Моделирование фазовых равновесий при кристаллизации базальтовых магм

Этот раздел подготовлен по результатам исследований, проведенных совместно с проф. К.И.Чалокву (Обурнский университет, Алабама, США). Они были инициированы двумя публикациями, касающимися посткумуляционного переуравновешивания оливина в породах интрузива Партридж Ривер в Миннесоте (Chalokwu, Grant, 1987) и долеритах Вельминского силла трапповой формации (Бармина и др., 1988). В этих работах были предприняты попытки оценить разными методами исходный (до переуравновешивания) состав кумулятивных кристаллов оливина. Зарубежные коллеги использовали для этого простые масс-балансовые расчеты, включающие оценки железистости захваченного расплава и пористости кумулятов, а мы задействовали метод геохимической термометрии. Последующее применение этого подхода к породам интрузива Партридж Ривер позволило получить важную информацию об условиях формирования этого объекта (Chalokwu et al., 1993, 1996).

Плутон Партридж Ривер входит в состав Дулутского комплекса изверженных пород, расположенного в районе озера Верхнее, штат Миннесота (США) - Рис. 3.5. Этот комплекс представляет собой клинообразное тело мощностью до 15 км, включающее серию анортозитовых, троктолитовых, габброидных, гранодиоритовых и гранитных интрузивов, которые обнажаются на площади более 1500 км² (Chalokwu, Grant, 1990). В результате изотопно-геохимических исследований установлено, что внедрение этих массивов произошло 1.15-1.40 млрд. лет назад в пределах крупной внутриконтинентальной рифтовой системы (Grant, Chalokwu, 1992). Подстилают комплекс метаосадочные породы возрастом 1.6-1.7 млрд. лет, а перекрывают толеитовые базальты Вулканической Группы Кивинаван, формирование которой относят к тому же циклу вулкано-плутонической активности, когда образовывались интрузивы Дулутского комплекса. Согласно преобладающей точке зрения, внедрение анортозитовых тел предшествовало формированию троктолитов и габброидов.

Интрузив Партридж Ривер относится к числу базитовых тел, существенно троктолитового состава, приуроченных к северо-западному контакту Дулутского комплекса (Рис. 3.5). Активные исследования этих объектов идут уже около 40 лет и обусловлены их медно-никелевой минерализацией, которая может иметь промышленное значение и проявлена в базальных частях троктолитовых интрузивов, напр. (Tyson, Chang, 1984; Lee, Ripley, 1995). К этим горизонтам приурочена и платинометальная минерализация (Mogessie et al., 1991). Благодаря детальной разбуренности и значительному объему данных по петрологии, геохимии и минералогии, плутон Партридж Ривер является наиболее изученным среди интрузивных тел Дулутского комплекса. Подробное описание строения этого интрузива дано по результатам исследований керна из скв. DDH-221 (Chalokwu, Grant, 1990; Grant, Chalokwu, 1992).

Особенности строения. На основании структурно-генетической интерпретации шлифов для более 60 образцов из керна DDH-221 породы интрузива Партридж Ривер интерпретируются как трехкомпонентные смеси кумулятивного плагиоклаза, кумулятивного оливина и захваченного расплава. Интеркумулятивный материал представлен Pl, Ol, клино- и ортопироксеном, титаномагнетитом и включает следовые количества биотита и апатита. Внутренние контакты в интрузиве были идентифицированы по резким изменениям пропорций кумулятивных минералов и зернистости пород, что формально позволило выделить 4 главные зоны, показанные на Рис. 3.5. При этом фактически зоны II, III и IV представляют переслаивание разновидностей троктолитов и оливиновых габбро, а зона I сложена богатыми магнетитом тонкозернистыми габбро, где кумулятивные оливин и плагиоклаз присутствуют в резко подчиненном количестве. Именно в этой зоне наблюдаются рудообразующие проявления сульфидов.

В региональном аспекте главная петрологическая проблема интрузива Партридж Ривер (как и других тел троктолитов, анортозитов и габброидов) касается состава исходной магмы. Существуют представления, что в качестве родительских расплавов здесь могут выступать высоко-Al или низко-Al толеиты, представленные среди базальтов Кивинаван. В свою очередь, эти возможные источники интрузивных магм Дулутского комплекса могли быть выведены путем фракционной кристаллизации из более примитивного оливинового толеита.

Проблемы внутреннего строения интрузива включают:

(1) механизм формирования выделенных структурных единиц и прежде всего природу различий между зоной I и зонами II-IV;

(2) объяснение резких вариаций наблюдаемого состава Ol в нижней зоне на фоне незначительных колебаний состава Pl (Рис. 3.6);

(3) интерпретацию петрохимических особенностей, свидетельствующих о значительных вариациях содержаний петрогенных компонентов, несмотря на постоянство отношения CaO/Al₂O₃ по всему разрезу и относительную устойчивость отношения FeO/MgO (за исключением нижней зоны) - Рис. 3.7;

(4) интерпретацию геохимических данных, указывающих на весьма необычное обогащение базальной зоны интрузива некогерентными компонентами (Ti, P, Zr, Ba, Y, РЗЭ), которое достигает 4-х, 5-ти и даже девятикратных значений по сравнению с вышележащими породами (Grant, Chalokwu, 1992);

(5) механизм формирования сульфидного оруденения, который, очевидно, связан с поставленными выше вопросами, но его рассмотрение выходит за рамки данной работы.

Возможность использования метода геохимической термометрии для решения вопросов формирования данного интрузива обусловлена совокупностью петролого-геохимических данных, указывающих на то, что крупномасштабного фракционирования исходного расплава в магматической камере не происходило. Об этом свидетельствует постоянство петрохимических отношений для большей части разреза (Рис. 3.7), незначительные вариации по разрезу состава ядер Ol (Fo_{69 3} - Chalokwu, Grant, 1987) и Pl (An_{66 3} - Chalokwu, Grant, 1990), а также отсутствие структурных и химических признаков появления кумулятивного клинопироксена, как 3-й или 4-й кристаллизующейся фазы. Кроме того, данные изучения дифференцированных силлов и интрузивных комплексов однозначно указывают, что одним из результатов внутрикамерного фракционирования магмы является обогащение несовместимыми элементами горизонтов, наблюдаемых в верхней трети расслоенных тел (Уэйджер, Браун, 1970; Нестеренко, Альмухамедов, 1973; Morse, 1981; Френкель и др., 1988), а не в базальной зоне, как это имеет место в интрузиве Партридж Ривер (Рис. 3.7).

Можно также отметить, что масс-балансовые расчеты для сильно несовместимых микроэлементов приводят к демонстративно отчетливой зависимости их содержания в породах от доли захваченного в интеркумулусе расплава, независимо от положения в разрезе. Все эти обстоятельства позволяют предполагать, что наблюдаемые в породах интрузива Партридж Ривер вариации содержаний главных и примесных элементов связаны с перераспределением относительных количеств кристаллов и расплава при отсутствии признаков их химического фракционирования. Образованные в этих условиях породы представляют удачный объект для применения метода геохимической термометрии.

Реализации этих подходов способствуют имеющиеся оценки некоторых термодинамических условий формирования плутона. Исходя из минеральных парагенезисов, наблюдаемых в подстилающих интрузив метаосадочных породах, давление в момент интрудирования магмы было оценено как 2-3 кбар (Simmons et al., 1974). Данные редоксиметрии по равновесию магнетит-ильменит для пород базальной зоны указывают, что кристаллизация интрузивных пород происходила при летучести кислорода, определяемой интервалом буферных равновесий QFM и WM (Pasteris, 1985).

Для проведения геохимической термометрии мы выбрали 5 наиболее контрастных образцов из верхней трети интрузива (зоны III и IV - Рис. 3.6), "закаленное" габбро из нижней приконтактовой зоны I (обр. 201) и состав, отвечающий средневзвешенному составу интрузива (Табл. 3.3). Этот состав, обозначенный PRIM, можно рассматривать как представляющий усредненную фазовую ассоциацию первичной расплавно-кристаллической смеси и аппроксимирующий таким образом исходную магму интрузива Партридж Ривер. Строго говоря, данное приближение должно "работать" для идеальных пластовых тел, однако допущение об отсутствии фракционирования магмы в масштабе интрузивной камеры оправдывает использование в последующих расчетах этой средневзвешенной оценки.

Табл. 3.3. Составы кумулятивных пород и исходной магмы интрузива Партридж Ривер, использованные для геохимической термометрии (по данным Chalokwu et al., 1993)

Примечания. PRIM - средневзвешенный состав, рассчитанный для 40 пород с учетом мощности горизонтов, которые они представляют. Все составы приведены к безводной основе (мас.%); содержания элементов-примесей даны в ppm.

Расчеты траекторий равновесной кристаллизации проводились, используя программу КОМАГМАТ-3.0, при давлении 2 кбар и окислительно-восстановительных условиях 0.5 лог. ед. выше буфера WM. Шаг кристаллизации составлял =1 мол.%. Максимальная степень закристаллизованности 80% фиксировалась в диапазоне температур 1080-1130^оС.

Последовательность кристаллизации выбранных исходных составов показана на Рис. 3.8. Как следует из этих данных, для 4-х исходных составов (обр. 2, 7, 77 и PRIM) наблюдается субкотектическая ассоциация Ol+Pl при температурах 1200-1240^оС. В случае наиболее магнезиального обр. 41 отмечается широкое поле кристаллизации избыточного оливина, а для глиноземистого троктолита (обр. 56) первым кристаллизуется плагиоклаз около 1300^оС.

Рис. 3.8. Рассчитанные последовательности кристаллизации минералов из расплавов пород и исходной магмы интрузива Партридж Ривер (Табл. 3.3) Расчеты траекторий равновесной кристаллизации проводились при давлении 2 кбар и окислительно-восстановительных условиях 0.5 лог. ед. выше буфера WM (Chalokwu et al., 1993)

Образец из нижней приконтактовой зоны интересен тем, что он дает низкотемпературную ассоциацию Ol-Mt Pl примерно от 1180^оС. Эти значения температуры кристаллизации магнетита, по-видимому, несколько переоценены, т.к. расчеты велись с использованием более ранней версии модели КОМАГМАТ, а структурно-петрографические данные не позволяют рассматривать Mt в качестве одной из ранних кристаллизующихся фаз (Chalokwu, Grant, 1990). В целом, можно констатировать, что модельные порядки кристаллизации хорошо согласуются с данными петрологических наблюдений, указывающих на котектическую (Ol+Pl) природу троктолитов и габброидов интрузива Партридж Ривер.

Эволюция состава расплава для рассчитанных траекторий кристаллизации показана на Рис. 3.9. Визуальный анализ этих линий показывает, что сближение некоторых траекторий проявляется уже при температуре 1200^оС, однако их полное пересечение по 7-ми петрогенным компонентам (калий здесь не убедителен) происходит вблизи 1150^оС.

Набор ликвидусных фаз при этой температуре отвечает ассоциации Ol+Pl Mt+l, что в соответствии с принципами геохимической термометрии требует учета как минимум 5 компонентов расплава для придания данной температуре петрогенетического значения (см. раздел 3.1). Таким образом, случайное пересечение 7 траекторий в узкой области составов сразу по семи компонентам - событие маловероятное и найденная величина 1150 10^оС может принята в качестве температуры исходной магмы в момент ее внедрения в камеру.

Рассчитанные при 1150^оС составы модельных расплавов для каждого образца приведены в Табл. 3.4. Как видно, они оказались действительно близки, в результате чего оценка среднего состава магматического расплава характеризуется низкими значениями стандартных отклонений. Именно этот состав принимается в качестве исходного магматического расплава пород интрузива Партридж Ривер.

Табл. 3.4. Составы модельных расплавов кумулятивных пород и исходной магмы при температуре около 1150^оС, полученные в результате геохимической термометрии ( Chalokwu et al., 1993)

Поведение микроэлементов. В принципе, модельные содержания элементов-примесей в расплаве можно также задействовать для целей термометрии или независимого контроля точности вычислений. Однако, нашу попытку использовать для этого данные по содержаниям некоторых микроэлементов (Ni, Co, Sr, Sc, La, Lu - Табл. 3.3) нельзя назвать успешной. Эволюционные линии для этих элементов демонстрируют не столько четкие пересечения, сколько общую сходимость в область температур ниже 1200^оС. Мы связываем этот факт с тем, что температурно-композиционные зависимости коэффициентов распределения микроэлементов, использованные при проведении вычислений (Табл. 2.6-2.8), были определены с меньшей степенью надежности, чем константы равновесия для главных компонентов. При этом нельзя не учитывать и распространение сульфидов в интрузиве, которое не учитывалось при моделировании поведения Ni и Co.

Тем не менее, относительный разброс содержаний выбранных микроэлементов в модельных расплавах при 1150^оС оказался не столь велик и рассчитанные на основании этих данных средние значения концентрации в исходном магматическом расплаве можно также использовать для последующего петролого-геохимического анализа (Табл. 3.4).

Исходные составы минералов. Привлекательная особенность метода геохимической термометрии состоит в возможности оценки исходных (до переуравновешивания) составов кумулятивных минералов. Очевидно, что если нам действительно удалось оценить параметры первичного равновесия в исходной магме, то найденной температуре 1150^оС должно отвечать пересечение не только линий эволюции состава расплава, но также составов минералов. На Рис. 3.10 показаны результаты расчетов для оливина и плагиоклаза.

Как видно, для оливина такое пересечение фиксируется вполне отчетливо. Рассчитанный по 7 точкам состав модельного оливина при 1150^оС отвечает Fo_{66.7 1.0}. Этот состав близок среднему исходному составу оливина Fo_{69 3}, рассчитанному ранее с использованием данных по содержаниям в породах несовместимых элементов и пористости кумулятов (Chalokwu, Grant, 1987). Обе эти оценки дают существенно более магнезиальный Ol по сравнению со средним составом по данным микрозондовых исследований - Fo_{55 8} (Chalokwu, Grant, 1990). Установленные расхождения находят объяснение как результат посткумулусного переуравновешивания исходного оливина с захваченным расплавом при остывании и затвердевании кумулятивных смесей. Этот эффект наиболее сильно проявлен в приконтактовых породах, в частности в закаленном габбро. Средний наблюдаемый состав Ol в обр. 201 отвечает Fo₃₁, тогда как результаты расчетов при 1150^оС дают для этого образца примерно Fo₆₅ (Рис. 3.10).

В случае состава плагиоклаза четкого пересечения модельных линий не идентифицировано. Тем не менее, рассчитанный при 1150^оС средний исходный состав модельного плагиоклаза An_{64.2 2.5} практически идентичен среднему составу ядер Pl по микрозондовым данным (An_{66.3 3}). Это указывает на то, что в отношении плагиоклаза процессы переуравновешивания в кумулусе идут не столь эффективно.

Поскольку в основе расчета траекторий равновесной кристаллизации лежит условие закрытости системы и сохранение баланса масс (Глава 2), результатом геохимической термометрии помимо оценки исходных фазовых составов является определение первичных пропорций минералов и расплава для каждого образца. Эти модельные фазовые соотношения показаны на Рис. 3.11. Первичный фазовый состав для выбранных образцов приведен здесь соответственно их положению в разрезе интрузива Партридж Ривер. Ниже даны параметры исходной магмы PRIM при температуре внедрения 1150^оС.

Рис. 3.11. Рассчитанные первичные фазовые пропорции минералов и расплава для пород и исходной магмы интрузива Партридж Ривер (Табл. 3.3) Условия вычислений отвечают данным, показанным на Рис. 3.8-3.10

При анализе такого рода данных надо учитывать, что при погрешности оценки температуры порядка 10^оС неопределенности в расчете первичных фазовых пропорций будут составлять 3-6 мас.%. Этот интервал перекрывает модельную долю магнетита в исходной магме. Именно поэтому для первичной фазовой ассоциации мы используем обозначение Ol+Pl Mt+l.

Необходимо учитывать и тот факт, что указанные неопределенности 3-6 мас.% относятся к абсолютным значениям. При практических расчетах отклонения модельных температур от реальных проявляются обычно в одну и туже сторону для всех образцов, поэтому при генетической интерпретации данных геохимической термометрии относительные фазовые пропорции оказываются более информативны.

Таким образом, приведенные на Рис. 3.11 данные свидетельствуют о значительных вариациях исходных пропорций оливина, плагиоклаза и расплава в породах интрузива Партридж Ривер. Так, для обогащенного MgO обр. 41 количество Ol в исходной смеси достигает примерно 40 мас.%, а в случае высокоглиноземистого состава обр. 56 в ликвидусной ассоциации резко преобладает Pl (> 50 мас.%). Количество захваченного расплава в породах верхней части интрузива варьирует примерно от 25 до 40 мас.%. Максимальное количество захваченного расплава рассчитано для обр. 201, который ранее был предложен в качестве закаленного габбро интрузива Партридж Ривер (Chalokwu, Grant, 1990). Строго говоря, термин "захваченный" здесь неуместен, поскольку модельная доля исходного расплава составляет более 80 мас.% (Рис. 3.11).

Этот результат подтверждает вывод о том, что главная причина резкого обогащения некогерентными элементами нижней приконтактовой зоны связана с увеличением (сверху вниз) количества исходного расплава, которое при переходе от кумулятов к приконтактовым породам возрастает в 4-5 раз (Chalokwu, Grant, 1987, 1990). В пользу этого вывода свидетельствуют результаты прямого ЭВМ-моделирования перераспределения кумулятивных фаз и содержаний некогерентных элементов в нижней части интрузива Партридж Ривер, которое позднее мы провели с использованием динамического блока программы КОМАГМАТ (Chalokwu, et al., 1996).

Первичные фазовые пропорции исходной магмы (состав PRIM) были оценены как 32% магматического расплава и 68% кристаллического материала (Рис. 3.11). Эта оценка выглядит несколько неожиданной, т.к. обычно считается, что возможности течения и внедрения магм ограничены кристалличностью порядка 50-60% (см. раздел 1.1). В данном случае естественно допустить, что именно высокая исходная кристалличность магмы препятствовала глобальному отделению минералов от расплава и эффективному фракционированию магмы в столь крупной магматической камере.

Следует подчеркнуть, что рассчитанная высокая закристаллизованность магмы интрузива Партридж Ривер согласуется с оценками исходной кристалличности "анортозитовых" магм Дулутского комплекса (Miller, Weiblen, 1990) и некоторых субвулканических тел в области распространения базальтов Киванаван (Jones, 1984), в соответствии с которыми они содержали до 50-60% кристаллов плагиоклаза.

Больше вопросов вызывает механизм перераспределения кристаллов и расплава в сильно закристаллизованной системе Партридж Ривер. Для основной массы пород можно предположить, что наблюдаемые вариации относительных количеств Ol, Pl и расплава отражают неоднородности фазового состава магмы в момент внедрения. Однако в отношении обедненной кристаллами нижней зоны при условии закрытости магматической камеры приходится допускать либо всплывание зерен минералов в вязкой суспензии, либо направленное вниз просачивание расплава (фильтр-прессинг). Более реалистичным с физической точки зрения автору представляется второй вариант, особенно если учесть, что при температуре 1150^оС плотность исходного ферробазальтового расплава (Табл. 3.4) примерно на 0.15 г/см³ превышает плотность кристаллов плагиоклаза состава An₆₅.

Таким образом, данные геохимической термометрии позволяют дать генетическую интерпретацию отмеченным выше особенностям внутреннего строения интрузива Партридж Ривер. С позиций региональной петрологии главный интерес представляет сравнение оцененного состава исходного расплава и химизма ассоциирующих с интрузивами Дулутского комплекса базальтоидов.

Таблица 3.5. Сравнение модельного состава исходного расплава интрузива Партридж Ривер и некоторых низко-Al ферробазальтов Киванаван.

Как видно из Табл. 3.5, модельный состав исходного расплава близок реальным ферробазальтовым лавам Киванаван Портэйдж Лэйк из района озера Верхнее, которые были описаны в работе (Wilband,Wasuwanich, 1980).