CC BY
19
УДК 550.4.02+552.321.1
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЧАРОИТА С ЛАМПРОФИРОМ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ФЛЮИДНЫХ РЕЖИМАХ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
© М.В. Марчук1, В.Я. Медведев2, Л.А. Иванова3
1-3Институт земной коры СО РАН, 664033, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 128.
Целью данной работы является проведение экспериментального исследования взаимодействия чарои-тового субстрата с лампрофиром микроклин-арфведсонитового состава в интервале температур 500-800°С при давлении до 1 кбар при различных флюидных режимах - от чистой H2O до водных растворов, содержащих KOH+NaHCO3 или KOH+NaOH концентрацией до 85 вес. %. Эксперименты проводились в платиновой ампуле, в которую помещался растертый чароит и образец лампрофира с участка «Старый» месторождения Сиреневый камень. При температуре 500°С, давлении 1 кбар образование реакционной каймы отмечается только в условиях весьма высокой щелочности раствора (KOH+NaOH). С увеличением температуры до 800°С при давлении 1 кбар и концентрации раствора (KOH+NaHCO3) 10 вес. % на контакте чароита с лампрофиром наблюдается образование реакционной метасоматической колонки, подобной природной. Исследование новообразованных фаз, проведенное с помощью электронно-зондового рентгеноспектрального микроанализатора, позволило изучить распределение элементов по фазам и получить их составы. Некоторое различие составов природной и экспериментальной зон предположительно обусловлено расхождением температурных параметров в проведенных экспериментах и составом флюида, отличным от природного, что приводило к преобразованию чароита. Анализ особенностей данного взаимодействия чароититов с вмещающими породами в природных и экспериментальных условиях позволяет уточнить Р-Т-параметры (давление-температура) чароитизации. Проведенные эксперименты подчеркивают низкотемпературный характер чароитообразования и показывают отсутствие силикатного расплава в исследованных системах.
Ключевые слова: чароит; Мурунский массив; щелочные системы; флюид.
CTAROITE AND LAMPROPHYRE INTERACTION UNDER DIFFERENT FLUID CONDITIONS ACCORDING TO EXPERIMENTAL STUDY RESULTS
M.V. Marchuk, V.Ya. Medvedev, L.A. Ivanova
Institute of the Earth Crust SB RAS, 128 Lermontov St., Irkutsk, 664033, Russia.
The purpose of this work is to carry out an experimental study of charoite substrate interaction with microcline-arfvedsonite lamprophyre in the temperature range of 500-800°C and pressure of 1 kbar at different fluid conditions - from pure H2O to aqueous solutions containing KOH+NaHCO3 or KOH+NaOH with the concentration up to 85% w/w. The experiments involved placing of ground charoite and a lamprophyre sample from the "Staryi" site of Sirenevyi Kamen deposit into a platinum capsule. At the temperature of 500°C and the pressure of 1 kba r, the formation of an interaction rim occurs only under the very high alkalinity of the solution (KOH+NaOH). Formation of a metasomatic interaction column similar to natural one occurs on the contact of charoite powder and lamprophyre under the temperature increased up to 800°C and the pressure of 1 kbar at 10% w/w concentration of solution (KOH+NaHCO3). Newly formed phases have been examined by means of an electron probe X-ray mi-croanalyzer. This allowed to study element distribution by phases and obtain their compositions. Some differences
1Марчук Марина Валерьевна, кандидат геолого-минералогических наук, младший научный сотрудник лаборатории петрологии, геохимии и рудогенеза, тел.: (3952) 427191, e-mail: marin@crust.irk.ru
Marchuk Marina, Candidate of Geological and Mineralogical sciences, Junior Researcher of the Laboratory of Petrology, Geochemistry and Ore Genesis, tel.: (3952) 427191, e-mail: marin@crust.irk.ru
2Медведев Владимир Яковлевич, кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник лаборатории петрологии, геохимии и рудогенеза, тел.: (3952) 427191, e-mail: med@crust.irk.ru
Medvedev Vladimir, Candidate of Geological and Mineralogical sciences, Senior Researcher of the Laboratory of Petrology, Geochemistry and Ore Genesis, tel.: (3952) 427191, e-mail: med@crust.irk.ru
3Иванова Лариса Александровна, кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник лаборатории петрологии, геохимии и рудогенеза, тел.: (3952) 427191, e-mail: liva@crust.irk.ru
Ivanova Larisa, Candidate of Geological and Mineralogical sciences, Senior Researcher of the Laboratory of Petrology, Geochemistry and Ore Genesis, tel.: (3952) 427191, e-mail: liva@crust.irk.ru
in the composition of natural and experimental zones are presumably due to the divergence of the temperature parameters in the conducted experiments and the composition of the fluid different from the natural one resulting in charoite conversion. Analysis of the features of chariot - host rocks interaction in natural and experimental conditions makes it possible to clarify the P-T-parameters of charoite formation. Conducted experiments emphasize the low-temperature character of chariot formation and show the absence of silicate melt in the systems studied.
Keywords: charoite; Murun massif; alkaline systems; fluid.
Введение
В настоящее время известно единственное в мире месторождение чароита, открытое в 1960 г. Ю.А. Алексеевым, Ю.Г. Роговым и В.П. Роговой, - Сиреневый камень. Месторождение приурочено к Мурунскому щелочному массиву, расположенному на границе Иркутской области и Республики Саха (Якутия) и включает в себя как коренные выходы чароита и чароитсодержащих пород, так и элювиальные развалы чароитовых глыб. Сложная геологическая ситуация в районе чароитового месторождения и большое разнообразие редких и уникальных образований способствовали возникновению противоречивых взглядов исследователей на происхождение чароита.
Существует несколько полярных мнений об условиях и механизме формирования чароитовых пород - от магматического генезиса до низкотемпературного гидротермального [1, 3]. Большинство исследователей отстаивают метасо-матическую природу чароититов, другие придерживаются теории магматического происхождения чароитовых пород. В характере распределения чароитовой минерализации преобладают две основные тенденции: рост чароитовых агрегатов путем замещения вмещающих пород в твердом состоянии (метасоматоз) и формирование многочисленных секущих жильных тел сложной морфологии (формирование тел выполнения). Метасома-тические признаки отмечаются всеми авторами, в то время как для тел выполнения предполагается магматический (инъекции флюидизированного состава) либо гидротермальный генезис. Метасо-матический генезис рассматривается как результат взаимодействия флюидизиро-ванного расплава с вмещающими поро-
дами разного состава, как взаимодействие гидротермальных растворов с вмещающей средой или как взаимодействие щелочных интрузий с карбонатными вмещающими породами. А.А. Конев, исходя из морфологии жильных ча-роитовых тел, их минералогического разнообразия, крупно- и гигантозерни-стой структуры, характера взаимоотношений с вмещающими породами, считал чароититы весьма сходными с пегматитами и выдвинул гипотезу об исходных флюидизированных расплавах [3].
Проблема генезиса Мурунского щелочного массива распадается на ряд генетических вопросов: состав исходной магмы, механизмы ее кристаллизации и дифференциации, особенности генезиса отдельных типов пород: карбонатитов, чароититов, торголитов, каритов и других. Несмотря на большой комплекс геологических исследований, поставленные выше вопросы однозначно не решены и, вероятно, не могут быть решены без применения других подходов, в том числе экспериментальных.
За последние годы систематических экспериментальных исследований чароита в России и в мире проводилось не так много. По результатам исследований отжига чароита [5, 7, 8] сделаны выводы об относительном постоянстве химического состава чароита, уменьшении параметров его элементарной ячейки при нагревании. Выяснено, что разрушение структуры чароита происходит при температурах выше 900°С.
Предварительные исследования расплавных и флюидных включений, выполненные А.А. Боровиковым (ИГМ СО РАН), свидетельствуют в пользу кристаллизации минералов в чароитсодер-жащих породах из расплав-флюида при температурах около 800°С [1]. Эти
результаты требуют подтверждения путем вовлечения в исследование всех наиболее типичных морфологических разновидностей чароита и чароитовых
руд.
В 2003 г. Г.П. Зарайским [2] впервые было проведено экспериментальное моделирование чароитизации. Исследовалась возможность образования чароита гидротермально-метасоматическим путем. На породы района Маломурун-ского массива (кварцитовидный песчаник, доломит, кварцит-рихтеритовую породу и эгирин-калишпатовый фенит) воздействовали щелочными калиевыми растворами. Эксперименты проводились при температуре Т = 550°С, давлении Р = 1 кбар. Открытые Pt-ампулы, заполненные порошком породы, помещали в автоклавный вкладыш, футерованный золотом, затем заливали раствор K2COз. Состав раствора подбирали в соответствии с предполагаемым составом водного флюида, отделяющегося от ультращелочного силикатно-карбонатного расплава Мурунского массива. В виде шихты к раствору добавлялись NaF, CaCOз, BaCOз, SrCOз, SiO2, ЛЬОз, Fe2Oз, FeзO4, KMnO4. Результаты экспериментов показали, что по доломитам, квар-цит-рихтеритовым породам и фенитам чароитовые породы не образуются. Ча-роитоподобный минерал был получен в парагенезисе с эгирином и калиевым полевым шпатом в результате воздействия на вмещающие кварцитовые песчаники щелочного калиевого раствора, содержащего Са, Ba, Sr, Fe, Л!, Fe, Мл, F, ТО2.
Экспериментальные исследования устойчивости чароита, условий его стабильности в зависимости от химического состава минералообразующей среды проводились Д.С. Глюком [1]. Чароит использовался в качестве исходного материала для выяснения условий его стабильности в зависимости от химического состава минералообразующей среды. Эксперименты проводились в изотермоизобарических условиях на установке с внешней регулировкой
давления при Т = 550°С и Р = 1 кбар с последующей изобарической закалкой. Навеску исходного материала с добавками КОН, №ОН, КР, щавелевой кислоты и дистиллированной воды помещали в золотую ампулу, которая запаивалась и помещалась в реактор. Во всех экспериментах отмечается образование силикатного расплава, однако полного плавления ни в одном случае достигнуто не было. Расплав в продуктах экспериментов представлен прозрачным стеклом, в котором заключены остаточные и частично новообразованные кристаллические фазы. Чароит устойчив только в щелочных условиях при некотором избытке калия и отсутствии фтора в минералообразующей среде.
Следует отметить, что концентрации щелочей, составы шихты, используемые в экспериментах, не приводятся. Не диагностирован и состав силикатного расплава, образование которого отмечено в исследованиях авторов.
В работах [1, 3] достаточно подробно и аргументировано рассмотрен процесс последовательного преобразования ксенолитов вмещающих пород в чароититах, при этом предполагается, что это взаимодействие оказывает существенное воздействие на чароитовые породы. В качестве примера такого преобразования в данной работе приводится образец контакта чароита с лампрофи-ром, где выделяется реакционная зона взаимодействия этих пород. В контактной зоне выделены следующие области: лампрофир (арфведсонит + микроклин) - эгирин - микроклин - чароит с прослоями апофиллита - чароит (рис. 1).
Однако при наличии такого взаимодействия необходимо решить ряд возникающих вопросов: в каких интервалах температур и давлений осуществлялся процесс, каков его флюидный режим; необходимо рассмотреть возможность существования чароитового расплава или расплавов других составов. Рассмотрение этих вопросов и содержит представляемая статья.
Рис. 1. Контактовая зона взаимодействия чароитового расплава с лампрофиром в образце с участка «Старый». Шлиф, николи параллельны, поле зрения 7,2x4,8 мм:
1 - лампрофир (арфведсонит + микроклин); 2 - эгирин; 3 - микроклин; 4 - чароит с прослоями апо-филлита; 5 - чароит
Материал и методы исследова-
ния
В настоящей работе представлены результаты экспериментального исследования взаимодействия чароитового субстрата с лампрофиром микроклин-арфведсонитового состава в интервале температур 500-800оС при давлении 1 кбар при различных флюидных режимах с флюидами различного состава: от чистой H2O до водных растворов (KOH+ NaHCOs) или (KOH+NaOH) концентрацией до 85 вес. %. Соотношение K/Na составляло 1,375 и рассчитывалось исходя из среднего соотношения данных элементов в чароите с участка «Старый» [4].
Эксперименты проводились следующим образом: в платиновую ампулу диаметром 9-10 мм и объемом 7-9 см3 помещался растертый чароит (с примесью микроклина и кварца) с участка «Старый» месторождения Сиреневый камень массой 3 г. В центральной части растертого чароитового субстрата помещался образец калишпат-амфиболового
лампрофира с этого же участка массой 0,3-0,5 г. Средние составы пород приведены в табл. 1. Рентгенофлуоресцентный анализ проведен в аналитическом центре ИЗК СО РАН, аналитик - Т.Ю. Черка-шина.
Результаты экспериментов
В экспериментах, проводимых при Т = 500-800°С и с чистой Н2О как флюидной фазой, взаимодействия чароита с лампрофиром не наблюдается, происходит лишь осветление исходного образца. При концентрации раствора (KOH+ NaHCO3) 10% на контакте растертого чароита с лапрофиром при Т = 500°С взаимодействия также не отмечается, но чароит частично преобразуется в волласто-нит.
При дальнейшем увеличении щелочности раствора до концентрации 50% (KOH+NaOH) лампрофир преобразуется с появлением натрийсодержащего флогопита, при этом чароит остается устойчивым, хотя по контакту с лампрофиром происходит его перекристаллизация.
Таблица 1
Средний состав исходных образцов
Компонент Чароитовый субстрат, вес. % Лампрофир, вес. % Компонент Чароитовый субстрат, ppm Лампрофир, PPm
SiO2 73,22 60,51 V 40 506,7
TiO2 0,02 0,52 Cr 7 219
AhOs 0,54 6,32 Ni 7 158,8
Fetotal 0,17 4,78 Cu 160 690,6
MnO 0,13 0,18 Zn 53 94,3
MgO 1,84 11,22 As 21 105,5
CaO 16,10 3,88 Y 60 15,7
SrO 0,47 0,13 Zr 55 6,9
BaO 2,02 0,04 La 231 34,7
Na2O 3,90 1,91 Ce 394 41,1
K2O 8,14 8,57 Nd 307 6,6
P2O5 0,02 1,25 W 8 2,2
F 1,10 0,67 Pb 110 574,3
S 0,05 0,05
Cl 0,004 0,008
Увеличение щелочности до 85% (KOH+NaOH) приводит к частичной ассимиляции лампрофира с образованием фторфлогопита, чароит при этом остается устойчивым. В данной серии экспериментов при высокой щелочности на границе «лампрофир - чароитовый субстрат» отмечено образование плотной матовой, иногда полупрозрачной реакционной зоны шириной до 1,6 мм, сложенной микроклином, кальцитом, доломитом со следами амфибола.
Резюмируя вышесказанное, отметим, что при Т = 500°С, Р = 1 кбар образование реакционной каймы отмечается только при весьма высокой щелочности.
С увеличением температуры Т до 800°С при Р = 1 кбар при концентрации раствора (КОН+№НСОз) 10% при плотном контакте чароитового порошка с лампрофиром наблюдается появление реакционной зоны с образованием областей, содержащих волластонит в виде прозрачных столбчатых кристаллов размером (0,4-1,2) х 0,15 мм с микроклином и чароитом, а также чароит со следами кальцита, амфибола, и афвиллита Саэ^Юз^ОИ^ШО (рис. 2), то есть образуется реакционная метасоматическая колонка, во многом подобная природной.
Иной характер реакционная зона
имеет, когда взаимодействие чароито-вого субстрата с лампрофиром осуществляется через флюид с образованием полифазной реакционной каймы сложного строения (рис. 3).
Исследование новообразованных фаз, проведенное в ГЕОХИ СО РАН Л.А Павловой с помощью электронно-зондового рентгеноспектрального микроанализатора JXA8200 (JEOL Ltd, Япония), позволило изучить распределение элементов по фазам и получить их составы (табл. 2). В некоторых участках отмечены барий- и стронцийсодержа-щие фазы разных составов.
Таким образом, взаимодействие чароитового субстрата с калишпат-ам-фиболовым лампрофиром в одной из исследованных систем Мурунского массива приводит к образованию полиминеральных реакционных зон сложного состава.
Обсуждение
Возможно, некоторое различие составов природной и экспериментальной зон обусловлено расхождением температурных параметров между экспериментальными и природными условиями и составом флюида, что приводит к образованию волластонита. Волластонит определяется методом дифференци-
Рис. 2. Реакционная кайма, образовавшаяся при взаимодействии чароитового субстрата и лампрофира в экспериментах при Т = 500°С, Р = 1 кбар, 10%-й концентрации (^НСОз+КОЯ). Шлиф, поле зрения 7,5*5,1 мм:
1 - лампрофир (арфведсонит + микроклин); 2 - волластонит; 3 - волластонит с микроклином и чароитом; 4 - чароит
Рис. 3. Зона взаимодействия чароитового субстрата с лампрофиром (снимки сделаны в обратнорассеянных электронах):увеличение 40х (а), 100х (б)
ального термического анализа как продукт разложения чароита при 1000°С. При сходстве структуры чароита с ти-накситовой или канаситовой его кремне-кислородный каркас соответствует кальциевым силикатам, что объясняет трансформацию структуры чароита в решетку
триклинного волластонита [7]. Расчет с помощью ПК «Селектор» при высокотемпературном разложении чароита показывает наличие волластонита в равновесии с кварцем, микроклином и сфеном [6].
Таблица 2
Составы новообразованных фаз, вес. %
Компо- Волластонит Компо- Микроклин Компо- Амфибол Компо- Апатит
нент (т. 7) нент (т. 12) нент (т. 1 ) нент (т. 3 )
SÍÜ2 52,719 Na2Ü 0,952 Na2O 5,703 F 7,769
CaO 47,281 MgO 1,335 MgO 18,074 CaO 42,591
AI2O3 14,421 AI2O3 0,000 SrO 11,243
SiÜ2 61,754 SÍO2 57,408 P2O5 38,397
K2O 13,026 K2O 4,914
CaO 1,073 CaO 3,261
TÍO2 0,064 TÍO2 0,334
MnO 0,681 MnO 0,079
FeO 5,292 FeO 10,227
BaO 1,402
В природе волластонит также часто ассоциирует с пектолитом и чароитом, что позволяет считать его закономерным спутником чароитовой ассоциации и указывает на близкое сходство условий их кристаллизации. Существует мнение об образовании чароита за счет замещения волластонита [5]. Мине-ралого-петрографическое изучение ча-роититов показывает возможность ассимиляции ксенолитов лампрофира в чаро-итовом субстрате с характерным распределением пироксена и калиевого полевого шпата [1]. Анализ особенностей такого взаимодействия чароититов с вме-
щающими породами в природных и экспериментальных условиях позволяет уточнить Р-Г-параметры чароитизации. В частности, эксперимент подчеркивает низкотемпературный характер чароито-образования и показывает отсутствие силикатного расплава в исследованных системах.
Авторы благодарят З.Ф. Ущапов-скую за проведение рентгенофазовых анализов, а также А.С. Шевелева за предоставленные образцы.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ Байкал 14-45-04108.
Библиографический список
1. Воробьев Е.И. Чароит. Новосибирск: Гео, 2008. 140 с.
2. Зарайский Г.П. Эксперимент в решении проблем метасоматизма. М.: ГЕОС, 2007. 136 с.
3. Конев А. А., Воробьев Е.И., Ла-зебник К.А. Минералогия Мурунского щелочного массива. Новосибирск: Изд-во СО РАН, НИЦ ОИГГМ, 1996. 221 с.
4. Марчук М.В., Иванова Л.А., Медведев В.Я. Экспериментальные исследования преобразования чароита при взаимодействии с вмещающими породами: сб. докл. III Всерос. науч. конф. Благовещенск: Изд-во ИГиП ДВО РАНЭ, 2014. С. 124-126.
5. Новые данные о чароите из мета-соматических пород района Мурунского массива / К.А. Лазебник, Н.В. Заякина,
Ю.Д. Лазебник, В.С. Сукнев // Минералы эндогенных образований Якутии. Якутск, 1977. С. 123-153.
6. Соколова Т.С., Данилов Б.С., До-рогокупец П.И. Термодинамическое моделирование продуктов высокотемпературного разложения чароита с помощью ПК «Селектор»: тез. докл. ежегодного семинара по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии. М.: Изд-во ГЕОХИ РАН, 2015. С. 88-89.
7. Janeczek J. Thermal decomposition of charoite // Mineralogia Polonica. 1991. V. 22. № 2. P. 21-27.
8. The High-temperature Behavior of Charoite / E. Matesanz, J. Garcia-Guinea, E. Crespo-Feo [et al] // Canadian Mineralogist. 2008. V. 46. P. 1207-1213.
References
1. Vorobiev E.I. Charoit [Charoite]. Novosibirsk, Geo Publ., 2008, 140 p.
2. Zaraiskii G.P. Eksperiment v resh-enii problem metasomatizma [Experiment in solving metasomatism problems]. Moscow, GEOS Publ., 2007, 136 p.
3. Konev A.A., Vorob'ev E.I., Lazeb-nik K.A. Mineralogiia Murunskogo shche-lochnogo massiva [Murunsky alkaline massif mineralization]. Novosibirsk, SO RAN, NITs OIGGM Publ., 1996, 221 p.
4. Marchuk M.V., Ivanova L.A., Medvedev V.Ia. Eksperimental'nye issledo-vaniia preobrazovaniia charoita pri vzai-modeistvii s vmeshchaiushchimi porodami [Experimental study of charoite transformation under interaction with host rocks]. Sb. dokl. III Vseros. nauch. konf. [The book of reports of III All-Russian scientific conference]. Blagoveshchensk, IGiP DVO RANE Publ., 2014, pp. 124-126.
5. Lazebnik K.A., Zaiakina N.V., Lazebnik Iu.D., Suknev V.S. Novye dannye o charoite iz metasomaticheskikh porod raiona Murunskogo massiva [New data on
charoite from metasomatic rocks of the Murun massif area]. Mineraly endogennykh obrazovanii Iakutii [Minerals of Yakutian endogenous formations]. Yakutsk, 1977, рр. 123-153.
6. Sokolova T.S., Danilov B.S., Dorogokupets P.I. Termodinamicheskoe modelirovanie produktov vysokotempera-turnogo razlozheniia charoita s pomoshch'iu PK «Selektor» [PC "Selector"-based thermodynamic modeling of charoite high-temperature decomposition products]. Tez. dokl. ezhegodnogoseminara po eksperimental'noi mineralogii, petrologii i geokhimii [Abstracts of the annual seminar on experimental mineralogy, petrology and geochemistry]. Moscow, GEOHI RAN Publ., 2015, pp. 88-89.
7. Janeczek J. Thermal decomposition of charoite. Mineralogia Polonica, 1991, vol. 22. no. 2, pp. 21-27.
8. Matesanz E., Garcia-Guinea J., Crespo-Feo E. The High-temperature Behavior of Charoite. Canadian Mineralogist, 2008, vol. 46, pp. 1207-1213.
Статья поступила 04.12.2015 г.
