Автореферат на тему: "Петрология обыкновенных хондритов"

Зиновьева Н.Г.

Кафедра Петрологии МГУ

7. Экспериментальное моделирование.

Приведенные выше результаты электронно-микроскопических и микрозондовых исследований основных структурных разновидностей хондр и матриц обыкновенных хондритов выявили многостадийный характер дифференциации хондритового расплава и важную роль процесса жидкостной несмесимости в образовании силикатного (хондрового) и сульфидно-металло-силикатного (матричного) расплавов и в их последующем расщеплении, обусловившим формирование всего многообразия хондровых и матричных составов. Процессы расслоения природных силикатного и сульфидно-металлического расплавов с последующим разделением сульфидно-металлического на металлический и сульфидный расплавы достаточно широко освещены в литературе [1; Рамдор, 1962 и др.]. Еще в 1983 году А.А.Маракушевым и Н.И.Безменом [1983] были проведены эксперименты по расслоению расплавленного образца хондрита Царев LIII(5) под давлением водно-водородного флюида на силикатный, металлический и сульфидный расплавы, а Е.Такахаши [Takahashi, 1983] по расслоению обыкновенного хондрита Yamato 74191 LI(3) - при давлениях от 6 до 30 кбар - на силикатный и сульфидно-металлический. Процессы ультрамафит-мафитового разделения силикатной части хондритового расплава, характеризующие раннюю стадию дифференциации родительских тел, гораздо менее изучены, в то же время примеры подобного расслоения в земных высокодифференцированных породах широко известны [Маракушев, 1988].

Фиг. 21. Проявление жидкостной несмесимости в расплаве хондрита

Детальный петрологический анализ результатов электронно-микроскопического и микрозондового изучения частичного СВЧ-плавления (Т=1400+100^o С, t=20 мин. [Зецер и др., 1993]) обыкновенного хондрита Царев LIII(5) в вакууме показал, что хондритовое вещество при плавлении проявляет тенденцию не только к расслоению на силикатный и сульфидно-металлический расплавы, но и к их последующему расщеплению: силикатного расплава на два (фиг. 21а) сосуществующие силикатные (SiO₂ - 44.9 [47.3]; Al₂O₃ - 2.4 [3.3]; Cr₂O₃ - 0.6 [0.7]; FeO - 17.3 [18.8]; MnO - 0.3 [0.4]; MgO - 31.2 [24.9]; CaO - 2.0 [2.57]; Na₂O - 0.2 [0.8]; P₂O₅ - 0 [0.4]; S - 0.5 [0.7]), а сульфидно-металлического на сульфидный и металлический расплавы (фиг. 21б).

Петроструктурный и петрохимический анализ структурных неоднородностей расплавленного хондрита выявил черты одновременного существования двух силикатных расплавов, имеющих резкую границу раздела и отличающихся (в единых условиях эксперимента) по температуре кристаллизации и химическому составу. Не совсем ясно, почему плавление хондритового вещества в "сухой" системе (без заданного давления летучих компонентов) привело к образованию несмешиваемых силикатных жидкостей. Объяснением, по-видимому, может служить тот факт, что в эксперименте использовалось вещество природного хондрита, содержащего углерод и какое-то количество адсорбированной влаги, вероятно, достаточных для расслоения хондритового расплава.

Сопоставление составов реальных хондр и экспериментальных расплавов показывает, что жидкостная несмесимость проявляется как бы в двух масштабах. С одной стороны образуются расплавы резко отличающиеся друг от друга (силикатные и сульфидно-металлические расплавы; оливиновые и пироксеновые хондры и т.д.), это расслоение является стабильным и оно было смоделировано, а с другой стороны образуются хондры, отличающиеся друг от друга лишь по содержанию малых компонентов (пироксен-оливиновые хондры, обладающие различной структурой), смоделировать данный процесс во всем его многообразии трудно, может быть даже невозможно из-за сложности, многокомпонентности системы, кроме того этот процесс может носить метастабильный характер.

Таким образом, вывод об образовании хондритовых структур в результате жидкостной несмесимости хондритовых расплавов, основанный первоначально на петроструктурном и петрохимическом анализе метеоритного вещества, подтверждается результатами независимых экспериментов по плавлению хондрита Царев. По аналогии с земными породами эффузивного и вариолитового типов, а также по аналогии с микроликвационными явлениями в стеклокристаллических материалах стекольного производства со сходными чертами несмесимости силикатного расплава хондровые структуры трактуются как производные магматической дифференциации сложного железосиликатного расплава, и свидетельствуют о расплавном состоянии родительского тела.

Приведенные выше петрологические исследования целого ряда обыкновенных хондритов показали значение железо-силикатного расщепления хондритовых расплавов, являющегося характерной чертой хондритообразования. Согласно правилу Прайора понижение железистости силикатов хондр прямо коррелируется с уменьшением содержания никеля в металлической фазе матрицы. Для моделирования этого процесса было проведено две серии экспериментов (в системе, не содержащей никеля: Si1 14.29; Ti 0.2; Al 2.72; Fe 51.29; Ni 0.0; Mg 12.81; Ca 3.13; Na 0.6; K 0.2; S 14.75, и в никельсодержащей системе: Si 13.80; Ti 0.2; Al 2.64; Fe 42.81; Ni 7.87; Mg 12.33; Ca 3.05; Na 0.6; K 0.2; S 16.50) по плавлению водного пикритового стекла (8% Н₂О) с добавками железа, серы и никеля, приближающими исходный состав пикрита к хондритовому веществу (при Т = 1200^o С, Р = 1 кбар и t = 72 часа [40]), демонстрирующие распределение железа между силикатным и металлическим расплавами. Восстановительный режим в экспериментах обеспечивался графитовыми тиглями. В обеих сериях экспериментов изученные системы отличались от среднего химического состава хондритов (Si 36.3; Тi 0.09; Аl 3.45; Сг 0.28; Fе 21.8; Ni 0.99; Мn 0.25; Мg 33.2; Са 1.78; Nа 1.59; К 0.12; Р 0.18) значительно более высоким содержанием железа (Fе 43 и 51 ат. %). Этим определился большой объем металлической фазы, отделившейся в ходе экспериментов в виде каплевидных обособлений в силикатных расплавах.

Фиг. 22. Сульфидно-металлическая капля

В системе, не содержащей никеля, мелкие сульфидно-металлические капли (фиг. 22а, I + II) выделились в силикатном расплаве (III: Si 42.51; Ti 0.5; Al 9.14; Fe 1.20; Mg 34.54; Ca 6.94; Na 2.87; K 0.5; S 1.80). Все они в свою очередь распались на металлическую (I) почти чисто железную фазу (образующую четко обособленные капли в сульфидном расплаве) и сульфидную - троилитовую. В сульфидной фазе при очень большом увеличении различаются мельчайшие металлические (железные) выделения. Силикатная фаза практически не содержала железа и серы, которые при магматическом расщеплении почти полностью сконцентрировались в сульфидно-металлических каплевидных выделениях.

Физико-химическая интерпретация полученных фазовых соотношений представлена на фиг. 22б, на которой в системе железо - сера - углерод по данным [Малиночка и др., 1983; Vogel and Ritzau, 1931] намечена область жидкостной несмесимости расплавов, приблизительно соответствующая полученным данным: металлическая фаза имеет состав, мас. %: Fе 95.2; С 3.4; S 1.4 (микрозондовые определения И.М. Романенко в лаборатории ИЭМ РАН). Как следует из приведенной диаграммы, наличие в системе углерода (использование в эксперименте графитовых тиглей) является непременным условием развития железо-сульфидной жидкостной несмесимости, прослеживающейся по структурным соотношениям фаз не только в хондритах, но также в железных метеоритах.

Добавление в изученную систему никеля (NiO 10%) принципиально изменяет фазовые соотношения. Железо-сульфидные капли не подвергаются железо-сульфидному жидкостному расщеплению, как в предыдущем эксперименте, и наблюдаемая неоднородность их строения имеет кристаллизационную природу. По краям капель отложился слой железа, практически не содержащего никеля, тогда как в центральной части капель железные зерна богаты никелем. Они находятся в сложных срастаниях с сульфидами, близкими по составу к троилиту. Обладающая порфировой структурой силикатная матрица, в которую заключены железо-металлические капли, отличается от почти чисто магнезиальной матрицы, полученной в предыдущем эксперименте, тем, что она богата закисным железом (Si 27.78; Ti 0.4; Al 6.05; Fe 30.49; Ni 0.4; Mg 22.07; Ca 4.84; Na 2.40; K 0.2; S 5.42). В общем, полученные в эксперименте структурные взаимоотношения минералов аналогичны порфировым хондрам обыкновенных хондритов в химической группе LL, отличающихся высокой железистостью минералов. Эта аналогия прослеживается и по высокому содержанию никеля в железной фазе, свойственному хондритам группы LL.

Полученные в богатой никелем системе соотношения составов фаз принципиально отличаются от фазовых соотношений в рассмотренной выше системе, характеризующейся отсутствием никеля. Железо в ней полностью сконцентрировалось в сульфидно- металлических каплях, находящихся в крайне магнезиальной силикатной матрице, что определяет аналогию полученных фазовых соотношений с гипотетическими хондритами НН [Маракушев, 1994], содержащими магнезиальные силикаты и металлическую фазу, бедную или лишенную никеля, и занимающими крайнее положение в ряду обыкновенных хондритов(в скобках дана средняя железистость силикатов): LL(30) - L(24) - Н(18) - НН(около нуля).

Полученные соотношения отражают правило Прайора, согласно которому понижение в хондритах железистости силикатов прямо коррелируется с уменьшением содержания никеля в их металлической фазе (мас.%: 22-32 LL; 14-21 L; 8-13 H), так что в пределе может возникнуть ассоциация магнезиальных силикатов с металлической фазой, не содержащей никеля. Выполненные две серии экспериментов не различались по температуре, давлению и окислительно-восстановительным условиям. Их результаты соотносятся друг с другом по следующей схематической реакции смещенного равновесия: (МgSiO₃ + 2Fе) + NiO = (МgFеSiO₄ + NiFe). Эта реакция отражает роль химического потенциала NiO в качестве фактора повышения как железистости силикатов, так и содержания никеля в металлической фазе хондритов, что и было получено в проведенных экспериментах. Однако привлечение этого фактора для объяснения фазовых вариаций в ряду хондритов LL - L - Н недостаточно, так как в валовом составе хондритов этого ряда роль никеля не только не уменьшается, но даже несколько возрастает, как об этом можно судить по уменьшению отношения Fе_общ./Ni (мас. %) в их валовом составе: 18.4(LL) - 17.4(L) - 15.6(Н); расчеты по данным М.И.Дьяконовой с соавторами [1979]. Корректнее связь между LL- и H-хондритами описывается реакцией с использованием нормативных минералов LL- и H-хондритов:

Mg_1.4Fe_0.6SiO₄ + 0.1 Fe_0.75Ni_0.25^o + 0.25 H₂ =

= 0.75 Mg_1.6Fe_0.4SiO₄ + 0.25 Mg_0.8Fe_0.2SiO₃ + 0.35 Fe_0.93Ni_0.07^o + 0.25 H₂O.

Закономерная корреляция состава силикатных хондр и металлической железной фазы в матрице (как в хондритах, так и в некоторых железных метеоритах, генетически связанных с хондритами - Watson IIE [Olsen et al., 1994], Нечаево IIE [Olsen, Jarosewich, 1971]) свидетельствует о равновесных соотношениях хондр и матрицы. Метеорит Нечаево был первым железным метеоритом, в котором были описаны хондры [Olsen, Jarosewich, 1971]. Он представляет особый интерес, так как в нем было обнаружено силикатное включение, крайне богатое железом (Fe = 24.77, FeO = 8.82, FeS = 3.70), сопоставимое с очень богатыми железом НН-хондритами. Экспериментальные исследования, проводившиеся в восстановительных условиях при 1200^o С [Маракушев и др., 2000], смоделировали расщепление железо-сульфидно-силикатного расплава (фиг. 22в), для получения которого использовались железо-силикатные сульфидсодержащие смеси как близкие по составу хондритовому включению (НН) метеорита Нечаево, так и резко обогащенные металлической фазой. В зависимости от соотношения силикатного и металлического материала жидкостная несмесимость проявлялась либо в образовании металлических капель в силикатной матрице, либо силикатных хондр в металлической, причем валовые составы хондр, выделившихся в металлической матрице аналогичны составу силикатной фазы метеорита Нечаево как по валовому составу, так и по составу минералов, образующихся при ее кристаллизации. В табл. 3 показаны железистости силикатов и содержания железа, никеля и кобальта в металлической фазе LL, L, H хондритов и силикатного включения метеорита Нечаево, видно, что силикатное включение занимает крайнее положение в ряду LL-L-H хондритов. Приведенная выше реакция, описывающая связь между LL- и H-хондритами, отражает повышение в ряду LL-L-H хондритов восстановительной обстановки хондритообразования, обусловленной взаимодействием хондритовых расплавов с водородными оболочками их материнских протопланет [Маракушев, 1999].

Таким образом, экспериментальные исследования железо-силикатного расщепления хондритового расплава не только подтвердили генетическую связь хондрового и матричного вещества хондритов, но и выявили многостадийный характер данного расщепления и показали, что оно характеризуется равновесными соотношениями силикатного и сульфидно-металлического расплавов, что фиксируется закономерной корреляцией состава силикатов и железоникелевых фаз. Полученные соотношения отражают правило Прайора, согласно которому понижение железистости силикатов хондр прямо коррелируется с уменьшением содержания никеля в металлической фазе матрицы хондритов. Закономерные корреляции железистости силикатов хондр и содержания никеля и кобальта в металлической фазе матрицы свидетельствуют о фазовом соответствии между хондрами и матрицей, исключающем их независимое происхождение и отражающем одновременность их образования. Сопряженное изменение железистости силикатов и содержания никеля и кобальта в металлической фазе фиксирует равновесные соотношения между хондрами и матрицей обыкновенных хондритов, определяемые их "фазовым соответствием" (Перчук, Рябчиков, 1976). Эти закономерности опровергают традиционные представления о независимом друг от друга происхождении хондр и матрицы хондритов в протосолнечной небуле и свидетельствуют об их одновременном образовании в результате жидкостной несмесимости в хондритовых расплавах.