Моделирование фазовых равновесий при кристаллизации базальтовых магм

В данной главе представлена новая методика генетической интерпретации изверженных пород, включающая ЭВМ-моделирование и сравнительный анализ траекторий равновесной кристаллизации расплавов, представляющих различные ассоциации интрузивных и эффузивных базитов. Этот подход, получивший название метода геохимической термометрии (Френкель и др., 1987), интегрирует в себе совокупность традиционных методик петрологического анализа, основанных на приближении равновесного распределения компонентов в расплавно-кристаллических системах. Геохимическая термометрия предполагает комплексную интерпретацию базитов, включая оценки первичных фазовых пропорций и исходных составов для главных породообразующих минералов и захваченного или транспортирующего расплава. Для его практической реализации желательны независимые оценки общего давления и окислительно-восстановительных условий кристаллизации.

Результаты геохимической термометрии интрузивных и субвулканических пород (плутоны Скергаард и Партридж Ривер, силлы Вельминский и Каменистый) дают начальные температуры внедрения и эволюции магматического расплава, первичную пористость кумулятов и фазовые пропорции исходной магмы. В полном объеме эта информация становится доступна для пластовых тел, имеющих надежную оценку средневзвешенного состава (Партридж Ривер, Каменистый): для этих объектов получены высокие значения исходной закристаллизованности магмы ~ 68 и 40%, соотвественно. Полученные данные согласуются с отсутствием (Партридж Ривер) или слабо проявленным фракционированием в камере (Каменистый) и позволяют объяснить главные особенности распределения микроэлементов по разрезу.

В случае детально опробованной средней и верхней части дифференцированного траппового интрузива (неполный разрез - Вельминский силл) метод геохимической термометрии дает возможность рассчитать эволюцию температуры и состава магмы, начиная с уровня, отвечающего образцу нижней породы. Для данного объекта установлена кристалличность магмы порядка 20% и значительные колебания фазового состава кумулятов, которые составляют 10-20 об.%. Косвенно это согласуется с наблюдениями в Вельминском силле ритмической расслоенности, в целом не характерной для дифференцированных траппов Сибирской платформы.

Отсутствие данных по среднему составу Скергаардского интрузива не позволяет дать полную фазовую интерпретацию исходной магмы. Тем не менее, оценка состава расплава, захваченного в интеркумулусе пород Боковой краевой группы, выглядит реалистичной и согласуется с результатами опытов по плавлению приконтактовых кумулятов.

Рассчитанный диапазон температур исходных магм для изученных интрузивов и силлов на удивление незначителен: 1150-1170^оС ( 10^оС). Полученные при этом оценки состава исходного расплава отвечают ферробазальтам толеитовых серий и полезны при анализе направленности фракционирования в магматической камере, а также для геодинамических реконструкций специфики магматизма конкретных вулканических провинций.

Важный результат геохимической термометрии заключается в установлении резко неравновесного наблюдаемого состава оливина в породах Вельминского силла и интрузива Партридж Ривер. Сопоставление с оценками пористости кумулятов показывает, что степень отклонения этих составов от равновесных коррелирует с количеством захваченного расплава. Это указывает на важную роль посткумулусного диффузионного обмена между первичными кристаллами и захваченной жидкостью.

На примере базальтового материала из Моря Кризисов на Луне показано, что геохимическая термометрия может быть исполь-зована для статистической котектической типизации фрагментов пород и стекол, составляющих сильно дробленый и перемешанный материал лунного реголита. Автор полагает, что предложенная методика окажется полезной при исследованиях вещества поверхности Луны и астероидальных тел автоматическими станциями.

В заключение этой главы отметим, что погрешности расчетов на основе программы КОМАГМАТ могут вызывать определенные сомнения и претензии. Тем не менее, опыт работы с моделями фазовых равновесий показывает, что точность предсказания температур, фазовых пропорций и химических составов для базальтовых систем все более приближается к чисто экспериментальным неопределенностям. В этом смысле методические разработки, связанные с применением такого рода программ, вполне своевременны.

Арискин А.А. (1985) Динамика разделения химических элементов при кристаллизации основных и ультраосновных магм. Дисс. ... канд. геол.-мин. наук. М.: ГЕОХИ АН СССР. 205 с.

Арискин А.А. (1998) Расчет устойчивости титаномагнетита на ликвидусе базальтов и андезитов в связи с проблемой дифференциации толеитовых магм. Геохимия. N 1. с. 18-27.

Арискин А.А., Бармина Г.С., Френкель М.Я. (1989) Геотермометры равновесий оливин-расплав и пироксен-расплав для лунных базальтов. Геохимия. N 10. с. 1418-1427.

Арискин А.А., Бармина Г.С., Френкель М.Я. (1990) Термодинамическое моделирование кристаллизации расплавов лунных базальтов. Геохимия. N 10. с. 1476-1485.

Арискин А.А., Бармина Г.С., Френкель М.Я. (1991) Моделирование фазовых отношений и оценка условий кристаллизации магматических пород Моря Кризисов на Луне. Геохимия. N 11. с. 1523-1524.

Базу А., Маккей Д.С., Фрулэнд Р.М. (1980) Петрография и происхождение грунта "Луны-24". В кн.: Лунный грунт из Моря Кризисов. М.: Наука. с. 96-109.

Бармина Г.С., Арискин А.А., Колесов Г.М. (1991) Моделирование спектров редкоземельных элементов в гипабиссальных породах кроноцкой серии (Восточная Камчатка). Геохимия. N 8. с. 1122-1132.

Бармина Г.С., Арискин А.А., Френкель М.Я. (1989) Петрохимические типы и условия кристаллизации плагиодолеритов Кроноцкого полуострова (Восточная Камчатка). Геохимия. N 2. с. 192-206.

Бармина Г.С., Арискин А.А., Коптев-Дворников Е.В., Френкель М.Я. (1988) Опыт оценки составов первичных кумулятивных минералов в дифференцированных траппах. Геохимия. N 8. с. 1108-1119.

Бармина Г.С., Френкель М.Я., Ярошевский А.А., Арискин А.А. (1982) Кристаллизационное перераспределение элементов-примесей в пластовых интрузивах. В кн.: Динамические модели физической геохимии. Новосибирск: Наука. с. 45-55.

Ирвин Т. (1983) Изверженные породы, состав которых обусловлен аккумуляцией и сортировкой кристаллов. В кн.: Эволюция изверженных пород. М.: Мир. с. 241-300.

Коптев-Дворников Е.В., Френкель М.Я., Ярошевский А.А. (1979) Кисталлизационная дифференциация интрузивного магматического расплава: оценка реальности седиментационной модели. Геохимия. N 4. с. 488-507.

Коптев-Дворников Е.В., Бармина Г.С., Френкель М.Я., Ярошевский А.А. (1976) Геологическое строение дифференцированного траппового интрузива Вельминского порога (р. Подкаменная Тунгуска). N 4. с. 50-56.

Лебедев А.П. (1962) Трапповая формация низовьев р. Подкаменной Тунгуски. В кн.: Петрография Восточной Сибири. М.: Изд-во АН СССР. Т. 1. c. 71-117.

Масайтис В.Л. (1958) Петрология Аламджахской трапповой интрузии. Л.: Тр. ВСЕГЕИ. Т. 22. 136 с.

Нестеренко Г.В., Альмухамедов А.И. (1973) Геохимия дифференцированных траппов. М.: Наука. 199 с.

Перчук Л.Л., Рябчиков И.Д. (1976) Фазовое соответствие в минеральных системах. М : Наука. 287 с.

Разницын Ю.Н., Хубуная С.А., Цуканов Н.В. (1985) Тектоника восточной части Кроноцкого полуострова и формационная принадлежность базальтов (Камчатка). Геотектоника. N 1. с. 88-101.

Соболев В.С. (1936) Петрология траппов Сибирской платформы. Л.: Изд-во Главсевморпути. 224 с.

Соболев А.В. (1996) Включения расплавов в минералах как источник принципиальной петрологической информации. Петрология. Т. 4. N 3. с. 228-239.

Соболев А.В. (1997) Проблемы образования и эволюции мантийных магм. Автореф. дисс. ... докт. геол.-мин. наук. М.: ГЕОХИ АН СССР. 50 с.

Тарасов Л.С., Назаров М.А., Шевалеевский И.Д., Кудряшова А.Ф., Гавердовская А.С., Корина М.И. (1980) Петрография пород и особенности состава минералов реголита из Моря Кризисов. В кн.: Лунный грунт из Моря Кризисов. М.: Наука. с. 78-95.

Уэйджер Л., Браун Г. (1970) Расслоенные изверженные породы. М.: Мир. 552 с.

Хубуная С.А. (1987) Высокоглиноземистая плагиотолеитовая формация островных дуг. М : Наука. 168 с.

Флоренский К.П., Пронин А.А., Базилевский А.Т. (1980) Геология места посадки станции "Луна-24" В кн.: Лунный грунт из Моря Кризисов. М.: Наука. с. 7-18.

Френкель М.Я., Арискин А.А., Бармина Г.С., Корина М.И., Коптев-Дворников Е.В. (1987) Геохимическая термометрия магматических пород - принципы метода и примеры применения. Геохимия. N 11. с. 1546-1562.

Френкель М.Я., Ярошевский А.А., Арискин А.А., Бармина Г.С., Коптев-Дворников Е.В., Киреев Б.С. (1988) Динамика внутрикамерной дифференциации базитовых магм. М.: Наука. 216 с.

Френкель М.Я., Ярошевский А.А., Коптев-Дворников Е.В., Арискин А.А., Киреев Б.С., Бармина Г.С. (1985) Кристаллизационный механизм формирования расслоенности пластовых интрузивов. Зап. ВМО. Часть CXIV. Вып. 3. с. 257-274.

Ярошевский А.А., Абрамов А.В., Каменева Е.Е. (1980) Геохимическая систематика, возможные генетические связи лунных магматических пород и типы пород из Моря Кризисов. В кн.: Лунный грунт из Моря Кризисов. М.: Наука. с. 196-218.

Ярошевский А.А., Арискин А.А., Френкель М.Я. (1983) ЭВМ-моделирование равновесной кристаллизации и возможные типы исходных расплавов морских базальтов Моря Кризисов на Луне. Тез. докл. IX Cем. Геохимия магматических пород (Москва). с. 111-112.

Ariskin A.A. (1999) Phase equilibria modeling in igneous petrology: use of COMAGMAT model for simulating fractionation of ferro-basaltic magmas and the genesis of high-alumina basalt. J. Volcanol. Geotherm. Res. V. 90. p. 115-162.

Brooks C.K., Nielsen T.F.D. (1978). Early stages in the differentiation of the Skaergaard magma as revealed by a closely related suite of dike rocks. Lithos. V. 11. p. 1-14.

Chalokwu C. I., Grant N. K. (1987) Reequilibration of olivine with trapped liquid in the Duluth Complex, Minnesota. Geology. V. 15. p. 71-74.

Chalokwu C. I., Grant N. K. (1990) Petrology of the Partridge River Intrusion, Duluth Complex, Minnesota: 1. Relationships between mineral compositions, density and trapped liquid abundance. J. Petrol. V. 31. p. 265-293.

Chalokwu C.I., Ariskin A.A., Koptev-Dvornikov E.V. (1996). Forward modeling of the incompatible element enrichment at the base of the Partridge River intrusion, Duluth Complex, Minnesota: Magma dynamics in a lower mushy zone. Geochim. Cosmochim. Acta. V. 60. p. 4997-5011.

Chalokwu C.I., Grant N.K., Ariskin A.A., Barmina G.S. (1993). Simulation of primary phase relations and mineral compositions in the Partridge River intrusion, Duluth Complex, Minnesota: implications for the parent magma composition. Contrib. Mineral. Petrol. V. 114. p. 539-549.

Donaldson C.H., Usselman T.M., Williams R.J., Lofgren G.E. (1975) Experimental modeling of the cooling history of Apollo 12 olivine basalts. In: Proc. Lunar Sci. Conf. 6th. Pergamon Press. V. 1. p. 843-869.

Freer R. (1981). Diffusion in silicate minerals and glasses: a data digest and guide to the literature. Contrib. Mineral. Petrol. V. 76. p. 440-454.

Grant N. K., Chalokwu C. I. (1992) Petrology of the Partridge River Intrusion, Duluth Complex, Minnesota: II. Geochemistry and strontium isotope systematics in drill core DDH-221. J. Petrol. V. 33. p. 1007-1038.

Grove T.L., Beaty D.W. (1980) Classification, experimental petrology and possible volcanic histories of the Apollo 11 high-k basalts. In: Proc. Lunar Planet. Sci. Conf. 11th. Pergamon Press. V. 1. p. 149-177.

Grove T.L., Raudsepp M. (1978) Effect of kinetics on the crystallization of quartz normative basalt 15597: an experimental study. In: Proc. Lunar Planet. Sci. Conf. 9th. Pergamon Press. V. 1. p. 585-599.

Grove T.L., Vaniman D.T. (1978) Experimental petrology of very low-Ti (VLT) basalts. In: Mare Crisium: the view from Luna-24. Pergamon Press. p. 445-471.

Hoover J.D. (1989a). Petrology of the Marginal Border Series of the Skaergaard intrusion. J. Petrol. V. 30. p. 399-439.

Hoover J.D. (1989b). The chilled marginal gabbro and other contact rocks of the Skaergaard intrusion. J. Petrol. V. 30. p. 441-476.

Hunter R.H., Sparks R.S.J. (1987). The differentiation of the Skaergaard intrusion. Contrib. Mineral. Petrol. V. 95. p. 451-461.

Jones N.W. (1984). Petrology of some Logan diabase sills, Cook County, Minnesota. Minn. Geol. Surv. Rep. Invest. V. 29. p. 40.

Layered Intrusions (1996) Developments in Petrology (Ed. Cawthorn R.G.). Amsterdam: Elsevier. V. 15. 531 p.

Longhi J., Pan V. (1988) A reconnaisance study of phase boundaries in low-alkali basaltic liquids. J. Petrol. V. 29. Part 1. p. 115-147.

Longhi J., Walker D., Hays J.F. (1978) The distribution of Fe and Mg between olivine and lunar basaltic liquid. Geochim. Cosmochim. Acta. V. 42. p. 1545-1558.

Lee I., Ripley E.M. (1995) Genesis of Cu-Ni sulfide mineralization of the South Kawishiwi intrusion, Spruce Road area, Duluth Complex, Minnesota. Can. Mineral. V. 33. p. 723-743.

McBirney A.R. (1989). The Skaergaard Layered Series: I. Structure and average compositions. J. Petrol. V. 30. p. 363-397.

McBirney A.R., Nakamura Y. (1974). Immiscipibility in late-stage of the Skaergaard intrusion. Carnegie Inst. Washington Yearb 72. p. 348-352.

McBirney A.R., Naslund H.R. (1990). The differentiation of the Skaergaard intrusion. A discussian of Hunter and Sparks (Contrib Mineral Petrol 95: 451-461). Contrib. Mineral. Petrol. V. 104. p. 235-240.

Miller J.D., Weiblen P.W. (1990). Anorthositic rocks of the Duluth Complex: examples of rocks formed from plagioclase crystal mushes. J. Petrol. V. 31. p. 295-340.

Mogessie A., Stumpfl E.F., Weiblen P.W. (1991) The role of fluids in the formation of platinum-group minerals, Duluth Complex, Minnesota: mineralogic, textural, and chemical evidence. Econ. Geol. V. 86. p. 1506-1518.

Morse S.A. (1981) Kiglapait geochemistry IV: the major elements. Geochim. Cosmochim. Acta. V. 45. p. 461-479.

O'Hara M.J., Biggar G.M., Hill P.G., Jefferies B., Humphries D.J. (1974) Plagioclase saturation in lunar high titanium basalt. Earth and Planet. Sci. Lett. V. 21. p. 253-268.

Naslund H.R., McBirney A.R. (1996) Mechanisms of formation of igneous layering. In: Layered Intrusions (Ed. Cawthorn R.G.). Amsterdam: Elsevier. p. 1-43.

Pasteris J.D. (1985) Relationships between temperature and oxygen fugacity among Fe-Ti oxides in two regions of the Duluth Complex. Can. Mineral. V. 23. p. 111-127.

Rhodes J.M., Lofgren G.E., Smith D.P. (1979) One atmosphere melting experiments on ilmenite basalt 12008. In: Proc. Lunar Planet. Sci. Conf. 10th. Pergamon Press. V. 1. p. 407-422.

Simmons E.C., Lindsley D.H., Papike J.J. (1974) Phase relations and crystallization sequence in a contact-metamorphosed rock from the Gunflint Formation, Minnesota. J. Petrol. V. 15. p. 539-564.

Treiman A.H., Sutton S.R. (1992) Petrogenesis of the Zagami meteorite: Inferences from synchrotron X-ray (SXRF) microprobe and electron microprobe analyses of pyroxenes. Geochim. Cosmochim. Acta. V. 56. p. 4059-4074.

Tyson R.M., Chang L.L.Y. (1984) The petrology and sulfide mineralization of the Partridge River troctolite, Duluth Complex, Minnesota. Can. Mineral. V. 22. p. 23-38.

Vaniman D.T., Papike J.J. (1977) Very low Ti (VLT) basalts: a new mare rock type from the Apollo 17 drill core. In: Proc. Lunar Sci. Conf. 8th. Pergamon Press. V. 2. p. 1443-1471.

Wadhwa M., McSween H. Y., Jr., Crozaz G. (1994) Petrogenesis of shergottite meteorites inferred from minor and trace element microdistributions. Geochim. Cosmochim. Acta. V. 19. p. 4213-4229.

Wager L.R., Deer W.A. (1939) Geological investigations in East Greenland, part III. The petrology of the Skaergaard intrusion, Kangerdlugssuaq, East Greenland. Meddelelser om Gronland. V. 105. N 4. p. 1-352.

Walker D., Kirkpatrick R.J., Longhi J., Hays J.F. (1976) Crystalization history of lunar picritic basalt sample 12002: phase equilibria and cooling-rate studies. Geol. Soc. Amer. Bull. V. 87. p. 646-656.

Walker D., Longhi J., Lasaga A.C., Stolper E.M., Grove T.L., Hays J.F. (1977) Slowly cooled mickrogabbros 15555 and 15065. In: Proc. Lunar Sci. Conf. 8th. Pergamon Press. V. 2. p. 1521-1547.

Weill D.F., McKay G.A. (1975) The partitioning of Mg, Fe, Sr, Ce, Sm, Eu and Yb in lunar igneous systems and a possible origin of kreep by equilibrium partial melting. In: Proc. Lunar Sci. Conf. 6th. Pergamon Press. V. 1. p. 1143-1158.

Wilband J.T., Wasuwanich P. (1980) Models of basalt petrogenesis: lower Keweenawan diabase dikes and middle Keweenawan Portage Lake lavas, upper Michigan. Contrib. Mineral. Petrol. V. 75. p. 395-406.

Wright T.L., Doherty P.C. (1970) A linear programming and least squares computer method for solving petrological mixing problems. Geol. Soc. Amer. Bull. V. 81. p. 1995-2008.

Yaroshevsky A.A., Ariskin A.A., Tarasov L.S., Frenkel M.Ya., Kudryashova A.F. (1982) Chemical rock types, crystallization sequence and possible types of primary melts of Mare Crisium. LPS XIII. Part 2. p. 887-888.