Автор: Костюк Анастасия Васильевна
Название работы: Экспериментальное моделирование несмесимости в сульфидно-силикатно-карбонатных мантийных магмах
|
Присвоенная ученая степень: кандидат геолого-минералогических наук
Специальность: 25.00.09 - геохимия, геохимические методы поисков полезных ископаемых
Классификационный индекс:
Ведущая организация: Институт геологии Коми НЦ УрО РАН
Руководитель:
старший научный сотрудник доктор геолого-минералогических наук Горбачев Николай Степанович ;
Оппонент:
доктор геолого-минералогических наук Аранович Леонид Яковлевич;
старший научный сотрудник кандидат геолого-минералогических наук Коптев-Дворников Евгений Владимирович ;
Место защиты: ауд. 415, геологический факультет МГУ
Дата защиты: 2011-03-11 16:00
Издательство: Москва
Количество страниц: 125
Язык: русский
Содержание работы:
Введение.
Глава 1. Сульфидно-силикатное расслоение силикатных расплавов.
Глава 2. Плавление флюидсодержащей мантии: карбонатизация силикатных расплавов.
Заключение.
Основные публикации по теме диссертации.
|
Реферат:
Актуальность работы. Жидкостное расслоение флюидсодержащих магм на несмешивающиеся сульфидные, силикатные и карбонатные расплавы является одним из наиболее эффективных процессов
магматической дифференциации. C процессами жидкостного расслоения связана геохимия редких, халькофильных и сидерофильных элементов в эндогенных процессах, а также формирование
месторождений этих элементов в расслоенных магматических комплексах различного состава с карбонатитовыми и магматическими сульфидными платино-медно-никелевыми месторождениями.
В формировании сульфидоносных магм особая роль принадлежит расслоению (ликвации) железосодержащих силикатных расплавов на несмешивающиеся силикатные и железо-сульфидные жидкости.
Сульфидно-силикатное расслоение наступает при достижении предельной концентрации серы в магмах (в качестве аналога термина "концентрация" употребляют термин "растворимость"
серы в условиях сульфидного насыщения). О концентрации серы в магмах судят по анализу расплавных включений и закалочных стекол в магматических породах (Наумов и др., 1997,
Коваленко и др., 2000), по данным статистической обработки экспериментальных данных и численного моделирования (Wallase, Carmichael, 1992; Naldrett, Li; 1993; Poulson, Ohmoto;
1990, Арьяева, Коптев-Дворников и др. 2010). Особая роль в изучении этой проблемы принадлежит экспериментальным исследованиям, позволяющим контролировать физико-химические
параметры Т, Р, ƒS2, ƒO2 (Haughton et.al., 1974; Buchanan, Nolan, 1979; Danckwert, et.al., 1979; Buchanan, Nolan, 1983 и др.). В результате этих работ были предложены
термодинамические уравнения растворимости в силикатных расплавах газообразных соединений серы S2, H2S, SO2, а также FeS в виде S2- и SO42-. Установлен экстремальный характер
зависимости растворимости от ƒO2 с минимумом растворимости при переходе от восстановленной формы серы S2- к окисленной SO42-. Показано, что растворимость серы возрастает
с увеличением температуры, ƒS2, основности расплава и содержания в нем FeO. В тоже время, нет единого уравнения сульфидно-силикатной ликвации с учетом реальных форм соединений
серы в силикатных расплавах. Однако, большей частью экспериментальные данные получены в "сухих", не содержащих H2O, CO2 природных или модельных силикатных системах, во многих
случаях в недосыщенных в отношении сульфида условиях и при атмосферном давлении. Между тем наличие магматических сульфидов в породах различных фаций глубинности, от включений
в алмазах до поверхностных лав свидетельствует о существовании сульфидно-силикатных магм в широком интервале глубин верхней мантии и земной коры. Имеющиеся немногочисленные
экспериментальные данные о влиянии давления на концентрацию серы полученные в "сухих" системах противоречивы (Mysen et all. 1980; Wendlandt, 1982; Mavrogenes et al., 1999).
Кроме того, летучие, и в первую очередь H2O и CO2, являются важным фактором магмобразования, магматической дифференциации и контрастного жидкостного расслоения мантийных магм.
Поэтому выяснение влияния физико-химических условий на концентрацию серы при сульфидно-силикатной ликвации флюидсодержащих магм на различных уровнях верхней мантии и земной
коры зависимость от Р и Т, оценка влияния состава расплава, растворенных в магмах летучих имеет ключевое значение для выяснение генезиса магматических сульфидных месторождений.
Наряду с силикатно-сульфидным расслоением мантийных магм определенный интерес представляет силикатно-сульфидно-карбонатное расслоение. Ассоциации карбонатов с силикатными
стеклами и сульфидами в метасоматизированных мантийных нодулях перидотитового и эклогитового состава были описаны в различных работах (Kogarko, 2000; Когарко, 2005; Kogarko
et.al., 1995; Kogarko et.al., 2001; Ionov, 1998; Lee, Wyllie, 1994, 1996; Yaxley et.al., 1998; Pyle, Haggerty, 1994). Это указывает на присутствие в верхней мантии щелочно-карбонатно-сульфидных
флюидорасплавов и их важной роли в мантийном метасоматозе и плавлении метасоматизированной мантии. Кроме того, карбонатиты и связанные с ними щелочные породы содержат S-содержащие
фазы, в том числе сульфиды, концентрация которых может достигать промышленных значений (Палабора, Ю. Африка). Все это свидетельствует об участии серы в процессах формирования
карбонатитовых и щелочных магм. Выяснение физико-химических условий образования несмесимых карбонатных, силикатных и сульфидных расплавов при плавлении эклогитов и перидотитов
мантии, распределение серы между сосуществующими расплавами представляет большой научный интерес и относится к числу актуальных проблем петрологии.
Цель работы заключалась в экспериментальном изучении одной из фундаментальных проблем геологии, связанной с расслоением флюидсодержащих магм на несмешивающиеся силикатные
и солевые (карбонатные, сульфидные) жидкости при плавлении флюидсодержащей верхней мантии и выяснении роли этих процессов в магмо-, минерало- и рудообразовании в верхней мантии
и земной коре.
Задачи работы состояли в решении нескольких взаимосвязанных задач:
- изучение физико-химических условий сульфидно-силикатного расслоения H2O- и H2O+CO2-содержащих базальтовых расплавов; оценка влияния Т, Р, состава расплава на концентрацию
серы в этих расплавах;
- экспериментальное моделирование сульфидно-карбонатно-силикатного расслоения расплавов, образующихся при частичном плавлении перидотитов и эклогитов мантии в присутствии
карбонатов щелочей и распределение серы между сосуществующими расплавами;
- изучение распределения макро и микроэлементов (в т.ч. Ti, Zr, P, S) между сосуществующими силикатным и карбонатным расплавами при частичном плавлении перидотита в присутствии
карбонатов щелочей и акцессорных минералов (апатита, циркона, ильменита, Ni-содержащего пирротина).
Защищаемые положения
1. В H2O- и H2O+CO2-содержащих базальтовых расплавах в условиях сульфидного насыщения в интервале Т=1200-1350oС, Р=0.1-4.0 ГПа концентрация серы возрастает с увеличением температуры
и основности расплава; зависит от давления и имеет экстремальный характер с максимумом в области 1.5-2.0 ГПа. При сходных Р-Т параметрах максимальные значения в H2O-содержащих
базальтовых расплавах в 3 и более раз выше, чем в CO2-содержащих расплавах и достигают 0.9-1.0 мас.%. При высоких (≥ 2.5 ГПа ) и низких (менее 0.2 ГПа) давлениях в H2O-
и H2O+CO2-содержащих базальтовых расплавах концентрации серы одного порядка и составляют 0.1-0.2 мас.%.
2. Расслоение щелочных силикатных магм на силикатные и карбонатные жидкости зависит от окислительно-восстановительных условий и температуры. В графитсодержащей эклогитовой
системе в восстановительных условиях в интервале Т=850-1450oС, силикатно-карбонатное расслоение в расплавах не наблюдается. В системе не содержащей графит в более окислительных
условиях, силикатно-карбонатное расслоение в щелочных силикатных расплавах наблюдается в узком температурном интервале 1200-1250oС. С увеличением Т до 1400oС наблюдается полная
смесимость силикатных и карбонатных жидкостей.
3. Коэффициенты распределения основных макро- и микроэлементов (в т.ч. титана, циркония, фосфора, серы) между сосуществующими силикатным и карбонатным расплавами установленные
при Т=1250oС, Р=3.8 ГПа показывают, что основным концентратором Na, Mn, Zr, S, Ca, P является карбонатный расплав, Si, Al, K, Mg, Fe, Ti силикатный расплав.
Научная новизна. Впервые изучена растворимость сульфидов во флюидсодержащих расплавах (H2O, H2O+CO2-содержащих) в интервале Т=1200-1350oС, Р=0.1-4.0 ГПа. Полученные результаты
позволили оценить влияние температуры, давления, состава расплавов и растворенных в них H2O и CO2 на концентрацию серы в силикатных расплавах в условиях сульфидного насыщения.
Впервые установлено существование максимума концентрации серы в H2O- и H2O+CO2-содержащих базальтовых расплавах в области 1.5-2.0 ГПа в условиях сульфидного насыщения. В области
максимальной растворимости серы (1.5-2.0 ГПа) ее концентрации возрастают в последовательности: "сухие" расплавы ≤ H2O+CO2содержащие < H2O-содержащие расплавы. В области
низких (~ 0.1 ГПа) и высоких (~ 2.5 ГПа) давлений концентрации серы в силикатных расплавах соизмеримы. Экстремальный характер барической зависимости концентрации серы при
сульфидно-силикатной ликвации в H2O- и H2O+CO2-содержащих базальтовых расплавах может иметь важное значение в мобилизации и транспорте рудного вещества при формировании магматических
сульфидных месторождений.
Впервые в широком интервале Т и Р (850-1450oС, 3.6-4.0 ГПа) в экспериментах, моделирующих частичное плавление мантийных эклогитов и перидотитов в присутствии карбонатов щелочей
изучены фазовые соотношения и физико-химические условия силикатно-сульфидно-карбонатной несмесимости силикатных расплавов и распределение серы между сосуществующими расплавами.
Практическая значимость. Выявленное в экспериментах влияние физико-химических условий - Т, Р, состава расплава на концентрацию серы при сульфидно-силикатном расслоении H2O-
и H2O+CO2 содержащих базальтовых расплавов позволяет построить модель сульфидно-силикатной ликвации и транспорта магмами сульфидной серы и рудных элементов из глубинных магматических
очагов в верхние горизонты земной коры, что необходимо для построения генетических моделей магматических сульфидных месторождений как основы прогноза и поисков месторождений.
Установленные численные значения коэффициентов распределения циркония, титана, фосфора, серы между силикатным и карбонатным расплавами представляют интерес для интерпретации
данных геохимического изучения щелочных пород и карбонатитов, оценки потенциальной рудоносности карбонатитов в отношении апатитовых и цирконовых руд.
Фактический материал. Основу работы составляют данные более 150 индивидуальных экспериментов, выполненных в системах перидотит базальт сульфид (FeS) флюид (H2O, H2O+CO2);
эклогит сульфид (FeS) флюид (K, Na)2CO3); перидотит сульфид (FeS) флюид (K, Na)2CO3) с добавками акцессорных и буферных минералов на установке высокого газового давления
(УВГД) от 0.1 до 0.8 ГПа, на установке типа "цилиндр-поршень" (ЦП) при 1.0-2.5 ГПа, на установке типа "наковальня с лункой" (НЛ) до 4.0 ГПа в лаборатории флюидно-магматических
процессов ИЭМ РАН. Выполнено десять Рамановских спектров силикатных стекол и более тысячи электронно-зондовых рентгеноспектральных анализов минералов, силикатных стекол, карбонатных
и сульфидных фаз с морфологическими признаками жидкостной несмесимости с силикатными расплавами.
Апробация работы. Результаты работы представлены на следующих российских конференциях: ежегодных семинарах по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии (Москва,
2004, 2007-2009гг.); Российском совещании по экспериментальной минералогии (Сыктывкар, 2005); на Всероссийском семинаре "Геохимия магматических пород" (Санкт-Петербург, 2008);
на конференции памяти Д.С. Коржинского "Физико-химические факторы петро- и рудогенеза: новые рубежи" (Москва, 2009). Апробация работы произведена также на международных совещаниях:
7-ой школе Европейского Минералогического Союза EMU School (Хайдельберг, Германия, 2005); международной конференции "Ультрамафит-мафитовые комплексы складчатых областей докембрия"
(Улан-Удэ, 2005); на международной конференции по метасоматозу и транспорту вещества (MIMET-2008) (Словакия, Смоленица, 2008); на 33-м Международном Геологическом конгрессе
(Норвегия, Осло, 2008); на международной конференции "Геохимии магматических пород" (Москва, 2009); на 5-ой международной школе по наукам о Земле (Украина, Одесса, 2009);
на 10-й международной конференции Физико-химические и петрофизические исследования в науках о Земле (Москва, 2009); на международном симпозиуме "Крупные магматические провинции
Азии, мантийные плюмы и металлогения" (Новосибирск, 2009); на 9-ой международной конференции "Новые идеи в науках о Земле" (Москва, 2009); на ежегодной Генеральной Ассамблее
Европейского Союза Геофизических исследований (EGU 2010, Вена, Австрия); на международной конференции EMPG XIII (Тулуза, Франция, 2010). Основные положения работы изложены
в 8 статьях, в 9 международных и 11 российских тезисах докладов.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 2-х глав и заключения. Диссертация изложена на 125 страницах, содержит 27 рисунков, 14 таблиц и приложение на 5 стр.
Список литературы включает 93 наименования.
Обозначения, принятые в работе. Символы минералов: Lsil силикатный расплав, Lsulph сульфидный расплав, Lcarb карбонатный расплав, Ol оливин, Cpx клинопироксен, Opx
ортопироксен, Grt гранат, Phl флогопит, Cht хромит, Zrn циркон, C углерод, Gr графит; Mg* магнезиальность, g газ; m расплав, f - флюид. Термодинамические
переменные: T - температура, P давление, Х состав расплава, ƒO2 летучесть кислорода, ƒS2, летучесть серы.
Благодарности. За ценные советы, помощь и терпение автор выражает огромную благодарность своему научному руководителю, доктору геолого-минералогических наук Горбачеву Николаю
Степановичу. А также за помощь и сотрудничество в проведении экспериментальных работ и аналитике Некрасову А.Н. (ИЭМ РАН), Рябиной Е.Л. (ИЭМ РАН), Шпагину А.И. (ИЭМ РАН),
Новиковой М.А. (ИЭМ РАН), Полукееву В.М. (ИЭМ РАН), к.ф.-м.н. Бондаренко Г.В. (ИЭМ РАН); за полезные дискуссии и советы к.г.-м.н. Коптеву-Дворникову Е.В. (МГУ), д.х.н. Литвину
Ю.А. (ИЭМ РАН), д.г.-м.н. Шмуловичу К.И. (ИЭМ РАН), д.г.-м.н. Сафонову О.Г. (ИЭМ РАН), к.г.-м.н. Горбачеву П.Н. (ИЭМ РАН), к.х.н. Редькину А.Ф. (ИЭМ РАН), которые способствовали
успешному выполнению работы. Особую благодарность автор выражает своей семье. В разное время работа была поддержана грантами РФФИ 03-05-64531-а, 06-05-64895-а, 08-05-08053-з,
09-05-01131-а, 09-05-09313-моб_з.
|
Библиография:
Статьи: 1. Горбачев Н.С., Костюк А.В., Некрасов А.Н. Влияние воды на растворимость серы в мафических расплавах при высоких давлениях // ДАН, т.401, 4, 2005, с. 511-514. 2. Горбачев Н.С., Костюк А.В., Новиков М.П. Расслоение флюидсодержащих базальтовых расплавов при высоких давлениях (по экспериментальным данным) // ДАН, т.405, 4, 2005, с. 519-523. 3. Gorbachev N.S., Nekrasov A.N., Kostjuk A.V. "Eclogitization of basalts, metasomatos and melting of eclogits (for experimental datas)" // Electronic Scientific Information Journal "Vestnik Otdelenia nauk o Zemle RAN, 2007 URL: http://www.scgis.ru/russian/cp1251/h_dgggms/1-2007/informbul-1_2007/term-17e.pdf 4. Костюк А.В., Горбачев Н.С. Экспериментальное моделирование щелочно-карбонатного метасоматоза и плавления мантии: влияние температуры на фазовые соотношения // Электронный научно-информационный журнал "Вестник Отделения наук о Земле РАН" 1(27)?2009, URL: http://www.scgis.ru/russian/cp1251/h_dgggms/1-2009/informbul-1_2009/magm-19.pdf 5. Kostyuk A.V., Gorbachev N.S. Experimental modeling of alkali-carbonate metasamotisme and melting of the mantle: effect of temperature on the phase relationship // Electronic Scientific Information Journal "Vestnik Otdelenia nauk o Zemle RAN" 1(27)?2009, URL: http://www.scgis.ru/russian/cp1251/h_dgggms/1-2009/informbul-1_2009/magm-19e.pdf 6. Горбачев Н.С., Костюк А.В., Пименова Ю.Г. Экспериментальное моделирование щелочно-карбонатного метасоматоза и плавления мантии: особенности химизма и фазовых соотношений // Электронный научно-информационный журнал "Вестник Отделения наук о Земле РАН" 1(27)?2009, URL: http://www.scgis.ru/russian/cp1251/h_dgggms/1-2009/informbul-1_2009/magm-10.pdf 7. Gorbachev N.S., Kostyuk A.V., Pimenova J.G. Experimental simulation of alkali-carbonate metasomatism and melting of the mantle: the feature of the chemism and phase relationship // Electronic Scientific Information Journal "Vestnik Otdelenia nauk o Zemle RAN" 1(27)?2009, URL: http://www.scgis.ru/russian/cp1251/h_dgggms/1-2009/informbul-1_2009/magm-10e.pdf 8. Н.С. Горбачев, А.В. Костюк, А.Н. Некрасов. Эклогитизация базальтов, метасоматоз, плавление эклогитов и магмообразование (по экспериментальным данным) // Сборник трудов "Экспериментальные исследования эндогенных процессов". Черноголовка, 2008. c. 8-14. Тезисы докладов: 9. Горбачев Н.С., Костюк А.В., Некрасов А.Н. Растворимость серы в водосодержащих магмах при высоких давлениях // ЕСЭМПГ-2004, Москва, с. 16. 10. Gorbachev N.S., Kostjuk A.V., Nekrasov A.N. Effect of water on solubility of sulphur in mafic silicate melts at high pressures // EMU School 2005 Germany, Heidelberg, p. 14. 11. Горбачев Н.С., Костюк А.В., Новиков М.П. Расслоение флюидсодержащих силикатных расплавов (по экспериментальным данным) // Материалы XV Российского совещания по экспериментальной минералогии. Сыктывкар, 2005, с. 38-40. 12. Горбачев Н.С., Костюк А.В., Новиков М.П. Экспериментальное изучение системы перидотит-сульфид-базальт при высоких давлениях: плавление и критические соотношения в водосодержащей верхней мантии // Материалы XV Российского совещания по экспериментальной минералогии. Сыктывкар, 2005, с. 37-38. 13. Горбачев Н.С., Костюк А.В. Влияние давления на растворимость серы в флюидсодержащих силикатных расплавах // Международная конференция "Ультрамафит-мафитовые комплексы складчатых областей докембрия", Улан-Удэ, 2005, с. 126-127. 14. Горбачев Н.С., Костюк А.В., Некрасов А.Н. Метасоматоз, плавление верхней мантии и генезис щелочных пород // Сб. Геохимия, петрология, минералогия и генезис щелочных пород, Миасс, 2006, с. 53-54. 15. Горбачев Н.С., Некрасов А.Н., Костюк А.В. Эклогитизация базальтов, метасоматоз и плавление эклогитов (по экспериментальным данным) // ЕСЭМПГ-2007, Москва, с. 21. 16. Nicolay S. Gorbachev, Anastasia V. Kostyuk. Interaction of eclogites with alcalic-carbonaceous fluids: implication for mantle metasomatism and origin of alcalic and carconaceous melts // MIMET 2008 Smolenice, Slovak Republic, p. 38-39. 17. Горбачев Н.С., Костюк А.В. Щелочно-карбонатный метасоматоз, плавление и критические соотношения во флюидсодержащей верхней мантии: экспериментальное моделирование // ЕСЭМПГ-2008, Москва, с. 20. 18. Горбачев Н.С., Костюк А.В. Взаимодействие водно-щелочно-карбонатных расплавов с перидотитом и генезис щелочных магм (по экспериментальным данным) // Тезисы Всероссийского семинара "Геохимия магматических пород", Санкт-Петербург, 2008. 19. Kostyuk A.V., Gorbachev N.S., Nekrasov A.N. Eclogitization of basalts, metasomatos and melting of eclogites // 33rd International Geological Congress, Oslo, Norway, 2008. http://www.33igc.org/coco/Handlers/COCO/Search.aspx?pageid=5002&tab=0# 20. Костюк А.В., Горбачев Н.С. Экспериментальное моделирование щелочно-карбонатного метасоматоза и плавления мантии: влияние температуры на фазовые соотношения // ЕСЭМПГ-2009, Москва, с. 45-46. 21. Горбачев Н.С., Костюк А.В., Пименова Ю.Г. Экспериментальное моделирование щелочно-карбонатного метасоматоза и плавления мантии: особенности химизма и фазовых соотношений // ЕСЭМПГ-2009, Москва, с.21-22. 22. Kostyuk A.V., Gorbachev N.S. Experimental studying of alkali-carbonaceous metasomatism and melting of eclogites with implications for origin of alkaline and carbonatites magmas // Тезисы докладов на международной конференции Геохимия магматических пород. Школа "Щелочной магматизм Земли", 2009, с. 74-76. 23. Kostyuk A.V., Gorbachev N.S., Nekrasov A.N. Effect of pressure on the solubility of sulfur in hydrous mafic magmas (for experimental data) // International symposium Large igneous provinces of Asia, mantle plumes and metallogeny, Novosibirsk, 2009, p. 168-172. 24. Костюк А.В., Горбачев Н.С. Экспериментальные исследования сульфидно-силикатного расслоения мантийных магм // 5-я международная школа по наукам о Земле, ISES-2009, Одесса, Украина. 25. Костюк А.В., Горбачев Н.С. Экспериментальные исследования щелочно-карбонатного метасоматоза и плавления эклогитов: фазовые соотношения, формирование щелочных и карбонатитовых магм // Физико-химические факторы петро- и рудогенеза: новые рубежи. ИГЕМ РАН, Москва, 2009, с. 214-217. 26. Костюк А.В., Горбачев Н.С. Влияние давления на растворимость серы в водосодержащих силикатных расплавах (экспериментальные данные) // Десятая международная конференция "Физико-химические и петрофизические исследования в науках о Земле" (памяти проф. Ю.С.Геншафта), Москва, 2009, с. 194-198. 27. Kostyuk A.V., Gorbachev N.S. Experimental investigations of influence of pressure on the solubility of sulfur in silicate melts //EGU European Geosciences Union General Assembly. Vienna, Austria, 2010. 28. Kostyuk A.V., Gorbachev N.S. Experimental study of interaction of hydrous alcalic-carbonaceous fluids with eclogites: implication for mantle metasomatoses and origin of alcalic and carbonatic melts. // EMPG XIII International Conference. (Experimental Mineralogy, Petrology and Geochemistry). Toulouse, France. 2010.
|
|
