ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГРАНИТООБРАЗОВАНИЯ ПО ПОРОДАМ ОСНОВНОГО СОСТАВА

Глава III. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ОСНОВНЫХ ПОРОД ПРИ ИНФИЛЬТРАЦИОННОМ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ С КРЕМНЕЩЕЛОЧНЫМ ФЛЮИДОМ (ГРАНИТИЗАЦИЯ)

В главе I приведены результаты изучения частичного плавления пород в условиях закрытой системы. Однако при гранитообразовании огромную роль играют глубинные инфильтрационные флюиды, действие которых доказывает, что процесс происходил в открытой системе, как это сфорулировано в теории "гранитизации как магматического замещения" Д.С. Коржинского (1952, 1955). Согласно этой теории, при воздействии флюидов на метаморфические породы в передовой зоне инфильтрационной колонки происходит ощелачивание и дебазификация пород (вынос избыточных по отношению к гранитной эвтектике Сa, Mg и Fe) с параллельным нарастанием степени плавления и появлением сначала полосчатых мигматитов, с все более увеличивающимся объемом гранитной лейкосомы и уменьшающимся количеством меланосомы в средних зонах инфильтрационной колонки, а затем - в тыловых зонах колонки - появление гомогенных гранитных расплавов, замещающих предварительно измененные метаморфические породы.

Свое развитие идеи Д.С. Коржинского получили при исследованиях гранитизации пород гранулитовой и амфиболитовой фаций метаморфизма. (Engel, Engel, 1958;  Кориковский 1967; Olsen, 1982, 1984; Жариков, 1987, 1996; Жариков, Гаврикова, 1987;  Гаврикова,  Жариков, 1984; Летников и др., 1978, 1988, 2000, 2004;  Перчук, 1987; Перчук, Геря, 1993;  Беус, Щербакова, 1994; Щербакова, 1988;  Крылова и др., 1972; Сафонов, 1997, и др.). В экспериментальных исследованиях принципиальное подтверждение возможности гранитизации основных, не содержащих кварца пород, было представлено в нескольких работах (Жариков и др., 1990, 1994, Ходоревская, Жариков, 1997), показывающих возможность образования гранитных расплавов в ходе переработки (дебазификации) метабазитов подщелоченными высокотемпературными флюидами, фильтрация которых вызывается  градиентом внешних параметров - температуры или давления. Отдельные составляющие процесса гранитизации как магматического замещения изучались в ряде других исследований (Летников и др., 1978; Зарайский, 1989, Граменицкий и др., 1996, 2002).

Нам впервые удалось экспериментально осуществить "инфильтрационную" гранитизацию пород основного состава в полном объеме - начиная со слабых метасоматических преобразований на фронте взаимодействия фильтрующегося флюида с породой, до полного ее замещения расплавом.

Постановка экспериментов, результаты исследования

 Сутью рассматриваемой  методики являлось  создание  перепада  давления вдоль ампулы, стимулирующего  направленное движение растворов от бόльших давлений к меньшим. На дно вертикально расположенной ампулы длиной 50 мм, с наружным диаметром 5 мм и толщиной стенки 0.2 мм (рис. 8, а, 1,) помещалась навеска предварительно синтезированного стекла гранитного состава (рис. 8а, 2), заливался раствор (рис. 8а, 3). При параметрах опыта стекло являлось буферной фазой для насыщения флюида компонентами гранита. Затем в ампулу плотно вставлялся цилиндрический образец исследуемой породы (рис. 8а, 4), изготовленный под внутренний диаметр ампулы 4.65 ± 0.01 мм, длиной 13 -15 мм, заостренный на конус в своей нижней части. Расстояние между гранитом и амфиболитом составляло 15-20 мм, и потому их взаимодействие осуществлялось только через флюидную фазу.

Рис. 8. Схема экспериментальной ячейки (а, б, в) и результаты опытов (г). Стрелками показано внешнее газовое давление в установке.

Сверху над образцом в ампулу помещалась толстостенная камера с внутренним отверстием, футерованным платиной (рис. 8а, 5), диаметром "2 мм для сбора раствора, фильтрующегося через породу. Объем камеры составлял 0.06±0.01 см³. После загрузки ампула заваривалась (рис. 8а, 6), т.е. создавалась герметичная экспериментальная ячейка. Ячейка помещалась в безградиентную зону в установке высокого газового давления. При вводе установки в режим опыта внешнее давление повышалось до 2 - 2.5 кбар в течение 1-2 мин, образец получал необходимый обжим (Р_эфф. = 2 кбар), что предотвращало возможное просачивание раствора между стенками ампулы и исследуемым образцом (рис. 8, б). После этого включался нагрев. Во время экспериментов под действием внешнего давления Р = 5 кбар в нижней части ампулы, вследствие ее тонких стенок, внешнее давление передается на флюидную фазу (Р_общ.=Р_фл.=5 кбар) (рис. 8, в). Поскольку в верхней части - в толстостенной микрокамере - раствор первоначально отсутствует (Р_фл. = 0), при перепаде давления вдоль ампулы (в случае проницаемых пород) стимулируется фильтрация раствора через образцы в верхнюю часть ампулы, которая, к сожалению, начинается еще при вводе ампулы в режим опытов. Однако, учитывая, что время вывода установки в режим не превышало 1 часа, а исследуемые породы отличались низкой проницаемостью, можно допустить, что основная фильтрация раствора через породу происходила не во время вывода установки в режим, а при параметрах опытов.

После экспериментов количество раствора в нижней (m₁ ) и верхней (m₂) частях ампул определялось взвешиванием после прокалывания соответственно сначала нижней, а потом верхней части ампулы и исследовался край образца, обращенный к фильтрующемуся во время опытов флюидному потоку (рис. 8, г, Gl).

На рис. 9 сплошной линией показано изменение содержания m₂ в зависимости от длительности опытов для более проницаемого амфиболита, обладающего плоскопараллельной текстурой, а пунктир - для менее проницаемых амфиболитов (массивная текстура). Из рис. 9 видно, что действительно, количество раствора в верхней части ампул с течением времени увеличивается. Следовательно, растворы фильтруются через амфиболиты, хотя и в различной степени.

Во время опытов просочившийся через образец раствор накапливается в микрокамере, что приводит к увеличению давления в верхней части ампул, т.е. разность давления вверху и внизу ампул, как движущая сила раствора, уменьшается, DР = P₀  - Р_1, где P₀ = 5 кбар - давление внизу, а Р₁- давление вверху

Рис. 9. Количество раствора, профильтро-вавшегося через амфиболиты, в зависимо-сти от длительности опытов: 1- амфиболит с плоскопараллельной, 2, 3 - амфиболиты с массивной текстурой.	Рис. 10. Изменение давления (DР) вдоль образцов амфиболита в зависимости от длительности экспериментов. Условные обозначения те же, что и на рис. 8.

ампул в конце каждого опыта. В длительных опытах за счет просачивания большого количества раствора в микрокамере, давление в верхней и нижней частях ампул может выравняться, Р₁ " P₀, т.е. поток раствора через образец прекратится. Зная объем микрокамеры и количество просочившегося через образец раствора m₂, а также допуская, что плотность раствора при параметрах опытах не сильно отличается от плотности  чистой воды, можно приблизительно оценить давление в микрокамере и перепад давления DР вдоль образца. Из рис. 10 видно, что в опытах со слабопроницаемыми образцами (образцы с массивной текстурой) вследствие медленной фильтрации разность давлений DР " 5 кбар сохраняется даже в длительных (309 час.) опытах. Фильтрация через более проницаемый образец приводит к уменьшению разности давлений вверху и внизу ампул, что приводит к прекращению потока при DР = 0 в длительных опытах.

Преобразования амфиболитов, вызванные фильтрацией флюидов

В качестве пород основного состава был исследован образец из массива метагаббро-норита, гранитизация  которого изучалась в полевых условиях (глава IV), и три образца амфиболита  из беломорского комплекса с различным минеральным составом: 1) обр. S-524 (Hbl, Ep, Pl, Qtz); 2) обр. ST-88 (Hbl, Bt, Pl, акцессории Sph, Mag) (оба образца - мелко и среднезернистые, с массивной текстурой;  3) обр. S-28 (Grt, Hbl, Bt, Pl, Qtz, Mag) c плоскопареллельной текстурой.

Эксперименты проводились при Т 750^оС,  Р 5 кбар, с исходным раствором  1n НСl.

В кратковременных опытах для всех образцов отмечается лишь начальная стадия преобразования породы, заключающаяся в ориентировке биотита вдоль направления движения растворов, покислении краевых частей плагиоклаза, выщелачивании растворами из породы в большей степени Mg, в меньшей - Ca и Fe и их переотложении в виде каймы магнезиальных минералов - антофиллита, тремолита или флогопита (в зависимости от состава флюидной фазы). В опытах большой длительности Mg, Ca и Fe выносятся растворами вглубь образца. Это подтверждают измерения валового состава, определяемые в среднем с площади 800 х 800 мкм вдоль каждого из образцов в направлении движения флюида. Из рис. 11 видно, что этот фронт "микробазификации" (фронт переотложения) с увеличением

Рис. 11. Отношение MgO/MgOисх., измеренные вдоль направления фильтрации растворов, для амфиболитов в зависимости от времени опытов

времени опытов мигрирует в сторону неизмененного амфиболита, со скоростью " 10^-8м/с. Таким образом, в экспериментах подтверждается, что фильтрация растворов через амфиболиты сопровождается выносом компонентов, причем Mg выносится больше, чем Fe, вследствие этого в опытах отмечено увеличение железистости амфиболов.

С увеличением длительности опытов происходит отчетливое замещение дебазифицированной породы расплавом. Ширина зоны расплава для рассматриваемых образцов различна, колеблется от 200 до 700 мкм, и зависит в первую очередь не от длительности экспериментов, а от степени проработки породы фильтрующимся флюидом. Так например, в образцах с массивной текстурой кайма расплава даже в опытах длительностью около 300 час. (2 и 3 на рис. 9) составляла всего 200-300 мкм, в то время как в образце S-28, обладающего плоскопараллельной текстурой, при длительности опыта 95 час. появлялась кайма расплава шириной 700 мкм, что видно на рис 12 (а - исходная порода, б- длительность опыта 20 час., в- 93 час.).

В образовавшемся по дебазифицированному амфиболиту расплаве фиксируются "остаточные" минералы амфиболита: редкие, мелкие, " 3-4 мкм, кристаллы апатита, рутила, титаномагнетита циркона и отдельные, не полностью замещенные расплавом, кристаллы амфибола. Растворение амфиболов в расплаве сопровождается увеличением магнезиальности в краев зерен, что свидетельствует о диффузионном обмене компонентами между расплавом и минералами, (глава II).

а)	б)	в)
Рис. 12. Фотографии исходного амфиболита (а) и образцов после опыта длительностью 20 час (б) 93 ч (в).

Таким образом, исследования показали, что вследствие фильтрации флюидов через амфиболиты, в последних появляется ориентировка кристаллов биотита вдоль направления фильтрации флюида (рис. 12, б, в). Минерал становится несколько более титанистым, более железистым, содержит больше глинозема в шестерной координации. Именно такие тенденции изменения состава биотита отмечаются в природных гнейсах и метабазитах по мере усиления степени их гранитизации и мигматизации (Кориковский, 1967; Крылова и др., 1972).

За счет преимущественного выноса Mg относительно Fe во время проработки растворов повышается железистость амфиболов, происходит повышение натровости первичных плагиоклазов породы от лабрадора до андезина.

При фильтрации происходит последовательное преобразование ильменита в агрегаты рутила и магнетита: краевые участки зерен обогащаются титаном, появляется рутил, вынесенное железо кристаллизуется тут же в виде магнетита.

Вынос флюидной фазой MgO, FeO, CaO из тыловых зон колонок, способствует тому, что состав измененных пород приближается к эвтектическому граниту, появляется расплав и замещает измененный амфиболит.

Скорость магматического замещения дебазифицированных участков амфиболитов меняется в зависимости от их текстуры: в образцах, обладающих массивной текстурой, с низкой проницаемостью, слабый вынос CaO, MgO, FeO фильтрующимися растворами приводит к замещению расплавом относительно небольших участках породы. В образцах с более высокой проницаемостью, напр., обладающих плоскопараллельной текстурой, происходит развитие расплава в большей степени за счет большего выноса сверхэвтектических компонентов.

Изменения минерального состава метагаббро-норитов при инфильтрации флюида

При опытах с реальными массивными метагаббро-норитами беломорского комплекса (см. след. раздел) выяснилось, что они - гораздо менее проницаемые породы, чем амфиболиты. Поэтому несмотря на то, что в полевых условиях наблюдаются все стадии  их замещения гранитоидами (глава IY), в ограниченных по времени экспериментах при Т = 700^оС, Р = 5 кбар с флюидной фазой различного состава (H₂O; X_H2O =0.5, X_CO2 =0.5; X_H2O=0.65, X_CO2=0.1, X_NaCl=0.25) удалось воспроизвести изменения, свойственные лишь начальной стадии гранитизации. В краевой части образца метагаббро-норитов, обращенного к флюидному потоку, они выражаются в  покислении краевых частей зерен основного плагиоклаза (вплоть до чистого альбита) в связи с привносом раствором щелочей и Si. Происходило выщелачивание растворами из породы Mg, в меньшей степени Ca и Fe, поэтому на контакте с флюидной фазой в гранатах несколько увеличивалось содержание альмандиновой составляющей, возникали новые, более железистые ортопироксены. Растворение темноцветных минералов метагаббро сопровождалось их переотложением на фронте воздействия флюида в виде антофиллита, тремолита и флогопита (Ath, Trem и Phl - более кремнекислотные фазы, чем первичные пироксены, и их формирование - отражает  привнос в метагаббро Н₂О, Si и щелочей). В биотите и амфиболе из метагаббро изменения в химическом составе слабые, их железистость практически не меняется. Таким образом, в данном эксперименте удалось воспроизвести антофиллитизацию, амфиболизацию и биотитизацию метагабро - типичные процессы на передовом фронте гранитизации беломорских метагаббро, детально описанные в следующей главе.