Смолькин В.Ф. Петрография магматических и метаморфических пород
Подождите немного. Документ загружается.
87
идиоморфизма этих минералов определеяется их кристаллизационной
способностью.
Система диопсид - анортит имеет важное значение, так как характери-
зует кристаллизацию широко распространенных в природе пород группы
габбро, состоящей из плагиоклаза и пироксенов. Эвтектическая кристалли-
зация двухкомпонентных систем характерна для пегматитов и гранофиров
с их характерным прорастанием кварца и полевого шпата. Эвтектику также
образуют кварц и калиевый полевой шпат, нефелин и калиевый полевой
шпат, нефелин и эгирин.
6.2. Кристаллизация с образованием твердых растворов
Большое количество минералов представляет собою твердые растворы
или изоморфную смесь двух или нескольких компонентов. Поэтому диа-
граммы состояния систем с кристаллизацией твердых растворов имеет
большое значение в петрологии.
Для подобных систем типичным являются следующие признаки: а) в
процессе кристаллизации происходит непрерывная реакция между кри-
сталлами и расплавом, что приводит к непрерывному изменению состава
твердой фазы и расплава; б) температура определяет не только количест-
венные соотношения между твердой и жидкой фазами, но и их состав; в)
прибавление к легкоплавкому компоненту тугоплавкого вызывает повы-
шение температуры начала кристаллизации расплава; г) температура нача-
ла кристаллизации, состав первых выделений, температура завершения
кристаллизации, составы последних порций расплава и твердых фаз опре-
деляется только составом первичного или исходного расплава.
Кристаллизацию с образованием твердых растворов можно рассмот-
реть на примере системы c изоморфным рядом альбит (NaAlSi
3
O
8
) - анор-
тит (CaAl
2
Si
2
O
8
) (рис. 6.3). Температура плавления чистого альбита со-
ставляет 1120°С, анортита - 1553°С. Верхняя кривая точек плавления на-
зывается ликвидусом, а нижняя кривая затвердевания - солидусом.
88
Рис. 6.3. Диаграмма равновесной кристаллизации расплава в системе аль-
бит (NaAlSi
3
O
8
) – анортит (CaAl
2
Si
2
O
8
), в мас.% (Bowen, 1913).
Рис. 6.4. Диаграмма равновесной кристаллизации расплава в системе фая-
лит (Mg
2
SiO
4
) – форстерит (Fe
2
SiO
4
), в мас.% (Bowen, Schairer, 1935).
Если имеется расплав, состав которого P соответствует 50% альбита +
50% анортита, то его кристаллизация при достижении ликвидуса начнется
89
в точке A при температуре 1450°С. Кристаллы будут отличаться от распла-
ва большим содержанием анортита (85%), что определяется точкой B, ко-
торая располагается на пересечении изотермы с солидусом. Вследствие
выделения фазы, обогащенной анортитом, вторичный расплав обогащается
альбитом. По мере снижения его температуры, он начнет взаимодейство-
вать с ранее выделившимися кристаллами, изменяя их состав по кривой
солидуса при изменении своего состава по кривой ликвидуса. Кристалли-
зация будет продолжаться до тех пор, пока весь расплав не закристаллизу-
ется в точке C, которая находится на пересечении линии P - (50% альбита
+ 50% анортита) с солидусом. В этой точке последние порции расплава бу-
дут содержать 12% анортита. В случае исходного состава Q, кристаллиза-
ция расплава завершится в точке L, а состав последней порции будет при-
ближаться к альбиту.
При медленном охлаждении расплава происходит постепенное и пол-
ное изменение состава гомогенных кристаллов без следов реакций взаимо-
действия. При быстром охлаждении новый слой отлагается на предыду-
щем еще до окончания реакции взаимодействия и поэтому образуются зо-
нальные плагиоклазы, которые свидетельствуют об отсутствии равновесия.
Как правило, внутренние зоны таких плагиоклазов богаче анортитом, чем
внешние. В случае переохлаждения образуются кристаллы плагиоклаза с
обратной зональностью. Зональность в плагиоклазовых кристаллах хорошо
видна в шлифах, так как с изменением состава резко меняется ориентиров-
ка оптической индикатрисы.
Другой системой кристаллизации с образованием твердых растворов
является система форстерит (Mg
2
SiO
4
) – фаялит (Fe
2
SiO
4
) (рис. 6.4). На
основе анализа данной диаграммы устанавливается, что первые кристаллы
оливина должны быть обогащены форстеритом по отношению к расплаву.
При быстрой кристаллизации расплава также образуются зональные кри-
сталлы оливина, однако подобная зональность по сравнению с плагиокла-
зами выражена значительно слабее, так как равновесие фемических мине-
ралов достигается легче из-за высокой подвижности Mg и Fe.
6.3. Кристаллизация с инконгруэнтным (скрытым) плавлением
При этом виде кристаллизации происходит замещение одного фемиче-
ского минерала другим, например, оливина ромбическим пироксеном. Хи-
мические соединения характеризуются тем, что при нагревании они разла-
90
гаются с образованием твердой фазы и расплава, которые отличаются по
составу от исходного соединения.
Образование химического соединения с инконгруэтной точкой плавле-
ния происходит в результате реакции ранее выделившейся твердой фазы с
расплавом. Реакция наступает только в определенный период кристаллиза-
ции и поэтому взаимоотношение носит прерывисто реакционный характер.
Примером такой кристаллизации являются системы форстерит
(Mg
2
SiO
4
) - кристобалит (SiO
2
) и лейцит (KAlSi
2
O
6
) - кремнезем (SiO
2
)
(рис. 6.5, 6.6).
Рассмотрим первую систему (рис. 6.5). Температура кристаллизации
чистого расплава форстерита равна 1890°С. Расплав обогащенный форсте-
ритом, но содержащий примесь кремнезема (точка P), начнет кристаллизо-
ваться при температуре ниже 1890
o
C. По мере выделения форстерита рас-
плав обогащается кремнеземом по принципу эвтектики. Температура рас-
плава при этом понижается, так как F = (K + 1) - P = (2 + 1) - 2 = 1. При
достижении температуры 1557°С (точка R), между расплавом с составом
68% форстерита и 32% кремнезема и кристаллами форстерита начнется ре-
акция с образованием кристаллов клиноэнстатита. Температура при этом
будет постоянной, так как при наличие трех фаз (форстерит + клиноэнста-
тит + расплав) F = (2 + 1) - 3 = 0. Весь расплав будет израсходован на обра-
зование клиноэнстатита и в конечном итоге будет образован агрегат кли-
ноэстатита и форстерита.
Расплав, имеющий состав клиноэнстатита, начнет кристаллизоваться
при температуре 1700°С с образованием форстерита, что приведет к обо-
гащению кременеземом. При достижении температуры 1557°С начнется
реакция взаимодействия между кристаллами форстерита и расплавом, в ре-
зультате которой весь форстерит превратится в клиноэнстатит. При этом
расплав будет израсходован и кристаллизация полностью прекратится.
Расплав, более обогащенный кремнеземом, кристаллизуется при темпера-
туре ниже, чем 1700°С. Первые кристаллы также будут представлены фор-
стеритом и при температуре 1557°С в результате реакция взаимодействия
между кристаллами форстерита и расплавом весь форстерит полностью
91
Рис. 6.5. Диаграмма равновесной кристаллизации расплавов в системе
Mg
2
SiO
4
– SiO
2
и поля кристаллизации форстерита, пироксенов и кристо-
балита (мас.%) (Bowen, Schairer, 1935).
Рис. 6.5. Диаграмма равновесной кристаллизации расплавов в системе
лейцит (Mg
2
SiO
4
) – кремнезем (SiO
2
), в мас.% (Schairer, Bowen, 1947).
превратится в клиноэнстатит, однако при этом останется излишек распла-
ва, отвечающий составу точки R. После полного исчезновения кристаллов
форстерита, температура расплава будет понижаться, так как согласно пра-
вилу фаз F = (2 + 1) - 2 = 1. По мере снижения температуры выделяются
92
кристаллы клиноэнстатита, что приведет вновь к обогащению расплава
кремнеземом. В эвтектической точке E (1543°С) начнется совместная кри-
сталлизация клиноэнстатита и кристобалита до полного исчезновения рас-
плава. Состав эвтектической точки отвечает 12.5% кристобалита и 87.5%
клиноэнстатита.
Кристаллизация расплава, обогащенного кремнеземом, начнется с вы-
делением кристобалита. По мере снижения температуры расплав будет
обогащаться клиноэнстатитом вплоть до достижения точки эвтектики. В
случае присутствия в системе летучих компонентов, кристаллизация рас-
плава будет происходить при более низких температурах и поэтому вместо
клиноэнстатита образуется ромбический пироксен, а вместо кристобалита -
кварц.
Аналогичный ход кристаллизации будет и в системе лейцит – кремне-
зем (рис. 6.6).
Рис. 6.7. Диграммы равновесной кристаллизации расплавов в системе
ортоклаз (KAlSi
3
O
8
) - альбит (NaAlSi
3
O
8
) при P= 0.1 МПа (А) и P
H2O
= 600
МПа, в мас.% (Bowen, Tuttle, 1950).
93
Кристаллизация щелочных полевых шпатов имеет также особенности,
связанные с образованием за счет инконгруэнтного плавления лейцита.
Калиевые и натровые полевые шпаты при высоких температурах обра-
зуют непрерывные твердые растворы ряда ортоклаз (KAlSi
3
O
8
) - альбит
(NaAlSi
3
O
8
) (рис. 6.7). Кривые ликвидуса и солидуса имеют точку мини-
мума E c температурой 1063°С. Положение этой точки отвечает составу
65% NaAlSi
3
O
8
+ 35% KAlSi
3
O
8
. В этой точке выделяются кристаллы тако-
го же состава, что и жидкая фаза. При высоких температурах (непосредст-
венно после окончания кристаллизации) смесимость натриевого и калиево-
го компонентов в твердой фазе полная, а при низких температурах - огра-
ниченная. Поэтому при охлаждении гомогенный кристалл смешанного со-
става распадается на две фазы, одна из которых обогащена калиевым поле-
вым шпатом, а другая - натриевым полевым шпатом. В нижней части диа-
граммы наблюдается область распада твердых растворов, ограниченная
кривой сольвуса. Максимальная температура на кривой сольвуса равна
660°С, с понижением температуры пределы взаимной растворимости ор-
токлаза и альбита в твердом состоянии сокращаются. Это приводит к обра-
зованию вростков альбита в калиевом полевом шпате в виде одинаково
ориентированных пластинок, образующих так называемые пертиты распа-
да.
На кристаллизацию расплава в системе ортоклаз - альбит большое
влияние оказывает давление. Так при атмосферном давлении в сухой сис-
теме инконгруэтное плавление характерно для всех щелочных полевых
шпатов, содержащих более 81% ортоклаза (KAlSi
3
O
8
), а в условиях высо-
ких давлений водяного пара наблюдается значительное сужение области
составов, характеризующихся инконгруэтным плавлением. При давлении
100 Мга инконгруэтно плавятся лишь полевые шпаты, содержащие более
81% KAlSi
3
O
8
, а при давлении 200 МГа полевые шпаты становятся конгру-
этно плавящимися во всем интервале составов, вплоть до чистого 81%
KAlSi
3
O
8
.
С ростом давления увеличивается растворимость воды в силикатных
расплавах, поэтому температура кристаллизации расплава с ростом давле-
ния водяного пара уменьшается - температура точки минимума E, которая
при давлении 0.1 МПа равна 1063°С, при давлении водяного пара 100 МПа
снижается до 854°С, а при давлении 200 МПа - до 785°С. При больших
давлениях (более 300-400 МПа) кривые солидуса и кривые распада твер-
дых растворов пересекаются и в ряду твердых растворов появляется раз-
94
рыв. При давлении 500 МПа и температуре 698°С в равновесии с распла-
вом находятся две твердые фазы, содержащие 42% и 66% альбита
(NaAlSi
3
O
8
) соответственно.
Кристаллизация расплава состава L начнется в точке N и при достиже-
нии точки E произойдет эвтектическая кристаллизация двух твердых рас-
творов, соответственно обогащенных калиевым и натриевым полевым
шпатом. Кристаллизация будет продолжаться при постоянной температуре
пока не будет исчерпан весь расплав. При последующем снижении темпе-
ратуры происходит изменение изменение состава стабильных сосущест-
вующих фаз в соответствии с кривыми сольвуса. Реальный способ прояв-
ления несмесимости определяется кинетическими особенностями диффу-
зии калия и натрия в твердой среде. В одних случаях, несмесимость можно
видеть под микроскопом в виде пертитовых срастаний, в других случаях,
она определяется только рентгеноструктурными методами.
6.4. Кристаллизация трехкомпонентных систем
Природные расплавы являются многокомпонентными, поэтому требу-
ется изучение более сложных систем. Первоначально рассмотрим трех-
компонентные, а затем четырехкомпонентные системы.
Для изображения трехкомпонентных систем обычно используется рав-
носторонний треугольник, вершины которого отвечают составу чистых
компонентов, а точки на сторонах отражают составы смеси из двух компо-
нентов. Температуры начала кристаллизации смесей показываются в виде
изотерм, обычно в виде пунктирных линий.
Рассмотрим систему альбит (NaAlSi
3
O
8
) – анортит (CaAl
2
Si
2
O
8
) – ди-
опсид (CaMgSi
2
O
6
), которая широко используется петрологами для анализа
пород основного состава (рис. 6.8). При давлении 0.1 МПа температура
кристаллизации альбита равна 1100°С, анортита - 1553°С, диопсида -
1391°С. Альбит и анортит образуют твердые растворы, анортит и диопсид
дают эвтектику с составом 42.5% An и 57.5% Di при температуре 1274°С
(точка E
1
), а альбит и диопсид дают эвтектику с составом 3% Di и 97% Ab
при температуре 1085°С (точка E
2
). Плагиоклазы, имеющие промежуточ-
ный состав между альбитом и анортитом, также образуют эвтектику с ди-
опсидом, однако она уже представляется не точкой, а котектической ли-
нией, которая соединяет точки E
1
и E
2
, и тем самым делит треугольник на
два поля. В одном из них находятся составы жидких фаз, которые могут
95
находится в равновесии с кристаллами диопсида, а в другом поле – с кри-
сталлами плагиоклаза. В соответствии с составом исходных расплавов
кристаллизация будет проходить с выделением диопсида или плагиоклаза.
Если исходный расплав имеет состав M, то по мере снижения температуры
от 1295°С до 1216°С из него выделяться диопсид при изменении состава
расплава по кривой MQ. По мере охлаждения расплава вдоль котектиче-
ской линии от Q до T (1150°С) совместно с диопсидом происходит кри-
сталлизация плагиоклаза, состав которого последовательно изменяется от
B до D (30%An). В точке D расплав полностью исчерпывается.
Рис. 6.8. Диаграмма равновесной кристаллизации расплава в системе аль-
бит (NaAlSi
3
O
8
) – анортит (CaAl
2
Si
2
O
8
) – диопсид (CaMgSi
2
O
6
), в мас.%
(Bowen, 1916).
Пути кристаллизации расплавов, попадающих в поле плагиоклаза, яв-
ляются более сложными. Если исходный расплав имеет состав P, то при
температуре 1375°С из него начнет выделяться плагиоклаз, состав которо-
го отвечает An
79
. Состав расплава будет изменяться по кривой PQ, а состав
кристаллизующегося плагиоклаза – в пределах отрезка AB. По мере охлаж-
96
дения расплава вдоль котектической линии от Q до S (1375°С) состав вы-
делившихся плагиоклазов достигнет точки C (50%An), в которой кристал-
лизуются остатки расплава.
Анализ данной диаграммы показывает, что по мере обогащения плаги-
оклаза альбитовым компонентом происходит резкое уменьшенеие диопси-
да в расплаве. Из этого вытекает, что количество фемического минерала и
состав плагиоклаза взаимоувязаны. Поэтому основные плагиоклазы обра-
зуют эвтектику с большим количеством фемического минерала, а кислые –
с меньшим.
Система альбит-анортит-диопсид сильно подвержена давлению водя-
ного пара (Yoder, 1965, Йодер, 1979, Кадик и др., 1971, 1990). Так в резуль-
тате исследования этой системы Х.Йодером при давлении водяного пара
до 500 МПа было установлено, что котектика сильно смешается к плагиок-
лазовому концу диаграммы при сильном сокращении поля плагиоклаза.
При этом эвтектика анортит-диопсид (точка E
1
) имеет состав 67%An + 33%
Di и кристаллизуется уже при температуре 1095°С. В результате этого ди-
опсид является постоянно первой фазой. Содержание воды в расплаве
вблизи эвтектики диопсид – анортит составляет 8.8%, а в чистом расплаве
плагиоклаза – от 9 до 12%. Примерно такое же, но менее заметное влияние
оказывает общее (или литостатическое) давление на безводную систему.
Так при давлении 2 ГПа эвтектика имеет состав 70%An + 30% Di и тем-
пературу 1500°С.
Рассмотрим следующую систему диопсид (CaMgSi
2
O
6
) – форстерит
(Mg
2
SiO
4
) – кремнезем (SiO
2
) при давлении 0.1 МПа (рис. 6.9). Обычно в
горной породе основного и ультраосновного состава нормального ряда
присутствуют орто- и клинопироксены, а также оливин. Изучение систем с
их участием в лабораторных условиях часто осложняется кристаллизаций
оливинов и кремнезема, и возникновением двух несмесимых жидких фаз.
Кристаллизация чистого компонента SiO
2
происходит при температуре
1713°С, диопсида - 1391°С, а эвтектики (E
1
) диопсид – кремнезем - 1362°С;
кристаллизация эвтектики диопсид – форстерит (E
3
) происходит при тем-
пературе 1387°С, а эвтектики кремнезем – пироксен (ортопироксен) (E
2
) -
1543°С.
Изоморфный ряд безжелезистых пироксенов при температурах ликви-
дуса имеет разрыв смесимости (P
2
– P
3
) между составами 10%Di + 90%En
и 40%Di + 60%En. Все пироксены с содержанием Di менее 60 мол. % (P
4
–
P
0
) плавятся инконгруэнтно. Поэтому в расплавах такого состава первым