Калугин В.М. Роль ликвации при кристаллизации природных и техногенных алюмосиликатных расплавов
Подождите немного. Документ загружается.
фазы из двух жидкостей в
16
случае, если одна из них является более благоприятной для её роста и в
большей степени расходуется при кристаллизации, а на рисунке 8 – случай,
когда при росте твердой фазы обе жидкости расходуются равномерно.
Рис. 7. Рост кристалла S из двух жидкостей, L
1
и L
2
, если скорость роста из одной жидкости
(темная стрелка) существенно выше, чем из второй (светлая стрелка). Жидкость L
2
, из которой
кристалл растет медленнее, захватывается в виде включений.
A – начальная стадия, B – конечная стадия, С – вид кристалла в шлифе.
Рис. 8. Рост кристалла S из двух жидкостей, L
1
и L
2
, если скорости роста из обеих жидкостей
(темная и светлая стрелки) близки. Жидкость L
2
также участвует в формировании
кристаллической структуры S, но образовавшаяся из неё твердая фаза S’ отличается по составу
от фазы S. Участки S’ повторяют форму капель жидкости L
2
.
A – начальная стадия, B – конечная стадия, С – вид кристалла в шлифе (см. также рис.7).
В случае, показанном на рисунке 7, минерал в большей степени
использует ту жидкость, которая ближе ему по составу. Вторая жидкость
либо отгоняется от фронта роста, либо захватывается в виде включений.
Наиболее ярко это проявилось при формировании интерстиционной
ассоциации парабазальтов (рис. 9). Необходимые для роста фаялита и
магнетита компоненты находятся в высокожелезистой жидкости, которая
расходуется при их росте. Кислая жидкость захватывается в виде
включений. Если на
17
С
С
Рис. 9. Взаимоотношения двух сосуществующих стекол (Gl
1
и Gl
2
) и фаялита (Fa),
свидетельствующие о том, что рост фаялита осуществлялся преимущественно из
высокожелезистой жидкости (Gl
1
) с захватом кислой жидкости (Gl
2
) в виде включений.
Отраженный свет. An – анортит.
Рис. 10. Рост фаялита на последних этапах монотектической реакции. Окружностью
обведен участок, иллюстрирующий захват очередного включения кислого расплава. Фото в
обратных электронах.
18
фронте роста высокожелезистой жидкости не остаётся, то возникают
выросты в сторону ближайшей её капли, окруженной кислой жидкостью
(рис.`10). В результате индивиды выполняют объём, который занимала
жидкость подходящего состава, приобретая неправильную,
кляксообразную форму (рис.`10). Впервые избирательность захвата одной
из жидкостей в виде включений была описана для пироксенов лунных
базальтов, которые захватывали только кислый расплав (Реддер, 1987). В
парабазальтах для всех минералов, кроме самых ранних, характерен
избирательный захват одной из жидкостей в виде включений.
Алюмосиликатные фазы со щелочами – плагиоклаз и лейцит – содержат в
виде включений исключительно высокожелезистые стекла, а
высокожелезистые фазы – фаялит, геденбергит и магнетит – кислые
высококалиевые стекла (рис.`6, 10). Лишь в редких случаях, когда капля
одной жидкости была изолирована от минерала-хозяина второй жидкостью,
во включении сохранялись оба расплава.
Рис.`11. Распределение глинозёма в оптически однородной зоне кристалла клинопироксена
(слева). Изолиниями показаны концентрации Al
2
O
3
(мас.%), крестиками – точки анализов.
Справа – общий вид кристалла пироксена в проходящем и отраженном свете. Линиями
выделены видимые зоны и площадь опробования.
19
Единственным минералом парабазальтов, который способен в равной
мере использовать для роста обе жидкости (рис.`8), является
клинопироксен. Но поскольку сосуществующие жидкости отличаются по
составу, то клинопироксен наследует структуру двухфазного расплава и
приобретает пятнистое распределение компонентов. «Пятна»
соответствуют одной жидкости, «матрица» – другой. Например, в
оптически однородной зоне кристалла авгита с содержанием Al
2
O
3
2-3 мас.
%, были обнаружены беспорядочно расположенные области фассаитового
состава с содержанием Al
2
O
3
до 7 мас.% (рис.`11).
Таким образом, характерными особенностями индивидов,
образовавшихся в условиях ликвации, является неправильная,
кляксообразная форма, повторяющая форму обособлений одной из
жидкостей в эмульсии, избирательный захват минералами одной из
жидкостей в виде включений и пятнистое распределение компонентов в
минералах переменного состава.
Глава 3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О ЛИКВАЦИИ ДЛЯ
ИНТЕРПРЕТАЦИИ ПРОЦЕССА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ГОРНЫХ ПОРОД
Структуры минеральных агрегатов, формирующихся в условиях
ликвации расплава. Ликвация может происходить как на поздних, так и на
ранних стадиях кристаллизации магматического расплава. Это
подтверждается существованием вариолитов ликвационной природы
(Gelinas et al., 1976) и находками сосуществующих стекол в толеитовых и
оливиновых базальтах, закристаллизованных менее чем на 50% (Philpotts,
1982). После распада кристаллизация продолжается из двух
алюмосиликатных жидкостей. Цель данной главы – показать, какие
структуры минеральных агрегатов могут формироваться в условиях
стабильной несмесимости, и рассмотреть с этой точки зрения возможность
образования структуры глобулярных лампрофиров и гранитов рапакиви.
При интерпретации процесса кристаллизации двухфазного расплава
необходимо учитывать, что в условиях стабильной несмесимости
кристаллизуется одна минеральная ассоциация, каждый член которой при
заданной температуре находится в равновесии с обеими жидкостями.
Вторая жидкость в системе существует лишь в определенном
температурном интервале (рис.`5), и свидетельства её присутствия могут
быть уничтожены последующей кристаллизацией (Боуэн, 1934). Только
если размер капель второй жидкости существенно превышал размер
кристаллов в породе, ее присутствие в системе может повлиять на
структуру минерального агрегата.
Экспериментально было доказано, что в условиях несмесимости
кристаллы ранних минералов зарождаются преимущественно на менисках
ме-
20
жду двумя жидкостями и лишь единичные индивиды возникают внутри
жидких фаз (Григорьев, Искюль, 1937). Появление минерала как внутри
одной, так и внутри другой жидкой фазы, свидетельствует о том, что
данный минерал находится в равновесии с обеими жидкостями.
Рассмотрим структуру глобулярного керсантита, формирование
которой традиционно считалось результатом ликвации расплава (Попов,
1972). Идиоморфные чешуйки раннего биотита окаймляют глобулы,
заполненные низкотемпературными минералами. Отдельные чешуйки
встречаются также внутри и снаружи глобул. Нередко границы глобул
«размываются» и глобулярная текстура переходит в массивную. При этом
минеральная ассоциация остаётся прежней, а кристаллы биотита
располагаются более равномерно. Это может означать, что крупные капли
второй жидкости в двухфазном расплаве сменились более мелкими
каплями, размер которых не превышал размера кристаллов биотита. При
этом минеральная ассоциация не меняется, а глобулы, обусловенные
кристаллизацией биотита на менисках между двумя жидкостями, не
образуются.
Интерпретация структуры рапакиви. Существует много гипотез
происхождения структуры рапакиви (Заварицкий, 1937; Шкодзинский,
1985; Emsli, 1991; Nekvasil, 1991; Simac, Wark, 1992; Dempster, 1994;
Eklund, Shebanov, 1999), но ни одна из них не объясняет всех характерных
для неё особенностей. Существует три основные проблемы структуры
рапакиви. 1. Почему крупные индивиды и сростки калишпата, которые
интерпретируются как фенокристаллы, имеют форму овоидов? 2. Почему
внутри «ранних фенокристаллов» калишпата находятся поздние минералы
основной массы? 3. Почему овоиды калишпата окружены каймой из
кристаллов плагиоклаза, который должен кристаллизоваться при более
высокой температуре?
Рассмотрим формирование этой структуры, предположив, что
кристаллизация происходила из расслоившегося расплава. Такая гипотеза,
основанная на геохимических данных, уже высказывалась ранее (Ляхович,
1997). Предположим, что овоиды калишпата являлись крупными каплями
кислой жидкости. Тогда плагиоклаз, как самая высокотемпературная фаза,
кристаллизуется первым и формирует скопления идиоморфных кристаллов
в виде каёмок вокруг капель-овоидов. Отдельные редкие кристаллы
плагиоклаза и темноцветных минералов появляются также внутри и
снаружи этих капель. Калишпат, как поздняя минеральная фаза, вместе с
кварцем заполняет объем капель-овоидов и образует мелкие кристаллы в
основной массе. Если сплошность плагиоклазовой каймы вокруг овоида
нарушается, то овоид калишпата может частично или полностью
ограняться. Предло-
21
женная интерпретация процесса кристаллизации гранита рапакиви
позволяет решить все основные проблемы его структуры и согласуется с
геохимическими данными (Ляхович, 1997).
Таким образом, ликвация влияет на структуру горной породы, только
если выделения второй жидкости превышают размер кристаллов в агрегате.
Это приводит к неравномерному распределению индивидов и
формированию пятнистой, оцеллярной, глобулярной и других характерных
структур. Критериями, позволяющими отличить агрегаты, возникшие в
результате ликвации, от похожих агрегатов, образовавшихся в результате
других процессов, таких как смешение магм или ассимиляции ксеногенного
материала, являются: отсутствие реакционных взаимоотношений или
признаков растворения глобул; единство минеральной ассоциации глобул и
матрицы; одинаковый состав минералов в породе, свидетельствующий об
их одновременной кристаллизации из двухфазного расплава в рамках
единой системы.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведенные исследования позволили получить следующие
результаты.
Предложена интерпретация ликвационных явлений, как структурного
преобразования силикатного расплава.
Благодаря новому варианту группировки компонентов псевдотройной
системы в соответствии с их позицией в структуре расплава, выявлена
закономерность появления области стабильной изкотемпературной
несмесимости в алюмосиликатных системах. Установлено, что она
возникает в результате пересечения поля метастабильной ликвации
котектической кривой тридимит – силикатная (или оксидная) фаза.
На примере техногенных пород основного состава реконструирована
эволюция расплава и рассмотрен процесс кристаллизации с
ликвационными явлениями. Выявлены характерные особенности
индивидов, кристаллизовавшихся из двухфазного алюмосиликатного
расплава. К ним относятся избирательность захвата одной из жидкостей в
виде расплавных включений, неправильная форма индивидов,
повторяющая форму одной из жидких фаз двухфазного расплава, пятнистое
распределении компонентов в минералах переменного состава.
Рассмотрен характер кристаллизации минеральных агрегатов в
условиях ликвации и предложена интерпретация структур глобулярных
лампрофиров и гранитов рапакиви в рамках эти представлений. Показано,
что формирование специфических структур возможно только в том случае,
ес-
22
ли размер капель одной из жидкостей превосходил размер индивидов в
агрегате. Установлено, что влияние ликвации на структуру минеральных
агрегатов выражается в неравномерном распределении минералов в породе
и кристаллизации ранних минеральных фаз на менисках между двумя
жидкостями. Критерием ликвационной природы минеральных агрегатов
является единство минеральной ассоциации и одинаковый состав
минералов в пределах глобул (овоидов) и матрицы.
Выявленная закономерность проявления стабильной
низкотемпературной несмесимости в многокомпонентных
алюмосиликатных системах позволяет сделать заключение о том, что роль
ликвации в магматическом процессе сводится не столько к формированию
различных горных пород из ликватов, сколько к непосредственному
влиянию ликвации на эволюцию магматического расплава, состав
кристаллизующихся фаз и структуру минеральных агрегатов.
СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
1. Калугин В.М., Шелепаев Р.А. Частичное плавление аргиллитов и
образование гранитных расплавов // «Геология и геодинамика Евразии»:
Материалы XVIII Всероссийской молодежной конференции, Иркутск, ИЗК
СО РАН, 1999, с. 17-18.
2. Шарыгин В.В., Калугин В.М., Нигматулина Е.Н., Сокол Э.В. Включения
расплава в парабазальтах Челябинского буроугольного бассейна //
«Геология и геодинамика Евразии»: Материалы XVIII Всероссийской
молодежной конференции, Иркутск, ИЗК СО РАН, 1999, с. 39-40.
3. Шарыгин В.В., Сокол Э.В., Нигматулина Е.Н., Лепезин Г.Г., Калугин
В.М., Френкель А.Э. Минералогия и петрография техногенных
парабазальтов Челябинского буроугольного бассейна // Геология и
геофизика, 1999, т. 40, № 6, с. 896-915.
4. Kalugin V.M., Sharygin V.V., Nigmatulina E.N., Sokol E.V. Liquid
immiscibility in cooling history of the parabasaltic melts // Beih. z. Eur. J.
Mineral., Abstracts of MinWien, 1999, V. 11, № 1, p. 118.
5. Sharygin V.V., Kalugin V.M., Nigmatulina E.N., Sokol E.V., Kuzmin D.V.
Silicate-melt inclusions in minerals of technogeneous parabasalts, Chelyabinsk
brown coal basin, South Urals, Russia // Terra Nostra, Abstracts of XV ECROFI,
Potsdam, Germany, 1999, № 6, p. 271-274.
6. Шарыгин В.В., Нигматулина Е.Н., Калугин В.М., Сокол Э.В., Кузьмин
Д.В. Эволюция расплава при кристаллизации техногенных парабазальтов
Челябинского буроугольного бассейна // Тезисы IX международной конфе-
ренции по термобарогеохимии, ВНИИСИМС, Александров, Россия, 1999, с.
84-87.
23
7. Kalugin V.M. Liquid immiscibility on the phase diagram for a
multicomponent aluminosilicate system // Journal of Conference Abstracts, V.5,
№ 1, 2000, Cambridge Publications, p.55.
8. Sokol E.V., Kalugin, V.M., Sharygin, V.V., Nigmatulina, E.N. Appearance
and exsolution of CaFe-rich olivines // Journal of Conference Abstracts, V.5, №
1, 2000, Cambridge Publications, p.98.
9. Сокол Э.В., Калугин В.М., Шарыгин В.В., Нигматулина Е.Н. Генезис
железистых паралав Челябинского буроугольного бассейна // Уральский
геологический журнал, 2000, № 6 (18), с. 159-164.
10. Сокол`Э.В., Шарыгин`В.В., Калугин`В.М., Нигматулина`Е.Н. Фаялит-
кирштейнитовые ассоциации в техногенных парабазальтах Челябинского
буроугольного бассейна // Записки ВМО, 2000, №6, c.12-20.
11. Сокол Э.В., Калугин В.М., Шарыгин В.В., Нигматулина Е.Н.
Происхождение железистых паралав // «Минералогия техногенеза – 2001»,
ИМин, Миасс, УрО РАН, 2001, с. 148-170.
12. Kalugin V.M. Liquid line on descent for natural magma crystallization under
liquid immiscibility conditions // Journal of Conference Abstracts, Abstract to
the EUG-XI, 2001, V.6, № 1, Cambridge Publications, p.574-575.
13. Kalugin V. M. Mineral crystallization from two immiscible aluminosilicate
melts // Journal of Conference Abstracts, Abstracts to the EUG–XI, 2001, V.6,
№ 1, Cambridge Publications, p.574
14. Калугин В.М. Ликвация алюмосиликатного расплава – возможный
механизм формирования древней континентальной коры // «Новые идеи в
науках о земле»: Материалы V Международной конференции, Москва,
МГГА, 2001, с. 50.
15. Калугин В.М. Особенности кристаллизации горных пород в условиях
ликвации расплава // «Строение литосферы и геодинамика»: Материалы
XIX Всероссийской молодежной конференции, Иркутск, ИЗК СО РАН,
2001, с. 39-40.
16. Калугин В.М., Шарыгин В.В., Сокол Э.В. Влияние ликвации расплава
на форму и состав кристаллов в породе основного состава //
«Кристаллогенезис и минералогия»: Материалы конференции, Санкт-
Петербург, 2001, с. 149-150.
17. Калугин В.М. Структура минеральных агрегатов, образовавшихся в
условиях ликвации расплава // «Кристаллогенезис и минералогия»:
Материалы конференции, Санкт-Петербург, 2001, с. 151-152.
24
18. Sokol E.V., Kalugin V.M., Nigmatulina E.N., Volkova N.I., Frenkel A.E.,
Maksimova N.V. Ferrospheres from fly ashes of Chelyabinsk coals: chemical
composition, morphology and formation conditions // Fuel, 2002, V.81(7),
pp.867-876.
19. Kalugin V.M., Sokol E.V., Nigmatulina E.N. Partial melting of mudstones at
1 bar: a constraint on the phase diagrams for haplogranite system // Journal of
Conference Abstracts, V.7, № 1, 2002, Cambridge Publications, p.52.
20. Sokol E., Sharygin V., Kalugin V., Volkova N., Nigmatulina E. Fayalite and
kirschsteinite solid solutions in melts from burned spoil-heaps, South Urals,
Russia // Eur. J. Miner., 2002, V.14(4) (in press).
Технический редактор О.М.Вараксина
Подписано к печати 12.04.02
Формат 60х84/16. Бумага офсет №1. Гарнитура «Таймс». Печать
офсетная
Печ. л. 1,4. Тираж 120. Зак. №136
Издательство СО РАН. 630090, Новосибирск, Морской пр., 2
Филиал «Гео». 630090, Новосибирск, пр. ак. Коптюга, 3