Все о геологии :: на главную страницу! Геовикипедия 
wiki.web.ru 
Поиск  
  Rambler's Top100 Service
 Главная страница  Конференции: Календарь / Материалы  Каталог ссылок    Словарь       Форумы        В помощь студенту     Последние поступления
   Геология >> Планетология | Курсы лекций
 Обсудить в форуме  Добавить новое сообщение

А.А. Ярошевский. Проблемы современной геохимии.

Конспект лекций, прочитанных в ГЕОХИ РАН в зимнем семестре 2003-2004 г.

Содержание



Принципы поведения химических элементов в магматических процессах

Основные идеи:

1. Магматические горные породы являются главным типом эндогенного вещества земной коры; они составляют почти половину вещества верхней части континентальной коры (48.5 %), являются самыми распространенными породами океанической коры, входят как существенный компонент в состав осадочной оболочки континентов (13.9 %).

2. Вся система магматических пород земной коры является геологически гетерогенной: во-первых, в зависимости от условий формирования они подразделяются на эффузивные и интрузивные, причем геологическая связь этих двух фациальных обстановок не является тривиальной; во-вторых, и эффузивные, и интрузивные магматические породы, внедрявшиеся или изливавшиеся на поверхность в различной геодинамической обстановке, систематически различаются по комплексу своих характеристик (конкретным условиям залегания, составом исходных магм и их геохимическими особенностями, набором пород, входящих в состав магматических комплексов или вулканических серий, степени дифференциации, сопутствующим магматическим и магматогенным оруденением). Эта геологическая гетерогенность магматических пород является фундаментальной характеристикой магматического вещества земной коры; она стала основой учения о магматических формациях, разработанного Ю. А. Кузнецовым (Кузненцов, 1964) и нашедшей наиболее яркое и полное подтверждение всеми современными геохимическими, включая изотопные, данными. В настоящее время геохимическая систематика магматических пород в связи с их геодинамической позицией стала основой петрологии и геодинамики.

3. Геологическая гетерогенность магматических пород делает геологически не интерпретируемой оценку среднего химического состава магматического вещества земной коры в целом, этого классического объекта геохимиков, и требует разработки системы оценок среднего состава магматических пород в зависимости от их геодинамической позиции. В качестве первого приближения можно предложить оценки на основании данных о распространенности главных типов магматических пород в различных геотектонических зонах земной коры, полученных А. Б. Роновым (Ронов, 1985; см. также Ронов и др., 1990; Ярошевский, 1997). Эти количественные оценки, конечно, полностью подтверждают давно ясную всем геологам геологическую дихотомию магматического вещества земной коры - резкое преобладание основных магматических пород в составе эффузивной компоненты и настолько же резкое преобладание гранитоидного вещества в составе интрузивной компоненты континентов (на геологически независимую позицию основного вулканизма и кислого интрузивного магматизма ссылался, например, Ф. Ю. Левинсон-Лессинг (Левинсон-Лессин, 1934), критикуя идею Дэли-Боуэна о единой первичной базальтовой магме).

4. Распределение химических элементов в дифференцированных интрузивных магматических комплексах и эффузивных сериях: конкретных ассоциациях магматических пород, объединяемых по признакам их единства в геологическом пространстве-времени в состав формаций, подчинено строгим закономерностям. Эти закономерности наиболее отчетливо проявляются в системе корреляций между содержаниями в породах различных химических элементов (параметров внепространственной геохимической структуры магматических объектов). Такие соотношения, непротиворечиво интерпретируемые на основании экспериментальных данных как результат дифференциации первичных магматических расплавов, позволяют обосновать идею не только о геологической связи пород дифференцированных комплексов и эффузивных серий, но и о генетической их связи, и ввести представления о дифференцированных сериях, эволюция состава которых подчинена законам некоторого механизма фракционирования. Дополнительную информацию о закономерностях распределения химических элементов в дифференцированных сериях дают параметры пространственной геохимической структуры интрузивных магматических комплексов, геологическая позиция и обнаженность которых позволяет обосновать последовательность формирования пород, входящих в состав таких комплексов.

5. Принципиально важно, что закономерности распределения химических элементов в конкретных дифференцированных сериях (параметры геохимической структуры соответствующих магматических комплексов) не зависят от геодинамической позиции таких комплексов, т. е. являются инвариантными по отношению к геологическим усло-виям формирования магматических пород. Этот эмпирический факт показывает, что законы поведения химических элементов в магматических процессах, являясь по своему существу законами физико-химическими, более фундаментальны, чем законы геологии; геологическое разнообразие магматических пород отражает лишь варианты реализации действия одних и тех же физико-химических законов, одних и тех же принципов поведе-ния химических элементов. Очевидность этой ситуации и успехи в разработке физико-химических моделей поведения химических элементов в магматических процессах и предопределили глубокое внедрение геохимических принципов и критериев в современную петрологию и геодинамику; появилось широкое и огромное по научной и прикладной значимости поле эксплуатации геохимии в различных областях геологии.

6. Инвариантность закономерностей распределения химических элементов в магматических комплексах различной геологической позиции позволяет в известном смысле вернуться к классической проблеме геохимии - анализу общих закономерностей распределения элементов во всей системе магматических пород (Гольдшмидт, Виноградов и др.), Эти закономерности уже давно явились основанием сгруппировать химические элементы в соответствии с их особенностями распределения в магматических породах. Во-первых, выделяется основная группа элементов, в состав которой входят самые распространенные элементы (Si, Al, Mg, Fe, Ca, Na, K); их количественные соотношения, собственно, лежат в основе петрохимической систематики магматических пород, а взаимные корреляции (обычно положительные для Si с Na и K и отрицательные для Si с Mg и Fe, но положительные для Si с отношением Fe / Mg) определяют закономерности эволюции дифференцированных серий и коррелируют с температурами кристаллизации. Во-вторых, выделяется большая группа преимущественно литофильных элементов, распадающаяся на ряд подгрупп: 1) Li, Rb, Cs, Be, Ba, Y, TR, Th, U, Zr, Hf, Nb, Ta, а также Ga, Tl, Ge, Sn, Pb, Bi, W, F; 2) Sc, Cr, Mn, а также Co, Ni, Zn; 3) Sr, Ti, P, V, распределение содержаний и отношений содержаний которых по-разному, но для всех устойчиво коррелирует с распределением главных элементов; это совершенно определенно указывает на то, что поведение и главных, и этих второстепенных элементов обусловлено проявлением единого механизма. Закономерности распределения содержаний в магматических поро-дах элементов первой и второй групп полностью соответствуют законам их поведения в ходе фракционной кристаллизации систем породообразующих силикатов, что является доказательством определяющей роли кристаллизационной дифференциации как меха-низма магматической эволюции. В третьих, от этих закономерностей резко отличаются закономерности распределения большинства халькофильных и сидерофильных элемен-тов (Cu, Ag, Au, Cd, Hg, In, As, Sb, S, Se, Te, Mo, Re, элементов группы Pt), содержание которых в магматических породах в общей системе вообще не коррелирует с главными элементами (за исключением элементов группы Pt, повышенным содержанием которых отличаются ультаосновные породы); лишь в отдельных дифференцированных сериях иногда наблюдаются разные варианты локальной корреляции, например Cu и Fe, платиноидов с Cr и т. п. Для этих элементов характерны свои связи - между собой и, что наиболее важно, с S, в особенности в тех объектах, в которых наблюдается сульфидная минерализация. Очевидно, что поведение этих элементов в ходе магматического процесса, подчиняясь общим законам эволюции, локально контролируется поведением сульфидной компоненты магматических систем. Наконец, такие элементы, как H, B, C, N, Cl, Br, I, а также He, Ne, Ar, Kr, Xe образуют отдельную группу; их распределение в системе магматических пород также обычно не коррелировано с содержаниями главных элементов и, очевидно, отражает проявление дополнительного механизма - их перераспределения в составе газовой фазы, возможность которого обусловлена летучестью их соединений.

7. Эмпирические закономерности распределения химических элементов в сопоставлении с физическими и физико-химическими законами поведения элементов в различного типа возможных (разрешенных законами физики и химии) механизмах перераспределения и дифференциации многокомпонентных систем позволяют в настоящее время сделать определенный выбор в пользу наиболее реалистичного в природной обстановке механизма дифференциации:

  • все предполагаемые механизмы дифференциации в гомогенных (расплавных) системах - гравитационная диффузия, термодиффузия, бародиффузия - не могут быть эффективными в геологических масштабах времени и пространства из-за исключительно низкой скорости диффузионного массопереноса; поэтому геологическое значение могут иметь только механизмы дифференциации в гетерогенных системах (см. лекцию 3);
  • модели жидкостного расслоения (ликвации) магматических расплавов остаются до сих пор ни экспериментально, ни теоретически не разработанными; не известно ни одной публикации, в которой была бы предпринята попытка конкретно сопоставить закономерности геохимической структуры магматических комплексов с ожидаемым распределением химических элементов в соответствии с (неизвестными пока) законами ликвации; поэтому доказательств геологической реалистичности механизма жидкостного расщепления нет, а практически давно ясное полное согласие этих эмпирических закономерностей с законами поведения химических элементов в ходе кристаллизационной дифференциации делает идею ликвации в приложении к проблемам магматизма бесперспективной; исключением является, конечно, сульфидно-силикатная ликвация, которая хорошо изучена экспериментально и закономерности которой согласуются с природной картиной распределения халькофильных и сидерофильных элементов;
  • вклад в дифференциацию магматической системы возможного перераспределения в пределах магматической камеры газовой фазы или обмена газовой фазой магматической камеры и вмещающей рамы a priori можно считать незначительным по трем причинам: ограниченное содержание летучих компонентов, малая плотность газовой фазы и малая растворимость породообразующих компонентов в геохимически допустимых флюидных фазах не может обеспечить плотностей потоков массопереноса, которые могли бы объяснить наблюдаемые масштабы разделения элементов в ходе магматической эволюции; идея о том, что магматические системы могут обмениваться с массами флюидов, многократно превышающими массы самих магматических систем, не имеет ни эмпирических геологических, ни физических доказательств;
  • согласующимся со всем комплексом геохимических данных является механизм кристаллизационной дифференциации; это утверждение опирается на разработанные и экспериментально исследованные модели кристаллизационной дифференциации, в рамках которых со времен Боуэна и Гольдшмидта качественно, а в настоящее время количественно удается воспроизвести практически все закономерности распределения химических элементов как в конкретных дифференцированных комплексах (за исключением ритмической расслоенности интрузивных комплексов ультраосновных, основных и щелочных пород), так и в системе магматических пород земной коры в целом.

8. Современные физико-химические модели поведения химических элементов в ходе формирования и эволюции магматических систем и интерпретация на этой основе указанных эмпирических закономерностей базируются на следующих физических и физико-химических принципах:

  • зарождение магматической системы (формирование первичных расплавов) в рамках стандартной модели тепловой истории Земли (с первоначально равномерно рас-пределенными источниками тепла) начинается в результате пересечения геотермы с кривой зависимости температуры солидуса (начала плавления) вещества; реализуются два крайних варианта: 1) пересечение геотермы с кривой безводного солидуса базальтов, что возможно на глубинах, соответствующих низам верхней мантии и глубже, 2) пересечение геотермы с кривой водонасыщенного солидуса основных и кислых магматических и соответствующих им метаморфических пород в пределах нижних горизонтов континентальной коры и в верхней мантии; как показывают геологические данные (дискретность магматизма в геологическом пространстве-времени), такое пересечение вероятнее всего реализуется или при подъеме восходящих струй (диапиров) в условиях движения вещества в мантии, или при погружения водонасыщенных блоков пород земной коры; роль локальных источников тепла (трение движущихся относительно друг друга блоков пород, локальное концентрирование специфического теплоносителя, например флюдного потока) количественно не обоснована; если они и действуют, то только как дополнительные, не способные объяснить глобальный характер магматизма на Земле и планетах земной группы;
  • развитие плавления, разделение остаточных твердых фаз и расплава и концентрирование последнего в самостоятельные массы, способные к интрузии или излиянию на поверхность, осуществляются за счет нестабильности гетерогенной системы (расплав-твердые фазы) в гравитационном поле и <эффекта зонного плавления>, совместное проявление которых в пределах магмогенерирующей системы ведет к подплавлению гетерогенной смеси в потоках, движущихся вверх, и кристаллизации в потоках, движущихся вниз; по-видимому, пространственное разделение остаточных твердых фаз и расплава может начаться при незначительной доли жидкой фазы с момента формирования в области плавления системы связанных пор, заполненных расплавом;
  • формирующиеся магмы представляют собой динамическую систему, состав которой непрерывно эволюционирует; эту эволюцию, протекающую по законам частичного плавления, можно считать фиксированной в условный момент физического отделения расплава от остаточных фаз, и соответствующий расплав можно было бы называть первичным для последующей дифференцированной серии, но надо иметь в виду, что перегретых расплавов в природе практически не бывает, внедряющиеся магмы или изливающиеся на поверхность лавы почти всегда содержат интрателлурические фазы, реакция с которыми в ходе адиабатического подъема продолжает изменять состав расплава; эта ситуация, а также вариации содержаний химических элементов в веществе, вовлекаемом в плавление, являются основанием предполагать множественность составов первичных расплавов, но существование ограниченного числа геодинамически различных магматических формаций и корреляция составов первичных магм с геодинамической позицией предполагает существование определенных закономерностей вариаций условий магмогенерации, ограничивающих и, возможно, дискретизирующих допустимое с общих позиций такое разнообразие;
  • затвердевание и сопровождающая этот процесс кристаллизационная дифференциация ведут к формированию дифференцированных интрузивных комплексов и вулка-нических серий; основной механизм перераспределения и разделения химических элементов в объеме магматической камеры или питающего вулканического очага - перемещение в гравитационном поле твердых и жидких фаз разной плотности; факторами, количественно определяющими масштабы дифференциации и пространственное строение расслоенных комплексов, являются: содержание интрателлурической твердой фазы, относительные скорости перемещения твердых фаз и сульфидной жидкости в конвектирующем расплаве и фундаментальные физико-химические параметры, индивидуальные для каждого элемента в каждой фазе, коэффициенты распределения между твердыми фазами и расплавом в зависимости от состава расплава и температуры; такой механизм кристаллизационной дифференциации имеет все свойства фракционной кристаллизации, но количественно при его описание рэлеевское уравнение не применимо из-за невыполнения одного из его ограничений - объем твердой фазы, находящейся в равновесии со всем объемом расплава на каждой стадии затвердевания не является бесконечно малым, а составляет конечную, обычно существенную часть уже выделившихся кристаллов; механизмы направленной кристаллизации с диффузионным контролем перераспределения компонентов между кристаллизующимися фазами и остальным объемом застойного или конвектирующего расплава не способны количественно объяснить наблюдаемые масштабы дифференциации и строение расслоенных магматических комплексов;
  • эффективная ассимиляция вмещающих пород и смешение вещества различной предшествующей, в частности изотопной истории, требуют разработки соответствующей модели массопереноса в магматической камере, ведущего к эффективной гомогенизации; в настоящее время не известно ни одной публикации в этой области, а опыт изучения обстановки формирования магматических комплексов в рамках модели затвердевания рождает определенный скепсис относительно возможности реализации так называемых AF-моделей; это означает, что большое число изотопных данных в области магматических пород остается пока не интерпретируемыми на основе физически реалистичных принципов;
  • возникновение локальных рудных концентраций ряда элементов в дифференцированных магматических комплексах (Cr и элементы группы Pt в ультраосновных поро-дах, Cu-Ni-сульфидные руды в основных и ультраосновных породах, Fe-Ti-V-руды в дифференцированных комплексах основных пород и анортозитов, месторождение P в Хибинском массиве, редкометальные месторождения в кислых или щелочных магматических породах) подчинено общим закономерностям поведения элементов в ходе магматической эволюции; основным условием формирования таких локальных концентраций является появление на ликвидусе эволюционирующего магматичекого расплава собственных (рудных) фаз элементов (принцип котектической насыщенности, сформулированный Л.Н.Когарко).

Фактический материал

Табл. 29. Распространенность магматических пород в составе осадочной оболочки континентов, в океанах и гранитно-метаморфической оболочке континентов

Табл. 30. Средний химический состав главных групп магматических пород земной коры

Рис. 27. Корреляции содержаний SiO2 и MgO в вулканических серях различной геодинамической позиции

Рис. 28. Корреляции содержаний SiO2 и CaO в вулканических серях различной геодинамической позиции

Рис. 29. Корреляции содержаний TiO2 с FeO и TiO2 с FeO/MgO в вулканических серях различной геодинамической позиции

Рис. 30. Корреляции отношения FeO/MgO с содержанием SiO2 и содержанием K2O в вулканических серях различной геодинамической позиции

Рис. 31. Корреляции отношений Ni/Mg, Zn/Mg и Sc/Mg с отношением FeO/MgO в вулканических серях различной геодинамической позиции

Рис. 32. Корреляции содержаний Rb и Ba с содержанием K2O в вулканических серях различной геодинамической позиции

Рис. 33. Корреляции содержаний Zr с содержаниями SiO2, TiO2 и Nb в вулканических серях различной геодинамической позиции

Рис. 34. Корреляции содержаний пар геохимически близких элементов в вулканических серях различной геодинамической позиции

Рис. 35. Распределение содержаний химических элементов в разрезе (пространственная геохимическая структура) расслоенного комплекса основных и ультраосновных пород Кивакка (Северная Карелия)


Рис. 36. Корреляции содержаний химических элементов в породах (внепространственная геохимическая структура) расслоенного комплекса основных и ультраосновных пород Кивакка (Северная Карелия)

Рис. 37. Принципиальные соотношения температур безводного солидуса перидотитов или базальтов, солидуса водонасыщенных пород земной коры и верхней мантии и условия появления расплавов в ходе адиабатического подъема мантийного диапира (1) и адиабатического погружения блоков земной коры (2)

Рис. 38. Изменение концентрации примеси в расплаве в зависимости от степени фракционирования ( m/m0melt) и величины коэффициента распределения ( ki) в соответствии с уравнением Рэлея.

Рис. 39. Корреляции концентраций элементов-примесей с различными величинами коэффициентов распределения в расплаве в случае рэлеевского фракционирования

Рис. 40. Корреляции содержаний элементов-примесей с различными коэффициентами распределения согласно уравнению Рэлея (первые две пары графиков) и корреляции содержаний Rb , Ba и Ni в лавах субщелочной серии Гренада (Малая Антильская дуга)

Проблемы:

1. Завершение разработки системы кларков всех химических элементов в магматических породах в зависимости от их формационной принадлежности (геодинамической позиции) и геологического возраста.

2. Дальнейшее накопление экспериментальных данных, необходимых для разработки системы термодинамических параметров, определяющихся состояния многокомпонентных системы при составах и условиях, отвечающих природным, и на этой основе создание серии компьютерных моделей термодинамики магматических систем типа и класса COMAGMAT (по-видимому, ставить задачу построения единой общей термодинамической модели магматической системы в настоящее время не реально из-за далекого от решения состояния проблемы термодинамики силикатных и более сложных расплавов).

3. Дальнейшее развитие модели физико-химической динамики магматической эволюции на базе теоретических принципов, реализованных при разработке в ГЕОХИ РАН и на кафедре геохимии МГУ. ЭВМ-модели динамики затвердевания пластовых интрузивов.

4. Необходим поиск идеи, которая могла бы объяснить столь характерную черту строения дифференцированных магматических комплексов, как ритмическая расслоенность, тем более что, по сути дела, центральным моментом в проблеме формирования магматического оруденения является именно механизм формирования такой расслоенноти: рудные прослои всегда являются закономерными членами ритмически расслоенных пачек.

5. Не ясными с физико-химической позиции остаются особенности поведения химических элементов на экстремальных стадиях магматической эволюции - в ходе формировании первичных расплавов при малой доле расплава и на заключительных стадиях затвердевания, когда существенными компонентами расплавов могут стать обычно второстепенные элементы магматических систем (CO2, S, Cl, F, некоторые редкие элементы) - это может быть причиной весьма сложных фазовых отношений, в том числе, и с появлением жидкостной несмесимости.

6. Необходимы целенаправленные исследования и, главное, разработка моделей термодинамики и физико-химической динамики поведения сложных магматических систем с количественным учетом дополнительных к кристаллизационной дифференциации механизмов - ликвации и газового переноса, на основе которых можно было бы среди эмпирических закономерностей распределения элементов в магматических комплексах найти признаки и оценить реальный вклад этих механизмов в магматическую эволюцию и, в частности, формирование магматического оруденения.

7. Необходимо найти, если это вообще возможно, физически ясные и непротиворечивые условия, которые могли бы способствовать эффективному массопереносу и гомогенизации магматического расплава на всех стадиях его формирования, подъема, взаимодействия с вмещающими породами и затвердевания с учетом того, что выравнивание состава реально осуществляется диффузионным переносом, т. е. действует лишь на малых расстояниях, и гомогенизация всего объема магмы требует мощной турбулентной конвекции - кто же в природе может обеспечить такое перемешивание гетерогенной, со взвешенными кристаллами магматической массы?

8. Проблемой является обоснование систематической геохимической неоднородности вещества-источника магматических систем; для корового магматизма это очевидно и в этой области можно привлекать конкретные геологические наблюдения, но для мантийного магматизма представления о геохимической гетерогенности источника остаются модельными и для их обоснования необходим комплексный (геологический, геофизический и геохимический, включая изотопный) материал.

9. Особой проблемой является понимание условий и механизма формирования геохимически крайних дифференциатов, многократно обогащенных относительно возможного источника всеми элементами, накапливающимися в ходе магматической эволюции; острота этой проблемы усиливается в связи с тем, что в земной коре известны огромные, буквально гигантские объекты этого типа, что требует допущения вовлечения в процесс дифференциации колоссальных масс гипотетического вещества источника.

10. Несомненно, большое значение имеет продолжение накопления геохимических, в том числе, изотопных данных, характеризующих конкретные магматические комплексы разного возраста и различной геодинамической позиции, но это, скорее, не собственно геохимические проблемы (хотя мы и можем столкнуться с ранее неизвестными, новыми геохимическими закономерностями), а уже проблемы использования геохимической информации и знания законов поведения химических элементов в магматических процессах для решения проблем геологии, геофизики, петрологии - геохимия все-таки геологическая наука.

<<Назад Содержание Вперед>>


 См. также
Биографии ученыхЯрошевский Алексей Андреевич
КнигиГеохимические и термодинамические модели жильного гидротермального рудообразования:
Научные статьиНаучная конференция ЛОМОНОСОВСКИЕ ЧТЕНИЯ, МГУ, апрель 2012 года, секция Геологии:
Аннотации книгНовое учебное пособие по тектонофизике: ВВЕДЕНИЕ В ТЕКТОНОФИЗИКУ, Авторы: М. А. Гончаров, В. Г. Талицкий, Н. С. Фролова:
Научные статьиНаучная конференция ЛОМОНОСОВСКИЕ ЧТЕНИЯ, апрель 2013 года СЕКЦИЯ ГЕОЛОГИЯ:
ДиссертацииГенетическая минералогия и кристаллохимия редких элементов в высокощелочных постмагматических системах:
КнигиМоделирование фазовых равновесий при кристаллизации базальтовых магм: Трактовка понятия магма

Проект осуществляется при поддержке:
Геологического факультета МГУ,
РФФИ
   
TopList Rambler's Top100