Экспериментальное исследование процессов высокотемпературного метасоматоза пород базальтового состава и генерации кислых расплавов в хлоридных растворах

Пуртов, Виктор Константинович

Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему
Экспериментальное исследование процессов высокотемпературного метасоматоза пород базальтового состава и генерации кислых расплавов в хлоридных растворах
ВАК РФ 04.00.02, Геохимия

Автореферат диссертации по теме "Экспериментальное исследование процессов высокотемпературного метасоматоза пород базальтового состава и генерации кислых расплавов в хлоридных растворах"

^ #

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК Уральское отделение Ч Лу Институт геологии и геохимии им. акад. А. Н. Заварицкого \

УДК 550.89: 552.11 : 553.89

На правах рукописи

Пуртов Виктор Константинович

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО МЕТАСОМАТОЗА ПОРОД БАЗАЛЬТОВОГО СОСТАВА И ГЕНЕРАЦИИ КИСЛЫХ РАСПЛАВОВ В ХЛОРИДНЫХ РАСТВОРАХ

Специальность: 04.00.02 — геохимия; 04.00.08 — петрология, вулканология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук

Екатеринбург— 1998

Работа выполнена в Институте минералогии УрО РАН

доктор геолого-минералогических наук В. А. Душин (Уральская государственная горно-геологическая академия)

доктор геолого-минералогических наук Г. П. Зарайский (Институт экспериментальной минералогии РАН)

доктор геолого-минералогических наук Ю. А. Полтавец (Институт геологии и геохимии УрО РАН)

Ведущая организация: Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН

Защита состоится 5 июня 1998 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д.002.81.01. при Институте геологии и геохимии им. акад. А. Н. Заварицкого УрО РАН по адресу: 620151, г. Екатеринбург, Почтовый пер., 7

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института геологии и геохимии им. акад. А. Н. Заварицкого

Автореферат разослан 1998 г.

Официальные оппоненты:

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы определяется широким развитием в высокотемпературном ореоле гипабиссальных габбро-гра-нитоидных интрузий м етас о м атич е с к их процессов, обусловленных отделением из базальтовых расплавов флюидов, их реакциями с интрузивными и вулканогенными породами верхних структурных этажей, и важнейшей ролью этих процессов в формировании химического состава скарно- и рудообразующих растворов.

Цель работы — определение физико-химических особенностей развития процессов метасоматоза магматических пород базальтового состава на примере моделей с хлоридными растворами различного состава и кислотности при температурах 600—800 °С и давлении 1 кбар и выявление условий, при которых процессы метасоматоза могут привести к генерации расплавов гранитного состава.

Задачи исследований: 1) определение растворимости пет-рогенных элементов, форм их миграции в хлоридных растворах и влияния концентрации хлора на формирование катионного состава растворов; 2) изучение влияния концентрации кислотного хлоридного компонента на изменения минерального состава ме-тасоматитов; 3) изучение особенностей формирования минерального состава метасоматитов в натриевых, калиевых и калий-натриевых хлоридных растворах различной кислотности; 4) определение условий образования в процессах метасоматоза базальта расплавов гранитного состава; 5) определение влияния состава и кислотности хлоридных растворов на изменения состава расплавов; 6) оценка рудоносности магматических и постмагматических растворов.

Научная новизна. Впервые выполнено систематическое экспериментальное изучение процессов метасоматоза и гранитизации пород базальтового состава в хлоридных растворах при температурах 600—800 °С и давлении 1 кбар. Получен блок согласованных данных по закономерностям изменения состава хлоридных растворов и метасоматитов. В координатах: Т°С — % ткас]/тнсь 1« Шко/шцсь ^ тка+ша/тна определены области, где процессы метасоматоза базальта приводят к образованию расплавов кварц-альбит-ортоклазового состава. Получены новые данные по механизму образования кислых расплавов и экспериментально доказана возможность образования расплавов путем конденсации их из растворов.

Практическое значение результатов диссертации определяется возможностью использования количественных экспериментальных данных для интерпретации процессов, происходящих в условиях отделения из базальтовых расплавов хлоридных флюидов, их реакций с интрузивными и вулканогенными породами базальтового состава, и для оценки рудоносности магматических и постмагматических флюидов.

Основные защищаемые положения: - 1. Основными компонентами водных растворов, находящихся в равновесии с породами базальтового состава, являются кремний и щелочные элементы, что предопределяет их слабощелочную специфику. Влияние хлора на экстракцию из пород других петрогенных элементов начинает проявляться лишь при переходе через точку нейтральности в кислую область. Увеличение концентрации кислотного хлоридного компонента приводит к разделению петрогенных элементов: обогащению растворов натрием, калием, железом, кальцием и накоплению в продуктах реакций магния, кремния, алюминия и титана.

2. В процессах кислотного метасоматоза изменения химического и минерального состава пород определяются различиями в миграционной подвижности петрогенных элементов. Повышение в растворах концентрации НС1 приводит к смене бескварцевых амфибол-плагиоклазовых ассоциаций кварцсодержащими, увеличению в метасоматитах содержания кварца и плагиоклаза за счет инконгруэнтного растворения темноцветных минералов, уменьшению железистости и глиноземистости амфиболов. В условиях высокой кислотности хлоридных растворов стабильной становится ассоциация кварца с магнезиальными минералами — тальком, антофиллитом или кордиеритом.

3. Интенсивное проявление процессов натриевого метасоматоза характерно лишь для растворов пониженной кислотности. Образование кварц-альбит-амфиболовых метасоматитов возможно лишь в условиях совместного привноса натрия и кремния растворами в зону реакций. Процессы калиевого метасоматоза могут развиваться в более широком диапазоне активности НС1 и для образования биотит-кварц-полевошпатовых метасоматитов дополнительный привнос кремния растворами не является обязательным условием.

незема область образования расплавов расширяется в сторону растворов с пониженной кислотностью. Повышение концентрации кислотного хлоридного компонента приводит к снижению температур образования первых выплавок от 730 до 700 °С. Образование расплавов кварц-альбитового состава в растворах хлорида натрия происходит при температурах выше 750 °С в условиях привноса кремния растворами и их пониженной кислотности.

4. Процессы высокотемпературного метасоматоза пород базальтового состава в растворах хлоридов щелочных элементов и образования кислых расплавов развиваются синхронно и ведущим механизмом генерации расплава являются процессы конденсации его из флюидной фазы, насыщенной кремнием и алюминием до уровней концентраций, равновесных с кварцем и щелочными полевыми шпатами. Состав генерируемых расплавов определяется не только соотношениями калия и натрия в растворах, но и их кислотностью. Увеличение активности кислотного хлоридного компонента приводит к изменениям коэффициентов распределения калия и натрия между флюидом и конденсированными фазами и увеличению в выплавках содержания ортоклазового компонента.

5. Проведенные экспериментальные исследования позволяют обосновать модель формирования контрастных базальт-риолитовых и габбро-гранитных ассоциаций и высокотемпературного метасоматического ореола габбровых интрузий под воздействием потока кремнещелочных хлоридных растворов, отделяющихся из базальтового расплава, и произвести оценку состава и кислотности скарно- и рудообразуюших растворов.

Фактический материал и методы исследований. Диссертация представляет собой итог исследований автора, проведенных в 1974—1986 гг. в Институте геологии и геохимии им. акад. А.Н.Заварнцкого н в 1987—1997гг. в Институте минералогии УрО РАН. Финансирование работ осуществлялось через госбюджет и благодаря поддержке Российского фонда фундаментальных исследований по проекту № 94-05-16699: «Экспериментальное изучение высокотемпературного кислотного метасоматоза магматических пород основного состава».

Постановке экспериментов предшествовали работы по изучению особенностей строения и состава гипабиссальных габб-ро-гранйтоидных комплексов Урала и, ассоциированных с ними, скарново-магнетитовых месторождений. Исследования этого этапа позволили создать рабочую модель формирования

магматических и метасоматических образований для ее дальнейшей экспериментальной проверки.

Всего проведено около 1000 опытов по изучению: 1) растворимости петрогенных элементов в воде, хлоридных растворах различного состава и кислотности и в растворах с добавками фторидов, 2) минеральных равновесий в системах с оливином, пироксеном, роговой обманкой, базальтом, габбро и растворами НС1, 3) минеральных равновесий и условий образования кислых расплавов в системах: базальт-Н20-КаС1 -НС1+ 8Ю2, базальт-Н20-КС1-НС1 ± ЭЮз, базальт-Н20-ЫаС1-КС1-НС1 ± БЮ2, 4) механизма образования кислых расплавов.

Эксперименты проводились ампульным методом на гидротермальной установке высокого давления, позволяющей производить закалку в изобарических условиях и вести контроль за температурой и давлением.

Публикации и апробация работы. По теме диссертации опубликовано более 40 работ, в том числе монография и препринт. Основные положения работы докладывались: на ежегодных Всесоюзных семинарах экспериментаторов в ГЕОХИ АН СССР в 1975—1990 гг., XI и XII Всесоюзных совещаниях по экспериментальной минералогии (1986, 1991 г.), XIII Всероссийском совещании по экспериментальной минералогии (1995 г.), IV Всесоюзном минералогическом семинаре «Минеральные кларки и природа их устойчивости» (г. Душанбе, 1986 г.), 2-м региональном совещании «Минералогия Урала» (г. Миасс, 1990 г.), 9-м Европейском геологическом конгрессе (г. Страсбург, 1997 г.), VI Уральском петрографическом совещании (г. Екатеринбург, 1997), на международной конференции «Физико-химические и петрофизические исследования в науках о Земле» (г. Москва, 1997).

Структура и объем диссертации. Диссертация общим объемом 220 маш. стр. состоит из введения, 6-ти глав, заключения и списка литературы из 286 наименований. Она содержит 38 таблиц и 67 рисунков и фотографий. В главе 1 на основании литературных данных и результатов исследований автора сформулирована общая концепция развития магматических и метасоматических процессов в областях проявления мантийного базальто-идного магматизма. В главе 2 дана характеристика методики и техники экспериментальных работ. Глава 3 посвящена изучению растворимости петрогенных элементов и закономерностям формирования химического состава хлоридных растворов. В главе 4

излагаются результаты моделирования процессов метасоматоза в солянокислых растворах. В главе 5 рассматриваются особенности развития процессов метасоматоза и гранитизации пород базальтового состава в условиях привноса хлоридными растворами в зону реакций щелочных элементов и кремнезема и механизма образования кислых расплавов. В главе 6 на основании полученных экспериментальных данных проводится анализ физико-химических условий формирования базальт-риолитовых и габбро-гранитных ассоциаций и скарново-магнетитовых месторождений.

Благодарности. Общая постановка проблемы была стимулирована научными идеями Д. С. Коржинского. Результаты ранних этапов работы были просмотрены Д. С. Коржинским и рекомендованы для опубликования. На протяжении всей работы в ней принимал непосредственное участие и оказывал всестороннюю поддержку д. г.-м. и. В. Н. Анфилогов. Отдельные разделы работы были выполнены совместно с член-корр. АН СССР

A. М. Дымкиным, к. г.-м. н. Н. Д. Знаменским и Г. С. Нечкиным, д. г.-м. н. В. В. Холодновым. Автор признателен д. х. н. Б. Н. Ры-женко за ценные замечания при рецензировании рукописи монографии по геохимии петрогенных элементов в растворах. Исследования по механизму образования кислых расплавов стали возможными благодаря предшествующим приоритетным работам д. х. н. М. Б. Эпельбаума и консультациям с ним.

Большой объем экспериментов был выполнен благодаря технической помощи механиков автоклавной В. С. Волкова,

B. В. Шиловских и Е. Н. Мурдасова. Химические анализы состава растворов проведены В. Я. Огородовой, Г. М. Ятлук, JI. А. Па-утовым, A. JI. Котельниковой, Г. Г. Кориневской. В диагностике фазового состава метасоматитов оптическими методами большую помощь автору оказали JI. Г. Егорова, Н. И. Вализер, Е. И. Сорока, а рентгеновскими методами — Н. И. Кашигина и Т. М. Рябухина. Микрозондовые анализы выполнены к. ф.-м. н. В. А. Котляровым, А. Ю. Волковым и В. А. Муфтахо-вым, Т. Я. Гуляевой.

Условные обозначения : Ab — альбит, AFsp — щелочной полевой шпат, Amph — роговая обманка, An — анортит, And — андалузит, Ath — антофиллит, Aug — авгит, Bt — биотит, Chi — хлорит, Cor — корунд, Срх — клинопироксен, Crb — кристобалит, Crd — кордиерит, Kfs — калиевый полевой шпат, L — расплав кварц-альбит-ортоклазового состава, 01 — оливин, Phi — флогопит, PI — плагиоклаз, Prl — пирофиллит, Qtz — кварц, Tic — тальк.

Глава 1. ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ЗАДАЧ

Проблема формирования базальт-риолитовых и габбро-гранитных ассоциаций и генетически связанных с базальтоид-ным магматизмом различных типов рудных месторождений относится к числу наиболее сложных в современной петрологии. Дискуссионность ее обусловлена разнообразием механизмов, способных привести к разделению компонентов базальтовых расплавов, в результате проявления процессов кристаллизационной, ликвационной, флюидо-магматической дифференциации, и возможностью образования кислых расплавов путем контактового плавления сиалического корового материала. В условиях насыщения базальтовых магм летучими компонентами и отделения флюидной фазы решающее значение могут приобретать процессы метасоматической дебазификации и фельдшпатизации пород основного состава и образования кислых расплавов (Коржинский, 1952, 1972, 1973; Овчинников, 1973; Жариков, 1987 и др.).

К настоящему времени накоплен обширный материал по составу и концентрациям летучих компонентов в магматических расплавах (Бушляков, Холоднов, 1986; Кадик и др., 1971; М. Коржинский, 1983; Маракушев, Перчук, 1974; Наумов и др, 1995, 1997; Перчук, Лаврентьева, 1979; Рябчиков, 1975; Рябчиков и др., 1984; Холоднов, 1993; Ярмолюк, 1979 и др.), свидетельствующий о хлоридной специфике мантийных базальтовых расплавов, накоплении в них воды и возможности отделения водно-хлоридных флюидов. При изучении природных и модельных флюидо-магматических и гидротермальных систем в гипабис-сальных и субвулканических условиях установлено разделение хлоридных флюидов на фазы, обогащенные кислотным и солевым компонентами (Коротаев, Кравчук,1985; Равич, 1974; Рябчиков, 1975; Bodnar &., 1985; Lowenstem,1993; Souririjan, Kennedy, 1962 и др.), вследствие чего особенности проявления процессов метасоматоза и гранитизации могут быть обусловлены воздействием растворов с различными значениями концентраций хлора и их кислотности.

Экспериментально установлено (Nakamura, Kashiro, 1974; Ryabchikov, Boettcher, 1980; Рябчиков, 1987; Горбачев и др., 1994) преобладание в составе флюидов, находящихся при высоких РТ-параметрах в равновесии с отдельными минералами и базальтовым расплавом, кремния, натрия, калия и возникновение пересыщения растворов данными элементами при снижении дав-

ления, что снимает проблему появления крем нещелочных флюидов при базальтоидном магматизме.

В серии экспериментов по моделированию процессов гранитизации (Эпельбаум и др, 1986, 1989; Жариков и др., 1990, 1994; Граменицкии, Лунин, 1996) показана возможность образования гранитных расплавов как путем декомпрессии флюидной водной фазы, находящейся в равновесии с базальтовым расплавом, так и в результате реакций высокотемпературных растворов различного состава и кислотности с кристаллическими породами в изобарических условиях. Установлено влияние кислотности хлоридных растворов на снижение температуры образования первых выплавок и изменения их состава.

Отмеченные экспериментальные исследования характеризуют лишь общие узловые вопросы рассматриваемой модели. Для детализации представлений об особенностях развития процессов метасоматоза и генерации кислых расплавов в среде магматических пород основного состава под воздействием водно-хлоридных растворов необходимо получение информации о характере обменных реакций между ними. Для гипабиссальных габбро-гранитоидных интрузий со скарново-магнетитовым типом железооруденения первоочередной задачей экспериментальных исследований является определение влияния составных частей хлоридных растворов — воды, концентрации кислотного — НС1 и солевых — ШС!, КС1 компонентов на особенности изменения состава растворов и метасоматитов на заключительных этапах магматической деятельности в диапазоне температур 800—600 °С и давлении 1 кбар, с которыми связано формирование рудообра-зующих гидротермальных растворов.

Глава 2. МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

По методическим особенностям выполнено две серии экспериментов: 1) эксперименты по изучению растворимости петро-генных элементов и формам их миграции в водных и хлоридных растворах с дополнительной информацией по валовому минеральному составу метасоматитов, 2) эксперименты по изучению минеральных равновесий, особенностям формирования метасо-матической зональности и условиям генерации кислых расплавов.

В опытах по изучению растворимости петрогенных элементов в качестве исходных веществ использовался базальт Ключевского вулкана, титаномагнетитовое габбро Кусинского интру-

зива, монофракции оливина, авгита, роговой обманки и в качестве эталона сравнения ■— липарит Камчатки. Для изучения растворимости железа и титана дополнительные опыты проводились с магнетитом и рутилом, синтезированных соответственно гидротермальным и расплавным методами. Основной объем исследований по изучению минеральных равновесий и условий генерации гранитных расплавов был выполнен на примере моделей с базальтом.

Для приготовления растворов использовались бидистилли-рованная и тридистиллированная вода и реактивы НС1, ТЧаС], КС1 марки о.с.ч. Концентрация кислотного и солевого хлоридного компонента в исходных растворах изменялась в пределах от 0.00001 до 3—4 моль/кг Н20. Для оценки миграционной подвижности железа и титана в гидротермальных процессах были проведены дополнительные опыты с щелочными растворами ИаОН ± ЬтаС1, К2С03 ± КС1 и фторидными растворами НР и КР.

Эксперименты проводились в золотых ампулах 5x0.1x60, 8x0.1x80 и 10x0.2x100 мм, в которые, в зависимости от их-объема, загружали от 0.1 до 0.5 г порошка проб фракции 0.06—0.1 или 0.1—0.5 мм и от 0.2 до 1.0 мл раствора заданного состава. В опытах по изучению растворимости петрогенных элементов весовое отношение раствора к пробе (р/п) было стандартным и равным 2, а в опытах по изучению минеральных равновесий значения р/п составляли 2, 4 и 10. Для моделирования мета-соматической зональности часть опытов была проведена по методике, разработанной Г. П. Зарайским (1981, 1989) в титановых вкладышах при р/п = 20.

Контейнер с заваренными ампулами в количестве 6—8 шт. помещали в реактор, изготовленный из жаропрочного сплава ЭИ-437БУ, который с помощью капилляра подключался к гидротермальной установке высокого давления, оборудованной блоком внешней поддержки давления, позволяющим производить закалку в изобарических условиях. Нагрев реактора осуществлялся в вертикальных печах с двумя автономными нагревательными секциями. Регулировка температуры производилась с помощью ВРТ-3, а ее измерения — потенциометрами ПП-63 и КСП-4. Давление измерялось манометрами СВ-2500. Парциальное давление кислорода в ампулах задавалось буфером С?РМ, а с внешней стороны контролировалось буфером N6. Продолжительность опытов составляла от 4 до 13 суток. Закалку реактора производили проточной водой со средней скоростью 2—3 °С/сек. Для уменьшения влияния закалочных явлений на процессы конденсации элементов из раствора

охлаждение реактора в высокотемпературной области производилось при постоянном давлении и лишь при температурах ниже 400—300 °С осуществлялся плавный сброс его. Герметичность ампул контролировали их взвешиванием до и после опытов.

В экспериментах по изучению растворимости петрогенных элементов шихта после опытов разрыхлялась и тщательно промывалась 50—100 мл 0.1—0.7 m раствора НС1 с целью извлечения элементов, осажденных при закалке. В опытах по изучению минеральных равновесий колонка шихты промывалась растворами НС1 лишь с поверхности, а в дальнейшем разбиралась послойно или предварительно цементировалась циакрином для приготовления петрографических шлифов и микрозондовых препаратов.

Определения содержания элементов в растворах проводили фотоколориметрическими (ФЭК-56, КФК-2) и атомно-абсорб-ционным (Perkin-Elmer, mod. 3110) методами. Внешний контроль осуществляли: по Si, Na, К, Са — атомно-абсорбшюнным методом в Институте геохимии СО РАН, по Ti — атомно-эмис-сионным методом в Институте электрохимии УрО РАН. Результаты анализа состава растворов использовались для построения диаграмм зависимостей содержания элементов от концентрации кислотного или солевого хлоридного компонента. По тангенсу угла наклона кривых растворимости производилась оценка доминирующих форм комплексного соединения элемента в растворах в условиях проведения опытов.

Изучение минерального состава проб после опытов производилось оптическими и рентгеновскими (ДРОН-2.0, УРС-2) методами. Химический состав минералов и стекол расплавов определялся в Институте минералогии УрО РАН — на растровом электронном микроскопе РЭММА-202М, оборудованном энергодисперсионным и волновым анализаторами, и на микроанализаторе «Jeol Superprob 733» и в Институте геологии и геохимии УрО РАН — на микроанализаторе «JXA-5». Результаты изучения минерального состава проб использовались для построения диаграмм фазового состояния изученных систем.

Глава 3. МИГРАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ПЕТРОГЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ КАТИОННОГО СОСТАВА ХЛОРИДНЫХ РАСТВОРОВ

Особенности поведения петрогенных элементов во флюи-до-магматических и гидротермальных процессах детально изучены лишь на примере моделей с гранитоидами (Бэрнем, 1972;

Зарайский, 1989; Кравчук и др., 1987, 1992; Малинин, Кравчук, 1991; Рыженко и др., 1996; Рябчиков, 1975; Чевычелов, Эпельба-ум, 1985; Holland, 1972; Whitney &, 1985 и др.) и фрагментарно — в системах с породами основного состава (Донских, Котов, 1990; Горбачев и др., 1994; Хитаров и др., 1970; Ellis, 1968 и др.). Несмотря на обилие информации о закономерностях поведения петрогенных элементов в водных и водно-хлоридных растворах в системах с отдельными минералами — кварцем, полевыми шпатами, корундом, пироксеном, фанатом, волластонитом, тальком, магнетитом , гематитом и т.д. (Бэрнем и др., 1973; Танеев, 1974; Зырянов, 1981; Коржинский, 1985, 1987, 1989, 1991; Сорокин и др., 1981; Шведенков, Шведенкова, 1982; Adams, 1968; Anderson, Burnham, 1965; Boctor &, 1980; Chou, Eugster, 1977; Frantz &, 1981; Kennedy &, 1962; Popp, Frantz, 1979, 1980 и др.), по РТ-условиям проведения экспериментов лишь небольшая часть их может быть непосредственно использована для исследуемой нами области.

Проведенные нами исследования с базальтом, габбро, липаритом, оливином, пироксеном, роговой обманкой, магнетитом и рутилом показали (Пуртов, Ятлук, 1984, 1987; Пуртов, Котель-никова, 1992, Пуртов, Егорова, 1995), что основные закономерности накопления, миграции и осаждения элементов определяются анионным составом и кислотностью растворов, а не массой элементов в составе исходных проб.

Натрий и калий являются преобладающими элементами как в водных, так и в хлоридных растворах. Концентрация их в водной фазе системы липарит-вода при температурах 600—800 °С составляет 0.017—0.020 m, а системы базальт-вода — 0.011— 0.017 ш. Основными формами нахождения натрия и калия в водных растворах являются нейтральные комплексные частицы NaOH° и КОН0, что предопределяет слабощелочную специфику образующихся растворов. Влияние хлора на увеличение растворимости щелочных элементов проявляется лишь при переходе через точку нейтральности в кислую область, определяемую отношением: Шца0 > niNa0H°+ кон°- При mHci выше 0.01 устанавливается линейная зависимость между содержанием HCl в исходных растворах и концентрацией в них щелочных элементов, свидетельствующая о преобладании в этой области хлоридных комплексов МаСГ и КСР. Во всем изученном диапазоне концентраций HCl растворимость натрия выше чем калия и отношение K/Na в растворах изменяется с ростом концентрации от 0.2 до 0.5—0.6.

Кремний не образует с хлором комплексных соединений и содержание его в растворах слабо зависит от концентрации HCl. В системе липарит-вода при температурах 600—800 °С и давлении 1 кбар концентрация кремния в водной фазе составляет 0.04—0.05 m и соответствует растворимости кварца в воде при тех же РТ-параметрах (Anderson, Burnham, 1965; Morey, Hesselgesser, 1951). В опытах по обработке водой базальта, габбро и роговой обманки концентрация кремния в водной фазе в 1.5—2 раза ниже растворимости кварца. С ростом концентрации HCl содержание кремния в хлоридных растворах достигает значений растворимости кварца и при тна > 0.1 стабилизируется на этом уровне. Увеличение в растворах концентрации NaCl приводит к снижению содержания кремния в растворах до уровня растворимости альбита. В системе оливин-Н20-НС1 концентрация кремния в растворах на 0.7—0.3 лог. ед. ниже растворимости кварца и верхний предел концентраций его в кислых хлоридных растворах определяется растворимостью талька, образующегося при реакциях растворов с оливином.

Алюминий. Информация о концентрациях алюминия в водных и хлоридных растворах по данным литературных источников противоречива, что объясняется низкой его растворимостью и погрешностями в определениях. Нижний предел концентраций алюминия в водных растворах в форме А1(ОН)3°, установленный нами в опытах по обработке базальта и роговой обманки водой при температурах 600—800 °С и давлении 1 кбар, составляет 1.0 ±0.510"4 ш. С ростом концентрации HCl растворимость алюминия увеличивается, вследствие образования гидроксохло-ридных комплексов А1(ОН)2С1° , и достигает 5—7-10"J m в 1.0 m растворах HCl. Произведенные оценки нижнего и верхнего пределов миграционной подвижности алюминия находятся в соответствии с данными о концентрациях его в системах корунд-Н20 (Ragnarsdottir, Walther, 1985) и корунд-Н20-НС1 (Коржинский, 1987). Содержание алюминия в растворах NaCl весьма слабо зависит от концентрации хдоридного солевого компонента и находится на уровне растворимости его в воде.

Кальций и магний имеют низкую растворимость в форме гидроксокомплексов Са(ОН)°2 и Mg(OH)°2 в пределах 1—310° ш. Влияние хлора на увеличение миграционной подвижности этих элементов начинает проявляться: для кальция — при m!ICi > 0.001, а для магния — при mHci > 0.01.

Доминирующими формами миграции элементов в этой области становятся гидроксохлоридные комплексы с одним атомом хлора — Са(ОН)С1° и Mg(OH)Cl°. При увеличении концентрации HCl от 0.001 до 2.0 ш растворимость кальция увеличивается на два порядка, а растворимость магния — на порядок, вследствие чего для кислых хлоридных растворов характерно высокое Ca/Mg отношение.

Железо. Нижний предел миграционной подвижности железа в форме гидроксокомплексов при температурах 600—800 °С и давлении 1 кбар, оцениваемый по растворимости его в воде в системах с базальтом, габбро, роговой обманкой и липаритом, составляет 2—5 10"4 ш. Влияние хлора на увеличение растворимости железа начинает проявляться при концентрациях HCl выше 0.001 ш, где устанавливается линейная зависимость между тре и тНсь свидетельствующая об образовании в этой области гидро-ксохлоридных комплексов Fe(OH)Cl°. В целом, при увеличении концентрации HCl от 0 до 3—4 m содержание железа в растворах увеличивается на 3 порядка.

Увеличение в растворах концентрации NaCl и KCl от 0.1 до 2—5 щ приводит к повышению содержания железа на 0.5—1.0 лог. ед., при этом растворимость железа в калиевых растворах выше, чем в натриевых. При подкислении растворов Хлоридов натрия и калия растворимость железа увеличивается, а при подщелачивании их — снижается до уровня растворимости его в воде.

Исследования по растворимости магнетита в растворах HCl и HF показали, что хлор и фтор оказывают большое влияние на процессы миграции железа в области кислых растворов, но при одинаковых концентрациях хлора и фтора содержание железа в хлоридных растворах на 0.5 лог.ед. выше, чем во фторидных.

Установлено, что содержание магнетита в метасоматитах может являться индикатором кислотных свойств гидротермальных растворов: реакции щелочных, нейтральных и слабокислых растворов с железмагнезиальными силикатными минералами приводят к увеличению содержания магнетита в пробах после опытов, в то время как в реакциях с кислыми растворами содержание магнетита в пробах соответствует исходным значениям или снижается ниже исходного уровня.

Титан характеризуется самой низкой миграционной подвижностью из рассмотренных петрогенных элементов. При температурах 400—700 °С и давлении 1 кбар нижний предел

миграционной подвижности титана в форме гидроксокомплексов, оцениваемый по растворимости рутила в воде, составляет около 1.0 10"6 т. Влияние хлора на усиление миграционной подвижности титана начинает проявляться при тна > 0.001—0.01, a фтора — при m1IF > 0.0001. При одинаковых концентрациях НС1 и HF растворимость титана в хлоридных растворах ниже, чем во фто-ридных, и различия в растворимости увеличиваются с ростом концентрации кислотных компонентов до 1.0 лог. ед. в одномо-ляльных растворах. При концентрациях кислотных компонентов 0.1—1.0 m доминирующими формами "миграции титана становятся гидроксохлоридные комплексы — Ti(OH)3Cl° и гидро-ксофторидные комплексы — Ti(OH)2F2°. По сравнению с гидро-ксокомплексами растворимость титана в форме данных комплексных частиц для хлоридных растворов увеличивается на 2 порядка, а для фторидных — на 3 порядка.

Влияние концентрации солевого компонента на изменения миграционной подвижности титана изучалось на примере моделей с рутилом и растворами КС1 и KF. Установлено, что увеличение концентрации КС1 от 0.01 до 1.0 m практически не оказывает влияния на изменения растворимости титана, в то время как увеличение концентрации KF приводит к росту содержания титана в растворах. Растворимость титана в растворах KF на 0.5 лог. ед. ниже, чем в растворах HF, что подтверждает данные М. Л. Барсуковой и др. (1979) о более высокой миграционной подвижности титана в кислых фторидных растворах по сравнению с щелочными.

Результаты экспериментов показали, что при давлении 1 кбар влияние температуры на растворимость петрогенных элементов в диапазоне 600—800 °С фактически не ощущается (рис. 1) и в. формировании катионного состава растворов решающую роль играют концентрация в них хлора и кислотность растворов.

На рис. 2 дана характеристика катионного состава растворов, формирующихся в системе базальт-Н20-НС1. По характеру поведения петрогенных элементов выделяются два типа растворов:

1. Растворы с низкой концентрацией НС1 = 0.0001—0.01 m, где накопление петрогенных элементов происходит в форме гидроксокомплексов. Они характеризуются низкой общей минерализацией — 1.5—2.2 г/кг Н20, преобладанием в их составе кремния и щелочных элементов, сумма которых составляет 80—90 мол. %, и слабой зависимостью изменения состава от концентрации НС1.

Ig га,

Ог

mHcl =0.001

Ig Ш| ОГ

-0-

-о

X-

д-

-X -А

V-

600

700

т„с

800

Т1„а=1.0 -+

од-

-X-

-о--д-

л.

-X

-о -д

-а

01 ХЗ

• 5

+ 2

Д4 □ 6

600

_1_

700

Т.°С

800

Рис. 1. Зависимости содержания элементов в растворах от температуры при концентрациях HCl 0.001 и 1.0 m

1 —Si, 2 —Na+ К, 3 —Ca,4 —Mg, 5 —Fe, 6—AI, 7 — Ti

Концентрационный ряд подвижности элементов для них имеет следующий вид: Si» Na+K » Ca, Mg,Fe » AI.

2. Растворы с концентрацией HCl = 0.1—2.0 ш, где доминирующими становятся гидроксохлоридные и хлоридные комплексы. Общая минерализация этих растворов повышается до 44—46 г /кг Н20 и, главным образом, за счет накопления в них натрия, калия, железа и кальция, сумма которых достигает 90 мол. %. Соотношения концентраций элементов с ростом кислотности растворов постоянно изменяются и концентрационный ряд их подвижности при тис = 1—2 имеет вид: Na+K > Fe > Ca » Si > Mg > AI. При пересчете катионного состава растворов на хлоридные комплексы с одним атомом хлора устанавливается присутствие в растворах ассоциированной НС1° в количествах от 20 до 50 % по сравнению с исходными значениями, что коррели-руется с низкими значениями pH закалочных растворов. Отношения Fe/Ca в растворах в этой области аналогичны их значениям в равновесии с геденбергит-фаялит-кварцевой ассоциацией (Кор-жинский, 1987), а отношения Fe/Mg согласуются с данными по зависимости железистости кордиерита от концентраций РеС12 и MgCl2 (Eugster, Jlton, 1983).

Для описания особенностей развития процессов метасоматоза наряду с концентрационным рядом подвижности важнейшей характеристикой является степень извлечения петрогенных элементов, определяемая как отношение содержания элемента в

•з

-3

'гт.

Рис. 2. Количественные соотношения элементов в растворах системы базальт — Н,0 — НС1 при температурах 600—800 °С и давлении 1 кбар

1—Э!, 2—Ыа + К, 3—Са. 4 — Ме. 5 — Ре, 6 — А1

растворе к содержанию его в исходной про бе, выраженная в процентах. Эта величина отражает общие условия исчезновения из метасоматических колонок минералов с определенным набором химических элементов и может быть отождествлена с миграционной активностью элемента по определению Г. П. Зарайского (1989). Расчетные данные показывают, что во всем изученном диапазоне концентраций НС1 наиболее низкие значения миграционной активности характерны для кремния, магния и алюминия, которые составляют: Б)'— 1.0 %, М§ — 0.2—5.2 %, А1 — 0.1—0.3 %, в то время как в 1—2 ш растворах НС1 из базальта полностью выносится калий, 50—70 % — натрия, 45—60 % — железа и 11—36 % — кальция. Очевидно, что увеличение весового отно-

шения раствора к породе на один порядок приведет соответственно к увеличению на один порядок степени выщелачиваемое™ элементов и смещению областей устойчивости минералов в сторону растворов с меньшими значениями концентраций HCl в исходных растворах.

Глава 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕТАСОМАТОЗА В СОЛЯНОКИСЛЫХ РАСТВОРАХ

Приведенные в гл. 3 экспериментальные данные свидетельствуют о том, что реакционная способность растворов определяется не валовым содержанием в них хлора, а лишь той ее активной частью, которая присутствует в форме НСР. Эксперименты с солянокислыми растворами характеризуют предельный случай, когда исходные растворы не содержат никаких петрогенных элементов и вынуждены вступать в реакции с породами, понижающими их кислотность. По отношению к природным процессам они наиболее близки к ситуации, когда вследствие высоких температур (выше 650 °С) и пониженных давлений в (меньше 1.5 кбар) в гипабиссальных и субвулканических условиях происходит разделение хлоридных флюидов с обособлением слабоминерализованной газовой фазы с низким содержанием солевых хлоридных компонентов и высокой активностью HCl.

Минеральные равновесия в системе базальт-Н20-НС1

Экспериментальные данные по растворимости петрогенных элементов дают возможность рассчитать химический состав продуктов реакций после опытов. На рис. 3 приведены результаты расчета химического состава базальта после опытов с растворами HCl для моделей с отношениями р / п = 2 и 20. Вследствие дифференцированного выноса из базальта щелочных элементов, железа и кальция, в продуктах реакций с увеличением кислотности растворов возрастает содержание наименее подвижных компонентов — SiO^ и А1203. При р / п = 20 в условиях высокой кислотности растворов выявляется область, где в подвижное состояние начинает переходить и магний. Эти данные относятся лишь к усредненному валовому составу метасоматитов. В действительности же, интенсивность протекания реакций растворов с колонкой базальта неравномерна и в тыловых зонах, находящихся в непосредственном контакте с раствором, значительные изменения химического и минерального состава базальта происходят

Л 2 □ 3 04 *5 +6

V--V-у-V

р / П = 2

Д-

■А^д

___«8-—

Шца

Рис. 3. Зависимость изменения валового химического состава ме-тасоматитов в системе базальт-Н20-НС1 от концентрации НС1 при температуре 600 °С, давлении 1 кбар и отношениях раствор / порода 2 и 20.

1— БЮг, 2 —А120з. 3 — СаО, 4 — (^О, 5—БеО, 6 —Ыа20+ К30

при более низких значениях концентрации НС1 в исходных растворах.

На рис. 4 представлена диаграмма фазового состояния системы базальт-Н20-НС1, полученная при отношении р/п = 2 для базальта кратера Киргурич Ключевского вулкана Камчатки следующего химического состава (в мае. %): БЮз — 52.40, ТЮ2 — 0.79, А1203 — 15.03, Ре203 — 3.15, РеО — 5.75, МпО — 0.17, М§0 — 9.96, СаО — 9.08, №20 — 2.70, К20 — 0.86,1 =100.1 и состоящего из плагиоклаза с основностью 50—55 %, моноклинного пироксена — авгита с железистостью 18—25 % и небольшого количества оливина, рудных акцессориев и вулканического стекла. Характеристика стабильных минеральных ассоциаций дана по составу тыловых зон метасоматических колонок. Наличие информации по катионному составу растворов и минеральному составу метасоматитов дает возможность представить процессы взаимодействия растворов НС1 с базальтом в виде серии реакций. В связи с подвижным поведением щелочных элементов во всем диапазоне кислотности растворов присутствие их в составе минералов не учитывалось !! для составления уравнений

г,»с:

Рис. 4. Диаграмма фазового состояния системы базальт-Н20-НС1. Точки — проведенные опыты.

реакций были использованы упрощенные теоретические формулы минералов.

Исходные оливин и пироксен базальта становятся неустойчивыми в растворах низкой кислотности и замещаются роговой обманкой:

1. OI + Si(OH)4 + СаС12 = Срх + (Mg,Fe)Cl2 + 2Н20

2. Срх + 0.25Ап + 1.5HCI = 0.25Amph + 0.75Qtz + 0.75СаС12 + 0.5Н20

Опыты с монофракцией авгита показали, что благодаря наличию в пироксене до 4 мае. % А120з, замещение его роговой обманкой происходит и в отсутствии плагиоклаза в исходной сис-:' теме:

3. Aug + 2.6НС1 = O.lAmph + 1.2Qtz + 0.6СаС12 + 0.7(Mg,Fe)Cl2 + + 1.3Н20

Реакциями 1—3 описываются процессы насыщения растворов петрогенными элементами в области низких концентраций НС1 — 0.00001—0.01 ш, где растворимость кальция, магния и железа мала и замещение пироксена зеленовато-бурой роговой обманкой с содержанием А1203 — 6.0—7.3 мае. % и железисто-стью 20—22 % происходит лишь с поверхности зерен. Исходный плагиоклаз базальта в этих условиях устойчив, но в результате выщелачивания натрия повышается его основность.

При концентрациях HCl выше 0.01 m увеличивается глубина проработки зерен пироксена, роговая обманка с периферии обесцвечивается и преобразуется в агрегат тонкоигольчатого магнезиального амфибола — антофиллита. Реакция протекает с образованием кварца и плагиоклаза и может быть записана в следующем виде:

4. Amph +ЗНС1 = 0.5Ath + An + Qtz + СаС12 + 0.5(Fe,Mg)Cl2 + 2H20.

При температурах 650 и 600 "С ассоциация Qtz + PI + Ath устойчива лишь в области пониженных значений mHci и с ростом концентрации HCl сменяется кварц-плагиоклаз-тальковой ассоциацией:

5. Ath + 8НС1 = Tic + 4Qtz + 4(Fe,Mg)Cl2 + 4H20.

В связи с низким содержанием хлоритового компонента в составе тальковой фазы (на пределе чувствительности рентгеновского анализа), присутствие его в составлении уравнения реакции не учитывалось.

При концентрациях HCl выше 1—2 ш в продуктах реакций практически полностью исчезают реликты оливина, пироксена, роговой обманки и при увеличении кислотности растворов насыщение их алюминием, кальцием, железом и магнием осуществляется путем реакций с плагиоклазом, антофиллитом и тальком с образованием кордиерита и кварца:

6. Ath + 2Ап+] 4НС1 = Crd + 7Qtz + 5(Fe,Mg)Cl2 + 2СаС12 + 8Н20.

7. Tic + 2An + 6НС1 = Crd + 3Qtz + (Fe,Mg)Cl2 + 2CaClz + 4H20.

В реакциях 4—7 растворимость железа постоянно увеличивается по сравнению с магнием и железистость кордиерита составляет лишь 1—3 мол. %, а основность плагиоклаза, вследствие выщелачивания натрия, повышается до 80—85 мол. %. В растворах 4.0 га HCl содержание кварца и кордиерита в пробах достигает 90—95 %, а плагиоклаз, антофиллит или тальк сохраняются в самых нижних частях метасоматических колонок. Вследствие высокой миграционной подвижности железа и низкой растворимости титана, доминирующим акцессорным минералом мета-соматитов становится рутил.

Задачей исследований при температурах 550 и 500 °С являлось определение нижней температурной границы устойчивости кордиерита и опыты проводились лишь в области концентраций HCl 0.5—4.0 ш. Установлено, что кордиерит образуется при температурах выше 525 °С, что согласуется с литературными оценками (Винклер, 1979; Зарайский, 1989;Yoder, 1952 и др.).

Вместе с тем отмечено, что при высоких концентрациях HCl в тыловых зонах колонок начинается замещение кордиерита

андалузитом по реакции, обусловленной повышением растворимости магния:

8. Crd + 4НС1 = 2And + 3Qtz + 2MgCl2 + 2H20.

При температуре 500 °С реакции растворов 4.0 m HCl с тальком и анортитом приводят к образованию пирофиллита и кристобалита:

9. Tic + An + 8НС1 = Prl + 2Crb + 3MgCl2 +CaCl2 + 4H20.

Образование кристобалита объясняется пересыщением растворов кремнием относительно растворимости кварца вследствие кислотного разложения силикатных минералов, а высокий химический потенциал кремния в растворах в свою очередь приводит к повышению верхней температурной границы устойчивости пирофиллита (Hemley &., 1980; Зарайский, 1989).

Особенностью опытов при температуре 500 °С является так же появление на фронте замещения пироксена хлоритовых зон и образование в растворах 2—4 m HCl вместо магнетита гематита. Последнее явление свидетельствует о прекращении работы внутреннего кварц-фаялит-магнетитового буфера и наружного буфера Ni-NiO в результате непроницаемости стенок золотых ампул для протона при температурах ниже 600 °С (Иванов, 1975; Popp, Frantz, 1977).

Минеральные равновесия в системе роговая обманка-Н20-НС1

Аналогичные исследования были проведены в системе роговая обманка-Н20-НС1, где для проведения опытов использовалась монофракция роговой обманки из кварцевого диорита Верх-Исетского массива, имеющая следующий химический состав (в мае. %): Si02 — 43.60, ТЮ2 — 2.08, А1203 — 10.85, Fe203 — 5.23, FeO — 12.67, MnO — 0.10, MgO — 11.06, CaO — 10.78, Na20 — 1.07, K20 — 0.97, H20 — 1.83.

Диаграмма фазового состояния этой системы (рис. 5) в целом аналогична предыдущей и свидетельствует о том, что основные закономерности изменения минерального состава метасома-титов для пород основного состава определяются реакциями растворов с темноцветными алюмосиликатными минералами, в присутствии которых плагиоклазы устойчивы в широком диапазоне концентраций HCl. Изучение данной системы позволяет более точно зафиксировать начало кристаллизации плагиоклаза из растворов, насыщенных кальцием, натрием, кремнием, алюминием, по появлению на поверхности шихты и стенок ампул единичных

Рис. 5. Диаграмма фазового состояния системы роговая обмаика-Н20-НС1. Точки — проведенные опыты.

его кристаллов и начала образования кварца по формированию на периферии отдельных зерен роговой обманки выщелоченного кварцевого слоя. В результате этого установлено, что плагиоклаз появляется в продуктах реакций при меньших концентрациях НС1 по сравнению с кварцем и увеличение температуры в этой системе приводит к более заметному смещению полей устойчивости минералов в сторону растворов с высокими значениями Шца-Особенностью данной системы является более высокое содержание железа в исходной шихте, в результате чего желез истость кордиерита здесь выше и составляет 6—10 мол. %.

Глава 5. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ МЕТАСОМАТОЗА БАЗАЛЬТА И ГЕНЕРАЦИИ КИСЛЫХ РАСПЛАВОВ В РАСТВОРАХ ХЛОРИДОВ НАТРИЯ И КАЛИЯ

Система базальт-Н20-КаС1-КС1-НС1-81(0Н)4 является моделью для изучения процессов метасоматоза магматических пород основного состава в условиях привноса растворами щелочных элементов и кремнезема. Взаимодействие кремнещелочных хлоридных растворов с базальтом должно привести к образованию кварц-полевошпатовых метасоматитов с различными соот-

ношениями кварца, полевых шпатов и темноцветных минералов, определяемых составом и кислотностью растворов. Исходя из экспериментальных данных по плавлению эвтектических смесей минералов Qtz+Ab+Or, Qtz+Ab, Qtz+Or в воде и растворах HCl при давлении 1 кбар (Tutti, Bowen, 1958; Эпельбаум, 1980, 1986; Кузнецов, Эпельбаум, 1985), при температурах выше 700—750 °С процессы метасоматоза базальта должны привести к образованию кислых расплавов.

Для изучения процессов, происходящих в данной модели, были исследованы упрощенные системы раздельно с натриевыми, калиевыми и калий-натриевыми растворами в виде двух серий экспериментов. В первой серии изучались процессы, происходящие без привноса кремнезема растворами, и изменения его активности в ходе эксперимента определялись концентрацией HCl в исходных растворах. Во второй серии для имитации привноса кремнезема на дно ампул с шихтой базальта помещался кубик кварца размером 2 мм и спрессованная таблетка тонкозернистого кварца такого же размера, благодаря чему возникала область насыщения порового раствора кремнием по кварцу. При построении диаграмм фазового состояния систем весовое отношение раствора к базальту в опытах было равно 2, концентрация солевого компонента составляла 1—2 m, а концентрация HCl изменялась от 0 до 3 ш. Для увеличения количества генерируемого расплава концентрация солевого компонента в ряде случаев увеличивалась до 2.5—4.0 m или увеличивалось до 4-х отношение р/п при сохранении пониженной концентрации солевого компонента.

1. Минеральный состав метасоматитов и условия образования кислых расплавов

Система базальт-Н20-№С1-НС1 +Si02

Фазовая диаграмма системы приведена на рис. 6. Взаимодействие растворов NaCl с базальтом приводит к замещению плагиоклаза альбитом, а пироксена — роговой обманкой. В отличие от предыдущей системы с растворами HCl, роговая обманка начинает обесцвечиваться с периферии без предварительного под-кисления растворов. При добавлении к раствору HCl увеличивается глубина проработки зерен пироксена с образованием амфибола, но интенсивность альбитизации плагиоклаза при этом снижается. Сопряженные реакции альбитизации и амфиболизации

т,°с 800-

750

700

650

600

Qtz "Crd

• •

Qtz PI Amph

Ab +Amph

Рис. 6. Диаграмма фазового состояния системы базальт-HjO-NaCl-HCl

^тнаа/тнс!

NaCl

протекают с поглощением кремния из растворов, в результате чего кварц в этой области не образуется: An+2Cpx+0.5Si(OH)4+NaCl+3HCl = Ab+0.5Amph+2CaC]2+2H20

Как показано в гл. 3, реакции взаимодействия растворов хлорида натрия с базальтом приводят к понижению содержания кремния в растворах по сравнению с растворимостью его в воде. Кварц в данной системе появляется лишь при отношениях mNaCi / mnci < Ю, где процессы альбитизации практически полностью затухают, вследствие чего в ассоциации с ним присутствует плагиоклаз базальта с основностью 50—55 % и игольчатый магнезиальный амфибол-антофиллит. При отношениях mNaCi / mHci < 3 основность плагиоклаза возрастает до 60—70 %, т. е данная система становится идентичной системе с растворами HCl. При температурах ниже 700 °С амфиболы в кислых растворах неустойчивы и стабильной становится ассоциация Qtz+Pl+Tlc+(Chl). В области растворов высокой кислотности в ассоциации с кварцем образуется кордиерит. Состав кордиерита в системах базальт-Н20-НС1 и базальт-Н20-ЫаС1-НС1 одинаков.

В связи с различиями в условиях образования альбита и кварца образование расплава кварц-альбитового состава в этой

Т: 800

750

700

Qtz +Crd

L • •

Qlz + Pl+Amph

• •

Рис. 7. Область образования кислых расплавов при взаимодействии базальта с растворами ЫаС1-НС1 в присутствии кварцевого буфера

-i L.

2 i

-1 0 1

^т^с/Шнп mNaCI

системе не происходит. Изучение системы с натриевыми растворами и кварцевым буфером проводилось в более узком диапазоне температур 750—800 °С с целью оконтуривания области генерации кислых расплавов в условиях насыщения растворов щелочными элементами и кремнием. Опыты показали, что в системе базальт-Н20-№С1-НС1+8Ю2 при температуре 800 °С появляется расплав кварц-альбитового состава (рис. 7). Максимальное количество расплава — до 10 % по отношению к навеске базальта наблюдается в опытах, проведенных без добавок HCl, а с увеличением кислотности исходных растворов количество расплава снижается.

Системы базальт-Н20-КС1-НС1 ±Si02 и базальт-Н20-КСМЧаС1-НС1±8Ю2

Диаграмма фазового состояния системы базальт-Н20-КС1-НС1 приведена на рис. 8. При взаимодействии растворов KCl с базальтом по периферии зерен плагиоклаза и пироксена развивается тонкозернистый агрегат калиевого полевого шпата и биотита. Роговая обманка в виде тонкой реакционной каймы образуется лишь на фронте замещения железо-магнезиальных минералов. Реакции растворов KCl и КС1+НС1 приводят к появлению избытка .кремнезема в системе:

An + ЗСрх + 2КС1 + 6НС1 = Kfs + Bt + 2Qtz + 4СаСЬ + 2Н20, однако в, растворах с низкой кислотностью кварц не образуется в результате перераспределения кремния между поровым и свободным объемом флюида. Появление кварца наблюдается при отношениях тш / mHci < 15. В связи с увеличением растворимости железа, в этой области вместо биотита образуется флогопит с железистостью 8—12 %.

т,°с 800-

750

700

650

600

СПг +Сг<1

• • •

• •

+РЫ

КГэ +В1

• о

_1_

О 1

'8 тка /тн

Рис. 8. Диаграмма фазового состояния системы базальт-Н20-КС1-НС1

Дальнейшее повышение кислотности растворов приводит к снижению интенсивности калиевого метасоматоза и увеличению отношения содержания кварца к калиевому полевому шпату. При отношениях тКС1 / тНа < 2—3 в ассоциации с кварцем и флогопитом появ-в котором до 50 %

ляется плагиоклаз с основностью 50—60 % Ыа20 замещено К20. При отношениях тКС1/ тна < 1 стабильной становится ассоциация кварца с кордиеритом, а в качестве мета-стабильных фаз в этой области присутствуют основной плагиоклаз и флогопит, количество которых с ростом кислотности снижается. Реакция образования кварца и кордиерита в этом случае может быть записана в следующем виде

Ап + 2РЫ + 12НС1 = Сгс1 +3(^г + 2КС1 + СаС12 + + 4(Ре,М§)С12 + 8Н20 Наиболее важной особенностью данной системы является наличие при температурах выше 700 °С в диапазоне отношений Шкс1 I Шнс1 от 15 до 0.7 области, где процессы метасоматоза базальта сопровождаются образованием расплавов кварц-альбит-ортоклазового состава с содержанием альбитового компонента 5—9 мол. %. Количество расплава зависит не только от температуры, но и кислотности растворов, так как оно лимитируется низкой активностью кремния в слабокислых растворах и низкой активностью щелочных элементов в сильнокислых растворах. При температуре 800 °С количество расплава в крайних точках этой

области меньше 1 %, а максимальное — до 10 % наблюдается при отношении тКа / тна = 3-

Фазовая диаграмма системы базалы-Н20-КаС1-КС1-НС1 в целом аналогична предыдущей. Различия выражаются в калий-натриевом составе полевых шпатов и в присутствии в ассоциации с биотитом роговой обманки, а в области растворов высокой кислотности — ассоциации флогопита с магнезиальным амфиболом. Количество амфибола невелико даже при высоких отношениях тКаа / т ка в растворах. В растворах повышенной кислотности амфибол наблюдается преимущественно в верхних частях метасоматических колонок в виде тонкоигольчатых агрегатов на поверхности шихты и на стенках ампул, в то время как флогопит развит по всей длине колонок. При отношениях тЫаС1+кс1/ тна < 3 амфиболы исчезают и по минеральному составу система с калий-натриевыми растворами становится идентичной системе с калиевыми растворами.

Образование расплавов кварц-альбит-ортоклазового состава в этой системе происходит также при температурах выше 700 °С в диапазоне отношений тГчаС|+кс1 / тНа от 15 до 0.7. Отличием от предыдущей системы является повышенное содержание в выплавках альбитового компонента в области растворов пониженной кислотности, в то время как составы выплавок в калий-натриевых и калиевых растворов высокой кислотности сближаются. В обеих системах повышение кислотности растворов приводит к снижению температуры образования первых выплавок.

Результаты экспериментов с калиевыми и калий-натриевыми растворами показали, что в присутствии кварцевого буфера область генерации кислых расплавов расширяется в сторону растворов с исходной низкой кислотностью (рис. 9). Наибольшее количество расплава (до 15—20 %) образуется в растворах КС1 и КС1+ КаС1 без их подкисления НС1, а при повышении кислотности растворов количество расплава постепенно снижается. Установлено также, что при увеличении кислотности растворов область генерации расплавов смещается с нижних к верхним частям колонки базальта, в результате чего при отношениях тКа / тна и тксмчаа I тнс1 < 5—6 кварц на дне ампул не имеет пленочного расплава и обе модификации систем — с кварцевым буфером и без буфера — становятся идентичными.

В опытах с растворами КС1 и КС1+К'аС1 минимальные температуры образования первых выплавок находятся в диапазоне 750—730 °С, т. е. они несколько ниже температур кварц-ортокла-зового и кварц-альбит-ортоклазового минимумов в присутствии

T. 800

750

700

650

°C

ООО

•oo

oo о

• о

Qtz + Kfs (AFsp) + Bt + Ampli . 1 02

Igm

KCl+NaCl

J L

2 1

/ m

HCl

3 5

mK.Cl+NaCl

Рис. 9. Область образования кислых расплавов при взаимодействии базальта с растворами КС1-НС1 (1) и КС1-ЫаС1-НС1 (2) в присутствии кварцевого буфера.

воды (Tutti, Bowen, 1958; Эпельбаум, 1980, 1986). Причиной снижения температур начала плавления, по-видимому, является увеличение активности НС1 в ходе эксперимента в результате конденсации щелочных элементов в расплав. После опытов рН закалочных растворов хлоридов калия и натрия составляет 0—1, т. е. по сравнению с исходными растворами активность НС1 увеличивается на несколько порядков. Дополнительное подкисление растворов хлоридов щелочных элементов приводит к дальнейшему снижению температур образования первых выплавок до 700 °С.

2. Механизм образования расплавов

Экспериментальное изучение систем, содержащих кварц и щелочные полевые шпаты, показывает возможность проявления различных механизмов плавления. При низкой насыщенности пород водой процессы плавления развиваются лишь на стыках зерен кварца и полевых шпатов и скорость образования пленочного расплава лимитируется низкими коэффициентами диффузии в расплаве наименее подвижных компонентов — кремния и алюминия (Mehnert &, 1973; Busch &, 1974; Анфилогов, Пуртов,

1977). При избытке воды в системе и обособлении ее в самостоятельную флюидную фазу в образовании расплавов ведущую роль начинают играть процессы диффузии компонентов во флюиде, благодаря чему расплав образуется на поверхностях пространственно разобщенных зерен кварца, альбита и калиевого полевого шпата (Боголепов, Эпельбаум, 1988; Эпельбаум, Боголепов, 1989; Жариков и др., 1994).

В рассматриваемых нами системах с базальтом оба этих механизма не могут реализоваться, так как кварц и щелочные полевые шпаты в исходных пробах отсутствуют и при температурах выше солидуса гранита образование кварца и щелочных полевых шпатов в процессе метасоматоза может осуществляться лишь раздельно в качестве избыточных компонентов по отношению к составу гранитной котектики. Приведенные в работах М. В. Боголепова и М. Б. Эпельбаума данные об одинаковом составе расплава на поверхностях пространственно разобщенных зерен кварца, альбита и калиевого полевого шпата свидетельствуют о том , что флюид насыщен компонентами расплава до уровней растворимостей кварца и полевых шпатов и образование расплава может происходит на поверхностях всех фаз, омываемых флюидом, путем конденсации расплава непосредственно из раствора.

Явления конденсации расплава из флюида отмечены в литературе по наличию на поверхности шихты и стенках ампул после опытов шариков стекла и объясняются процессами закалки (Коваленко, 1979; Кравчук и др., 1987; Некрасова и др., 1994 и др.). Проведенные нами исследования по растворимости петро-генных элементов показали, что при давлении 1 кбар в диапазоне 600—800 °С температурная зависимость растворимости всех пет-рогенных элементов отсутствует и при закалке в изобарических условиях влияние снижения температуры на процессы конденсации из растворов элементов как в форме кристаллических фаз, так и расплава крайне незначительно. Очевидно, что разделение петрогенных элементов из растворов с образованием кристаллических фаз и расплава могло осуществляться лишь в ходе проведения опытов.

Образование расплава в системах без кварцевого буфера

Для расшифровки механизма образования кислых расплавов в процессе метасоматоза базальта наиболее информативными на первом этапе исследований являются опыты, проведенные с растворами хлоридов натрия и калия без кварцевого буфера

и с крупной (0.1—0.5 мм) фракцией шихты. Образование расплава здесь происходит в колонке метасоматически измененного базальта из порового и межзернового флюида и из свободного объема раствора над колонкой.

Процесс заполнения пор расплавом наблюдается в следующей последовательности (рис. 10). Первоначально при пониженной кислотности растворов — тКС|ШаС11 тна = 12 — на внутренних стенках пор, сложенных токозернистым агрегатом слюды, амфибола и реликтов исходных минералов базальта, образуется пленка расплава. В результате этого формируются окруженные тонкой реакционной каймой (5—10 мкм) микрокамеры. Появление в шихте базальта стекловидной оторочки на внутренних стенках пор позволяет зафиксировать начало плавления в системе. При увеличении кислотности растворов толщина каймы сохраняется постоянной, но внутри пор после опытов наблюдаются прозрачные шарики стекла, не имеющие жесткой связи со стенками пор и свободно извлекаемые из них при вскрытии. Диаметр шариков увеличивается с ростом кислотности растворов, в результате чего мелкие поры полностью заполняются расплавом, а в наиболее крупных порах степень заполнения их шариком стекла достигает 70—80 % (рис. 11).

Данное явление не может быть интерпретировано процессами конденсации расплава из порового флюида при закалке. Количество расплава, способного конденсироваться из раствора, может быть оценено по растворимости в нем наименее подвижного компонента — алюминия. При температурах 700—800 °С и давлении 1 кбар концентрация алюминия в кислых хлоридных

Рис. 10. Схема образования расплава из порового флюида в шихте базальта при отношениях ш ка+ью /т на в растворах: 10 (а), 5 (б), 3 (в)

1 — метасоматический измененный базальт, 2 — остеклованная кайма по периферии микрокамеры, 3 — шарики стекла

Рис. 11. Электронно-микроскопический снимок микрокамеры в шихте базальта. метасоматически измененного раствором 0.7 m NaCl + 0.8КС1 + 1.0 m HCl. T = 800 °C, P = 1 кбар

I — остеклованная кайма, 2 — шарик стекла.

растворах не превышает 0.003 моль / кг Н20 и количество образующегося расплава даже при полном осаждении алюминия в этом узком температурном интервале настолько незначительно, что степень заполнения пор расплавом при закалке составляла бы 0.01—0.03 %. Очевидно, что заполнение микрокамер расплавом могло осуществляться лишь путем постоянного диффузионного подтока компонентов из межзернового флюида окружающей среды и конденсацией их внутри пор в ходе эксперимента. Избыточные по отношению к расплаву компоненты флюида конденсировались на оплавленных стенках микрокамер в виде кристаллических фаз, в результате чего поверхность их покрывалась слюдистым материалом. После заполнения микрокамер расплавом диффузия внутрь их элементов прекращалась и расплав начинал формироваться в межзерновом флюиде в виде пленочного расплава на поверхностях всех минералов, вследствие чего пленочное стекло содержит в себе многочисленные включения слюды, амфиболов и практически неизмененных плагиоклаза и пироксена базальта.

Возможности образования расплава из свободного объема растворов над колонкой базальта ограничиваются более высокой его массой по сравнению с массой порового флюида. Вследствие этого, для насыщения растворов хлоридов щелочных элементов кремнием и алюминием необходима более глубокая кислотная переработка исходных минералов базальта. О последовательности развития этих процессов можно качественно судить по харак-

теру смещения зон образования расплавов в метасоматических колонках с ростом кислотности растворов (рис. 12).

При пониженной кислотности хлоридных растворов реакции протекают лишь с поверхности минералов и в условиях активного массообмена между раствором и базальтом верхние части метасоматических колонок характеризуются ненасыщенностью порового раствора кремнеземом и расплав здесь не образуется. С увеличением кислотности растворов и глубины проработки зерен темноцветных минералов область насыщения порового флюида кремнеземом и соответственно образования расплава расширяется на всю длину колонки, но возможность образования расплава из раствора над колонкой лимитируется низким содержанием в нем алюминия. Формирование расплава из свободного объема раствора начинается при отношениях тка,кас1 / тНа= 3—4, о чем свидетельствует появление на поверхности шихты и на стенках ампул многочисленных мелких шариков стекла (рис. 13) общей массой не более 1—2 мг. Дальнейшее увеличение кислотности не приводит к существенному увеличению количества расплава, так как параллельно с повышением концентрации алюминия в растворе с ростом кислотности растворов происходит увеличение коэффициентов распределения щелочных элементов между флюидом и конденсированными фазами. Вследствие этого, расплав образуется лишь в приповерхностной части колонки и на стенках ампул с обшей тенденцией затухания этих процессов с ростом кислотности растворов.

а 1

Рис. 12. Схема распределения зон образования расплава в ампулах в зависимости от отношений га КС| +. №С, / ш на в исходных растворах: 10 (а), 5(6). 3 (в), 1.5 (г). 0.7 (д)

1 — метасоматиче-ски измененный базальт. 2 — область образования расплава в каркасе метасоматитов, 3 — шарики стекла расплава, конденсированного из раствора на стенках ампул

Рис. 13. Электронно-микроскопический снимок шарика стекла с площадкой крепления (1) на стенке ампулы

Насыщение растворов над метасоматиче-ской колонкой компонентами базальта приводит к их разделению в форме различных фаз: щелочные элементы совместно с кремнием и алюминием конденсируются в виде расплава, а железо, магний, кальций совместно с избытком кремния и алюминия кристаллизуются на стенках ампул в виде флогопита, антофиллита, основного плагиоклаза и кварца. В совокупности они формируют на стенках ампул такую же реакционную оторочку, как и в порах.

Образование расплава в системах с кварцевым и корундовым буферами

В рассмотренных выше опытах возможность образования больших количеств расплава из раствора над метасоматической колонкой может лимитироваться также кинетикой поступления компонентов из базальта в раствор, так как образование пленки расплава на поверхности колонки должно препятствовать массо-обмену между раствором и минералами. Исходя из этого предположения были проведены дополнительные опыты по следующей схеме. В верхней части большой Аи-ампулы с 1.0 мл раствора 2.0 ш ШС1 + 0.5 т КС1 + 1.0 т НС1 закреплялся открытый Ац-контейнер с 0.2 г порошка базальта. В качестве дополнительных источников поступления кремния и алюминия в раствор на дно ампулы помещались контейнеры с тонкозернистыми порошками кварца и корунда марки ч.д.а. Опыты продолжительностью 100 час. проводились при температуре 800 °С и давлении 1 кбар. Установлено, что образование расплава в этом случае происходит на поверхностях шихты базальта, кварца и корунда и на порядок увеличилась масса шариков стекла на стенках ампулы и контейнеров.

По аналогичной схеме проведены опыты с модельной гранитной системой следующего химического состава (в мае. %): Si02 —77.3, А120з —13.4, СаО—1.5, Na20 —3.8, К20 — 4.0 и приготовленной из смеси зерен кварца, олигоклаза и микроклина, взятых в соотношениях 37 : 38 : 25 мае. %. Количество шариков расплава со стенок ампулы и контейнеров по сравнению с базальтовой системой здесь намного больше. В нижней массивной части гранитной колонки зерна кварца и полевых шпатов сцементированы пленочным расплавом, а в верхней кавернозной зоне произошло выщелачивание полевых шпатов и здесь сохранился лишь кварц, сцементированный расплавом. Особенности этого опыта можно интерпретировать следующим способом. Насыщение исходного калий-натриевого хлоридного раствора кремнием и алюминием за счет растворения кварца и корунда привело к конденсации всех элементов в расплав, понижению в растворе концентрации щелочных элементов и повышению активности HCl. Вследствие этого началось растворение полевых шпатов в гранитной колонке, завершившееся конденсацией новых порций расплава. Таким образом, в работу включился механизм перераспределения компонентов из кристаллических фаз через раствор в расплав.

Из приведенных опытов следует, что для образования кислых расплавов путем конденсации из флюида нет необходимости в присутствии в системах базальта или гранита, если в системе имеются кварц, корунд и растворы хлоридов щелочных элементов. Для подтверждения этого явления третья модификация опытов была поставлена с механически разделенными в разных контейнерах оксидами кремния и алюминия и растворами того же состава, что и в предыдущих опытах. Как и предполагалось, конденсация расплава из раствора здесь произошла во всех узловых точках системы: на поверхностях шихты кварца, корунда и на стенках ампулы и контейнеров.

Состав расплавов

Для характеристики влияния состава и кислотности растворов на состав расплавов были использованы пленки стекла на кубике кварца, прожилки стекла в колонках базальта, шарики порового стекла и шарики со стенок ампул, полученные при температурах 800, 750 и 730 °С. По данным микрозондового анализа основными компонентами стекол являются Si02, А1?03, Na20, К20, сумма которых составляет 92—95 мае. %. Загрязненность стекол примесями СаО, MgO, FeO с общим содержанием от 0 до

Рис. 14. Состав выплавок, полученных при взаимодействии базальта с калиевыми (1), натриевыми (2) и калий-натриевыми (3) хлорид-ны'ми растворами.

Штриховая линия и 4 — котектическая линия н точка минимума в системе С>й-АЬ-Ог при Р = 1 кбар (Тшйе. Вои'еп, 1958)

K/Na II

1.0

0,5

Ol х 2

0,5

1,0 1,5

K/Na L

Рис. 15. Зависимости между отношениями К / Ыа во флюидах и расплавах для растворов КС1 + ЫаС! (1) и КС1 +ЫаС1 + НС1(2)

4 мае. % объясняется осаждением этих компонентов из растворов в процессе низкотемпературной закалки и вариации их содержаний отражают лишь качество промывки шихты после опытов растворами HCl. Содержание хлора в стеклах составляет 0.28—0.54 мае. %. Изучение ИК-спектров стекол показало, что содержание в них воды составляет в среднем около 4 мае. %.

На диаграмме (рис. 14) составы выплавок располагаются вдоль котектической линии в системе кварц-альбит-ортоклаз-вода при давлении 1 кбар. В опытах с растворами NaCl отклонение состава выплавок от кварц-альбитовой эвтектики по содержанию ортоклазового компонента составляет 2—4 мае. %. В опытах с растворами KCl отклонение состава выплавок от кварц-ортоклазовой эвтектики по содержанию альбитового компонента составляют 5—9 мае. %. В растворах NaCl+KCi составы выплавок располагаются вблизи точки тройного минимума. Увеличение кислотности растворов приводит к обогащению состава выплавок ортоклазовым компонентом (рис. 15). Состав выплавок, полученных в системах базальт-Qtz-Cor, гранит-Qtz-Cor, Qtz-Cor и растворами 2.0 m NaCl + 0.5 m KCl + 1.0 m HCl одинаков и соответствует расплавам, полученным в опытах без добавок к базальту кварца и корунда. Таким образом, использование в опытах кварцевого и корундового буферов приводит к увеличению массы расплава, конденсированного из раствора, без изменения его химического состава.

Глава 6. ПРИЛОЖЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ К АНАЛИЗУ УСЛОВИЙ ОБРАЗОВАНИЯ ГАББРО-ГРАНИТНЫХ МАССИВОВ И СКАРНОВО-МАГНЕТИТОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

1. Модель формирования базальт-рнолитовых и габбро-граннтных ассоциаций

Экспериментальные исследования в системах базальтовый расплав — флюид (Эпельбаум, Боголепов, 1989; Жариков и др., 1990, 1994) и флюид — базальт (Пуртов и др, 1996, 1997; Anfilogov, Purtov, 19970) свидетельствуют о том, что в обобщенной модели, включающей в себя базальтовый расплав, отделяющуюся от него флюидную фазу и вмещающие вулканогенные породы базальтового состава, образование гранитных расплавов может происходить как в потоке поднимающегося флюида, так и в каркасе вмещающих пород. Причинами развития данных про-

цессов являются кремнещелочной состав флюидной фазы и пересыщение ее данными элементами при снижении давления.

Количество расплава, способного конденсироваться непосредственно от отделяющейся флюидной фазы лимитируется содержанием в ней алюминия. Исходя из экспериментальных данных по растворимости алюминия, для генерации больших масс кислых расплавов благоприятными условиями являются отделение флюидной фазы при высоких давлениях и высокая ее щелочность или кислотность. При отделении флюида в условиях малых глубин и низких значениях его щелочности или кислотности количество генерируемого расплава может быть небольшим. Наращивание массы гранитного расплава в этих условиях может осуществляться, главным образом, путем реакций хлоридного флюида с вмещающими породами, приводящих к осаждению щелочных элементов и повышению активности НС1.

Взаимодействие кремнещелочного хлоридного флюида с вмещающими породами базальтового состава должно привести к возникновению зональности. На фронте миграции флюида при температурах ниже гранитного солидуса реакции его с породами приведут их дебазификации и образованию кварц-полевошпатовых метасоматитов. Образование гранитоидных магм здесь возможно в результате последующего прогрева пород. В тыловых зонах при температурах выше гранитного солидуса процессы метасоматоза пород и генерации кислых расплавов должны развиваться синхронно и предварительная метасоматическая подготовка субстрата является благоприятным, но не обязательным условием для образования расплавов.

Как следует из экспериментальных данных, в процессе взаимодействия флюида с породами образование кислого расплава может происходить в двух позициях: в каркасе пород из межзернового флюида к из флюидной фазы, обособленной в отдельных полостях и трещинных зонах. В первом случае отделение расплава от кристаллического каркаса возможно лишь при высокой степени плавления и зона гранитизации длительное время может находится в состоянии «магматической каши» в результате консервации в кислом расплаве многочисленных включений ме-тасоматических и исходных минералов базальта. При перегреве зоны выше ликвидуса гранита состав расплава может эволюционировать в сторону повышения его основности. Во втором случае расплав уже изначально формируется вне кристаллического каркаса. Состав расплава, генерируемого из флюидной фазы, может сохраняться постоянным и при значительном перегреве над гра-

нитным ликвидусом, так как формирование его происходит в условиях высоких химических потенциалов кремния, натрия и калия, задаваемых флюидом извне и постоянная «промывка» расплава флюидом приводит к выносу железа, магния и кальция, поступающих в него из боковых пород. По-видимому, этой причиной могут быть объяснены высокие температуры образования риолитовых расплавов, достигающие температур базальтового ликвидуса, устанавливаемые по расплавным включениям в минералах вулканических и субвулканических пород (Базарова и др., 1975; Бакуменко и др., 1979).

Рассмотренная модель формирован™ граннтоидных магм в областях проявления мантийного базальтоидного магматизма является следствием флюидо-магматической дифференциации, где разделение компонентов базальтовых расплавов осуществляется через отделяющуюся флюидную фазу. В отличие от кристаллизационной дифференциации в этой модели образование кислых расплавов может происходить в широком диапазоне температур: предшествовать кристаллизации базальтовых магм и завершать магматический цикл после раскристаллизации верхних частей габбровых интрузий. Постоянный вынос флюидом из базальтового расплава кремния и щелочных элементов должен препятствовать образованию расплавов андезитового и дацито-вого состава в ходе кристаллизации базальтовых магм, в результате чего для флюидонасыщенных базальтовых расплавов характерной чертой становится бимодальность магматических серий с образованием контрастных базальт-риолитовых и габбро-гранитных ассоциаций.

В системе магматический базальтовый очаг — вмещающие вулканогенные породы проявление процессов гранитизации и метасоматоза по вертикали должно приводить к постепенному уменьшению концентрации щелочных элементов, увеличению активности кислотного компонента и интенсивности проявления кислотного метасоматоза. Как следует из экспериментальных данных, процессы образования гранитного расплава и кварц-полевошпатовых метасоматитов прекращаются при отношениях тКС1 / тна = 0.75—1.0 и тЫаС| I тца = 2—3. В связи с различиями в коэффициентах распределения натрия и калия между флюидом и конденсированными фазами образование гранитного расплава или щелочных полевых шпатов с равными содержаниями Ка20 и К20 происходит при отношениях т№а I ткп в растворах равных 2—3. При увеличении в данных растворах концентрации НС1 состав конденсированных фаз смещается в сторону обогащения

их калиевым компонентом. В связи с этим, повышенная калие-вость расплавов и метасоматитов может рассматриваться не только как следствие низких отношений Ыа / К в растворах, отделившихся из базальтового расплава, но и как результат повышения их кислотности в ходе реакций с вулканогенными породами.

2, Оценка состава и кислотности гидротермальных растворов при формировании скарново-магнетитовых месторождений

Экспериментальные данные по катионному составу хло-ридных растворов, находящихся в равновесии с породами базальтового состава, дают возможность произвести оценку состава скарново-рудных зон, формирующихся в результате последующих реакций растворов с карбонатными породами (Пуртов и др., 1984, 1988; Пуртов, Ятлук, 1987).

Взаимодействие щелочных, нейтральных и слабокислых магматических и постмагматических растворов с известковистым материалом может привести лишь к образованию безрудных волластонитовых скарнов, так как растворимость железа и магния в щелочных растворах низка и не может обеспечить привнос этих элементов в количествах, необходимых для образования железо-магнезиальных минералов. Продуктивными на магнетитовое ору-денение в этих условиях могут лишь алюмосиликатные породы, взаимодействие с которыми щелочных растворов приводит к разложению силикатов железа с образованием магнетита.

Образование по известнякам типичных для железорудных месторождений скарновых тел с пироксеном, гранатом и магнетитом возможно лишь в результате проявления процессов кислотного метасоматоза. Основными причинами повышения кислотности растворов на пути их миграции можно считать осаждение щелочных элементов при кремнещелочном метасоматозе и гранитизации и увеличение диссоциации кислотных компонентов при понижении температуры. Зоны проявления этих процессов являются областями выноса двух- и трехвалентных оснований, а областями разгрузки растворов, продуктивными на желе-зооруденение, становится зона контакта алюмосиликатных и карбонатных пород.

При взаимодействии кислых хлоридных растворов с кальцитом происходит усложнение их анионного состава в результате насыщения С02. В условиях осаждения двух- и трехвалентных оснований и подвижном поведении щелочных элементов это приводит к нейтрализации и ощелачиванию растворов. Данное

обстоятельство может быть использовано для оценок значений гпна и niFe в растворах в зонах их разгрузки.

Согласно экспериментальным данным, полученным в системах базальт-Н20-НС1, базальт-l-LO-NaCI-NaOH, базальт-Н20-КС1-К2С03 при температурах 600—800 °С и давлении 1 кбар, переход от кислых растворов к нейтральным и щелочным происходит при концентрациях HCl ниже 0.01 т, а концентрация железа в этих условиях понижается до 2—3-10'J m. Аналогичные оценки шНс1 11 mFe в растворах получены для контакта алюмоси-ликатных и карбонатных пород природных скарново-железорудных объектов (Коржинский, Подлесский, 1981).

Оценка верхнего предела концентраций железа в гидротермальных растворах для природных рудообразующих систем может быть произведена на основании экспериментально установленной зависимости содержания железа в растворах от концентрации HCl. Для флюидов базальтовых магм максимальные значения активности HCl составляют 0.20—0.25 m (Коржинский, 1983). При этих условиях верхний предел концентраций железа в растворах достигает 0.13—0.26 т. В условиях высокой солевой нагрузки в гидротермальных флюидах концентрация железа в растворах может повышаться до 1.0 гп (Наумов, Шапенко, 1980).

Приведенные данные свидетельствуют о том, что концентрация железа в растворах при прохождении через породы базальтового состава может быть на несколько порядков выше, чем в контакте с карбонатными породами и тем самым обеспечивается прнвнос его в зону скарнирования и рудоотложения.

Отмеченные в литературе корреляционные зависимости между содержанием Fe304 и ТЮ2 в рудах и отношениями содержаний CI / F во флюидах (Фоминых, Холодное, 1988) дают основания для предположений возможности формирования железорудных месторождений с повышенным содержанием ТЮ2 в результате привноса железа и титана хлоридно-фторидными растворами. В связи с различиями в коэффициентах распределения хлора и фтора между флюидом и конденсированными фазами концентрация HF во флюидах на 1—2 порядка ниже концентрации HCl и для флюидов базальтовых магм не превышает 0.02 ш (Коржинский, 1983).

Исследования по растворимости магнетита и рутила в растворах HCl и HF показали, что в присутствии фтора возрастает растворимость как железа, так и титана, но особенно сильное влияние фтор оказывает на увеличение растворимости титана. В диапазоне концентраций HCl и HF от 0.001 до 0.1 m уменьше-

ние значений lg mHci / шнр от 2 до -2 приводит к снижению величин lg mFe / mTi в растворах от 3.7 до 2.4 (Пуртов, Котельникова, 1992). Как следует из этих данных, корреляция между содержанием ТЮ2 в рудах и отношением CI / F во флюидах имеет под собой физико-химическую основу. При высоких концентрациях хлора и высоких отношениях mHci/niHF привнос растворами титана незначителен и содержание ТЮ2 в рудах не должен превышать десятых и сотых долей процента. При низких концентрациях хлора и высоких концентрациях фтора содержание титана в растворах увеличивается относительно содержания железа, что создает предпосылки для формирования месторождений с повышенным содержанием ТЮ2. Вместе с тем следует отметить, что даже при преобладании фтора над хлором на два порядка содержание железа в растворах на два порядка выше содержания титана и содержание ТЮ2 в рудах не должно превышать 1 мае. %. Следует предполагать, что высокое содержание титана в рудах метасома-тических титаномагнетитовых месторождений могло быть обусловлено не привносом его гидротермальными растворами, а наложением гидротермальной деятельности на титаномагнети-товое оруденение магматического генезиса.

Основные опубликованные работы по теме диссертации

Монография и препринт:

1. Пуртов В. К., Я »пук Г. М. Геохимия петрогенных элементов в скарнообразующих растворах. М.: Наука, 1987. 110 с.

2. Пуртов В. К., Ятлук Г. М. Экспериментальные исследования процессов мобилизации петрогенных элементов в гидротермальных системах. Свердловск, 1982. 62 с.

Статьи:

• 3. Пуртов В. К., Знаменский Н. Д., Анфтогов В. Н., Старков В. Д., Котыбаев Н. И. О происхождении массивов щелочных и субщелочных гранитоидов Магнитогорского синклинория // Ежегодник 1975. ИГГ УНЦ АН СССР. Свердловск, 1976. С. 29—32.

4. Анфтогов В. Н., Пуртов В. К. Механизм взаимодействия поровых растворов с магматическими телами // Геохимия. 1976. №9. С. 1400—1403.

5. Анфтогов В. Н., Пуртов В. К. Механизм палингенного выплавления гранитного расплава и магматического замещения // Геохимия. 1977. № 8. С. 1265—1270.

6. Луртов В. К., Знаменский Н. Д., Анфтогов В. Н. Некоторые особенности петрохимии и генезиса гранитоидных массивов магнитогорского комплекса // Ежегодник 1977. ИГГ УНЦ АН СССР. Свердловск, 1978. С. 44—50.

7. Пуртов В. К., Огородова В. Я., Анфтогов В. Н. О взаимодействии воды с вулканогенными породами при высоких температурах и давлениях // Геохимия. 1979. № 10. С. 1544—1550.

8. Пуртов В. К., Анфтогов В. П., Ятлук Г. М. Особенности взаимодействия кислых растворов с вулканогенными породами основного состава при высоких температурах и давлениях // Докл. АН СССР. 1979. Т. 245. № 5. С. 1219—1222.

9. Пуртов В. К., Нечкин Г. С., Анфтогов В. Н. Динамика гидротермальных растворов в тепловом поле интрузий, палингенез и магнетитовое рудообразование // Эндогенные рудообра-зующие процессы. Свердловск, 1980. С. 41—54.

10. Пуртов В. К., Ятлук Г. М. О мобилизации железа и магния из пород и породообразующих минералов растворами НС1 и NaCl при температуре 600 °С и давлении 1000 атм // Докл. АН СССР. 1982. Т. 262. № 5. С. 1242—1245.

11. Пуртов В. К, Ятлук Г. М. О поведении кремнезема при взаимодействии растворов НС1 и NaCl с породами и породообразующими минералами при температурах 600—800 °С и давлении 1000 атм//Докл. АН СССР. 1982. Т. 263. №2. С. 448—450.

12. Дымкнн А. М., Пуртов В. К., Ятлук Г. М. О миграционной способности железа в высокотемпературных гидротермальных растворах // Докл. АН СССР. 1984. Т. 274. № 1. С. 179—182.

13. Пуртов В. К., Ятлук Г. М, Анфтогов В. Н. Соотношения Fe, Mg, Si, Al в хлоридных растворах при температуре 873 К и давлении 101 МПа в связи с процессами скарнирования известняков// Докл. АН СССР. 1984. Т. 275. №4. С. 1003—1006.

14. Пуртов В. К., Ятлук Г. М., Анфтогов В. П. Растворимость петрогенных элементов в хлоридных растворах при температурах 873—1073 К и давлении 101 МПа // Физико-химические модели петрогенезиса и рудообразования. Новосибирск: Наука, 1984. С. 92—103.

15. Dymkin A, M, Purtov V. К., Yatluk G. M. Transport of iron in high-temperature hydrothermal solutions // Jnt. Geol. Rev. 1984. V. 26. № 10. P. 1180—1184.

16. Дымкнн A. M, Пуртов В. К., Анфтогов В. К, Ятлук Г. М. О закономерностях поведения железа в хлоридных растворах при формировании скарново-магнетитовых месторождений // Эндо-

генные рудные формации Сибири и проблемы рудообразования. Новосибирск: Наука, 1986. С. 118—128.

17. Пуртов В. К, Анфилогов В. Н. Железо и кремний в ме-тасоматитах как индикатор кислотных свойств гидротермальных растворов // Минеральные кларки и природа их устойчивости. Материалы VI Всесоюзн. минерал, семинара. Душанбе: Дониш, 1986. С. 131 — 132.

18. Пуртов В. К., Ятлук Г. М., Сорока Е. И. О распределении железа между растворами и твердыми фазами // Петрология и рудообразование. Свердловск, 1986. С. 115—119.

19. Пуртов В. К, Дышин A. M., Анфилогов В. Я, Ятлук Г. М. Условия миграции и осаждения железа в хлоридных скарнообра-зующих растворах // Железорудные формации Урало-Тянь-Шаньского пояса. Фрунзе: Илим, 1987. С. 128—144.

20. Пуртов В. К., Холодное В. В., Анфилогов В. П., Неч-кин Г. С. Роль хлора в скарново-магнетитовом гидротермальном процессе // Геол. рудн. месторожд. 1988. № 6. С. 24—34.

21 . Пуртов В. К., Котелъникова А. Л. К оценке миграционных свойств титана в гидротермальных растворах // Минералогия месторождений Урала. Свердловск. 1990. С. 35—37.

22. Пуртов В. К., Котелъникова А. Л. О миграционных свойствах титана в хлоридных и фторидных гидротермальных растворах по экспериментальным данным // Геол. рудн. месторожд. 1992. № 6. С. 61—69.

23. Пуртов В. К., Егорова Л. Г. О реакциях роговой обманки с высокотемпературными хлоридными растворам по экспериментальным данным // Уральский минералогический сборник, № 3. Миасс, 1994. С. 180—185.

24. Пуртов В. К., Егорова Л. Г. К вопросу о фазовом составе метасоматитов в процессах кислотного метасоматоза магматических пород основного состава // Уральский минералогический сборник, №4. Миасс, 1995. С. 174—183.

25. Пуртов В. К, Егорова Л. Г. Экспериментальное изучение миграционной подвижности петрогенных элементов и минеральных равновесий в системе базальт-Н20-НС1 при температурах 500—800 °С и давлении 1 кбар // Уральский минералогический сборник, № 5. Миасс, 1995. С. 261—269.

26. Purtov V. К., Egorova L. G. Experimental study of metaso-matosis of basalt and gabbro in acidic chloride solutions // Experiment in Geosciences. V. 4. № 4. Moscow, 1995. P. 30—32.

27. Пуртов В. К, Егорова Л. Г., Котляров В. А. Экспериментальная характеристика системы базальт-Н20-КС1-КаС1-

HCl±Si02 при температурах 600—800 °С и давлении 1 кбар // Уральский минералогический сборник, № 6. Миасс, 1996. С. 149—161.

28. Пуртов Б. К., Анфшогов В. Н., Волков А. Ю. Образование гранитного расплава из флюида по экспериментальным данным // Уральский минералогический сборник, № 7. Миасс, 1997. С. 212—220.

29. Anfilogov V. N., Purtov V. К. The mechanism of melting of basic rock and accumulation of granitic melt in the process acid metasomation // Abstracts of EUG-9. V. 9. Strasburg, 1997. P. 461.

30. Пуртов В. К, Анфтогов В. Н., Волков А. Ю. Механизм образования кислых расплавов в габбро-гранитных комплексах // Магматизм, метаморфизм и глубинное строение Урала. Тез. докл. VI Уральского петрограф, совещ., ч. 2. Екатеринбург, 1997. С. 185—187.

31. Анфтогов В. Я., Пуртов В. К, Волков А. Ю. Модель формирования контрастных габбро-гранитных и базальт-риолито-вых ассоциаций // Физико-химические и петрофизические исследования в науках о Земле. Международная конференция, тез. докл. М., 1997. С. 8—9.

32. Anfilogov V., Purtov F., Volkov A. Condensation of granitic melt from chloride fluid // Soventn International Symposium on Experimental Mineralogy, Petrology and Geochemistry. Abstract supplement No 1 to Terra nova, Vol. 10. Orleans, 1998. P. 1.

ЛР № 020 764 от 29.03.95 г. Подписано к печати 27.04.98 г. Формат 60x84 V^. Бумага офсетная. Гарнитура Тайме. Уч.-изд. л. 2.75. Тираж 150 экз. Заказ № 5. Отпечатано в информационно-издательской группе Ильменского государственного заповедника УрО РАН

Текст научной работыДиссертация по геологии, доктора геолого-минералогических наук, Пуртов, Виктор Константинович, Миасс

Российская Академия наук Уральское отделение Институт минералогии

УДК 550.89 : 552.11: 553.22

На правах рукописи

Пуртов Виктор Константинович

Диссертация на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук

Специальность: 04.00.02 — геохимия;

04.00.08 - петрология, вулканология

Миасс, 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение............................................................................ 4

Глава 1. Постановка проблемы и экспериментальных задач...... i -/

Глава 2. Методы экспериментальных исследований.................... 26

2.1. Методика и техника эксперимента.................................. <23

2.2. Аналитические определения............................................ ¿8

2.3. Обработка и интерпретация результатов........................ Ч>0

Глава 3. Миграционные свойства петрогенных элементов и

особенности формирования катионного состава хлоридных растворов.....................................................

3.1. Обзор экспериментальной изученности флюидо-магматических и гидротермальных систем....................... ЪЬ

3.2. Растворимость и формы миграции петрогенных элементов в надкритических растворах........................................ 49

3.2.1. Натрий и калий........................................................ 49

3.2.2. Кремний................................................................... 56

3.2.3. Алюминий................................................................ 6-4

3.2.4. Кальций и магний................................................... 69

3.2.5. Железо...................................................................... 76

3.2.6. Титан........................................................................ В9

3.3. Вариации катионного состава растворов в зависимости

от концентрации НС1........................................................... 98

Глава 4. Моделирование процессов метасоматоза в солянокислых растворах.............................................................................

4.1. Минеральный состав метасоматитов................................«НО

4.2. Минеральные равновесия в системе базальт-ШО-НСЛ.....

4.3. Минеральные равновесия в системе роговая обманка-НЬО-НС!...............................................................1Z?

4.4. Корреляция между изменениями состава растворов

и метасоматитов..............................................................-/3-/

Глава 5. Моделирование процессов метасоматоза базальта и генерации кислых расплавов в растворах хлоридов натрия и калия.................................................................

5.1. Минеральный состав метасоматитов и условия

образования кислых расплавов.................................... -/39

5.1Л. Система базальт-Н20-ЫаС1-НС1.......................... 439

5.1.2. Система базальт-Н20-КС1-НС1............................

5.1.3. Система базальт-Н20-КаС1-КС1-НС1.................... 447

5.1.4. Системы с растворами хлоридов натрия и

калия в присутствии кварцевого буфера............<50

5.2. Механизм образования кислых расплавов.......................-156

5.2.1. Образование расплава в системах без кварцевого буфера...................................................................... 457

5.2.2. Образование расплава в системах с кварцевым и корундовым буферами.......................................... '(67

5.3. Состав расплавов............................................................

Глава 6. Приложение экспериментальных данных к анализу

условий образования габбро-гранитных массивов и скарново- магнетитовых месторождений...................'138.

6.1. Модель формирования базальт-риолитовых и габбро-гранитных ассоциаций............... .....................-182

6.2. Оценка состава и кислотности гидротермальных растворов при формировании скарново-магнетитовых месторождений................................................................'($5

Заключение................................................................................4 92.

Литература................................................................................ 4 95

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы определяется широким развитием в высокотемпературном ореоле гипабиссальных габбро-гранитоидных интрузий метасоматических процессов, обусловленных отделением из базальтовых расплавов флюидов, их реакциями с интрузивными и вулканогенными породами верхних структурных этажей, и важнейшей ролью этих процессов в формировании химического состава скарно- и рудообразующих растворов.

Цель работы - определение физико-химических особенностей развития процессов метасоматоза магматических пород базальтового состава на примере моделей с хлоридными растворами различного состава и кислотности при температурах 600-800 °С и давлении 1 кбар и выявление условий, при которых процессы метасоматоза могут привести к генерации расплавов гранитного состава.

Задачи исследований: 1) определение растворимости петрогенных элементов, форм их миграции в хлоридных растворах и влияния концентрации хлора на формирование катионного состава растворов;

2) изучение влияния концентрации кислотного хлоридного компонента на изменения минерального состава апобазальтовых метасоматитов;

3) изучение особенностей формирования минерального состава метасоматитов в натриевых, калиевых и калий-натриевых хлоридных растворах различной кислотности; 4) определение условий образования в процессах натриевого, калиевого и калий-натриевого метасоматоза базальта расплавов гранитного состава, 5) определение влияния состава и кислотности хлоридных растворов на изменения состава расплавов, 6) оценка рудоносности магматических и постмагматических растворов.

Научная новизна. Впервые выполнено систематическое экспериментальное изучение процессов метасоматоза и гранитизации

пород базальтового состава в хлоридных растворах при температурах 600-800° С и давлении 1 кбар. Получен блок согласованных данных по закономерностям изменения состава хлоридных растворов и метасоматитов. В координатах: Т °С - ^ тыаа /тна, ^ тка/тна, ^ ткси-ыаа/шна определены области, где процессы метасоматоза базальта приводят к образованию расплавов кварц-альбит-ортоклазового состава. Получены новые данные по механизму образования кислых расплавов и экспериментально доказана возможность образования расплавов путем конденсации их из растворов.

Практическое значение результатов диссертации определяется возможностью использования количественных экспериментальных данных для интерпретации процессов, происходящих в условиях отделения из базальтовых расплавов хлоридных флюидов, их реакций с интрузивными и вулканогенньши породами базальтового состава, и для оценки рудоносности магматических и постмагматических флюидов.

Основные защищаемые положения:

1. Основными компонентами водных растворов, находящихся в равновесии с породами базальтового состава, являются кремний и щелочные элементы, что предопределяет их слабощелочную специфику. Влияние хлора на экстракцию из пород других петрогенных элементов начинает проявляться лишь при переходе через точку нейтральности в кислую область. Увеличение концентрации кислотного хлоридного компонента приводит к разделению петрогенных элементов: обогащению растворов натрием, калием, железом, кальцием и накоплению в продуктах реакций магния, кремния, алюминия и титана.

2. В процессах кислотного метасоматоза изменения химического и минерального состава пород определяются различиями в

миграционной подвижности петрогенных элементов. Повышение в растворах концентрации НС1 приводит к смене беккварцевых амфибол-плагиоклазовых ассоциаций кварцсодержащими, увеличению в метасоматитах содержания кварца и плагиоклаза за счет инконгруэнтного растворения темноцветных минералов, уменьшению железистости и глиноземистости амфиболов. В условиях высокой кислотности хлоридных растворов стабильной становится ассоциация кварца с магнезиальными минералами - тальком, антофиллитом или кордиеритом.

3. Интенсивное проявление процессов натриевого метасоматоза характерно лишь для растворов низкой кислотности. Образование кварц-альбит-амфиболовых метасоматитов возможно лишь в условиях совместного привноса натрия и кремния растворами в зону реакций. Процессы калиевого метасоматоза могут развиваться в более широком диапазоне активности НС1 и для образования биотит-кварц-полевошпатовых метасоматитов дополнительный привнос кремния растворами не является обязательным условием.

При температурах выше 700 °С и давлении 1 кбар процессы калиевого и калий-натриевого метасоматоза базальта в кислых хлоридных растворах приводят к образованию расплавов кварц-альбит-ортоклазового состава. В условиях привноса кремния область образования расплавов расширяется в сторону растворов с пониженной кислотностью. Повышение концентрации кислотного хлоридного компонента приводит к снижению температур образования первых выплавок от 730 до 700 °С. Образование расплавов кварц-альбитового состава в растворах хлорида натрия происходит при температурах выше 750 °С в условиях привноса кремния растворами и их пониженной кислотности.

4, Процессы высокотемпературного метасоматоза пород базальтового состава в растворах хлоридов щелочных элементов и

образования кислых расплавов развиваются синхронно и ведущим механизмом генерации расплава являются процессы конденсации его из флюидной фазы, насыщенной кремнием и алюминием до уровней концентраций, равновесных с кварцем и щелочными полевыми шпатами. Состав генерируемых расплавов определяется не только соотношениями калия и натрия в растворах, но и их кислотностью.Увеличение активности кислотного хлоридного компонента приводит к изменениям коэффициентов распределения калия и натрия между флюидом и конденсированными фазами и увеличению в выплавках содержания ортоклазового компонента.

5. Проведенные экспериментальные исследования позволяют обосновать модель формирования контрастных базальт-риолитовых и габбро-гранитных ассоциаций и высокотемпературного метасоматического ореола габбровых интрузий под воздействием потока кремнещелочных хлоридных флюидов, отделяющихся из базальтового расплава, и произвести оценку состава и кислотности скарно-и рудообразующих растворов.

Фактический материал и методы исследований. Диссертация представляет собой итог исследований автора, проведенных в 19741986 гг. в Институте геологии и геохимии им. акад. А.Н.Заварицкого и в 1987- 1997 гг. в Институте минералогии УрО РАН. Финансирование работ осуществлялось через госбюджет и благодаря поддержке Российского фонда фундаментальных исследований по проекту 94-05-1669: -"Экспериментальное изучение высокотемпературного кислотного метасоматоза магматических пород основного состава".

Постановке экспериментов предшествовали работы по изучению особенностей строения и состава гипабиссальных габбро-гранитоидных комплексов Урала и ассоциированных с ними, скарново-магнетитовых месторождений. Исследования этого этапа

позволили сформулировать рабочую модель формирования магматических и метасоматических образований для ее дальнейшей экспериментальной проверки.

Всего проведено около 1000 опытов по изучению: 1) растворимости петрогенных элементов в воде, хлоридных растворах различного состава и кислотности и в растворах с добавками фторидов; 2) минеральных равновесий в системах: оливин-ШО-НС1, пироксен-ШО-НСЛ, роговая обманка-ШО-НО, базальт-ШО-НС1, габбро-ШО-НСЛ; 3) минеральных равновесий и условий образования кислых расплавов в системах: базальт-НгО-КаС1-НС1 ± БЮг, базальт-Н20-КС1-НС1 ± ЗЮ2, базальт-Н20-КаС1-КС1-НС1 ± БЮг; 4) механизма образования кислых расплавов.

Эксперименты проводились ампульным методом на гидротермальной установке высокого давления, позволяющей производить закалку в изобарических условиях и вести надежный контроль за температурой и давлением. Определения содержаний петрогенных элементов в растворах после опытов осуществлялись фотоколориметрическими, атомно-абсорбционным и атомно-эмиссионным методами.

Диагностика фазового состава метасоматитов осуществлялась оптическими и рентгеновскими методами. Состав конденсированных фаз в продуктах реакций определялся микрозондовым анализом.

устойчивости" (г.Душанбе, 1986 г.), 2-м региональном совещании "Минералогия Урала" (г.Миасс, 1990 г.) 9-м Европейском геологическом конгрессе (г.Страсбург, 1997 г.), VI Уральском петрографическом совещании (г.Екатеринбург, 1997), на

международной конференции "Физико-химические и петрофизические исследования в науках о Земле" (г.Москва, 1997).

Структура и объем диссертации. Диссертация общим объемом ¿21 маш. стр. состоит из введения, 6-ти глав, заключения и списка литературы из 286 наименований. Она содержит 38 таблиц и 67 рисунков и фотографий. В главе 1 на основании литературных данных и результатов исследований автора сформулирована общая концепция развития магматических и метасоматических процессов в областях проявления мантийного базальтоидного магматизма. В главе 2 дана характеристика методики и техники экспериментальных работ. Глава 3 посвящена изучению растворимости петрогенных элементов и закономерностям формирования химического состава хлоридных растворов. В главе 4 излагаются результаты моделирования процессов метасоматоза в солянокислых растворах. В главе 5 рассматриваются особенности развития процессов метасоматоза и гранитизации пород базальтового состава в условиях привноса хлоридными растворами в зону реакций щелочных элементов и кремнезема и механизма образования кислых расплавов. В главе 6 на основании полученных экспериментальных данных проводится анализ условий формирования базальт-риолитовых и габбро-гранитных ассоциаций и скарново-магнетитовых месторождений.

Благодарности. Общая постановка проблемы была

стимулирована научными идеями Д.С Коржинского. Результаты ранних этапов работы были просмотрены Д.С.Коржинским и рекомендованы для опубликования. На протяжении всей работы в ней принимал непосредственное участие и оказывал всестороннюю

поддержку д.г.м.н. В.Н.Анфилогов. Отдельные разделы работы были выполнены совместно с член-корр. АН СССР А.М.Дымкиным, к.г.м.н. Н.Д.Знаменским и Г.С.Нечкиным, д.г.м.н. В.В.Холодновым. Автор искренне признателен д.х.н. Б.Н.Рыженко и д.г.м.н. Ю.А Полтавцу за ценные замечания при рецензировании рукописи монографии по геохимии петрогенных элементов в растворах. Исследования по механизму образования кислых расплавов стали возможными благодаря предшествующим приоритетным работам д.х.н. М.Б.Эпельбаума и консультациям с ним.

Большой объем экспериментов был выполнен благодаря технической помощи механиков автоклавной В.С.Волкова, В.В.Шиловских и Е.Н.Мурдасова. Химические анализы состава растворов проведены В.Я.Огородовой, Г.М.Ятлук, Л.А.Паутовым А.Л.Котельниковой, Г.Г.Кориневской,. В диагностике фазового состава метасоматитов оптическими методами большую помощь автору оказали Л.Г.Егорова, Н.И.Вализер, Е.И.Сорока, а рентгеновскими методами - Н.И.Кашигина и Т.М.Рябухина. Микрозондовые анализы выполнены к.ф.м.н. В.А.Котляровым , А.Ю.Волковым и В.А.Муфтаховым, Т.Я.Гуляевой.

Условные обозначения:

Ab - альбит, Amph - роговая обманка, An - анортит, And -андалузит, Ath - антофиллит, Aug - авгит, Bt - биотит, Chi - хлорит, Cor - корунд, Срх - клинопироксен, Crb - кристобалит, Crd -кордиерит, Kfs - калиевый полевой шпат, L - расплав , Mt - магнетит, Ol - оливин, Or - ортоклаз, Phi - флогопит, PI - плагиоклаз, Prl -пирофиллит, Qtz - кварц, Rt - рутил, Wol - волластонит, Tic - тальк.

m - концентрация в моль / кг Н2О, М - концентрация в моль / л, С - содержание компонента в мас.%, f - железистость в мол.%, t -продолжительность опытов в сут., р / п -весовое отношение раствора к пробе, п - количество анализов.

Глава 1. ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ЗАДАЧ

Проблема формирования базальт-риолитовых и габбро-гранитных ассоциаций и генетически связанных с базальтоидным магматизмом различных типов рудных месторождений относится к числу наиболее сложных в современной петрологии. Дискуссионность ее обусловлена разнообразием механизмов, способных привести к разделению компонентов базальтовых расплавов в результате проявления процессов кристаллизационной, ликвационной дифференциации, и возможностью образования кислых расплавов путем контактового плавления сиалического корового материала (Добрецов, 1971; Жариков, 1987; Жариков и др., 1986, 1994; Кадик и др., 1971, 1990; Маракушев, 1983, 1984; Маракушев и др., 1983, 1994; Поляков, Муравьева, 1981; Ферштатер, 1987; Ферштатер и др., 1984; Фролова, 1973; Фролова, Бурикова, 1977 и др.). В условиях насыщения базальтовых магм летучими компонентами и отделения флюидной фазы широкое развитие могут приобретать процессы метасоматической дебазификации и фельдшпатизации вмещающих пород основного состава с образованием кислых расплавов.

Концепция преобразования состава пород и магматических распл

Информация о работе

Пуртов, Виктор Константинович
доктора геолого-минералогических наук
Миасс, 1998
ВАК 04.00.02

Диссертация

Экспериментальное исследование процессов высокотемпературного метасоматоза пород базальтового состава и генерации кислых расплавов в хлоридных растворах - тема диссертации по геологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы