Лаборатория эспериментальной и технической петрологии МГУ,
к. A-607, тел. 939-20-40

Несоответствие состава магм и образующихся из них горных пород в отношении воды и других летучих компонентов было откровением для геологов в 30-е годы, а в настоящее время общепризнанно, хотя до сих пор в геологической литературе можно встретить оценки концентраций воды или углекислоты в расплаве по содержанию этих компонентов в породах.

То же самое касается и солевых (галоидных, карбонатных, сульфидных и др.) составляющих магм. Так же, как летучие компоненты, они почти не входят в состав минералов и по мере кристаллизации накапливаются в остаточном расплаве. И в этом случае, так же как и воды, и углекислоты, их накопление не беспредельно, оно лимитируется ограниченной растворимостью, по достижении которой отделяется плотная водно-солевая жидкость ("флюидный расплав"). Растворимость солевых компонентов в алюмосиликатных расплавах измеряется во многих случаях десятыми долями процента и обычно не превышает первых процентов, поэтому на самых поздних стадиях кристаллизации такое отделение неизбежно даже при исходных концентрациях солей в магме в десятые доли процента.

Впервые это показал экспериментально Ф.Смит в 1948 г. Реальность участия жидких солевых фаз в эндогенных образованиях, особенно относящихся к концу магматической или началу послемагматической стадии, подтверждена находками кристаллофлюидных включений, сходных с ними по составу. В кварце некоторых гранитов описаны включения раскристаллизованных алюмофторидных расплавов, а в кристаллах апатита из ийолитов - карбонатных, равновесных с соответствующими силикатными магмами. При кристаллизации такие жидкости иногда дают геологические тела (карбонатиты в щелочных комплексах, криолитовые обособления в гранитах, сульфидные или оксидные - среди пород основного состава и др.), однако чаще они почти не оставляют следов своего существования на высокотемпературных стадиях, трансформируясь, по-видимому, при понижении температуры в гидротермальные растворы.

Рис. 15. Политермические проекции диаграмм состояния систем: a - NaAlSi3O8 - NaCl - H2O, б - NaAlSi3O8 - Na2AlSi2O5 - H2O.

Фазовые отношения в силикатно-солевых системах закономерно эволюционируют по мере понижения температуры от магматических до гидротермальных условий. Наиболее существенные особенности могут быть рассмотрены на примере химических систем альбит - хлорид натрия - вода и альбит - дисиликат натрия - вода (рис. 15, соответственно а и б). Вторая из них представляет редкий случай непрерывного перехода от водного флюида к существенно солевой жидкости и от последней - к алюмосиликатному расплаву. Первая относится к распространенному типу силикатно-солевых систем с несмешивающимися алюмосиликатным и флюидным расплавами. Что касается соотношений между флюидом и солевым расплавом, в системе с NaCl до давления 1,5 килобар существует разрыв смесимости между ними, при более высоких давлениях - непрерывный переход. Системы с другими солями изучены хуже, и в них подобных критических явлений пока не установлено. Так или иначе петрологически важно то, что в рассматриваемых системах при низких давлениях на ликвидусе сосуществуют водный флюид и два расплава (алюмосиликатный и флюидный).

Рис.16. Коэффициенты разделения металлов между расплавом и флюидом по экспериментальным данным:

В расплаве NaCl растворимость силикатной составляющей незначительна. Она точно никем не определялась, но ясно, что она не превышает первых процентов. В гранитной системе с фтором растворимость SiO₂ (во фторидном расплаве) до 800^О составляет менее 1%, но закономерно возрастает до значительных величин при повышении температуры до 1000^оС. Большое значение имеет характер солевой составляющей. Появление расплавов, в составе которых все три (силикатная, солевая и водная) составляющие входят в соизмеримых количествах, экспериментально были обнаружены в системах сложного состава. Такие флюидные расплавы должны обладать низкой вязкостью, быть легко подвижными. С другой стороны, они содержат достаточно алюмосиликатных составляющих, чтобы выполнить минералами камеру, в которой находятся. Они, по-видимому, являются средами минералообразования для пегматитов, силекситов, многих жил выполнения. После их кристаллизации должны оставаться полости, заполненные растворами (в реальных геологических телах - занорыши) В геологической литературе их называют по-разному: расплавами-растворами, расплавами-рассолами, флюидными расплавами, в случае малых содержаний силикатной составляющей - тяжелым флюидом. Если в силикатных системах с водой существование подобных фаз невозможно (см. выше критика модели образования пегматитов Ниггли-Ферсмана), то в системах с солями они широко распространены. Образование в природе таких плотных высококонцентрированных фаз возможно и по иным механизмам, что будет рассмотрено в главе II-4.

Рис.17. Разделение лития между алюмосиликатным (L1)и алюмофторидным (L2) расплавами в Na-,Na-K- и K- частях гранитной системы с фтором, масс.%.

Особенности рассматриваемых силикатно-солевых систем имеют большое значение для решения одной из самых важных проблем эндогенной геологии - связи оруденения с интрузиями.

Эта проблема была поставлена почти одновременно с появлением самой геологии. Недаром все петрографические совещания в нашей стране проводились под девизом "Магматизм и связь с ним полезных ископаемых". Существенная роль при образовании рудных месторождений плотных высококонцентрированных растворов, способных концентрировать рудное вещество, интуитивно предполагалось многими геологами. Еще в начале ХХ века Дж.Сперр доказывал кристаллизацию золотоносных кварцевых жил из "рудной магмы".

В настоящее время уже общепризнанно, что не нужно искать источник рудного вещества для магматогенных месторождений, путь решения проблемы состоит в нахождении эффективного механизма его накопления, т.е. изучении распределения рудных компонентов в возможных фазовых равновесиях магматической стадии. В них участвуют 4 типа фаз: силикатный расплав (магма), кристаллические фазы (минералы), флюид и, как было показано выше, флюидный расплав.

Наиболее подробно экспериментально изучены равновесия магма - минералы. По мере кристаллизации действительно происходит накопление многих рудных компонентов в остаточном расплаве. Однако, предел процессу накопления кладет кристаллизация акцессорных минералов, при которой коэффициент разделения (отношение содержания рудного компонента в минерале к содержанию в магме) становится большим единицы.

Большие надежды возлагались на концентрирование рудного вещества флюидом. Распределению многих компонентов между флюидом и силикатным расплавом посвящено большое число экспериментальных исследований. Они оказались обескураживающими: разделение флюид / расплав в водно-силикатных системах оказалось в пользу расплава для всех без исключения компонентов, причем для многих - в сотни и тысячи раз. При введении в системы хлоридов и других солей коэффициенты разделения, как правило, возрастают (см. рис. 16), а при высоких содержаниях становятся иногда даже больше единицы. Интерпретация этого эффекта неоднозначна. В некоторых случаях это, возможно, связано с возрастанием содержания солей в гомогенном флюиде, но в большинстве случаев - с возрастанием роли самостоятельной фазы флюидного (солевого) расплава. Другими словами, распределение рудного компонента изучалось на самом деле в равновесии не двух, а трех фаз. Содержание его во флюидной фазе обычно определяется в закалочных продуктах, собираемых по всему контейнеру (ампуле, вкладышу), в котором проводится опыт. В число этих продуктов попадает и вещество флюидных расплавов.

Рис.18. Соотношение концентраций вольфрама (Сw) в продуктах закалки сосуществующих алюмосиликатного (L1) и флюидного (L2) расплавов в Na-, Na-K- и K-частях гранитной системы с фтором.

Равновесия с участием флюидных расплавов наиболее перспективны для осуществления концентрирования рудного вещества на магматической стадии и реализации механизма рудной специализации магм. Решение проблемы далеко до завершения, но и имеющиеся результаты являются обнадеживающими. Уже давно было известно, что солевые расплавы способны растворять значительные количества рудных минералов. Экспериментально установлено, что в равновесии магма/флюидный расплав многие компоненты концентрируются в последнем. Показательным примером может служить литий во фторсодержащей гранитной системе (рис. 17). Поведение вольфрама в той же системе иллюстрирует зависимость от особенностей ее состава. Вольфрам эффективно (с коэффициентом разделения, равным 5) концентрируется в алюмофторидном флюидном расплаве только в случае преобладания калия над натрием (рис. 18), что согласуется с вольфрамоносностью исключительно обогащенных калием гранитов. Свинец и цинк концентрируются во флюидном расплаве в системе с хлоридами, в отличие от фторсодержащей (рис. 19).

Рис.19. Распределение Pb и Zn между флюидными фазами различной плотности и гранитоидным расплавом.

Как можно видеть, очерченный в начале главы круг вопросов, затрагиваемых экспериментальным изучением магматизма, оказывается не таким уж четким.

Возникающие проблемы касаются в равной мере метаморфизма, метасоматоза, рудообразования, состояния вещества в глубинах Земли. Многие петрологические вопросы перекликаются с чисто прикладными. Это можно будет проследить и в последующих главах.