Моделирование фазовых равновесий при кристаллизации базальтовых магм

В предыдущих разделах были рассмотрены примеры фракционирования толеитовых магм, протекающего в условиях относительно маломощных магматических камер при P 2 кбар. При этом показано, что методы термодинамического моделирования позволяют реалистично воспроизвести тренды низкобарных андезит-базальтовых серий, сравнение которых дает оценки редокс-условий кристаллизации. Более сложным представляется решение подобных задач для случая полибарического фракционирования при повышенных давлениях. Это связано не с техникой моделирования высокобарных равновесий (использованный нами подход довольно примитивен - см. раздел 2.3), а с той неопределенностью экспериментальных данных, которая характерна для высокобарных экспериментов. Известно, что абсолютные погрешности определения давления в этих опытах составляют нередко несколько кбар, неопределенности в температурах варьируют от 20 до 50^оС, а летучесть кислорода не контролируется. Продолжительность плавок обычно не превышает нескольких часов, что вызывает сомнения в равновесности конечных продуктов экспериментов; эта ситуация усугубляется проблемой получения однородных стекол.

Таким образом, качество экспериментальной информации по высокобарным экспериментам заметно уступает данным опытов при 1 атм, что сказывается на точности разрабатываемых моделей фазовых равновесий. Анализ этого вопроса с привлечением результатов ЭВМ-моделирования по программе MELTS привел М.Гиорсоу к пессиместичному выводу, что материал по высокобарным равновесиям природных систем не позволяет разработать корректные модели фазовых равновесий, которые можно использовать в широком диапазоне P-T условий (Ghiorso, 1997). Мы полагаем, что эта ситуация не столь безнадежна, если не ставить задачу разработки "суперсистемы моделирования" (Ghiorso, Sack, 1995), а сконцентрироваться на решении конкретных петрологических проблем и выборе соответствующей экспериментальной базы для калибровок. Кроме того, возможные претензии к качеству ЭВМ-моделей не означают, что надо прекратить попытки разработки новых методик интерпретации базитов, основанные на использовании этих моделей. Примером такого применения является ЭВМ-барометрия MORB, проведенная при помощи высокобарной версии программы КОМАГМАТ.

В разделе, посвященном учету общего давления в программе КОМАГМАТ, отмечалась, что калибровка этой модели основывалась на использовании 3-х серий экспериментальных данных по плавлению высокомагнезиальных океанических толеитов в интервале давлений 1 атм - 15 кбар (Bender et al., 1978; Green et al., 1979; Fujii, Bougault, 1983). Это было связано с ориентацией программы (в версии ТОЛЕМАГ) на решение вопросов, связанных с фракционированием примитивных магм срединно-океанических хребтов (см. ниже). Другая причина заключается в том, что результаты данных экспериментов представляют опыты, проведенные около ликвидуса исходных составов - это предполагает близкие к равновесным составы фаз даже при незначительной продолжительности плавок.

Петрогенетические аспекты фракционной кристаллизации базальтовых магм при повышенном давлении были подробно рассмотрены О'Хара, который пришел к выводу, что химический и минералогический состав большинства базальтов отражает малоглубинные условия их кристаллизации (O'Hara, 1965). Первые оценки параметров и эффекта высокобарного процесса были даны Грином и Рингвудом, но основной объем экспериментальных данных по фазовым диаграммам базальтов был получен в 80-х и 90-х годах (Stolper, Elthon, Grove, Fisk, Луканин, Кадик, Kinzler и многие другие). В результате были установлены поля устойчивости главных котектических ассоциаций при давлениях до 30 кбар, что позволило приступить к построению обобщенных фазовых P-T диаграмм базальтов (Stolper, 1980; Takahashi, Kushiro, 1983; Herzberg, 1995) и экстраполировать данные экспериментов по равновесному плавлению на не исследованные области составов (Рябчиков и др., 1983).

Основной формой использования этой информации стало построение различных барометрических диаграмм (типа показанной на Рис. 2.14), на которые проектировались составы базальтовых стекол. В результате были получены оценки давления при формировании и кристаллизации примитивных океанических толеитов (Дмитриев и др., 1984; Thompson, 1987; Кадик и др., 1990). На основе этого сделан вывод об относительно низкобарных (P < 5 кбар) условиях эволюции толеитовых магм срединных хребтов. Вместе с тем, в 80-е годы не наблюдалось прогресса при изучении закономерностей фракционной кристаллизации в условиях повышенных давлений.

По-видимому, наши работы по моделированию полибарического фракционирования толеитовых магм Центральной Атлантики представляют одну из первых попыток исследования этого процесса систематичным образом (Арискин и др., 1990, 1991).

При помощи программы ТОЛЕМАГ мы провели серию полибарических расчетов равновесной и фракционной кристаллизации для расплава высоко-Mg толеита 527-1-1, содержащего 10.8 мас.% MgO (Bender et al., 1978). Вычисления проводились при давлениях 1 атм, 2, 4, 6, 8 и 10 кбар в условиях буфера WM; шаг кристаллизации составлял 2 мол.% (Арискин и др., 1990). Несмотря на несколько устаревшую версию модели, она реалистично воспроизвела расширение поля кристаллизации клинопироксена при увеличении давления и порядок смены минеральных ассоциаций (Рис. 2.24). Но наиболее важные и в чем-то неожиданные результаты касаются эволюции фазового состава и пропорций кристаллизации (Рис. 4.23).

Рис. 4.23. Эволюция фазового состава системы и пропорций кристаллизации минералов при равновесном затвердевании расплава примитивного океанического толеита Расчеты проведены с использованием программы ТОЛЕМАГ (Арискин и др., 1990): 1 - Pl, 2 - Ol, 3 - Aug

Показанное на этом рисунке сужение общего интервала температур кристаллизации минералов при увеличении давления (сравните верхние графики для 1 атм и 8 кбар) связано с более ранней кристаллизацией Cpx и неоднократно обсуждалось в литературе, см. обзоры (Hess, 1992; Herzberg, 1995). Больше вопросов вызывает характер изменения пропорций кристаллизации на серии нижних графиков. Как видно из этих данных, при выделении котектики Ol-Pl-Aug пропорция кристаллизации Pl монотонно увеличивается от 48 об.% при 1 атм до 62 об.% при 8 кбар. В то же время доля Aug на этом интервале падает от 42% до 20%. Этот результат приводит к важным петрологическим следствиям и заслуживает более детального рассмотрения.

Анализ изменения пропорций кристаллизации. Относительное понижение температуры Pl при увеличении давления в закрытой системе сопровождается комплементарным обогащением расплава Al₂O₃ на поздних стадиях кристаллизации. Применительно к генезису океанических толеитов этот эффект был исследован в экспериментах с синтетическим аналогом плагиоклазового лерцолита (Presnall et al., 1979). Для области 4-х и 5-ти фазовых равновесий эти авторы установили монотонное обогащение жидкости глиноземом при повышении давления до 9.3 кбар, что явилось основанием для вывода о существенном понижении с ростом давления количества кристаллизующегося плагиоклаза. Это заключение согласуются с данными, приведенными на верхней серии графиков Рис. 4.23.

Однако экстраполяция этих результатов на пропорции кристаллизации представляется некорректной. Дело в том, что исходя из общего понижения количества Pl в ликвидусных ассоциациях некоторые исследователи делают вывод о понижении с ростом давления доли Pl в кристаллизующемся материале (Grove, Baker, 1984). Этот вывод подразумевает, что изменение пропорции кристаллизации Pl с давлением обусловливает возможность генерации высокоглиноземистых расплавов из базальтовой магмы. Данные наших расчетов указывают на противоположную тенденцию (Рис. 4.23): понижение общего количества Pl в системе и комплементарное обогащение расплава Al₂O₃ на этапе, предшествующем его выделению, приводит к увеличению пропорции этого минерала относительно Aug на этапе их котектической кристаллизации.

Это означает, что кристаллизация ассоциации Ol-Pl-Aug при повышенных давлениях будет приводить к обеднению остаточных расплавов Al₂O₃, при том более резкому, чем имеет место в области пониженных давлений.

Рис. 4.24. Линии эволюции состава жидкой фазы при фракционной кристаллизации расплава примитивного толеита (Bender et al., 1978). Расчеты проводились с использованием программы ТОЛЕМАГ (Арискин и др., 1990): 1 - 1 атм, 2 - 4 кбар, 3 - 8 кбар

Эволюция состава расплава по мере фракционной кристаллизации примитивного толеита (Bender et al., 1978) при давлениях 1 атм, 4 и 8 кбар показана на Рис. 4.24. Задача фракционирования решалась здесь путем полного удаления из системы кристаллизующихся фаз с шагом = 2 мол.%. Как видно из этих данных, увеличение давления существенно сказывается на трендах изменения содержаний отдельных компонентов, причем в отношении Al₂O₃ можно отметить резкое обогащение расплава на этапе кристаллизации Ol-Aug котектики при 8 кбар. Это свидетельствует о возможности формирования высокоглиноземистых расплавов в области повышенных давлений, но при отсутствии Pl среди фаз ликвидусной ассоциации (к этому вопросу мы вернемся подробнее в Главе 5). Для последующего анализа представляются важными данные по содержанию СаО: этот компонент демонстрирует наиболее сильную зависимость от давления (Рис. 4.24).

Причина этого очевидна: относительно раннее выделение Aug при высоких давлениях приводит к резкому обеднению расплавов CaO, что непосредственно коррелирует с давлением (глубиной) процесса фракционной кристаллизации. Это позволяет сделать предварительный вывод, что наиболее известковистые толеитовые расплавы отвечают наименее глубинным условиям кристаллизации исходных магм, а обедненные CaO базальты отражают высокобарный этап их фракционирования.

Эволюция содержаний SiO₂ также контролируется кристаллизацией пироксена. На стадии выделения Ol-Pl котектики наблюдается обогащение расплава SiO₂, однако более ранняя кристаллизация Aug при повышенных давлениях может существенно замедлить или даже остановить накопление кремнезема. Резкое обеднение SiO₂ на последних этапах фракционирования при 8 кбар представляет артефакт ранней версии модели ТОЛЕМАГ, связанный с проблемами расчета перитектических равновесий Ol с низко-Са пироксеном.

Таким образом, результаты ЭВМ-моделирования высокобарной кристаллизации расплава примитивного толеита показывают, что фактор давления сказывается преимущественно на эволюции Al₂O₃ и СаО, которые можно рассматривать как компоненты характеристические для целей барометрии базальтовых расплавов. Это предъявляет повышенные требования к расчетам содержания Al₂O₃ и СаО в модельных расплавах.

Независимое тестирование модели КОМАГМАТ. Исходя из методики калибровки высокобарной версии модели понятно, что точность оценки точки перегиба на линии эволюции содержаний CaO зависит от определения момента появления Aug на ликвидусе при 1 атм и точности экстраполяции расчетной температуры в область повышенных давлений (раздел 2.3). При анализе данных Рис. 2.21 отмечалось, что использованная модель низкобарного равновесия Aug-расплав хорошо "работает" не только для океанических толеитов, но также других базальтовых систем умеренной щелочности. Результаты независимого тестирования авгитовых геотермометров, предложенных разными авторами (Nielsen, Dungan, 1983; Арискин и др., 1986; Weaver, Langmuir, 1990), показали, что разработанная нами в 1986 г. модель Aug-расплав наилучшим образом согласуется с данными экспериментов и природных наблюдений (Danyushevsky et al., 1996).

О реалистичности высокобарных расчетов позволяют судить результаты другого независимого тестирования, проведенного недавно Yang et al. (1996). Эти авторы провели экспериментальное изучение стабильности ассоциаций Ol-Pl и Ol-Pl-Aug в расплавах океанических толеитов и скомбинировали эти данные с результатами других исследований в интервале давлений от 1 атм до 10 кбар. На этой основе (190 экспериментов) были построены близкие линейным эмпирические зависимости, связывающие температуру и содержания некоторых "независимых" компонентов расплава (Al, Ca, Mg) с составом и давлением. Откалиброванные таким образом уравнения объединены с эмпирическим описанием поверхности насыщения Ol-Pl и Ol-Pl-Aug и использованы для построения модели полибарического фракционирования океанических толеитов (модель YKG - Yang et al., 1996).

Рис. 4.25. Линии фракционной кристаллизации расплава океанического толеита ALV-2004-3-1, рассчитанные с использованием моделей разных авторов (Yang et al., 1996). 1,2 - КОМАГМАТ, 1 - 1 атм, 2 - 4 кбар, 3,4 - модель YKG (Yang et al., 1996), 3 - 1 атм, 4 - 4 кбар, 5 - программа MELTS, 1 атм

На Рис. 4.25 проведено сопоставление трендов эволюции CaO и Al₂O₃ при 1 атм и 4 кбар, рассчитанных для одного исходного состава при помощи моделей YKG (Yang et al., 1996), MELTS (Ghiorso, Sack, 1995) и КОМАГМАТ (Ariskin et al., 1993). Как видим, точки перегиба трендов эволюции CaO для моделей YKG и КОМАГМАТ при заданных давлениях практически совпали. Различия трендов для Al₂O₃ определенно связаны с "нетермодинамической" формой уравнений в модели YKG, которые слабо реагируют на смену кристаллизующейся ассоциации. Расчеты по программе MELTS даже для 1 атм дали сильно завышенные температуры начала кристаллизации Aug.

Высокобарная модель КОМАГМАТ (версия ТОЛЕМАГ) была использована для сравнительного анализа и генетической интерпретации базальтовых стекол из скв. 332 и 418А, представляющих центральную часть и западный фланг Срединно-Атлантического хребта (Рис. 4.26). Этот выбор обусловлен двумя обстоятельствами. Во-первых, закалочные стекла из скв. 332 можно рассматривать как эталонный объект для контроля результатов ЭВМ-барометрии, поскольку при весьма представительной выборке для них имеются оценки состава предполагаемого родоначального расплава (Le Roex et al., 1981; Дмитриев и др., 1984). Несомненный петрологический интерес представляет также сравнение эволюционньх трендов и оценка условий образования магматических расплавов, представляющих различные геодинамические провинции и относящихся к начальному (скв. 418А - 110 млн. лет) и более позднему (скв. 332) этапу раскрытия океанического дна в Центральной Атлантике (Мирлин, Сущевская, 1990). Многочисленные данные по составам магматических пород из этих провинций явились основой для изучения петрохимической специфики и условий формирования базальтов срединно-океанических хребтов.

Рис. 4.26. Схема расположения скважин 332 и 418 в Центральной Атлантике  1 - скв. 332 и 418А, 2 - Срединно-Атлантический хребет, 3 - главные зоны разломов

Барометрия стекол из скв. 332. Скважины 332А и 332B были заложены в ходе 37-го рейса "Гломар Челленджер" в пределах неширокой 3-км долины, расположенной в 30 км, к западу от оси Срединно-Атлантического хребта в точке с координатой 36°52 с. ш. Расстояние между ними в плане не превышает 100 м, поэтому полученный здесь керн (~ 400 для 332А и 700 м для 332B) можно рассматривать как представляющий практически непрерывный разрез второго сейсмического слоя (в дальнейшем будем говорить только о скв. 332). Вещественный состав этого керна охарактеризован 860 силикатными анализами базальтов, пикритов и закалочных стекол (Init. Rep. DSDP, 1977). Данные по стеклам включают около 130 составов, определенных при помощи микрозонда.

Для оценки давления при кристаллизации соответствующих расплавов мы предложили использовать методику расчета линий фракционной кристаллизации исходной магмы при различных давлениях и сопоставления модельных трендов с составами закалочных стекол (Арискин и др., 1990, 1991).

 Табл. 4.7. Составы исходных расплавов базальтов из скв. 332 и 418А, использованные при моделировании полибарического фракционирования

Последовательность кристаллизации минералов при различных давлениях представлена в виде P-T диаграммы, показанной на Рис. 4.27А.

Как видно из этого графика, Ol является ликвидусной фазой во всем интервале исследованных давлений. При P < 6 кбар вторым кристаллизуется плагиоклаз; при более высоких давлениях - клинопироксен. Увеличение абсолютной температуры кристаллизации Aug в интервале 1 атм 6 кбар составляет ~ 60^оС, при этом относительно Ol и Pl точка начала кристаллизации клинопироксена поднимается на 40^оС. Это существенное увеличение, которое в 3-4 раза превышает средние неопределенности оценок температур при использовании геотермометров минерал-расплав (Глава 2). Таким образом, данный эффект можно использовать для цели барометрии с точностью порядка 1.5-2 кбар. Это абсолютные погрешности. Очевидно, что применение конкретной фазовой диаграммы к выборке составов стекол одной провинции несет потенциал для выделения "полибарических" групп составов, для которых относительные различия давлений могут быть оценены с более высокой точностью.

Подтверждением этого являются данные Рис. 4.28, где проведено сопоставление трендов закалочных стекол и модельных траекторий полибарического фракционирования. Это сравнение дано в координатах CaO/Al₂O₃ - MgO, которые рекомендуются нами в качестве наиболее информативной барометрической диаграммы толеитовых базальтов (Арискин и др., 1990, 1991).

Анализ соотношений составов на Рис. 4.28 позволяет сделать два главных генетических вывода: (1) наблюдаемое разнообразие составов стекол можно объяснить фракционированием одного исходного расплава ТОР-1 в интервале давлений 1-7 кбар; (2) большинство природных составов формируют отчетливые тренды, приуроченные к линиям фракционирования при давлениях 2-3 кбар и ~ 6 кбар.

Таким образом, для интерпретации петрохимических данных по базальтам из скв. 332 нет необходимости привлекать представления о двух типах исходной толеитовой магмы. Более вероятным представляются различия давления при кристаллизации расплава ТОР-1, составляющие для этих субсерий 3-4 кбар. Эти наблюдения приводят к выводу о существовании магматических камер на двух уровнях глубинности, различающихся на 9-12 км, где протекали процессы фракционирования расплава ТОР-1 и его производных.

Эти выводы основаны на данных по фазовым равновесиям и могут оказаться важными при геодинамических реконструкциях магматизма приосевой части Срединно-Атлантического хребта. Вместе с тем, используя эту информацию необходимо учитывать, что постулировав состав исходного расплава близким составу первичной магматической жидкости (ТОР-1 - Дмитриев и др., 1984), приходится предполагать поступление примитивных магм непосредственно из зон магмогенерации в менее глубинные или даже приповерхностные участки океанического дна. В этом случае следовало ожидать равновероятного распределения и встречаемости дифференциатов. Данные Рис. 4.28 указывают на отсутствие или низкую распространенность промежуточных продуктов фракционирования высоко-Mg расплавов.

Этот обычный в петрологической практике факт естественно связать с процессами глубинной кристаллизации и отсадки фемических минералов. Не учитывая эту возможность, трудно объяснить отсутствие базальтовых стекол с "низкобарным" отношением CaO/Al₂O₃ в диапазоне содержаний 8-10 мас.% MgO. Эти рассуждения приводят к двухстадийной схеме формирования базальтовой ассоциации для скв. 332, согласно которой первичные расплавы испытали стадию высокобарной кристаллизации (вероятно с участием Aug - см. Рис. 4.27). При этом формировались магнезиальные расплавы, дальнейшее фракционирование которых привело к образованию всего спектра реальных составов относительно высокобарных и низкобарных базальтовых стекол.

Вновь обращаясь к Рис. 4.28, можно предположить, что эти (родоначальные) магмы отвечают продуктам фракционирования первичного расплава ТОР-1 при P > 8 кбар и содержат ~ 10 мас.% MgO. Соответственно, сетку барометрических линий можно скорректировать с учетом пониженной магнезиальности исходного расплава, что должно приводить к небольшому, но систематическому смещению оценок давления в сторону менее высокобарных условий. Более детально эту ситуацию мы разберем на примере барометрии закалочных стекол из скв. 418А.

Барометрия стекол из скв. 418А. Скважина 418А была пробурена в ходе проведения 52-го и 53-го рейсов "Гломар Челленджер" у южного края Бермудского поднятия (Рис. 4.26). Цель бурения заключалась в исследовании пород, относящихся к древним участкам океанической коры Атлантики (возрастом ~ 110 млн. лет); при этом пройдено 544 м скважины и получено около 390 м керна (Init. Rep. DSDP, 1980). Представленные здесь массивные базальты (25%) и пиллоу-лавы (75%) различаются по ассоциациям вкрапленников, степени брекчирования и измененности, тогда как серия закалочных стекол имеет ряд общих особенностей. По сравнению со стеклами из скв. 332 они характеризуются практически непрерывным спектром составов, повышенной железистостью и содержанием TiO₂ при более низких содержаниях Al₂O₃ и K₂O (Рис. 4.29). Здесь нет оснований для выделения высоко- и низко-Са групп, что свидетельствует о незначительном диапазоне давлений при фракционировании исходного магматического расплава. Однако состав исходной магмы не определен, что затрудняет решение задачи ЭВМ-барометрии для данной серии.

Относительно обогащенные магнием стекла из скв. 418А содержат не более 8.5 мас.% MgO и вряд ли могут рассматриваться в качестве исходного примитивного расплава. Для оценки состава этой жидкости необходимо привлечь независимую информацию, в том числе по составам наиболее тугоплавких фаз, присутствующих в магнезиальных базальтах. Если допустить, что оливин являлся первым силикатным минералом, кристаллизующимся из исходного расплава, то магнезиальные (кумулятивные) базальты могут рассматриваться как модель состава, родоначального для стекол и базальтов данной провинции, при условии, что ликвидусный Ol для этого состава близок наиболее магнезиальным оливинам из скв. 418А.

В качестве такого состава подходит магнезиальный базальт 418А, 85-1, 145-148 из основания скважины (МБ -Табл. 4.7). При атмосферном давлении и условиях буфера WM ликвидусной фазой для этого состава является Ol, который по результатам расчетов начинает кристаллизоваться при 1259^оС и содержит 87.1 мол.% Fo. Это близко составу наиболее магнезиального Ol, обнаруженного в лавах из скв. 418А и содержащего 87.9 мол.% Fo (Init. Rep. DSDP, 1980). Рассчитанная фазовая P-T диаграмма расплава МБ показана на Рис. 4.27Б, а результаты сравнения модельных линий полибарического фракционирования и вариаций состава закалочных стекол приведены на Рис. 4.29.

Как видно из этого графика, составы закалочных стекол "ложатся" на линии котектического контроля Ol+Pl и Ol+Pl+Aug при давлениях 2-5 кбар. При этом вариации составов охватывают полный диапазон условий кристаллизации котектики Ol+Pl - в этом состоит принципиальное отличие от данных, полученных при использовании первичного расплава ТОР-1 (Рис. 4.28).

Этот результат можно рассматривать как дополнительное свидетельство правомерности выбора состава МБ в качестве предполагаемого исходного расплава.

При сопоставлении данных, показанных на Рис. 4.28 и 4.29, вызывают интерес не только различия исходных составов и конкретных оценок давления, но также общая конфигурация и соотношения полей, представляющих группы базальтовых стекол. В случае скв. 332 мы видим дискретную картину распределения составов и наличие трендов, отвечающих линиям котектического контроля Ol+Pl+Aug при давлениях, различающихся на 3-4 кбар. Специфика трендов для стекол из скв. 418А указывает на монотонное фракционирование при давлениях от 5 до 2 кбар, которое протекало, возможно, непосредственно по мере подъема и декомпрессии исходного магматического расплава. Доказательства реалистичности и важности процессов декомпрессионного фракционирования будут даны в Главе 5 на примере магматической эволюции Ключевского вулкана.

Заслуживает внимания еще одно обстоятельство. Данные расчетов полибарической кристаллизации показывают, что составы закалочных стекол Центральной Атлантики отвечают незначительному диапазону степени фракционирования исходного расплава - не более 30-40%. Это согласуется с более ранними оценками, проведенными при анализе результатов плавления примитивных океанических толеитов (Кадик и др., 1990).

В завершение этого раздела отметим, что предложенная методика барометрии закалочных стекол Мирового океана получила развитие в работах Н.М. Сущевской с коллегами. Используя этот подход, получены оценки условий формирования базальтов и дифференциации толеитовых магм для области Транс-Атлантического геотраверса, Восточно-Тихоокеанского поднятия, приэкваториальной зоны Срединно-Атлантического хребта, системы срединно-океанических хребтов Индийского океана, зоны сочленения Срединно-Атлантического и Американо-Антарктического хребтов (Сущевская, Цехоня, 1992, 1994; Сущевская и др., 1992-1998).