ГЛУБИННЫЕ ФЛЮИДНЫЕ ПОТОКИ И РОЖДЕНИЕ ГРАНИТА

Л.Л. Перчук (кафедра петрологии МГУ им.М.В.Ломоносова) Опубликовано в Соросовском Образовательном Журнале  , 1997 N6, стр. 56-63

Химические потенциалы K2O и Na2O во флюиде.

Согласно модели Р. Ньютона, реакция (1) в терминах конечных членов твердых растворов записывается следующим образом:

Phl+Qtz =En+San +Н₂О                                           (1а)

Но в гнейсах и сопутствующих кристаллических сланцах (Pl + Bt + Hbl + Qtz) никогда не встречается чистый флогопит, а биотит постоянно содержит избыток алюминия в виде молекул East и Sid. Чтобы реализовать этот избыток, реакцию чарнокитизации следует записать так:

Bt + Qtz + (K₂O) = Opx + Kfs + (H₂O)                       (2)

Наиболее глиноземистый Bt серии Sid-East может реагировать с Qtz лишь в случае возрастания химических потенциалов щелочных металлов во флюиде, то есть:

K₂(Fe, Mg)₅Al₄Si₅O₂₀ (OH)₄   +   12SiO₂   +    {(К, Na)₂О}    =    4(K, Na)AlSi₃O₈    +   5(Fe, Mg)SiO₃   +   2H₂О        (3)

                                                     Биотит                    Кварц     во флюиде          Ортоклаз            Гиперстен   во флюиде

Таким образом, теоретические предпосылки и эмпирические данные свидетельствуют о том, что процесс гранитизации протекает по более сложной схеме, чем это предполагалось ранее. Как отмечено выше, гранитизация гнейсов сопровождается снижением содержания алюминия в Opx, Bt, Hbl по направлению к контакту с Kfs. Этому явлению удалось найти простое объяснение: растворенные в надкритическом водном растворе щелочные металлы экстрагируют алюминий из минералов для создания K-Na полевого шпата, без которого гранит не гранит. Реакционные структуры как бы возникают под лозунгом "Весь глинозем на построение K-Na полевого шпата!". Как это ни странно, но такая простая идея до недавнего времени ни кому не приходила в голову, хотя микроанализатор используется петрологами уже 30 лет.

Итак, под влиянием химических потенциалов щелочей, растворенных во флюиде, гнейс с Bt может трансформироваться в гранит с Opx по реакции:

{Bt + Qtz} + (K, Na)₂O = {Opx + Kfs} + (H₂O)            (4)

                                                                                   гнейс       во флюиде        гранит       флюид

Эта реакция (гранит - флюид) может протекать как в твердой породе, так и при температуре выше кривой плавления. При этом концентрация ионов щелочных металлов в равновесном флюиде может быть ничтожна.

Но протекание реакции (4) будет контролироваться химическими потенциалами K и Na. Реакция (4) не отражает изменения составов минералов. Вариации в них содержания, например, Al₂O₃ описываются дивариантными реакциями. Так, в Opx-Bt гнейсе алюминий экстрагируется из глиноземсодержащего Opx для создания Kfs, что записывается в виде уравнения смещенного равновесия [2]:

(Mg, Fe)Al₂SiO₆ + 7SiO₂ + (K, Na)₂O = 2(K, Na)AlSi₃O8 + 0,5(Mg, Fe)2Si₂O₆             (5)

                                                                          Ts              Qtz    во флюиде       Kfs                    oPx

Биотит также теряет глинозем для создания Kfs (в частности, ортоклаза):

(5 + 0,5n)K₂ (Mg, Fe)₅ Al₄ Si₅O₂₀ (OH)₄ + 21nSiO₂ + 5nK₂O  =

                                                                                              Bt₁(Sid-East)                              Qtz      во флюиде

7nKAlSi₃O₈ + 5K₂(Mg,Fe)_{(5 + 0,5n)} Al _{4 - n} Si _{(5 + 0,5n)} O₂₀ (OH)₄ + nH₂O                (6)

                                                                          Kfs                                   Bt₂(Phl-Ann)                       во флюиде

Параллельно происходит обогащение глиноземом твердого раствора плагиоклаза. Выражается это в росте содержания СаAl₂Si₂O₈ в Pl, поскольку радикал [AlSi₃O₈] расходуется на создание молекулы ортоклаза (КAlSi₃O₈ ):

СаAl₂Si₂O₈ * nNaAlSi₃O₈ + 0,5mK₂O = СаAl₂Si₂O₈*(n - m)NaAlSi₃O₈ + mKAlSi₃O₈ + (0,5m)Na₂O           (7)

                     Pl₁                   во флюиде                           Pl₂                             Kfs            во флюиде      

Следы этих реакций сохраняются в горных породах как в виде микроструктур, так и в составах контактирующих минералов. На рис. 4 показаны примеры таких структур в гранитогнейсе из комплекса Сулкава, что в Южной Финляндии. Реакции (5) и (7) не зависят от активности воды. Следовательно, при постоянных Т и Р они контролируются ^fl_K2O   и/или ^fl_Na2O . Вместе с тем на рис. 3 подчеркнута важная деталь: в ядрах гранитогнейсовых куполов гиперстеновые граниты сменяются биотитовыми. Это значит, что реакция (1) смещается влево за счет повышения активности воды и относительного снижения ^fl_K2O   и ^fl_Na2O. Таким образом, повышенные химические потенциалы K и Na во флюиде характерны лишь для передовой зоны гранитизации, где происходит кислотно-основное взаимодействие флюида с вмещающими породами: при просачивании через породы более основного состава во флюиде резко возрастают коэффициенты активности ионов щелочных металлов [4, с. 217]. В тыловой зоне гранитизации химические потенциалы щелочных металлов определяются их исходными величинами в глубинном флюиде. В равновесии с ним и находится расплав биотитового гранита (см. рис. 3).

Итак, приведенные примеры не оставляют сомнения в том, что зарождение гранитов в крупных зональных комплексах сопряжено с притоком щелочных флюидов. Но тогда и флюидные микровключения в минералах должны содержать реликты таких растворов. До недавнего времени их не находили. Но после первой же нашей публикации голландский ученый Ж. Туре обнаружил в таких образцах микронных размеров включения раскристаллизованной рапы - высококонцентрированного щелочно- хлоридного раствора. Это было первое независимое подтверждение "щелочной" концепции.

Ну а что же пятнистые чарнокиты? Они как будто хранили обет молчания. Никто, в том числе и мы, не мог обнаружить в них ни реакционных структур, ни микровключений рапы. Но результаты изучения зональных комплексов не давали покоя. Ведь это один и тот же процесс. А пятна гиперстеновых гранитов в гнейсах - это микромодель зональных комплексов. В пятнистых чарнокитах просто обязаны быть те же признаки процесса гранитизации. Я предложил Олегу Сафонову провести ревизию наших образцов из Шри Ланки и Индии. Результат превзошел все ожидания. В образцах из Шри Ланки он обнаружил не только уже известные нам реакционные структуры, но и следы более низкотемпературных реакций, типичных для гранитных интрузий. Ж. Туре немедленно запросил эти образцы для исследований. Через неделю из Амстердама пришло сообщение: "Как и следовало ожидать из Вашей теории, в образцах не оказалось обычных для гнейсов включений жидкой углекислоты. Обнаружены множественные микровключения раскристаллизованной рапы". Так пал последний бастион "углекислотной" концепции. Физико-химическое решение задачи состоялось, но в тени остался механизм процесса гранитизации. Но это уже задача о транспорте вещества.

Следующая страница, условные обозначения