Фазовые отношения во фторсодержащих гранитной и нефелин-сиенитовой системах при 800oC и 1 кб

Oбщая характеристика работы

Актуальность изучения условий существования алюмосиликатных расплавов с фтором определяется важной ролью гранитных и нефелин-нормативных расплавов в процессах эндогенного рудообразования и необходимостью более глубокой количественной и качественной характеристики физико-химических равновесий в насыщенных фтором расплавах с целью последующего построения моделей рудообразующих систем.

Цель работы - установление фазовых отношений на ликвидусе для модельной гранитной и нефелин- сиенитовой системы Si-Al-Na-O-F-H₂O при температуре 800^оС и давлении 1000 бар, отвечающим условиям зарождения и существования гранитных и нефелин-сиенитовых магм в земной коре

Задачи исследований 1. Систематическое исследование фазовых равновесий в системе Si-Al-Na-O-F при 800^оС и давлении воды 1 кбар. Оконтуривание поля стабильности насыщенного фтором алюмосиликатного расплава и выявление фторидных фаз, контролирующих растворимость фтора в нем. 2. Систематическое определение растворимости фтора (в условиях насыщения, т.е. в равновесии в с фторидами или топазом) в алюмосиликатных расплавах различного состава. 3. Сопоставление полученных экспериментальных данных с закономерностями, полученными при изучении природных объектов.

Научная новизна. Впервые построена фазовая диаграмма для расплавной системы Si-Al-Na-O-F-H₂O при Т = 800^оС и Р_Н2О =1 кбар. Впервые оконтурено поле стабильности алюмосиликатного расплава, насыщенного фтором при 800^оС и p_Н2О=1кбар. Обнаружено, что насыщенный фтором алюмосиликатный расплав может иметь широкие вариации составов, сопоставимые с распространными типами горных пород (гранитами, сиенитами, уртитами и их разновидностями). Установлено, что растворимость фтора в расплаве ограничивается условиями насыщения следующими минералами: в агпаитовых расплавах - виллиомитом, в менее щелочных - криолитом, в кислых плюмазитовых расплавах - топазом, и в плюмазитовых недосыщенных кремнеземом - солевым расплавом хиолитового состава. Поле жидкостной несмесимости алюмосиликатного и солевого хиолитового расплава обнаружено впервые.

Помимо фторидных фаз алюмосиликатный расплав при заданных T,P,x параметрах ограничен появлением на ликвидусе оксиднымх фаз (кварца, муллита, корунда, содалита). Получение неизвестной ранее разновидности минерала фтор-гидрооксил-содалита является оригинальным результатом, для него уточнены параметры элементарной ячейки.

Впервые систематически определена растворимость фтора в алюмосиликатном расплаве, показано, что растворимость фтора является функцией состава расплава.

Впервые обоснован ряд запрещенных в этой части системы фазовых равновесий.

Практическая значимость результатов диссертации определяется тем, что изученные фазовые равновесия на ликвидусе представляют собой экспериментальную основу для решения следующих задач:

∙ интерпретации парагенезисов минералов, геологических и петрохимических особенностей природных магматических пород фтористого профиля, состава расплавных включений в них;

∙ создания моделей магматической дифференциации, рассеяния и концентрации редких элементов и специализации магм на определенные типы эндогенных руд;

∙ использования полученных количественных оценок растворимости фтора в численных моделях кристаллизации насыщенных фтором гранитных и нефелин-сиенитовых магм.

Фактический материал и методы исследования. В процессе исследования проведены опыты с 70 исходными составами, по 1-3 опыта с каждым составом, для опытов 11, 25, 49 - по 20-30 для каждого Эксперименты проводились на аппарате высокого давления типа УВД-10000 в Институте экспериментальной минералогии РАН и в лаборатории экспериментальной и технической петрогафии МГУ. Проведено более 70 смен электронно-зондового рентгеноспектрального анализа полученных фаз. Получено и расшифровоно 40 рентгенограмм, по 4 рентгенограммам содалита уточнены параметры ячейки. Полевые работы и обработка каменного материала.

Основные защищаемые положения.

1. Построена фазовая диаграмма для расплавной системы Si-Al-Na-O-F-H₂O при Т = 800^оС и Р_Н2О =1 кбар. Для системы выявлены стабильные кристаллические и расплавные фазы, установлено положение полей стабильности фаз и их разрешенные и запрещенные ассоциации.

2. Состав насыщенного фтором алюмосиликатного расплава для системы Si-Al-Na-O-F-H₂O при Т = 800^оС и Р_Н2О = 1 кбар имеет спектр составов от кварц-нормативных до нефелин-нормативных и от плюмазитовых до агпаитовых. Поле гомогенного (ликвидусного) алюмосиликатного расплава ограничено субликвидусными полями появления кварца, муллита, корунда, содалита и криолита, виллиомита, топаза и поля солевого расплава.

3. Фазами, насыщающими расплав фтором, являются: виллиомит - для состава расплавов с коэффициентом агпаитности более 1,67, криолит - для кварц-норамативных и нефелин-нормативных составов различной агпаитности, топаз - для узкой области кислых плюмазитовых расплавов и солевой расплав - для небольшой области глиноземистых сиенитовых валовых составов.

4. Растворимость фтора в расплаве является функцией состава системы. Для гранитных расплавов она минимальна и в зависимости от состава расплава составляет от 1,4 до 4,6 вес.%. В щелочных расплавах растворимость фтора возрастает до 8-16 вес. %. Резкое увеличение растворимости фтора в алюмосиликатном расплаве по границе равновесий с криолитом и виллиомитом свидетельствует об изменении характера растворения фтора в расплаве.

5. Фигуративные точки составов лейкократовых горных пород (гранитов, сиенитов, нефелиновых сиенитов, уртитов) попадают в контур поля стабильности расплава, насыщенного фтором при изученных параметрах Т = 800^оС и P_Н2О = 1 кбар. Составы минеральных типов (топазовых, корундовых, содалитовых, виллиомитовых, криолитовых) гранитных и нефелин-сиенитовых разновидностей пород в основном тяготеют к соответствующим полям экспериментальной диаграммы. Полученная фазовая диаграмма отчетливо отражает существующее в природе разнообразие гранитных и сиенитовых пород, с повышенным содержанием фтора.

Публикации и апробация работы. По теме диссертации опубликовано 11 работ, из которых 1 книга, 1 статья в сборнике и 9 тезисов в трудах международных и российских конференций. В них опубликованы основные результаты работы, которые были также доложены на международных и российских конференциях: IX и X Международной конференции по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии (EMPG) 2002, Цюрих и 2004, Франкфурт на Майне; 32-ой еждународный Геологический Конгресс 2004, Флоренция; Ежегодном семинаре по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии в ГЕОХИ РАН, Москва, 2004, Всероссийском семинаре геохимии щелочных пород школа "Щелочной магматизм Земли" 2001,2002, на XXI Всероссийском семинаре по геохимии магматических пород, 2003, на XV совещания РСЭМ, Сыктывкар.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения общим объемом 112 страниц, содержит 7 таблиц и 45 рисунков. Список литературы включает 166 наименования.

Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю Е.Н.Граменицкому и заведующему лабораторией МРМ ИЭМ РАН Г.П.Зарайскому за общее руководство, обучение и поддержку в осуществлении работы. Искренная благодарность за обсуждение материала и полезные советы Т.И. Щекиной (МГУ), З.А.Котельниковой (ИГЕМ), И.Векслеру (GFZ, Потсдам), В.Ю.Чевычелову, А.М.Аксюку, В.С.Коржинской, А.М.Ковальскому (ИЭМ РАН). За содействие в проведении анализов на микрозонде и рентгеновской аппаратуре автор выражает глубокую благодарность И.М.Романенко, А.Н.Некрасову, К.В.Вану,(ИЭМ РАН), Е.В.Гусевой, Н.Н.Коротаевой (МГУ), Н.В.Зубковой (МГУ), Т.Н.Докиной (ИЭМ РАН). Автор особенно благодарит за помощь в постановке экспериментов, ремонте оборудования Л.Т.Дмитренко, В.П.Щербакова, М.В.Фокеева (ИЭМ РАН), за приготовление гелевых смесей Т.К.Чевычелову (ИЭМ РАН). А также многим другим, чья дружеская поддержка способствовала успешному выполнению работы, автор выражает глубокую признательность. Особую благодарность автор выражает своей семье за поддержку и терпение.