Cristalización Fraccionada: Procesos y Diagramas de Fase en Sistemas Magmáticos

Cristalización Fraccionada

La cristalización fraccionada es uno de los procesos geoquímicos y físicos más importantes que operan dentro de la corteza terrestre y el manto. Se define como la remoción y segregación (separación), desde el magma, de los cristales minerales que se han formado. La remoción de estos cristales cambia la composición del magma.

Proceso de Cristalización

1. El fraccionamiento y cambio de composición del magma, debido a la cristalización, se produce en un amplio rango de temperaturas y presiones.
2. Varios minerales cristalizan en un mismo rango de temperatura. Se conocen como minerales asociados, por ejemplo: olivino-labradorita; olivino-diopsita; oligoclasa-ortoclasa. Por esta misma razón, otros minerales raramente estarán juntos, por ejemplo: oligoclasa-olivino; olivino-albita; moscovita-labradorita.
3. El número de minerales aumenta a medida que disminuye la temperatura.
4. Los minerales se forman secuencialmente, pero con considerable superposición.
5. Los minerales que cristalizan (así como la secuencia completa) dependen de la temperatura, presión y composición del magma.
6. La naturaleza y la presión de los volátiles pueden afectar los minerales y su secuencia de cristalización.
7. A medida que procede la cristalización del magma, existe una tendencia a mantener el equilibrio entre las fases sólida y líquida.

Definiciones

Componente: Elemento o compuesto químico reconocible (ej. Si, Fe, Al, SiO₂, NaCl).

• Un sistema binario contiene dos componentes.
• Un sistema terciario contiene tres componentes.

Fase: Sustancia homogénea, con un conjunto de propiedades físicas y químicas bien definidas. Área o zona de composición fisicoquímica uniforme.

Una fase puede contener uno o más componentes.

Diagramas de Fase: Son mapas de fases de equilibrio, asociadas con varias combinaciones de composición, temperatura y presión.

Límite de Solubilidad de un Componente en una fase: Es la máxima cantidad del componente que se puede disolver en la fase.

• Ejemplo: El alcohol tiene solubilidad ilimitada en el agua. La sal (NaCl) tiene solubilidad limitada en el agua.

Solución Sólida: Es una solución homogénea de una sustancia en otra. Involucra dos o más componentes isomorfos, que forman series, en continuo cambio de propiedades fisicoquímicas.

Sistema: Series de posibles combinaciones, compuestos y mezclas resultantes desde los mismos componentes. Ejemplo: Si-O, Al-O

Equilibrio de un Sistema: Es la configuración estable del sistema, cuando, después de un tiempo suficiente, no se producen más cambios. El equilibrio puede ocurrir rápido (segundos), o puede requerir miles de años, tiempo geológico.

Tipos de Solución Sólida

1. Solución Sólida Substitucional
   1. Substitución simple, catiónica o aniónica: e.g., olivino (Mg,Fe)₂SiO₄; esfalerita (Fe,Zn)S
   2. Substitución acoplada: e.g., plagioclasa (Ca,Na, K)Al_(1-2)Si_(3-2)O₈ (Ca²⁺ + Al³⁺ = Na⁺ + Si⁴⁺)
2. Solución Sólida Intersticial: Presencia de iones y moléculas dentro de grandes espacios vacíos en algunos minerales (e.g., berilio, zeolita).
3. Solución Sólida por omisión: Intercambio de un catión con alta carga, por dos o más cationes con menor carga, crea una vacante (e.g., pirrotita-Fe_(1-x)S).

Reglas de Fases

Fueron desarrolladas por J.W. Gibbs y se expresan como:

P + F = C + 2 o F = C - P + 2

• C = Número de componentes del sistema
• P = Máximo número de fases en equilibrio
• F = Grados de libertad del sistema (*)

(*) Es el número de factores variables en un sistema, por ejemplo: temperatura, presión y concentración de los componentes.

P = C Regla de fase mineralógica - Goldschmidt (1912)