Геохимическая эволюция и расслоенность литий-фтористых гранитов танталовых месторождений Орловка и Этыка Восточного Забайкалья

3. Экспериментальное исследование физико-химических параметров эволюции гранитных систем с фтором.

3.1 НАДЛИКВИДУСНАЯ ЭВОЛЮЦИЯ И ЭФФЕКТ ПЕРЕОХЛАЖДЕНИЯ В ГРАНИТНЫХ РАСПЛАВАХ В ПРИСУТСТВИИ ФТОРА И ФОСФОРА С ОБРАЗОВАНИЕМ ПОЛОСЧАТЫХ ТЕКСТУР.

    В некоторых случаях фосфор, как и фтор, накапливается при магматической эволюции (Raimbault et al. 1995, Breiter et al. 1997). Причиной этому является высокое содержание глинозема (Zaraisky et al. 1998), который связывается с фосфором в расплаве в виде берлинитового комплекса Al[PO4]. Примером таких гранитов, обогащенных фтором, фосфором и редкими металлами (Та), является месторождение Подлеси (Рудные Горы, Чехия), где также распространены расслоенные пегматит-аплиты. Более щелочные граниты Орловки и Этыки обогащены фтором, однако, имеют весьма низкие концентрации фосфора.
    Смысл данного эксперимента заключается в том, чтобы выяснить, как будет проходить магматическая эволюция гранитных составов при повышенных содержаниях F, а также F+P, в результате их накопления в остаточном расплаве.

3.1.1. Использование Li-F гранита в качестве исходного материала.

Рис. 9. Микрорасслоенность в верхней закалочной части экспериментального продукта (длинна изображения 1 мм). Темные полосы - состав 1, светлые полосы - состав 3

Эксперимент проведен в газовой бомбе в безградиентных условиях при Т=800оС и Р=2 кбар в системе H-O-C (Bezmen et al. 1999) в присутствии фтора и фосфора. В качестве исходных материалов использовался образец дифференцированного гранита месторождения Подлеси с повышенными содержаниями F (1.3 мас.%) и P2O5 (0.5 мас.%). Добавленные содержания фтора и фосфора составляли 5.06 и 3.4 мас. % соответственно относительно твердой навески. Фугитивность водорода контролировалась аргоно-водородной смесью в реакторе и соответствовала 280 барам при Х(Н2)Ar-H=1. Посчитанная мольная доля водорода в ампуле соответствовала Х(Н2)Н-О-С = 0.03-0.04, без учета растворимости С-содержащего газа в расплаве. Фугитивность кислорода определялась с помощью уравнения logfO2=NNO-1.5(2), соответствующего стабильности магнетита. В конце эксперимента, длившегося семь дней, проводилась изобарическая закалка.
    Микроскопические и микрозондовские исследования продукта эксперимента выявили три текстурно и композиционно различающиеся горизонтальные зоны за счет относительного обогащения средней зоны кварцем. В верхней бескварцевой зоне обильно распространены скелетные формы роста, характерные для условий переохлаждения (150-200оС в данном опыте), а также прослеживается микрорасслоенность. Полосчатые зоны (рис. 9) мощностью в 5-10 мкм представлены агрегатами глобулей, обогащенными глиноземом, щелочами и в меньшей степени кремнеземом (рис. 10, состав 3), и стекловатыми прослоями, обогащенными кремнеземом и фосфором (рис. 10, состав 1 ). Данные фазы также представлены в виде овальных глобулей и дендритов (состав 1) с относительно высоким содержанием SiO2 (44-50 мас.%), Р2О5 (16-21 мас.%) и низкими - Al2O3 (19-20 мас.%), щелочами (SNa2O+K2O=3.3-4) и F (4.4-7.8 мас.%) в стекловатой матрице (состав 3), относительно обедненной кремнеземом (32-36 мас.%) и обогащенной глиноземом (30-32 мас.%), щелочами (SNa2O+K2O=9-15.5 мас.%) и F (27-30 мас.%). В результате опыта формируется закалочный берлинит (AlPO4) за счет высокой глиноземистости используемого гранита и выосокой концентрации фосфора в опыте.

Рис. 10

     Главным следствием эксперимента является то, что высокая степень переохлаждения (150-200оС) гранитного флюидонасыщенного (H2, F, P2O5) расплава может приводить к образованию ритмичной полосчатости за счет осцилляционной нуклеации закалочных фаз (Webber et al 1997) или спинодального распада (London 1998).

3.1.2 Использование нормального биотитового гранита в качестве исходного материала.

    В данной серии опытов в качестве исходного материала использовался безрудный биотитовый гранит Хангилайского комплекса (Забайкалье). В твердую гранитную навеску добавляли фтор (12.3 вес. %), а также фтор вместе с фосфором (7.06 и 7.0 вес. % соответственно) и выдерживали 14 суток при Т=800оС и Р=2 кбар. В конце выдержки проводилась изобарическая закалка. Для сравнения те же опыты проводились в другом температурном режиме: через семь дней выдержки при Т=800оС температура постепенно в течение четырех суток снижалась до Т=685оС как предполагаемой температуры ликвидуса литий-фтористого гранита по оценочным экспериментальным данным (Зарайский 2000). В режиме ступенчатого охлаждения во время опыта образуются ликвационные фазы криолит-эльпасолитового состава и закалочная кристаллизация кварца и фаз, близких по составу к топазу и литиевой слюде. При быстрой закалке образуются либо гомогенное гранитное стекло (только с F), либо стекло с линейными кварцевыми зонами (с F+P2O5). Однако ни в том, ни в другом случае данной серии опытов полосчатых зон не зафиксировано.

3.2 ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ФТОРА НА КРИСТАЛЛИЗАЦИЮ ГРАНИТНОГО РАСПЛАВА В КРАЕВОЙ АЛЬБИТ-ОРТОКЛАЗОВОЙ СИСТЕМЕ.

     Данное экспериментальное исследование предпринято с целью количественного определения влияния фтора на положение кривых солидуса и ликвидуса, а также смещение эвтектического состава в бинарной системе Ab-Or (Fedkin et al. в печати). Экспериментальное изучение данной системы в дальнейшем может способствовать развитию количественной модели образования полосчатых текстур, характерных для Ab-Amz гранитов Этыкинского месторождения.
     Опыты проводились с использованием автоклавов с быстрой закалкой (GFZ Potsdam) при Р=1 кбар в температурном интервале 700-900оС. В качестве исходных материалов использовались синтетически приготовленные (ИЭМ РАН) по методике Гамильтона (Hamilton & Henderson, 1968) смеси в пропорциях Ab90Or10, Ab30Or70, Ab75Or25, Ab65Or35. Оцененное значение содержания фтора во флюиде составляло 0.2 вес.% (0.1 м HF). Составы получившихся фаз анализировались на зонде (Cameca SX-100, GFZ Potsdam), а положение кривых солидуса и ликвидуса определялись композиционным методом (Tuttle & Bowen, 1958).
     Оценочная кривая ликвидуса для системы Ab-Or-H2O-HF, основанная на настоящих экспериментальных данных лежит на 50-70оС ниже , чем для той же системы без фтора по данным Таттла и Боуена (Tuttle & Bowen, 1958). Разница такого же порядка существует в ликвидусных температурах гаплогранитных систем (Ab-Or-Qtz-H2O) с фтором (Manning 1981) и без фтора (Tuttle & Bowen 1958). Результаты эксперимента демонстрируют, что даже малые количества фтора существенно влияют на условия плавления в магматических системах. Во всем диапазоне изученных составов полевых шпатов минимальная температура для надликвидусного поля оценивается как 830оС. Субликвидусное поле охватывает температурный интервал 800-850оС.

3.3 ЕСТЬ ЛИ АНАЛОГИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО ВОСПРОИЗВЕДЕННЫХ СТРУКТУР С ИЗУЧЕННЫМИ ПРИРОДНЫМИ ОБЪЕКТАМИ ?

    Ритмичная расслоенность.  Повышенные содержания летучих компонентов, понижающих вязкость расплава, а также значительная степень переохлаждения (London 1998) в системе способствует формированию тонко-ритмичной полосчатости. Это отражено в одном из закалочных опытов с Li-F гранитом Подлеси в виде переслаивания стекловатых линейных зон, обогащенных глиноземом, щелочами и фтором, и агрегатами фаз, обогащенных кремнеземом и фосфором. Аналогичные текстуры характерны для приконтактовых частей гранитных даек Орловки с переслаиванием тонких альбитовых и кварцевых полос. Предположительно, главным механизмом образования ритмичной полосчатости является спинодальный распад, при котором происходит фазовое разделение переохлажденного расплава на сосуществующие составы. Главную роль здесь играет восходящая диффузия (Скрипов, Скрипов 1972) при которой происходит не рассасывание, а усиление неоднородностей состава, в результате чего возникает неоднородная структура.
    Кварцевые зоны (гребенчатый кварц). Образованные в некоторых опытах линейные зоны кварца в стекле свидетельствуют о расширения поля кристаллизации SiO2 при подкисляющем воздействии фтора и фосфора. Образование кварцевых зон в стекле в результате эксперимента может быть аналогично определенному этапу формирования слоев гребенчатого кварца в альбит-аплитовой массе гранитов Орловки и Этыки.
    Фторсодержащие минеральные фазы (слюда, топаз). На позднемагматической стадии накопление фтора в гранитной магме может приводить к образованию грейзенового остаточного расплава (Xiong Xiao-Lin 1999) и дальнейшей кристаллизации грейзеноподобного Qtz-Toz-Zinn парагенезиса, как это проявлено в гранитах Орловского месторождения (Zaraisky et al. 1997). Это находит подтверждение в проведенных экспериментах с повышенными концентрациями фтора, где происходит обильная кристаллизация кварца, а также образование составов, близких к Li-слюде и топазу.
    Таким образом, проведенная аналогия экспериментальных и природных образцов, а также теоретические и экспериментальные данные других исследователей (Маракушев, Яковлева 1994, London 1998, Соболев 1999, Morgan & London 1999) дает возможность предложить модели формирования полосчатых текстур в гранитах, в частности, механизм спинодального распада, как наиболее вероятный в данных экспериментальных и природных условиях.