Моделирование фазовых равновесий при кристаллизации базальтовых магм

В книге систематизированы результаты исследований, которые проводились нашей группой в течение последних 20 лет в области ЭВМ-моделирования кристаллизационной дифференциации базальтовых магм. За эти годы был накоплен значительный опыт построения и применения моделей кристаллизации для решения проблем генезиса интрузивных и эффузивных базитов. Поэтому менее всего нам хотелось, чтобы эта работа воспринималась как простая компиляция публикаций - она была задумана как практическое "руководство к действию" для тех исследователей, кто осознал и оценил эффективность современных методов вычислительной петрологии. Такая направленность объясняет детальность описания экспериментальных, термодинамических и динамических основ разработанных моделей.

В этой связи мы акцентируем внимание на создании компьютеризированной Системы моделирования магматической дифференциации, объединяющей базу экспериментальных данных по плавлению изверженных пород (ИНФОРЭКС), алгоритм решения задачи равновесия для кристаллизующихся магм (модели серии КОМАГМАТ) и процедуру моделирования динамики тепломассопереноса по конвекционно-кумуляционному механизму (программа ИНТРУЗИВ). Применение этой системы позволяет не только сэкономить время исследователя, облегчить манипулирование файлами входных и выходных данных, но также "почуствовать" потенциал конкретных ЭВМ-моделей, оценить достоверность полученных при их использовании результатов. Другая сторона заключается в необходимости комплексного петролого-геохимического изучения объектов. Свободное владение этой информацией, умение грамотно сопоставить данные наблюдений и термодинамических расчетов открывают возможность достаточно точной реконструкции условий дифференциации магмы на основе методов ЭВМ-моделирования. Без ясного знания и понимания этого базиса расчеты кристаллизации могут превратиться в компьютерную игру по "Виртуальной геологии", результаты которой имеют мало отношения к реальным процессам фракционирования магмы.

Здесь будет уместно ответить на вопрос, который часто задают исследователи, сопоставляя данные моделирования по программе КОМАГМАТ и популярного пакета MELTS, разработанного Гиорсоу и Сэком: "Почему в ряде случаев КОМАГМАТ более реалистично воспроизводит траектории кристаллизации базальтов, несмотря на упрощенное описание термодинамики твердых растворов и использование неявного алгоритма минимизации свободной энергии Гиббса?". Здесь две причины. Во-первых, в отличие от американских коллег мы не ставили задачи разработки "суперсистемы" моделирования в том смысле, что она может использоваться во всем диапазоне составов природных расплавов при температурах от 500 до 2000^оС (есть работы, где программа MELTS применяется при более высоких параметрах). Напротив, наш подход заключается в максимально точной калибровке моделей для заданного диапазона составов, отвечающего разнообразию пород исследуемого объекта. Многолетний опыт работ по моделированию убедил в том, что при таком подходе вполне достижима точность расчета температур кристаллизации порядка 10^оС. Для минералов эти погрешности составляют от 1 до 5 мол.%, а состав расплава может быть рассчитан с точностью примерно 0.5 мас.% (в зависимости от пропорций кристаллов и расплава). В качестве примера отметим, что КОМАГМАТ наилучшим образом "работает" в толеитовых системах, программа ЛУНАМАГ применима к расплавам лунных базальтов, а модель МЕТЕОМОД создана специально для расчета фазовых равновесий обыкновенных хондритов. Все эти программы построены на единых принципах и включают возможность корректировки модельных температур и соответствующих порядков кристаллизации с целью их подстраивания под данные петрологических наблюдений или "наиболее надежных" экспериментов, выбранных в автоматизированном режиме при помощи системы ИНФОРЭКС. Второй, быть может более важный фактор состоит в том, что мы разрабатывали модели как рабочий инструмент, который постоянно тестировался в применении к конкретным петрологическим задачам и объектам. Это позволило нащупать "болевые точки" программ и конкретизировать направление их дальнейшего развития. Наличие обратной связи в ряду экспериментальные данные -> модель -> природные данные -> эксперимент обеспечивает постоянное совершенствование всей системы ЭВМ-моделирования и в конечном счете гарантирует реалистичный характер модельных фазовых соотношений.

Важнейший элемент представленных моделей - алгоритм решения задачи равновесия в кристаллизующихся магмах. Он был предложен более 15 лет назад и за прошедшие годы доказал эффективность и универсальность. Алгоритм оказался быстродействующим и легко допускающим разнообразные модификации, включая расширение P-T-f_O2-H₂O условий применимости и ввод новых фаз. Мы уже имеем опыт добавления в модельную систему металла и сульфидов, на повестке дня учет появления акцессорных компонентов - апатита, сфена и т.д. Представляется, что предложенные здесь методы расчета фазовых равновесий "при помощи констант" могут найти применение не только в геохимии, но также в физической химии и технологических дисциплинах, связанных с необходимостью описания эволюции многокомпонентных и многофазных систем.

Значительная часть монографии посвящена обоснованию и примерам применения геохимической термометрии. Этот термин, предложенный М.Я. Френкелем, подчеркивает технический аспект метода, связанного с оценкой температуры исходного равновесия для захваченного в породах или транспортирующего магматического расплава. Вместе с тем, он не в полной мере раскрывает его возможности в плане генетических реконструкций. Одновременно с оценкой температуры для каждого образца рассчитывается состав расплава, что позволяет подтвердить (опровергнуть) наличие кристаллизационных котектических связей внутри выделенных ассоциаций или оценить эволюцию состава магмы в процессе ее дифференциации. Привлекательная особенность геохимической термометрии заключается в возможности оценки фазовых пропорций и составов исходной гетерогенной смеси в момент, когда прекратилось относительное перемещение кристаллов и расплава, но еще не прошли процессы посткумуляционного переуравновешивания и перекристаллизации. Можно сказать, что геохимическая термометрия аккумулирует в себе разнообразие петрологических методик, основанных на распределении компонентов в системах кристалл-расплав, представляя максимум возможностей в рамках допущения о равновесном характере исходных расплавно-минеральных парагенезисов.

Результаты термометрии пород из дифференцированных силлов (Вельминский, Вавуканский, Каменистый) и расслоенных интрузивов (Скергаард, Партридж Ривер) указывают на незначительные вариации температуры внедрения магмы (1150-1170^оС) и относительно устойчивый состав расплава, отвечающий ферробазальтам толеитовых серий. Вместе с тем фазовый состав исходных магм оказывается различен. В случае маломощных сибирских траппов (до 100-130 м) доля интрателлурических вкрапленников не превышала 15-20%, для более мощного силла Каменистый (200 м) в момент внедрения имеем 40-45% кристаллов, тогда как кристалличность исходной магмы 500-метрового плутона Партридж Ривер составляла порядка 65%. Эти результаты позволяют допустить наличие корреляции между мощностью интрузивов и закристаллизованностью исходных магм. Однако определенный ответ на этот вопрос требует привлечения более обширного материала по строению интрузивных базитов, представляющих магматизм различных геодинамических обстановок.

Вопросам фракционирования базальтовых магм было посвящено 2 главы, где рассмотрены модели изобарической и полибарической кристаллизации в режимах различного давления кислорода и содержания в системе воды. В этих разделах мы стремились показать, каким образом форма и направленность петрохимических трендов вулканических серий может быть использована для оценки термодинамических характеристик кристаллизационного процесса. Оказывается, что для решения этой задачи бывает достаточно провести серию расчетов идеального фракционирования исходной магмы при различных P-T-f_O2-H₂O параметрах и сопоставить модельные линии эволюции с имеющимися петрохимическими данными. Этот подход не нов и по существу представляет перебор линий фазового контроля с учетом различных начальных условий (его обосновал еще Боуэн). Однако возможности систематичного использования этих методов появились лишь в последние годы благодаря тщательной калибровке термодинамической основы модели КОМАГМАТ, более последовательному учету факторов давления и присутствия воды.

Немалые затруднения вызвала необходимость разработки корректных моделей кристаллизации Fe-Ti оксидов и учета влияния летучести кислорода на тренды эволюции базальтовой магмы. Многие пользователи критиковали КОМАГМАТ и аналогичные разработки зарубежных коллег за недостаточно точное предсказание условий выделения магнетита и ильменита. Нам удалось решить задачу в конце 90-х годов, когда были представлены модели (КОМАГМАТ-3.5 и выше), позволяющие рассчитывать температуры кристаллизации этих минералов с точностью 10-15^оС в зависимости от f_O2. Это позволило приступить к исследованиям влияния открытых и закрытых по кислороду систем на фракционирование базальтовых магм. На этой основе предложен новый метод оценки редокс-условий формирования базальт-андезит-дацитовых ассоциаций, включающий поиск значений f_O2, обеспечивающих равенство расчетных температур равновесия Pl-расплав и Mt-расплав для серии природных котектических составов. При погрешности расчета температуры магнетита в 15^oC, неопределенности абсолютных оценок f_O2 составляют 0.5-1 лог. ед. Применение редоксиметрии к ферродиоритам Чажминского силла (Восточная Камачатка) показало, что формирование их исходных расплавов происходило в относительно окисленных условиях NNO+0.5. При этих параметрах модельные тренды фракционирования в координатах FeO-SiO₂ воспроизводят природную линию эволюции чажминской магмы.

На основе высокобарной версии модели КОМАГМАТ-3.0 была разработана методика барометрии закалочных стекол океанических толеитов. Этот подход включает расчет линий фракционной кристаллизации исходного расплава при различных давлениях и сопоставление модельных трендов в координатах CaO/Al₂O₃-MgO с вариациями природных составов. Результаты ЭВМ-барометрии стекол из скв. 332 в приосевой части Срединно-Атлантического хребта указывают на существование двух главных уровней глубинности, различающихся на 9-12 км и отвечающих фракционированию расплава типа ТОР-1 в относительно маломощных магматических камерах. Специфика трендов для стекол из скв. 418А на западном фланге САХ указывает на монотонное фракционирование расплава магнезиального базальта в интервале 5-2 кбар, которое вероятно протекало по мере подъема и декомпрессии исходного толеитового расплава.

Более последовательно модель декомпрессионного фракционирования исследована на примере эволюции магнезиальных и высокоглиноземистых лав Ключевского вулкана. На основании данных по геохимии, минералогии и фазовых диаграмм ключевских базальтов сначала был обоснован вывод о формировании ВГБ в результате полибарической фракционной кристаллизации исходных расплавов, близких по составу высокомагнезиальным базальтам. Затем разработана декомпрессионная версия модели КОМАГМАТ, учитывающая смену ликвидусных ассоциаций в интервале давлений 1 атм - 20 кбар и исходных содержаний воды 1-2 мас.%. При помощи этой программы были проведены сотни расчетов кристаллизации магнезиального источника, которые позволили оценить наиболее вероятные условия протекания полибарического процесса.

Согласно этим оценкам, оптимальная модель образования данной магматической серии включает фракционированию высокомагнезиальной магмы со скоростью декомпрессии = -0.33 кбар/% кристаллизации при содержании 2 мас.% Н₂О в исходном расплаве. Процесс кристаллизации начался с выделения оливина, клинопироксена и шпинели при давлении около 19 кбар и температуре ~ 1350^оС. Накопление воды в расплаве привело к задержке кристаллизации плагиоклаза и образованию высокоглиноземистых продуктов дифференциации. Линия накопления Al₂O₃ обрывается в момент появления на ликвидусе плагиоклаза при давлении около 7 кбар, температуре 1110^оС и содержании в расплаве ~ 3 мас.% Н₂О. К этому моменту спектр составов модельных жидкостей представляет полное разнообразие ключевских лав, а дальнейшая кристаллизация приводит к быстрому насыщению системы водой с последующей дегазацией при давлениях около 1.5 кбар. Насколько нам известно, расчеты такого рода представляют первый опыт в магматической петрологии.

В качестве комментария к данным барометрии и полибарических расчетов надо отметить, что все существующие модели высокобарных равновесий вызывают определенные претензии, особенно в части оценки эволюции фазового состава котектических парагенезисов. Это связано с неопределенностями и сложностью согласования исходных экспериментальных данных. В последние годы звучат даже голоса о необходимости полного пересмотра массива высокобарной информации, невозможности в принципе построить внутренне согласованные и реалистичные модели кристаллизации и плавления. Этот скепсис действительно обоснован (отсылаем читателя к публикациям соответствующих экспериментальных исследований). Однако обратим внимание на то, что методы барометрии и ЭВМ-моделирования, основанные на принципах фазового контроля, используют по сути один и тот же эффект расширения поля устойчивости высоко-Са пироксена относительно оливина и плагиоклаза, который составляет порядка 15^оС/кбар. Иными словами, при погрешностях согласования температуры высокобарных равновесий порядка 30^оС маловероятно, что мы ошибаемся более чем на 2 кбар, применяя геотермобарометры к природным расплавам.

И последнее. Сейчас нет необходимости специально доказывать значение термических и динамических факторов дифференциации. Будущее магматической петрологии связано с разработкой и исследованием сложных физико-химических моделей, которые объединяют расчеты фазовых равновесий и алгоритмы, моделирующие разнообразие динамических условий зарождения и дифференциации магм. В этом отношении программа КОМАГМАТ является пионерской, давая пример совмещенного решения задачи термодинамического равновесия и пространственного моделирования разделения фаз по конвекционно-кумуляционному механизму. Очевидно, что в настоящее время не существует других моделей, при помощи которых можно также последовательно, на количественном уровне дать фазовую интерпретацию пород и распределений химических элементов по разрезам пластовых интрузивов. Этот успех связан с именем М.Я.Френкеля, который сформулировал основополагающие принципы построения моделей динамики геохимических процессов и вместе с коллегами доказал их применимость на примере изучения дифференцированных траппов Сибирской платформы. Нам посчастливилось быть непосредственными участниками этого научного прорыва и мы надеемся, что представленные в книге результаты дадут дополнительный импульс интереса к развитию работ по ЭВМ-моделированию дифференциации базальтовых магм.