Лаборатория эспериментальной и технической петрологии МГУ,
к. A-607, тел. 939-20-40

Метасоматиты образуются при взаимодействии контрастных горных пород между собой или горных пород с агрессивным раствором (расплавом). Так же, как при метаморфизме, в течение процесса сохраняется твердое состояние породы, но при этом изменяется ее химический состав, происходит привнос и вынос вещества. Соответственно, пределы изменения составов метасоматитов несколько шире, чем метаморфических горных пород.

История изучения метасоматитов, процессов их образования и экспериментального моделирования необычна и резко отличается от изучения магматизма и метаморфизма. Уже работы середины XIX века (Г. де Сенармон, А.Добрэ, С.-К.Девиль), в которых исследовали воздействие пара на стекла и другие твердые вещества, по существу воспроизводили метасоматические процессы. Однако, научный подход как к их изучению в природе, так и к экспериментальному моделированию стал возможен только начиная с 50-х годов после создания Д.С.Коржинским строгой физико-химической теории метасоматизма. Многие ее следствия, например, неизбежность резких фронтов замещений, принципиально расходились с представлениями геологов. Резкость границ между зонами раньше рассматривали как доказательство прерывистости метасоматических процессов и результат воздействия последовательных порций гидротермальных растворов. Поэтому одной из актуальных задач стала проверка главных положений теории метасоматоза.

Согласно теории, для этих процессов характерны следующие особенности.

Первое лабораторное воспроизведение метасоматической зональности осуществлено Я..И. Ольшанским и С.А. Брусиловским при комнатной температуре и атмосферном давлении в 1958 г. Медленное просачивание чистой воды или 10% раствора серной кислоты через смесь порошка кварца с бихроматом или хроматом калия приводило к образованию контрастных по окраске метасоматических зон с резкими границами.

Другая группа специфических проблем связана с неравновесностью метасоматического процесса в целом (при установлении локального равновесия в каждой точке возникающей зональности) и необходимостью получения его динамических характеристик. Как и для метаморфических пород, остается задача определения температуры и давления образования, но еще более актуальным становится реконструкция состава воздействующего флюида. Последнее особенно важно для понимания связи метасоматизма и рудообразования.

В процессе экспериментального изучения метасоматоза выработаны два подхода: исследование отдельных равновесий и моделирование процесса в целом. Первый путь принципиально сходен с изучением метаморфических реакций; кстати, получаемая при этом информация о температуре, давлении, летучестях воды, углекислоты, кислорода в равной мере представляет интерес для генезиса как метаморфических пород, так и метасоматитов.

Рис. 34. Фазовые соотношения в системе K2O - Al2O3 - SiO2 - H2O - HCl при Р = 1.0 кбар и избытке кварца по данным Г.П.Зарайского и др.

Для изучения зависимости равновесий от концентраций (активностей, химических потенциалов) компонентов их поведение в опыте должно приближаться к вполне подвижному. Это может быть достигнуто применением буферных смесей, примерами которых могут служить кислородные буферы. Действие последних подробно описано в главе "Методика эксперимента". Другой методический прием - многократное превышение в опыте объема раствора над твердой навеской (метод большой ампулы). Любые процессы в последней не могут привести к заметному изменению концентрации в растворе. Возможна также фильтрация раствора через навеску, так чтобы она все время находилась в контакте со средой заданной концентрации. Для конкретного случая калиевого кислотного метасоматоза важнейшими являются равновесия андалузита, пирофиллита и каолинита с мусковитом и калиевым полевым шпатом (рис. 34). В соответствующих реакциях поглощается столько же KСl, сколько образуется HСl, например:

Увеличение концентрации KCl и понижение - HCl (или наоборот) приводят к одинаковому смещению равновесия. В этом случае независимым фактором является отношение концентраций m_KCl / m_HCl .

Второй путь основан на непосредственном воспроизведении всего метасоматического процесса и получением зональности - колонки одновременно образующихся зон. Он обладает несомненными преимуществами в отношении возможностей получения динамических и кинетических характеристик и потому особенно важен для проверки теоретической модели Д.С.Коржинского. Оба пути взаимно дополняют друг друга и часто используются совместно.

Известны два принципиально различных механизма переноса вещества при метасоматозе. При инфильтрационном растворенные компоненты перемещаются с массой растворителя, механически увлекаясь током раствора. Диффузионный означает раздельную миграцию растворенных веществ, а растворитель (главным образом, вода) выступает как среда, относительно которой движется их поток. Обычно мы имеем дело с различными сочетаниями двух главных механизмов.

Для экспериментального моделирования наибольшее значение имеют следующие три типа взаимодействия при метасоматозе.

(1) Простой околотрещинный дифузионный метасоматоз. Неравновесный раствор поступает по трещине и взаимодействует со слабо проницаемыми боковыми породами посредством диффузии по тонкой системе поровых каналов. Процесс моделируется простейшим способом: измельченная горная порода, плотно набитая в открытую с одного конца пробирку из платины или золота, приводится в соприкосновение с большим объемом воздействующего раствора.

(2) При биметасоматозе взаимодействие осуществляется путем встречной диффузии компонентов в неподвижных поровых растворах двух контактирующих пород, контрастных по химическому составу, например, карбонатных и алюмосиликатных - при образовании скарнов. В таких опытах нижняя часть пробирки заполняется одной породой, а верхняя - другой, контакт маркируется меткой из платиновой проволоки.

(3) Инфильтрационный метасоматоз происходит при фильтрации изначально неравновесного флюида сквозь достаточно проницаемую породу. Его моделирование требует более сложного, специально разработанного оборудования.

Как для инфильтрационного метасоматоза, так и для диффузионного выделяются процессы кислотной и щелочной направленности. В первых из них происходит растворение и вынос из пород оснований, начиная с самых сильных. Оно компенсируется отложением кислотных компонентов, из которых в силикатных породах наибольшее значение имеет кремнезем. Щелочной метасоматоз характеризуется противоположными тенденциями. В этом отношении биметасоматическое взаимодействие двух пород противоречиво: по отношению к одной из них замещение имеет основную, а к другой - кислотную направленность.

Результаты экспериментального моделирования показали, что правильная зональная структура образующихся колонок является самой характерной их чертой в любом типе процесса. Границы зон связаны с появлением или исчезновением какого-либо минерала. Они обычно хорошо видны благодаря специфике окраски минерала (исчезновение магнетита при щелочном метасоматозе и темноцветных минералов при кислотном выщелачивании) или габитуса новообразованных минералов (длиннопризматический волластонит в биметасоматических скарновых колонках).

С самого начала метасоматического изменения, как только становится возможной диагностика отдельных фаз, возникают все зоны метасоматической колонки. Например, на контакте кварца и доломита при 600^оС уже в эксперименте продолжительностью 1 час возникала скарновая колонка общей мощностью всего 0,3 мм, но с ясно выраженными четырьмя реакционными зонами, отделяющимися друг от друга резкими границами. Последовательность зон в ней между исходными кварцевой и доломитовой (кальцит-бруситовой) следующая: волластонитовая, диопсидовая, форстеритовая, кальцит-форстеритовая зоны. В опытах большей продолжительности происходит лишь пропорциональное разрастание зон, новые не появляются и старые не исчезают.

Рис. 35. Изменение состава порового раствора в зонах метасоматических колонок, полученных в опытах по моделированию грейзенизации лейкократового гранита под действием кислых фторидных растворов (Р = 1.0 кбар, Т = 5000С).

В большинстве экспериментальных колонок наблюдаются признаки приближения к локальному химическому равновесию. Условия формирования за редкими исключениями (например, в опытах обычно образуется х-андалузит, реже некоторые другие метастабильные фазы) отвечают полям устойчивости образующихся минералов. Точки на фазовых диаграммах, отвечающие условиям образования последовательных зон колонок, образуют изотермические тренды, по которым однонаправленно меняются активности (химические потенциалы) компонентов. Все последовательности зон отвечают вариантам путей на соответствующих диаграммах, примерами чего могут служить как колонки кислотного выщелачивания (рис. 35), так и биметасоматические скарновые (рис. 36). В диффузионных колонках наблюдается соответствие изменения состава минералов - твердых растворов распределению концентраций в диффузионном потоке. Так же, как и в зональности природных известковых скарнов, особенно хорошо выражено закономерное и постепенное изменение состава минералов в соответствующих модельных биметасоматических колонках, что подробнее будет рассмотрено ниже (см. также рис. 41).

Признаки нарушения локального химического равновесия отмечаются при вялом метасоматическом замещении, связанном с низкой температурой или низкой агрессивностью воздействующего флюида. В этих случаях диффузия или инфильтрация происходят быстрее по сравнению со скоростями химических реакций, резкие границы зон исчезают, новообразованные и реликтовые минералы присутствуют совместно, их количественные соотношения меняются постепенно. Их рассматривают как "частичное равновесие": межзерновой раствор находится в локальном химическом равновесии с новообразованными минералами, но неравновесен к исходным минералам, от которых отделен оболочкой равновесных продуктов. Наряду с общей метасоматической зональностью образуется микрозональность в пределах отдельных зерен. При этом образование или исчезновение новых минералов на границах зон происходит резко благодаря малым размерам их зерен.

Рис. 36. Изменение активностей компонентов в последовательных зонах экспериментальных и природных скарновых колонок.

Теория метасоматической зональности была разработана Д.С.Коржинским настолько глубоко, что допускает количественную проверку соответствия экспериментальных результатов расчетной модели в случае относительно простого состава системы, для которого известны все независимо определенные численные значения термодинамических констант фаз и частиц в растворе, а также коэффициенты диффузии. Этим требованиям удовлетворяет образование диффузионной биметасоматической зональности между кварцем и бруситом при 600^оС, 1 кбар и воздействии воды или водных растворов NaCl и HСl разной концентрации. В таких условиях экспериментально хорошо воcпроизводится образование колонки с двумя мономинеральными реакционными зонами талька и форстерита. Количественный расчет модели взаимодействия возможен по кинетическому и локально-равновесному вариантам.

В кинетический вариант расчетной модели закладывается диффузионный перенос вещества в растворе, скорости растворения и осаждения минералов. Для локально-равновесного варианта принимается, что кинетические константы скоростей растворения и осаждения стремятся к бесконечности, а отношения этих констант постоянны. Второй вариант дополняется уравнением материального баланса на границах зон; в качестве начального приближения задаются зародышевые реакционные зоны малой мощности и очень низкой плотности. В первом варианте их образование получается при самом расчете.

Модель адекватно описывает реальную структуру и развитие экспериментальной зональности вплоть до предсказания тонких деталей строения. Правильно описываются общий набор зон, их последовательность, минеральный состав, положение по отношению к исходному контакту, объемные доли минералов в зонах, пористость, мощность зон и их соотношения. Внутри каждой зоны кинетическое решение в точности соответствует локально-равновесному и отклоняется от него только на границах. Экспериментальная колонка ближе к равновесному варианту модели, чем к кинетическому, поскольку для нее характерны резкие границы мономинеральных зон, а не переходные двуминеральные, которые дает кинетическое решение. Важным моментом является сохранение с течением времени степени размытости границ (рис. 37). Ширина области постепенного перехода между зонами (около 0,4 мм) остается неизменной при разрастании колонки. Происходит абсолютное и относительное расширение тех областей, где кинетическое решение совпадает с равновесным. С течением времени колонка все более приближается к локально-равновесному виду.

Рис. 37. Распределение объемной доли кварца, талька и форстерита, полученное при численном моделировании зональности контактового взаимодействия кварца с бруситом (Т = 6000С, Р = 1.0 кбар, 10-2 m HCl) по кинетическому варианту.

Во всех случаях экспериментального моделирования диффузионной зональности отчетливо проявлено замедление скорости разрастания со временем . Взаимодействие кислотного или щелочного раствора с породами аппроксимируется простой зависимостью (рис. 38). Скорость продвижения передового фронта замещения оказалась меньшей, чем при диффузии в свободном объеме раствора, но значительной в геологическом масштабе времени. Реально наблюдаемые в природе колонки околотрещинного метасоматоза мощностью 0,5-2 м, согласно экспериментальным данным, образуются за время 10 тысяч лет, а узкие, 1-5 см, оторочки рудных прожилков - за несколько лет. Ранее оценки времени образования метасоматитов, а следовательно, и эндогенных месторождений вообще не могли быть сделаны.

Интересно, что длительность существования природных гидротермальных систем (Долина гейзеров на Камчатке, Йеллоустонский парк, Вайракей в Новой Зеландии) оценивается величинами того же порядка - 10-20 тысяч лет.

Биметасоматическая зональность развивается с меньшей скоростью по сравнению с кислотным и щелочным метасоматозом из-за высоких концентраций компонентов в исходных растворах по сравнению с концентрациями насыщения, перепады же на границах зон заметно ниже. Кроме того, общий характер имеет стягивание вещества к контакту и зарастание пористости в приконтактовых зонах биметасоматических колонок. Наибольшей плотностью обладают диопсидовые и волластонитовые зоны, препятствующие в длительных экспериментах обмену компонентов между алюмосиликатными и карбонатными породами. Мощности таких колонок плохо воспроизводятся, а их динамика разрастания не подчиняется обычной зависимости.

Рис. 38. Разрастание различных зон экспериментальной диффузионной колонки среднетемпературного кислотного метасоматоза гранита (Р = 1.0 кбар, Т = 4000С, 1.0 m KCl + 5х10-2 m HCl + [Q]).

Мощности образующихся зон определяются коэффициентами диффузии мигрирующих компонентов. Численные значения коэффициентов диффузии различны. В опытах с агрессивными растворами породы изменяются на большую глубину, мощность колонки за двухнедельный опыт достигают нескольких см, в то время как при воздействии нейтральных или слабо концентрированных растворов - только первых мм. В этом отношении интересны биметасоматические колонки, в которых взаимодействуют среды (исходные породы) разной основности. Моделирование с использованием растворов меняющейся кислотности ведет к преимущественному их разрастанию за счет той породы, по отношению к которой раствор более агрессивен.

В экспериментально воспроизведенных метасоматитах более ясно, чем в природных видны конкретные механизмы замещения, среди которых выделяются образование псевдоморфоз и выполнение свободного порового пространства. Псевдоморфозы образуются, прежде всего, за счет низкой миграционной способности алюминия (в меньшей степени кремния) первичных алюмосиликатов и доставке растворами к месту реакции более растворимых и мобильных компонентов, в первую очередь, щелочных металлов. Наиболее характерный пример - образование гомоосевых псевдоморфоз одних полевых шпатов по другим (альбитизация калишпата или противоположный процесс). При этом сохраняются контуры зерен, расположение трещин спайности, одновременность угасания. Процесс происходит в микромасштабе на границе первичного и замещающего минерала путем растворения и переотложения при участии тонких пленок флюида, а не за счет диффузии через кристаллическую решетку. Об этом говорит большая скорость процесса и отсутствие изотопного обмена между раствором и реликтовым зерном. Иногда мелкие зерна приобретают огранку. Ca, Mg и Fe обладают промежуточной миграционной способностью между Na, K, с одной стороны, и Al, Si - с другой. В некоторых зонах щелочного метасоматоза их низкая подвижность определяет образование гомоосевых псевдоморфоз щелочного амфибола по куммингтониту и эгирина по щелочному амфиболу. Эти замещения происходят резким фронтом с торцов зерен с опережением по спайности. По плагиоклазу более характерны полиминеральные псевдоморфозы: альбита, цоизита, серицита; серицита и карбоната; кварца, серицита, хлорита, пирита;. В отличие от альбитизации калиевого полевого шпата замещение плагиоклаза альбитом и другими минералами происходит отдельными блоками по всему зерну без образования общего фронта, продвигающегося от периферии к центру. Полиминеральные агрегатные псевдоморфозы хлорита, мусковита, титановых минералов и др. (кислые условия) или альбита, калиевого полевого шпата, щелочного амфибола, эгирина (щелочной метасоматоз) характерны по биотиту. Кристаллизация в свободном поровом пространстве больше свойственна несиликатным минералам: карбонатам, пириту, фторидам, но в агрессивных щелочных или кислотных растворах по этому механизму могут образовываться также нефелин, канкринит, слюды, альбит, эгирин, мусковит. При процессах биметасоматоза в порах кристаллизуются андрадитовый гранат и магнетит, в инфильтрационных колонках - кварц и магнетит.

Одной из общих особенностей экспериментальных (как и природных) метасоматических колонок является уменьшение числа минералов от передовых к тыловым зонам, т.е. по направлению к воздействующему раствору. В случае биметасоматической зональности уменьшение числа фаз происходит от обеих исходных реагирующих пород к контакту. Это указывает на последовательный переход компонентов из инертного во вполне подвижное состояние.

Понятия "инертное и вполне подвижное поведение компонентов" ввел Д.С.Коржинский. Он придал им термодинамический смысл, имея в виду не просто способность к более затрудненному или более легкому перемещению в пространстве, а принципиальное качественное различие в поведении. Независимыми параметрами для инертных компонентов являются их массы (экстенсивные параметры), а для вполне подвижных - их химические потенциалы (интенсивные параметры). "Переход из неравновесного состояния в равновесное сопровождается изменением зависимых параметров системы - химических потенциалов инертных компонентов и масс вполне подвижных".

Реакции на границах зон, где и происходит изменение числа инертных компонентов, сопровождаются резким изменением содержания (растворением, выносом) компонента, переходящего во вполне подвижное состояние. В передовых зонах, до такой границы содержание компонента монотонно и непрерывно меняется в минералах переменного состава и, как правило, в породе (инертное поведение). По другую сторону границы в тыловых зонах концентрации компонента выровнены в каждой из фаз (вполне подвижное поведение).

В случае вполне подвижного поведения компонента во всей колонке составы минералов по данному компоненту постоянны и одинаковы во всех зонах и задаются уровнем его концентрации в воздействующем растворе. Например, в опытах при 600^оС с раствором 1m NaCl плагиоклаз во всех зонах отвечает олигоклазу ╧ 25-30, а в присутствии 1m CaCl₂ замещается на протяжении всей колонки почти чистым анортитом. Содержание вполне подвижного компонента в породе (в отличие от содержания в отдельных фазах - минералах или флюиде) зависит от количественных отношений минералов, которые, в свою очередь, определяются соотношением содержаний инертных компонентов.

Увеличение содержания компонента в породе и его концентрации в воздействующем растворе способствует инертности. Скорость продвижения диффузионного фронта растворения однокомпонентного минерала находится в прямой зависимости от разности реального содержания и концентрации насыщения компонента в растворе и в обратной - от содержания в породе. Чем более подвижен компонент, тем выше скорость распространения фронта растворения. Последовательность расположения фронтов отражает ряд дифференциальной подвижности компонентов. Приведенное рассуждение наглядно и правильно отражает общую закономерность, хотя и является упрощенным. Оно относится к колонке растворения, сложенной однокомпонентными минералами. В общем случае имеют значение произведения растворимостей. Действительно, подвижность многих компонентов меняется в зависимости от анионного состава растворов. Сера повышает инертность Fe, фтор - Ca, углекислота - Ca, Mg, Fe в связи с отложением соответственно пирита, флюорита, карбонатов. При высокой щелочности наблюдается повышение подвижности Si и Al по сравнению с Mg и Fe. Подвижность Al возрастает с ростом температуры.

Инфильтрационный метасоматоз экспериментально изучен хуже, чем диффузионный. Однако некоторые закономерности установлены. Сопоставление строения диффузионных и инфильтрационных экспериментальных колонок, полученных в близких условиях, не обнаруживает между ними резких различий. Минеральный состав, последовательность зон и режим подвижности компонентов определяются физико-химическими условиями, а не способом массопереноса. Образующиеся в опытах инфильтрационные колонки обнаруживают даже меньшую степень размытости границ зон, чем диффузионные. Это объясняется более полным замещением зерен реликтовых минералов в условиях протока раствора.

Рис. 39. Схема строения экспериментальной инфильтрационной колонки щелочного натриевого метасоматоза магнетитового кварцита.

Получило экспериментальное подтверждение предсказанное теорией "обогащение перемещенным инертным компонентом" средних и передовых зон инфильтрационных колонок в результате выноса из тыловых. В колонке щелочного натриевого метасоматоза магнетитового кварцита (рис. 39) для кремнезема и железа устанавливаются вынос из тыловой эгирин-магнетитовой зоны и переотложение в передовых с некоторым превышением исходного содержания. Содержание SiO₂ в передовой кварц-магнетитовой зоне превышает исходное на 4,2%, а железа в средней магнетит-рибекитовой - на 2,7%. По смещению области переотложения дальше по ходу фильтрации раствора видна в данном случае большая подвижность кремния по сравнению с железом. Сходный эффект при диффузии проявляется преимущественно в контактово-реакционных зонах при биметасоматозе. Он приводит к уже отмеченному выше зарастанию пористости и образованию очень плотных диопсидовых и волластонитовых зон, на уровне которых возникает даже кольцевое вздутие стенок ампул. Менее выражен этот эффект в тыловых зонах простого диффузионного метасоматоза. В этом случае он выражается в повышении содержания глинозема. Приуроченность переотложения к передовым зонам при инфильтрации и к тыловым - при диффузии объясняется противоположным направлением диффузионных и инфильтрационных потоков по отношению к последовательности зон колонки.

Определенная последовательность зон характеризует каждый тип метасоматического процесса. При постепенном изменении условий опытов до известных пределов тип зональной колонки сохраняется, а затем сменяется другим. Таким образом находят граничные значения интенсивных параметров, контролирующих образование различных типов метасоматитов.

Строение экспериментальных колонок хорошо отражает типовую зональность средне- и высокотемпературных метасоматитов кислотного выщелачивания: вторичных кварцитов, грейзенов, кварц-полевошпатовых метасоматитов. Обычное в природе возрастание роли кварца в тыловых зонах, вплоть до образования мономинеральной зоны, оказывается возможным только при насыщении исходного раствора кремнеземом, в противном случае кварц выносится, и тыловую зону слагают алюмосиликаты.

Рис. 40. Зависимость зонального строения экспериментальных колонок кислотного метасоматоза гранита от величины отношения mKCl / mHCl при Т = 5000С, Р = 1.0 кбар, t = 336 ч.

Для кислотного метасоматоза наглядно выступает ведущая роль состава воздействующего раствора по сравнению с температурой и давлением. Примером может служить изменение гранитоидов под действием хлоридных калийсодержащих растворов при 500^оС и 1 кбар в зависимости от величины отношения m_KCl / m_HCl в растворе (рис. 40). При низких отношениях (m_KCl / m_{HCl <} 5), отвечающих высокой кислотности, возникают метасоматические колонки, соответствующие вторичным кварцитам; при величинах отношений > 40 - кварц-калишпатовым метасоматитам; при промежуточных значениях - грейзенам. С понижением температуры оба предела смещаются в более калиевую область (см. рис. 34). Строение колонок обнаруживает высокую чувствительность к небольшим изменениям состава раствора, особенно это касается парагенезисов промежуточных зон колонки. На рис. 40 выделяются два типа зональности грейзенов, появление которых связано с увеличением активности калия и соответствующим возрастанием роли биотита и калиевого полевого шпата в зонах. Введение в состав раствора натрия, наряду с калием, приводит к альбитизации плагиоклаза в передовых зонах и более раннему замещению биотита, чем плагиоклаза - т.е. к обычным отношениям, характерным для классической зональности грейзенов. Во фторидных растворах по сравнению с хлоридными все пределы сильно (на 3-4 порядка) сдвинуты в область низкокалиевых растворов. Это объясняется более слабой диссоциацией HF по сравнению с HCl и сильным комплексообразованием HF с Si и Al. Образование топазовых фаций грейзенов требует высоких концентраций HF, низких - калия и насыщения растворов глиноземом. Устойчивости топаза в ассоциации с полевыми шпатами в средних зонах колонки способствует также повышение температуры до 600^оС. Минеральные парагенезисы средних и тыловых зон колонок кислотного выщелачивания зависят не только от отношения m_KCl / m_HCl но и от абсолютных значений этих концентраций, т.к. запись уравнений реакций здесь более сложна. От абсолютной величины концентраций зависит также мощность метасоматических зон. Так, в левой части рис. II-3-7 высокая концентрация HCl вызывает разложение и исчезновение на большую глубину биотита, а в правой - высокая концентрация KCl приводит к интенсивной калишпатизации, вследствие чего вся диаграмма имеет U-образную форму.

Снижение температуры является определяющей причиной смены одна другой фаций вторичных кварцитов, образующихся в условиях наибольшей кислотности, когда из пород выносятся все основания и остается только Si-Al каркас. Около 400^оС андалузитовая фация сменяется пирофиллитовой, а последняя около 300^оС - каолинитовой (рис. 34).

Кроме рассмотренных средне- и высокотемпературных метасоматитов, достаточно подробно изучены граничные условия формирования таких распространенных типов как березиты, гумбеиты, аргиллизиты и кварц-серицитовые метасоматиты, которые определяются, помимо рассмотренных факторов, химическими потенциалами серы и углекислоты (в связи с образованием пирита и карбонатов). Для пропилитов, ряда менее распространенных кислотных метасоматитов, а также большинства щелочных моделировано образование главных видов зональности.

Рис. 41. Закономерности изменения железистости клинопироксена и граната в эндо- и экзоконтактовых зонах экспериментальной колонки известковых скарнов.

Принципиально наиболее важным результатом моделирования биметасоматоза является то, что доказана реальность самопроизвольной перегруппировки вещества на контакте карбонатной и алюмосиликатной породы с образованием именно той последовательности зон, которая характерна для скарнов. Неожиданно оказалось, однако, что для образования известковых скарнов необходимо участие близнейтральных, слабо кислых или слабо щелочных хлоридных растворов с растворенными солями типа NaCl, KCl, CaCl₂, MgCl₂. Специфика катионного состава принципиально не меняет сущности взаимодействия, хотя и влияет на особенности парагенезисов. В присутствии чистой воды и щелочных растворов, не содержащих хлора, не образуются типичные для известковых скарнов пироксен-гранатовые парагенезисы. Интенсивная мобилизация железа и магния из темноцветных минералов алюмосиликатной породы, диффузионный перенос и накопление в приконтактовой области происходят только при воздействии хлоридных растворов. Характерный пример экспериментальной колонки изображен на рис. 41. Как это типично для скарнов, контактово-реакционные зоны экспериментальных колонок имеют простой фазовый состав и сложены не более чем двумя минералами. Характерной их особенностью является переменность состава клинопироксенов, гранатов, плагиоклазов в пределах зон. В соответствии с направлением диффузионного потока основность плагиоклаза возрастает по направлению к источнику кальция - известняку.

Однако, показанное на рис. II-3-8 повышение в этом направлении железистости граната, сопровождающееся уменьшением железистости пироксена, нуждается в объяснении. Образование существенно андрадитового граната в экзоконтактовых зонах, по-видимому, связано с локальным производством углекислоты (а через нее и кислорода) при замещении кальцита волластонитом или другими силикатными минералами: СаCO₃ + [SiO₂^О] = CaSiO₃ + [CO₂]. Освобождение при этой реакции СО₂ вызывает сдвиг вправо установившегося во флюиде окислительно-восстановительного равновесия:2Н₂О + СО₂ = СН₄ + 2О₂. Окислением железа и связыванием его в андрадитовый гранат объясняется понижение железистости клинопироксена в экзоскарновых зонах.

В экспериментальных биметасоматических колонках известковых скарнов отчетливо проявлен более интенсивный массоперенос кремнезема сравнительно с глиноземом, ведущий к метасоматической десиликации полевошпатовой породы и являющийся одной из характернейших черт соответствующих природных колонок.

Зональная колонка известковых скарнов формируется за счет перераспределения породообразующих компонентов при встречной диффузии, сопровождающейся химическими реакциями. Привнос из внешнего источника имеет место только для Na и К, а вынос за пределы области скарнирования - для СО₂. Оптимальным температурным диапазоном формирования известковых скарнов является интервал 500-700^оС. При 400^оС вместо граната и пироксена преимущественно развивается амфибол, иногда пренит. В высокотемпературных условиях (> 800^оС) образуются мелилитовые и гранатовые экзоскарны, а эндоскарны отсутствуют.

В отличие от известковых, для образования магнезиальных скарнов благоприятно воздействие близнейтральных или щелочных растворов с солями типа NaCl, KCl, NaF, KF, Na₂CO₃, NaOH, KOH. Повышение щелочности способствует формированию диопсидовых, а кислотности - кальцит-форстеритовых и форстерит-магнетитовых экзоскарнов. Глиноземсодержащие экзоскарны развиваются только в выше 800^оС, когда глинозем приобретает заметную диффузионную подвижность.

Экспериментальные исследования метасоматоза подтвердили главные положения теории метасоматической зональности. Были воспроизведены все особенности колонок, вплоть до очень тонких деталей строения, выведенные дедуктивным путем и наблюдаемые на природных объектах. Вместе с тем теория метасоматоза построена на ряде допущений (главное из них - локальное равновесие) и потому имеет границы применения. Экспериментальные исследования позволяют определить численные значения динамических и кинетических величин и таким образом установить эти границы количественно. Целый ряд особенностей не мог быть ни предсказан теоретически, ни выведен из геологических наблюдений, часть из них оказались неожиданными. Никаким другим путем не могли быть сделаны оценки продолжительности формирования метасоматических тел. Принципиальную новизну имеют установленные факты влияния анионного состава раствора на соотношение мощностей зон колонки, а иногда и на саму последовательность ее зон. Оно осуществляется через различия констант диссоциации соответствующих кислот и комплексообразование в растворах. Здесь, по-видимому, нужно искать путь к пониманию связей метасоматитов и оруденения - важнейшей проблемы, пока почти не затронутой экспериментальными исследованиями.

Известно, что одни и те же метасоматиты, на первый взгляд неотличимые друг от друга, сопровождаются разными типами оруденения. Примером могут служить образование сходных березитов в связи с золотыми, полиметаллическими или урановыми рудами. Можно предполагать, что специализация на разные типы оруденения связана с различиями анионного состава растворов, который находит отражение и в некоторых второстепенных особенностях метасоматитов, таких как соотношение мощностей зон колонки, изменение тонких особенностей состава отдельных минералов и др. Вопрос недостаточно изучен, но по крайней мере, наметились пути его разрешения.

Моделирование позволило на количественной основе определить границы фаций метасоматитов, т.е. пределы интенсивных параметров, при которых формируется определенный тип зональности. Наибольшее значение имеют температура, кислотность и активности компонентов раствора. Флюидное давление играет второстепенную роль, поскольку его изменение в пределах диапазона 0,5-2 кбар, наиболее характерного для гидротермального минералообразования, принципиально не сказывается на условиях стабильности породообразующих минералов. Существенное влияние на вид возникающих колонок оказывает состав исходных пород. Классический геологический пример образования березитов по породам гранитоидного состава и лиственитов - по ультрабазитам при воздействии одних и тех же растворов однозначно подтвержден экспериментально. Наиболее отчетливо буферное действие состава исходной породы выражено на парагенезисы передовых зон колонки.

Совокупность фаций метасоматитов, образующихся в одном характерном и повторяющемся в земной коре петрогенетическом процессе, обозначается как метасоматическая формация. Это чисто геологическое понятие. Экспериментальные исследования показывают, что эмпирически сложившееся выделение формаций не является случайным, каждой из них отвечает относительно узкий интервал физико-химических условий образования. Постепенные переходы и эволюционные взаимоотношения возможны только между теми формациями, поля которых на соответствующих диаграммах граничат между собой.

Отличительная особенность метасоматоза - привнос и вынос вещества. Изменяясь, состав пород может стать таким, который при данных температуре и давлении будет полностью или частично расплавлен. Такие процессы носят название магматического замещения. При моделировании щелочного метасоматоза гранитов в некоторых опытах тыловые зоны почти нацело представлены стеклом, а в промежуточных зонах стекло располагается в интерстициях породообразующих минералов. Расплав в этих случаях является одной из фаз (наряду с минералами), слагающих тыловые зоны колонки. Строение подобных колонок наиболее подробно изучено на примере взаимодействия расплавов с огнеупорами при стекловарении (см. главу III-3). Имеются также эксперименты, моделирующие образование зональности при замещении различных пород гранитной магмой. Все законы диффузионного взаимодействия при этом в той или иной степени выполняются: локальное равновесие, образование резких фронтов замещения, уменьшение числа фаз и соответствующее изменение режима подвижности компонентов, десиликация приконтактовых зон, закономерное изменение состава фаз по колонке. Модели и методические приемы, разработанные для метасоматоза, находят применение, таким образом, при изучении проблем магматической петрологии и прикладных вопросов.