Жариков В.А. Основы физической геохимии

Подождите немного. Документ загружается.

кристаллизующейся ассоциации прибавляется биотит: L→Pl+Hrb+Bi, а в точке 8 - кварц:

L→Pl+Hrb+Bi+Q. В точках 9-10 практически при одной и той же температуре происходит

смена кристаллизующегося полевого шпата - начинает кристаллизоваться калиевый

полевой шпат (т.9) и прекращается кристаллизация плагиоклаза (т.10). Далее

кристаллизуется эвтектическая для монцогранитов ассоциация L→Kfs+Q+Bi+Hrb. Эта

ассоциация отвечает полю II - подщелоченных гранитоидов диаграммы Д.С.Коржинского

(см. рис. 3.147), к которым принадлежат монцограниты. При вполне подвижном

поведении щелочей эвтектическая кристаллизация протекает при постоянной

температуре. На диаграмме рис. 3.184 кристаллизация эвтектики занимает небольшой

температурный интервал 690-670

C, что скорее всего связано с кинетическими причинами

(или ограниченной подвижностью щелочей, что тоже по существу кинетический фактор).

Точно также смена кристаллизации полевых шпатов (точки 9, 10) отвечает

инконгруэнтной реакции перехода к подщелоченным гранитоидам Bi+Pl+Q+L'→

Hrb+Kfs+L" . Эта моновариантная реакция (n = k + 1 - r, где r=6: Bi, Pl, Q, Hrb, Kfs, L,

k=SiO

, Al

, (Mg,Fe)O, CaO, Na

O, K

O), отвечающая лучу (Cpx) диаграммы, в

экспериментах протекает практически нонвариантно (ΔT=5-10oС). Запишем

рассмотренную последовательность кристаллизации из точки 1 в виде краткой схемы,

принятой нами ранее:

Рассмотрим теперь последовательность кристаллизации стекол монцогранитов в сечении

II-III при малом содержании воды (2,8 вес% H

O), что отвечает p

H2O

=500 бар в эвтектике

при температуре солидуса). Точка 1 проектируется в поле кристаллизации плагиоклаза, и

наиболее высокотемпературной (те же 1000

С) в данном случае будет ассоциация L→Pl. В

точке 2 кроме плагиоклаза начнет кристаллизоваться кварц L→Pl+Q. В точке 3 появляется

биотит L→Pl+Q+Bi, а вскоре и Kfs: L→Pl+Q+Bi+Kfs. Последняя ассоциация

эвтектическая, но вместо изотермической или близкой к ней кристаллизации, вследствие

малого количества воды и существенной роли кинетических факторов, кристаллизация

растягивается на 150

C. Только при температуре 720

C исчезает последняя капля

жидкости. Вследствие особенностей исходного состава и кинетических причин при

температуре ниже точки 5 в экспериментальных образцах не обнаруживается вновь

кристаллизующийся Pl (пунктирная линия Pl out). Однако на самом деле плагиоклазовая

составляющая расплава (содержание ее незначительно) нарастает на ранее выделившиеся

кристаллы плагиоклаза. Роговая обманка при малых содержаниях воды не

кристаллизуется (Hrb out). Если пренебречь кинетическими отклонениями, то

последовательность кристаллизации в сечении II-II можно изобразить следующей

вертикальной схемой:

Сопоставляя еще раз последовательность кристаллизации, выявленную при

экспериментальных исследованиях с рассмотренными выше теоретическими схемами

последовательности смены парагенезисов в зависимости от температуры и величин

химических потенциалов К

O и Na

O обратим внимание на следующее важное

обстоятельство. Можно убедиться, что в водонасыщенных магмах или близких к ним с

содержанием воды в нашем случае более 4-5 вес% экспериментально выявленная

последовательность кристаллизации полностью отвечает теоретическим моделям водных

гранитоидных магм как систем с вполне подвижным поведением щелочей, осложняясь

незначительно кинетическими факторами. В водонасыщенных магмах существенна роль

кинетических факторов. Эти соотношения еще раз подтверждают отмеченную выше роль

гидроксильных групп R-OH в свободном объеме расплава для обеспечения вполне

подвижного поведения щелочей.

Рассмотренный пример представляет, конечно, схему последовательности кристаллизации

и смены парагенезисов. И для многокомпонентной системы никакого другого

графического образа предложить невозможно. Однако для трех- и четырехкомпонентных

систем удается построить строгие изобарические и изотермические сечения или их

фрагменты, которые выявляют многие важные особенности кристаллизации и отделения

летучих природных магм.

Особенности Т-р-х диаграмм многокомпонентных систем с летучими

Системы с летучими и с числом компонентов три и более могут быть строго исследованы

графически только при помощи проекций и сечений. Построение таких диаграмм

представляет сложную задачу, и поэтому вид сечения или проекции выбирается всякий

раз применительно к цели исследования. Для физико-химической петрологии особый

интерес представляют трехкомпонентные системы силикат - соль - летучий (Н

О) и

силикат - два летучих (Н

О и СО

), а также четырехкомпонентная система силикат - соль -

два летучих. Рассмотрим кратко некоторые особенности построения диаграмм состояния

этих систем.

А. Система силикат (В) - соль (С) - летучий (А-Н

О). Для построения диаграммы

состояния этой системы, как и других многокомпонентых систем, используются данные

по краевым бинарным системам. Т-р-х диаграммы краевых систем соль - летучий и

силикат - летучий обсуждались выше. Также в одном из предыдущих разделов подробно

рассмотрены Т-х диаграммы конденсированных систем силикат - соль и влияние на их

строение давления, на основании чего нетрудно построить Т-р-х диаграмму

конденсированной системы.

Для построения Т-р-х диаграммы трехкомпонентной системы необходимо знать влияние

третьего компонента на каждую из бинарных систем, и, если это известно, можно

представить трехкомпонентную систему в виде трехмерных изобарических и

изотермических сечений и их проекций на треугольник составов.

Другой подход состоит в построении Т-р диаграммы с изображением для каждого поля

составов сосуществующих фаз на треугольнике составов.

Рассмотрим в качестве примера изобарическое сечение Т-р-х диаграммы

трехкомпонентной системы силикат (В) - соль (С) - летучий (А-H

O), в которой

силикат и соль образуют простую эвтектику с расслоением в области ликвидуса и

субликвидуса, как это обычно наблюдается в системах типа силикат (или алюмосиликат) -

хлорид. Выберем изобарическое сечение, пересекающее трехфазовые кривые на краевых

диаграммах соль - летучий и силикат - летучий, причем в последнем случае изобара

пересекает только верхнюю часть трехфазовой кривой, а при понижении температуры в

краевой системе силикат - летучий происходят критические явления. Соответствующие Т-

х диаграммы краевых систем представлены на рис.3.185. На основании этих краевых

сечений и, учитывая влияние третьего компонента на фазовые соотношения каждой

бинарной системы, можно построить пространственную Т-х диаграмму

трехкомпонентной системы. Эта диаграмма наглядна только в виде пространственной

модели, изображение ее на плоскости плохо читается и поэтому рациональней заменить ее

серией изотермических сечений, отразив на трехкомпонентной диаграмме составов

соответствующие фазовые соотношения. Таких сечений выбрано восемь: T

> T

, положение их показано на Т-х диаграммах рис.3.185. На рис.3.186

приведены соответствующие изотермо - изобарические диаграммы фазовых равновесий.

Эти диаграммы строятся следующим образом. На сторонах треугольника для каждой

температуры наносятся составы фаз по данным краевых систем. Затем, по имеющимся

экспериментальным данным или известным физико-химическим соотношениям,

интерполируются составы соответствующих фаз внутри трехкомпонентной системы и

сосуществующие фазы соединяются коннодами.

Сечение Т

. Переносим с Т-х диаграммы составы фаз по краевым системам: по системе ab

- g'l'

l''

B, по системе bc - Bl''

l'''

, по системе ac - g''l''

. Для того, чтобы построить

трехкомпонентную систему, следует оценить влияние Н

О на ограниченную смесимость

компонентов b и с в расплаве, а также влияние третьего компонента на составы газовых и

жидких фаз. Примем, в соответствии с известными физико-химическими свойствами, что

летучий увеличивают смесимость b и c, пусть для определенности при x

=0,6

осуществляется полная смесимость расплава в системе. Тогда проекция кривой

расслоения на треугольник составов выглядела бы замкнутой кривой с начальной точкой

расслоения x

=0,5, x

=0,5, однако на изотермическом сечении стабильными окажутся

отрезки кривой расслоения (l'''

-l

и l'''

-l

) определенные областью существования

расплава при данных Т

и р. Линия состава расплава l''

-l''

, равновесного с твердой фазой

B ( ограничивающая поле L

+B), имеет обычный вид изотермы ликвидуса. Поле расплава

L, кроме кривой расслоения (l'''

-l

), ограничено также линией состава расплава,

равновесного с газом (l'

-l

), которая сходится с кривой расслоения в точке l

. Точка l

одна из точек нонвариантного трехфазового равновесия GL

, занимающего центральное

положение на треугольнике составов. Определим положение других точек g и l

входящих в нонвариантный парагенезис. Точка g расположится на кривой состава газа

g'g", соединяющей точки газа в бинарных системах g

(система ab) и g" (система ac).

Кривая g'g" слегка вогнута, поскольку лучшая растворимость с в газе уменьшает

относительную мольную долю летучего. Положение точки g на кривой g'g" определяется

тем, что в нонвариантном состоянии газ содержит больше лучше растворимого

компонента с. Слева от точки g моновариантное равновесие G +L

, справа G +L

. Точка l

определяется пересечением кривых, ограничивающих поле солевого расплава L

- это

кривая расслоения (l"'

-l

) и кривая равновесия расплава с газом (l'''

-l

). Проведя конноды

g-l, g-l

, l

-l

, завершим построение диаграммы сосуществующих составов в

изотермическом сечении T

. Нетрудно видеть, что при T

в системе существуют один

трехфазовый нонвариантный парагенезис G+L

, четыре моновариантных двухфазовых

парагенезиса L

+B, L

, L

+G, L

+G и три дивариантных поля L

, L

и G.

Фигуративному составу, заданному точкой 1, отвечает однофазовое состояние расплава

Сечение Т

(рис.3.185, Т

) от T

отличается тем, что из расплава L

кристаллизуется

твердая фаза C (поле L

+C на треугольнике), поле L

существенно меньше, и в краевой

системе bс при этой температуре происходит нонвариантная реакция L

→ B+L

. Cоставы

сосуществующих L

, L

и G по сравнению с T

содержат больше летучего компонента. К

четырем моновариантным равновесиям добавляется пятое L

+C.

Сечение Т

(рис.3.185, Т

) имеет наиболее сложное строение. В краевой системе аb при

этой температуре происходит реакция ретроградного кипения L

→ G+B. В то же время в

трехкомпонентной системе существует небольшая область расплава L

(напомним, что

добавление третьего компонента понижает температуру плавления B). Эта область

ограничена кривыми равновесия L

+B - линия l'

-l'''

, и равновесия G +L

- линия l'

-l

линия равновесия L

с L

-l'''

), фиксирующая с одной стороны сохранившуюся в

центральной части системы область расслоения L

. В области составов, близких к

краевой системе bс, устойчиво равновесие B+ L

. Поэтому между полями B+L

, B+L

существует нонвариантный трехфазовый парагенезис B+L

, зафиксированный

составами B+l'''

+l'''

. Остальные поля диаграммы наследуют ассоциации уже

рассмотренные нами при анализе сечений T

и T

. Таким образом, при T

существуют два

нонвариантных парагенезиса B+L

и G+L

, шесть моновариантных парагенезисов

B+L

, B+L

, C+L

, G+L

, три однофазовых поля L

, L

, и G. Выбранный

фигуративный состав так же, как и при T

- точка 2, при T

- точка 3, расположен в поле

B+L

Сечение Т

характеризует температуры, при которых расплав L

, обогащенный

компонентом b, уже не существует (в результате ретроградного кипения L

→ G+B(+L

)),

однако продолжает оставаться существенно солевой (компонент с) расплав. Обширную

область составов занимает характерный парагенезис силикат (B)+газ (G)+солевой расплав

), имеющий существенное значение для понимания процессов флюидно -

магматической дифференциации компонентов при кристаллизации магматических

расплавов. В краевой системе ас при этой температуре происходит ретроградное кипение:

→ С+G, а в области, близкой к аb, существует новый парагенезис G+B. Остальные

фазовые равновесия сохраняются: B+L

, C+L

, G+L

, L

, G. Фигуративная точка

выбранного состава (точка 4) представлена парагенезисом B+L

+G.

Сечение Т

проходит при температурах, когда существует очень небольшая область

составов L

. Соответственно, узкой полосой протягивается двухфазовая область G+L

сужены также двухфазовые области L

+B и L

+C. Появились новые фазовые равновесия -

нонвариантное трехфазовое G+L

+C и моновариантное двухфазовое G+C. Обширное поле

занимает нонвариантная трехфазовая ассоциация C+L

+B. В краевой системе аb -

ретроградное повышение растворимости компонента b в связи с критическими явлениями

в этой части системы (сравните положения точек g' в сечении T

и f' в сечении T

Заметим при этом, что в системе ас критические явления отсутствуют, поэтому

добавление с снижает "флюидность" системы и эффект ретроградного повышения

растворимости (как это и показано линией f'g на рис.3.183, T

). При определенных

содержаниях "с" критические явления в системе исчезают. На диаграмме (см. рис.3.185,

) это условно обозначено точкой g.

Сечение Т

характеризует условия, когда в трехкомпонентной системе отсутствует

расплав и только в бинарной части ас происходит конденсация жидкой, существенно

водной фазы - гидротермального раствора: G+C → L

. Выбранный исходный состав при

будет представлен парагенезисом G+B+C.

Сечение Т

. При этой температуре в водной части системы в результате конденсации, при

понижении температуры снова существует жидкая фаза L

, представляющая

гидротермальный раствор с заметной солевой нагрузкой (см. точки l'

на сторонах ac и ab).

Вблизи краевой системы ac существует небольшая гетерофазная область g"-l'''

. В системе

одно трехфазовое равновесие B+C+L

, занимающее обширную область составов, три

двухфазовых равновесия B+L

, C+L

, L

+G и небольшая однофазовая область раствора L

Сечение Т

характеризует температуры несколько ниже 0

С (если летучий компонент

O). Кроме раствора (L

) существуют двухфазовое равновесия B+L

, C+L

, вместо G+L

появляется равновесие льда (A) с раствором A+L

, и практически всю область составов на

диаграмме занимает нонвариантный парагенезис B+C+L

Для того чтобы описать изменения фазовых соотношений в системе при кристаллизации

твердых фаз или при их плавлении (при повышении температуры) надо нанести

фигуративную точку состава на треугольник составов и построить необходимое

количество изобаро-изотермических сечений, на которых графически будут отражены

фазовые соотношения для определенного состава. В качестве примера на рис.3.186 (Т

-Т

)

нанесена точка выбранного исходного состава под соответствующими температурам

номерами: 1 → 8. Изменение фазовых соотношений при понижении температуры

выразится краткой записью:

Для каждой из нонвариантных точек сосуществующие фазы имеют свой определенный

состав и при переходе от одной температуры к другой (n = k + 1 - r = 3 + 1 - 3 = 1) составы

газа и жидкости изменяются в зависимости от происходящих в системе процессов

(которые были охарактеризованы при построении сечений). Число изобаро-

изотермических сечений, необходимых для определения фазовых соотношений для

любого состава зависит от числа фазовых границ, пересекаемых изобарическим T-x

сечением для выбранного исходного состава. Можно убедиться на рассмотренном

примере, что сечения T

, T

и T

не обнаруживают новых фазовых ассоциаций для

выбранного фигуративного состава и их можно было бы опустить, за исключением T

поскольку на T

отражено ретроградное повышение растворимости b во флюиде.

Сопоставляя положение моновариантных линий на T-p проекциях систем A-C и A-B

можно убедиться, что число изобарических T-x сечений должно быть в общем случае не

менее пяти , что также зависит от выбранного исходного состава.

Отметим наиболее характерную особенность рассмотренной водно - солевой - силикатной

системы, которая состоит в том, что при понижении температуры существенно

силикатная жидкость кристаллизуется и, претерпевая ретроградное кипение, переходит в

надкритический газ, тогда как существенно солевой расплав еще длительный промежуток

существует как жидкая фаза, и после небольшого интервала температур кристаллизуется

как существенно водный раствор. Если же представить изохорическую (а не

изобарическую, как рассмотрено выше) кристаллизацию, которая протекает вдоль

трехфазовых поверхностей, то в силикатной части системы наступают критические

явления с переходом L

=F+B, тогда как солевой расплав (L

) будет все время

существовать как жидкая фаза, постепенно переходя к водному гидротермальному

раствору. Отмеченные особенности имеют существенное значение для понимания

процессов отделения летучих от магмы и генезиса гидротермальных растворов.

В качестве другого примера диаграммы летучий (А=H

O)- силикат (В) - соль (С)

рассмотрим изотермическое сечение Т-р-х диаграммы. Расположим сечение так, чтобы

оно пересекало трехфазовые кривые BLG и CLG в краевых системах ab и ac, отвечая

рассмотренным выше изотермам T

(система ab - рис.3.175 и 3.177) и T

(система ac -

рис.3.166 и 3.169). Напомним, что в системе ab наблюдаются критические явления, что

составляет главную сложность в построении диаграмм фазовых соотношений. Система bc

- силикат - соль с областью ликвации, захватывающей центральную область составов bc.

Диаграмма р-х в виде трех краевых бинарных систем приведена на рис.3.187. На

диаграмме I система ab с критической точкой при некотором давлении p

, при котором

изотерма (T

, рис.3.177) пересекает критическую кривую. На диаграмме II система

силикат-соль. При повышении давления область расслоения несколько уменьшается в

размерах (влияние большего давления воды) и садится на кривую плавления C, где при p

происходит реакция L

→ C+L

. При еще больших давлениях - кристаллизация по типу

эвтектики. Точка E

- эвтектика по давлению, характеризующая, как было показано выше,

максимальное давление существования расплава при данной температуре. Диаграмма III

системы ac отвечает обычной р-х диаграмме при температуре пересечения трехфазовой

кривой CGL (сравни T

, рис.3.169). Проведем четыре изобарических сечения p

> p

и построим диаграммы фазовых равновесий обычным способом, снимая координаты

фазовых границ с краевых сечений и интерполируя поведения этих границ в пределах

тройной системы по экспериментальным данным и общим физико-химическим

соображениям. Соответствующие диаграммы представлены на рис.3.188. Проследим

изменение фазовых соотношений по мере понижения давления от p

до p

, что будет в

общем отражать подъем магматической камеры в литосфере в область меньших глубин.

Сечение p

отвечает наибольшему значению давления из выбранных. Наблюдается два

поля кристаллизации твердых фаз B+L

, C+L

, обширное поле надкритического

гомогенного расплава - флюида со свойствами расплава в области составов, обогащенных

b и со свойствами плотного флюида в области водных составов (a). Вблизи краевой

системы ac маленькая область двухфазового состояния G+L.

При уменьшении давления - сечение p

- надкритическая гомогенная область

уменьшается, сохраняясь неширокой полосой вдоль краевой системы ab. Сокращаются

поля кристаллизации L

+B и L

+C, что отвечает плавлению B и C с уменьшением

давления. В области расплавов происходит ликвация на два расплава L

и L

. В центре

треугольника - трехфазовое нонвариантное равновесие G+L

(т.е. n

T,p

=k-r). В области

составов, близких к ac обычная последовательность равновесий (от а к с):

G | G + L

| L

+ C

Сечение p

располагается ниже критической точки в системе ab и строение диаграмм в

краевых системах ab и ac симметрично. На диаграмме: одно нонвариантное трехфазовое

поле GL

, пять двухфазовых моновариантных ассоциаций: L

+B, L

+C, L

, G+B,

G+C и три однофазовых дивариантных поля: L

, L

, G.

При уменьшении давления до сечения р

система минует две трехфазовые реакции L

→

G+B и L

→ G+C и на диаграмме фазовых составов появляются ассоциации твердых фаз с

газом G+L

и G+ L

. Кроме небольшого однофазового поля газа (G) всю остальную

область составов занимают расплавы с полностью выраженной областью расслоения

Выбрав любой исходный состав можно проследить изменение фазового состава при

изотермическом уменьшении давления, что в предельном приближении отвечает подъему

магматической камеры к поверхности. Общая тенденция при этом зависит от температуры

выбранного сечения. В рассмотренном случае, при относительно высокой температуре

происходит частичное расплавление выделившихся твердых фаз (B и C), смена

равновесий жидкость + твердое на газ + твердое (регрессивная кристаллизация) и в

расширении полей расплавов и газа. При меньших температурах быстро наступает

регрессивная кристаллизация: трехфазовый переход L

→ B +G (через критические

явления) и L

→ С+G и расплав закристаллизовывается.

Реальный подъем магматической камеры, который происходит с понижением

температуры, не меняет, в принципе, этих соотношений, если конечно остывание не будет

слишком резким. В последнем случае анализ нужно основывать на Т-х диаграммах и

влиянии на них давления.