Тандем-дифференциация в магматических расплавах Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

ВОПРОСЫ ГЕОХИМИИ и

% *

.Т

• • •

ш

А. Б. УСПЕНСКАЯ П.Л. НОСИК Н.А. ПЕГАРЬКОВА Л. П. НОСИК

Тандем-дифференциация в магматических расплавах

При объяснении разнообразия изверженных пород, обнаруженного химическими анализами, одни исследователи допускали независимое существование двух магм «нормальной-пикритовой» и «нормальной-трахитовой», смешение которых приводило к образованию промежуточных разновидностей. Другие считали, что магмы, из которых образуются изверженные породы, располагаются концентрическими оболочками по удельному весу. Третьи утверждали, что все изверженные породы произошли из двух магм, которые существуют ниже твердой коры Земного шара и занимают там каждая определенное положение. Четвертые указывали на фракционную кристаллизацию как на способ дифференциации магм с помощью движения кристаллов в расплаве под действием силы тяжести и выжимания более легкоплавких составляющих из частично затвердевшей магмы.

Однако эти концепции не позволяют достозерно оценить условия становления горных пород, а полученные с их помощью объяснения, сводящиеся к какому-то акту творения [2], следует считать некорректными. Еще в 60-е годы Барт [2] отмечал, что дифференциация расплава должна вызываться не только кристаллизацией, ассимиляцией, смешением магм и т.д., но и другими весьма важными процессами, о которых в настоящее время ничего не известно. Исследователи должны искать новые факты и новые принципы для интерпритации петрографических проблем. Нами найден один из принципов интерпритации петрографических проблем, и он предлагается к рассмотрению.

Настоящая работа направлена на выявление путей превращения в магматическом расплаве полианионов 81, Б, С, N и др. в минералы, руды и горные породы в ходе

протекания тандем-дифференциации в расплаве.

ТАНДЕМ-ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ В МАГМАТИЧЕСКОМ РАСПЛАВЕ

Современные предствления о процессах дифференциации магматического расплава основаны только на закономерностях полимеризации полианионов кремния, равновесной кристаллизации минералов из силикатного расплава и эвтетиче-ского плавления минералов [ 1, 2].

Однако некорректно применять понятия о дифференциации силикатного расплава к магматическому расплаву, содержащему не только полианионы кремния, но и серы, углерода, азота и др. Дифференциация такого расплава начинается с полимеризации полианионов с самой высокой энергией комплексообразователя и деполимеризации полианионов с меньшей энергией комплексообразователя и заканчивается равновесной кристаллизацией силикатного расплава.

Исходя из химического и минерального состава горных пород дифференциация расплава в пределах земной коры вызывается в основном полианионами углерода, серы и кремния и кристаллизацию минералов. По окончании процесса полимеризации углерода начинается полимеризация серы и деполимеризация полианионов кремния, сопровождающиеся также мине-ралообразованием. Заканчивается процесс дифференциации распава равновесной кристаллизацией полианионов кремния в оставшемся силикатном расплаве.

Таким образом, тандем-дифференциация в магматическом распаве вызывает не только кристаллизацию минералов, но и оказывает влияние на состав полианионов кремния в оставшемся силикатном расплаве.

ПРОЯВЛЕНИЕ ТАНДЕМ-

ДИФФЕРЕНИЦИАЦИИ В ПРИРОДНЫХ

ОБРАЗОВАНИЯХ

Изучение включений алмазов позов-лилио установить, что одна часть их содержит во включениях ультраосновные парагенезисы, а другая — эклогитовые [4]. До настоящего времени не существует какого-либо объяснения этих фактов. Однако оно может быть получено с применением тандем-дифференциации. действительно полимеризация полианионов углерода до алмаза, высвобождая энергию, катионы, анионы кислорода и свободный кислород, вызывает полимеризацию полианионов кремния. Пересыщение расплава полианионами кремния [81п 03п+1]2(п+1)- с низкими значениями п и катионами вызывает кристаллизацию ультраталлизующегося алмаза.

Высокая скорость полимеризации по-лианионов углерода, сопровождающаяся низкой скоростью деполимеризации полианионов серы и кремния, увеличивает давление в расплаве, в результате которого а — карбины (-С = С-) переходят в В — карбины (=С = С=) и полимеризуются полианионы кремния. Пресыщение полианионами кремния [51п03п+1]2(п+1)- с высокими значениями п и катионами с низкой энергией электроотрицательности приводит к кристаллизации минералов эклогитового парагенезиса, которые консервируются в растущих кристаллах алмаза.

Изучение химического и минерального состава пород медно-никелевых интрузий норильского типа позволило установить, что с увеличением рудного вещества возрастает количество пироксена и плагиоклаза от эндоконтактов кровли и подошвы к центру интрузии. Этот факт нельзя объяснить только дифференциацией силикатного расплава.

Исходя из тандем-дифференциации такое распределение рудного вещества, минералов и пород в магматической камере может быть вызвано полимеризацией полианионов серы с образованием сульфидного расплава и деполимеризацией полианионов кремния с образованием оливина за счет пироксена и плагиоклаза.

Таким образом, процессы, вызывающие тандем-дифференциацию в магмати-

ческом расплаве обуславливают минеральные парагенезисы и последовательность формирования пород в магматических очагах.

ПОЛИАНИОНЫ УГЛЕРОДА, СЕРЫ И КРЕМНИЯ В РАСПЛАВЕ

Анионные группировки силикатного расплава описываются уравненим БЮ/'

[аА«,]2"’*"' г [я^Оз*,] *•*>- + о2-, в

котором связь полианионов кремния с катионами-модификаторами представляется

_ ' -¿Ж *

уравнением 2Ме2+ + 8144' <-Ме2ЗЮ4, а связь анионов кислорода со свободными катионами Ме2+ + О2' ^ МеО [ 1 ]. Конечными продуктами полимеризации силикатного расплава являются (8Ю2) 100% высвобождение катионов и 50% анионов кислорода.

Углеродсодержащие полианионы так же, как и полианионы кремния состоят из анионных группировок углерода, катио-нов-модификатров, анионов кислорода и свободных катионов [5]. Конечным продуктом полимеризации является углистое вещество (алмаз, графит, С2 и др.), 100% высвобождение катионов и кислород (50 % анионов и 50 % свободного кислорода).

Полианионы серы так же, как и полианионы кремния и углерода состоят из анионных группировок, катионов-модификаторов, анионов серы и свободных катионов. Анионные группировки серы можно описать уравнением 8044- + [8п03п+1]2(п+1)- -

1 п+1 Зп+'М + О > так как 8 ангидритах в виде примесей содержатся полисульфаты Са[8207], Са[83О10] и др. [6]. Конечным продуктом полимеризации полианионов серы является сера. При этом выщеляющи-еся из полианионов серы катионы, анионы

кислорода и свободная энергия деполиме-ризуют силикатный расплав. Замещение анионов кислорода свободной серой вызывает образование сульфидного расплава.

Высокая скорость полимеризации по-лианионов серы по сравнению со скоростью деполимеризации полианионов кремния приводит ок повышению давления в расплаве за счет образования флюидной фазы. Превышение давления в магматической камере литостатическому приводит к отделению магматического флюида от расплава.

Взаимодействие этого флюида с вмещающими породами или между его последующими порциями сопровождается образованием гидротермального рудообразующего раствора.

Таким образом, полианионы кремния, серы и углерода состоят из анионных группировок, катионов-модификаторов, анионов кислорода и свободных катионов. При этом в магматическом расплаве анионы кислорода могут замещаться анионами серы и углерода.

ПЕРЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ МЕЖДУ ПОЛИАНИОНАМИ В ДИФФЕРЕНЦИРУЮЩЕМ РАСПЛАВЕ

Изменение энергии в дифференцирующем расплаве можно оценить, исходя из перерасвпределения катионов в горных породах и энергии электроотрицательности этих катионов в магматическом распла-

ве [3] по методу Барта [10]. Метод Барта основан на следущих положениях кристаллохимии силикатов: а) подавляющий объем в структурных решетках силикатов занимают ионы кислорода; б) горные породы при магматических и метаморфических процессах сохраняют постоянный объем; в) количество ионов кислорода в данной единице объема не изменяется (за объем стандартной ячейки принято 1600 атомов кислорода [10]).

В качестве объектов для изучения процесса перераспределения энергии между полианионами в дифференцирующем расплаве были выбраны Черногорная медноникелевая интрузия норильского типа [ 1 ] кимберлитовая дайка А-21 Мало-Ботубин-ского алмазоносного района Сибирской платформы [7]. Результаты таких вычислений сведены в табл. 1, 2.

Таблица 1

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ (ВЕС. % ) И ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ (Ы' Ю'23 КДЖ/МОЛЬ)

В КИМБЕРЛИТОВОЙ ДАЙКЕ

н Окислы Химический состав с глубиной (м) Э.О., кДж/ моль Энергия, N

4 5 28 30 122 130 4 5 28 30 122 130

I 5102 115,251 9,06 8.99 ■: 14.34 14,10 І 12,15! Шш ; 276352:; і 164288:: 163200 ¡258944 219776 219776

1 тю2 7,88 5,58 2,75 1,55 3,07 2,54 1045 103455 73150 501680 12540 40755 32395

а,2°3 : йійі і шш. 2,38 1,99 §9Ш Ш, 2,24 1Ш1: :130781| 86574 ! 44208 1 шш 44208 і 40524 : :

ре2°3 10,68 7,75 5,25 4,69 2,84 1,87 984 125952 30528 70848 57072 33456 35424

1 ЯеО 3,40 '8,20 1,98 | шш 2,80 | 2,49 774 88236 ; 216721 23994 30186 і 25542 I

МпО 0,54 0,58 0,18 0,14 0,09 0,10 753 5271 6024 2259 753 753 756 I

МдО Ш 9. 7$ Ш || 5,79 11,20 їжт Щшт .••••• г • • !••••»*« ;: 733Щ 178119 :І05552І И20212 ::203774 ¡234560; 185449: |

СаО 20,10 27,58 37,45 32,06 31,25 35,70 565 202270 277980 377420 322615 316400 361600 I

к2о | ; 1ШІ 6,25 шщш Ив 1ШШ 419 | 1676 12514 § шшш 1 . . ... |ШІі: ІШІІІ

1 №20 9,14 0,26 0,26 0,22 0,29 0,27 502 147588 5020 5020 3012 5020 5020

з°3 0,051: 0,24 . . Сл шшм 0,48 : І 0,65 ; 943 Щ 1 471 V*• .’%•. I•!V*• Щ592 І1І 15592

1 С02 17,00 25,52 31,68 26,84 23,84 26,50 1550 548700 824600 1023000 866450 7703508 855600

р2°5 0,12 0,45 0,90 0,71 м$ 0,76 !; 1299:1 | 2598§ 10392: 15588 я* 15588 15588:!

Н20 2,35 1,07 0,54 0,95 0,38 0,23 1320 351120 161040 78920 147840 58080 29040

1 ІІІ1 • . .у,* • • • • • /• •’ * і'» /'Д •' * 4^. » » ' I* *.' 1. л*л : ■ • • • 2|11204 1895898 2420703 1947363 1777833 1828524

Химический состав пород

Окислы

Окислы

831232

868224

871488

846464

923712

11495

10450

10450

15675

80305

257880

276300

283168

279984

165780

324192

241302

41328

37392

57072

49200

37392

49200

31488

85140

105264

109134

434669

170789

120212

145134

158326

132775

106785

58195

103960

75710

101700

1220400

27108

21084

29116

69276

56224

37148

32128

13408

1593766

1597537

1591903

1628102

1454149

Энергия N

16720

102930

8380

1566161

Из табл. 1 видно, что в верхней (4 - 5 м) и нижней (122 - 130) частях кимберлито-вой дайки в направлении движения распава к поверхности Земли уменьшаются С02 (полимеризуются полианионы углерода), энергия расплава (из расплава выносятся катионы с высокой энергией) и увеличивается 8Ю2 за счет заимствования его из вмещающей среды.

В средней части кимберлитовой дайки (28 - 30м) происходит увеличение С02 (деполимеризация углерода), уменьшение БЮ2 ( за счет неодинакового выноса 5Ю2 из вмещающей среды) и увеличение энергии (накапливаются в расплаве катионы с высокой энергией). Это позволяет за-

ключить, что в поднимающемся к поверхности расплаве происходила полимеризация углерода и деполимеризация полианионов кремния. Затвердение распава в верхней и нижней частях трубки обеспечило высокую герметичность в средней части трубки. Повышение давления в средней части трубки вызвало переход а-карбинов ( -С = С- ) в/3-карбины (=С = С=), т.е. деполимеризацию углерода и полимеризацию полианионов кремния. Наличие в средней части кимберлитовой дайки псевдоморфоз кальцита по кристаллам оливина и высокое содержание слюды и кальцита подтверждает сказанное выше.

Таблица 2

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ (ВЕС.%) И ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ (Ы' 10ы КДЖ/МОЛЬ)

В НИКЕЛЕНОСНОЙ ИНТРУЗИИ

Данные по изменению энергии в ким-берлитовой дайке также позволяет заключить, что: а) изменение общей энергии в интервалах 4 - 5 м (215306), 28 - 30 м (473040) и 122 - 130 м (50691) достатоыно, чтобы магматический расплав перевести в силикатный расплав С(зЮ2)6 = 592960,

°«Ю2)7 = 820352, Ояюав = 83123210 “ кДж/моль), и почти на два порядка мень-шеб чем в кимберлитовых дайках (в расчетах применялись мощности пород). Такое изменение энергии и обусловило постепенное увеличение оливина за счет уменьшения плагиоклаза и пироксена. Таким образом, высвобождение энергии при полимеризации является достаточным как для деполимеризации полианионов с меньшей энергией комплексообразователей, так и для самоправления вмещающей среды.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Для понимания процессов становления горных пород они в лабораторных условиях переводятся в расплавленное состояние, а затем кристаллизуются из расплава в минералы [8, 9].

Несмотря на отсутствие знаний о тан-дем-дифференциации Феннеру [9] все-таки удалось провести эксперименты с максимальным приближением к условиям дифференциации магматического расплава. Суть его эксперименвта сводилась к следующему. Смесь, составленная из 25 вес% 1У^О, 17,6 вес% РеО, 26,4 вес% Ре,03 и 30,5 вес% 55Ю2 (позиция п в табл.З), нагревалась до 1374°С. В одном случае (п-с-(1) нагрев этой смеси производился при Ро2 = 0,21 атм, в другом случае (п-а-Ь) при Ро2 = 1 атм, а в третьем — (п-132-40-24) — при разных соотношениях С02/Н2 (132, 40, 24). Из табл. 3 видно, что наличие кислорода во флюидной фазе уменьшает в расплаве количество N^0, 2 Ре и увеличивает 810, и Кф, а смеси С02+Н2 в соотношении С02/Н2 = 130,40 увеличивает количество 2Ре, 8Ю2, Кф и уменьшает М§0, а в соотношении С02/Н2 = 40,24 уменьшает 8Ю2, ЩО и увеличивает 2 Ре, Кф. Исходя из закономерностей перераспределения катионов и анионов в процессах тандем-дифференциации в магматических

расплавах, в опытах Феннера при содержании во флюидной фазе свободного кислорода происходит полимеризация силикатного расплава до 8Ю2. Ввод в расплав С02+Н2 сначала (при С02/Н2 = 132,40) вызывает деполимеризацию и полимеризацию кремния, а затем (при С02 = 40,24) — полимеризацию углерода и деполимеризацию кремния.

Таблица 3

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ В ОПЫТАХ ФЕННЕРА

| Состояние Химический состав в вес.%

МдО РеО Ре2°3 8Ю2

И! п ц Ш 25(5' :Ш 17г6 26,4 іИи

а 21 9,3 28,7 41

• | • • • і і | * * * * , . ПИШНІ ЩШ.:. І і ¡ііііі

С 19 14,5 26,5 40

і!'їв: |;- ІіШіі ІВШіЯІ адьн

132 13,5 34,7 13,8 38

1 • • • • • • • • • • • • • • -Г . !->!- Х*Х\*^'Х*Х-. -**’** ШШШ 43,2 шішшш

24 2,5 50,8 10,7 36

УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ НИКЕЛЕНОСНЫХ ИНТРУЗИЙ И КИМБЕРЛИТОВЫХ ДАЕК ПО ДАННЫМ

ФЕННЕРА

В никеленосных интрузиях норильского типа от габбо-диоритов (1) до офитовых, оливиновых габбо-долеритов (4) уменьшается 8Ю2,2 Ре, Кф и увеличивается 1\^0, согласно данным Феннера такое распределение катионов в силикатном расплаве соответствует полимеризации полианионов углерода, вызывающей деоплимеризацию полианионов кремния при наличии во флюидной фазе С02+Н2. От офитовых, оливиновых габбро-долеритов (4) и такси-товых габро-долеритов (7) к пикритовым габбро-долеритам (6) происходит уменьшение 8Ю2, Кф и увеличение 2 Ре, N^0. Исходя из данных Феннера, такое распределение катионов соответствует деполимеризации полианионов кремния, вызванной полимеризацией полианионов серы, т.е. наличием кислорода во флюидной фазе.

Во фронтальной (5-4 м) и тыльной (122 -130) частях кимберлитовой дайки увеличение М§0 и уменьшение ЗРе и Кф вызывались полимеризацией полианионов углерода и деполимеризацией полианионов кремния. В средней части кимберлитовой трубки уменьшение М£0 и увеличение 2?е и Кф вызывались полимеризацией полианионов углерода и деполимеризацией полианионов кремния. В средней части кимберлитовой трубки уменьшение Н§0 и увеличение 2Ре И Кф происходило в процессе деполимеризации полианионов углерода и полимеризации полианионов кремния.

Таким образом, критерии, выведенные из данных опытов Феннера, позволяют судить о процессах тандем-дифференциации в магматических расплавах.

ВЫВОДЫ

полимеризации полианионов с меньсей энергией комплексообразователей, формирования пород и самоплавления порол вмещающей среды. ”*]

3. Наличие ультраосновных парагенезисов в алмазах связано с полимеризацией полианионов углерода и деполимеризацией полианионов кремния, а эклогитовьг* — с деполимеризацией полианионов углерода и полимеризацией полианионов кремния.

4. Сегрегационная концентрация рудного вещества в никеленосных интрузиял норильского типа происходит в процессе полимеризации полианионов серы и деполимеризации полианионов кремния.

5. Высокая скорость полимеризации полианионов с большой энергией комплексообразователей и низкая скорость деполимеризации полианионов с малой энергией комплексообразователей формируют флюидную фазу в магматическом расплаве.

6. Взаимодействие магматического флюида с вмещающей средой или с его последующими порциями приводит к образованию гидротермального рудообразующего раствора.

1. Дифференциация магматического расплава вызывается перераспределением энергии, катионов и анионов между поли-анионами углерода, серы, кремния и др. и кристаллизующимися минералами в процессах протекания тандем-полимеризации в магматическом расплаве и равновесной кристаллизации полианионов силикатного расплава.

2. Энергиии, выделяемой при полимеризации полианионов, достаточно для де-

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Альмухамедов А.И., Медведев А.Я. Геохимия серы в процессах эволюции основных магм. Наука, М., 1982, с. 147.

2. Барт Т. Теоретическая петрология, М. И. Л. 1956, 414 с.

3. Войткович Г.В. Краткий справочник по геохимии. М., Недра, 1977, с. 184.

4. Галимов Э.М. Вариации изотопного состава алмазов и связь их с условиями альмообразования. Геохимия, N8, 1984, с. 1091 - 1117.

5. Гиллеспи Р. Геометрия молекул. М. Мир, 1975, с. 278.

6. Годовиков A.A. Минералогия, М. Недра, 1983, с. 647.

7. Зубарев Б.М, Дайковый тип алмазоносных месторождений. М. Недра, 1989, с. 183.

8. Kuschiro I. Origin of some magmasin oceanic and circum-oceanic regions*. Tectonophysics, 1973, Vol 17, № 3, p. 211 - 222.

9. Osborne E.F. Role of oxygen pressure in the crystallisation and differentiation of basaltic magma. American journal of Science, Vol 257, 1959, p. 609 - 647.

10. Четвериков С.Д. Руководство к петрохимическим пересчетам. М. ГНТИ, 1956, с 246.

© Авторов