CC BY
57
Тепловые эффекты и концентрирование примесей магматического расплава при формировании интрузий
В.К. Каржавин
Геологический институт КНЦ РАН, Апатиты
Аннотация. Кристаллизация расплава в интрузиве - это временной экзотермический процесс в неравновесной системе. Тепло, выделяемое в систему и удаляемое в окружающую среду, взаимосвязаны между собой. Их отношение задаёт уровень положительной обратной связи, которая определяется теплом, ускоряя процесс кристаллизации через вариации температуры. С позиций принципов неравновесной термодинамики процесс кристаллизации магматического расплава протекает по несколько отличной от равновесной схеме. Периодичность процесса задаёт в системе режимы колебаний скорости кристаллизации и температуры. Условия выделяемого тепла играют роль усилителя колебаний. При этом скорость кристаллизации контролируется скоростью теплоотвода, а повторение таких колебаний будет протекать тем чаще, чем выше скорость оттока тепла из системы. Соответствующие условия для создания периодической химической неоднородности в области фронта кристаллизации определяются соотношением скоростей кристаллизации расплава и оттока тепла через вмещающие породы в окружающую среду. Поэтому избирательный характер концентрирования примесей перед фронтом кристаллизации, в виде ритмического повторения ряда минералов (в том числе ЭПГ), должен протекать длительно во времени, с периодическим захватом их в определённых местах объёма интрузивов согласно условий оттока тепла и характера теплопроводности вмещающих пород.
Abstract. Melt crystallization in an intrusive is a temporal exothermic process occurring in a non-equilibrium system. The heat liberated in the crystallizing system and the heat removed into the environment are interrelated. Their relation sets the level of the positive feed-back that is determined by the heat accelerating the crystallization process through the temperature variations. In the context of non-equilibrium thermodynamics principles, crystallization of a magmatic melt differs from that occurring by equilibrium scheme. The process periodicity sets the fluctuation regimes for crystallization velocity and temperature. The conditions of heat liberation play the part of a fluctuation amplifier. In this case the heat outflow velocity will control the crystallization velocity. The higher is the heat outflow velocity, the more often such fluctuations repeat. The proper conditions for creating periodic chemical heterogeneity in the front crystallization area are determined by the relation of two velocities: the velocity of melt crystallization and that of heat outflow into the environment through the enclosing rocks. So the impurities' concentration before the crystallization front as a rhythmic repetition of some minerals (including PGE) should last for a long time. In certain places of intrusive volumes the impurities should be trapped according to the heat outflow conditions and the kind of the heat conductivity of the enclosing rocks.
1. Введение
Природу расслоенности интрузивов трудно объяснить с позиций одной схемы или механизма. Различные предлагаемые модели формирования интрузивных массивов (например, Уэйджер и др., 1970; Ярошевский, 1970; Додин и др., 1994; Шарков, 1996; Layered intrusions, 1996 и др.) породили ряд гипотез, объясняющих причину и механизм появления расслоенности. Некоторые из них базируются на предположении, что остывание и становление массивов протекало при изменяющихся термодинамических условиях, а кристаллизующийся магматический расплав является динамической системой, описание которой может осуществляться через ряд переменных параметров. Такими параметрами могут быть как концентрация компонентов, так и температура, объем расплава, скорость его кристаллизации и т.д.
2. Исследование процесса тепловыделения
Любые изменения термодинамических условий в кристаллизующемся расплаве и окружающей среде (вмещающей расплав породе) оказывают определённое влияние на скорость зарождения центров кристаллизации, состав и свойства образующейся твердой фазы (Петров, 1947; Раддл, 1960; Рашин, 1963; Френкель, 1975). Процесс кристаллизации включает в себя одновременно протекающие и взаимосвязанные явления, такие, как массоперенос, выделение и удаление тепла из системы и т.д. Поэтому совокупность перечисленных выше параметров этих процессов характеризует кристаллизующуюся систему как дискретную, а процесс образования твёрдой фазы является существенно взаимосвязанным, неравновесным и протекающим в открытой системе.
Выделяемое в систему тепло (скрытая теплота кристаллизации) и тепло, удаляемое в окружающую среду (вмещающие породы), имеют между собой определенную взаимосвязь. В первом приближении
скорость оттока тепла из кристаллизующемся системы прямо пропорциональна средней разности температур между расплавом и вмещающей его средой. На начальном этапе кристаллизации все тепловые эффекты связаны через скрытую теплоту кристаллизации с характерными особенностями изменений скорости оттока тепла в окружающую среду (рис. 1). На рисунке схематически представлено постепенное повышение температуры вмещающих пород и соответствующее остывание расплава и продуктов его кристаллизации. Длительность охлаждения магматического тела непосредственно связана с теплопроводностью окружающей среды и может длиться бесконечно долго (Борисов, 1987). Через некоторое время температура магматического тела и вмещающей его среды выравниваются, и процесс остывания постепенно завершается. Однако любые внутренние и внешние воздействия, оказывающие влияние на теплопроводность вмещающих пород и кристаллизующегося расплава, приводят к нарушению процесса фазового превращения в районе фронта кристаллизации и его вещественного состава.
Рис. 1. Характер изменения температуры расплава (1), остывающей твёрдой фазы (2) и вмещающей среды (3) во времени
Q. дж
- :оо —____
- 100
J
тттттТТТТТТЩШЗЯД^
У
V
И 10 6 2 0 X Рис. 3. Зависимость величины У (тепловыделения) от X (температуры, времени) на примере кристаллизации однофазного расплава. Обозначения аналогичны рис. 2. Заштрихованная область = 61 ' 62 - величина скрытой теплоты кристаллизации однофазной системы
900 1000 1100 т°с
Рис. 2. Расчётные кривые тепловыделения при кристаллизации расплава оливинового толеита, Тингмули, Исландия: 1 - кинетика тепловыделения; пики на кривой - появление новых фаз; 2 - простое охлаждение (вклад теплоёмкости); 3 - кривая выделения суммарного тепла. Заштрихованная область - количество скрытой теплоты кристаллизации
Пространственно-временной фактор, влияющий на условия образования твёрдой фазы, можно оценить (Каржавин, 2000). Возьмём за основу предложенную (Ghiorso and Carmichael, 1985) схему последовательного преобразования расплава в твёрдую фазу и результаты проведённого расчёта количества выделяемого тепла при фракционной кристаллизации многокомпонентного оливинового толеита (рис. 2).
С целью упрощения представленной схемы процесса кристаллизации и облегчения её математического описания рассмотрим в качестве примера однофазную систему с поведением кривых в форме: 1 - кинетики тепловыделения и 2 - простого охлаждения (вклад теплоёмкости) (рис. 3). Кривые, изображенные на рисунке, можно аналитически представить в виде Y = A-XB-e'CX.
В приложении к обсуждаемой нами проблеме данная функция принимает вид Q = v rB-e"°T. Ее интеграл равен площади подынтегральной кривой и соответствует количеству выделяемого тепла. Соответственно, заштрихованная на рис. 3 площадь будет определять величину скрытой теплоты кристаллизации в исследуемой системе. Аналогичными уравнениями может быть описана каждая из кристаллизующихся фаз на рис. 2.
3. Расчет теплового эффекта при кристаллизации расплава
Нами проведены расчеты, в результате которых было установлено, что величина скрытой теплоты кристаллизации у пироксенов и оливинов находится в пределах от 25.6 до 29.6 % величины их общего теплосодержания в интервале от температуры плавления (расплавленное состояние) до стандартных условий (25°С). Для плагиоклазов эта величина оказалась меньше (от 15.8 до 21.4 %). При таких метастабильных условиях многие расплавы способны затвердевать с образованием различных
структур и морфологии минеральных индивидов, которые могут даже отличаться по химическому составу, в зависимости от степени отклонения от равновесного состояния при кристаллизации (Рашин, 1963). Для оценки количества тепла, выделяемого при кристаллизации и охлаждении расплава в процессе формирования конкретного интрузивного массива, было проведено следующее исследование. За основу были использованы данные химического состава одного из интрузивных массивов (Осипов, 1982) и проведён расчёт величины теплосодержания расплава и выделенного количества тепла в процессе кристаллизации и охлаждении Имандровского лополита, имеющего ориентировочный объём 4500 км3 (Кольский полуостров). Расчётами установлено, что выделенное тепло только в форме скрытой теплоты кристаллизации представляет громадную величину, порядка 1021 джоулей. Это лишь часть общего теплосодержания, внедрённого в земную кору магматического расплава. Для диссипации такого большого количества тепла, выделяемого при кристаллизации расплава и последующем охлаждении интрузива до температуры стандартных условий, потребуется многомиллионолетний временной период, и зависит этот процесс от многочисленных термодинамических и теплофизических факторов.
<Э
1
Рис. 4. Зависимость величины тепла (0), выделяемого в экзотермическом процессе, от времени (температуры) кристаллизации расплава. Варианты влияния величин теплопроводности вмещающей расплав окружающей среды:
1. 0 = 29.728 ^5558е-а4384ь,
2. 0 = 17.842 ^589е"а32№,
3. 0 = 7.405 ^88Уа251^
4. 0 = 2.762 ^"0Л69№,
5. 0 = 0.631 ^-а08и
5 10 15 т-ЧТ)
На рис. 4 изображены кривые зависимости выделяемой во внешнюю среду теплоты от времени (температуры). Характерной особенностью всех представленных на рисунке кривых является равенство их подынтегральных площадей. Это означает, что представленные уравнения, описывающие изображённые кривые, соответствуют условию постоянства выделяемого при кристаллизации тепла. Как следует из данного рисунка, выделение тепла в указанных системах протекает в различные временные интервалы. Очевидно, что коэффициенты у приведённых уравнений будут характеризовать теплофизические и некоторые другие свойства вмещающей среды и магматического расплава. Так, быстрой кристаллизации расплава в системе с высокой теплоотдачей в окружающую среду будет соответствовать кривая 1. В случае наличия осложнений для оттока тепла из системы и продолжительной во времени кристаллизации жидкой фазы (близкой равновесной) - кривая 5. Промежуточное положение кривых может быть обусловлено влиянием различных параметров на кристаллизующуюся систему, например, изменение скорости оттока тепла через вмещающие расплав породы, температура и теплопроводность которых изменяется во времени и др.
4. Факторы, определяющие процесс кристаллизации
Кристаллизация расплава в природных условиях - это динамический экзотермический процесс, протекающий в неравновесной системе. В ней существует обратная связь, характер которой определяется соотношением скорости выделения скрытой теплоты кристаллизации и скорости отвода тепла во внешнюю среду. Она может быть как положительной, ускоряя процесс кристаллизации, так и отрицательной, что ведёт к снижению скорости кристаллизации (Вигдорович и др., 1976; Гегузин и др., 1981). При положительной обратной связи возникает неустойчивость на межфазной поверхности, сопровождаемая "разрывами" скоростей (Каржавин, 1999). В свете изложенного следует, что соотношение между скоростью кристаллизации (скоростью выделения скрытой теплоты кристаллизации) и скоростью оттока тепла выполняет роль генератора периодических колебаний температуры и потока тепла и предопределяет ритмическую кристаллизацию через неустойчивость стационарного движения фронта кристаллизации (Гегузин и др., 1981; Каржавин, 1998). Скорость кристаллизации контролируется скоростью теплоотвода, а частота колебаний будет тем выше, чем выше скорость оттока тепла из системы. Таким образом, процесс кристаллизации периодически останавливается, а спустя некоторое время образование твёрдой фазы возобновляется с зарождением и формированием новых кристаллов. При этом следует отметить, что удаление относительно большой величины теплоты фазового превращения при образовании внутри расплава кристаллов возможно при условии только значительных градиентов температуры (Стрикленд-Констэбл, 1971; Никитенко и др., 1992). В объёме расплавов температурные градиенты обычно очень незначительны, поэтому образование
кристаллов внутри расплава маловероятно. Вместе с тем разность температур магматического расплава и вмещающих пород, их теплофизические характеристики, являются причиной ряда изменений на границе раздела фаз (вязкость расплава, диффузия компонентов и др.) (Франк-Каменецкий, 1967).
Величина температурного градиента в кристаллизующейся системе зависит от скорости оттока тепла во внешнюю среду, что определяет характер протекания процесса кристаллизации. В зависимости от условий оттока или распределения теплоты в окружающую среду, фронт кристаллизации может продвигаться вперед, оставаться неподвижным и даже отодвигаться назад (Раддл, 1960). Причиной является изменение температуры на границе раздела фаз в сторону повышения её значения до точки ликвидуса (Кидяров, 1979) или увеличения на 15-20°С (Осипов, 1982), так как скрытая теплота кристаллизации составляет довольно значительную величину (Петров, 1947; ОИюп'в апё Сагш1скав1, 1985). Прерывистый характер процесса кристаллизации можно объяснить следующим образом. Процесс перехода жидкой фазы в твёрдую определяется величиной переохлаждения АТ = Ть - Т, где Т - температура на границе раздела фаз; Ть - температура кристаллизации расплава, зависящая от концентрации в нём примесей. При условии превышения выделяемой скрытой теплоты кристаллизации над скоростью внешнего теплоотвода и, соответственно, разогрева жидкой и твёрдой фаз, при Т > Ть процесс кристаллизации прерывается и начинается период охлаждения. Данный период характерен тем, что за счёт диффузии примесей перед границей раздела фаз их концентрация понижается, а Ть повышается. При выполнении условия Ть - Т >АТ период охлаждения прекращается, и вновь возобновляется процесс кристаллизация расплава.
Для объяснения скачкообразного изменения скорости кристаллизации жидкой фазы рассмотрим рис. 5. Точке Т0 соответствует равенство химических потенциалов фаз. С появлением переохлаждения в системе начинается кристаллизация, скорость которой постепенно возрастает (верхняя ветвь, диффузионный режим). При достижении в системе температуры ТА, соответствующей точке А, будет нарастать тепловое сопротивление окружающей среды. Кристаллизации при этом постепенно замедляется и скорость процесса перехода жидкости в твёрдое тело скачком падает до экспоненциально малого значения. За счет выделенной скрытой теплоты кристаллизации температура в двухфазной области повышается. Последующий за этим отток тепла из системы и снижение температуры (нижняя ветвь, кинетический режим) способствуют очередному появлению необходимой величины переохлаждения, соответствующей температуре Тв, движение границы кристаллизации скачком ускоряется (Мержанов, Руманов, 1987, Шефталь, 1966). При этом скорость кристаллизации зависит не от величины вязкости, а от теплопроводности окружающей среды (стефановский режим). Периодичность описанного создаёт в системе колебания скорости кристаллизации и температуры. Выделяющееся при этом тепло играет роль усилителя колебаний. В связи с тем, что скорость кристаллизации контролируется скоростью теплоотвода, частота таких колебаний будет тем выше, чем больше скорость оттока тепла из системы.
5. Неравновесность процесса кристаллизации
Рассмотрим исходное состояние расплава как некий объём, окружённый породой. На начальном этапе скорость оттока тепла будет значительно превышать скорость её выделения на границе раздела фаз. Любые нарушения величины теплопроводности твёрдой фазы (кристаллизующихся и вмещающих пород) приводят к нарушению фазового равновесия на границе раздела фаз. В процессе кристаллизации, который сопровождается экзотермическими эффектами, выделяемое тепло количественно возрастает с увеличением температуры по экспоненциальному закону. Вместе с тем характер удаления тепла в окружающую среду чаще всего описывается правилами линейного закона (Франк-Каменецкий, 1967).
Рис. 6. Температурная зависимость скорости выделения тепла при кристаллизации и его удаления из системы: а - при постоянной температуре окружающей среды и переменной скорости оттока тепла, б - варианты постоянной скорости оттока тепла при различных температурах окружающей среды. 1 - кривая выделения тепла; 2-5 -варианты кривых удаления (оттока) тепла из системы. А -точка стабильности (стационарное состояние), В - точка метастабильности (стационарное состояние), С - точка устойчивого состояния
Рис. 5. Зависимость скорости кристаллизации от температуры на межфазной границе (пояснение в тексте)
На рис. 6 схематически представлены кривые выделяемой при кристаллизации и удаляемой из системы теплоты как функции от температуры вмещающей среды. Рассмотрены два варианта исследуемого процесса: 1 - переменная скорость оттока тепла из системы (рис. 6а) и 2 - постоянная скорость оттока при переменной температуре вмещающей среды (рис. 66). Точки пересечения кривых А и В соответствуют устойчивому и метастабильному состояниям системы.
Интенсивное на начальном этапе выделение скрытой теплоты кристаллизации и высокая скорость кристаллизации способствует подъёму температуры в двухфазной области с постепенным изменением величины температурного градиента. Такие изменения в системе способствуют постепенному достижению окрестностей точки стабильности (точка А). При этом кристаллизующаяся система придет в стационарное состояние при Т\ (рис. 6а). Последующий процесс выделения скрытой теплоты кристаллизации и недостаточная скорость оттока тепла может привести к достижению условий метастабильности (точка В). Дальнейший процесс кристаллизации временно прекращается в связи с недостаточностью скорости оттока тепла по сравнению со скоростью кристаллизации. Для возвращения кристаллизующейся системы к исходному состоянию необходимо изменение температуры как в районе фронта кристаллизации, так и в объёме расплава. При последующем охлаждении расплава кривая, соответствующая оттоку тепла, может принять касательное положение по отношению к кривой, ответственной за выделение тепла в процессе кристаллизации (точка С). Такое положение можно рассматривать как редкое для открытых систем. При этих условиях скорость выделения тепла и оттока из системы будут равны. Условия и положение точки метастабильности (точка В) зависят от свойств и объёмов расплава, исходной температуры расплава, температуры вмещающей среды, скорости оттока тепла в окружающую среду. На рис. 66 представлены различные варианты тепловых процессов, сопровождающих кристаллизацию расплава в открытых системах в зависимости от температуры окружающей среды. Из данного рисунка видно, что величина теплопроводности окружающей среды может быть бесконечно большой, так и незначительной. Кривые 2, 4 и 5 в точках пересечения с осью абсцисс представляют различные варианты исходной температуры окружающей расплав среды, что будет определять вероятность протекания процесса кристаллизации или появления условия термостатирования.
Нелинейные явления могут являться основой самоорганизации на стадии формирования твёрдой фазы из многофазной системы (Горбачевский, 1999). Обнаружение явления самоорганизации при кристаллизации расплавов объясняется отсутствием разрыва фазовой сплошности. Поэтому совокупность характеристик системы определяет её дискретность, а многочисленными исследованиями процесса образования твёрдой фазы отмечается наличие нелинейной взаимосвязи в таких системах. Перечисленные функции системы связаны с начальной неустойчивостью термодинамических параметров, изменением концентраций компонентов в расплаве, положением тепловых полей вокруг магматической камеры, их размеров и т.д., что приводит к морфологической неустойчивости системы в целом. В совокупности, это приводит к нарушению термодинамического равновесия, обусловленного флуктуационными и кинетическими процессами, приводящими к новому качеству системы в целом.
Диффузия компонентов расплава на границе раздела фаз является по своей природе нелинейным процессом, как и поведение кристаллизующейся системы в целом. Кинетические явления на границе раздела жидкой и твёрдой фаз могут приводить к колебательному режиму изменения концентрации компонентов в расплаве и температуры на фронте кристаллизации. Этому способствует наличие потоков вещества и энергии в области границы раздела фаз, а также положительной обратной связи в кристаллизующейся системе. Процесс кристаллизации расплава определяется двумя группами явлений: это диффузионные процессы на границе раздела фаз (в двухфазной области) и диссипация тепла из системы в окружающую среду. Выделяемое при кристаллизации тепло снижает вязкость расплава, падающую с ростом температуры в системе, изменяя диффузионную способность всех компонентов жидкой фазы, влияя на коэффициенты их распределения (Вигдорович и др., 1976). Все межфазные эффекты весьма чувствительны к наличию в расплаве второстепенных компонентов (примесей). Их присутствие оказывает влияние на величину переохлаждения расплава и скорость его кристаллизации. Примеси не влияют на величину энергетического барьера зародышеобразования, а их действие проявляется только на стадии формирования твердой фазы. При равновесной кристаллизации значительного концентрирования компонентов примесей в расплаве не происходит. Причиной этому являются условия их диффузии в двухфазной области и характер распределения примесей между твёрдой и жидкой фазами. Коэффициенты распределения каждой из примесей индивидуальны и зависят от состава расплава и температуры.
С позиции принципов неравновесной термодинамики процесс кристаллизации магматического расплава с примесями протекает по несколько отличной схеме. Периодичность описанного процесса на границе раздела фаз порождает в системе колебания скорости кристаллизации, температуры, вязкости
расплава (Пфанн, 1960; Гегузин и др., 1981). По мере продвижения фронта кристаллизации отторжение молекул примесей в расплав постепенно создаёт слой повышенной их концентрации за счёт так называемого эффекта "градиента концентраций" (Гелъперин и др., 1975; Флеминге, 1977). Поэтому концентрирование примесей на границе раздела фаз будет зависеть от скорости перемещения фронта кристаллизации. При этом скорость кристаллизации сама зависит от присутствия примесей на границе раздела фаз. В результате, условия кристаллизации способствуют возникновению взаимосвязи между диффузией примесей и кинетикой кристаллизации, т.к. концентрация примесей на границе раздела фаз оказывает определённое влияние на перемещение основных компонентов расплава в двухфазную область и, соответственно, кристаллизацию. При определённых условиях в такой системе, в колебательном режиме, может осуществляться периодический захват сконцентрированных компонентов примесей. Механизм этого процесса проявляется в снижении скорости кристаллизации из-за создания на межфазной поверхности обогащенного слоя примесей из второстепенных компонентов, затрудняя проход основным молекулам расплава. Возникновение таких примесных проявлений связывают с появлением зоны "концентрационного переохлаждения" в расплаве перед фронтом кристаллизации (Чалмерс, 1968). Причём толщина создаваемого процессом слоя примеси зависит от скорости кристаллизации расплава (Тиллер, 1962). По мере последующего снижения температуры в системе и внезапном возрастании скорости кристаллизации обогащенный примесями слой расплава перед фронтом кристаллизации захватывается твердой фазой. При этом образуется резкая граница между двумя различными по составу твёрдыми фазами. Концентрация примесей будет максимальной в захваченном слое и с постепенным её снижением в сторону удаляющего фронта кристаллизации. Предлагаемая схема будет работать при определённом соотношении двух скоростей: скорости диффузионного концентрирования примесей и скорости движения фронта кристаллизации расплава. Скорость последнего должна быть меньше, в противном случае процесс массопереноса в форме диффузионного концентрирования компонентов примеси расплава в жидкой фазе двухфазной области не будет осуществляться.
В связи с колебаниями температуры в районе фронта кристаллизации необходимо учитывать влияние данного явления на диффузионные процессы, так как с возрастанием температуры в системе диффузионный поток увеличивается по экспоненциальному закону. Перенос вещества перед фронтом кристаллизации в форме "жидких кристаллов" (Егоров, 1994) происходит в основном по схеме механизма объёмной диффузии. В этом случае имеет место не только концентрирование, но и фракционирование (разделение) таких "кристаллов" в зависимости от их объёмных характеристик и физико-химических свойств с постепенным изменением их концентраций в объёме расплава перед фронтом кристаллизации. Такой процесс необходимо рассматривать как совокупность нескольких последовательных и параллельных стадий. Учёт диффузионного массопереноса является важным элементом теории двухфазной зоны, предложенной для описания процессов кристаллизации в широком интервале скоростей охлаждения (Борисов, 1987). Наиболее существенным является массоперенос в виде диффузионных потоков различных компонентов примесей в объём расплава от фронта кристаллизации, имеющих отличия в скоростях. Их скорость будет определяться величиной потенциальных барьеров, через различия физических параметров компонентов примесей и физико-химические свойства среды их нахождения. Конечной стадией фракционирования может явиться накопление примесных компонентов расплава с образованием чередующихся соединений различного химического состава и очередное возобновление кристаллизации основных компонентов расплава. Это вызывает соответствующую "фронтальную" ритмику повторяющегося химического состава образующейся твёрдой фазы с толщиной слоя примеси, зависящей от скорости кристаллизации и ряда других параметров.
Ритмичность захвата кристаллов хромита при кристаллизации расплава показана H.A. Шило (1983) на фактическом материале Бушвельда. Результаты исследования позволили ему прийти к выводу, что "...волновой ход выделения тепла создаёт гармонику колебаний температур", которая и является одной из основных связей процесса кристаллизации магматического расплава. Периодический послойный захват сконцентрированных перед фронтом кристаллизации примесей будет осуществляться при определённых условиях и длительности протекания процесса во времени. Следует отметить, что высокотемпературные примесные компоненты (например, соединения хрома и др.), как модификаторы, на определённом этапе процесса могут служить также центрами кристаллизации оливинов и пироксенов (Хан и др., 1969).
6. Заключение
Пространственно-временная и причинно-следственная зависимости тепловых эффектов процесса являются следствием замедления, прекращения и увеличения скорости кристаллизации расплава в зависимости от условий оттока тепла в окружающую среду. Любые нарушения тепловых условий при затвердевании магматического расплава в больших объемах и на определенных глубинах приводят к изменению скорости его охлаждения, влияя на величину переохлаждения и создавая химическую неоднородность в области фронта кристаллизации. В случае появления ограничений для
оттока тепла из кристаллизующейся системы происходит повышение температуры на границе раздела фаз, приостанавливается процесс перехода жидкой фазы в твердое состояние и изменяется вязкость расплава на границе раздела фаз. Диффузия компонентов жидкой фазы на данном этапе способствует устранению химической неоднородности, изменяя температуру ликвидуса и создавая предпосылки к очередной волне кристаллизации. Нелинейный характер процесса кристаллизации и создание периодической химической неоднородности в области "плавающего" фронта кристаллизации определяется различиями в скорости образования твердой фазы и скорости оттока тепла из системы через вмещающие породы в окружающую среду. Следствием этого является периодическое концентрирование примесей и их фракционирование в расплаве перед фронтом кристаллизации с последующим их захватом и образованием ритмичности в определенных условиями объема местах интрузивных массивов (например, хромиты, соединения ЭПГ). Данное явление на природных объектах прослеживается в чередующейся ритмической неоднородности (скрытой и явной) минерального состава пород в расслоенных интрузивных массивах.
Литература
Ghiorso M.S. and Carmichael S.E. Chemical mass transfer in magmatic processes. II. Application in equilibrium
crystallization, fractionation and assimilation. Contrib. Mineral. Petrol, v.90, N 2/3, p.121-141, 1985. Layered intrusions. Ed. R.G. Cawthorn. Amsterdam, Elsevier Science B.V., 531 p., 1996. Борисов B.T. Теория двухфазной зоны металлического слитка. M., Металлургия, 224 е., 1987. Вигдорович В.Н., Вольпян А.Е., Курдюмов Г.М. Направленная кристаллизация и физико-химический
анализ. М, Химия, 200 е., 1976. Гегузин Я.Е., Дзюба А.С., Кононенко Н.В. Концентрационное уплотнение примеси на границе
движущегося фронта кристаллизации расплава. Кристаллография, т.26, вып. 3, с.571-576, 1981. Гельперин Н.И., Носов Г.А. Основы техники кристаллизации расплавов. М., Химия, 351 е., 1975. Горбачевский А.Я. Численное исследование нелинейных моделей кристаллизации. Математическое
моделирование, т.11, № 8, с.23-31, 1999. Додин Д.А., Чернышов Н.М., Полферов Д.В., Тарновецкий Л.Л. Платинометальные месторождения мира. В кн.: Платинометальные малосулъфидные месторождения в ритмично расслоенных комплексах. М., АО "Геоинформмарк", т.1, 279 е., 1994. Егоров Б.Л. Определяющая роль жидких кристаллов в ликвационном разделении шлакового расплава.
Изв. вузов. Чёрная металлургия, № 3, с.10-14, 1994. Каржавин В.К. Временной фактор процесса кристаллизации магматического расплава при формировании интрузивных массивов. Петрография на рубеже XXI века: итоги и перспективы. Материалы Второго Всероссийского петрографического совещания. Геопринт, Сыктывкар, т.1, с.99-102, 2000. Каржавин В.К. Пространственно-временная зависимость процесса кристаллизации магматического расплава при формировании интрузивов. The Mining Pribram Symposium, 1999. The International section on mathematical methods in geology. Proceedings volume MC. Petrology, mineralogy. Praque, Czech Republic, p.1-8, 1999. Каржавин В.К. Явления нелинейности при формировании интрузивных массивов. Теория диссипативных структур в геологическом анализе. Материалы IV конференции по геологической синергетике. Апатиты, с.59-65, 1998. Кидяров Б.И. Кинетика и образование кристаллов из жидкой фазы. Новосибирск, Наука, 124 е., 1979. Мержанов А.Г., Руманов Э.Н. Нелинейные эффекты в макроскопической кинетике. Успехи физ. наук,
т.151, № 4, с.553-593, 1987. Никитенко Н.И., Кольчик Ю.Н. Математическое моделирование тепло- и массопереноса при
нерегулярном затвердевании сплавов. Инж. физ. ж., т.63, № 6, с.752-759, 1992. Осипов М.А. Формирование расслоенных интрузий с позиций термоусадки. М., Наука, 100 е., 1982. Петров Д.Л. Нарушения равновесия при кристаллизации твердых растворов. Ж. физ. химии, т.21,
вып.12, с.1449-1460, 1947. Пфанн В.Дж. Зонная плавка. М., Металлургиздат, 272 е., 1960. Раддл Р.У. Затвердевание отливок. М, Машгиз, 391 е., 1960.
Рашин Г.А. Гетероморфизм и неравновесные состояния минералообразования при кристаллизации
базальтовых расплавов. Изв. АН СССР, сер. геол., № 9, с.18-33, 1963. Стрикленд-Констэбл Р.Ф. Кинетика и механизм кристаллизации. Л., Недра, 310 е., 1971. Тиллер В.А. Сегрегация растворимых примесей при затвердевании слитка. Жидкие металлы и их затвердевание. М, Металлургия, с.409-434, 1962.
Уэйджер Л., Браун Г. Расслоенные изверженные породы. М., Мир, 551 е., 1970.
Флеминге М. Процессы затвердевания. М., Мир, 423 е., 1977.
Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. М., Наука, 491 е., 1967.
Френкель Я.И. Кинетическая теория жидкостей. Л., Наука, 157 е., 1975.
Хан Б.Х., Быков И.И., Кораблин В.П., Ладохин C.B. Затвердевание и кристаллизация каменного литья. Киев, Наукова думка, 163 е., 1969.
Чалмерс Б. Теория затвердевания. М., Металлургиздат, 288 е., 1968.
Шарков Е.В. Крупные расслоенные интрузивы как природные модели диссипативных систем. ЗВМО, ч. CXXV, № 5, с.23-34, 1996.
Шефталь H.H. Ритмичность в процессах роста кристаллов. Вест. МГУ, сер. геол., № 6, с.28-36, 1966.
Шило H.A. Расслоенные плутоны и некоторые вопросы рудообразования. Тихоокеанская геология, № 6, с.63-79, 1983.
Ярошевский A.A. О происхождении ритмических структур изверженных горных пород. Геохимия, № 5, с.562-574, 1970.
