Калугин В.М. Роль ликвации при кристаллизации природных и техногенных алюмосиликатных расплавов
Подождите немного. Документ загружается.
На правах рукописи
КАЛУГИН Валерий Михайлович
РОЛЬ ЛИКВАЦИИ ПРИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ПРИРОДНЫХ
И ТЕХНОГЕННЫХ АЛЮМОСИЛИКАТНЫХ РАСПЛАВОВ
Специальность 25.00.04 – петрология, вулканология
Автореферат
диссертации на соискание учёной степени
кандидата геолого-минералогических наук
НОВОСИБИРСК 2002
Работа выполнена в Институте геологии Сибирского отделения Российской
Академии Наук
Научный руководитель доктор геолого-минералогических наук
В.А. Кутолин
Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук
В.В. Рябов
кандидат химических наук
Л.Д. Кригман
Ведущая организация: Институт экспериментальной
минералогии РАН, Черноголовка
Московской области
Защита состоится « 30 » мая 2002 г. в 10 часов
на заседании диссертационного совета Д 003.050.06 при Объединённом
институте геологии, геофизики и минералогии им. акад. А.А. Трофимука
СО РАН, в конференц-зале.
Адрес: 630090, Новосибирск, пр. академика Коптюга, 3
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИГГМ СО РАН
Автореферат разослан « 26 » апреля 2002 г.
Учёный секретарь диссертационного совета,
д. г.- м. н. Ф.П. Леснов
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность исследований. Гипотеза о ликвации расплава как о важном
петрогенетическом процессе была выдвинута более ста лет назад (Zirkel,
1876; Rosenbusch, 1887). Однако, несмотря на огромный опыт,
накопленный в теоретической и экспериментальной петрологии, спор о
роли этого явления и его месте в эволюции магматических расплавов
продолжается до сих пор. Поскольку так и не было продемонстрировано ни
одной пары горных пород, образовавшихся из двух несмешивающихся
алюмосиликатных жидкостей, значение силикатной несмесимости для
петрогенезиса в настоящее время подвергается сомнению. Тем не менее,
имеются многочисленные экспериментальные доказательства стабильной
несмесимости в многокомпонентных алюмосиликатных системах, и
находятся всё новые факты, свидетельствующие о ликвации расплава при
формировании магматических горных пород. В частности, было доказано,
что несмесимость может возникать не только на заключительных этапах
кристаллизации с возникновением двух контрастных стекол в мезостазисе
(Рябов, 1989; Roedder, Weiblen, 1970; Philpotts, 1982), но и на ранних этапах
эволюции расплава с образованием вариолитовых пород (Gelinas et al.,
1976).
Обсуждение явления ликвации традиционно велось в двух
направлениях: происходит ли вообще ликвация в магматическом расплаве,
и могут ли в результате этого процесса образоваться те или иные горные
породы. При этом совершенно упускалась из вида проблема
кристаллизации расслоившегося расплава. Очевидно, что после появления
второй алюмосиликатной жидкости кристаллизация продолжается из
двухфазного расплава. В петрологических исследованиях этот факт
игнорируют, а при изучении пород с ликвационными структурами
кристаллизацию двухфазного расплава либо не рассматривают вообще,
либо рассматривают как два независимых процесса кристаллизации двух
независимых гомогенных расплавов. В предложенной работе делается
попытка восполнить этот пробел и показать, как происходит формирование
горных пород в случае возникновения силикатно-силикатной
несмесимости.
Цель работы - рассмотреть процесс кристаллизации двухфазного
алюмосиликатного расплава и выявить особенности морфологии и состава
индивидов и характер агрегатов, образующихся в условиях силикатной
несмесимости. Для этого были поставлены и решены следующие задачи.
1.`На основе представлений о структуре силикатного расплава и
анализе фазовых диаграмм обосновано существование поля стабильной
низкотемпературной несмесимости в многокомпонентных
алюмосиликатных системах.
1
2.`Изучена эволюция расплава при кристаллизации парабазальтов –
техногенных пород основного состава, формировавшихся в условиях
ликвации.
3. Выявлены особенности морфологии и состава минералов,
кристаллизовавшихся из двух сосуществующих алюмосиликатных
жидкостей.
4. Рассмотрен порядок выделения минеральных фаз и характер
агрегатов, возникающих в условиях несмесимости. Дана интерпретация
структуры глобулярных лампрофиров и гранитов рапакиви в рамках
представлений о кристаллизации в условиях ликвации.
Научная новизна. Сделан анализ явления несмесимости в простых
алюмосиликатных системах как структурного преобразования расплава.
Предложен новый вариант группировки компонентов псевдотройной
системы, позволяющий прогнозировать положение области стабильной
низкотемпературной несмесимости в многокомпонентных силикатных
системах, соответствующих магматическим расплавам нормальной
щелочности. Впервые на примере техногенных пород основного состава
выявлены особенности минеральных индивидов, формировавшихся в
условиях ликвации. Показана возможность применения представлений о
ликвации для интерпретации структурно-текстурных особенностей горных
пород и эволюции расплава в процессе кристаллизации. Предложены
критерии, позволяющие отличить структуры, возникшие в результате
ликвации, от похожих структур, образовавшихся в результате других
процессов.
Фактический материал был собран автором в ходе исследований
пирометаморфических пород из отвалов Челябинского угольного бассейна
за период 1998-2001 гг. Проанализировано 20 образцов исходных и
плавленных пород, изучено 40 шлифов, выполнено 450 микрозондовых
анализов минералов и стекол, получено более 30 снимков на сканирующем
электронном микроскопе, получены характеристические спектры для 150
точек.
Основные защищаемые положения.
1. Область стабильной низкотемпературной несмесимости в
алюмосиликатных системах возникает в результате пересечения поля
метастабильной ликвации котектической кривой тридимит – силикатная
или оксидная фаза. Достаточным условием ее появления в
многокомпонентных системах является наличие FeO и K
2
O, которые
обеспечивают понижение температуры котектики оливина с тридимитом до
1178-990°С. Присутствие в природных магматических расплавах других
компонентов, понижающих температуру эвтектики и прилегающих
котектик, способствует появлению стабильной низкотемпературной
несмесимости во многих из них.
2
2. Составы большинства магматических пород и их родоначальных
магм лежат в стороне от области стабильной несмесимости. Поэтому они
не могли образоваться в результате ликвации. Тем не менее, при изменении
состава расплава в процессе кристаллизации нередко достигается граница
области стабильной низкотемпературной несмесимости, и происходит
распад жидкости на две фазы. Поскольку дальнейшая кристаллизация
происходит из двухфазного расплава, ликвация оказывает
непосредственное влияние на структуру агрегатов, состав отдельных
минералов и минеральных ассоциаций в горных породах.
3. При кристаллизации двухфазного расплава образуется единая
минеральная ассоциация, каждый член которой при заданной температуре
находится в равновесии с обеими жидкостями. Влияние ликвации
выражается в появлении индивидов неправильной формы, наследующих
эмульсионный рисунок двухфазной жидкости, избирательном захвате
одной из жидкостей в виде включений и пятнистом распределении
компонентов в минералах переменного состава. Если размер капель одной
из жидкостей превышает размер кристаллов в породе, то формируются
глобулярные, вариолитовые и подобные им структуры.
Практическая значимость. Выявлены особенности морфологии и
химического состава минералов, свидетельствующие об их кристаллизации
из двухфазного расплава. На основе анализа взаимоотношений минералов и
порядка их появления в минеральном агрегате предложены критерии,
позволяющие отличить структуры, возникшие в результате ликвации, от
похожих структур, образовавшихся в результате других процессов.
Апробация работы. Основные положения работы были представлены в
виде устных и стендовых докладов на трех российских и четырех
международных конференциях. Среди них XVIII Всероссийская молодежная
конференция «Геология и геодинамика Евразии» (Иркутск, 1999),
Международная конференция по минералогии, петрологии и геохимии –
MinWien 1999 (Вена, 1999), XI конференция Европейского геологического
союза - EUG XI (Страсбург, 2001), конференция «Минералогия техногенеза-
2001» (Миасс, 2001), Международная конференция «Кристаллогенезис и
минералогия» (Санкт-Петербург, 2001), VIII и IX Международные
конгрессы по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии
(Бергамо, 2000; Цюрих, 2002). По теме диссертации опубликовано 6 статей и
тезисы 14 докладов.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав
и заключения, изложена на 110 страницах, содержит 23 таблицы и 42
рисунка. Список литературы включает 150 наименований.
Работа осуществлена в рамках НИР лаборатории петрогенезиса и
3
рудоносности магматических формаций Института геологии СО РАН, при
финансовой поддержке РФФИ, (грант № 01-05-65060, «Кристаллизация
горных пород в условиях ликвации расплава»), и дирекции ОИГГиМ
(грант ВМТК №`1754, «Особенности кристаллизации породообразующих
минералов в породах с признаками силикатно-силикатной несмесимости
расплава»).
Автор выражает глубокую признательность своему научному
руководителю д.г.-м.н. В.А.`Кутолину и к.г.-м. Э.В.`Сокол за поддержку на
всех этапах выполнения работы, а также д.г.-м.н. Б.В.`Чеснокову,
предоставившему образцы горелых пород. Успешному выполнению
работы способствовали консультации докторов г.-м. наук Г.Г.`Лепезина,
В.Н.`Шарапова, В.В.`Рябова, А.Э.`Изоха, М.П.`Мазурова, В.И.`Буданова и
доктора хим. наук В.`Быкова. Автор благодарен за сотрудничество и
помощь к.г.-м.н. Е.Н.`Нигматулиной, Н.И.`Волковой, В.В`Шарыгину,
А.Э.`Френкелю, Н.В.`Максимовой, Р.А.Шелепаеву и Я.Л.`Лукьянову.
Автор выражает искреннюю признательность докторам г.-м. наук
В.С.`Попову, Э.С.` Персикову, И.В.`Векслеру и кандидату хим. наук
Л.Д.`Кригману за обсуждение основных положений работы. Особо хочется
поблагодарить за помощь и поддержку д.г.-м.н. Г.П.Зарайского.
Глава 1. ЛИКВАЦИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ
АЛЮМОСИЛИКАТНЫХ РАСПЛАВОВ
Явление ликвации как структурное преобразование силикатного
расплава. В настоящее время известно, что алюмосиликатный расплав
обладает определенной структурой, основой которой являются
тетраэдрические группы [SiO
4
]
4-
, образующие в отсутствие других катионов
бесконечный трехмерный каркас с сильными ковалентными связями между
звеньями. Встраивание катионов-модификаторов приводит к появлению
более слабых ионных связей и вызывает деполимеризацию каркаса
(Анфилогов, Быков, 1999; Mysen, 1988; Structure…, 1995).
Распределение сеткообразователей и модификаторов в структуре
расплава не является статистическим, что нашло отражение в
представлениях о микрогетерогенном строении расплавов (Лебедев, 1921;
Есин, Гельд, 1966). В одной из ранних версий полианионной модели
структура расплава представлялась в виде деполимеризованной матрицы, в
которую погружены «айсберги» каркаса (Bockris et al., 1956). С
понижением температуры степень дифференциации структурных
элементов между полимеризованными и деполимеризовванными участками
возрастает, что и приводит к распаду жидкости на две фазы. После
фазового разделения структура од-
4
ной из жидкостей приближается к структуре бесконечного каркаса и всё
больше полимеризуется. В то время как структура второй жидкости
стремится к структуре ортосиликата и всё больше деполимеризуется.
Это характерно для всех бинарных систем кремнезём-
модифицирующий окисел. Во всех системах такого типа области
несмесимости имеют одинаковую форму и находятся между составом SiO
2
,
являющимся бесконечным кремнекислородным каркасом, и ортосиликата с
предельно деполимеризованной структурой. Таким образом, несмесимость
характерна для всех силикатных расплавов, структура которых является
промежуточной между структурами бесконечного каркаса и ортосиликата,
а распад на две несмешивающиеся силикатные жидкости является
следствием структурного преобразования расплава, которое выражается в
перераспределении элементов между полимеризованными и
деполимеризованными участками.
Не все элементы, являющиеся модификаторами в двойных системах с
кремнезёмом, остаются модификаторами в многокомпонентных системах.
Характерным примером является Al, добавка которого к расплавам SiO
2
–
модифицирующий окисел приводит к резкому падению температуры
ликвации и уменьшению ширины области несмесимости (рис. 1). Катионы
Al
3+
способны формировать комплексы, подобные [SiO
4
]
4-
-тетраэдрам. Но
для этого необходима компенсация заряда, которая достигается путем
образования алюминатных комплексов R
+
[AlO
4
]
4-
или R
0.5
2+
[AlO
4
]
4-
,
играющих ту же сеткообразующую роль, что и тетраэдры [SiO
4
]
4-
(Варшал и
др., 1970). Если другие катионы-модификаторы отсутствуют, то
алюминатные комплексы не образуются, и катионы Al
3+
остаются
модификаторами. Поэтому падение температуры ликвации происходит как
при добавлении Al
2
O
3
в систему SiO
2
-RO, так и при добавлении RO в
систему SiO
2
-Al
2
O
3
(рис.1). При этом минимальная ширина области
несмесимости и минимальная температура распада характерны для
составов с равными мольными долями Al
2
O
3
и R
х
O, в которых все
модификаторы связаны в алюминатные комплексы (Варшал и др., 1970).
Экспериментальное изучение несмесимости в тройных силикатных
системах с глинозёмом показало, что, как и в двойных системах, положение
и размеры областей несмесимости в них очень близки (рис.1), что легко
объясняется с точки зрения структурной позиции катионов и подтверждает
сделанный ранее вывод о ликвации, как о структурном преобразовании
силикатного расплава.
Способностью к образованию комплексов, подобных алюминатным,
обладают также Fe
3+
, Ti
3+
и Cr
3+
, которые в присутствии низковалентных
5
Рис.`1. Области несмесимости в тройных системах RO-Al
2
O
3
-SiO
2
(Галахов и др., 1976; 1985).
Линией SiO
2
-Mg
0.5
[AlO
4
]
4-
обозначена область составов, в которой все модификаторы связаны в
алюминатные комплексы.
катионов-модификаторов становятся сеткообразователями. Следовательно,
по своей роли в структуре силикатного расплава все элементы можно
разделить на три группы. К первой относятся элементы, которые всегда
являются сеткообразователями: Si, P и Ti
4+
. Ко второй – низкозарядные
катионы, всегда играющие роль модификаторов: K, Na, Ca, Fe
2+
, Mg и др. К
третьей - трехвалентные катионы Al
3+
, Fe
3+
, Cr
3+
и Ti
3+
, которые способны
играть роль как модификаторов, так и сеткообразователей.
Разбив все компоненты алюмосиликатного расплава на три группы, и
учитывая сходство областей несмесимости в тройных системах с
глинозёмом, можно предположить, что область несмесимости в
многокомпонентной системе будет подобна приведенной на рисунке 1 и
перейти к обсуждению проблемы появления стабильной
низкотемпературной несмесимости в многокомпонентных системах.
6
2 0
4 0
6 0 8 0
S i O
2
M g O
A l
2
O
3
1
8
0
0
°
1
6
0
0
°
1
4
0
0
°
1
2
0
0
°
1
1
0
0
°
1
1
0
0
°
2 2 0 0 °
1
2
0
0
°
1 3 0 0 °
M g
0 . 5
[ A l O
4
]
4 -
2 0
4 0
6 0 8 0
S i O
2
B a O
A l
2
O
3
1 3 0 0 °
1 1 0 0 °
8
0
0
°
1
0
0
0
°
1
2
0
0
°
1 4 7 0 °
2 0
4 0
6 0 8 0
S r O
A l
2
O
3
1 9 1 7 °
1 1 0 0 °
1 3 0 0 °
1
5
0
0
°
1
3
0
0
°
1
1
0
0
°
1
0
0
0
°
2 0
4 0
6 0 8 0
C a O
A l
2
O
3
1
4
0
0
°
1
2
0
0
°
1
1
0
0
°
1 9 6 0 °
1 3 0 0 °
1
0
0
0
°
Диаграмма псевдотройной системы как способ отображения
ликвационных явлений в многокомпонентных алюмосиликатных
расплавах. Первую попытку перехода от простых систем к
многокомпонентным предпринял Дж.`Грэйг (Greig, 1927). Он объединил
области несмесимости из нескольких тройных систем на диаграмме SiO
2
–
(MgO+FeO+CaO+SrO) – (Al
2
O
3
+Na
2
O+K
2
O). Позже на диаграмму Грэйга
была вынесена проекция области низкотемпературной несмесимости,
открытая Э.`Рёддером в системе Lc-Fa-SiO
2
(Roedder, 1951), и ко второму
компоненту добавлены Fe
2
O
3
, TiO
2
, P
2
O
5
и MnO (Naslund, 1983). Благодаря
использованию модифицированного варианта диаграммы Грэйга было
обнаружено, что все двухфазные стекла земных и лунных базальтоидов
попадают на границу низкотемпературного поля двух жидкостей в области
её температурных минимумов (Рёддер, 1983).
Однако, группировка компонентов диаграммы Грэйга, как в
первоначальном варианте (Greig, 1927), так и в последующих
модификациях (Philpotts, 1979; Naslund, 1983), не позволяет сопоставить её
ни с важнейшими диаграммами плавкости алюмосиликатных систем, ни с
фазовыми диаграммами, полученными при изучении метастабильной
несмесимости в стеклах. Для выявления закономерности проявления
несмесимости в многокомпонентной системе необходимо сгруппировать
компоненты в соответствии с их позицией в структуре алюмосиликатного
расплава, как это было сделано выше. В этом случае псевдотройная система
примет вид: чистые сеткообразователи – чистые модификаторы –
модификаторы, встроенные в каркас: [NO
4
]
4-
– R
x
O – (R
+
,R
0.5
2+
)[R
3+
O
4
]
4-
, где
N – катионы-сеткообразователи, R – катионы-модификаторы.
Предложенная группировка компонентов, во-первых, позволяет
предсказать примерное положение и размер области несмесимости в любой
многокомпонентной системе по аналогии с тройными системами с
глинозёмом (рис.`1), и, во-вторых, - совместить предполагаемую
бинодальную поверхность с петрологически важными диаграммами
плавкости (рис.`2).
Появление области стабильной низкотемпературной
несмесимости в многокомпонентных алюмосиликатных системах,
соответствующих природным магмам. Для эволюции природных магм
какое-либо значение может иметь только стабильная несмесимость. Поле
стабильной высокотемпературной несмесимости (>1690°С) имеется во
многих силикатных системах, но условия её проявления нереальны для
магматических расплавов (Greig, 1927). Поле стабильной
низкотемпературной (1250-1110°С) несмесимости (Visser, Kostrer van
Groos, 1979a) имеется лишь в системе Lc-Fa-SiO
2
(Roedder, 1951) и
отсутствует в близких по топологии
7
системах с Mg и Ca. Возникает вопрос, в чем причина появления
стабильной низкотемпературной несмесимости в системе Lc-Fa-SiO
2
?
R
x
AlSi
2
O
6
KAlSi
2
O
6
NaAlSi
2
O
6
Ca
0.5
AlSi
2
O
6
R
x
SiO
4
Fe
2
SiO
4
Mg
2
SiO
4
(Mg,Fe)
2
SiO
4
CaFeSiO
4
CaMgSiO
4
RAl
1+x
Si
3-x
O
8
CaAl
2
Si
2
O
8
NaAlSi
3
O
8
KAlSi
3
O
8
R
x
Si
2
O
6
Mg
2
Si
2
O
6
Fe
2
Si
2
O
6
(Mg,Fe)
2
Si
2
O
6
CaMgSi
2
O
6
CaFeSi
2
O
6
Рис.`2. Положение предполагаемой области несмесимости в петрологически важных тройных
алюмосиликатных системах. Список возможных компонентов этих систем приведен справа,
контуры - намечены толстыми линиями на диаграмме слева. В качестве примера использована
область несмесимости в системе MgO-Al
2
O
3
-SiO
2
(Галахов и др., 1976).
Область стабильной низкотемпературной несмесимости в системе Lc-
Fa-SiO
2
находится над котектикой тридимит-фаялит. Эта котектика
пересекает метастабильное поле двух жидкостей, в результате чего часть
этого поля оказывается над поверхностью ликвидуса (рис.`3). Данная
котектика находится в температурном интервале 1178-1110°С. В системе
Lc-Fo-SiO
2
температура котектики протоэнстатит-SiO
2
существенно выше
(1543-1450°С). Поэтому она не может пересечь бинодальную поверхность и
несмесимость в этой части диаграммы остается метастабильной. То же
самое можно сказать и о системе Lc-Di-SiO
2
, в которой температура
котектики диопсид-тридимит также слишком высока (1380-1250°С). Таким
образом, стабильная низкотемпературная несмесимость возникает лишь в
тех системах, в которых температура котектики с полиморфными
модификациями
8
2 0
4 0
5 0 6 0 7 0 8 0 9 0
S i O
2
R
x
O
A l
2
O
3
1
8
0
0
°
1
6
0
0
°
1
4
0
0
°
1
2
0
0
°
1
1
0
0
°
1
1
0
0
°
2 2 0 0 °
1
2
0
0
°
1 3 0 0 °
R
x
S i O
4
R
x
A l S i
2
O
6
1
0
0
0
°
R
x
A l S i
3
O
8
R
x
A l
2
O
4
SiO
2
достаточно низка для пересечения с бинодальной померхностью.
Среди тройных алюмосиликатных систем только система Lc-Fa-SiO
2
удовлетворяет этому условию, и поэтому только в ней имеется область
стабильной низкотемпературной несмесимости.
Рис.`3. Пересечение котектической кривой тридимит-фаялит и бинодальной поверхности с
появлением области стабильной низкотемпературной несмесимости в системе Lc-Fa-SiO
2
(Рёддер, 1983).
Природные магматические расплавы всегда содержат некоторое
количество железа, калия и других компонентов, понижающих температуру
эвтектики и прилегающих котектик. Следовательно, появление области
стабильной низкотемпературной несмесимости в многокомпонентных
системах должно быть закономерным явлением. Это неоднократно
подтверждалось экспериментально. Добавление других компонентов в
систему Lc-Fa-SiO
2
не приводит к исчезновению стабильной несмесимости,
хотя и влияет на температуру распада и ширину поля двух жидкостей
(Бобылев и др., 1987; 1988; Visser, Koster van Groos, 1979b; Naslund, 1983).
Другим свидетельством наличия стабильной несмесимости в
многокомпонентных системах является постоянство составов
сосуществующих стекол из различных пород Земли и Луны. Во всех
известных случаях сосуществующие стекла близки железистому
пироксениту и калиевому граниту (Рёддер,
9
1983). Они всегда находятся на границе предполагаемой области
стабильной несмесимости вблизи её температурных минимумов (рис.`4).
Рис. 4. Составы сосуществующих стекол из различных пород Земли и Луны в псевдотройной
системе, построенной в соостветствии со структурной позицией катионов в расплаве, (N –
сеткообразователи, R – модификаторы в мол.%).
1 – составы стекол; 2 – валовые составы пород; A – парабазальты; Б – оливиновые и щелочные
базальты (Philpotts, 1982); В – лунные базальтоиды (Roedder, Weiblen, 1970; 1971); Г`–
интрузивные траппы Сибирской платформы (Рябов, 1989). Линией показана изотерма 1000°С
поля метастабильной несмесимости в системе MgO-Al
2
O
3
-SiO
2
(Варшал и др., 1970),
заштрихованная область – поле стабильной низкотемпературной несмесимости над
котектикой тридимит-фаялит в системе Lc-Fa-SiO
2
(Roedder, 1951).
Эволюция магматических расплавов при кристаллизации с
ликвационными явлениями. Составы абсолютного большинства
магматических пород лежат в стороне от области низкотемпературной
несмесимости, поэтому их родоначальные магмы не могут быть ликватами
(Рёддер, 1983). Однако в процессе кристаллизации основные расплавы
могут менять свой состав по направлению к области стабильной
низкотемпературной несмесимости, что должно привести к ликвации. Это
было продемонстрировано на примере Рэтлснейкхилского силла (Philpotts,
1979) и Скергаардской интрузии (McBirney, 1975), существование
несмесимости в поздних дифференциатах которой было доказано
экспериментально (McBirney, Nakamura, 1974). Эволюция расплава по
направлению к области несмесимости была
10
(R
+
,R
2+
0.5
)
2
O
(R
+
,R
2+
0.5
)[R
3+
O
4
]
4-
[NO
4
]
4-
5 0 7 0 9 0
2 0
4 0
6 0
8 0
1
2
7 0 9 0
2 0
4 0
6 0
8 0
1
0
0
0
°
7 0 9 0
2 0
4 0
6 0
8 0
1
0
0
0
°
7 0 9 0
2 0
4 0
6 0
8 0
1
0
0
0
°
1
0
0
0
°
А Б В Г
1 6 9 0 ± 1 0 ° C
1 1 7 8 ± 2 ° C
1 1 4 0 ° C
1 1 4 0 ° C
I
P
C
D
H
L c
F a
T r
C r
K f s
T w o
l i q u i d s
T w o
l i q u i d s
F a
L c K f s
Р а з р е з п о л и н и и I H
1 0 0 0
1 2 0 0
1 4 0 0
1 6 0 0
1 8 0 0
IPCDH
T w o
l i q u i d s
S i O
2
T ° C
показана также для пород ферроисландитовой, андезитовой и
щелочнобазальтовой серий Исландии, Гавайских островов, Таити,
Кергелена, Уганды и Сибирской
платформы (Маракушев, 1988).
Рис. 5. Четыре этапа эволюции расплава
при кристаллизации с ликвационными
явлениями (пояснения в тексте).
Закрашенная область показывает
положение составов большинства
магматических пород (Рёддер, 1983).
Масштаб искажен для наглядности.
Эволюцию расплава при
кристаллизации с
ликвационными явлениями
можно разделить на 4 этапа
(рис.`5). 1 этап – изменение
состава расплава в процессе
кристаллизации по направлению
к области несмесимости. 2 этап –
кристаллизация двухфазного
расплава, в котором
сосуществующие жидкости
меняют свой состав вдоль
бинодальной кривой. 3 этап – монотектическая реакция, в ходе которой
происходит кристаллизация двух жидкостей состава А
1
и А
2
при
постоянной температуре. В результате монотектической реакции вся
жидкость состава А
1
должна быть израсходована с образованием твердой
фазы и дополнительного количества жидкости А
2
. 4 этап – котектическая и
эвтектическая кристаллизация гомогенной кислой жидкости.
Глава 2. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ ДВУХФАЗНОГО АЛЮМОСИЛИКАТНОГО
РАСПЛАВА НА ПРИМЕРЕ ПАРАБАЗАЛЬТОВ
Парабазальтами мы называем техногенные кристаллические породы
основного состава, возникшие в результате плавления смеси терригенно-
карбонатных пород горелых терриконов Челябинского буроугольного
бассейна. Эти породы по многим признакам неотличимы от природных
базальтоидов. Они имеют промежуточный состав между
высокоглинозёмистыми и ферробазальтами (табл. 1), характерный набор
породообразующих минералов и типичную офитовую, реже
пойкилоофитовую структуру. Главными минералами парабазальтов (более
90 об. %) являются плагиоклаз, оливин и клинопироксен, второстепенными
– титаномагнетит, апатит, кирштейнит, лейцит, калишпат и сульфиды.
Парабазальты содержат сосу-
11
(R
+
,R
2+
0.5
)
2
O
(R
+
,R
2+
0.5
)[R
3+
O
4
]
4-
[NO
4
]
4-
ществующие стекла контрастных составов в мезостазисе и в расплавных
включениях в минералах, свидетельствующие о ликвационных явлениях в
процессе их кристаллизации.
Таблица 1. Xимический состав парабазальтов
Образе
ц
КР КР-5 О107 42-15 4217-1 4217-2 4217-3
SiO
2
45.65 44.06 37.78 44.46 43.32 50.07 54.75
TiO
2
1.07 0.93 0.94 1.01 0.73 0.94 0.91
Al
2
O
3
17.91 17.26 14.46 17.17 16.29 18.88 22.56
Fe
2
O
3
1.19 3.05 10.81 3.63 20.21 13.18 11.16
FeO 12.64 9.82 11.17 5.89 - - -
MnO 0.27 0.21 0.26 0.18 0.24 0.19 0.17
MgO 4.62 5.67 5.61 5.39 6.46 3.38 4.00
CaO 13.86 16.39 16.07 18.01 11.53 10.53 1.27
Na
2
O 0.20 0.23 0.17 0.00 0.10 0.33 1.05
K
2
O 1.37 1.48 1.46 1.08 0.77 2.09 3.94
P
2
O
5
0.68 0.51 0.77 0.37 0.36 0.41 0.20
ппп 0.25 1.09 1.24 0.65 0.00 0.00 0.00
Сумма 99.71 100.70 100.74 97.84 100.01 100 100.01
Для образцов 4217 всё железо в форме Fe
2
O
3
.
Таблица 2. Представительные анализы минералов (мас.`%)
Ранняя ассоциация Поздняя ассоциация
Фаза Hc An Ol Aug Mag Lc Mag Fa Kir Hd Kfs Ilm
SiO
2
44.46 35.91 45.17 0.14 55.49 0.17 30.22 32.24 45.81 57.74
TiO
2
0.26 0.00 0.03 1.43 10.17 0.01 22.05 0.00 0.02 0.02 0.19 47.35
Al
2
O
3
57.62 34.67 12.85 3.49 22.71 1.50 0.00 3.74 19.91 0.22
Fe
2
O
3
6.20 0.96 45.67 0.29 24.05 3.48 0.58 5.64
FeO 24.43 0.84 36.26 3.97 37.93 50.71 60.84 35.93 23.09 44.01
MnO 0.31 0.03 0.62 0.09 0.02 0.01 0.71 2.19 0.85 0.97 0.01 0.53
MgO 10.66 0.06 25.49 11.10 1.73 0.02 0.23 1.72 3.99 0.35 0.02 1.74
CaO 19.36 1.41 24.44 0.12 0.01 0.02 4.79 26.39 22.26 0.69
Na
2
O 0.27 0.03 0.23 0.04 0.05 0.34 0.08
K
2
O 0.20 20.78 12.87
BaO 0.03 0.03 7.54
Сумма 99.48 99.92 99.72 100.04 99.27 99.58 99.44 99.80 99.47 100.06 99.63 99.49
Количество FeO и Fe
2
O
3
рассчитано по стехиометрии минералов; Hc – герцинит, An –
анортит, Ol – оливин, Aug – авгит, Mag – магнетит, Lc – лейцит, Ap – апатит, Fa –
фаялит, Kir – кирштейнит, Hd – геденбергит, Kfs – K-Ba полевой шпат, Ilm – ильменит.
12
Особенности минерального состава парабазальтов.
Представительные анализы минералов парабазальтов приведены в таблице
2.
Плагиоклаз представлен анортитом (N
Pl
=88.2-99.8) с повышенным
содержанием (в мас.%) FeО до 2.5; MgO до 0.3; К
2
О до 3; ВаО до 0.7,
избытком SiO
2
и дефицитом Al
2
O
3
.
Клинопироксен является главным темноцветным минералом
парабазальтов. Преобладают диопсиды-геденбергиты (f=24-41%, Al
2
O
3
=2-6
мас.%) и глиноземистые авгиты (f=43-56%; Al
2
O
3
=7-16 мас.%). Нередко
наблюдается отчетливая оптическая и химическая зональность в
кристаллах пироксена. Его состав меняется от глинозёмистого авгита до
геденбергита. Также присутствуют низкокальциевые энстатиты (CaO<2.3
мас. %), пижониты (CaO=5.5-6.5 мас.%) и авгиты (CaO до 15 мас.%).
Оливин меняет свой состав от гортонолита – феррогортонолита (f=44-
84%) в ранних индивидах до фаялита (f=86-95%) в поздних. Зональность
оливина проявляется также в увеличении содержания Mn и Са во внешних
зонах (до 4.5-7.5 мас.% CaO). Некоторые зерна оливинов содержат до 0.7
мас.% P
2
O
5
.
Кирштейнит возникает в результате кристаллизации остаточных
расплавов в виде самостоятельных зерен и тонких срастаний с фаялитом.
Состав минерала отличается от CaFeSiO
4
пониженным содержанием Са
(0.68-0.84 ф.е.), дефицит которого компенсируется вхождением Fe
2+
.
Минерал содержит MgO от 0.3 до 4.3;
MnO от 0.8 до 1.6; и P
2
O
5
от 0.05 до 0.25
мас.%.
Алюмошпинель и титаномагнетит
являются основными рудными
минералами парабазальтов.
Алюмошпинель – самая ранняя фаза,
встречается в виде кристаллитов в
анортите, клинопироксене и Mg-Fe-
оливине. По составу соответствует серии
MgAl
2
O
4
- FeAl
2
O
4
. Титаномагнетит
кристаллизуется позднее. Для ранних
магнетитов характерны высокие
концентрации Al
2
O
3
(до 13 мас.%),
умеренные TiO
2
(до 7.7 мас.%) и низкие
MgO (до 0.5 мас.%). Поздние магнетиты
содержат до 29 мас.% TiO
2
.
Пирротин, пирит, халькопирит и пентландит встречаются в
интерстициях в виде глобул и губчатых агрегатов в ассоциации с
титаномагнетитом. Ильменит образует одиночные лейсты в кислом стекле
и ламелли в Ti-магнетите. Для него характерны низкие содержания MgO
2 мас.%; MnO 1 мас.% и Al
2
O
3
1 мас.%.
(R
+
,R
2+
0.5
)
2
O
(R
+
,R
2+
0.5
)[R
3+
O
4
]
4-
[NO
4
]
4-
0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0
2 0
4 0
6 0
8 08 0
6 0
4 0
2 0
1
2
3
4
5
6
7
1
0
0
0
°
Лейцит сосредоточен в интерстициях и близок к стехиометричному
составу, но содержит FeO (до 2.0 мас.%) и BaO (до 0.5 мас.%). Отмечается
незначительный избыток Si (1.02 ф.е) и дефицит Al (0.96-0.98 ф.е.).
13
Калишпат образует ксеноморфные выделения в интерстициях, реже
формирует каймы вокруг кристаллов анортита. Содержание BaO достигает
7.5; CaO – 2.0; Na
2
O – 0.6; FeO – 0.6 мас.%.
Оксофторапатит обнаружен в мезостазисе парабазальтов в
ассоциации с калишпатом, лейцитом, фаялитом, кирштейнитом и
магнетитом. Он содержит до 0.7 мас.% Cl, до 3.7 мас.% FeO и до 6.4 мас.%
SiO
2
. Концентрация TR ниже предела обнаружения, а содержание Y
2
O
3
<
0.3 мас.%.
Стекла в парабазальтах преимущественно представлены кислыми
высококалиевыми и основными высокожелезистыми фазами (табл.`3).
Высокожелезистые стекла находятся в интерстициях и расплавных
включениях в плагиоклазе и лейците. Для них характерны высокие
концентрации (в мас.%) FeO (22-41), CaO (14-22) и низкие SiO
2
(32-39),
Al
2
O
3
(1-12). Кислые калиевые стекла находятся в интерстициях и в
расплавных включениях в фаялите, пироксене и магнетите. По составу они
близки к калиевому граниту. Кроме кислых и высокожелезистых стекол в
минералах парабазальтов сохранились стекла, близкие валовым составам
исходных расплавов, захваченных на ранних этапах кристаллизации, и
двухфазные стекла с отчетливыми менисками, закаленные на позднем
этапе кристаллизации. Они представляют собой шарики или выделения
неправильной формы одного стекла в другом и имеют составы,
характерные для ликвационных стекол различных пород Земли и Луны
(рис.`4), что свидетельствует об их ликвационной природе. Заметим, что
большинство гомогенных кислых и высокожелезистых стекол в
интерстициях и расплавных включениях в минералах парабазальтов
соответствуют по составу одному из двухфазных стекол (рис.`6).
Рис. 6. Интерстиционные стекла и стекла включений в минералах парабазальтов.
1 – валовый состав пород; 2-6 – составы стекол первичных расплавных включений в анортите
(2), в лейците (3), в оливине (4), в магнетите (5) и в пироксене (6). 7 – составы
интерстиционных стекол.
14
Таблица 3. Представительные составы интерстиционных (инт) и
остаточных стекол включений (вкл) в минералах парабазальтов
Обра-
зец
Мин.-
хозяин
Стек
ло
SiO
2
TiO
2
Al
2
O
3
FeO MnO MgO CaO BaO Na
2
O K
2
O P
2
O
5
Сумма
Группа высокожелезистых стекол
О107 Инт 31.96 0.05 2.46 41.93 1.29 11.09 3.44 0.12 0.11 0.52 97.64
О107 Инт 34.00 0.09 3.05 41.69 1.28 9.79 2.51 0.11 2.12 0.13 99.41
42-17 Lc Вкл 33.98 0.60 2.96 30.85 0.67 1.50 15.55 0.27 0.55 2.73 93.15
42-17 Lc Вкл 31.90 1.28 5.05 31.74 0.58 2.87 14.94 0.02 0.18 0.05 2.00 94.21
42-17 An
98
Вкл 35.00 1.39 3.96 25.29 0.45 6.21 17.64 0.15 0.29 1.31 1.24 95.75
42-17 An
97
Вкл 34.17 0.94 5.46 27.25 0.68 3.82 17.45 0.02 0.28 1.09 1.66 95.90
Группа кислых стекол
063-45 Инт 76.03 0.41 12.37 0.70 0.04 0.11 0.64 0.34 0.23 8.25 99.18
063-45 Инт 78.03 0.40 13.42 0.86 0.04 0.05 0.36 0.03 0.07 3.70 97.09
42-17 Инт 73.64 0.22 12.71 1.08 0.00 0.01 0.40 0.14 0.55 8.31 1.60 98.90
42-17 Инт 74.55 0.35 12.84 1.06 0.00 0.01 0.39 0.12 0.58 8.04 1.73 99.91
42-17 Инт 80.24 0.36 10.96 0.56 0.00 0.03 4.82 0.91 0.33 1.57 99.86
42-17 Fo
20
Вкл 72.11 0.55 12.04 2.90 0.13 0.18 1.94 0.32 0.05 5.26 0.25 96.05
42-17 Fo
20
Вкл 78.50 0.25 10.70 1.33 0.00 0.04 0.60 0.59 0.25 7.17 0.20 99.78
42-17 Fo
55
Вкл 68.73 0.37 12.88 2.60 0.00 0.49 1.16 0.37 0.71 8.89 0.15 96.64
Стекла, близкие валовым составам парабазальтов
42-17 Lc Вкл 43.35 1.00 11.71 24.21 0.39 0.13 11.25 0.01 2.03 3.37 0.09 100.23
42-17 Lc Вкл 40.17 0.19 13.57 26.88 0.44 0.35 4.02 0.04 1.34 4.85 0.93 95.79
42-17 Fo
52
Вкл 38.74 3.33 13.80 11.14 0.07 6.45 23.24 0.06 0.00 1.44 99.50
42-17 Fo
54
Вкл 39.72 1.86 12.89 6.27 0.04 1.61 20.95 1.03 6.47 8.75 100.56
Сосуществующие стекла
42-17 An
98
Вкл 74.37 0.27 10.70 3.20 0.07 0.16 1.89 0.12 0.13 3.34 0.00 94.26
42-17 An
98
Вкл 43.19 2.88 2.55 37.77 0.99 2.24 8.54 0.00 0.05 0.31 1.03 99.55
КР6 Инт 73.36 0.76 12.66 3.06 0.05 0.09 0.96 0.06 0.40 7.92 0.26 99.57
КР6 Инт 31.24 6.72 3.42 28.05 0.61 1.55 17.38 0.00 0.14 1.10 8.60 98.80
Физико-химические условия кристаллизации парабазальтов. По
результатам изучения расплавных включений и петрографическим
наблюдениям был определен порядок и температуры кристаллизации
минералов парабазальтов: Al-шпинель плагиоклаз (1260-1125С) Mg-
Fe-клинопироксен (1220-1160С), Mg-Fe-оливин (>1140С) лейцит
(>1150С) Ti-магнетит, пирротин, апатит фаялит, кирштейнит,
геденбергит калишпат (1060-1050С), ильменит. Интерстиционное
стекло плавится при 1010-1030С.
15
Изучение структур распада Ca-Fe-оливинов позволило оценить
температуру формирования поздней минеральной ассоциации
парабазальтов. Согласно фазовой диаграмме (Mukhopadhyay, Lindsley,
1983), кристаллизация Са-оливинов из расплава происходила в интервале
температур 1130-1030°C. Сопоставление составов сосуществующих
кирштейнита и фаялита с экспериментальными данными (Davidson,
Mukhopadhyay, 1984) показало, что прекращение эффективного катионного
обмена при остывании парабазальтов произошло при температуре 850-
800C.
Оценка фугитивности кислорода на начальных стадиях
кристаллизации пород была сделана с помощью уравнения регрессии (Sack
et al., 1980) с коэффициентами (Kilinc et al., 1983). Расчетные величины f
O2
составили 10
-8,5
-10
-9,6
бар, что на 1-2 логарифмических единицы ниже
буфера QFM. Ликвидусная температура определялась с помощью
программного комплекса COMAGMAT 3.0 (Ariskin et al., 1993). Расчетные
значения ликвидусных температур для большинства составов находились в
интервале 1295-1260С, расчетной ликвидусной фазой всегда является
анортит, что хорошо согласуется с петрографическими и
термобарогеохимическими данными. Для оценки f
O2
на позднем этапе
кристаллизации использовалась программа QUILF (Andersen et al., 1993), с
помощью которой были получены значения f
O2
для равновесия
сосуществующих минералов мезостазиса, фаялита, Ca-Fe-оливина,
геденбергита и магнетита. Величина f
O2
составила 10
-10.0-10.3
и 10
-10.8-11.1
бар
для 1100 и 1050С соответственно, что на ½ логарифмической единицы
ниже буфера QFM. Таким образом, парабазальты кристаллизовались в
интервале температур 1300-1000С при давлении близком к атмосферному
в сухих, восстановительных условиях. Фугитивность кислорода на всём
интервале кристаллизации не превышала уровня буферной реакции QFM
(f
O2
=10
-9
-10
-11
бар).
Ликвация расплава при формировании парабазальтов. О ликвации
расплава в процессе кристаллизации свидетельствуют контрастные
сосуществующие стекла с отчетливыми менисками, обнаруженные в
интерстициях и расплавных включениях в минералах. Изучение состава
стекол включений (рис.`6) и численное моделирование процесса
кристаллизации показало, что ликвация произошла при 30%-ной
закристаллизованности расплава. Следовательно, около 70% твердой фазы
парабазальтов образовалось из сосуществующих алюмосиликатных
жидкостей.
Кристаллизация парабазальтов в условиях ликвации.
Кристаллизация в условиях стабильной несмесимости предполагает
формирование одной минеральной ассоциации, каждый член которой при
заданной температуре должен находится в равновесии с обеими
жидкостями, то есть каждая минеральная фаза должна расти из двух
сосуществующих расплавов. На рисунке 7 показан пример роста твердой