Câu 2: Sự chuyển phase của khoáng chất olivine

Lớp phủ địa chất của Trái Đất chủ yếu được cấu thành bởi các khoáng chất silicate. Đóng góp lớn nhất là các silicate của Mg-Fe, đại diện tiêu biểu là khoáng chất olivine có công thức tổng quát là ( )− x 1 x 4 2 Mg Fe SiO . Tỉ lệ của Mg và Fe trong olivine biến đổi từ dạng giàu-magnesium (Mg2SiO4, forsterite) đến giàu-sắt (Fe2SiO4, fayalite), tạo thành một dãy đẳng cấu trong đó các cation magnesium và sắt có thể thay thế lẫn nhau trong cấu trúc tinh thể của olivine. Tỉ lệ Mg/Fe gây ảnh hưởng đáng kể đến các tính chất lí hóa của olivine, bao gồm cả nhiệt độ nóng chảy. Hình 1 là giản đồ phase biểu diễn sự thay đổi nhiệt độ nóng chảy của olivine.

Hình 1: Giản đồ phase thành phần-nhiệt độ của olivine. Sự chuyển phase trong các khoáng chất đẳng cấu là quá trình nhiều giai đoạn mà thành phần của các phần lỏng và rắn có thể đổi khác trong quá trình. a) Sử dụng giản đồ phase, hãy ước tính nhiệt độ tại đó bắt đầu (i) sự nóng chảy của olivine với 35% forsterite. (ii) sự hóa rắn của olivine với 65% forsterite.

Đun nóng olivine rắn chứa 35% forsterite trong một hệ kín (nghĩa là không có phần nào của olivine rời khỏi hệ) cho đến khi nó bắt đầu nóng chảy, và tiếp tục đun nóng cho đến khi olivine ở trạng thái lỏng.

b)

(i) Ước tính nhiệt độ tại đó tỉ lệ olivine lỏng/rắn là 1:1. (ii) Ước tính thành phần phase rắn của olivine được xác định ở ý (i)b. Nhiệt độ và áp suất trong lòng Trái Đất tăng theo độ sâu, do đó các silicate Mg-Fe khác nhau thì bền ở các độ sâu khác nhau. Hệ quả là olivine tồn tại ở một số dạng khác nhau trong lớp phủ địa chất –chúng có cùng thành phần hóa học nhưng khác về cấu trúc tinh thể. c) Sử dụng các tính toán cần thiết, hãy thiết lập công thức của dạng olivine phổ biến nhất trong lớp phủ địa chất, biết nó chiếm 29.76% Mg về khối lượng. Ở áp suất cực kì cao, olivine có công thức tổng quát M2SiO4 không còn bền và bị chuyển thành perovskite (silicate Mg-Fe) và oxide. Hình 2 biểu diễn cấu trúc ô mạng đơn vị của perovskite. Các quả cầu lớn đại diện cho các cation kim loại (Fe, Mg), các quả cầu nhỏ hơn đại diện cho các nguyên tử Si, còn những quả cầu nhỏ nhất là các nguyên tử oxygen.

Hình 2: Ô mạng đơn vị perovskite.

d)

(i) Xác định công thức tối giản của perovskite. (ii) Viết phương trình phản ứng có cân bằng cho chuyển hóa M2SiO4 → perovskite + oxide, sử dụng kí hiệu tổng quát M cho tất cả các cation kim loại. Hình 3 biểu diễn giản đồ phase của các khoáng olivine trong khoảng nhiệt độ và áp suất trong lớp phủ địa chất. Khối lượng riêng của các phase khác nhau của (Mg, Fe)2SiO4 được cho trong bảng dưới đây.

Phase olivine Khối lượng riêng (g·cm3)

-olivine 3.25

-olivine 3.84

-olivine 3.90

e) Sử dụng thông tin đã cho ở trên, hãy điền vào các vùng tương ứng trong giản đồ phase dưới đây tên của phase olivine phù hợp (

   + perovskite oxide-olivine; -olivine; -olivine; )

Hình 3: Giản đồ phase nhiệt độ-áp suất của olivine. Tốc độ sóng địa chấn trong các trận động đất phụ thuộc vào cấu trúc của các loại khoáng chất mà sóng đi qua. Các đo lường địa chấn chỉ ra rằng lớp phủ địa chất có độ sâu thăng giáng vận tốc –tại đó tốc độ sóng thay đổi đột ngột. Đó là các độ sâu z1 = 410 km và z2 = 660 km.

f)

(i) Biết rằng sự gia tăng áp suất 1 Gpa thì tương ứng với trung bình 29 km, hãy ước lượng những quá trình chuyển phase tương ứng với mỗi độ sâu thăng giáng vận tốc. (ii) Tính gradient nhiệt độ của lớp phủ địa chất (biến thiên nhiệt độ khi độ sâu gia tăng) và vẽ vào giản đồ phase.

Hướng dẫn

a) (i) Olivine có 35% forsterite bắt đầu nóng chảy ở 1355 (± 15) °C. (i) Olivine lỏng có 65% forsterite bắt đầu đóng rắn ở 1740 (± 15) °C. b) (i) Xem hình. Ở nhiệt độ có tỉ lệ 1:1 giữa phase lỏng và rắn, đường đại diện cho 35% forsterite phải cách đều các phase lỏng và rắn. Tỉ lệ chất lỏng và rắn là 1:1 ở 1430 (± 15) °C. (ii) Thành phần của phần rắn ở 1430 oC là 50 (± 5)% forsterite, nghĩa là trong công thức tổng quát thì x = 0.5.

c)

Mg  2x M ( )  + − + +Mg Fe Si O 2x M 2 1 x M M 4M  =  = 100% 29.76% x 0.9

d) (i) MSiO3; ii) → +2 4 3 M SiO MSiO MO

e)

f) (i) z1 = 410 km tương ứng với 14.1 GPa, z2 = 660 km tương ứng với 22.8 GPa. Những quá trình chuyển phase tương ứng là  → -olivine -olivine (410 km) và  +→ perovskite oxide-olivine (660 km).

(ii)

dT 1960 K 1590 K 1.48 1.5 K km 1 dz 660 km 410 km