Фазовые отношения во фторсодержащей гранитной и нефелин-сиенитовой системах и распределение элементов между фазами

Е.Н. Граменицкий, Т.И.Щекина, В.Н.Девятова.

Содержание

5. ЗНАЧЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ПЕТРОЛОГИЧЕСКИХ, ГЕОХИМИЧЕСКИХ И МЕТОДИЧЕСКИХ ВОПРОСОВ.

5.3. Кристаллизационное фракционирование - не единственный механизм дифференциации.

В подавляющем большинстве петрологических работ, а также в работах, посвященных геохимии элементов в магматическом процессе, серьезно рассматривается только механизм дифференциации с фракционированием кристаллических фаз. На этом пути петрология и геохимия добились больших успехов, в том числе и в экспериментальном плане. Данные углубленного изучения горных пород, слагающих их минералов и экспериментов, позволяют уже строить количественные модели дифференциации, которые нередко подтверждаются независимыми путями. Для вязких субэвтектических гранитных расплавов этот механизм имеет ограниченное применение. Необъяснимость данных традиционным механизмом часто списывается на <флюидную дифференциацию>, как правило, без расшифровки этого туманного термина.

Главным результатом кристаллизации водно-силикатных остаточных расплавов является накопление и отделение в виде флюидов летучих компонентов. Если же принять во внимание присутствие в магме растворенных солей, фазовые отношения и эволюция такой системы становится значительно более сложными, особенно в заключительные стадии кристаллизации.

Рассмотрим эволюцию фазовых отношений в водно-силикатно-солевой системе на примере гранитной системы с фтором, схематическая (для наглядности размеры полей искажены) диаграмма которой изображена на рис. 2 (см. главу 1). Фигуративная точка исходного состава магмы с несколькими процентами растворенной воды и десятыми долями процента соли при понижении температуры, в силу кристаллизации безводных силикатов (с расширением поля расплав + кристаллы) смещается вдоль линии, направленной от состава кристаллов. На границе с полем расплав + флюид достигается насыщение расплава водой и происходит отделение флюидной фазы (ретроградное кипение). При дальнейшей кристаллизации количество флюидной фазы растет, в ней и равновесном расплаве увеличивается солевая составляющая. Как уже указывалось, ее растворимость также ограничена. На границе с трехфазной областью отделяется солевой (или, как мы его называем, флюидный ) расплав . Силикатный расплав в трехфазной области, как и две другие фазы, не обладает внутренними степенями свободы и имеет постоянный состав - это самая низкотемпературная остаточная магма. Продолжающаяся кристаллизация ведет к увеличению роли флюида и флюидного расплава за счет алюмосиликатного расплава (магмы).

Таким образом, отделение солевого расплава является следствием естественного хода процесса по мере понижения температуры. При далеко зашедшей дифференциации этот эффект неизбежен. Примерно таков ход процесса в системе силикаты - вода - хлорид натрия [Рябчиков, Хамилтон, 1971]. Появление в природе флюидных (солевых) расплавов возможно и по другим механизмам. Для хлорсодержащих систем к нему может привести, например, вскипание водно-солевого флюида вследствие снижения давления. Полученные результаты по фазовым отношениям в гранитной - нефелиносиенитовой системе с фтором, изложенные в главе 3, показывают возможность отделения от алюмосиликатных расплавов алюмофторидной жидкости. Предел накопления фтора (растворимость) в расплавах разных частей системы неодинаков.

Жидкостная несмесимость , которую предсказывали при постановке задачи, обнаружена в глиноземистых нефелин нормативных составах и очень широко в литиевых составах. В ходе разработки различных вопросов по проблеме предполагалось существование еще более широких полей жидкостной несмесимости, которые, однако, оказались равновесиями с круглыми кристаллами криолита и виллиомита. Независимо от агрегатного состояния фторидов, равновесия с ними позволили понять всю область насыщения фтором системы и установить растворимость фтора в расплавах, моделирующих образование гранитов, сиенитов, нефелиновых сиенитов и уртитов различной щелочности. Отметим еще один формальный момент. Мы избегаем термина <ликвация>, поскольку образование двух несмешивающихся жидкостей происходит обычно в силу изменения состава расплава (например, вследствие кристаллизации), а не просто из-за изменения температуры или давления. Гомогенного расплава с составом, равным сумме составов двух <ликватов>, возможно, никогда не было.

Отделению от насыщенной фтором магмы щелочного алюмофторидного расплава, криолита или виллиомита предшествовало появление в ней октаэдрических комплексов AlF₆^3-. К этому выводу мы пришли на основании анализа фазовых отношений в системе, и это подтверждено другими исследователями физическими методами (см. главу 3). При этом происходит разрушение алюмокислородных тетраэдров и деполимеризация силикатного расплава по схеме: AlSi₃0₈^1-+ 6F^1-= AlF₆3- + 3SiO₂+ 2O^2- Изменения его структуры ведут в конечном итоге к отделению алюмофторидной жидкости. Результаты находились в противоречии с данными других экспериментаторов, которые при 5-8% фтора в системе не обнаружили жидкостной несмесимости или кристаллизации фторидных фаз. Наши результаты воспроизведены в десятках опытов для каждого из применяемых опорных составов системы, что позволило уверенно начать изучение распределения рудных элементов между несмешивающимися жидкостями.

Появление калиевых (с повышением отношения K/Na в последовательных фазах магматических серий) трендов дифференциации не находит объяснения в рамках модели кристаллизационной дифференциации. Например, исследование геохимии Хангилайского-Орловского массивов (В. Забайкалье) в работе Л.Ф.Сырицо и др., [2001] убедительно показало существенный перелом в магматической эволюции на заключительных этапах. Он выражен (и это характерно для литий-фтористых гранитов вообще) как в изменениях распределения редких элементов, в том числе в резком обеднении пород REE, так и в смещении петрохимического тренда в сторону увеличения отношения K/Na. Отражением этого перелома в строении Орловского массива являются <зоны стерилизации от Li и F, не вписывающиеся в общепринятую концепцию кристаллизационного фракционирования>. Соотношения SiO₂, Al₂O₃, (Na₂O+K₂O) в алюмосиликатном расплаве наших опытов (см. табл. 1) попадают в интервалы колебаний для пород массивов, соответственно: 74,2-77,2; 13,8-17,0; 8,8-10,8%. Для объяснения выявленных закономерностей сами авторы работы предполагают отделение флюидного (солевого) расплава. Действительно, возрастание калиевости магмы вследствие отделения натриевой фторидной жидкости - пока единственный обоснованный экспериментальными данными путь дифференциации, другого в настоящее время не предложено.

Рис. 68. Приуроченность пузырьков флюида к верхней части глобулей фторидного расплава и обрамление глобулей (в нижней части) кристаллами циркона

Петрологи давно и по многим причинам испытывают трудности в интерпретации процессов дифференциации расплавов, дающих лейкократовые горные породы. Такие расплавы обладают высокой вязкостью, препятствующей гравитационной отсадке кристаллов. Все минералы кристаллизуются в них почти одновременно в силу близости состава к температурным минимумам. В образующихся горных породах отсутствуют субмономинеральные скопления, которые можно было бы трактовать как кумуляты. Открытие жидкостной несмесимости в системе позволяет по-новому подойти к этой проблеме. Отделение от магмы жидкости контрастного состава, меньшей плотности и вязкости должно быть значительно более эффективным, чем традиционный механизм фракционирования кристаллов. В этом убеждают наблюдения за структурно-текстурными особенностями продуктов опытов. Одним из возможных конкретных механизмов фракционирования, который может представить интерес, является выявление факта всплывания капель фторидной жидкости, прикрепленных к пузырькам пара (рис. 68). Он подтверждается гравитационным накоплением капель, особенно самых крупных, фторидного расплава в верхних частях ампул (см. рис. 34). Для сходных с каплями кристаллов криолита и виллиомита подобный эффект не наблюдается.

В самом начале работы над проблемой предполагалось, что она может иметь отношение к решению проблемы генезиса пегматитов . Если не считать мало популярных в настоящее время представлений о метасоматическом генезисе пегматитов (<пегматоидов>, по А.Н. Лукашеву [1976]), общепринято, что пегматиты образуются из наиболее поздних флюидонасыщенных расплавов. В серии наших работ на примерах Волыни, Казахстана и других районов [Маракушев и Граменицкий, 1983; Граменицкий, 1984; Граменицкий и Фам Тык Суан, 1987; Маракушев и др., 1989; Граменицкий и Щекина, 1990; 1992] проводилось сравнительное изучение петрохимических особенностей и состава минералов пегматитов и материнских гранитов. Особое внимание уделяли шлировым пегматитам, связь которых с конкретными гранитами и образование в стадию, предшествующую полной кристаллизации гранитной магмы, не вызывает сомнения. В результате этих исследований были показаны дискретные петрохимические отличия пегматитов от материнских гранитов; изменение трендов дифференциации и изменения состава биотита при переходе к пегматитовой стадии; комплементарность состава пегматитов и пегматитоносных гранитов по отношению к не пегматитоносным гранитам того же массива. Вместе с морфологическими особенностями шлировых пегматитов эти результаты позволили сделать вывод о дискретности перехода к пегматитовой стадии, резком переломе направления минералообразующих процессов и самостоятельности пегматитового процесса, не сводящегося к продолжению кристаллизации гранитной магмы.

В начале наших исследований предполагалось, что отделяющийся от алюмосиликатного флюидный расплав и является пегматитовой магмой, а само отделение - началом пегматитовой стадии. Действительно, во флюидном расплаве, менее калиевом и кремнекислом, чем материнские граниты, концентрируется фтор, литий и многие редкие элементы. Бросается в глаза сходство морфологии шлировых пегматитов с полученными в опытах глобулями. Похоже также распределение циркона вокруг глобулей на границах фторидного и алюмосиликатного расплавов в продуктах опытов (рис. 68) и в природе - вблизи контактов шлировых пегматитов с материнскими гранитами Волыни [Маракушев и др., 1989]. В обоих случаях мы видим причину в локальном возрастании концентраций ZrO₂ и SiO₂ на контакте матрицы и глобулей при мобилизации фтора, алюминия и щелочей, входящих в состав отделяющейся флюидной фазы. Есть и более тонкие особенности, подчеркивающие сходство. Так, распределение скандия между расплавами в опытах сходно с изменением концентраций этих элементов в пегматитах и материнских гранитах (данные В.В.Гордиенко [1996]), что будет рассмотрено в следующем разделе. Есть впечатление, что мы очень близко подошли к решению вопроса о генезисе пегматитов.

Вместе с тем образующийся в наших экспериментах флюидный расплав не может быть пегматитовой магмой. Он почти чисто фторидный и не содержит кремнезема. Нужно сказать, что некоторые указания на возможность вхождения кремнезема во флюидный расплав в наших результатах есть. Среди его закалочных фаз в опытах Л21а и 5-154 (см. табл. 3 в разделе 3.3) обнаружена фаза ( LS - стекло или гель) со значительным содержанием кремнезема. Вероятно, эта фаза имеет фторидно-оксидный состав. Сходные фазы были обнаружены также в некоторых опытах, в которых не было алюмосиликатного стекла. Эти случаи требуют более тщательных исследований продуктов опытов, возможно, постановки новых. Пока мы не можем сказать, что получена пегматитовая магма (раствор-расплав, по А.Е.Ферсману). Заслуживают внимания представления А.Н.Лукашева [1976] об отделении от алюмосиликатного расплава эмульсии солевого и алюмосиликатного. Иллюстрацией подобного механизма могли бы стать глобули, содержащие капли (<глобули в глобулях>) силикатного стекла. Противоречит данному предположению выдержанный состав пегматитов в каждом массиве [Граменицкий, Щекина, 1992].

Экспериментальные исследования фазовых отношений в насыщенной фтором модельной гранитной - нефелин-сиенитовой системе (казалось бы, очень хорошо изученной) привели авторов к представлениям о существенной роли жидкостной несмесимости как одного из важнейших механизмов процесса дифференциации магмы. Этот механизм осуществляется и в других водно-силикатно-солевых системах с участием (помимо фтора) хлора, углекислоты, фосфора и др. Особенно перспективна его роль на поздних стадиях развития магматических систем в связи с возможной концентрацией редких, элементов в солевом расплаве, чему посвящен следующий раздел.

Результаты исследований, изложенные в настоящей работе, не затрагивают дальнейшей более низкотемпературной истории флюидного расплава. Можно фантазировать, что при субсолидусных температурах он будет участвовать в сложных равновесиях с водой и другими летучими компонентами, что приведет к образованию собственно рудоносного водно-солевого флюида, но это тема специальных экспериментальных и теоретических исследований. В какой-то мере им могут помочь попутные наблюдения над закалочными фазами, кристаллизующимися из обоих сосуществующих расплавов и результаты единичных опытов по их раскристаллизации. Например, обращает на себя внимание отсутствие таких типичных для лейкократовых пород минералов, как слюды: лепидолит - в продуктах опытов с литийсодержащими составами и флогопит - с магнийсодержащими. При кристаллизации богатого калием алюмосиликатного расплава в литийсодержащей части системы происходило образование калиевого полевого шпата и лепидолита ниже в интервале 800-550°С вблизи температуры солидуса или в субсолидусе.

Назад Содержание Вперед