ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ТЕРМОБАРОМЕТРИЯ

Аннотация. Можно ли определить температуру (T) и давление (P) процессов очень древнего породоообразования? Многие десятилетия геологи стремились решить эту задачу. Лишь сравнительно недавно, благодаря развитию теории фазового соответствия эта мечта стала реальностью. Откалиброванные экспериментально геотермометры и геобарометры позволяют определять РТ-параметры образования и дальнейшей эволюции магматических и метаморфических горных пород.

Введение

В течение многих десятков лет геологический возраст осадочных горных пород определялся и продолжает определяться по окаменелым остаткам живых организмов (фауны), растений (флоры), и даже по спорам этих растений, сохраняющимся в земной коре в течение миллионов, а порой и миллиардов лет. Однако преобладающая часть земной коры, особенно ее фундамент, сложена кристаллическими породами. Они образовались в ходе глубинной переработки (метаморфизма) первичных вулканогенно-осадочных или пород под воздействием флюидных потоков, несущих из земных глубин тепло и летучие компоненты (Н₂O, СO₂, H₂, N₂, F₂ и др.). Под влиянием этих флюидн-тепловых потоков остатки живых организмов разлагаются и в результате в былых осадочных породах не удается обнаружить окаменелые остатки фауны и флоры. Тем самым исчезают сведения не только о времени накопления осадков, но и о возрасте их метаморфизма. Толщи, сложенные такими горными породами, долгое время считались "немыми". Но на выручку геологам пришли изотопы.

Изотопная геохронология позволила определять абсолютный возраст кристаллических горных пород, т.е. время их метаморфизма или кристаллизации их магматических расплавов. Современные масс-спектрометры дают возможность делать это с высокой степенью точности. Более того, усилиями геохронологов создана шкала геологических периодов. Эта шкала позволяет по изотопному возрасту отнести данную кристаллическую породу, точнее породивший ее процесс, к тому или иному геологическому периоду и эпохе. Но еще в сравнительно недавнем прошлом, практически до второй половины 60-х годов нашего столетия геологи и не помышляли об оценках температуры и давления, при которых кристаллизовалась, или же подверглась повторной перекристаллизации данная горная порода. Поэтому не возможно было оценить термодинамические условия (P, T, концентрации летучих во флюиде и т.п.) возникновения и эволюции кристаллических пород, в том числе месторождений полезных ископаемых. Очень мало было сведений о глубинах и температурах зарождения магм. Наконец, практически ничего не было известно о свойствах глубинных надкритических растворов - флюидов. Иными словами, геология имела изотопные часы, но не имела минералогических термометров, барометров, потенциометров, рН-метров и других индикаторов физико-химических условий глубинного минералообразования.

В настоящее время известны два способа измерения температуры (Т) и давления (Р), при которых образовались минералы и их ассоциации - кристаллические горные породы. Один из них основан на исследовании газово-жидких (двухфазных) включений, законсервированных в минералах в процессе их роста. Этот метод еще в 1947 г. был разработан недавно ушедшим из жизни профессором Московского университета Н.П. Ермаковым [1], а затем развит его учениками и последователями. Суть этого метода заключается в нагреве каждого данного включения вплоть до полной его гомогенизации в однофазный флюид. Температура этой гомогенизации должна соответствовать минимальному ее значению в ходе процесса минералообразования. Сложнее дело обстоит с оценкой давления. Ясно, что при нагреве оно растет, и для его оценки необходимы сведения о составе флюида, слагающего это включение, а также экспериментальные данные о его свойствах. Если в основном он состоит из СО₂, то в этом случае расчет давления может быть осуществлен на основе уравнения состояния углекислоты (есть функция Т). Но для этого нужно знать температуру данного процесса. Таким образом, метод гомогенизации флюидных включений в чистом виде позволяет оценить лишь один из двух неизвестных параметров, Т или Р. Из этого ясно, что нужны принципиально новые методы, позволяющие определять независимые друг от друга термодинамические параметры кристаллизации и последующей эволюции горных пород. И такие методы были созданы [2, 3]. В их основе лежит учение о РТ- зависимостях констант равновесий минералов, слагающих кристаллические породы. Свойства природных минералов таковы, что при данных термодинамических параметрах эти константы как бы запоминаются минеральными равновесиями. Такие равновесия получили название минералогических термометров и барометров, а направление геологической науки, связанное с их применением - геологической термобарометрией.

Теория равновесий минералов переменного состава - теория фазового соответствия [3] - стала обычным курсом многих геологических вузов, а основанная на ней термобарометрия теперь считается в геологии единственным точным методом определения РТ- параметров формирования кристаллических горных пород. Число откалиброванных термометров и барометров очень велико. Благодаря систематическому повышению их точности можно судить не только о РТ- параметрах формирования горных пород, но и об их эволюции, т.е. об их погружении на большие глубины и/или подъеме к поверхности Земли. В последние годы на основе геотермобарометрии появился путь визуального (на экране монитора) воссоздания динамики земной коры - т.е. моделирования сценариев ее развития во временных рамках, определяемых изотопными и кинетическими методами. Это стало возможным благодаря развитию численных методов моделирования гидродинамических процессов с помощью мощных компьютеров. Об этом пойдет речь в следующей статье. Здесь же мы рассмотрим теоретические основы геологической термобарометрии.

Следующая страница