Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Математические модели распределений химических компонентов в продуктах петрогенных и рудогенных процессов

ВАК РФ 04.00.02, Геохимия

Автореферат диссертации по теме "Математические модели распределений химических компонентов в продуктах петрогенных и рудогенных процессов"

Министерство высшего и среднего специального образования РСФЗР Свердловский ордена Трудового Красного Знамени горный институт имени В.В.Вмсрушева

На прапах рукописи

плняк

Стефан Григорьевич

УДК 550.4:519.2:(553,3:553.6)

ИЛ ТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ РЛСПРВДРЛКШШ ХИМИЧЕСКИХ КОМПОНЕНТОВ В ПРОДУЕСГЛХ. НЕТРШ'ШШХ И РУДОГ0ШХ ПРОЦЕССОВ

Специальности: 04.00,02 - геохимия и 04,00.14 - геология, поиски и разводка рудшн: и п^руд'-ых месторождений

й в т о ¡1 е ф и р а т

диссертации: ня соискание уч«"ноА степени доктора геолого-минералоппеоких наук

Свердловск - 1^68

Работа выполнена б Свердловском ордена Трудового Красного Знамени горном институте им. В.В.Вахрушева

Официальные оппоненты

Ведущее предприятие

доктор геолого-минералогических

наук В.Н.Бондаренко

доктор геолого-минералогических

наук В.Н.Анфилогов

доктор геолого-иинералогических

наук В.Н.Сазонов

Институт геологии и геофизики СО АН СССР, г.Новосибирск

Защита состоится " 27

ЯНМРА

_19С§ года

на заседании специализированного совета Д 63.03.02 при Свердловском ордена Трудового Красного Знамени горном институте им. В.В.Вахрушева, 620219, Свердловск, ГСП-126, ул.Куйбышева 30.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослал " 15 " с?ркй5ря_1968г.

Ученый секретарь специализированного совета

Ю.Б.Давыдов

"От живого созерцания к абстрактному ! мышлению и от него к практике - таков

диалектический, путь познания истины, познания объективноП реальности"

В.И.Ленин

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Выявление и обоснование законов распределения химических элементов в кристаллических породах как предмет нестоящих исследований представляет собой одну из главных проблем геохимии. Около ста лет ведутся дискуссии по поводу возможности извлечения генетической информации из эмпирических кривых распределения различных компонентов в горных породах. Столько ке обсуждается феномен логнормальных распределения в геологии, на первый взгляд противоречат^ центральной предельной теореме теории вероятностей, согласно которой распределения в стохастических системах должны соответствовать-нормальной модели.

Актуальность поставленных вопросов определяется также настойчивым требованием разработки новых методик для резкого увеличения объема геолого-генетической информации, извлекаемо!! из нараставшего потока аналитических данных.

С физико-математическим обоснованием законов распределения тесно увязывается успепчюе решение ряда других актуальных проблем геологии, прежде всего возможность восстановления геохимическая направленности петрогенных и рудогенных процессов, оценки потенциальной рудоносности кристаллических пород. Оказалось, что выявленные законы распределения не ограничиваются рамками геохимии, они с успехом могут быть применены в других областях геологии, изучающих свойства макросистем.

Настоящая работе, таким образом, соответствует требованиям постановления ЦК КПСС и Совета Министров СССР , предусматривавшего разработку общегосударственной программы широкого использования методов математического моделирования в различных отраслях народного хозяйства.

Цель работы. Исследование распределений химических элементов в магматических и метаморфических породах и последующая поиск

з

адикватных математических моделей. Изучение граничных условий применимости математического моделирования распределений химических компонентов при петрогенних процессах.

Восстановление геохимической направленности и временной последовательности петрогонных процессов при формировании магматических и метаморфических пород в полихронних гнепсово-мигматитових комплексах, вклсчая типоморфние раннедокембрийские образования спорного генезиса. Разработка критериев для восстановления субстрата метаморфических образований, а также возможной оценки петрологического облика протокоры.

Изучение временных и пространственных соотношении раннедокем-брийских формация на основе восстановления геохимической направленности сформировавших их петрогенних процессов, что позволило бы в конечном счете выяснить геохимические тенденции формирования земной корп.

Разработка критериев потенциальной рудоносности продуктов петрогенних процессов.

Основные положения, защищаемые в диссертации.

1. С позиции стетистической физики описаны и математически обоснованы модели распределений химических компонентов в продуктах

петро- и рудогенеза. Доказано, что кривив распределения, полученные для петрографически однородных разновидностей пород, отражают геохимическую направленность сформировавших их процессов.

2. Анализ кривых распределения химических компонентов показал, что их модно использовать для оценки термодинамической вероятности состояния системы» Феномен логнормальних распределений в реальных системах рассматривается как отражение второго начала термодинамики. Снижение матричной энтропии химически активных компонентов подчеркивается й - нормальным распределением, что должно учитываться "правилом фаз Гиббса".

3. Использование результатов математического моделирования позволило разработать оригинальную методику расчета коэффициентов распределения и отделения для продуктов магматизма, а также коэффициентов концентрации и рассеивания для метаморфических пород, что дает возможность оценить потенциальну» рудоносность конкретной петрографической разновидности пород.

Распределение содержаний полезного компонента в рудоносных толщах месторождений, как следствие негэнтропийных процессов концентрации вещества, всегда обладает д - нормальным типом рпелро-

деления. В случае положения рудного■компонента на исходные (фоновые) содержания боэ их полной мобилизации омпирические кривые распределения приобретает бимодальност,ъ.

5. Расшифровка геохимической направленности петрогенних процессов позволила выявить временную последовательность формирования нередко радиологически нерасчленимых формаций в сложных гнвйсово-мигматитовнх комплексах. Результаты математического моделирования в совокупности с новейшими космологическими данними дали возможность восстановить петрохимические тенденции процессов раннего докембрия, в интервале которого выделены "анортозитовая", "эндербит-чарнокито-вая", "тоналитовая" и "гранитоидная" стадии с соответствувщими ти-поиорфними продуктами. Следствием телескопирования петрогенннх процессов г-тих стадий явилось выделение в земной коре древнего "гранитного" слоя континентальной коры.

Научная новизна. Описаны и математически обоснованы основные модели распределения породообразующих и редких элементов в магматических и метаморфических породах, показана применимость методов статистической физики, термодинамики и центральной предельной теоремы теории вероятностей для описания стохастически-детерминировзнных геологических процессов. Показана возможность использования эмпирических кривых распределения для оценки геохимической направленности петрогенних процессов, а также определения термодинамической вероятности состояния системы. Предложено новое уравнение матричной энтропии, расшифрован феномен логнормальных распределений. Предложена оригинальная методика для оценки потенциальной рудоносНости продуктов эндогенных процессов.

Возможности восстановления геохимической направленности петрогенних процессов позволили составить схему летрохимической стадийности формирования земной коры в раннем докембрии.

Практическая ценность. Установление закономерностей распределения содержаний компонентов в породах и возможности извлечения геологической информации по эмпирическим кривим распределения в качестве новой методики исследования представляет практический интерес для специалистов, занимавшихся различными видами геологоразведочных работ - от прогнозирования месторождений до их эксплуатации. Целенаправленные геохимические исследования магматических и метаморфических образований позволяют принципиально по новому оценить их рудоносность» сделать металлогеническИй прогноз постмагматических продуктов в обрамлении интрузивных массивов и продуктов баэифи-

нации - гранитизации вокруг метаморфических комплексов. В пределах конкретных месторождений наличие такой геохимической информации позволяет различать ореолы концентрации от ореолов рассеяния.

С другой стороны, внедрение полученных результатов в геологическую практику окажет влияние на совершенствование методики опробования геологических объектов и аналитических исследований, что позволит резко увеличить объем извлекаемой петрохимической информации. Результаты внедрения разработанной методики в гоологическуп практику представляет собой содержание второй части работы.

Реализация работы. Новая методика геохимической интерпретации аналитического материала впервые была разработана на фактическом материале метаморфогенных месторождений графита, для которых были установлены ореолы рассеяния (выгорания) и накопления, затаи её применимость была доказана для других месторождений.

Отмеченная методика позволила рассчитать баланс вещества и последовательность образования пород спорного генезиса в сложных метаморфических комплексах, включая докембрийскио, расчленить мета-мор{>огенно~мотасоматические и магматогенныа продукты, восстановить петрохимические тенденции раннедокембрийской эволвции земной коры. •

Результаты настоящих исследований и соответствувщий математический аппарат положены в основу предлагаемой для широкого круга специалистов методики исследования законов распределения о магматических и метаморфических породах, помещенной в справочном пособии "Петрохимичаские методы исследования горных пород" (авторы С.В.Ефремова,К. Г.Стафеев, изд. "Недра", 1985 г.).

¡Гирокое внедрение предложенной методики исследований станет возможным при целенаправленных геохимических исследованиях петрологически единых объектов, представлявших метастабильно равновесные системы.

Апробация работы. Выдвинутые в работе положения обсуждались на научно-технической конференции Свердловского горного института (Свердловск,-1973), I! симпозиуме "Термодинамически режим метаморфизма" (Ленинград, 197^), совещании "Региональный метаморфизм, метасоматизм и металлогения Урала" (Свердловск, 1975), совещании "Глубинное строение и геофизические особенности структур зомноп корн и верхней мантии" (Москва, 1975), 1У Всесоюзной конференции "Метасоматизм и рудообразовиние" (Ленинград, 1976), совещании "Рудо-косные ыетасоматическиа формации Урала" (Свардловске 1976), У Всесоюзном потрографическом совещании (Алма-Ата, 1976), Ш Всесоюзном

о

симпозиуме "Геология, тектонически!! режим и металлогения метаморфизма" (Свердлопск, 1977), ХХУ1 сессии Международного геологического конгресса (Париж, 1930), 1У Уральской петрографической конференции (Свердловск, 1981), У Всесоюзном симпозиуме "Региональный метаморфизм и мотаморфогенное рудообразование" (Винница, 1982), X Всесоюзном металлогеническом совещании (Алма-Ата, 1983), ежегодной сессии Украинского отделения ВМО (г.Львов, 1986), региональном совещании "Геология и геохронология докембрия сибирской платформы и её обрамления" (Иркутск, 1907), выездной сессии КММ? "Метаморфизм зеленокаменных поясов" (Петрозаводск, 1937), геохимическом семинаре Института геохимии СО АН СССР (Иркутск, 1987).

Публикации. Основные положения работы изложены в 38 научных статьях, 32 из которых - в центральных изданиях. Методическая часть работы и возможности её использования в геологии опубликованы в ДАН СССР (7 статей) и других академических издвниях, вклвчая "Доклады советских геологов" на ХХУ1 сессии Международного геологического конгресса (Париж, 1980),

Фактический материал. Работа представляет собой результат 20-летнего изучения геологии,' геохимии и петрологии метаморфических и магматических комплексов Урала. Первоначальным импульсом для успешной расшифровки геохимической природы кривых распределения послужили исследования свободного углерода в месторождениях и проявлениях Урала. На основе 550 определений углерода, выполненных по единой методике в ПГО "Уралгеология" (руководитель С.(tl.Аронскинд), удалось проследить постепенную трансформации различных исходных кривых распределения в логнормальные по мере рассеивания (выгорания) этого компонента в условиях повышения степени метаморфизма вмещающих пород. Тщательный минералого-петрографический контроль при составлении выборок по основным петрографическим разновидностям пород Кочкарского и Мурзинско-Адуйского метаморфических комплексов Урала (более 600 полных силикатных анализов) позволил получить регулярные кривые распределения для петрогенних компонентов, рассчитать для них соответствующие математические модели. Около 1500 полуколичос-твенных спектральных анализов привлечено для изучения характера распределения редких элементов при рудогенных процессах в метаморфических комплексах Урала и Енисейского кряжа. В силу специфики работы привлекались опубликованные геологические и геохимические данные по другим регионам СССР и мира, учтены опубликованные результаты по изучение Луны,

Обгем работы. Диссертация состоит, крона введении и заышчашы, из двух частей и объединяет 5 глав, общим объемом ?65 страниц машинописного текста, б таблиц и 27 рисунков. Работа скомпонована в одной книге, состоящей из 265 страниц сквозно« нумерации.

Автор считает непременным долгом выразить глубокую благодарность за постояннув поддержку и помощь в работе профессору, льу[>е-ату Государственной премии СССР Г.А.Кейльману, с которым связаны многие годы плодотворного творческого сотрудничества. Искренны) признательность за постоянное внимание к роботе и ценные замечания автор выражает также профессорам Б. А.Носыреву, В,Б„Болтнрову, Г. II. Вбртушкову, В.И.Якшину, Б.А.Прокину, В.Мягкову, И.А.Малахову, докторам геолого-минералогических наук И.С.Вахромееву, К.К.Золоеву, докторам физико-математических наук В.Е.Зиновьеву, А.Н.Волошинско-му, кандидату физико-математических наук В,Н.Климову, а также коллегам - кандидатам геолого-минералогических наук Г.И.Страшноико, В.Н.Огородникову, Ю.К.Панову, Э.Н.Емлину, В.В.Вабенко, с.н.с. В.Л, Полякову.

Часть первая

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ МОДЕЛЕЙ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ

. Глава I. ТИПЫ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ И ИХ ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

В первом разделе главы "Проблемы математической обработки геохимических данных" рассматривается история изучения вопроса, начиная от работ К.Пирсона конца прошлого вока, а также основные причины, затруднявшие расшифровку законов распределения.. Поиску механизмов, .регулирующих распределение химических компонентов в породах, посвящены работы многих исследователей. Среди них следует отметить прежде всего Ф.Ю.Левинсока-Лессинга, Н.К.Разумовского, Л.ХоАренса, Д.М.Шоу, Дж,Роджерса, Дж.Адамса, А.Б.Вистелиуса, К.К. Турокьшш, А.В.Кпнцеля, Б.А.Белова, Я.Иатерона, Р. II.Дубом, МЛ. Овчинникова, Д.А.Родионова, Н.И.Толстого, И.М.ОстафиИчук, И.И.Ша-рвпога, В.Н,Бо1{да(>днко.

Ретроспективный анализ исследований поквзирает, что сряди многих

к

причин, затруднявших получений регулярных кривых распределения, главной моино считать отсутствие гомогенных выборок по однородным петрографическим разновидностям пород, отряжающим метастабильно равновесные системы, Летально обсуждаются современные понятия низовых таксонов систематики: разновидностей пород, горно-породного континуума и геологической популяции в понимании У.Крамбейна и Ф.Гройбилла (1955). В качество базовой для методологии геохимического опробования Г.Гаретом (1983) и А.Ф.Белоусовым (1979, 1986) предлагается концепция популяции. В первом разделе обсуждаются также, вопросы, касвишиесн качества аналитических данных, их прецезионпости (наличие или отсутствие "порога чувствительности"), методики отбора проб и их объема, "номенклатуры пород", процентных пересчетов, бимодальных распределений и т.п.

Второй раздел "Тип» распределений и возможности их геохимической интерпретации" содержит обзор известных типов распределения -нормального, логнормального и д -нормального. Отмечается заслуга Л.А.Родионова, возглавляющего направление исследований в рассматриваемом аспекте, который однозначно указал на возможность генетической интерпретации эмпирических кривых распределения.(ЭКР), в противоположность представление о них как о "игре природы". Попытка расшифровать генетические смысл ЭКР привела Л.А.Родионова к выводу о том, что тип кривой определяется количеством минеральных фаз, в которые входит рассматриваемый компонент.

Лежащий в основе настоящей работы фактический аналитический материал сравнительно полно характеризует метаморфические толщи мигматитовых комплексов Урала с отчетливо аллохимической направленностью процессов (гранитизацией-базификацией). Проблемы изохимичес-кого метаморризма в работе не обсуадастся.

Раздел "Кривые распределения с позиций статистической физики и термодинамики" занимает наиболыаий объем главы и содержит физико-математическое обоснование теоретических кривых распределения (ТКР) с их последующей термодинамической интерпретацией.

Необходимость и правомерность привлечения статистической физики к реиенип поставленных задач обусловлено тем, что магматически? и метаморфические процессы протекает в макросистемах, состоящих из множества микросистем молекулярного уровня, когда возникает необходимость оперировать понятием вероятностного состояния. Параметры таких систем определяются усредненными (статистическими) свойствами множества микросистем". Все превращения в таких системах, связанные

л

с наделением или поглощением тепла, описываются законами термодинамики.

Описание-флуктуации в сложных многокомпонентных системах базируется на применении центральной предельной теоремы (ЦПТ), согласно которой функция распределения суммы случайных индивидуально малых величин в процессе роста их количества должна аппроксимироваться нормальным законом. Анализ ЗКР в природных объектах показал,однако, что нормальные распределения отмечаются исключительно редко, здесь доминируют логнормальные распределения. Очевидно, что такое несоответствие обусловлено стохастически-детерминированным характером геологических процессов.

Моделируя явления переноса вещества при петро- и рудогенезе, неизбежно приходим к выводу о том, что реальным детерминирующим фактором, влияющим на процесс кристаллизации, должно выступать концентрация компонента в системе. Интенсивные параметры системы - Р и Т, несомненно влияющие на кинетику процесса, определяют величину mV- "импульс кристаллизации", который для заданных условий можно полагать независимой случайной величиной.

На границе фазовых переходов величину порции компонента ах^ переходящей в другое фазовое состояние в с -момент, мокно выразить парез

AXt - mV-F(xt-t).

Величина F (xL-t) - детерминант процесса, отражающий зависимость кинетики фазовых переходов от меняющейся концентрации, а его физический смысл вытекает из первого закона Фика, описывающего процессы диффузии вещества,

dx-^VA^-dS-CIt , где Л ' г средняя длине пробега частицы, dp/d£ - градиент плотности (концентрации), d S - элементарная площадка, t - время. Полагая j>*md/P , где m - масса элементарных частиц, V - скорость, Jh! - их количество в объеме С , после некоторых упрощений получим

dx-mV-äf-dt . а F(x)-^-dt.

После замены mV на е суммарный эффект п - импульсов кристаллизации составит

В соответствии с ЦПТ распределение величины. Е. доляно отвочвть нормальному закону. Значит,вё можно «водить в уравнение нормальной кривой в качество пчременной. Тогда t

I

Оп^делив , >3 зависимости от конкретно« геологической ситуации, значение детерминанта F(xJ через концентрации х. и заменив в уратч-неиии нормальной кривой Е на результат интегрирования, получим новую зависимость у от х . Новое уравнение кривой отразит вличнно заданного детерминанта на характер распределения.

В наиболее простом случае, например, кинетика процесса вшюса компонента в метаморфических породах может определяться его солоть жпниеи х , а пригиос - "нехваткой" в твердо!! фазе (I - х ), или F'(x) • х , a F "(х)= ! - х . Тогда

E\Vrt* ■ Er,x-C* ; Е"- - £'i 11-х I * С .

Подставляя получепчне результат« в уравнение нормальной кривой, получим для случая вычосп

I - - tt^uf у'. <.е 2 Г'

J 6 ¿ ^

а для случая привноси „ .. , .>

, (Сп11-х1-ц) -

у-^.е—

Графическое внраконие первого уравнения отвечает логнормпль-ному типу ТКР, а второго - g -нормальному. Обе кривив являются зеркальным отражениям друг друга. Более сложные зависимости приво-дени при рассмотрении конкретных моделей (табл. 1,2).

При достижении некоторого заданного объема аналитических данных получаем некоторую характеристическую функцию матрицы или сё части. ЭКР в этом случае отражает статистическую и термодинамическую оценку вероятности состояния системы. Кроме модальных значений (Мо). которые могут рассматриваться в качестве мэры наиболее ■вероятных состоянии системы, определенную информацию несет асимметрия кривых пройде всего как признак неравновесности системы. Лево-стронняя асимметрия, например, может рассматриваться как свидетеле-

^ Г " и N

ство преобладания в матрице микросистем (минералов ) с микросос-

* Величина С , имеющая определенный геохимически? смысл как неподвижная часть компонента, ниже для упрощения упущена.

*"'Идентификация понятий ' "микросистема" - "минерал" проводится с определенной доли я условности.

тонниями (содержаниями) меньше модального значения. Подобное преобладание являетсл отражением геохимических тенденций процесса, направленности смещения метастабильных равновесий. В рассматриваемом примере это смещение происходит в сторону повышения концентраций компонента, при котором вероятность состояния системы возрастает.

Возможную направленность эволюции Р.Клаузиус выразил через понятие энтропии, которому Л.Больцман придал вероятностный смысл

где 5 - энтропия системы, к - постоянная Больцмана, Р - вероят^-ность состояния системы и С - постоянная интегрирования. Это уравнение характеризует логнормально распределеннув плотность термодинамической вероятности состояния закрытых систем. В то же время вероятность состояния системы может быть выражена, в соответствии с более универсальными требованиями ЦПТ, через нормально распределенную величину Е. Тогда

Новое уравнение может быть применено для расчета энтропийного тренда матрицы определенного типа микросистем в зависимости от конкретного параметра микрос^остояний, Нетрудно заметить, что при Р(х.)« X выражение 5-к£пх + С , т.е. принимает вид уравнения Л.Больцмана. Однако выше было показано, что детерминант х

характеризует петрогеиетичаский процеос, который приводит к логнор-мальному распределению избыточных компонентов, испытывавших тенденции к выносу за пределы системы» Создается, таким образом, возможность дополнительной (термодинамической) интерпретации логнормально распределенных параметров (микросостояний) матрицы. В данном случае эволюция системы протекает с увеличением её энтропии, что тесно увязывается с геохимической сущность») процесса. Потерявшие термодинамическую и кристаллизационную активность компоненты выносятся из системы, а при невозможности выхода за её пределы образуют изоморфные примеси в минералах, увеличивая степень беспорядка р, системе.

Зеркально противоположный д - нормальный тип распределения, наоборот, характеризует поведение компонентов с повышенной термодинамической и кристаллизационной активностью, склонных к образованию кристаллической фазы и, соответственно, способных снизить энтропию

Б - кЬР+С,

5 - к Е + С , или

матрицы. Это снижение Для рассмотренного выше случая подчеркивается отрицательным значенном величины л 8--кЕл11 -хЬ

Анализ ЭКР в кристаллических породах показывает, что по величине термодинамической активности компоненты нельзя заранее разделить на "инертные", "пассивные", "активные", "подвижные". Даже ие-лочи в различных условиях могут проявлять собя по-разному. Не представляют собой исключения и редкие элементы (РЭ), подавленная термодинамическая активность которых определяется только их низкими концентрациями. Возможность оценки термодинамической активности компонента позволяет по-новому подойти к трактовке правила фаз Гиб-бса. Ка?кется очевидных, что для нетастабильно равновесных систем число минеральных фаз определяется количеством компонентов с д -нормальным типом распределения. Обладая возможностью оценки активности конкретных компонентов, можно записать Ф-к+2-1 ,

где Ф - число фаз, к - число активных компонентов, обладающих 2 -нормальным распределением, I - число степеней свободы.

В заключении главы рассмотрены примеры различных типов

распределения в смежных наука-х. Расшифрованы значения детерминанта, например, для 2 - нормальных распределений размеров кристаллов кальцита в мраморах, сделан анализ подобного распределения тепловых потоков в горных породах и т.п.

Глава 2. РАСПРЕДЕЛЕНЫ ХИМИЧЕСКИХ КОМПОНЕНТОВ В МЕТАМОРФИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

Приведенные ниже модели базируются на геохимическом материале сравнительно хорошо изученных метаморфических комплексов Урала. В ряде случаев привлекались аналитические данные по другим регионам.

В первом рпзделе главы "Метаморфизм и метасоматизм в гнейсово-мигматитовых комплексах Урала" сделан краткий обзор геологических аспектов метаморфизма, наиболее полно описанных в работах Г.А.Кей-льмана. Особое внимание уделено метамор?ической зональности, фиксируемой определенными ассоциациями устойчивых минералов, показано наличие двух "изоград появления" ряда метаморфических минералов, обусловленных метаморфическими и метасоматическими явлениями. Приведено описание конкретных разрезов. Обсуждается соотношение метаморфических и метасоматнческих процессов, масштабы миграции химических компонентов в глубокоиетпморфнзованНых комплексах. Большинство

1.3

поя/чыших ¡вэультйтов лежит "ь русле иикястни* иредцткнл&нии Л.С. Карпинского и А. А .На ракуиеиа.

Второй раздел глав и "Мцтенатичбакиа ьвдали ^асп^^Лсши^при ' >!&т11Н01>1мгии:шх процессах" содержит описания ко икр втних иода лай привноси, выноса, а также ряда комбинированных ноАьлий. Иолучоннио ТКР охватывают все многообразие ЭКР. Впервые обоснована возможность бимодилышх распределений ЭКР в петрографически однородных породах. Все ТКР иллюстрированы примерами из геологической практики, а их основные параметры приведены в табл.1.

Модели при вноса

Модель 1. йллвстрируат процесс привноса компонента ь систему при детерминанте Р'(к)*1-х и Р"(х4) - )/>■ . Она чао.тично рассмотрена в качестве примера вине, В обоих случаях валичина дх;, находится ь обратнопропорциональной связи с "накопленным" содержанием в тьзрдой фазе. Тогда

Е'.^.-ЕПИ-Х!; Е*-5-т£Г

Иопствповка результатов вычисления Е в уравнений нормальной кривой приводит к трансформации последней в кривую с отчетливой левосторонний асимметрией. Вариант Р(х}=(-х удобен для использования, когда концентрация компонента выражена в процентах, а содержания всех компонентов взаимосвязаны. Детерминантом Р(х)-|/к можно описывать привкос редких компонентов, когда их содержания не учитывается процентными перерасчетами, а влекут за собой увеличение платности породы. В первом случае система по общему балансу вещества выглядит стабильной, во втором - общая масса вещества возрастает. Эта особенность подчеркивается уравнениями матричной энтропии. В одном случае она обладает отрицательными значениями, что увязывается с процессом упорядочения системы, в другом она положительна, так как процесс сопровождается увеличением плотности вещества, Ь последнем случаи модолнруется рудник процесс, когда микросистема рудного компонента, обладая склонностью к снижению собственной ли-гротш ( 2 -нормальное расп]АЛбленио), за счет привноса дополнительной мпоси увеличивает энтропию »истомы в налом.

Отночоншмн типами рвепредниоиия могут обладать ЗКР шпротин-иых и редких злецентоп, обладавшие повышенной тариодипймичоокоИ активность»), На калиттровом атапа гранитиэаиик, например, подобным

ы

типом описываются ЭКР обеих щелочей, на калиевом этапе он характерен только для распределения калия.

Модель 2. От предыдущей отличается лияь тем, что для привносимого компонента рассматривается возможность существования продела насыщения С , Детерминант процесса Р(х)*С~х , а

Отметим лигаь специфику модели. Уравнение ТКР неизбежно приводит к формированию левосторонней асимметрии кривой без выхода её правой ветви на асимптоту. Левая ветвь ТКР выглядит очень пологой. Модель адекватно отражает распределения таких компонентов, для которых величина флуктуация сравнительно невелика, а некоторая часть микросистем находится в состоянии предельного насыщения. Подобная ситуация создается, нппримэр, для кремнезема в продуктах гранитизации, когда его часть находится в виде отдельной фаза - кварца.

Модель 3. Частично рассмотрена в качестве примера в первой главе, иллюстрирует процесс выноса компонента, интенсивность которого пропорциональна его содержанию в системе, когда F(*)m * , а Е=Елл • Логнормалъный тип распределения как следствие реализации модели отмечается в любом петрогенном процессе для части пет-рогенных и большинства редких элементов. Следует отметить, однако, что логнормальннй тип распределения отнюдь не является имманентной особенностью РЗ. Он характерен для ЭКР любых компонентов, подвергаемых процессу эвлизни. Логнормальннй типом распределения всегда обладают, например, железомагнезиальные компоненты в продуктах гранитизации.

Существующие методики аналитических исследований, обладающие "порогом чувствитолыюстн", нередко приводят к искусственной трансформации логнормальных ЭКР в кривые Пуассона.

Модель к. Описывает распределение компонентов, склонных в потрогенетическом процессе к частичному удалению из системы, когда определенная час-Гь его входит в устойчивые минералы-носители, а детерминант F(x)-x-C , где С - предел возможного выноса. Для данной модели

Модели выноса

что при соответствующей подстановке в уравнение нормальной кривой приводит к трансформации последней в ТКР с правосторонней асимметрией. При этом лолчч лвтяь кривой не выходит на асимптоту. Модель продставлпот собой зеркальное отражение модяли 2.

Комбинированные модели

В большинство случаен метаморфические породы представляют собой продукт полихромии/, процессов. Очевидно, однако, что практическая возможность разграничения сохраняется лишь для двух сопоставимых по интенсивности процессов.

Модель 5. Характеризует распределение компонента в породе, подвергшейся двухэтапному метаморфизму одинаковой направленности (с пряиюсом) при полной подвижности вещества. В этом случае дотер-минпнт каедого из этапов мокет принимать значения 1-х и 1/х . Тогда F'W-U-x)*U->0 ; F"Ub(/x + l/x ; F'"(x)-(1-х) + 1/x . После соответствующего интегрирования получим Е'--Q,5En!i-xl; Е'-х'А ; Е"'*-0.5£п1х-хМ|М/(х+О , при х>1.

В каждом из перечислении* случаев после соответствующих преобразований получим ТКР с левосторонней асимметрией» В первом случае оно представляет собой смещенную по оси х вправо g - нормальную кривую.

"одель 6. Иллюстрирует характер распределения компонента испита шке го двойной вынос в наложенных процессах при условии ого пол-ног* подвижности в каждом из этапов преобразования. Значения детерминанта в таких условиях F(x)*2x , а величина Е*0,5Епх . Модель, таким образом, по псем параметрам аналогична модели 3, отличаясь от последней смешением 'логнормвльной ТКР влево, в сторону более низких концентраций.

Модель 7. Теоретически и практически картина распределения меняется при наложении процессов одинаковой направленности, но с ограниченной подвижностью компонентов, когда его пасть входит в устойчивые при данных Р-Т-условиях минеральные фазы. Наложение двух процессов привноси при Р(х)-(Ci + х) + ( Сг~ х) приводит к

Е * - EnlCi Cj -2х| ,

а при F(х) - (Г." х) 1 1/у. вычисления приводит к нескольким решениям при разных значениях С , что имеет определенный смысл. Не сколько условно одно из ротониН (при ) отражает течение руд-H2il1_iU121i?S£3'. п гторое - пвтрогенного ( С>2 ). Для петрогонного

"Яокалъпмв нолояяжп но условиям применикоЬти настояпей методики л расчет на принимаются.

процесса

• В „каждом из перечисленных случаев подстановка результата интегрирования в уравнение нормальной кривой приводит к трансформации последней в бимодальную кривую, представляющую собой совмещение двух £> -нормальных кривых. Эта модель, например, адекватно отражает распределение железо-магнезиальных компонентов в ставролито-вых и кордиеритовых сланцах Кочкврского метаморфического комплекса с двумя генерациями отмеченных минералов.

Модель 8. Отражает распределение компонента при наложении двух процессов выноса, по крайней мере один из которых протекал о неполной подвижностью рассматриваемого химического соединения. Детерминант процесса может принимать выражения ^(.х) - (х- С() *-(х — Ся) , или х+(х~С) • После соответствующих преобразований получим

Е'-епйх-СгСИ , Е'-Еп12х-С1,

что приводит к бимодальности, представляющей результат сложения двух логнормальных кривых. При этом одно из модальных значений приближается к нулю.

Подобными распределениями на практике ииогда характеризуются ЭКР редких элементов, входящих в акцессорные минералы-носители.

В последнем.третьем,разделе "Критерии металлогенической специализации метаморфических пород" рассмотрены открывающиеся благодаря результатам моделирования возможности для разработки критериев потенциальной рудоносности продуктов метаморфогенно-метасоматическнх процессбв (Паняк, 1981; 1982; 1983).

Обладая оценкой концентрации компонента на ранних (х ) и конечных (М0) этапах процесса, для метаморфических пород коэффициент распределения примет вид к-х/М0 . При М0>х (д -нормальные распределения) подвижная часть компонента Мс-х обладает положительным знаком и является оценкой возможного накопления компонента в пределах системы. Если М0<Я (логнормальниэ распределения), величина М„-х приобретает отрицательные значения и может служить оценкой количества выносимого компонента, его рассеяния, в коэффициент отделения

Для £ -нормальных распределений коэффициент распределения ¡с ему можно придать значение коэффициент концентрации кк ,

в коэффициент отделения к.,-^0 . Отрицательное значение к. 01 можно рассматривать как оценку определенного "вакуума" для компонента в система.

Для ЭКР с правосторонней асимметрией к Н и ему можно придать значение коэффициента рассеяния, а хоаффициент отдаления к,,---0 , что отражает реальную картину процесса выноса.

Если ЗХР обладают левосторонней асимметрией, то они характеризует распределение компонента, образующего ореолы концентрации, в противоположном случае - ореоли рассеяния.

В заключении раздала приведены примеры ореолов рассеяния и концентрации на конкрвтних месторождениях графита, золота, железа, глиноземистого сырья.

Глава 3. РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ КОМПОНЕНТОВ В •МАГМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

В первом разделе "Специфика моделирования распределений компонентов в магматических системах" изложены петрохимическиа аспекты формирования магматических пород. Кратко обсуждается механизм кристаллизации в системах с конгруэнтным и инконгруэнтным плавлением, когда эвтектоидные соотношения компонентов достигаются через пери-тектичьские и'котектические состояния. Кроме того, в-разделе затронуты другие вопроси, имеющие отношение к предмету обсувдения: несоответствия химсостава энтрузивных пород их эффузивным комагмвтам, влияние па характер распределения магматической дифференциации, специфика кристаллизации относительно закрытых магматических систем.

Особенностью моделирования распределений химических компонентов при магматических процессах является зависимость дх,. от лх1м (содержание компонента в порции твердой фазы предшествующего момента кристаллизации), а также от дки, (концентрации компонента в остающемся расплаве), которые тесно взаимосвязаны Параметры рассмотренных моделей приведены в табл.2.

Во втором разделе "Математические модели распределений при кристаллизации магматических пород" рассмотрены основные модели, которые адекватно отражают различные геологические ситуации и согласуются с полученными ЗКР.

Модель I. Применима для описания процесса кристаллизации эв-тектоидных систем, для которых Предполагается оптимальное соотношение петрогенннх компонентов, выравнивание их термодинамической (кристаллизационной) активности, а состав выпадающей кристаллической

ь>

Лазы в каждый момент отвечает составу остающейся жидкости, когда - , a F(x)- Const . Тогда

E-^dx. -х .

Величина Е и,соответственно, х должны согласно 1ШТ обладать нормальным распределением. Нормальный тип распределения в геологической практике встречается не так уж часто, как предполагалось ранее. Отмечается как для интрузивных, так и для эффузивных породи характеризует равновесные систомы с максимумом энтропии. Нормальными распределениями петрогенннх компонентов обладают обычно пара-автохтонные онатектические гракитоиды гнойсово-магмвтитовых комплексов Урала, примером аллохтонных образований,обладающих строго симметричными ЭКР, могут служить.граниты Малыловского массива на среднем Урале.

Модель 2. Иллюстрирует случаи сравнительно быстрого извлечения компонента из расплава, подавляющего вхождение его в первыо порции твердой фазы, для таких ситуаций можно полагать ,

а ДХ[ будет находиться в обратнопропорциональной зависимости от дх^, , т.о. от концентрации в твордой фаэо. Иначе говоря , дх; будет определяться снижающейся концентрацией компонента- в жидкой фвзе. Тогда детерминант F(x)-(-x , или 1/х , а модель становится адекватной описанной выше'для метаморфических процессов (модель I).

Исходя из теоретических предпосылок, о - нормальный тип распределения должен быть характерен, например, для железо-магнезиальных компонентов в ультрзбазитах, формирующихся из неадекватных основных магм при реализации принципа Боуэна, что действительно отмечается для некоторых ультрабазитов Урала.

Модель 3. Отражает ход кристаллизации для компонентов, которые в течение процесса накапливаются в последних порциях расплава и в твердую фазу входят в основном па заключительных этапах, а при возможности "сбриснваются" в постмагнатическиэ продукты. В этом случае ряд а х,, дх,, д х, ,... будет' восходящим, n F(x)-x Тогда Е*£пх , что приводит к (формированию описанных ранее логнор-мвльных ТКР.

Теоретические предпосылки логнормольних распределений,подтверждаемые практикой, возникают мрокде всего для РЭ, не способных в силу низких концентраций и соответствующей кристаллизационной активности формировать собственные минеральные фазы. Рид потроганных компонентов, накапливаемых в остаточных респлавах, сникают температуру кристаллизации системы, увеличивают её энтропию,

приближая её к наиболее вероятному (эитоктоидному) состоянии.

Комбинированные модели

Для магматических образований,как и для метаморфических пород, возможно появление бимодальности ТКР как- следствия дискретного изменения физико-химических условий кристаллизации.

Модель Применима для описания процессов формирования эффузивных пород с порфировыми структурами, фиксирующими различные условия кристаллизации порфировых вкрапленников в глубинном очаге и основной массы в поверхностных покровах.

Для рассматриваемой модели детерминант должен обладать двумя значениями. В одном случае он регламентирует кинетику глубинного процесса кристаллизации с выделением порфировых вкрапленников, когда состав твердой фазы определяется, в основном,концентрацией компонента в расплаве - F(x)-2x~x . Для поверхностных условий детерминант может определяться несколькими значениями F(x)-2x-x или i/x .

В ноиболее простом случае, при F(x) = (2x-x)+(2x-x)-2(2x-x), величина Е = -0,5£п12х-х| , что приводит к бимодальности ТКР, обусловленной наложением двух g -нормальных кривых.

В природных условиях отмечается четкая связь бимодальности с составом вкрапленников породы. Для плагиоклазовых порфиритов, например, бимодальность проявляется на ЭКР глинозема и оксида кальция, для пироксеиовых порфиритов она характерна для распределений железо-магнезиальных комприентов. Бимодальность практически не зафиксирована для распределения кремнезема.

Модель 5. В противоположность предыдущей модели отражает наложение двух разобщенных процессов кристаллизации различной направленности (концентрации и рассеяния) и применима для описания процессов кристаллизации редких компонентов,способных по мере накопления в расплаве создать собственные (акцессорные).минералы-носители. Детерминант процессов рассеяния F(x)=x , а процессов концентрации - F(x)>x-Co , где Со-предельная концентрация кристаллизационной активности компонента. Для обеих стадий F(x) = х-t (х-С") , а Е « 0,S£nl2.x.— Соi , что приводит к бимодальному типу распределения.

Если величину Ci считать предельной концентрацией насыщения, выше которой происходит разделение расплава на две несмешивающиеся

'лидкости (дилыщин), то данная модель ножет бить использована для описания распределений рудного компонента, например, СгЕ 0а на местаро¿линиях подобного типа.

В заключительном разделе главы ''Критерии генезиса и потамщ-££ £'¿¿£1 юсности проду ктов магматизма" обе у<я я в тс и актуальны;) вопроси, решение которых увязывается с открывавшейся возможностью восстяноь'-ония хода кристаллизации. Новый термодинамический смысл можно придать понлгиг; эвтектоидного состояния, которой следует рассматривать как наиболее вероятное состояние системы с максимумам энтропии при одинаковой кристаллизационной активности всех петро-генннх компонентов. Только эвтоктоадние системы могут считаться равновесными, котектические и перитектические реакции формируют метветабильно равновесные ниэкоэнтропийные системы. Полученные результаты по гипербазитам Урала подтверждает их неравновесность. Привлечение аналитических данных по островодужным формациям показало, что андезиты представляют практически равновесную систему и помогли образоваться за счет исходной базальтовой магмы. Анализ ЗКР показывает, что базальты островодукной формации формировались из "недостаточно основной'' магмы, а кислые продукты из "лишне средней" магмы, что подчеркивает самостоятельность андезитовой формации.

Реальная возможность установления геохимической направленности кристаллизации ранее была показана Л.Я.Овчинниковым (1976г.) для эф?узивов поело раздельного изучения химизма вкрапленников и основной массы. Полученные коэффициенты распределения, используя предлагаемую методику, можно рассчитать как для эффузивных, так и для полнокристаллических интрузивных пород,не прибегая к механическому дроблению породы и вщелечио отдельных минеральных фракций. Полагая модальные значения концентрации компонентов » магматических породах как наиболее вероятные, оптимальные, отвечавшие ранним продуктам кристаллизации, коэффициенту распределения мокно придать значение • к • М./х ' -

Для кривых с правосторонней асимметрией (включая логиормадын.а) М0*=5< , а к <" I .Б этом случае коэффициент отделения, определяема по маю пике .'1.И.Овчинникова, к0, • (Ст0, "" С^пт)/ Сг.„, модно заменить на >сог - (* - МД/Я , причем к0т всегда обладает положительными значениями. В данном случае для массива магматических пород рассматриваемый компонент образует ореолы рассеяния, а ого повышенные концентрации следует искать в продуктах постмагн/личве-гих процессов.

Для ЭКР с левосторонней асимметрией (включая £ -нормальные) ■ коэффициент распределения к-М,/х всегда больше единицы, в кот • " (х-МоУх* 0, т.е. приобретает отрицательные значения. Компоненты, обладающие подобными ЭКР, представляют собой ореолы концентрации в пределах магматических систем.

Как показали предварительные результаты* в анатектичвских образованиях гнейсово-мигматитовых комплексов, кок правило, отмечается эвлизия РЭ, удаление их за пределы системы даже в случае кристаллизации эвтоктоидных систем. В то же время в обрамлении подобных магматитов нередко фиксируются следы микроэлементной бази-фикации.

Часть вторая

МАТЕМАТИЧЕСКИЕ' МОДЕЛИ В РЕШЕНИИ РЕГИОНАЛЬНЫХ И ОБЩЕТЕОРЕТИЧЕСКИХ ЗАДАЧ ГЕОЛОГИИ

Глава Ч. ГЕНЕТИЧЕСКИЕ И ВРЕМЕННЫЕ ВЗАИМООТНОШЕНИЯ ПРОДУКТОВ ЭНДОГЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

На конкретных примерах, касающихся преимущественно уральских метаморфических комплексов (Мурзинско-Адуйского, Кочкарского, Сы-сертско-Ильмоногорского)„ показаны возможности применения результатов математического моделирования для решения актуальных вопросов геологии региона.

В первом разделе главы "Соотношения метаморфических и ультраметаморфических процессов" приведены критерии различия магматических и метаморфических продуктов в зонах ультраметаморфических преобразований. На представительном аналитическом материале показано, что равновесными системами в пределах Мурзинско-Адуйского комплекса являются плагиогранити и среднезернистыв граниты, формирование которых представляет собой кратковременный этап расплавления на фоне более длительных метаморфических явлений соответствующих этапов - калинатрового и калиевого. Калиевая фельдшпотизпцил завершающих стадий метаморфического процесса, при наложении на анатлкти-

* Предварительность результатов обусловлена Недостаточной надежностью имеющихся определений фоновых содержаний РЭ.

2-1

ЕЗ. ЕЗ. ЕЗ, ЕЛ. СЕ!

б

Рис Л. ЗКР петрогеннн* компонентов в основиих типах пород

Мурэинско-АдуПсксто гнеПсого-мигматитопого комплекса-. 1-я граннтогмапсах, 2 - в плагиогранитогнеисах, 3 - в лорфпроянлных граннтах, 'I - в базкфикатах, ■ 5 - средней и модальное содержание в нормальных гранитах, б - среднее и модальное в плагиогранитпх

ческив образования, привела к форчирогчни» порфипогидных разновидностей гранитов. Геохимическая направленность процессов в перст--новосних метаморфических породах четко фиксируется по характеру асимметрии ЭКР (рис.1).

Изучение аналитического материала по Ильмяногорскому щелочному массиру (миаскиты, сиенит», фонитц) подтверждает выгоды Б.К.Ро-консона и В.Я.Ленина о механизме образования отмеченных, разновидностей. Равновесной системой выглядят мкасхиты, отчетливо иеравно-весными системами для массива являются сиениты и фениты, для которых устанавливаются альтернативные геохимический тенденции. Например, для фенитов отмечается вынос калия и привнос натрия, в сиенитах -наоборот. Отмеченные особенности согласуются с результатами анализа минерального состава отмоченных пород с позиций термодинамики. В кристаллографической рскетко нефелина в фенитах, например, обладающий логнормальным распределенном калия при изоморфном замещении натрия липь усложняет структуру минерала, уволичинает его энтропию. Замечено, что степень упорядоченности минералов, определяемая количеством изоморфных замещения в них,подчеркивается характером ЭКР.

Бо втором разделе главы "Геохимический профиль гранитизации и базн^икоции" показана взаимосвязь и взаимообусловленность процессов гранитизации В ядрах метаморфических комплексов с явлениями ба-эификации в обрамлении. Анализ ЭК? в продуктах гранитизации и ба-зификации показывает строгое соответствие характера кривых геохимической направленности процесса. Например, калий всегда обладает 2 -нормальными распределениями в продуктах калинптрового и калиевого отапа, в то'время как тип распределения натрия меняется с £ -нормального (на калинатровом этапе) на логнормальнкй (на кпливвом). СсЕокуппость ЭКР основных потроганных компонентов в основных пот— •рографичоских разновидностях Мурзинско-Адуйского-комплекса приведена на рис.1. Аналогичные или близкие наборы ЭКР характерны для других-метаморфических комплексов Урала. Соответствующая интерпретация приведенных ЭКР для различных типов пород позволяет восстановить картину геохимической кинетики процессов их формирагонич. Среди многих разновидностей пород, продуктов того или иного этапа процесса, особо следует выделить гнейсы и амфиболиты. Гнейсы -весьма разнообразные по свое^ Геохимической исторги породы. Чаде они выступают в качестве продуктов гранитизации, но иногда могут выступать как баэи^иквты. Этот выгод подтверждается отсутствием у

20

гнейсов стабильных ЭКР основных компонентов. На примере специфических образований - амфиболитов - показана возможность восстановления субстрата для метаморфических пород. Для амфиболитов Кочкарского комплекса, например, восстанавливаемая направленность сформировавших их процессов строго согласуется с првдпопожением о том, что исходной матрицей для них служили диабазы. В то же время, например, привнос кальция при формировании амфиболитов, устанавливаемые по характеру его распределений, нельзя было бы согласовать с необходимостью выноса в случав, если бы исходной матрицей служил мергель и т.д.

Глава 5. ПЕТРОГЕНЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТУ ФОРМИРОВАНИЯ И РАННЕЙ ЭВОДМШ ЗЭ'.НО'З КОРН

Результаты математического моделирования в совокупности с обширными космологическими данными позволили приблизиться к создание петрохимическоЯ модели формирования и ранней эволюции земной коры, а также ряда актуальных проблем геологии докембрия, касающихся облика протокоры, взаимоотношения древнейших сиалических и баэальто-вдных вулканогенных образования, энергетики петрогенных процессов, зарождения "гранитного" слоя коры. Выдвинутые проблемы обсуждались многими исследователями, в СССР наибольший вклад в этом отноиенки внес коллектив ГИНа под руководством акад. А.В.Пейг.о, "Большую роль в развитии представлений о ранней истории земли в рассматриваемом аспекте сыграли труды А.П.Виноградова, В.Е.Хаина, Г.Д.Ажгирея, Л.И. Салопа, Н.Л.Добрецова, Э.Б.Наливкиной, Б.Г.Лутца, А.А.Наракуиева, 0.А.Богатикова, Е.М.Лаэько, Е.В.Павловского, В.А.Рудника и других. Среди зарубежных ученых следует отметить прежде всего Дж.Смита, А.М.Гудвина, А.Е.Рингвуда, Дж.А.Вуда, К.Конди. Особо следует подчеркнуть плодотворное влияние на развитие представлений о раннем отрезке эволюции земли космологических исследований прежде всего Луны. Отдельные аспекты проблемы ранее рассматривались автором (Кейльман, Паняк, 1979, 1901, 1962; Паняк, 1933, 1987).

В первом разделе "Структурные и временные взаимоотношения рзннедокембрижских комплексов" изложены взгляды автора на ряд актуальных проблем, возникновение которых обусловлено трудностями абсолютного датирования древнейших комплексов. Высокий тенпертур-нн!» Фон наиболее ранних ( > 3,0 млрд.лет) потрогенннх процессов гранитизмиионной направленности на Земле приводил каждый раз к

глобальному омоложение пород. Сохранившиеся в виде реликтов, древнейшие образования Земли (близкие к анортозитовой ассоциации на Луне) претерпевали многократную ремобилизацию, иногда с образованием поздних анатектических аналогов. В результате нередко создавалась ситуация, когда возраст сиалического фундамента оказывался более молодым, чем перекрывавшие их эеленокаменные образования покровного характера. Совокупность высокотемпературных преобразований ранней эволюции коры подвела к единому возрастному рубежу ряд формаций, создав тем самым латеральные ряды. В процессе радиологичоских исследований (Койльман, Гревцова, Паняк, 1Э73; Паняк и др., 1975; Ивняк, 1983), а также благодаря расшифровке петрохимических тенденций в отдельных разновидностях пород удалось восстановить последовательность потрогенетических процессов (Табл.Э).,

В заключительном раздело "Стадийность формирования петрохиии-ческой расслоенности земной коры" приводится описание выделяемых стадий эволюции коры в интервале ^,6-2,6 млрд.лет. Расшифровываемые геохимические тенденции в типоморфных продуктах каждой из стадий свидетельствует о -том, что в качестве исходного субстрата для последующей эволюции может служить протокора основного состава (Кейль-ман, Паняк, 1979; Паняк, 1953).

Для наиболее ранних стадий отмечается синхронность процессов на Земле и Дуне, обусловленная тесным взаимодействием этих планет на определенном отрезке истории. Фиксируемое поверхностное плавление на обеих планетах без глобального расплавления в целом могло осуществиться только при участии поверхностных экзоэнвргетических процессов. 'Приведенные расчеты выделяемой пси аккреции напей планеты гравитационной энергии убедительно свидетельствует о том, что формирование планет могло протекать только за счет ионизированного газа, причем в ого составе долины преобладать легкие элементы (включая водород). Метеориты - результат определенной планетной эволюции, а пе исходный материал для формирования космических тел.

Расчеты тепловой эволюции планеты свидетельствую? о раннем разогреве её внешней оболочки, а петрогенвткчоские процессы анортозитовой стадии осуществлялись в условиях приповерхностного плавления. Кристаллизационная и гравитационная дифференциация этой магматической стадии привела к некоторому обогащение коры алюминием, кальцием, натрием при некотором снижении содержания железа и магния.

Петрогенетичоские процессы последующих стадий носили метамор-фогенно-метасоматический. характер. Зндербит-чариокитовая стадия

Таблица 3

Схема 1етрохимическоа эволюции земной коры в раннем докембрии

Стадия Типомссфные ассоциации' горных парод Ведущий петроге-кзтическиЯ процесс Особенности • геохимической кинетики процессов Термодинамические условия Интервал времени, млрд.лет

Анортозитавая Аноотозиты, габ-боо-норкты, трок-толиты Магматическая диффе ре нциа ц кя (гшркос Ка~Сг Са О ВЫНОС Ре О тю2 1.1л О Поверхностное плавление

Зндесбит-чар-кокитовая Чарнокитоиды, основные гранулиты Метаморфизм, кремниевый метасоматоз 31 0 * К|0 Са О" ¿1,0, Р505 Гранули-товая фация 3,6-4,2

Тоналитовая То налиты, плаги-огнейсы, кивати-нийские кокати-ит-базальты Метаморфизм, мЪ-метасома-тоз, вулканизм ЯаР О" СГ СаО* ^ РеО Гранули-товая фация 3,0-3,5

Гранитоидная Гр?.нитогноЯсы, автохтонные и аллохтоиные гранитом«, КИБЬ-танинекие базальты Метаморфизм, К-метасома-тоз, анатек-ско кРо" З£О2 ?еО* СаО НаО Амфиболи-товая фация 2,6-3,0

Примечание. Звездочкой (*) обозначены компоненты, обнаруживающие ма.кекмяггм-лй миграций.

фиксируется типонорфной ассоциацией пород, а определявшей особенность» геохимии петрогенеэа явился интенсивный кремниевый метасоматоз. Тоналитовая стадия, к образовании которой можно отнести большинство гранулитовых комплексов земной коры (включая "серые гнейсы"), характеризуется геохимическими тенденциями, близкими к таковым при преобразованиях калинатрового этапа в неогейских комплексах. Специфика процессов гранитоидной стадии состоит в том, что они развиваются, в противоположность предыдущим, на фоно сравнительно быстрого охлаждения корн в позднем архее. В общих чертах геохимическую направленность рассматриваемой стадии можно сравнивать с калиевым этапом преобразований в неогейских комплексах.

Потрогенетические процессы каждой последующей стадии проявлялись все более локализОЕанно, а в участках их телескопирования к началу протерозоя был сформирован древний "гранитный" слой.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Физико-математическое обоснование законов распределения химических- компонентов в продуктах петрогенных и рудогенных процессов позволяет сделать ряд выводов, представляющих как общенаучный, так и практический интерес.

1. Типы распределения отракеьт геохимическую направленность петрогенных и рудогенных процессов. Детерминантом процессов кристаллизации (перекристаллизации), определяющим характер ЗКР, выступает градиент концентрации компонента на границе фазовых переходов. Резкое преобладание в кристаллических породах асимметричных кривых распределения свидетельствует о том, что петрографические разновидности представляют собой метастабильно равновесные системы. Исключение составляют только магматические эвтектоидные системы, для которых величина детерминанта представляет собой константу, о ЭКР петрогенных компонентов симметричны. Подобные системы» достигшие равновесного состояния обладают минимумом внутренней энергии и максимумом энтропии ,

2. Отдельные разновидности метаморфических пород в сложных комплексах в соответствии с полученными результатами фиксируют "волну кристаллизационной активности". Активность компонента подчеркивается характером асимметрии его ЭКР. Логнормальныэ и подобные

им распределения фиксируют поннженную активность компонента, способного к эвлизин, повышению матричной энтропии системы за счет на' зо

рушения степени упорядоченности решетки минералов при изоморфных замещениях. Противоположные распределения (включая ¡^-нормальное) характерны для компонентов с повышенной способностью к кристаллизации, снижение матричной энтропии. Именно такие компоненты определяют число минеральных фаз системы.

3. При формировании магматических и метаморфических пород в природных '¡истомах возникает ряд ситуаций, которые влекут за собой проявление бимодальных кризах распределения в петрографически единой разновидности пород.. Это явление связано с дискретным изменением термодинамических параметров кристаллизации, отчетливо прогнозируется математическим моделированием и подтверждается многочисленными примерами. Поиск возможной бимодальности кривых распределения должен проводиться прежде всего при исследовании эффузивных пород с порфировыми структурами, метяморфогенно-метасоматических образовани!> с порфиробластовими структурами; для редких элементов - при наличии в породе соответствующих ачцессорных минералов, а на рудных месторож-дениях-в случае проявления признаков ликвации.

Возможность идентификации модельных значения ЗКР с содержаниями в ранних или конечных продуктах процесса открывает возможности для расчета коэффициентов распределения в магматических и метаморфических породах, оценки их потенциальной рудоносности. Для обоих типов пород логнормальные распределения компонента могут рассматриваться как признак ореолов рассеяния, а поиск соответствующих ру-допроявлений должен быть сосредоточен в обрамлении изученной петрографической разновидности. При наличии ¡г-нормального типа распределения, фиксирующего ореолы концентрации, область поисков должна быть сосредоточена в пределах изучаемой породы. Формирование месторождений как ореолов концентрации компонента -процесс, протекающий с локальным снижением энтропии.

Анализ совокупностей ЭКР, характеризугсих распределение компонентов в петрографических разновидностях пород единого метаморфического комплекса, позволяет восстановить последовательность пет-рогенетических процессов. Эта возможность лежит в основе оригинальной методики восствновлення исходного субстрата, метаморфических пород. Применение данной методики при изучении древнейших (раине-докембрийских) метаморфических образований позволило установить последовательность их формирования, перевести формации из латеральных рядов в вертикальные, чего в настоящее преил нельзя сделать о помощью радиологических методов.

л I

По теме диссертации опубликован! следующие работы: '

1. К вопросу влияния углисто-графитовых выделений на процессы минерало- и рудообраэования в метаморфических толщах

// Геология и полезные ископаеше Урала. - Свердловск, 1971. С. 156-157.

2. Графит кристаллических сланцеп северного обрамления Санарского гранитного массива на Южном Урале // Геология метаморфических комплексов Урала: Тр. Свердл, горн, ин-та, пып. 91. - Свердловск, 1973. С.88-91.

3. О температурах выгорания графита как показателе степени метаморфизма вмещающих пород // Геология метаморфических комплексов Урала: Тр. Свердл. горн, ин-та, вып.91. - Свердловск, 1973. С.92-95. ( Соавтор Аронскинд С.Ш.).

4. Радиологическая хронология гнейсовых комплексов Урала // Геолого-радиологическая интерпретация несходящихся значений возраста. - М.: Наука, 1973. С.252-258. (Соавторы Кейльмон Г.А., Гравцова А.П.).

5. Графит - индикатор температурных условий регионального метаморфизма // Геологик метаморфических комплексов Урала: Тр. Свердл, горн, ин-та, вып. 108. - Свердловск, 1974. С.55-58. (Соавтор Кейльман.Г.А.).

6. Температурные и парагенетические границы эпидот-амфибо-литовой фации // Термодинамический режим метаморфизма: Тезисы докладов Всесоюзного симпозиума. - Л., 1974. С.12-14. (Соавтор Кейльман Г.А.).

7. К вопросу о литологическом контроле хрустальной минерализации на Южном Урале // Минералогия и петрография Урала: Тр. Свердл, горн, ин-та, вып. 106, - Свердловск, 1975. С.60-63. (Соавтор Евстропов А.Л.).

8. 0 возможностях определения абсолютного 'возраста гидро-терыально-метасоматическнх образований // Геология метаморфических комплексов Урала: Тр. Свердл. горн, ин-та, вып. П5. - Свердловск, 1975. С.05-89. (Соавторы Страшненг.о Г.И., Огородников В.Н.).

9. Радиологическая история Тараташского гнейсового комплекса // Геология метаморфических комплексов Урала: Тр. Свердл. горн, ин-та, вып. 116, - Свердловск, 1975. С. 36-42. (Соавторы Гревцова А.П., Глушкова Г.А., Дслгаль Л.С.).

10. Геологическая позиция щелочных пород эвгеосинклиналь-ной зоны Урала и некоторые аспекты проблемы источника щелочей // Геология метаморфических комплексов Урала: Тр. Свердл. горн, ин-та, вып. 116. - Свердловск, 1975. С.56-63.

11. Некоторые статистические критерии ыетасоматических процессов // Региональный метаморфизм, метасоматизм и металлогения Урала. - Свердловск, 1975, СЛЫ2.

12. Процессы региональной гранитизации в Мурзинско-Адуй-скои гнейсово-гранитном комплексе // Региональный метаморфизм,

■метасоматизм и металлогения Урала, - Свердловск, 1975. С.22-29. (Соавтор Поляков З.Л.).

13. Роль метасоматоза в формировании гнейсов // Рудоносные метасоматические формации Урала. - Свердловск, 1976. С. II. (Соавторы Кейльман Г.А., Поляков В.Л.).

14. Математические модели ыетасоматических процессов и их геологическая интерпретация // ДАН СССР. - 1976. - т.227, - №1. С, 180-191. (Соавтор Кейльман Г.А.).

15. Опыт математического моделирования метассматичесних процессов // Метасоматизм и рудообразование: Тезисы докл. на 1У-Й Всесоюзн. конференции. - Л., 1976. С.47-48. (Соавтор Кейльман Г.А.).

16. Метаморфогеннад минерагения геосинклинальшх областей// Проблемы петрологии: Мат-ли к У Всесоюзн.петрогр.совещанию, Алма-Ата: Наука, 1976. С. 215-216. (Соавторы Кейльман Г.А., Болтыров В.Б., Горожанкнн В.Т., Огородников В.Н.).

17. О роли метасоматоза в формировании метаморфических коц-ппексов // Геология метаморфических комплексов Урала: Тр. Свердл. горн, ин-та, вып, 127. - Свердловск, 1976. С.4-10. (Соавторы Кейльман Г.А., Огородников).

16. Процессы гранитизации в Мурзинско-Адуйском мигматито-вом комплексе // Геология метаморфических комплексов Урала: Тр. Свердл.горн.ин-та, вып, 127. - Свердловск, 1976. С.22-29. (Соавтор Поляков В.Л.).

19. Геотермический и тектонический режим регионального метаморфизма в подвижных поясах // Термодинамический режим, метаморфизма. -Л.: Наука, 1976. С.56-59. (Соавторы Кейльман Г.А., Болтыров В.Б.).

зз

20. Кинетические и геоэнергетические аспекты формирования мигматнтовых комплексов // Геология, тектонический режим и металлогения метаморфизма: Тезисы докл. Ш Всес. симпозиума по метаморфизму. - Свердловск, 1977. С.35-36. (Соавторы Кейльман Г. А., Поляков В.Л.).

21. 0 глубинности формирования метаморфических комплексов Урала // Геология метаморфических комплексов, вып. У1. - Свердловск: Изд. Уральск.политех.ин-та, 1977. С.74-78. (Соавторы Болтыров В.Б., Поляков В.Л.).

22. Проблемы планетарной корообразующей гранитизации // Геология метаморфических комплексов. - Свердловск: Изд. Уральск.• политех.ин-та, вып. УП, 1979. С.3-13. (Соавтор Кейльман Г.А.).

23. Функции распределения элементов как 1фитерий генезиса гранитоидов // ДАН СССР. - 1979. - т.247. - № 3. С.703-706. (Соавтор Поляков В.Л.).

24. Проблемы геологин "гранитного" слоя // Геотектоника. -

1979. - № 2. С.69-79. (Соавтор Кейльман Г.А.).

25. Распределение петрогенных и малых элементов в гранито-идах // Геология метаморфических комплексов. - Свердловск: Изд'. Уральск, политех.ин-та, вып. УП, 1979. С.83-91. (Соавторы Поляков В.Л,, Полякова й.А.),

26. Происхождение и эволюция древнего "гранитного" слоя // Докембрий: Докл.сов. геологов на ХХУ1 сессии МГК. - М.: 'Наука,

1980. С.24-28. (Соавтор Г.А.Кейльман).

27. Распределение химических элементов в изверженных породах и их математические модели // ДАН СССР. - 1960. - т.253. -№ 5. С. 1200-1203.

28. Эволюция "гранитного" слоя // Геология метаморфических комплексов*. Межвуз.научи.тематич.сборник, вып. ЛИ. - Свердловск, 1900. С.82-88. (Соавтор Кейльман Г.А.).

29. Петрогенетические тенденции раннего докембрия // Петрология литосферы и рудоносность: Тезисы докл. У1 Всес.петрогр. совещания, - Л., 1961. С.33. (Соавтор Кейльман Г. Л,).

30. Математическое моделирование геохимии петрогенных процессов в связи с проблемой источника рудного вещества // ДАН СССР. - 1961. - т. 261. - № 5. С.1190-1193.

31. Эволюция метаморфической зональности // Геология метаморфических комплексов: Межвуз.научи.темат.сборник, вып. IX.-

Свердловск, 1082. С.5-12. (Соавтор Кейльман Г.А.).

32. Металлогеническая специализация геологических типов метаморфизма // Региональный метаморфизм и метаморфогенное рудо-обраэование: Тезисы докл. У Всес. симпозиума по метаморфизм!'. -Винница, 1962. С.81-82. (Соавторы Кейльман Г,А,, Болтыров В.Б.).

33, Распределение химических компонентов в метаморфических породах ¡.ак источник информации о потенциальной рудоносности // Региональный метаморфизм и метаморфогенное рудообразование: Тезисы докл. У Всесоюз.симпозиума по метаморфизму. - Винница, 1982.

34. Геохимические критерии потенциальной рудоносностн продуктов петрогенных процессов // Металлогения Урало-Монгольского складчатого пояса, т.И: Материалы X Всес. совещания. - Алма-Атаг Наука, IS83. C.I4I-I42.

35. Геолого-геохронологические аспекты ранней эволюции земной коры // ДАН СССР. - 1984. - т.273. - № 2. C.II90-II93.

36. Закономерности пространственного проявления метаморфизма // Геология метаморфических комплексов: Медвуз.научн. -геыат. сборник, вып. XI. - Свердловск, 1985, С.3-9, (Соавторы Кейльман Г.А., Болтаров В.Б., Золоев К.К.).

37. Закономерности распределения химических компонентов при петрогенных процессах и та математическое обоснование // ДАН СССР. - 1967. - т.296. - М. С.968-973.

38. Геодинамические режимы формирования земной кори в раннем докембрии // Геология, тектоника, петрография и рудоносность докембрия Сибирской платформы и ее обрамления (тезисы докл.). -Иркутск, 1987. С.6-7. (Соавтор Кейльман Г.А.).

39. Логнормальные распределения параметров природных систем Kaft отражение второго начала термодинамики // ДАН СССР." Iff28. ~ Ч.ЪООгЫЧ. С. 957-960•

С.86-87

НС 181G2 ПОДПИСАНО К ПЕЧАТИ в/в-8Вг, ОГ)ЪЕМ 2,0 П.Л. ТИРАЖ 1 ЭО

ТИРАЖ 1ЭО

формат (зохвн г.'10 заказ 872

нехм!<1 объединения » полиграфист

г .СВЕРДЛОВСК, ТУРГЕНЕВА ,20