριακός όγκος του H2O =24 cm3/mol

ΠΕΤΡΟΓΕΝΕΣΗ ΜΕΤΑΜΟΡΦΩΜΕΝΩΝ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ Πορεία Μεταμορφικής Αντίδρασης 10 9 πάγος VH2O cm3mol-1 8 16 7 17 18 6 19 Πίεση (kbar) 5 20 υγρό 22 4 25 3 30 2 40 50 υπερκρίσιμο ρευστό 1 κορεσμός ατμός 80 κρίσιμο σημείο 200 400 600 800 1000 Θερμοκρασία (οC)

ΠΕΤΡΟΓΕΝΕΣΗ ΜΕΤΑΜΟΡΦΩΜΕΝΩΝ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ Πορεία Μεταμορφικής Αντίδρασης Αρχική ρευστή φάση περιέχει 99 mol% H2O + 1 mol% CO2 (XCO2=0,01). Ο αριθμός των mol H2O στην αρχική ρευστή φάση θα είναι nο H2O=αρχικό όγκο ρευστών / όγκο του ενός mol H2O = 10 / 24 = 0,42 moles H2O Αρχικό XοCO2 = nοCO2 / (nοCO2 + 0,42) Τελικό XΤCO2 = nΤCO2 / (nΤCO2 + 0,42) Λύνοντας τις 2 αυτές εξισώσεις έχουμε: nοCO2 = 0,0042 και nΤCO2 = 0,0985

ΠΕΤΡΟΓΕΝΕΣΗ ΜΕΤΑΜΟΡΦΩΜΕΝΩΝ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ Πορεία Μεταμορφικής Αντίδρασης Άρα, τα moles CO2 που παράγεται από την αντίδραση είναι: ΔnCO2 = nΤCO2 - nοCO2 = 0,0985 – 0,0042 = 0,0943 moles Με βάση την αντίδραση CaCO3 + SiO2 = CaSiO3 + CO2 όσα moles CO2 παράγονται, τόσα moles Wo θα παράγονται. Άρα στα 1000 cm3 πετρώματος θα παράγονται 0,0943 moles Wo. Ο μοριακός όγκος του Wo είναι: Vo = 40 cm3 / mol Άρα ο όγκος του Wo που παράγεται είναι: V = μοριακός όγκος x αριθμό moles = 40 x 0,0943 = 3,77 cm3 (0,377 % κατ’ όγκο)

ΠΕΤΡΟΓΕΝΕΣΗ ΜΕΤΑΜΟΡΦΩΜΕΝΩΝ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ Πορεία Μεταμορφικής Αντίδρασης Όπως προκύπτει, ο όγκος του βολλαστονίτη που παράγεται από την αντίδραση CaCO3 + SiO2 = CaSiO3 + CO2 είναι πολύ μικρός (3,77 cm3 σε 1000 cm3 πετρώματος), τόσο που ο βολλαστονίτης ακόμη και κάτω από το μικροσκόπιο δεν θα μπορεί να αναγνωριστεί. Αν θεωρήσουμε τώρα ένα πέτρωμα με ασβεστίτη και χαλαζία, το οποίο περιέχει 20 % κατ’ όγκο βολλαστονίτη, το οποίο ισορρόπησε στους 600οC και στα 2 kbar. Όπως φαίνεται από τα παραπάνω, κατά την ισοχημική μεταμόρφωση, ο πραγματικός όγκος του βολλαστονίτη που θα παράγονταν θα έπρεπε να είναι μικρός.

ΠΕΤΡΟΓΕΝΕΣΗ ΜΕΤΑΜΟΡΦΩΜΕΝΩΝ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ Πορεία Μεταμορφικής Αντίδρασης Άρα, για να προκύψει ένα πέτρωμα πλούσιο σε βολλαστονίτη κάτω από αυτές τις συνθήκες, θα πρέπει να υπάρχει επίδραση μιας ρευστής φάσης πλούσιας σε H2O από κάποια εξωτερική πηγή. Πόσο H2O πρέπει όμως να προστεθεί στο πέτρωμα για να παραχθεί ο παρατηρούμενος όγκος βολλαστονίτη; Έχουμε: 20 % κατ’ όγκο Wo και ξέρουμε ότι ο μοριακός όγκος του Wo είναι Vo = 40 cm3 / mol Άρα, τα 20 % κατ’ όγκο Wo = 0,5 mol / 100 cm3 κι επομένως στα 1000 cm3 πετρώματος θα έχουμε 5 moles Wo.

ΠΕΤΡΟΓΕΝΕΣΗ ΜΕΤΑΜΟΡΦΩΜΕΝΩΝ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ Πορεία Μεταμορφικής Αντίδρασης Σύμφωνα όμως με την αντίδραση: CaCO3 + SiO2 = CaSiO3 + CO2 η παραγωγή 5 moles Wo θα συνοδεύονται από ταυτόχρονη παραγωγή 5 moles CΟ2. Η τελική μοριακή αναλογία XΤCO2 = 0,19 (από το διάγραμμα). Άρα, XΤCO2 = nΤCO2 / (nΤCO2 + nΤΗ2O) = 0,19 Λύνοντας την εξίσωση (nΤCO2 = 5 moles), βρίσκουμε nΤΗ2O = 21,315 moles H2O

ΠΕΤΡΟΓΕΝΕΣΗ ΜΕΤΑΜΟΡΦΩΜΕΝΩΝ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ Πορεία Μεταμορφικής Αντίδρασης Ο μοριακός όγκος του H2O (600οC, 2kbar) είναι: V = 31 cm3 (από διάγραμμα ισόχωρων H2O) Άρα ο συνολικός όγκος του H2O που αντέδρασε με το πέτρωμα είναι: VΗ2O = V x moles = 31 x 21,315 = 660,8 cm3 Επομένως, για να πάρουμε 20 % κατ’ όγκο Wo θα πρέπει να αντιδράσουν 660,8 cm3 με 1000 cm3 πετρώματος, σε Τ = 600οC και P = 2kbar. Αυτή είναι μια ελάχιστη τιμή όγκου H2O που απαιτείται, γιατί αν η ρευστή φάση είναι πλουσιότερη σε CO2, τότε απαιτείται μεγαλύτερος όγκος ρευστής φάσης.

ΠΕΤΡΟΓΕΝΕΣΗ ΜΕΤΑΜΟΡΦΩΜΕΝΩΝ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ Πορεία Μεταμορφικής Αντίδρασης Ας δούμε πώς μπορεί να κατανέμονται τα ορυκτά ασβεστίτης, χαλαζίας και βολλαστονίτης στο πέτρωμα.

ΠΕΤΡΟΓΕΝΕΣΗ ΜΕΤΑΜΟΡΦΩΜΕΝΩΝ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ Πορεία Μεταμορφικής Αντίδρασης Στην πρώτη περίπτωση, έχουμε ασβεστίτη + χαλαζία στο ανώτερο τμήμα και χαλαζία + βολλαστονίτης στο κατώτερο τμήμα. Τα δύο τμήματα έχουν παρόμοιες αναλογίες Ca/Si. Σε θερμοκρασία 600οC, τα ορυκτά του ανώτερου και κατώτερου τμήματος θα ισορροπούν με μία ρευστή φάση. Αυτή θα είναι πλουσιότερη σε CO2 στο ανώτερο τμήμα (Cc+Qtz).

ΠΕΤΡΟΓΕΝΕΣΗ ΜΕΤΑΜΟΡΦΩΜΕΝΩΝ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ Πορεία Μεταμορφικής Αντίδρασης Επομένως, αν υπάρχει ρευστή φάση στο πέτρωμα, αυτή θα πρέπει να είναι διαφορετικής σύστασης στα δύο τμήματά του κι έτσι τα ορυκτά του ανώτερου τμήματος (Cc+Qtz) δεν αποτελούν παραγένεση με αυτά του κατώτερου (Wo+Qtz). Τέτοιες «ασυνέχειες ρευστών» εμφανίζονται σε υδροθερμικές φλέβες, σε λεπτοστρωματώδη αδιαπέρατα μεταϊζήματα και σε άλλα χημικά ανομοιογενή πετρώματα

ΠΕΤΡΟΓΕΝΕΣΗ ΜΕΤΑΜΟΡΦΩΜΕΝΩΝ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ Πορεία Μεταμορφικής Αντίδρασης Στη δεύτερη περίπτωση, έχουμε την πραγματική παραγένεση ασβεστίτη + χαλαζία + βολλαστονίτη που είναι σταθερή σε οποιαδήποτε θερμοκρασία κατά μήκος της καμπύλης ισορροπίας της αντίδρασης (διάγραμμα). Σε οποιαδήποτε θερμοκρασία, τα τρία ορυκτά ορίζουν και τη σύσταση της ρευστής φάσης, την τιμή XCO2.

ΠΕΤΡΟΓΕΝΕΣΗ ΜΕΤΑΜΟΡΦΩΜΕΝΩΝ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ Πορεία Μεταμορφικής Αντίδρασης Στην τρίτη περίπτωση, είναι δύσκολο να ερμηνεύσουμε την κατανομή των ορυκτών. Μία εξήγηση είναι ότι υπήρχε μικρής κλίμακας ανομοιογένεια στη σύσταση των ρευστών, με το πλούσιο σε H2O να κινείται σε συγκεκριμένους, μικρής κλίμακας, δρόμους. Δύο μικρής κλίμακας διαδρομές διακρίνονται στην εικόνα. Σ’ αυτές τις θέσεις, ο ασβεστίτης και ο χαλαζίας αντέδρασαν με μία πλούσια σε H2O ρευστή φάση και έδωσαν βολλαστονίτη. (θεωρητική απεικόνιση)