ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ МАГМАТИЧЕСКОЙ ДЕГАЗАЦИИ НА ВУЛКАНЕ КУДРЯВЫЙ, КУРИЛЬСКИЕ ОСТРОВА

Рис. 7

В данной главе представлены данные экспериментальных исследований взаимодействия высокотемпературных вулканических газов с вмещающими породами (газовый метасоматоз) как одного из крайних случаев проявления процессов метасоматического преобразования пород. 

Рис. 8

Эксперименты проводились в природных фумаролах вулкана Кудрявый с температурами от 160 до 910^oС; в качестве исследуемых материалов использовались породы: гранит, дацит и андезито-базальт и несколько минералов: форстерит, диопсид, альбит, лабрадор, ортоклаз, биотит, эпидот, кальцит, апатит, барит, гипс, сфалерит и пирит. Образцы пород и минералов размером 5x5x10 мм и массой 0.6-0.8 г были помещены в кварцевые трубки длиной 150 мм и диаметром 10 мм, которые были установлены в фумарольные выходы практически вертикально, таким образом, что газ мог свободно проходить через трубки, обтекая образцы. Продолжительность экспериментов составила 20-30 дней, также был проведен годовой эксперимент при температуре 460^оС. После экспериментов образцы были проанализированы на микрозонде. Для каждого образца было выполнено несколько профилей зондирования от поверхности вглубь минерала, таким образом, чтобы анализируемая плоскость образца была перпендикулярна поверхности, которая находилась в непосредственном контакте с газом (было сделано более 1000 анализов).

Наиболее информативными оказались эксперименты с минералами. Часть минералов, такие как сфалерит, барит, кальцит и гипс, были полностью растворены в газовой фазе при температурах выше 800-900^оС, что согласуется с термодинамическими расчетами устойчивости этих минералов в газах при данных условиях (Чураков и др., 2000; Wahrenberger, 1997). Другим обнаруженным процессом взаимодействия газ-минерал оказалось замещение исходного минерала новообразованным минералом. Так, например, кальцит был полностью замещен ангидритом при Т=620^оС, а пирит - магнетитом при Т=620 и 910^оС (механизм анионного обмена). При этом взаимодействие высокотемпературных газов с силикатами и алюмосиликатами происходило по принципу катионного обмена, приводящего порой к существенным изменениям состава исходного минерала. Такой же процесс взаимодействия установлен и для сфалерита при Т=620^оС, в результате которого происходил катионный обмен цинка на железо. 

Рис. 9

В полевых шпатах, оливине и биотите наблюдались диффузионные профили привноса-выноса катионов (Рис.7,8,9). Наибольшая ширина зоны изменений в полевых шпатах наблюдается для ортоклаза с почти полным замещением K на Na в краевой зоне минерала. В целом, для полевых шпатов обнаружен процесс альбитизации исходных минералов. Катионный обмен в оливине меньше по глубине проработки минерала, но также значителен по степени изменения состава: так исходный Fo₉₂ был изменен до Fo₃₈ (Рис.7). Реакции взаимодействия биотита с газом при Т=910^оС привели к наиболее кардинальным изменениям состава, по сравнению с другими силикатными минералами (Рис.9). Наблюдается практический полный вынос калия и привнос железа. В краевой зоне (10-20 микрон) набор и соотношение элементов соответствуют составу оливина, в следующей зоне (30-700 микрон) элементный состав близок к составу пироксена, а в третьей зоне (>700 микрон) - составу амфибола, что предполагает структурные перестройки в минерале и формирование метасоматической колонки.

Рис. 10

Рассчитанные коэффициенты диффузии катионов в полевых шпатах и оливине достигают величин порядка 10^-13 - 10^-10 см²/с, что хорошо согласуется с литературными данными для этих минералов. Для примера, на Рис.10 показаны коэффициенты диффузии для оливина из эксперимента Т=910^оС, сопоставленные с данными Buening and Buseck (1973). Хорошая согласованность полученных результатов с литературными данными предполагает, что кинетика реакций взаимодействия высокотемпературных газов с силикатами и алюмосиликатами определяется скоростью диффузии катионов в минералах при данных условиях.

Альбитизация полевых шпатов и ожелезнение оливина и биотита в горячем газе являются, вероятно, вполне закономерными процессами. Из диаграмм плавкости следует, что при снижении температуры из расплава растет оливин возрастающей железистости и альбитовый плагиоклаз. Температура фумарол, хотя и близка к магматической, но явно ниже обычной температуры андезитовых и андезито-базальтовых природных раплавов, т.е. наблюдаемые эффекты согласуются с ожидаемым температурным трендом.

Полученные данные о ширине диффузионных зон в минералах позволили оценить возможные масштабы реакций газового метасоматоза на вулкане Кудрявый. За последние 115 лет активной высокотемпературной фумарольной деятельности толщина реакционной зоны при взаимодействии газа с кристаллическими породами будет порядка 3 мм. Реально, это будут небольшие зоны вокруг индивидуальных газовых каналов, но при достаточно разветвленной их сети, общий масштаб взаимодействия может быть значительным.

Интенсивность реакций газового метасоматоза и продолжительность экспериментов оказались недостаточными для детального изучения продуктов взаимодействия газ-порода. Даже при Т=900^оС, единственное, что удалось обнаружить - это осаждение сублиматов на поверхности, изменение окраски пород и механическое разрушение образца гранита за счет возникновения локальных термоупругих напряжений из-за различных коэффициентов теплового расширения минералов. Однако анализ природного образца породы, предположительно находившегося в фумароле с температурой 900^оС с начала фумарольной деятельности, показал, что ширина измененной зоны в породе достигает 6 мм, из которых первые 0.9 мм - это сублиматы с высоким содержанием оксидов Ti и Fe. В остальной части измененной породы поведение элементов определяется диффузионными процессами: вынос кальция и привнос натрия, т.е. наблюдается альбитизация исходного битовнита. Значительно более глубокая проработка породы по сравнению с минералами обусловлена тем, что основная масса породы представлена стеклом, для которого коэффициенты диффузии больше, чем для минералов.