Тандем дифференциация в расплаве открытых магматических камер Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

лу-

ПРОБЛЕМЫ МАГМАТИЗМА И РУДООБРАЗОВАНИЯ

ла-

ПО

го-

ем-

для

ари

'ХО-

тки

эщ-

іаи-

іеди

>НО-

мой ІЬІ и

гра-

/чае і из-ара-ета-

1ДЫ-

я по иза-

раз-

ре-

пла-

їєньі

[ ис-шего

ного осу-емо-даю-) ис-

I.

ТЇЖЄ-

про-

гски-

гника

льзо-

гиче-

ісре-

А. Б. УСПЕНСКАЯ

П. Л. НОСИ К Н. А. ПЕГАРЬКОВА

Л. П. НОСИ К

Тандем-дифференциация в расплаве открытых магматических камер

Ранее [4] нами был рассмотрен процесс тандем-дифференциации в расплавах закрытых магматических камер (никеленосные интрузии и алмазоносные кимберлиты), вызываемый полимеризацией полианионов серы и деполимеризацией полианионов кремния (условия сегрегационной концентрации рудного вещества) или полимеризацией полианионов углерода и деполимеризацией полианионов серы и кремния (условия образования глубинных алмазов).

В данной работе будет рассмотрена возможность протекания тандем-диффе-ренциации в продуктах извержения Северного и Южного прорыва из открытой каме-эы Толбачинского Дола.

Ниже границы Гутенберга глубинное зещество представляется в виде оголенных ядер, находящихся в сжатой электронной жидкости [1]. При поднятии такого вещества (плазмы) к поверхности Земли происходит присоединение электронов к ядрам с высвобождением огромного количества энергии. Глубинное вещество теряет свойства плазмы и приобретает свойства магматического расплава на стадии подсоединения к атомам валентных электронов. Именно с этого момента начинается полимеризация полианионов с самой высокой энергией комплексообразователей. Затем последовательно (в соответствии с уменьшением энергии комплексообразователей) полимеризуются одни и деполимери-зуются другие полианионы. Заканчивается этот процесс равновесной кристаллизацией полианионов кремния. В результате полимеризации одних и деполимеризации других полианионов осуществляется тан-дем-дифференциация в магматическом расплаве, приводящая к образованию плу-

злен ко

тоногенных пород и флюида. При приближении расплава к поверхности Земли сначала происходит отделение флюида от расплава с образованием гидротермальных рудных месторождений, а затем расплав выдавливается на поверхность Земли. При этом полимеризация полианионов сопровождается потерей катионов, анионов и

энергии, что затрудняет деполимеризацию полианионов с низкой энергией комплексообразователей. В связи с этим возникает ряд вопросов: возможен ли процесс тандем-дифференциации в открытой камере? В каких количествах содержатся полианионы ТУ, С, 5, С/ и 5/ в расплаве? Какая энергия выделяется при полимеризации полианионов И, С, Б, СП Может ли дайка превращать горные породы в расплав? Именно решению этих вопросов и посвящена настоящая работа.

ТАНДЕМ-ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ МАГМАТИЧЕСКОГО РАСПЛАВА

Флюидная фаза в расплаве возникает при скорости деполимеризации полианионов с низкой энергией комплексообразователей. В закрытых камерах флюид расходуется на деполимеризацию полианионов. О его наличии в расплаве судят по содержимому в дефектах кристаллических структур минералов пород, если процесс деполимеризации отставал от полимеризации полианионов.

В открытых камерах дифференциация расплава обусловлена только полимеризацией полианионов. Флюидная фаза в таких камерах формируется только за счет продуктов полимеризации, и поэтому химический анализ ее позволяет судить о процессах полиме

ризации полианионов расплава. Синхронное изменение химического состава расплава и флюида может служить доказательством в пользу протекания тандем-дифференциации в открытых камерах.

Анализ флюидной фазы, выброшенной в воздух, показал, что в Толбачинском извержении наблюдаются последовательл-ные максимумы в выброшенных в воздух летучих. Сначала в летучих появляется максимум углерода, затем азота, дальше серы и, наконец, хлора (табл.1).

Таблица 1

Количество газа и его временное выделение из расплава

Северного и Южного прорыва [5]

Г азы см 0 1 и Ы2 Б02 НСІ

Моль % в газах 10,22 13,83 0,49 1.14

Временные максимумы 17.08.75 27.08.75 22.02.76 26.10.76 = г

Такая последовательность максимумов в выделяемых газах из расплава не противоречит полимеризации сначала полианионов углерода, затем азота и, наконец, серы, хлора и кремния, так как именно в такой последовательности уменьшается энергия комплексообразователей,

СгС4+=1550, С^5+=1833, С5^4+=1151,

СС/7+=1925, С514+=1088кДж/моль). Оценку изменений в расплаве можно произвести по закономерностям изменения Б Юг, £Ре, М%Р, Кф в опытах Феннера. Данные о БЮг, £Ре, М^, Кф в момент выделения максимумов углерода, азота, серы и хлора приведены в табл.2. Исходя из данных табл. 1,2 и экспериментальных данных Феннера [2] максимум выделения СОг сопровождается полимеризацией полианионов углерода и деполимеризацией полианионов кремния

(ДеРе < О, АMgO > О, АКф < 0) при уменьшении СОг! Нг в расплаве (рис. 1а); максимум N2 — полимеризацией полианионов азота и деполимеризацией полианионов серы и деполимеризацией полианионов кремния (Д5г'02<0, &£ре>0, ДЛ/£0>О Кф<0) при уменьшении содержания О2 в расплаве (рис. 1 б); максимум БОг — полимеризацией полианионов серы и деполимеризацией полианионов кремния

(Д5 г <3<0, Д£ре>0, АМ^=0, АКФ>О) при уменьшении содержания О2 в расплаве (рис.1в); максимум НС1 — полимеризацией полианионов хлора и деполимериза-цией полианионов кремния (АБЮг<0, &Ре>0, ДМ#0>0, АКф>0) в ходе уменьшения О2 в расплаве. Также следует отметить, что закономерности изменения 5Юг, еРе, М%0 ж Кф в открытых камерах при максимуме СОг во флюидной фазе совпадают с закономерностями изменения этих параметров в кимберлитовых алмазоносных трубках при образовании алмазов, а закономерности изменения БЮг, Ере, М%0, Кф при максимуме БОг во флюиде — с закономерностями изменения БЮг, £Ре, М%Р, Кф в медноникелевых интрузиях при сегрегационной концентрации рудного вещества [4]. Кроме этого, уход флюидной фазы из расплава резко снижает интенсивность изменения БЮг, Ере, М20, Кф, а в ряде случаев даже искажает изменения этих параметров.

*1°

і1;

N.

б) *

і К* ІО

4 і **1^^ й

Ъ.'о

і ^ •

1 г)

Рис.1 Изменения 5і02, £Ре, МдО, Кф в расплаве Толба-чинского извержения, нанесенные на экспериментальные закономерности изменения 8Ю2.

. Єїе, МдО, Кф Феннера [2].

Цифрами 123, 40, 24 на рис.16 обозначено отношение С02/Н2, а 0,21, 1 — давление кислорода в атмосферах в опытах Феннера.

Таким образом, как в закрытых, так и в открытых магматических камерах дифференциация магматического расплава обусловлена полимеризацией одних и деполимеризацией других полианионов комплексообразователей.

Количество в т

Вес % в породах <оличество моль

Таблица 2

Содержание ЗЮ2, ЕРе, MgO в вес % и Кф в момент достижения максимумов С02, N2, 502, НС1 [5]

Максимумы газов Бремя излияния

СОДЕРЖАНИЕ ПОЛИАНИОНОВ Ыу С, 5, С/И

& В РАСПЛАВЕ

Оценка содержания полианионов в расплаве была произведена нами по количеству СОг, Nг, 50г, НС1, выделяемых расплавом Северного прорыва массой 1.64 •109т [5] (табл.З)

Таблица 3

__ _ _ у .-Я

количество С#2> ^2» НС1 в расплаве массой 1,64 * 10

т

; — прямое измерение количества 50выброшенного за вре-ч5 действия вулкана на Северном прорыве (5]. Остальные были рассчитаны нами.

Данные табл.З позволяют заключить, что в магматическом расплаве содержится не меньше 10 вес % N2, 9 вес % СОг, 0,1 зес % БОг и 0,7 вес % НС1.

ЭНЕРГИЯ, ВЫДЕЛЯЕМАЯ ПРИ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ ПОЛИАНИОНОВ N, С, 5,

С1, 5г

При полимеризации одного моля полианионов /V, С, 5, С1, 57 выделяются следующие количества энергии (табл.4).

Таблица 4

Энергия, высвобождаемая при полимеризации 1 моля полианионов Ы, С, 5, С/, 5*

Энергия рассчитывалась, исходя из электроотрицательности комплексообра-зователеи (Л , С , 5 , С/ , Бг ) и кати-онов (Mg ) [1]. Исходя из количества полианионов в расплаве (см.табл.З) и энергии, выделяемой при полимеризации одного поля полианионов (см.табл.4) были рассчитаны энергии, высвобожденные расплавом в ходе последовательной полимеризации полианионов (табл.5).

Таблица 5

Энергия, высвобождаемая расплавом в процессе полимеризации полианионов /V, С, 5, С/, 5/

Этой энергии вполне достаточно, чтобы расплавить кварц (Тпшв- 1686 К, Ср 238-1700 к = 67 Дж/моль К, Ср т -Т = 114 кДж/моль) (табл.6).

Таблица 6

Количество кварца вмещающей среды, плавящегося в процессе полимеризации полианионов Ы, С, 5, С/, 5/

8*1013

4,8-109

8*1011

4,8-107

1*1013

6*108

3*1014

Из этих данных видно, что 10 вес % азота в расплаве массой 1,64 • 109 т в состоянии расплавить 2,4 Ю10 т кварца вмещающей среды, т.е. на порядок больше массы расплава. Также на порядок больше

могут расплавить полианион кремния. 10 вес % углерода в состоянии расплавить количество кварца вмещающей среды, равное количеству расплава.

Таким образом, энергия, высвобождаемая полианионами расплава при их полимеризации, достаточна, чтобы расплавить породы вмещающей среды на несколько порядков больше массы самого расплава.

МОЖЕТ ЛИ ДАЙКА ПРЕВРАЩАТЬ ГОРНЫЕ

ПОРОДЫ В РАСПЛАВ?

В предыдущей работе [4] высвобождаемая энергия расплавом рассчитывалась по катионам в продуктах (породах) дифференциации магматического расплава никеленосных интрузий и алмазоносных трубок. В предыдущем разделе настоящей работы высвобождаемая расплавом энергия рассчитывалась, исходя из флюидной фазы, по величине электроотрицательности комплексообразователей и катионов. Попытаемся произвести оценку энергии, высвобождаемой глубинным веществом в ходе превращения его в магматический расплав по окислам излившейся лавы и лету-чим магматического флюида.

Средний химический состав излившейся лавы Толбачинского извержения Северного и Южного прорывов приведен в табл. 7.

Таблица 7

Средний химический состав лавы Толбачинского извержения

для Северного и Южного прорывов [5}

. Окислы Содержание окислов в вес %

Северный прорыв Южный прорыв

бю2 49,96 50,40

тю2 1,07 1,82

А1°3 13,29 16,89

ре03 2,93 2,53

Ре° 6,91 7,75

МпО 0,16 0,19

МдО 9,86 5,31

СаО 11,79 8,55

N320 2,47 3,64

к2о 1.06 2,16

1 1 0,28 0,52

Из табл.7 видно, что жимический состав лав Северного приблизительно такой же, как и для Южного прорыва, и поэтому оценка энергетического баланса будет

произведена нами только для глубинного вещества, формирующего лавы Северного прорыва массой 1,64 • 109 т.

Исходя из химического состава лав Северного прорыва, сначала была произведена оценка количества атомов (табл.8), и установлены закономерности изменения потенциала ионизации химических элементов периодической системы элементов Менделеева (табл.9), а затем по данным табл.8,9 была рассчитана энергия, высвобождаемая глубинным веществом (табл. 10). Видно, что в расплаве Северного прорыва больше всего содержится кислорода, затем кремния, алюминия, магния, кальция, железа и т.д. Общее количество грамм-атомов в магматическом расплаве Северного прорыва массой 1,64-109 т составляет 7,3 -1013. 1

Таблица 8

Количество грамм-атомов в окислах лавы Северного

прорыва химический элемент

Химич. эле- мент 1 Бі Ті АІ Ре Мп I

(грамм- атомов) 2 1,4-1013 0,2-1012 0,4*1013 0,3-101,1 о • ь

Продолжение таблицы 8

І 1 Мд Са N3 К Р О ]

2 г— О • о 0,4-1013 1 *1012 0,4*1012 0,1 -1012 4.4*1013

Из данных табл.9 видно, что потенциал ионизации, удаляющий все (2) электроны с К-оболочки, в состоянии оторвать 4 электрона от атомов 51, 5г, 77, Бе и др. Энергия отрыва всех электронов (10) с К- и Ь- оболочек позволяет ионизировать до 26 электронов у криптона. При удалении всех электронов с М-орбиты (18) энергетическое состояние расплава позволяет оторвать уже до 34 электронов у криптона. Такое перераспределение электронов б химических элементах при переходе глу-| бинного вещества (плазмы) в магматический расплав может приводить к сепарации рудных компонентов в расплаве. I

яного

рного

[в Се-

!Веде-

.8), И

нения ; эле-[ентов

1ННЫМ

1ЫСВО-

;твом

■рного

сисло-

агния,

чество

:плаве

о

т со-

рноео

10,4-1011

'4.4 '101

•енциал ктроны 4 элек-Энергия

Ь- обо-[6 элек-ии всех (гетиче-[ет ото-шптона. зонов в эде глу-матиче-парации

Таблица 9

Число теряемых электронов при разных потенциалах ионизации (в эВ) [5]

К ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

ч И Не и Ве В С N О Р Ые Ыа Мд А! Б* Р 51 С1 Аг К Сз Эе Т\ V Сг Мп Ре Со !\М Си гп

1 45.5 К-1 обол. 1 2 1 2 3 3 2 2 2 2 1 2 3 4 3 3 3 3 3 22 3 4 3 3 3 3 3 3 3 3

I 136,2 1- эбол. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 9 10 11 12 13 14 15 16 17 19 19 19 18 18 18 18 17 18 19 20

. 4426,8 1 М-обол. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28

| * 7936,0 | \-обал. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 щ 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

Таблица 10

нергия, высвобождаемая глубинным веществом при перехо

де его в магматический расплав

: ■ - - ■ |1ИОНИЗ.ЭВ 45,4 1648 4426 17936

Орбиты К 1 М N

^рассыл. КДж/моль 17 3,3*10 19 1,2*10 з.з -ю19 20 1,4*10

Если эта энергия расходуется на плавание вмещающих пород, то ее будет вполне достаточно для плавления следующего количества кварца (табл.11)

Таблица 11

Количество плавящегося кварца энергией, высвобождаемой

глубинным веществом

^распл. 1 кДж/моль 17 3.3*10 19 1,2*10 19 3,3*10 20 1,4*10

ткв (Т) 9 3 40 12 6*10 13 1,8*10 14 0,7*10 . |

Исходя из этих данных можно оценить количество глубинного вещества, поступившего в камеру Северного прорыва (табл. 12).

Таблица 12

количество глубинного вещества, поступившего в магматическую камеру

со Е =3— 3*10 1,8*10 14 0,7*10

^глуб.вещ. СП 9 0,8*10 6 0,5*10 5 1,4*10 4 3,7 * 10

Видно, что при потенциале ионизации 45,4 эв один грамм глубинного вещества может расплавить 2 грамма вмещающей породы, а при потенциале ионизации 17936 эв — 40000 г. Если учесть летучие,

то энергия, выделяемая расплавом, может удвоиться, и тогда каждый грамм глубинного вещества может плавить до 100 к Г породы. Кроме этого, если в глубинном веществе ядра полностью отделены от электронов до 104 элемента и если удаление электронов для каждого последующего элемента с 36 до 104 требует дополнительно 1 кЭв (это следует из экстраполяции данных табл.9), то еще в пять раз может увеличиться эффективность глубинного вещества, т.е. каждый грамм его может плавить до 500 кГ породы. Такая энергетическая мощность глубинного вещества, поступающего в земную кору в виде дайки, безусловно может превращать горные породы в расплав. Однако при расчетах предполагалось, что все химические элементы одинаково аккумулируют энергию и после удаления всех электронов. В противном случае один грамм глубинного вещества может реально плавить до 80 к Г породы.

Так как все химические элементы глубинного вещества находятся в ионизированном состоянии, а при переходе его в магматический расплав проявление химических связей (полимеризация полианионов) начинается с элементов (комплексо-образователей) с самой высокой электро-отрицательностыо, то высвобождаемая энергия, катионы и анионы расходуются не на деполимеризацию полианионов с низкой энергией (они уже деполимеризова-ны), а на плавление и деполимеризацию пород вмещающей среды. Поэтому хими-

ческии состав пород даики не характеризует глубинное вещество и контролируется процессами дифференциации магматического расплава и химическим составом вмещающих пород.

Таким образом, глубинное вещество, взаимодействуя с вмещающими породами, может превращать их в расплав с образованием магматического расплва. Химический состав дайки контролируется процессами дифференциации магматического расплава и химическим составом вмещающих пород.

ВЫВОДЫ

1. В открытых магматических камерах так же, как и в закрытых глубинное вещество превращается в магматический расплав, дифференциация которого вызывается полимеризацией полианионов с высокой энергией и деполимеризацией (или плавлением и деполимеризацией пород вмещающей среды) полианионов с низкой энергией комплексообразователей.

2. Энергия, высвобождаемая глубинным веществом при переходе его в магматический расплав, расходуется на плавление вмещающих пород, а магматического расплава при полимеризации одних полианионов (с высокой энергией) — на деполимеризацию других полианионов (с низкой энергией комплексообразователей).

3. Мощные магматические интрузии могут создаваться в земной коре при взаимодействии малого количества глубинного вещества с вмещающими породами (1 г глубинного вещества плавит до 500000 г вмещающей породы).

4. Своеобразное поведение катионов и электронов в глубинном веществе дает основание для управления процессами в нем.

5. Выводом и вводом энергии в магматический очаг можно гасить или возбуждать процессы в магматическом расплаве.

6. Флюидная фаза возникает после превращения глубинного вещества в магматический расплав в ходе полимеризации одних и слабой деполимеризации другх полианионов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Войткевич Г.В., Мирошников А.Е., Поваренных А.С., Прохоров В.Г. Кратки справочник по геохимии. М., Недра, 1977, с. 184.

2. Osborn E.F. Role of oxygen pressure in the crystallization and differtation of basalti magma. American Journal of Science. V 257, 1959, p.609-647.

3. Радциг А.А., Смирнов B.M. Параметры атомов и атомных ионов. Справочник. М.,

Энергоиздат, 1986, с.344. I

4. Успенская А.Б., Носик П.Л., Пегарькова Н.А., Носик Л.П. Тандем-дифференциация в магматических расплавах (в печати).

5. Федотов С.А. Большое трещинное Толбачинское извержение. М., Наука, 1984 с.637.

© А.Б.Успенская, П.JI.Носик, Н.Л.Пегарькова, JIM.Носик