ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ТЕРМОБАРОМЕТРИЯ

Геотермобарометрия

Минеральные термометры

Сначала немного истории. В 50-х годах американский петролог Г.Рамберг и норвежский петролог Т.Барт почти одновременно высказали идею, что для создания геотермометров можно использовать зависимость от температуры коэффициентов распределения, т.е. химических констант реакций обмена компонентами между твердыми растворами минералов. Однако в то время не было надежных экспериментальных данных ни по равновесиям между минералами переменного состава, ни по их термодинамическим свойствам. Это не позволило достаточно простой идее найти должное геологическое применение. И лишь спустя 10 лет появились две-три экспериментальные работы по частным системам. Но дело даже не в числе таких работ. В любой естественной науке идея порождает теорию, а затем следует эксперимент. Так случилось и в петрологии.

Г.Рамберг поручил своему аспиранту Р.Кретцу откалибровать несколько минеральных геотермометров. В 1961 г: Р.Кретц опубликовал обобщающую работу, которая "поставила крест" на данном направлении науки. В ней была "доказана" и на некоторых примерах продемонстри- рована бесперспективность изучения температурных и барических зависимостей распределения компонентов между природными минералами. Я поставил в кавычки слово "доказана", поскольку Кретц убедился в том, что на распределении компонентов между сосуществующими минералами переменного состава не столько сказывается воздействие температуры и давления, сколько их сложный состав. Такое заключение приостановило за рубежом экспериментальные исследования в области минералогической термометрии как минимум на 15 лет.

Случилось так, что наши исследования шли по иному пути. Сначала была разработана общая теория фазового соответствия. На ее основе были экспериментально откалиброваны обменные равновесия тех минеральных пар, которые наиболее эффективны как геотермометры. Экспериментальным калибровкам непременно предшествовали эмпирические.

Рассмотренные выше эффекты перераспределения Fe и Mg между природными сосуществующими минералами можно проиллюстрировать на примере контактирующих зерен Fe-Mg кордиерита и граната (N 1 и N 18 в таблице 1, соответственно) в гнейсе из Ханкайского метаморфического комплекса, Приморье. И кордиерит, и гранат обладают четко выраженной Fe-Mg зональностью. В отношении других, примесных элементов (Ca, Mn, Fe⁺³) эти минералы практически гомогенны. Но при понижении температуры между кордиеритом и гранатом начинается диффузионный обмен Fe и Mg. Реакция, моделирующая этот обмен, постепенно смещается вправо:

Fe₂Al₄Si₅O₁₈(кордиерит) + Mg₃Al₂SiO₁₂(пироп) =

Fe₃Al₂Si₃O₁₂(Fe-альмандин) + Mg₂Al₄Si₅O₁₈(Mg-кордиерит) (1)

Наши экспериментальные исследования показали, что константа этой реакции в значительной мере зависит от температуры и почти не зависит от давления. Причем твердые растворы обоих минералов близки по своим свойствам к идеальным. Это значит, что взаимодействие между Fe и Mg отсутствует, а их распределение между минералами подчиняется закону Нернста:
  KD  = X^Crd (1-X^Grt)/X^Grt (1-X^crd),   (2)

где КD - коэффициент распределения (при данных Т и Р величина КD = const), а X = Mg:(Mg+Fe) - мольная доля магниевого компонента в соответствующем минерале (Crd или Grt). Поскольку твердые растворы минералов близки к идеальным, а объемный эффект равновесия (1) очень мал, то величина KD есть функция только температуры.

Скорости твердофазовой диффузии в силикатах чрезвычайно малы [6], особенно при Т < 700 ⁰С. Это значит, что полное выравнивание концентраций изоморфных элементов в контактирующих минералах исключено и в краях их кристаллов должна развиваться диффузионная зональность. Такая зональность действительно широко представлена в породообразующих минералах и отражает изменение температуры процесса минералообразования (см. рис.1).

Следующая страница| Назад| Условные обозначения