Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Особенности сферолитовой кристаллизации в кислых вулканических стеклах по данным электронно-зондового микроанализа

ВАК РФ 04.00.08, Петрография, вулканология

Автореферат диссертации по теме "Особенности сферолитовой кристаллизации в кислых вулканических стеклах по данным электронно-зондового микроанализа"

, АКАДЕМИЯ НАУК СССР

ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ ГЕОЛОГИИ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ, ПЕТРОГРАФИИ, МИНЕРАЛОГИИ И ГЕОХИМИИ

На правах рукописи БОРИСОВСКИЙ СЕРГЕЙ ЕВГЕНЬЕВИЧ

УДК 553.6,535.125

ОСОБЕННОСТИ СФЕРОЛИТОВОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ В КИСЛЫХ ВУЛКАНИЧЕСКИХ СТЕКЛАХ по данным электронно-зондового микроанализа

Специальность 04.00.08 - Петрография, вулканология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-мшгералогических наук

Москва - 1989

Работа выполнена в Ордена Трудового Красного Знамени Институте геологии рудных местороддений, петрографии, минералогии и геохимии /ИГЕГЛ/ АН СССР

Научный руководитель: доктор геолого-минералогических наук,

Наседкин Василий Викторович Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук,

Эпельбаум Марк Борисович кандидат геолого-минералогических наук, Романенко Игорь Матвеевич Ведущая организация: Институт минералогии, геохимии и кристаллохимии редких' элементов

Защита состоится " 1Э89 г. в 15 час.

на заседании специализированного ученого совета К.002.6801 в Институте геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии ЛЯ СССР по адресу: 109017, Москва, Старомонетный пер., дом 35.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИГЕМ АН СССР.

I

Автореферат разослан " & " «¿¿суз/О. 1989 г.

Учеши! секретарь специализированного совета,

кандидат геолого-минералогических наук

£ К.В. Подлесский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. РАБОТЫ

Актуальность теш. Сферолиты являются весьма сло:ашми объектами для исследования, поэтому изучены они пока недостаточно. Это в первую очередь относится к сферолитам, имеющим широкое распространение в кислых вулканических стеклах. Слабая минералогическая и химическая изученность сферолитов вплоть до настоящего времени приводила к противоречивым суждениям о причинах их образования. Наряду с широко распространенным взглядом на сферолити, как на форму кристаллизации сильно переохлажденного расплава С Эптель,1962], существуют и другие точки зрения на их природу. В частности, одна из них связывает образование сферолитов с расслоением расплава на две несмешиващиеся жидкости ( Воловикова,1955;Елисеева,1950]. Подобные различия в вопросе о генезисе сферолитов требуют более тщательного их изучения.

Цель работы. В связи с недостаточной изученностью сферолитов кислых эффузивов била поставлена задача детально исследовать их химический и минеральный состав и на основании этих данных сформулировать более убедительную концепцию с^еролитовой кристаллизации в кислом расплаве.

Аппаратура и методы исследования. Работа выполнена в рентге-носпектральной лаборатории ИГЕМ АН СССР на электронно-зондовом микроанализаторе И 5-46 фирмы "КА1ШСА". Наряду с результатами электронно-зондовых исследований в работе использованы данные рентгеноструктурного и электронно-микроскопического анализов. Обработка полученной информации осуществлялась на базе микро-оВМ "КАНОН СХ-1" и "НР-9830А". .

Научная новизна работы. Впервые детально изучен химический состав нескольких сотен сферолитов и содержащих их вулканических стекол. Обнаружено резкое изменение состава гидратировашюго кислого стекла при вхождении воды в стекло свыше 6 мас;2. Показано, что сферолитсодержащий кислый расплав очень близок по химическому составу к смеси $|02 и полевого шпата. Показано, что первичные сферолиты кислых эффузивов являются полиминералыш'ми образованиями , состоящими из полевого шпата ( натриевого санидина или олигок-лаза) и одной из кристаллических ;[орм Б», как правило кр.нсто-балита. Предложена модель сферолитовои кристаллизации для двухко-мпонентныл эвтектических расплавов.

Практическая значимость работы. В настоящее вгопя в промиш-ленности псе шире начинают использовать материалы лэсобныо кристаллизоваться в виде сферолитов. Среди них наибольший раснросчра-

- г -

нение получили полимеры, металлические стекла, аморфные полупроЕ лншси, керамические материалы. Их успешное внедрение требует более глубокого понимания процесса сферолитообразования. Если нау1 ться управлять саеролитовой кристаллизацией, то можно получать N териалы с необычными свойствами. В частности, осуществление нащ влешгой тонковолокнистой кристаллизации на поверхности перечисле чих материалов приведет к изменению прочностных характеристик в тонком приповерхностном слое.

Основные защищаете положения

1. Разработала методика количественного микрозондового анализа кислых вулканических стекол, что позволило впервые провести д таяьное изучение химического состава пары кислое вулканическс стекло - сферолит.

2. Установлено, что при гидратации вулканического стекла близко! ш отвечающего та составу кварц-полевошпатовой эвтектике не происходит изменения его состава при вхождении воды в стекло 6 тсХ. При более высокой содержании воды наблюдается резкое уменьшение содержания щелочей и увеличение содержания кальцш

3. Б кислых вулканических стеклах выявлены три основные разновт ности первичных полиьшкеральинх сферолитов, каздая из которые имеет четкие морфологические, химические и минералогические

ОТЛИЧИЯ,

4. Сферолитн кислых стекол представляют собой продукт неравнове* ной эвтектической кристаллизации кислого расплава в условиях его сильного переохлаждения.

Апробация работы. Материалы диссертации были доложены на В< сошном совещании "Теоретические основы образования месторожден: водосодерлащих вулканических стекол и персперктивы развития сыр] вой базы перлитовой промышленности СССР" ( Москва,1979), семинар! экспериментаторов ( ГЕ0ХИ.1982), Всесоюзных конференциях молодых ученых С Москва,1982;К86), Пятом Сибирском совещании по рентген« пектральннм методам анализа ( Новосибирск,1986), Московском обще! ве испытателей природы ( МГУ, 1967). По теме диссертации опублико; но 7 печатных работ.

Работа выполнена в рентгеноспектральной лаборатории ИГЕ,! А! СССР под научным руководством доктора геолого-минералогических : ук ]>.!•. Наседкина, которому автор выражает глубокую благодарное за постоянную помощь и внимание. Автор выражает благодарность с рудникам рснтгеноспектралыю;; лаборатория ИГЗ,! за создание благ

приятной рабочей атмосферы; Н.В.Троневой, И.П.ЛапутиноК, А.И.Целину за помощь и содействие в работе; В.С.Малову, советами и консультациями которого автор пользовался при написании работы, а так;:® сотрудникам лаборатории неметаллических полезных ископаем;« АЛ.Га-раеву, Н.Н.Сергееву, Ю.А.Нистратову за предоставленные образцы.

Работа состоит из 4 глав, введения, заключения и содержит вИ стр. машинописного текста, 63 иллюстраций, таблиц. Список литературы содержит 8%, наименований.

ГЛАВА I. МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ С1ЕР0ЛПТ0В И ВУЛКАНИЧЕСКИХ СТЕКОЛ

Принято считать, что микрозондовый анализ относится к неразру-шающим методам исследования химического состава твердых тел. Однако, для определенного класса кристаллических и аморфных тел это утверждение оказывается неверным. К этой группе объектов относятся сферолиты и содержащие их вулканические стекла.

На примере кислых водосодержащих вулканических стекол нами разработаны методические приемы, которые отличаются от стандартных методик тем, что позволяют решать проблему анализа быстро разрушающихся под зондом образцов без ухудшения точности и локальности метода. Суть предлагаемых методических приемов сводится к следующему.

Анализ неустойчивого образна вдоль изоконпентраинопной линии. Если <1орма линий одинакового состава для исследуемого объекта совершенно очевидна или она выявлена с привлечением других методов (химическое травление, катодолюминесценция, оптический метод и т.д^, то количественных, анализ неустойчивых объектов mozho осуществить не в точке, а вдоль этой линии. В результате при сохранении локальности метода на целый порядок и более снижается аспект изменения состава образца под электронным пучком, что позволяет проводить анализ при обычных режимах микрозондирования, не опасаясь за искажение результатов измерений.

Проведение анализа- при оптимальном ускоряющем напряжении. При рутинном анализе породообразующих минералов и стекол ускоряющее напряжение для всех элементов выбирается, как правило, очним и тем же, чаще всего 15-20 кв, хотя для конкретного элемента оптимальное значение напряжения с точки зрения максимальной интенсивности характеристического рентгеновского излучения будет различным. Подобный подход приводит к тому, что для легких элем; нтон, особенно для натрия, регистрируемая интенсивность рентгеновского излучения как правило на ГЛ—\С% нике той шпенс.пл'-'сти, которая могла бы иметь место при оптимальном ускоряющем ь , -ссопии. !l".vio~

IV/ в тех случаях, когда исследуемый образец быстро меняет состав под зондом,его анализ целесообразнее проводить при оптимальном напряжении, так как это позволяет при сохранении точности анализа ■пметно сократить врем экспозиции. При анализе вулканических стекол достаточно выбрать оптимальное ускоряющее напряжение только г.1'1 натрия, остальные элементы могут быть измерены при обычных режимах микрозондироваиия.

Нахождение коэффициента потери интенсивности. Если интенсивность характеристического рентгеновского излучения за время проведения анализа меняется, то скорректировать анализ о учетом этого эффекта возможно, если рассчитать коэффициент потери интенсивности К с поютцыо выражения К = ^^, где Бо- интегральная интенсивность рентгеновского излучения из предположения, что состав образца не меняется за время проведения анализа, а - измеренная интегральная интенсивность.

Чтобы получить значение К достаточно прописать на самописце вид функции изменения интенсивности рентгеновского излучения и на основании ее получить значение Бо и 81. При машинном расчете реальных концентраций измеренную интегральную интенсивность рентгеновского излучения достаточно умножить на этот коэффициент.

Дополнительные методические разработки

Использование стехиометрия эталона при определении его хп7,отческого постава. ^Нат.я предлагается в качестве эталонов использовать высокостехиометрические соединения по составу близкие к крайним члонпм изоморфных рядов и содержащие минимальное количество микро-прямесей. Химическим состав эталона в этом случае определяется в два этапа. На первом этапе с высокой точностью на микрозонде измеряют содержание элементов примесей. Далее, на основании этюс данных, и исходя из стехиометрии минерала, методом обратного пересчета рассчитывают содержание основных компонентов. Если минерал вы-сокостехиометричен, то точность определения его основных компонентов будет зависеть от точности определения микропримеси. В наиболее благоприятном случае она может достигать сотых долей процента. В качестве базовых нами били использованы следующие высокостехиометрические соединения: альбит - На-Аб , адуляр - , огирпн ~ ЫаРс^Об I форстерит - Мдг^с , фаялит - Ре^^Оц , аноргит -Са.Ру€25^0г, спессартин - Ьп3Абг З'з^а . гроссуляр -

елдрадит -СлъРег$110,г, дкопсвд -СаМ$Ыго6, пир-рО'Танит - НпТ( 03 , п некоторые другие. Длительное использование отялонов, хюлчсскиГ; состав которых был определен по предлагаемой

методике, показал высокую эффективность метода.

Использование катодолтинеоцетдаи. Практика работы на элект-ронно-зондовом микроанализаторе показывает, что большое число минералов светится под электронным зондом. Это явление, называемое катодолшинесценцией, широко используется в микроанализе.

В частности, нами было обнаружено, что кварц, образовавшийся в гидротермальных условиях, имеет оранжево-красный цвет люминесценции, в то врет как магматогешшй кварц эффузивных пород голубое или синеватое свечение. Выявленная особенность обусловливала возможность в измененных кислых эффузивах легко различать зерна кварца различного генезиса.

Другое вокное применение катодолшинесценцил получила в связи о изучением процесса вторичной гидратации вулканического стекла. Нам удалось обнаружить, что водонасыщенкые стекла (перлитн), практически не светятся под электронным зондом, что нельзя сказать о маловодных стеклах - обсидианах, для которых было обнаружено, хотя и слабое, но всфе надежно фиксируемое излучение. Выявленная особенность помогла с высокой локальность» изучить поведение петрогэшшх элементов на начальной стадии гидратации вулканического отекла.

ГЛАВА II. ОСОБЕННОСТИ ПОВЕДЕНИЯ ПЕТРОГЕННЫХ КЛИЕНТОВ В КИСЛОМ ВУЛКАНИЧЕСКОМ СТЕКЛЕ ПРИ ЕГО ГИДРАТАЦИИ

В петрохимических работах при изучении генезиса эффузивных пород часто возникает необходимость сравнения химического состава раскристаллизовашшх Фаз с остаточным стеклом» В тоже время известно, что стекло Характеризуется высокой реакционной способность^} и может легко менять свой состав на начальном этапе метаморфизма, которому в свою очередь всегда предшествует процесс гидратации стекла. В связи с этим, перед нагла встала задача на микроскопическом уровне выявить особенности поведения основных петрогешшх элементов в вулканическом стекле при его гидратации.

Гидратация стекла может протекать в различных ^знко-хишчес-ких и геологических условиях, поэтому эффект воздействии этого процесса нп стекло может бить различным {Наседким,IiBl]. Обычно тщолятаг два основных типа гидратации стекла, которые осутести-лпвтоа в принципиально различных условиях, а нпснно: перьпчшы и вторичный.

Первлчная гидратация Первично годратнрованные стекла представлены пористыми разно ввдностями перлита из молодых вутшнчвокюс областей (верхне-тре-^и'того-четвертичного возраста). Геологическим признаком первичной гидратации является зональное распределение воды по разрезу. 1ри нагревании первично гидратированного перлита выделение воды происходит при относительно высоких температурах от 280 до 350°С.

Для исследования особенностей перераспределения петрогенных элементов при первичной гидратации отекла были отобраны образцы из различных частей зональных потоков Арагацкого и Двраберского месторождений перлита I Армянская ССР), характеризующиеся различным содержанием воды. Образцы обычно содержат ядра обсидиана (На0<1 мае;?) в перлитовом стекле (. Н40 3-4 мас$). Это обстоятель ство позволило провести сравнение состава первично гидратированного и негидратированного стекла.

По данным 43 микрозокдовых анализов первично гидратированног перлита и такого же количества обсидиана, включенного в перлитовую массу, удалось установить, что в результате первичной гидратации происходит уменьшение содержания основных петрогенных элементов в стекле строго пропорционально их первоначальной концентрации. Это возможно только в том случае, если при гидратации не происходит выноса или привноса какого-либо элемента. Из выявленной закономерности следует, что образование первичного перлита связано с перераспределением воды в потоке без участия в этом процессе петрогенных элементов.

Вторичная гидратация Гидротермальные процессы протекают в широком температурном интервале: от экзогенных до температур порядка 400-500°С и выше. Это обстоятельство во многом предопределяет различный характер вторичной гидратации вулканического стекла.

Низкотемпературная гидратация. Наиболее ярко этот тип гидратации проявляется в вице тонких (100-120 мкм ) двупреломляющих каемок вокруг обсидиановых ядер,включенных в перлитовую массу. В литературе это явление отмечалось давно. Первоначально образование каемок связывали с возникновением напряжений в стеклз г-юдотвии его остывания. В дальнейшем было высказано предположе-что напряжение возникает в результате гидратации стекла. Непосредственно на микроанализаторе определить содержание яодн в стекле нельзя. Но если с необходимой точностью провести анализ на все остальные элементы, то дефицит су?,мы промеренных

гмс* 100

элементов к 10052 мокно связать с присутствием води.

На рентгеновском микроанализаторе исследовались двупреломля-ющие каемки для трех образцов. Для каждого образца било сделано три количественных разреза через двупреломляющрэ зону стекла,которые затем были усреднены в один. На фиг.1 показан характер изменения суммы петрогенных элементов в двупреломлящей зоне стекла в направлении от обсидиана к перлиту. Дчя сравнения на этом

Фиг.1 Уменьшение суммы петрогенных элементов в двупреломляю-, щей каемке в направлении к контакту обсидиана с перлитом. а - центр зерна обсидиана ».у.; в - перлит на контакте с дву-«ЙГ " преломляющей каемкой

— двупреломлящая каемка

же графике показано значение суммы этих же элементов для центральной части зерна обсидиана (. обозначено и перлита, непосредственно контактирующего с двупреломляющей каемкой (обозначено в) Наблюдаемое уменьшение суммы петрогенных элементов в двупреломляющей каемке связано о вхождением воды в стекло.

Характер изменения основных петрогенных элементов в двупреломляющей зоне стекла показан на фиг.2А. Закономерное уменьшение

пас*

+О.ЭО.

-ч ч V

"Ч"

-о.»

•О. Щ. __^ •*>. 10,

•0.11Г ' * \ , »0.10

•Оао

'0.1 о■ -о. ю'

ин^и ---1 ^ Г1Н ,,1

''"¿г" ■ 'Чх «Й« '^Й" "5'*

А Б

Фиг. 2 Характер изменения основных петрогенных элементов в двупреломляющей зоне. А - до нормировки, Б - после нормировки.

практически всех элементов свидетельствует о том, что растворение води в этих условиях нс сопровождается выносом или пшвиосом како-го-Л'лбо элемента, что подтворздается полным совпадением состапп

обсидиана, двупреломлягацей каемки и перлита после нормировки их безводного остатка к 100/1 (фиг. 2Б). Единственным исключением из этого правила является незначительное (до 0,30 мас$) увеличение концентрации А1г0$ для образца С-64. Исследования показали, что ато увеличение связано с появлением монтмориллонита вдоль перлитовых трещин. Для всех трех образцов намечается также слабое изменение щелочей. В частности, в двупралшлявдей зоне с возрастанием Н40 прослеживается незначительное < до 0,10 ы&с%) уменьшение концентрации натрия.

Высокотемпературная гидратация. Этот тип вторичной гвдратац] характеризуется высоким содержанием воды в стекле от 5-6 до 9 масл. Геологическим признаком вторичной гидратации является ассоциация стекла с вторичным минералами (цеолитом, монтмориллонитов гвдрослюдой и т.д.), а также относительно равномерное содержание воды в толще потока [Наседкин, 19761.

Массовые млкрозондовые определения показали, что наиболее интенсивные изменения в вулканическом стекле наблвдаются вдоль перлитовых и контракционных трещин в момент, когда содержание воды в стекле (в данном-случае дефицит суммы промеренных элементов к 100$) начинает превышать 6 мас£ (.фиг. 3). Факт, по нашему мнению, заслуживает внимания,- так как в общепринятой классификации кислых вулканических стекол граница раздела между различными типами водонасыченггах стекол перлитами и пехштейнами, исходя из других предпооылок, также была установлена при содержании воды 6 мас%. Подобное совпадение не может быть случайным и служит доказательством того, что в кислом стекле при содержании воды более 6 происходят структурные изменения, которые приводят к резкому изменения) его состава.

ГМВА III. СВЯЗЬ ХИЖШСИХ И ОТОЛОГИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ СФЕ-РОЛИТСП С СОСТАВОМ И ТШПЕРАТУРНОЙ ИСТОРИЕЙ КИСЛОГО РАСПЛАВА

Изучение большого количества вулканических стекол кислого состава позволило практически все многообразие сферолитов, кристаллизующихся из расплава, свести к трем основным типам. Остальные сферолитн играют крайне подчиненную роль или являются их раг новидностями.

Выделенные типы сферолитов имеют четкие морфологические, х! мпческие и минералогические отличия. Во всех трех случаях сферолитн являются полпминералымми и, как показали наши исследование

-э-

пяс.к Б I 02

ппс.и Й 1,0

2из

НдО ; X-

н,0

нйс.И Иаг0 + К20 а

пис.хСаО э

Н,0

V"..- .. Г —

и,о

•Фиг. 3 Изменение содержания основных петрогенных элементов в вулканическом стекле от содержания воды. Прямая линия показывает уменьшение концентрации в случав растворения воды в стекла без выноса или привноса компонентов.

их внешняя форма.и состав во- многом зависят от степени переохлаждения расплава. Не имея возможности количественно оценить степень переохлаждения на качественном уровне образование трех разновидностей сферолитов ш условно связали с малой, средней и большой степенью переохлаждения расплава и, в целях удобства изложения, дали юл соответствующие названия: сферолитн первого, второго и третьего типа.

Сферолиты I типа. Образцы для исследования сферолитов I типа взяты из внутренних частей краевых зон лавовых потоков и экструзивных куполов раннечетвертичных вулканов Еазенк и Б. Давегез (Армянская ССР). Они состоят из кристаллов щелочного полевого шпата, развернутых в виде веера. В качщом звене этой структуры присутствуют вкрапленники кварца, образующие микрографические прорастания. Такой тип кристаллизации многие исследователи относят к гранофир^м.

Средний размер сферолитов I типа составляет порядка 200x200 мкм, и их форма в целом тяготеет к сферической.

Наблюдения показывают, что сферолиты I типа представляют собой островки эвтектической кристаллизации. Определенное их сродство с эвтектикой подтвервдается не только текстурными особенностями, но и малым отклонением их состава от состава окружающей массы ( фот. 4 ) .

Фиг. 4 Положение фигуративных точек сферолитов I типа по отношению к содержащей их массе. л- стекло, сферолит I типа; I- обр. 21-69, 2- обр. 26-69, 3- обр. 34-69.

Сферолиты II типа встречаются в тех же телах, что и сферолиты I типа,однако они пользуются значительно более широким распространением. Это, как правило, прозрачные бесцветные шарики с хорошо выраженной сферической формой. Средний размер сферолитов II типа составляет 40-60 мкм. Отдельные кристаллические волокна в рассматриваемых сферолитах совершенно не различимы под оптическим микроскопом. Четкая сферическая форма сферолитов II типа говорит о том, что они кристаллизовались при большем переохлаждении, чем сферолиты I типа.

Для исследования образцы били взяты из вулканических тел районов Камчатки и Закавказья ( комплексы Кечалдаг, Артени, Базенк и др.). В общей сложности на микрозонде было проанализировано более 80 сферолитов II типа и примерно такое же количество содержащих их стекол. Исследование показало, что сферолиты II типа заметно отличаются по составу от стекла. В частности, как это следует из диаграммы на фиг. 5, их нормативный полевой шпат попадает в олигоклазовую область.

Сферолиты II типа редко достигают размеров 150-200 мкм, причем в этом случае наблюдается существенное изменение состава в радиальном направлении. На фиг. 6 показан количественный разрез в

-Iii

Фиг. 5 Области составов сферолитов II и Ш типов и содержащих их неизмененных стекол.

Фиг. 6 Количественный разрез по диаметру через зональный сферолит II типа.

диаметральном направлении через один из таких зональных сферолитов.

Появление анортитовой составляющей в ПШ сферолитя II типа является важным фактом, поскольку это указывает на то, что в условиях сильного переохлавдения расплава наряду с весьма подвижными компонентами в процесс массопереноса включается алюминий -один из наименее подвижных компонентов кислого расплава.

Мы придерживаемся той точки зрения, что атомы 51 и А!, в расплаве с Б»0г- ПШ стехиометрией полностью идут на формирование тетраэдров типа Си [^а,К>АЮц}ц~ , которые, связываясь между собой, образуют непрерывную трехмерную сетку, придавая расплаву высокую вязкость [Пэвлушкин, 1383]. Подобная точка зрения неизбежно приводит к выводу о том, что атомы Б'! к А*- Д°лхны бить

наименее подвижными компонентами кислого расплава и кристаллизация, связанная с перераспределением этих элементов в условиях сильного переохлаждения, будет крайне затруднительна.

Скорость кристаллизации зависит от множества факторов, но главным образом она определяется движущей силой кристаллизации и энергией активации диффузии компонентов. При увеличении переохлаждения движущая сила кристаллизации возрастает, а подвижность компонентов резко падает. •

В отношении кислого расплава можно предположить, что по мере увеличения переохлаждения движущая сила совместной кристаллизации одной из кристаллических форм $'\04 и ПШ в какой-то момент возрастает настолько, что в течение некоторого времени атомы алюминия наряду с подвижными компонентами будут вовлечены в процесс ыассо-переноса, что приведет к кристаллизации ЬЮ^ Р1 сферолита, т.е. сферолита II типа. Дальнейшее снижение температуры расплава будет способствовать быстрому прекращению начавшегося процесса.

Необходимость дополнительного притока алюминия для формирования сферолитов II типа,на наш взгляд, объясняет их крайне малые размеры.

В связи с изложенным выше, особого внимания заслуживает характер поведения железа в зональном сферолите II типа С см, фиг.6), Наблюдаемая для этого элемента повышенная концентрация в центре сферолита подтверждает приводимое. выше соображение о роли аш.ашш в формировании сферолитов II типа. Можно ожидать, что в условиях крайне ограниченной подвижности алюминия растущий сферолит начнет "выхватывать" из расплава более подвижные компоненты, способные заменить алюминий в структуре плагиоклаза. Таким катионом может быть Ре1* .' Высокая подвижность Я«1* и определенное кристаллохими-ческое сродство с А11+ .по-видимому, и объясняет повышенное содержание в плагиоклазовой минеральной составляющей полиминерального сферолита II типа.

Сферолиты III типа - наиболее распространенный и лучше всего изученный тип первичных сферолитов, которые встречаются в кислых вулканических стеклах. Для сферолитов этого типа характерно большое морфологическое разнообразие, что нашло отражение в широкой гамме их названий: веерообразные, почковидные, линзоввдные, перистые и т.д.. Среди них выделяют также аксиолиты, литофизы, фель-зосфериты и т.д. Их размеры, как минимум, на порядок больше средних размеров сферолитов II типа и колеблятся в пределах от 0,5 до 20 мм и более. Поперечный размер кристаллических волокон сфероли-

<

тов этого типа варьирует от десятых и сотых долей микрона до целых значений. Размеры волокон могут существенно отличаться даже в пределах одного сферолита.

Сферолиты III типа кристаллизуются позже сферолитов II типа, на что указывает присутствие в них в ввде включений сферолитов II типа. Более позднее образование сферолитов III типа позволяет сделать вывод о том, что они кристаллизуются при еще большем переохлаждении кислого расплава. Однако этот вывод очень трудно увязать с большими размерами сферолитов III типа. Указанное противоречие, как нам кажется, можно разрешить исходя из особенностей химического состава сферолитов III типа.

Химический состав относительно крупных первичных полиминеральных сферолитов (сферолиты III типа) в кислых стеклах изучался в течение длительного времени. Было установлено, что основное отличи е этих сферолитов от содержащих их стекол состоит в том, что в них больше, чем в стекле, и указанный окисел в сферолите преобладает над Кг0. В сферолитах отмечалось также повышенное содержание SiOt t Волянюк, 19723.

На микрозонде нами был изучен химический состав около 70 сферолитов III типа различных размеров С в основном от 0,5 до 20 мм) и примерно такое же количество содержащих их неизмененных стекол. В целом наши данные подтвердили установленную ранее особенность в перераспределении щелочей в системе сферолит-стекло. На ЛШ диаграмме сферолиты смещены в сторону альбитового компонента t ¡¡.эт.5), оставаясь при этом в области существования щелочных полевых шпатов. Последнее обстоятельство и объясняет,на наш взгляд, относительно большие размеры сферолитов III типа.

Действительно,если из раоплава, состав которого отвечает стехиометрии смеси SiOt и щелочного полевого шпата, кристаллизуется сферолит другого состава, но с той же стехиометрией, то как следует из выражения . „ л , п А

(« ере рол«лТ>

л^КнА&А* м-иС с,л с.

(«CTa-ToHMkii« р»ег>».й.н)

где А- доля альбитового гллнала в нормативном ПШ исходного расплава,/- разница в содеркакии альбитового минала между сфеголи-том и исходным расплавом, М- число молекул SiO^ на одну молекулу ПИ,

перераспределения алюминия и кремния яри этом не происходит. Отсу-

тствие необходимости в перераспределении этих элементов при кристаллизации сферолитов III типа, на наш взгляд,и объясняет, почему они значительно превышают по размерам сферолиты II типа. По-ввди-мому, в тех же пропорциях, что и размеры сферолитов II и III типа, соотносятся мезду собой подвижность S-, , AU в кислом расплаве с одной стороны и N\, К с другой. Точное соответствие состава сфе-ролитсодержащих стекол SiO^-ПШ стехиометрии подтвервдается гистограммой, приведенной на фиг. 7.

1\

Фиг. 7 Гистограмма молекулярного отношения СЛ^аг0t кг0-«- С*0)/ для сферолитсодержащих неизмененных стекол (по дашшм 220 микрозонд оных анализов).

Многие исследователи наряду с повышенным содержанием в сферолитах по отношению к вмещающему стеклу отмечают повышенное содержание в них SiOj,. Подобная точка зрения сформировалась очень давно, по-видимому, еще в 1887 г. после выхода в свет работы А.Лагорио,

Повышенное содержание S'iOjB сферолитах находится в явном противоречии о нашим пониманием роли St и AL в формировании сфе-ролитов III типа. Нами установлено, что подобный вывод был получен из-за неудачной, в данном случае, формы представления химических анализов. Сравнивались нормированные к 100/ безводные остатки сферолитов и стекол не в молекулярных, а в массовых процентах.

Из наших данных такте следует,.что нормированный химический состав неизмененных сЗоролитов III типа, представленный в массовых процентах, будет иметь повышенное содержание Si02 по отношении к имоаавдему стеклу ( и расчета на безводный остаток). В час-

тности, среднее значение для неизмененных сферолитов III типа составляет 78,25 ма<$, а для стекла 77,09 тс%. На самом же деле, если состав окислов выразить в молекулярных процентах, то ореднеэ значение Si02 для сферолита и стекла в этом случае будет, соответственно, равно 83,75 и 83,60 мол$, т.е. никакого перераспределения S(02 не происходит. Тоже самое следует и для данных А.Лагорио. Среднее значение Si02 для сферолита и стекла для них соответственно равно 81,38 и 81,53 мол%.

ГЛАВА IV. МИНЕРАЛЬНЫЙ СОСТАВ И МЕХАНИЗМ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ПЕРВИЧНЫХ СФЕРОЛИТОВ КИСЛЫХ ЭФФУЗИВОВ

С одной стороны вопрос о минеральном составе сферолитов является достаточно простым, поскольку расплав, из которого они кристаллизуются, соответствует или близок SiO^-ПШ эвтектике, и естественно ожвдать, что их минеральный состав также будет отвечать компонентам эвтектики. О другой стороны известно, что как полевой шпат, так и двуокись кремния могут находиться в различных структурных состояниях. С этих позиций детальное рассмотрение минералогии сферолитов кислых эффузивов является довольно сложной задачей, поскольку изучение их фазового состава рентгеноструктур-ными методами в сильной степени затруднено вследствие непрерывных структурных превращений в ряду щелочных полевых шпатов, а также почти полным наложением основных дифракционных максимумов минералов кремнезема и полевого шпата.

Исходя из анализа температурной истории и химического состава был сделан вывод о том, что. в первичных сферолитах не могут существовать полевые шпаты из серии низкий альбит - микроклин и низкий альбит - ортоклаз. Для сферолитов I и III типа структурное состояние щелочного полевого шпата было определено как высокий санидин. Показано также, что полевой шпат сферолита II типа представлен трщшгнным олягоклазом. В отношении другой минеральной составляющей сферолита - SiO^, в работе показано, что главным образом она представлена кристобалитом.

При значительном переохлаждении резко снижается диффузия компонентов расплава. Если в этих условиях'начнется кристаллизация, то возникнет проблема "доставки" материала. Но эта проблема не будет стоять так остро для однокомпонентинх и эвтектических расплавов, поскольку я в том, и в другом случае растущие соответственно моно- и полиминералыше агрегаты будут соответствовать составу исходного расплава. Схематически вероятность вознакнове-

шш сферолитов в зависимости от состава стыю переохлажденного расплава показана на фиг. 8.

Фиг. 8 Схематическая зависимость вероятности возникновения сферолитовой кристаллизации от состава переохлажденного 2-х компонентного расплава. А, В - компоненты расплава; Э - эвтектика;/V - вероятность. В закрашенной области кристаллизуются моноыинеральнда сфо-ролиты, в заштрихованной -подтншаралыше.

А В

В отношении кислого расплава, близкого по составу к 5'»02-БШ эвтектика, схема па фаг. 8 предсказывает возможность кристаллизации ТОЛЬКО ПОЛПШШёр&ШШХ Б'|Ог-Ш скородитов. И0-В1ЗДШ,40му, ото доистштелыю так, поскольку несмотря на больаоа количество изученных образцов нам но удалось обнаружить моношшералышо сфоро-лаги 8\Сг и полевого шпата, парвичная природа которых не вызывала бы сомнений,

С другой стороны,польза т отметить, что если в расплаве имо-огоя компонент, подвижность которого существенно превышает подвижность всех остальных компонентов, то в ото» случае он может выпадать из расплава, образуя моношиорошша сфврсшггы или ионош-нерашшо скелетные нрораотшпш сферической Форш, но подчиняясь охомо, показанной па Ф'лг. 8. В природных условиях подобная ситуация набдщаотоя в кореощшншх гидротермальных или других растворах.

Образованна шднминорашмх сферолнтоа ко глногом напоминает овтектичеакуа кристаллизацию, так как для них шдеет место одка-ьрештшй рост из расплава двух компонентов - 5\02 и ПШ. В то же ьршя для офорадитеш иа ышшшлется два других обязательных условия аутентической криегталлизшща - постоянство состава и тешера-■гури крисгаллиэацин. Другим словами, если на диаграмме состояния емеглте соответствует точка, то сферолитовой кристаллизации -некоторая область,

Учитиыш соображения, вискаашшие по поводу схемы, показанной ни И, можно предположить, что на диаграмме состояния облаеть расплава, гд« будет иаб-шттьед с^'еродитовая кристаллы-

зация, расположится под эвтектикой.

Экспериментально это было доказано А.А.Бочваром еще в 1935 году. На примере органических околоэвектических расплавов им было показано, что с увеличением переохлшвдения расширяется область расплава по обе стороны от эвтектики?" где наблюдается сферолитовая кристаллизация (фиг. 9Л). Однако им не был сделан вывод о том, что

% пиперонала

А В

Фиг. 9 Схема увеличения области, в которой наблюдается сферолитовая кристаллизация о увеличением переохлаждения расплава. А - система пиперонал-азобензол < по Бочвару); Б - расширенное понимание схеш Бочвара, где Тэ - температура равновесной эвтектики, Тд - минимальная тешература неравновесной эвтектики, 4.Т - переохлаждение. Кривые ЭКЭ' и ЭЛЭ' показывают максимальное отклонение состава расплава для которого еще возможна сферолитовая кристаллизация при данной степени переохлаждения.

эта область должна быть замкнутой, поскольку очевидно, что с увеличением переохлаждения должен наступить момент, когда расплав, минуя сферолитовую кристаллизацию, сразу перейдет в стеклообразное состояние <фиг. 9Б).

Как известно, в равновесных условиях при кристаллизации 2-х компонентного расплава, состав которого отличается от состава эвтектики, первоначально кристаллизуется избыточный по отношению к эвтектике компонент. При этом состав расплава смещается в сторону эвтектики, при достижении которой собственно и начинается эвтектическая кристаллизация. По-ввдикому, нечто похожее наблюдается при неравновесной кристаллизация переохлажденного расплава, состав которого незначительно отличается от состава эвтектики.

Еоли на диаграмму АЬ-Ап-Ог .нанести сферолиты II тепа и содержащие их неизмененные стекла, то обнаруживается следующая закономерность: чем больше смещается состав стекла в сторону оси aé Anf тем выше основность нормативного плагиоклаза в полиминеральном сферолите II типа фиг, 10 , Аналогичная зависимость, но для аль-

блтового минала, была выявлена для сферолитов, I и III типа. В этой свяс. i становится понятным, почему сферолиты, хотя и незначительно, но все же о удивительным постоянством отличаются по составу от содержащих их стекол.

В условиях сильного переохлаздения избыточный по отношению к эвтектике компонент уже не ыояет кристаллизоваться из расплава один. В этом случае происходит неравновесная эвтектическая кристаллизация с одновременным выпадением из расплава двух компонентов. При этом кинетика начавшегося процесса будет такова, что избыточный по. отношению к эвтектике компонент по мере роста сферо-лита начнет уменьшаться, и полиминеральный сферолит вцелом будет менять состав в направлении эвтектики.

Если исходить из факта, что с увеличением переохлаждения в кислом расплаве последовательно кристаллизуются сферолиты I, II и III типа, то на диаграмме Бочвара состав всех трех типов сферолитов в проекции на ось PL -Oi ляжет на некоторую кривую ЭАЭ', которая вцелом повторит кривую ЁКЗ', с той лишь разницей, что она будет более вытянута в сторону нлагиоклазовой составляющей сфиг.П Другими словами, на качественном уровне можно говорить,что разница ме.аду составом сферолита и исходным расплавом определяется степенью переохлаздения расплава и величиной отклонения его состава от эвтектического соотношения.

»

,0г.

и- стекло; о - сферолит II типа.

Фиг. 10 Корреляция ¡ленду составом сферолита II типа и содержащим его стеклом.

лТ

3'

Фиг. II Схематическая зависимость между переохлаждением расплава и составом раскристалли-зованной в ввде сферолитов 1,11 и III типа неравновесной эвтектики в проекции на ось PL -0R, Область расплава, где возможна сферолитовая кристаллизация, заштрихована. • - сферолиты I типа, о- сферолиты II типа, * - сфе-ролиты III типа.

Можно ожидать, что для переохлажденного кислого расплава, обогащенного относительно эвтектики ортоклазовым миналом, также будет наблюдаться сферолитовая кристаллизация, и максимальное отклонение состава сферолитов, в этом случае, спроецируется на некоторую кривую ЭОЭ', которая будет уже смещена в сторону ортоклазо-вого млнала. Причем кривая ЭОЭ не должна и скорее всего не будет располагаться симметрично относительно кривой ЭАЭ'.

1. Образование первичного перлита главным образом связано с перераспределением воды в потоке без участия в этом процессе петро-генных элементов.

2. Двупреломляющие каемки вокруг обсидиановых ядер, включенных в перлитовую массу, образуются вследствие гидратации обсидиана в низкотемпературных условиях.

3. Заметное выщелачивание кислого вулканического стекла при его гидратации наступает вдоль перлитовых трещин в момент, когда содержание воды в стекле начинает превышать 6 мас%'.

4. Кислый расплав, в котором встречаются сферолиты, характеризуется высокой 5|0г-ПШ стехиометрией.

5. Между кислым расплавом и сферолитом перераспределение катиона-модификатора 51 не происходит. Перераспределение в системе сферо-лит - кислый расплав осуществляется между щелочными и щелочно-зе-мельнгши элементами без нарушения Б^-ПШ стехиометрии как для сферолпта, так и для остаточного расплава.

6. Особенности сферолитовой кристаллизации кислого расплава определяются, преимущественно, степенью переохлаждения расплава и величиной отклонения его состава от эвтектического соотношения.

7. Сферолиты кислых стекол не могут рассматриваться как продукт ликвации кислого расплава.

ВЫВОДЫ

Список работ по теме диссертации

1. Борисовский G.E. Изучение микрохимической неоднородности кислых вулканических стекол методом локального рентгеноспектрального анализа. В кн. "Перлиты". М., Наука, 1901, с. 140-152.

2. Борисовский С.Е. Наблюдение на электронно-зондовом микроанализаторе в катодолюминесцентном излучении зональной картины роста кристаллов циркона. "Материалы Всес. конф. мол. ученых: Геологическое строение и генезис месторождений полезных ископаемых. Москва, 27-2Э апреля 1982 г.". 1,1., 1982, II5-II6. Деп. в ВИНИТИ,

X 6036-83.

3. Доломанова Е.И., Боярская Р.В., Борисовский С.Е., Лупанов Л.М. Применение рентгеноспектрального микроанализатора и электронной микроскопии для изучения осадков в вакуолях минералов. В кн. Теория и практика термобарогеохимии. М., Наука, 1978, с. 222-228.

4. Доломанова Е.И., Борисовский С.Е., Боярская Р.В., Цепин А.И. Физические методы исследования включений минералообразующей среда в минералах. В кн. "Методы и аппаратура для наследования включений шшералообразуицих сред. М., Наука, 1980, с. 135-155.

5. Борисовский С.Е., Резников Н.В., Басова Г.В. Первая находка тилазита в СССР. Доклады АН СССР, том 276, JH, 1984, о. 223-227.

6. Сергеев H.H., Борисовский С.Е. Изучение химических особенностей процесса гидратации вулканического стекла по данным рентгеноспектрального микроанализа. Тезисы "Всесоюз. конф. мол. ученых. Москва, 8-10 дек. 1986 г.". М., 1987, с. 131. Деп. в ВИНИТИ,

В 6437.

7. Борисовский С.Е. Сферолитовая кристаллизация в кислых эффузи-вах по данным рентгеноспектрального микроанализа. Бюлл. Московского общества испытателей природы. № 63, вып. 3, 1988, с. I30-I3I.