Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Петрогенетическая информативность флюидных включений

ВАК РФ 04.00.08, Петрография, вулканология

Автореферат диссертации по теме "Петрогенетическая информативность флюидных включений"

сг.

г -« СГ I—.

ас сэ

со

<N1 На правах рукописи

ЧЕПКАЯ Наталья Александровна

ПЕТРОГЕНЕТИЧЕСКАЯ ИНФОРМАТИВНА' . ФЛЮИДНЫХ ВКЛЮЧЕНИЙ (по экспериментальь * . иным)

Специальность 04.00.08. -петролоь типология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени канди геолого-мпнералошческих. наук

1 ).-! ¡99"

Работа выполнена в Институте литосферы РАН

Научный руководитель: кандидат геол.-минер. наук,

З.А.Котельникова

Официальные оппоненты: доктор геол.-минер. наук,

И.Н.Кигай (ИГЕМ РАН)

доктор геол.-минер. наук В.И. Фонарев (ИЭМ РАН)

Ведущая организация: Московский Государственный Университет им. М.ВЛомоносова, Геологический факультет (кафедра петрологии)

Защита диссертации состоится '^¡Г" О/СТХ1997 года в 1Ы.ОО мин. на заседании диссертационного совета Д 003.50.01 при Институте литосферы РАН по адресу: Москва, 109180, Старомонетный пер. 22, Институт литосферы РАН

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Института литосферы РАН.

.С„

Автореферат разослан "/Г" ('С/сУ.С^Щ 997 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета кандидат геол.-мин.наук

Н'К-Власова

Актуальность исследования.

При решении фундаментальных задач реконструкции условии минералообразования и эволюции горных пород часто используются данные о температуре, давлении и составе флюида, получаемые при изучении флюидных включений. Однако, эти параметры часто не совпадают с данными, полученными другими методами. Поэтому является актуальным решение проблемы, насколько данные о физико-химических свойствах флюида, существующего при различных условиях петрогенеза, полученные при изучении флюидных включений, соответствуют истинным свойствам флюида.

Цель работы.

Целью данной работы являлось экспериментальное исследование достоверности отражения флюидными включениями физико-химических свойств флюида, существующего при консервации включения, а также моделирование наложенных процессов при температурах и давлениях, характерных для различных геологических процессов для проверки сохранности информации, содержащейся во включениях при этих процессах..

Объект исследования.

Для решения поставленных задач были изучены синтетические и природные флюидные включения в искусственном и природном кварце из хрусталленосных месторождений и жил Приполярного Урала, Памира, Алданского и Анабарского щитов, природном санидине (Эйфель), природных флюорите и кальците. Всего было поставлено 49 серий экспериментов, проведено 7000 замеров.

Основные задачи.

Для выполнения данной работы необходимо было решить следующие задачи:

- проверить адекватность химического и фазового составов флюидов в синтезированных включениях в минералах с различными свойствами, минералообразующим средам как в гомогенных, так и в гетерогенных условиях;

- установить степень влияния наличия и плотности дислокаций в

минерале на сохранность включений;

определить характер изменений содержимого флюидного включения при влиянии на него температур, давлений и составов растворов, отличных от тех, при которых происходил захват включения;

- установить связь между размером включения, температурой и давлением, вызывающими нарушение его герметичности.

Научная новизна.

- Предложен новый метод синхронного синтеза флюидных включений с разными механизмами образования.

- На примере первичных и вторичных флюидных включениях в кварце, кальците, флюорите и санидине в системах НаС1-Н20, КСЬ-Н20, ЫаС1-КС1-Н2О, Н2О-СО2 показана адекватность растворов, захваченных во включения, минералообразующим средам.

- Методами электронной и световой микроскопии подтверждена связь между полостями флюидного включения и дислокациями в минерале-хозяине.

- Установлено изменение плотности и состава водно-солевых флюидных включений при воздействии на минерал-хозяин физико-химических параметров, отличных от существующих во время образования кристалла.

- Впервые количественно определена взаимосвязь мевду размером включения и наружными температурами и давлением, необходимыми для вскрытия включений в кварце.

Методы исследования.

В основу работы положены результаты экспериментальных исследований, выполненных автором в лаборатории экспериментальной минералогии института литосферы РАН, и в лаборатории земной коры ИЭМ РАН. Синтетические и природные флюидные включения изучались термо и криометрическими методами, химический состав флюидных включений определялся с использованием методов газовой и ионной хроматографии. Взаимосвязь флюидных включений с дислокациями изучалась методами электронной дифракционной просвечивающей микроскопии, а также под световым микроскопом с использованием, методик избирательного травления и химического декорирования

Защищаемые положения.

1. Разработан метод синхронного синтеза флюидных включений с разными механизмами формирования.

2. Получены экспериментальные подтверждения адекватности фазового и химического составов флюида захваченного во включения в гомогенных и гетерогенных условиях, минералообразующим средам.

3. Экспериментально доказана возможность изменения плотностей и составов водно-солевых флюидных включений при изменении внешних параметров среды (температур, давлений, составов раствора). Количественно определена связь между размером флюидного включения, наружном давлением и температурой перегрева, необходимыми для вскрытия включения.

4. На сохранность флюидных включений после их консервации при изменении физико-химических условий петрогенеза влияет взаимоотношение флюидных включений и дислокаций в минерале-хозяине.

Практическое значенне.

Результаты исследования, полученные в настоящей работе могут быть использованы при изучении природных флюидных включений. Данные, полученные при экспериментальном моделировании природных процессов, которые могут воздействовать на минерал-хозяин и изучение поведения флюидных включений при этих процессах, позволят более обоснованно подойти к вопросу о применимости тех или иных включений для определения температур, давлений, составов растворов, существующих при образовании горных пород, а также позволят объяснить причины часто наблюдаемых разбросов данных, полученных различными методами и, в целом, будут способствовать развитию методов термобарометрии.

Апробация работы.

Основные положения диссертации докладывались на Ежегодном совещании экспериментаторов (ГЕОХП) в 1994, 1997 годах, на X конференции молодых ученых Института Литосферы РАН (1995), на XII Российском совещании по экспериментальной минералогии (Черноголовка) в 1995 году, на годичной сессии Всероссийского Минералогического общества

"Минералогия на пороге XXI века" (ИГЕМ)в 1996 году. Публикации.

По теме диссертации опубликовано и находится в печати 9 работ.

Объем и структура работы.

Диссертация состоит из введения, V глав, заключения, списка литературы из наименований, она включает таблиц,

иллюстраций и занимает машинописных страниц.

Работа выполнена в лаборатории Экспериментальной минералогии Института Литосферы РАН под руководством кандидата геолого-минералогических наук Котельниковой З.А., которой автор выражает глубокую признательность.

Автор благодарит Международную Соросовскую программу Образования в области точных наук за предоставление гранта в 1995 году. Автор признателен фонду ОГТГТН "Надежда" за финансирование исследований в 1994-1995 годах.

Автор искренне благодарен доктору г.-м. наук А.Р.Котельникову, H.A. Петухову, А.НЛюбину за неоценимую помощь при проведении экспериментальных исследований.

ВВЕДЕНИЕ.

Все геологические процессы происходящие в земной коре идут с активным участием флюидной фазы, поэтому изучение и экспериментальное моделирование свойств природных флюидов является одной из главных задач петрологии.

Одним из немногих прямых источников информации о природных флюидах являются газово-жидкие (флюидные включения) в минералах. Данные о температурах, давлении, плотности флюида, полученные при изучении флюидных включений, широко применяются в геологии при исследовании гидротермальных процессов, а также процессов метаморфизма, рудообразования и др., для понимания вопросов генезиса месторождений и закономерностей распределения в них рудных компонентов. Изучению

флюидных включений посвящено огромное количество работ. Но до сих пор некоторыми исследователями результаты изучения флтоидных включений подвергаются сомнению вследствие частого несоответствия данных результатов реконструкции физико-химических условий петрогенеза, полученных разными методами: определения температур и давлений по флюидным включениям, их расчетов по минеральным парагенезисам, оценки глубин формирования месторождений и т.д ( Sterner, Bodnar, 1989; Hollister, Crowford, 1986; Hollister, 1991; Bortnicov et.al., 1995; Фонарев, Крейлейн, 1995).

В основу термобарогеохимических измерений положены два основных допущения: 1. Включения захватывают представительные порции растворов, адекватно отражая их химический и фазовый состав; 2. После захвата включения с ним не происходит никаких существенных изменений, в случае же наличия изменений, всегда можно заметить следы их.

Основными причинами вызывающими сомнения в информативности флюидных включений, как индикаторов минералообразующих процессов являются: 1. Экспериментальные работы, изучающие механизм роста кристалла из растворов. На основании проведенных экспериментов авторы указывают на наличие в граничном слое у грани растущего кристалла градиентов плотностей и составов, которые зависят от многих параметров: температуры, состава, геометрии полости и др. (Чернов, 1980; Асхабов, 1988; 1993; Асхабов, Ракнн, 1991; Петровский, 1992; Ракин, 1992). Но, поскольку первичные флюидные включения захватываются именно из этого слоя, то предполагается, что изучение таких включений не дает верной оценки физико-химических параметров минералообразования. (Воробьев, 1988; 1990; Хетчиков и др., 1994). 2. Экспериментальными работами показывающими, что при некоторых параметрах среды, отличных от условий консервации включений, возможно изменение его плотности, а иногда и состава. (Roedder, Skiner, 1968; Pecher, 1981; Bodnar, Bethke, 1984; Bodnar et.al., 1988; Bodnar, 1988; Hall, 1990; Hall et. al., 1991; Mavrogen, Bodnar, 1993; Котельникова, 1994).

Несмотря на кажущееся многообразие работ многие вопросы до сих пор остаются нерешенными и только экспериментальная проверка адекватности флюидных включений минералообразующим средам, а также моделирование петрологических процессов и изучение постзахватного поведения включений, может помочь решить эти вопросы.

ГЛАВА 1. Образование флюидных включений и постзахватные изменения в них.

В данной главе на основании существующих литературных данных обсуждаются вопросы о влиянии механизма и условий роста кристалла на захват флюидных включений. Показано, что механизмы консервации флюидных включений разных типов (первичных и вторичных) существенно различаются. Первичные включения образуются, тогда когда дефекты роста замыкаются в ходе роста окружающих их участков кристалла-хозяина. Массоперенос при этом процессе осуществляется одновременно диффузией и конвекцией. В экспериментальных условиях такие включения обычно моделируют при выращивании кристаллов на затравку е. гидротермальных условиях. Вторичные включения образуются при залечивании трещин в минерале после его кристаллизации. Массоперенос при этом процессе осуществляется только путем диффузии вещества матричной фазы, вовлечения нового вещества при этом не происходит. В экспериментальных условиях такой тип включений моделируется по методике предложенной в работах (Sterner, Bodnar, 1984; Котельникова, 1987).

Рассмотрены различные точки зрения на вопрос о возможности получения надежной информации при изучении флюидных включений. Показано, что основные сомнения в адекватности минералообразующим средам вызывают первичные включения. Одной из главных причин не идентичности первичного включения и валового состава межпорового раствора может являгься существование возле кристалла граничного слоя с измененными свойствами. В этом слое существуют градиенты химической концентрации и их максимальное значение наблюдается на расстоянии 10-100 мкм от грани. В пщротермальных условиях в околокристальном слое возникает конвективное движение, а по всему объему раствора - химическая дифференциация. Поскольку газово-жидкие включения консервируют среду из граничного слоя, высказываются мнения, что они не могут нести достоверной информации о химическом составе раствора вдали от растущих минералов.

В главе рассматриваются имеющиеся литературные данные о необратимых изменениях включений, которые могут происходить с ним после захвата.

Практически все включения после захвата изменяют свою форму.. Экспериментально этот факт доказан работами (Pecher, 1981; Gratier, Jenatan, 1984; Pecher, Boullier, 1984; Sterner, Bodnar, 1989, Bodnar et. al., 1989; Котельникова! 1994). Форма включений изменяется от неправильной до, в идеале, негативного кристалла.. В работе (Bodnar, Sterner, 1989), авторы указывают, что морфологические изменения флюидных включений зависят от Т-Р условий эволюции минерала-хозяина после его кристаллизации. Если, Pi (внутреннее давление во включении) < Pc (внешнее давление), то вокруг большого центрального включения обычно появляются многочисленные кластеры взрыва или ореол мелких включений. В этом случае материнские и дочерние включения имеют, как правило, одинаковую форму. Если Pi > Pc, то образование кластеров не происходит. Материнское включение приобретает неправильную форму, а новообразованные вторичные включения располагаются по трещинам выходящим из полости вакуоли. Однако, эти наблюдения не подтверждаются экспериментальными исследованиями других и нуждаются в уточнении.

На возможность изменения плотности и состава флюида во включениях указывается во многих работах (Ulrich, Bodnar, 1988; Wanamaker, Evants, 1989; Bodnar et. al., 1989; Kotelnicova, Chepkaya, 1994). Однако, данные представленные в таких работах часто противоречят Друг другу и являются недостаточными. Поэтому они нуждаются в дальнейшем исследовании.

В этой главе также рассмотрен такой важный вопрос, как взаимодействие дислокаций и других дефектов кристаллического строения минерала- хозяина с полостями флюидных включений, поскольку оно может играть существенную роль при сохранности флюидного включения в случае изменения физико-химических параметров, характерных для различных петрогенетических обстановок.

ГЛАВА 2. Адекватность захвата флюидными включениями минералообразующнх растворов.

Данная глава посвящена изучению достоверности отражения флюидными включениями свойств минералообразующнх сред.

2.1. Синтез вторичных флюидных включений.

Методика синтеза флюидных включений в залеченных трещинах, моделирующих природные вторичные включения, была применена к минералам с различными химическими свойствами (кварц, санидин, флюорит, кальцит) для решения вопроса о соответствии вторичных флюидных включений межпоровым растворам и изучения влияния химических свойств минерала на этот процесс. Также при этом решался вопрос подтверждения надежности использования методики синтеза включений.

Анализ индивидуальных включений.

Синтезированы включения различных типов, которые широко распространенны в природных минералах. Включения типа газ+жидкость получены в водно-солевых и углекислотных системах при температурах 500-800° С и давлениях 1000-3000 бар. Морфология включений в различных минералах имеет свои особенности: во флюорите - включения имеют в основном таблитчатую форму, в кальците - в основном, округлые, призматические, в кварце - образовывались включения разнообразной формы, в санидине - неправильные, призматические.

Изучение включений методами термо и криометрии показало, что состав всех исследованных вакуолей зависит только от концентрации исходного флюида и, в пределах ошибки опыта , соответствует составу флюидообразующей смеси. Температуры гомогенизации включений (с учетом поправки на давление) соответствуют температурам опытов, в пределах ошибки измерения.

Валовый анализ флюидных включений.

Валовый химический анализ флюидных включений проводился методами газовой и ионной хроматографии. Состав газовой фазы определялся во вторичных включениях в кварце, синтезированном при температурах 500-600°С, давлениях 500-1000 бар. Включения синтезировались как в гомогенных, так и в гетерогенных условиях.

Сопоставление результатов изучения включений данными методами с заданными составами флюидообразующих смесей показало, что при определении валового химического состава флюида возможны

искажения истинных концентраций компонентов. Ошибка в определении концентрации элементов из флюидных включений не зависит от исходных составов раствора.

2.2. Синхронный синтез первичных II вторичных включении.

Для определения того, насколько первичные флюидные включения, захваченные при росте кристалла, соответствуют минералообразующим растворам и в какой мере процессы, протекающие в граничном слое, сказываются при консервации включения предложен метод синхронного синтеза первичных и вторичных включений.

Методика опыта. Опыты по синхронному синтезу флюидных включений с различными механизмами формирования проводились в титановых и стальных автоклавах. В нижней части помещалась корзинка с шихтой (дробленный синтетический кварц фракции 2-10 мм). В верхней части автоклава, в зоне роста кристалла на рамке подвешивались рядом затравки для роста кварца и образцы для залечивания трещин, приготовленные по методике (Sterner, Bodnar, 1984), т.е. в одних и тех же условиях осуществлялся рост кристалла на затравку, который происходил в режиме тепловой конвекции из зоны растворения в зону кристаллизации, а также происходило залечивание трещин путем диффузионного массопереноса. Зоны растворения и кристаллизации разделялись диафрагмой с отверстиями (рис. 1). Опыты проводились в гомогенных и гетерогенных условиях.

Анализ результатов исследования включений, захваченных в гомогенных условиях.

По своим морфологическим признакам включения, имеющие различный механизм формирования, сильно отличаются друг от друга. Первичные включения имеют вытянутую, цилиндрическую ориентировку и приурочены к границам блоков, тогда как вторичные включения приурочены в основном к трещинам в минерале и имеют разнообразную форму: неправильные, амебовидные, цилиндрические, округлые.

Соотношение газ-жидкость во включениях расположенных на различных гранях кристалла постоянно.

Флюидные включения были изучены методами термо и криометрии.

Ш-

I

!Л

1 I

Рис.1. Схема проведения опыта по синхронному СИ1ПС'.1у включении с рашыми механизмами формировании. I. Ъ'пмнкн дни

рост крислилли. 2. Обрлкп для «лечтнния фсщнп. 3. К(>р 1инк.1 с шихтой

350 360 570 X 10 12

Температура гомогспижисии, С Состав, мае.% №С1

1>нс.2. Гистограммы температур юмогенизации (а) и соеииои (б) флюидных включений с разными механизмами формирошшим из обр.64-71. Гомогенные услоиия. - первичное нключснис, - шорм'шое включение.

Результаты исследования показали, что все первичные флюидные включения, образованные в кристаллах, находящихся на различных уровнях автоклава, имеют значения температур гомогенизации 368-378° С (рис. 2). Однако, разброс в средних значениях не превышает 4° С. Поэтому можно говорить об отсутствии заметного влияния перепада концентрации раствора на разных уровнях грани на плотность содержимого включения при его консервации.

Для вторичных включений наблюдается некоторый разброс в значениях температур гомогенизации в зависимости от уровня нахождения навески. Однако, средние температуры гомогенизации отличаются незначительно - 2° С. Наличие разброса в значениях темпераг/р гомогенизации и, соответственно, плотности флюидного включения, может быть объяснена нестабильным характером движения раствора в данном опыте. Видимо, скорость конвекции была изменчива, т.е. периоды полного покоя сменялись прорывами нагретых в нижней зоне растворов, которые, поднимаясь наверх, не успевали прийти в термическое равновесие.

Сравнение температур гомогенизации первичных и вторичных включений в образцах, находящихся на одном температурном уровне, показало их хорошее соответствие друг другу.

Криометрическое изучение флюидных включений показало, что их составы лежат в области 10-11,5 мас.% NaCl, а разброс значений концентраций элементов во флюидных включениях на разных температурных уровнях не превышает I мас.% NaCl, что составляет ошибку эксперимента. Составы первичных и вторичных включений на одном температурном уровне соответствуют друг другу в пределах ошибки опыта (рис.Д).

Анализ результатев исследования флюидных включений ?охваченных * гетерогенных условиях.

Синтез включений проводился при температурах 350-400° С, давлении 250 бар и 400-430° С, давлении 350 бар в 10 мас.% растворе NaCl. Анализ диаграммы системы NaCl-НгО (Sourerayan, Kennedy, 1969; Bischoff, Oitzer, 1989) показывает, что при этих параметрах раствор расслаивается на два несмешивающихся флюида разной концентрации: пар и жидкость. Синтез флюидных включений в гетерогенных условиях довольно сложен, т.к. может

происходить частичное растворение затравок и разработка трещин. В сохранившихся образцах мощность наросшей зоны увеличивается по мере увеличения наружной температуры.

В результате опыта образовывалось семейство включений, имеющих переменное объемное соотношение фаз, которое свидетельствует о гетерогенности захвата. Выше границы раздела фаз рост кристалла не происходил, поэтому первичные включения отсутствовали. Ниже границы раздела - существенно низкоплотных включений не обнаружено.

Анализ полученных включений методами термо и криометрии показал, что наблюдается большой разброс как температур гомогенизации, так и составов включений. Концентрации высокоплотных включений соответствуют составам жидкой фазы несмешивающегося флюида, определенного из диаграмм состояния системы ЫаС1-ШО. Измерить состав низкоплотных включений очень трудно. Полученные результаты оказываются выше, чем выводится из анализа диаграмм состояния.

На основании проведенных экспериментов были сделаны следующие

выводы:

1. Химический состав, плотность, температура исходных растворов, определенных по вторичным флюидным включениям в кварце, санидине, флюорите и кальците соответствуют исходным в опыте параметрам, т.е. вторичные флюидные включения адекватны минералообразующим средам.

2. Первичные флюидные включения, образованные в гомогенных условиях, соответствуют минералообразующнм растворам, а процессы в граничном слое не сказываются на конечном захваченном растворе в той мере, в какой это можно было бы определить стандартными термобарометрическими измерениями.

3. Флюидные включения, как первичные, так и вторичные, образованные в гетерогенных условиях, адекватно отражают условия минералообразования. Однако, вследствие условий худшего массопереноса в низкоплотных (паровых) фазах, количество флюидных включений, содержащих эту фазу, существенно ниже, поэтому необходимо обращать особое внимание на поиск таких включений в природных ассоциациях во избежание неправильных выводов о фазовом составе флюида.

ГЛАВА 3. Взаимоотношение полостей флюидных включений с дислокационным строением минерала-матрицы.

В этой главе дается описание полученных результатов изучения связи полостей флюидных включений с дислокационным строением минерала-хозяина. Исследования проводились методами электронной микроскопии , а также под световым микроскопом с использованием методик избирательного травления и химического декорирования.

Были изучены кристаллы природного кварца из хрусталленосных месторождений и жил Приполярного Урала, Памира, Алданского и Анабарского щитов, а также образцы синтетического кварца, выращенного гидротермальным способом из растворов с хлоридами калия и натрия. Метод электронной микроскопии использовался только для изучения очень мелких включений, размером в доли микрон, поскольку при подготовке образцов от более крупных включений остаются сквозные отверстия.

При исследовании исходных образцов было установлено, что все первичные включения расположенные по зонам роста кристалла и имеющие размер 1-5 мкм, связаны, как минимум с одной дислокацией. В электронном микроскопе линейные дефекты имеют контраст в виде пар изогнутых линий. В приготовленных препаратах не было обнаружено ни одного включения не связанного с дислокациями. Включения, имеющие размер 5-20 мкм характеризуются пучком параллельно или веерообразнорасходящихся дислокаций. Использование метода химического декорирования показало, что с еще более крупными включениями порядка 50-100 мкм, связано повышение плотности дислокаций достигающей 105 см-2. Плотность дислокаций возрастает вблизи полости вакуоли.

При проведении исследований также изучалась связь вторичных включений расположенных по залеченным трещинам с дислокационным строением кварца. Методом химического декорирования было установлено, что плотность дислокаций вокруг полостей вторичных включений может достигать 107 см-2. Изучение полостей вторичных включений методом избирательного травления показало, что их полости соединены между собой линиями дислокаций и располагаются на пересечении дислокационных границ.

Связь флюидных включений с дислокациями, и увеличение плотности

последних в непосредственной близости от включений, имеет важное значение на сохранность вакуоли при наложенных процессах. При увеличении температуры внутреннее давление увеличивается и это сказывается на структуре ближнего порядка. Согласование дефектов решетки должно осуществляться путем преобразования окружения из дислокаций.. Если плотность дислокаций вокруг включений высокая Ю^-ЮЮ см-2, то она будет способствовать его сохранности, при недостаточной плотности дислокаций 1()4 см-2 для компенсаций возникших напряжений может появиться структура микрокливажа, которая при дальнейшем росте напряжений послужит каналом для утечки содержимого включений.

Проведенные исследования также показали, что форма дислокационных структур может изменяться при наложенных пластических деформациях. Дислокации, имеющие форму прямых линий пучком выходящих из полости включения, при деформации изгибаются образуя дислокационные петли.

В ряде случаев методом электронной микроскопии вокруг включения обнаружены симметрично построенные дислокационные розетки с максимальной плотностью дислокаций до 102 см-2. В поляризированном свете вокруг таких включений наблюдаются розетки двупреломления, обусловленные пластической деформацией. По-видимому в данном случае фиксируется этап пластической деформации, предшествующий образованию трещин, хрупкой деформации и разгерметизации включений.

Таким образом характер дислокаций вокруг включений может позволить идентифицировать характер напряжений в кристалле-хозяине.

Полученные результаты свидетельствуют:

1. О наличии связи между полостями включений минералообразующей среды и поверхностью кристалла, которые осуществляются посредством дислокационных микроструктур.

2. Первичные включения размером 5-10 мкм являются наиболее герметичными и подходящими для нужд термобарогеохиии, поскольку из их полости выходят единичные дислокации.

3. Процессы пластической деформации приводят к увеличению плотности дислокаций вокруг полостей включений, а также к изменению их формы.

ГЛАВА 4. Моделирование процессов происходящих в флюидных включениях при изменении физико-химических условий петрогенеза.

В этой главе описываются результаты экспериментов по моделированию воздействия физико-химических параметров, отличных от условий консервации включений на минерал-хозяин и исследуется поведение и сохранность флюидных включений при этих процессах.

Поведение фиоидпых включений при гидротермалыюм воздействии на минерал-хозяин.

Для проверки степени влияния изменений температур, давлений, составов раствора на сохранность включения после его консервации были проведены опыты,, моделирующие гидротермальное воздействие на минерал-хозяин. Перед опытом флюидные включения синтезировались в гидротермальных условиях на кристаллах искусственного кварца. Синтез кристаллов проводился при температурах 350-355 °С, давлениях 650-700 бар из 0,5М раствора ИаОН. Время проведения опытов 14-86 суток. Полученные включения имели разную кристаллографическую ориентировку, форму и размеры.

Образцы с предварительно изученными включениями помещались в условия, где температура, давления и состав раствора отличаются от существовавших при консервации вакуоли (10, 20 или 40 мас.% ЫаС1). Параметры опытов подбирались таким образом, чтобы они были как выше, так и ниже условий синтеза. Давление в автоклаве задавали по коэффициенту заполнения автоклава растворами того же состава, что и в ампуле. Выдержка в режиме опыта составляла 30-86 суток. Для проверки как влияет на сохранность флюидного включения его удаленность от граней кристалла в опыты помещались: тонкие и толстые пластинки.

Результаты опыта.

Форма включений после опыта сильно изменилась, вакуоли стали более изометричными и с более развитыми гранными формами, происходила расшнуровка. При проведении опытов в гомогенных условиях все новообразованные включения имели одинаковое наполнение, в гетерогенном растворе соотношение фаз во включениях различно. Иногда рядом с крупными материнскими вакуолями удавалось наблюдать скопление мелких

(дочерних) включений. Различий в морфологии включений в зависимости от параметров проведения опытов не наблюдалось.

После опыта включения изучались методами термо и криометрии. Определялся состав и плотность флюида в вакуоли. По характеру изменения включений после опыта были выделены четыре группы включений: к первой относятся вакуоли, сохранившие свои первоначальные физико-химические параметры, ко второй - изменившие только свою плотность (испытавшие растяжение) очень незначительно, к третьей - изменившие как состав так и плотность, к четвертой относятся включения по своим параметрам полностью соответствующие новым условиям равновесия.

Для объяснения полученных результатов большое внимание уделялось взаимоотношению полостей включения с дислокациями. Были выделены следующие закономерности: незначительное изменение плотности включений происходит в случае, если плотность дислокаций вокруг полости вакуоли велика и достигает 107 см-2. При меньшей плотности дислокаций (в пределах Ю7 - 104 см-2) происходит частичная разгерметизация полости включения, появляется микротрещина, которая в последующем быстро залечивается. В этом случае происходит только изменение плотности включения. При недостаточно высокой плотности дислокаций - менее 104 см-2 появляется трещина вскрытия, при залечивании которой появляются дочерние включения. Если каналы дислокаций выходят на поверхность кристалла, они могут использоваться для обмена содержимым между полостью включения и минералообразующей средой. В этом случае изменяется как плотность так и состав включения. Трещины в последствии могут залечиться. Т.к. материнские и дочерние включения часто имеют одинаковый состав, залечивание трещин видимо происходит очень быстро.

Сохранность содержимого включения сильно зависит от условий проведения опыта. Т.к. известна температура кристаллизации минерала, то используя данные по Р- V -Т свойствам чистой воды (Fisher, 1976) определялось внутреннее давление во включении до опыта,. Это давление соответствует 610 барам. В процессе опытов внутреннее давление во включениях изменялось.. После опыта по новым плотностям включений были рассчитаны внутренние давления. Анализ результатов показал, что изменение плотности и состава во включениях зависят от Д Р (различий между

Таблица 1 . Плотности и составы флюидных включений в кристалле А до и после опыта по метаморфизму включений.

№ опыта Условия проведения опыта Пластинка Плотность Состав

Т,°С Р,бар Состав раствора, мас% ИаС1 до опыта, г/см3 после опыта, г/см3 до опыта ЫаС1-экв. после опыта, КаС1-экв

20 500 1000 10 Толстая Тонкая Залеченные трещины 0,72 0,72 0,72-0,40 0,69-0,64 0,64 0 0 0-1,5 0-0,5 10,7

21 400 200 10 Толстая Залеченные трещины 0,72 0,72-0,61 0,65-0,64 0 0-0,3 10,2-10,4

22 350 175 10 Толстая Тонкая Залеченные трещины 0,72 0,72 0,72-0,69 0,72 0,64 0 0 0-1,5 0 8,7-9,3

27 400 200 40 Толстая Залеченные трещины 0,72 0,72-0,64 1,01-0,98 0 0,8-2,2 40

28 350 175 40 Толстая Тонкая Залеченные трещины 0,72 0,72 0,72- 0,60 0,75-0,54 1,05-1,02 0 0 0,8-2,5 2,2-2,5 40

Примечание: Т-температура; Р-давление.

наружным давлением и внутренним давлением во включении). Можно выделить следующие закономерности:

1. Если превышение внутреннего давления над внешним составляло 1350 бар -1150 бар, то происходило сильное изменение плотности, а иногда и состава.

2. Если превышение составляет 1500 бар, то изменение плотности было очень значительное - до 50% от исходной . В этом случае всегда происходило изменение состава включений.

3. При превышение до 1000 бар изменения как состава, так и плотности практически не происходило.

Проведенные опыты показывают, что состав и плотность включений после их консервации мохуг существенно меняться, поэтому .важно получить количественные оценки изменения флюида во включении в зависимости от его размеров, а также перепадов давлений и температур, которые могут существовать в различных геологических обстановках, при эволюции минерала после его кристаллизации.

Зависимость изменения плотности включений от его размеров.

Установлено количественное соотношение между размером включения, температурой и давлением среды, воздействующих на минерал-хозяин, при которых герметичность включения не нарушается.

Для опытов были выбраны кристаллы синтетического кварца, выращенные на затравку гидротермальным способом. Плотность раствора в опыте определялась по коэффициенту заполнения автоклава. Во всех включениях флюидные включения изучались методом термометрии. При измерении включения делились на два класса: объемом п х и п х 104

'ем3. После изучения кристаллы кварца были распилены и помещены в гидротермальные условия при температурах и давлениях превышающих исходные. После опыта во включениях были измерены новые температуры гомогенизации и определена их плотность.

. Анализ результатов показал, что при одинаковых физико-химических условиях, воздействующих на минерал-хозяин, большее включение быстрее изменяет свои параметры. Был произведен расчет взаимоотношений размеров включений с температурами и давлениями, необходимыми для нарушения его герметичности. Была выжлеца следующая

Рис. 3- Соотношение между размером включения и температурой перегрева при которых происходит вскрытие вакуоли.

закономерность: Тпер.= -19,5Рнар- 20,5^ У+151,1; где Тпер. - температура перегрева необходимая для вскрытия включений; Рнар. - наружное давление воздействующее на кристалл-хозяин; V - объем включений в мкмЗ

Анализируя полученную зависимость можно сделать вывод, что рост наружного давления приводит к ослаблению прочности кристалла. Чем выше давление тем меньшая температура перегрева необходима для вскрытия включения (рис.Например, при давлении 3000 бар включение, имеющее объем 103 мю/вскроется уже при перегреве в 30° С, тогда как при давление 1000 бар включение, имеющее тот же объем, вскроется только при температуре перегрева выше 110° С. Этот вывод может быть объяснен уменьшением предела пластической деформации с повышением температуры

и давления.

По результатам проведенных исследований были сделаны следующие

выводы:

1. Форма флюидных включений при влияние на минерал-хозяин температур, давлений и состава раствора отличных от условий их консервации изменяется. Включения становятся более изометричными, стремясь приобрести форму "отрицательного" кристалла. Если происходит вскрытие включений и образуются микротерщины, то форма как материнских, так и новообразованных дочерних включений также напоминает негативный кристалл.

2. Флюидные включения при изменении условий внешней среды после их консервации могут изменять свои физико-химические характеристики.

3. Повое равновесие во включениях связанно с величиной превышения внутреннего избыточного давления над внешним. Если оно меньше или равно 1000 бар, происходит в основном растяжение включений, т.е. понижение температуры гомогенизации на 1-2° С без видимых следов вскрытия. При превышении 1000 бар происходит образование микротрещин по которым включение обменивается содержимым с внешней средой.

4. Растяжение флюидных включений происходит в случае, если плотность дислокаций вокруг включений велика и достигает 10? см"2. При недостаточно высокой плотности дислокаций до 10^ смпреобразования ближнего порядка не происходит. В этом случае происходит декрепитация флюидного включения.

5. Состав флюидных включений может изменяться и довольно сильно, в случае, когда трещина вскрытия выходит на поверхность кристалла.

6. Изменение плотности флюидного включения при наложенных процессах зависит от размера вакуоли. При прочих равных условиях сильнее изменяется плотность во включениях, имеющих больший размер.

7. Размер флюидного включения и величина перегрева и давление необходимые для его вскрытия связанны уравнением:

Тпер.= -19,5Рнар,- 20,5 У+151,1.

ГЛАВА 5. Информативность включений в природных обстановках.

В этой главе показано как результаты, полученные автором в данной

работе, могут помочь избежать ошибок при определении тeмпqэaтyp, давлений и составов растворов, существующих в определенных условиях петрогенеза, при изучении флюидных включений в природных образцах.

В предыдущих главах было показано, что флюидные включения адекватно отражают свойства межпоровых растворов при их консервации, поэтому возможно сопоставление каждой генерации флюидных включений определенному этапу минералогенеза и определения его параметров. При этом ответственным моментом является правильное определение фазового состава флюида. В главе 2 показано, что как первичные, так и вторичные включения захваченные как из гомогенного, так и из гетерогенного флюида, адекватно отражают фазовое состояние флюида. При росте кристалла в гетерогенных условиях для него характерно присутствие как жидких, так и газовых включений. Количество газовых (низкоплотных) включений всегда меньше, чем жидких (высокоплотных), вследствие существенно худших условий массопереноса. При петрографическом описании включений в породе крайне важно обращать внимание на присутствие таких включений, т.к. их пропуск может привести к существенным ошибкам. Наличие таких включений может быть вызвано несколькими причинами: консервации из гетерогенных растворов, смешением растворов, последовательным образованием таких включений в одних трещинах. Как следует из фазовых диаграмм критерием гетерогенности в таком случае должны быть одновременное соответствие температур гомогенизации газовых и жидких включений и их составов составам фаз несмесимого флюида при измеренных температурах.

Достоверность определения физико-химических условий петрогенеза путем изучения флюидных включений зависит от многих факторов, прежде всего от эволюции минерала-хозяина после кристаллизации.. В главе 4 показано, что при определенных параметрах, воздействующих на минерал-хозяин, содержимое флюидных включений может изменять свою плотность, а в некоторых случаях и состав. Результаты исследования, полученные в этой главе, должны помочь ограничить область достоверной информации, получаемой при изучении включений. При повышении температур и давлений после кристаллизации (например, при процессах прогрессивного метаморфизма) многие флюидные включения, захваченные при более низких параметрах, разрушаются. Однако, даже в случае сохранения включения, его

первоначальная плотность может изменяться. Сохранность включения зависит от максимального напряжения, которое может выдержать каждый минерал-хозяин. Оно зависит от наружного и внутреннего давлений, температур, размеров включения, плотности дислокаций вокруг вакуоли. Зависимость экспериментально установленная в главе 4 показывает, что максимальное наружное давление, которое выдерживает водно-солевое включение размером до 2 мкм в кристаллах кварца составляет 6000 бар.

При процессах ретроградного метаморфизма включения захватывались при более высоких температурах и давлениях, которые затем начинают уменьшаться. Рассмотрены возможные Т-Р пути эволюции минерала-хозяина после кристаллизации и проведен анализ сохранности и информативности включений при этих процессах. В том случае, если порода, в которой находится включение при остывании испытывает изобарическое охлаждение, то включение будет испытывать сильное сверхдавление, и если оно превысит предел, который способен выдержать минерал-хозяин, то произойдет декрепитация включения, и если в дальнейшем произойдет его залечивание, то плотность новообразованного включения будет ниже. Если порода при поднятии испытывает изотермическое охлаждение, то давление внутри включения будет выше, чем наружное, при достижении порогового значения произойдет также его декрепитация. После залечивания вакуоли плотность флюида в ней окажется гораздо выше исходной. Наиболее благоприятным процессом, для сохранности флюидного включения является изохорическое остывание.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Проведенные диссертантом исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. Первичные флюидные включения, захваченные как из гомогенных, так и в гетерогенных растворов, адекватно отражают свойства минералообразующих сред. При консервации включений из гетерогенной среды количество включений, содержащих несмесимые фазы может сильно различаться между собой, поскольку низкоплотная породообразующая фаза обладает более низкой залечивающей способностью, поэтому включений, захвативших ее, может быть немного. Поэтому при изучении природных семейств включений

необходимо обращать внимание на их присутствие, для избежание возможных ошибок при интерпретации.

2. При исследовании валового состава включений методами газовой и ионной хроматографии возможны существенные искажения истинных концентраций компонентов во включениях.

3. Флюидные включения всегда связаны с такими дефектами кристаллического строения как дислокации. Чем крупнее включение, тем как правило большее количество дислокаций выходит из него. Плотность дислокаций повышается вблизи вакуоли.

4. При наложенных процессах плотность дислокаций минерала-хозяина связана с характером изменения флюидных включений. При высокой плотности дислокаций происходит перестройка дислокационной структуры, вызывающая растяжение флюидных включений Если плотность дислокаций ниже, то при нагреве вокруг включения образуется ореол микрокливажа, используемый для утечки содержимого включений. При еще более низкой плотности (меньше 104 см2) дислокаций происходят процессы хрупкой деформации. Образуются трещины вскрытия и появляются ореолы дочерних включений вокруг материнского.

5.Новое равновесие во включениях связано с величиной превышения внутреннего давления над внешним. Если оно меньше или равно 1000 бар, то происходит в основном растяжение включений, т.е. незначительное понижение плотности без видимых следов вскрытия. При давлениях больше 1000 бар происходит образование микротрещин.

6. Экспериментально определенная зависимость между размером флюидного включения, наружным давлением и температурой перегрева необходимой для декрепитации водно-солевых включений в кварце показывает, что только самые мелкие включения размером до 2 мкм могут выдержать внешнее давление равное 6000 бар. Этот факт может являться одним из объяснений отсутствия водных включений в породах высокометаморфизированных пород.

7. Анализ различных вариантов протекания природных наложенных процессов показал, что если после консервации включения изменения вмещающих пород происходит по изобарическому пути, то включения будут переуравновешиваться в сторону повышения плотности. Если происходит

адиабатическое расширение породы, то содержимое включений будет понижать свою плотность. Наиболее благоприятным процессом для сохранности флюидных включений является изохорическое остывание. Трудно ожидать сохранности флюидных включений, отвечающих пику метаморфизма, если породы впоследствии претерпели ретроградные изменения.

Список опубликованных по теме диссертации работ.

1. Чепкая Н.А. Составы и плотности синхронно синтезированных включений. В сб. "Геологические исследования литосферы", Ин-т литосферы РАН, 1995, с.9.

2. Котельникова З.А., Чепкая Н.А. Взаимоотношение полостей флюидных включений с дислокационным строением кварца, Бюллетень МАИГ1 (в печати.).

3. Котельникова З.А., Чепкая Н.А., Котельникова А.А. Генетическая информация содержащаяся во флюидных включениях, Тез. доклад Годичной сессии Всероссийского Минералогического общества "Минералогия на пороге XXI века", 1996, с.38-39.

4. Чепкая Н.А., Котельникова З.А. Захват флюидов и постзахватные изменения в них, тез. доклад XII Российского совещания по экспериментальной минералогии, 1995, с. 271.

5. Chepkaya N.A., Kotelnikova Z.A. Correlation between fluid inclusions cavities and crystaldefects in quartz, Abstract, EUG 8, Strasbourg, April, 1995.

¿".Chepkaya N.A., Kotelnikova Z.A Re-equilibration fluid inclusions at hydrothermal condition , Abstract, IMA, Piza, Italy, 1994, p.70.

7. Chepkaya N.A., Kotelnikova Z.A. The comparison of primary and secondary inclusions synthesized in synchronism, Abstract, SovGeoInfo and Institute of Experimental Mineralogy, 1994, p.38.

8. Kotelnikova Z.A., Chepkaya N.A Water-salt (carbonic acid) inclusions upon changing in external conditions, Abstract, SovGeoInfo and Institute of Experimental Mineralogy, 1994, p.42.

9. Chepkaya N.A., Kotelnikova Z.A. Re-equlibration of water-salt inclusions in synthetic quartz, Abstract submitted to XIV ECROFI, Nansy (France), Jule 1-4, 1997.