Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Растворимость двуокиси углерода в расплавах основного и кислого составов и условия её отделения от магм в вулканических областях

ВАК РФ 04.00.02, Геохимия

Содержание диссертации, кандидата геолого-минералогических наук, Шилобреева, Светлана Николаевна

БВДЕНИЕ.

Глава I. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ ПО РАСТВОРИМОСТИ

ДВУОКИСИ УГЛЕРОДА В СИЛИКАТНЫХ РАСПЛАВАХ

ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ И ДАВЛЕНИЯХ

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ) .II

1.1» Растворимое и» COg в расплавах кислого состава *

1.2» Растворимость COg в расплавах основного состава

1.3. Растворимость С02 в расплавах повышенной щелочности.

1.4. Растворимость COg в расплавах андези-тового состава.

1.5. Совместная растворимость HgO и С02 в силикатных расплавах при высоких температурах и давлениях

1.6. Выводы.

Глава 2. АВТОРАДИОГРАФИЧЕСКИЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСТ

ВОРИШСТИ С02 В ПРОДУКТАХ ЗАКАЛКИ СИЛИКАТНЫХ

РАСПЛАВОВ

2.1. Авторадиографический метод определения содержания углерода в твердых образцах

2.1.1. Характеристика фотоматериала

2.1.2. Характеристика радионуклидов, применяемых в авторадиографии.

2.1.3. Фотографическая обработка эмульсии.

2.1.4. Количественный анализ авторадиограмм

2.1.5. Чувствительность метода авторадиографии

2.1.6. Разрешающая способность метода

2.2. Методика определения содержания дву -окиси углерода в цродуктах закалки расплавов - стеклах.

2*2*1 • Выбор фотоматериала

2.2.2. Оцредэление оптимальных условий проявления тонкослойных фотоматериалов

2.2.3. Приготовления стандартного образца

2.2.4. Проверка однородности распределения атомов по образцу.

2.2.5. Калибровка ядерных фотоэмульсий

2.2.6. Измерение содержания С02 в стеклах-продуктах закалки магматических расплавов.

2.2.7. Ошибки при измерении содержания С

2.3. Преимущества и недостатки авторадиографической методики определения растворимости С02 в магматических расплавах

2.4. Выводы.

Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЗЩОВАНИВ РАСТВОРИМОСТИ

С02 В РАСПЛАВАХ ОСНОВНОГО И КИСЛОГО СОСТАВОВ

3.1. Методика эксперимента.

5.1.1. Аппаратура высокого давления

3.1.2. Исходный материал.

3.1.3. Методика исследования систем силикат-летучие компоненты.

3.1.4. Способы введения С02 в систему

3.1.5. Методы определения содержания С02 и Н20 в расплаве и паровой фазе после опытов в системах силикат-С02 и силикат - С02 -Н20.

3.1.6. Последовательность операций при проведении экспериментов

3.2. Результаты экспериментов

3.2.1. Растворимость С02 в модельных расплавах альбита и системы альбит-кремнезем

3.2.2. Растворимость С02 в расплавах магматических пород базальтового, андезито-вого, дацитового и риолитового составов в области давлений 0,5-5 кбар. . ИЗ

3.2.3. Влияние состава расплава на растворимость двуокиси углерода

3.3. Структурное состояние двуокиси углерода в продуктах закалки расплавов-стеклах и возможные механизмы растворения С

3.4. Выводы.

Глава 4. ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАСТВОРЕНИЯ С02 В СИЛИКАТНЫХ РАСПЛАВАХ ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ И ДАВЛЕНИЯХ.

4.1. Влияние температуры и давления на растворимость С02.

4.2. Влияние состава расплава на растворимость С02.

4.3. Влияние воды на растворимость С

4.4. Модель поверхности насыщения магматических расплавов водой и двуокисью углерода.

4.5. Выводы.

Глава 5. ДЕГАЗАЦИЯ MAIM ОКЕАНИЧЕСКОГО ДНА КАК ОТРАЖЕ -НИЕ РЕКИМА ЛЕТУЧИХ КОМПОНЕНТОВ Ш20 И С02) В ОБЛАСТЯХ МА1ЖЮБРА30ВАНИЯ.

5.1. Н20 и С02 в продуктах закалки магматических излияний океанического дна

5.2. Возможные соотношения С02/(С02+Н20) и содержания Н20 в магматических расплавах в глубинных условиях

5.3. Состав флюидной фазы магм.

5.4. 0 возможном соотношении Н20 и С02 в областях магмообразования

5.5. Выводы.

Введение Диссертация по геологии, на тему "Растворимость двуокиси углерода в расплавах основного и кислого составов и условия её отделения от магм в вулканических областях"

Данная работа посвящена экспериментальному и теоретическому исследованию взаимодействия двуокиси углерода с расплавами основного и кислого составов в области давлений до 57 кбар при температурах, близких к температурам излияния магм. Исследования направлены на создание физико-химических основ, которые позволяют оценить роль магматических процессов в выносе СО2 из глубинных зон Земли к ее поверхности.

Согласно геохимическим данным по составу вулканических газов, содержанию летучих компонентов в вулканических стеклах, рас плавных включениях в минералах магматических пород и ультраосновных нодулях двуокись углерода наряду с водой являются важными летучими компонентами, участвующими в магматических процессах.

Эти геохимические данные послужили основанием для постановки экспериментальных исследований растворимости СО2 и совместной растворимости СО2 и HgO в магматических расплавах при высоких температурах и давлениях рядом исследователей (Миссен Б., Эгглер Д., Холловей Дж., Кадик А.А., Рябчиков ИД., Орлова Г.П. и другие). Однако проведенные исследования были осуществлены главным образом при давлениях выше 10 кбар, в то время как данные по условиям насыщения магматических расплавов двуокисью углерода в области более низких давлений оказались весьма ограниченными. Это создало определенные трудности в оценке условий дегазации магм вблизи поверхности Земли, в областях скопления вулканических очагов, где главным образом и осуществляется процесс отделения СО2 от расплавов. Кроме того, имеющиеся экспериментальные данные по взаимодействию COg с силикатными расплавами во многих случаях относятся к модельным расплавам, которые далеки от состава природных магм, и к темпера iy рам гораздо более высоким (1400-1600°С), чем температуры магм вблизи поверхности Земли, Несомненно, полученные таким образом данные важны для выяснения термодинамических условий взаимодействия СО2 с расплавами, но они не позволяют использовать их для прямого анализа дегазации магм вблизи поверхности Земли.

Актуальность данного исследования определяется необходимостью получения достоверных данных по растворимости С0£ в расплавах магматических город основного и кислого составов при давлениях до 5-7 кбар и при температурах, соответствующих температурам магматических излияний, данных по совместной растворимости HgO и COg в этих расплавах, которые позволяют оценить вклад дегазации магм в вынос воды и двуокиси углерода к поверхности Земли в различных тектоно-структурных зонах и вулканических областях, отсутствием для этих оценок достаточного количества экспериментального материала.

Целью работы является создание экспериментальных и теоретических основ взаимодействия СО^ с магматическими расплавами основного и кислого составов при давлениях, которые соответствуют глубинам коры и верхней мантии Земли, определения условий дегазации расплавов и их вклада в вынос СО2 и Н2О из глубин заровдения магм к поверхности Земли.

Задачи работы: I) разработка метода авторадиографии, позволяющего оцределять растворимость двуокиси углерода в стеклах-продуктах закалки магматических расплавов, разработка способов введения СО2 в исследуемые системы и методики определения состава пара, равновесного с расплавом; 2) экспериментальное изучение растворимости СО2 в расплавах основного и кислого составов при давлениях до 5-7 кбар; 3) построение поверхности насыщения магматических расплавов водой и двуокисью углерода в области давлений до 20 кбар; 4) реконструкция режима воды и двуокиси углерода в областях магмо-образования на примере магм океанического дна.

Фактический материал, объекты и методы исследования. В основе диссертации лежит разработанная автором авторадиографическая методика определения содержания углерода в гетерогенных образцах, результаты около 50 проведенных экспериментов в системах силикат - СО2 и силикат - COg - HgO. Для проведения экспериментов были выбраны породы базальта (вулкан Ключевской, Камчатка), андезита (вулкан Безымянный, Камчатка), дацита (вулкан Карымский, Камчатка), Исландский риолит и Эльджуртинский гранит, а также модельные расплавы альбита и системы альбит-кремнезем. Фазовый состав продуктов опытов исследовался под микроскопом, изучение формы наховдения двуокиси углерода в продуктах закалки расплавов-стеклах црсводилось с помощью ИК-спектроскопии в ЦАЛе ГЕОХИ АН СССР совместно со старшим научным сотрудником М.В.Ахмановой, при реконструкции режима HgO и COg в областях магмообразования использовались имеющиеся в литературе данные по содержанию Н2О и COg в стеклах магматических город.

Научная новизна. Впервые разработана авторадиографическая методика оцределения содержания углерода в стеклах-продуктах закалки силикатных расплавов после экспериментов при высоких температурах и давлениях с использованием отечественных ядерных фотовдастин с тонким эмульсионнш слоем. Получены экспериментальные данные по растворимости СО2 в расплавах магматических пород основного и кислого составов в области давлений 0,5-7 кбар, которые восполняют пробел в имеющихся экспериментальных данных в интервале давлений, соответствующем как облаотям формирования магм в коре и верхней мантии, так и областям существования магматических очагов на небольших глубинах» Построена обобщенная поверхность насыщения магматических расплавов водой и двуокисью углерода, которая позволила с некоторым приближением описать изменение содержания HgO и С0^ в расплаве и паровой фазе по мере подъема магм к поверхности Земли, Предложен способ экстраполяции геохимических данных по содержанию HgO и СО2 в вулканических стеклах в область более высоких давлений.

Практическая ценность. Полученные экспериментальные данные и следующие из них выводы могут быть использованы в практической деятельности геологов и вулканологов при оценке поведения (Х>2 при извержении вулканов и для оценок вклада магматических процессов в вынос двуокиси углерода к поверхности Земли и формировании атмосферы и гидросферы. Разработанные методы определения содержания СО2 в стеклах могут найти применение в экспериментально-геохимических лабораториях и лабораториях, изучающих процессы с участием углеродсодержащих соединений.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на ежегодных семинарах экспериментаторов (г.Москва,1977,1978, 1979,1980,1981,1982,1983 гг.), X Всесоюзном совещании по экспериментальной и технической минералогии и петрографии (Киев, 1978 г.), I Всесоюзном совещании "Ядерно-физические методы анализа в контроле окружаицей среды" (Ташкент,1979 г»), У Вулканологическом совещании (Тбилиси,1980 г.), на ежегодном семинаре "Геохимия магматических пород" (Москва, 1981 г.), на 2 Всесоюзном совещании "Природные газы Земли и их роль в формировании Земной коры и месторождений полезных ископаемых" (Москва, 1982 г.)» на Всесоюзном совещании по геохимии углерода (Москва. 1981 г*), на научной сессии "Эволюция магматизма и океанской литосферы и корреляция магматизма океана и континентов" (г.Суздаль, 1983 г.). По результатам исследования опубликовано 14 работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, изложенных на 118 страницах машинописного текста, включает 42 рисунка^, 23 таблицы и список литературы из 149 наименований.

Заключение Диссертация по теме "Геохимия", Шилобреева, Светлана Николаевна

4.5, Выводы

Проведенные в данной работе экспериментальные исследования растворимости двуокиси углерода в расплавах базальтового, андезитового, дацитового и риолитового составов/ в расплаве альбита и системы альбит-кремнезем, полученные глав ным образом при давлениях до 5-7 кбар, а также анализ существующих в литературе данных по растворимости С02 в расплавах магматических пород при давлениях 10-30 кбар позволили определить основные закономерности насыщения магматических расплавов двуокисью углерода в области давлений от 0,5 до 20-30 кбар:

1) растворимость С02 увеличивается с ростом давления, причем в системах в изученной области давлений и температур не обнаруживается экстремум, нарушающий эту закономерность. Найдено, что в области давлений 0,1-10 кбар растворимость С02 в расплавах основного и кислого составов может быть описана уравнениями вида С = аР + в (табл.20,21);

2) растворимость С02 в силикатных расплавах характеризуется сложной температурной зависимостью и остается предметом дискуссии. Однако, следует отметить, что в области температур, характерных для магматических излияний, влияние температуры на растворимость С02 незначительно;

3) наличие минимума на зависимости растворимости двуокиси углерода от основности расплава и величины Щ30/Т, установленное в интервале давлений 0,5-5 кбар в ряду расплавов рио-лит-андезит-базальтового составов (глава 3) может быть объяснено двумя механизмами растворения двуокиси углерода в силикатных расплавах: в молекулярной форме согласно реакции (14) и при взаимодействии двуокиси углерода с кислородом расплава согласно реакции (15) ;

4) сравнение полученных нами данных по влиянию воды на растворимость двуокиси углерода в расплавах альбита при давлении 7 кбар и температуре 950° и 850°С и расплаве системы альбит-кремнезем при давлении 3 кбар и температуре 1250°С с данными по совместной растворимости HgO и COg в модельных расплавах, полученными другими авторами, показывает, что наличие максимума на зависимости растворимости COg от соотношения C0g/(C0g+Hg0) в равновесной паровой фазе характерно не только для высоких температур (1400-1650°С), но также и для более низких температур (850-1250°С), которые соответу-ствуют температурам существования магм. Таким образом, можно прийти к заключению, что установленный впервые Д.Эггле-ром [72] эффект влияния HgO на растворимость COg может иметь петрологическое значение;

5) проведенный анализ закономерностей растворения COg в силикатных расплавах при высоких давлениях и температурах, а также установленная эмпирическая зависимость между мольным отношением Hg0/(Hg0+C0g) в расплаве и составом паровой фазы позволили построить поверхность насщения магматических расплавов водой и двуокисью углерода, которая с определенным цриближением может описать взаимодействие воды и двуокиси углерода с силикатными расплавами в области давлений до

20 кбар. Построение цриближенной модели поверхности насыщения открывает возможности для оценок главных путей дегазации магм при их подъеме к поверхности Земли в тех случаях, когда поведение летучих компонентов (Н^О и COg) в магматических системах определяется их растворимостью в расплавах.

Глава 5. ДЕГАЗАЦИЯ МАШ ОКЕАНИЧЕСКОГО ДНА КАК ОТРАЖЕНИЕ РЖИМА ЛЕТУЧИХ КОМПОНЕНТОВ (Н20 и С02) В ОБЛАСТЯХ МАГМ00БРА30ВАНИЯ

Магмы, достигшие поверхности Земли, являются важнейшим прямым источником информации о газовом режиме пород верхней мантии. Это одна из причин глубокого интереса геохимиков к изучению вулканических эманаций, расплавных и флюидных включений в минералах магматических пород, содержания летучих компонентов в вулканических стеклах.

Вулканические эманации неоднократно использовались исследователями для оценок состава летучих компонентов верхней мантии. Этот путь прямого перенесения данных был бы верен, если бы при подъеме магм к поверхности можно было сохранить соотношения компонентов магматических флюидов таковыми, как они свойственны областям образования магм. Согласно экспериментальным исследованиям совместной растворимости Н20 и С02 в расплавах при высоких давлениях это едва ли возможно 16 . Отделение флюидов от магм, особенно в области низких давлений, приведет к существенному разделению Н20 и С02 и других "хорошорастворимых" и "плохорастворимых" летучих компонентов. В результате состав вулканических эманаций вблизи поверхности Земли будет сдвинут в сторону более высоких концентраций Н20 по сравнению с ее первоначальными содержаниями в мантии. В то же время состав глубинных магматических флюидов, захороненных в минералах машатических пород, должен быть значительно сдвинут в сторону С02 и других "малорастворимых" летучих компонентов.

При использовании данных по вулканическим эманациям еледует также учитывать влияние на их состав перераспределения летучих компонентов в вулканических каналах, камерах, обусловленное динамикой газоотделения и, в частности, подмешиванием к расплавам верхних частей магматических каналов флюидов из более глубоких областей дегазации вулканических очагов [15] •

Содержание летучих компонентов в вулканических стеклах или рас плавных включениях в минералах магматических пород дают прямую информацию об их концентрации и составе непосредственно к моменту закалки магматических расплавов. Однако, как и в случае вулканических эманаций остается неясным, какие изменения претерпел состав летучих компонентов на пути подъема магм к поверхности Земли. Глубинная дегазация может цривести, как к потере HgO , так и COg * причем особенно значительным может быть понижение концентрации малорастворимых газов, таких как COg, СО, аргон, азот и др., которые будут преимущественно переходить из расплава в равновесную флюидную фазу. В результате этого использование геохимических данных по вулканическим стеклам и расплавным включениям могут цривести к представлениям о более низких соотношениях C0g/(C0g + HgO) и низких концентрациях HgO в первичных магмах [59] .

Таким образом, мы стоим перед необходимостью нахождения способов экстраполяции геохимических данных по содержанию HgO и COg в вулканических стеклах и расплавных включениях в минералах в область более высоких давлений с целью определения возможных концентраций HgO и COg или соотношений C0g/(C0g+Hg0) в областях зарождения мата.

В данной работе подобный анализ был проделан с использованием поверхности насыщения магм HgO и COg и построенных на ее основе траекторий изменения HgO и COg в паре и расплаве в зависимости от понижения давления, а также удаления флюида из магматической системы и сравнения этих данных с содержанием HgO и С02 в вулканических стеклах.

Заключения, которые могут быть получены таким путем, имеют очень важное ограничение, а именно, они не учитывают возможное участие графитовой фазы в формировании летучих компонентов магм и их флюидной фазы, как это предполагается некоторыми исследователями |l8,47] . Эта проблема требует специального рассмотрения.

5.1. HgO и COg в продуктах закалки магматических излияний океанического дна

Вулканические стекла океанического дна представляют собой уникальный случай быстрой закалки магм под давлением толщи воды с наиболее благоприятными условиями для сохранения в них летучих компонентов глубинного происхождения .

Благодаря исследованиям [i, 67,71,82,102,109,110,115,11б] имеется значительное количество данных по содержанию летучих компонентов в вулканических стеклах из различных тектоно-структурных зон океана: срединно-океанических хребтов, островов, островных дуг, котловин окраинных морей, рифтовой системы Красного моря (табл. 22). Большинство использованных стекол представляет собой краевые части подушечных лав подводного излияния с наиболее благоприятными условиями быстрой закалки расплавов.

Содержание HgO и COg в магматических расплавах в момент закалки зависит от ряда факторов: I) общего давления, созда

Содержание HgO и COg в стеклах магматических пород

Глубина |Концентрация, | пп

Район

Тип породы отбора, м масс S г н20 I со,

Метод оценки

Библиография Диссертация по геологии, кандидата геолого-минералогических наук, Шилобреева, Светлана Николаевна, Москва

1. Г; Срединно-Атланти-ческий хребет2. То же3.4. 5* 6,

2. Срединно-Атлантиче-ский хребет8» То же

3. Сре динно-Атлан ти-ческий хребет

4. Низкокалиевый то-леитовый базальт1. То жеи в1. То жем71:1. Щ 102.iм сг>t1.12I31 410, Срединно-Атлантиче- Толеитовый 2690 ский хребет базальт1.* Срединно-Атланти- 2730 ческий хребет

5. Хребет Рейкьянес Толеитовый 930базальт 1025

6. Хребет Колбенсей То же П001200

7. Хребет П.Ривера -"- 1400-(Тихий океан) 1700

8. Поднятие Эксшгорер 2300-(Тихий океан) 2500

9. Восточно Тихоокеан- 1570-ское поднятие 2020

10. Хребет Хуан де Фука (Тихий океан) Толеитовый базальт 2300-240020. —и— 2400-2600

11. Гавайские острова, Килауэа 296022. То же 342023. 397024. 468025. tt 5000

12. II mm mm Толеитовый базальт 4932 94$ стекла27. tt 89,4$ стекла 140028. — 86,4$ стекла 259029.. tt стекло,кромка 342030. tt 81,4$ стекла 4680

13. Марианский трог Оливин-авгитовый базальт 3900 . * 0,898 0,268 *

14. То же То же 34655515 1,065 0,188

15. Тыловой бассейн моря Скоша Толеитовый базальт 3290 * 0,831 0,232

16. То же То же 2516 0,945 0,16739. 2250 2,042 0,187

17. Осевая зона Красного моря Низкокалиевый базальт 1600 0,26 Не опр

18. То же То № 1430 0,12 То же42. 14101500 0,3443. п mm «и» 1670 0,1644. 1500 0,25 —45. If 16001500 0,251. Пш II18 82.82.82.ш.lI5 115Й