Роль ликвации при кристаллизации природных и техногенных алюмосиликатных расплавов (стр. 5 )

Физико-химические условия кристаллизации парабазальтов. По результатам изучения расплавных включений и петрографическим наблюдениям был определен порядок и температуры кристаллизации минералов парабазальтов: Al-шпинель ® плагиоклаз (1260-1125°С) ® Mg-Fe-клинопироксен (1220-1160°С), Mg-Fe-оливин (>1140°С) ® лейцит (>1150°С) ® Ti-магнетит, пирротин, апатит ® фаялит, кирштейнит, геденбергит ® калишпат (1060-1050°С), ильменит. Интерстиционное стекло плавится при 1010-1030°С.

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 850-800°C.

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 fO2 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 1295-1260°С, расчетной ликвидусной фазой всегда является анортит, что хорошо согласуется с петрографическими и термобарогеохимическими данными. Для оценки fO2 на позднем этапе кристаллизации использовалась программа QUILF (Andersen et al., 1993), с помощью которой были получены значения fO2 для равновесия сосуществующих минералов мезостазиса, фаялита, Ca-Fe-оливина, геденбергита и магнетита. Величина fO2 составила 10‑10.0‑10.3 и 10‑10.8‑11.1 бар для 1100 и 1050°С соответственно, что на ½ логарифмической единицы ниже буфера QFM. Таким образом, парабазальты кристаллизовались в интервале температур 1300-1000°С при давлении близком к атмосферному в сухих, восстановительных условиях. Фугитивность кислорода на всём интервале кристаллизации не превышала уровня буферной реакции QFM (fO2=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 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, L1 и L2, если скорость роста из одной жидкости (темная стрелка) существенно выше, чем из второй (светлая стрелка). Жидкость L2, 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, L1 и L2, если скорости роста из обеих жидкостей (темная и светлая стрелки) близки. Жидкость L2 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 L2.

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

Рис. 9. Взаимоотношения двух сосуществующих стекол (Gl1 и Gl2) и фаялита (Fa), свидетельствующие о том, что рост фаялита осуществлялся преимущественно из высокожелезистой жидкости (Gl1) с захватом кислой жидкости (Gl2) 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 Al2O3 (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 Al2O3 2-3 мас.%, были обнаружены беспорядочно расположенные области фассаитового состава с содержанием Al2O3 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.