История развития методов изучения расплавных включений в минералах

 

  Вернуться на домашнюю страницу >>

История развития методов изучения
расплавных включений в минералах

Трусов Сергей

Холодная зима 2000-го...

Реферат к курсу "История и методология геологических наук" (Преподаватель А.Г.Рябухин)

Оглавление

  1. Введение
  2. Визуальные методы
  3. Термометрические методы
  4. Методы определения состава расплавных включений
  5. "Феноменологические" методы
  6. Заключение
  7. Литература

    Введение

 "Ценность факта не обязательно
определяется размером объекта, и┘
хотя объекты, описанные мною,
чрезвычайно малы, выводы, которые
 следуют из них, - огромны."
Г.К. Сорби [2]

    Захваченные минералами во время своего роста, расплавные включения обладают уникальной потенциальной способностью сохранять текущую информацию о постоянно меняющемся составе и условиях существования магматической системы.
    Включения силикатного расплава начали изучаться на ранних этапах развития петрографии, чему способствовали тонкие исследования Сорби [12],  Фогельзанга [15], и в особенности Циркеля (например, [16]). Сорби первым установил аналогию между включениями стекла в лавах и включениями в минералах металлургических шлаков. Фуке и Мишель-Леви [9] провели важные наблюдения, свидетельствующие о сходстве расплавных включений в синтетических минералах, полученных при расплавлении материала, с включениями в свежих магматических породах. После этих работ в мировой литературе было опубликовано очень немного сведений о расплавных включениях, пока Таттл [14] не сделал важных выводов о происхождении гранитов, основанных на отсутствии в них включений стекла. После этого Баррабе и Дейша [6], а также Баррабе с соавторами [5] осуществили гомогенизацию расплавных включений при нагревании содержащих их шариков вулканического кварца из пород острова Гваделупа. Калюжный [3] позднее изучил включения в фенокристах дацитов, и с тех пор интерес к подобным исследованиям резко возрастает.

    Визуальные методы

    Большинство  расплавных включений чрезвычайно мелкие: средний размер их диаметра менее 10 мкм. Соответственно, их изучение стало возможно лишь с введением Сорби 150 лет назад в петрографическую практику микроскопа. Он же первым и описал в 1858 г. включения стекла в минералах.  В 1873 г. Ф. Циркель описал включения стекла, в которых газовый пузырек имел так называемую обратную огранку - свидетельство позднейшей перекристаллизации. Визуальные наблюдения за размерами, формой, объемами флюидной фазы, дочерними минералами, минералами-узниками и степенью раскристаллизованности стекла включений давали для того времени достаточно много новой и интересной информации об условиях образования этих включений и кристаллизации минерала-хозяина. Незаменимыми визуальные наблюдения остаются и по сей день.
    В течение ряда десятилетий геологические науки упрекали в том, что они являются качественными, в то время как многие другие области исследований рассматривались как более достойные с интеллектуальной точки зрения количественные отрасли знаний. Теперь многие направления геологии перешли в разряд количественных. Однако качественные методы, которые впервые начали использоваться более ста лет назад, не должны отступать на задний план. В 1971 г. Маккин, говоря об эмпиризме в геологии, указывал на то, что сам акт получения количественных данных может вызвать твердое ощущение совершенства, но когда число становиться самоцелью, заменяя собой стремление понять, то подлинные проблемы ожидают исследователя впереди при интерпретации геологических результатов [2].

    Термометрические методы

    Термометрические методы позволяют производить оценку температур, при которых происходил захват порций расплава. Эти методы аналогичны широко применяемой в тех же целях термометрии газово-жидких включений, однако их развитие сильно затянулось. В основном это объясняется техническими аспектами: для гомогенизации расплавных включений необходимы очень высокие температуры (670 - 1600oС) в отличие от газово-жидких (30-350oС). Вместе с тем это можно рассматривать как результат конкуренции двух (хотя и несколько связанных друг с другом) направлений в геологии √ рудной геологии и петрологии. Для большинства рудных минералов характерно если не осадочное, то гидротермальное происхождение. Соответственно, информацию о физико-химических условиях образования этих минералов можно получить лишь из газово-жидких включений. Поскольку  до конца ХХ века приоритет в геологических исследованиях отдавался практическому началу (стране больше была нужна руда, чем данные о составе мантии и процессах эволюции магматических систем) - изучению процессов рудообразования, рудонакопления и т.п.,  методы исследования газово-жидких включений, в частности термометрические, развивались значительно интенсивнее, нежели
     Интенсивные работы по определению температуры кристаллизации минералов по расплавным включениям начались лишь с 70-х годов ХХ века. Так, например В.С. Соболев [11] с соавторами опубликовали в 70-х годах ряд работ, в которых они приводили оценки ликвидусных температур для серии  эффузивных щелочных пород по результатам гомогенизации расплавных включений в минералах. Как и всегда в подобных случаях, в дальнейшем эти результаты пересматривались другими исследователями, которые указывали на некоторые неучтенные факторы и на основе этого предлагали более эффективные методики получения данных и их расчетов. Постепенно совершенствовалась и термометрическая аппаратура. Современная термокамера размещается на столике микроскопа и позволяет непосредственно наблюдать за процессом гомогенизации включения. Точность определения температуры гомогенизации в настоящее время составляет +/- 20oС. В последние несколько лет исследования расплавных включений в минералах базальтов СОХ и базальтов некоторых вулканов Камчатки при помощи термометрии проводились в МГУ доцентом кафедры петрологии Плечовым П.Ю.[10].  Однако порой  даже такая аппаратура оказывается бессильна. Так, например, Э.Реддеру [2] для изучения расплавных включений в оливине из базальтов лунных морей, доставленных на Землю станцией "Апполон-11", потребовались такие высокие увеличения (500-1250х) и настолько светосильный конденсор, что проведение высокотемпературных термометрических исследований не представлялось возможным. Вместо них была выполнена серия экспериментов с нагреванием и последующей закалкой, которые позволили проводить наблюдения при комнатной температуре.

    Методы определения состава расплавных включений

    Из-за    микроскопических размеров расплавных включений, определение их состава долгое время, пока в руках геологов были только методы мокрой химии, было практически нереально. Приблизительный состав стекла включения, дочернего минерала  или минерала-узника можно было определить лишь по показателю преломления (при условии их прозрачности). Начало второй половины ХХ века охарактеризовалось появлением целого букета локальных аналитических методов.
Масс-спектрометрические методы были по-видимому первым детищем НТР, оказавшимся полезным для полуколичественных и количественных исследований расплавных включений. Они  используются при анализе газов для решения двух задач: анализа присутствующих во включениях газов и определения изотопных соотношений в них. В 1956 г. Б. Тодд [13] впервые успешно применил этот метод для анализа газов, находящихся в очень мелких пузырьках в искусственном стекле, содержащих доли микролитра газовой смеси. Однако в дальнейшем масс-спектрометрия использовалась в основном для анализа газово-жидких включений.
    Изобретение Р.Кастеном электронного микрозонда (микроанализатора) обеспечило петрологов таким мощным инструментом познания, который по своему значению можно, вероятно,  сравнить лишь с введением Сорби в петрографическую практику микроскопа. Электронный микрозонд и родственные ему приборы - ионный микрозонд и сканирующий электронный микроскоп √ позволили проводить такие анализы, о которых ранее исследователи не могли даже мечтать.
       Электронный микроанализатор для решения вопросов, связанных с исследованием расплавных включений, впервые применил Керрон в 1960г.[7], изучавший состав включений стекла в кварцевых фенокристаллах. По данным на 1997 г. (Наумов и др. [1]), с тех пор опубликовано около 240 работ, в которых приведено около 3500 анализов гомогенных стекол расплавных включений в минералах различных магматических пород, причем значительная часть этих определений (80%) выполнена в последнее десятилетие. Расплавные включения изучены в 25 минералах, но большинство определений получено для оливина (890), полевых шпатов (688), кварца (623) и пироксенов (431).
    Благодаря данным, полученным исследователями при использовании электронного микрозонда для определения состава расплавных включений, было получено огромное количество информации о процессах эволюции (смешении, дифференциации, ликвации) магм различного состава Земли и Луны, а также о составе первичного вещества космических тел, остатками которых являются метеориты.
    Ионный микроанализатор для исследования расплавных включений впервые был применен в 1978 г. Р. Кастеном [8]. Однако в то время прибор не был оценен по достоинству. Лишь в последние несколько лет  его стали успешно применять для определения содержания воды в силикатных стеклах. Ценность таких анализов заключается в том, что с их помощью можно фиксировать факт отделения или, наоборот, удержания воды в расплаве в процессе его дифференциации (то же относится и к СО2).
    В последние годы для анализа многих рассеянных элементов эффективно (однако не слишком часто: дорогое удовольствие) используется протонный микроанализатор.

     "Феноменологические" методы

     Несмотря на достаточно большой арсенал методов изучения расплавных включений, до сих пор недостаточно изучены механизмы формирования последних. Нет надежной гарантии адекватности состава включений составам расплавов, из которых они возникали. Для оценки этих соответствий и лучшего понимания механизмов и кинетики формирования природных расплавных включений ряд исследователей в последние годы занялись выращиванием и изучением искусственных включений. Эффективность метода основывается на том, что включения формируются из расплава известного (заданного) состава при определенных физических параметрах (давлении, температуре).  Подобные эксперименты ставились и в МГУ, в частности, Плечовым П.Ю. с соавторами [3] и Трусовым С.В.[4].

    Заключение

"Нам достаточно только взглянуть на то состояние,
в котором находились исследования включений сто лет
тому назад, и на те концепции, которых тогда
 придерживались, чтобы понять, насколько наивными будут,
 вероятно, выглядеть сегодняшние работы век спустя."
Э. Реддер[2].

Ограничусь эпиграфом...

 

    Литература

    (Просьба учитывать, что это не только список использованной литературы, но и список исторических источников (имеются ввиду издания прошлого столетия)).
1. Наумов В.Б., Коваленко В.И., Бабанский А.Д., Толстых М.Л. (1997) Генезис андезитов по данным изучения расплавных включений в минералах. Петрология, Т.5, N6, с.654-665
2. Реддер Э. Флюидные включения в минералах// М.: "Мир" 1987. Т1. 560 стр, Т2. 632стр.
3. Плечов П.Ю., Граменицкий Е.Н., Котельников А. Р. (1999) Искусственные расплавные включения в гранитной системе ДАН, Т.364, N3, с. 372-374
4. Трусов С.В., Плечов П.Ю.,  Котельников А.Р. (1998). "Синтез щелочных полевых шпатов в системе SiO2-NaAlSi3O8-KAlSi3O8." Khitariada.
5. Barrabe l., Collomb P., Deicha G. (1957) Utilisation des spheres polies dan les recherches sur les reliquats magmatiques. Bull. Soc. Fr. Mineral., 80, 450-452
6. Barrabe l., Deicha G. (1956) Experiences de fusion et de cristallisation magmatique sur des reliquats vitreux des quartz dihexaedriques de la Guadeloupe. Bull. Soc. Fr. Mineral. Cristallogr., 79, 146-155
7. Carron J.-P. (1961) Premieres donnees sur la composition de certains reliquats magmatiques. Compt. Rend. Acad. Sci Paris, 253, 2016-2018
8. Castaing R., H. Bizouard, R. Clocciatti and A.Hevette (1978) Some applications of the electron microprobe and of the ion microanalyser in mineralogy Bull. Mineral., 101, 245-262 (in French)
9. Fouque F. And A. Michel-Levy (1879) Mineraux reproduits artificiellment par voie ignee. Bull. Soc. Fr. Mineral., 2, 105-113
10. Pletchov P., Tetroeva S., Mironov N.L. (1999). "Petrology of Kambalny volcano (Kamchatka peninsula) by inclusions in minerals." Terra Nostra 6: 231-232.
11. Sobolev V.S., T.Yu. Bazarova and I. T. Bakumenko (1972) Cristallisation temperature and gas phase composition of alkaline effusives as indicated by primary melt inclusions in the phenocrysts Bull. Volcanologique, 35, pt. 2, 479-496
12. Sorby H. C. (1858) On the microscopical structure of cristals, indicating the origin of minerals and rocks. Geol. Soc. London Quart. J., 14, pt. 1, 453-500
13. Todd B. J. (1956) Mass spectrometer analysis of gases in blisters in glass Soc. Glass Tech. Trans., 40, 321-381
14. Tuttle O. F. (1952) Origin of contrasting mineralogy of extrusive and salic rocks. J. Geol., 60, 107-124
15. Vogelsang H. (1867) Philosophie der Geologie und Mikroskopishe Gestenstudien. Cohen und Sohn, Bonn, Germany
16. Zirkel F. (1866) Uber die mikroskopishe Zusammensetzung und Struktur der diessjarigen Laven von Nea-Kammeni bei Santorin. Neues Jahrb. Mineral., Geol., Palaont., 53, 769-787