Роль ликвации при кристаллизации природных и техногенных алюмосиликатных расплавов (стр. 1 )

На правах рукописи

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

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук

кандидат химических наук

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. 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.

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 K2O, 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. и к. г.-м. за поддержку на всех этапах выполнения работы, а также д. г.-м. н. , предоставившему образцы горелых пород. Успешному выполнению работы способствовали консультации докторов г.-м. наук , , и доктора хим. наук В. Быкова. Автор благодарен за сотрудничество и помощь к. г.-м. н. , , В. В Шарыгину, , и . Автор выражает искреннюю признательность докторам г.‑м. наук , Э. С.  Персикову, и кандидату хим. наук за обсуждение основных положений работы. Особо хочется поблагодарить за помощь и поддержку д. г.-м. н. .

Глава 1. ЛИКВАЦИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ АЛЮМОСИЛИКАТНЫХ РАСПЛАВОВ