Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Зональность и условия образования метасоматических пород

ВАК РФ 04.00.08, Петрография, вулканология

Автореферат диссертации по теме "Зональность и условия образования метасоматических пород"

УЭТ Г о'Г^енч£

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М. В. ЛОМОНОСОВА

//¿У

ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ ' У)

---<3

На правах рукописи

ЗАРАЙСКИЙ Георгий Павлович

удк 553.22:550.89

ЗОНАЛЬНОСТЬ И УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ МЕТАСОМАТИЧЕСКИХ ПОРОД

Специальность 04.00,08 — петрография, вулканология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук

Черноголовка 1990

Работа выполнена в Институте экспериментальной минералогии АН СССР.

Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук, профессор Л. Л. Перчук

(ИЭМ АН СССР), доктор геолого-минералогических нук, профессор И. П. Щербань (Киевский государственный университет), доктор геолого-минералогических наук А. А. Пэк (ИГЕМ АН СССР)

Ведущая организация:

Институт геохимии и аналитической химии АН СССР (ГЕОХИ АН СССР)

Защита состоится „_"_____1990 г. в----час.

на заседании специализированного Совета Д.053.05.26 по петрографии и вулканологии, геологии, поискам и разведке рудных и нерудных месторождений, минералогии при МГУ им. М. В. Ломоносова по адресу: 119899, Москва, Ленинские горы, МГУ, геологический факультет, аудитория 415.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке геологического факультета МГУ.

Автореферат разделан с_»______ 1990 г.

Ученый секретарь специализированного Совета, кандидат

геолого-минералогических наук Ф. П. Чернуха

© Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы определяется важнейшей ролью метасоматизма в процессах эндогенного рудообразования и необходимостью более глубокой количественной характеристики физико-хлмяческих параметров этих процессов для построения количественных моделей рудообразуадих систем -научной основы прогнозов и поисков рудных месторовдений.

Цель работы - определение физико-химических условий образования метасоматичоских пород и рассмотрение теоретических проблем метасоматической зональности о помощью экспериментального моделирования.

Задачи доследованийг 3) разработка нового направления - экспериментального моделирования метасоматизма -создание комплекса экспериментальных установок для воспроизведет!! диффузионного и инфильгратонного метасоматоза, разработка методики получения а исследования зональных метасоматпческих колонок, создание ново!} аппаратуры и методов для изучения гидротермального транспорта компонентов в пористых- средах; ¿) экспериментальное воспроизведение главных типов бколоруднах мегасоматическпх пород, определение физшсо-хшических условий их образования по Т, Р, составу порода, раствора, кислотности, активности компонентов и другим параметрам; 3}' изучение закономерностей метасоматичеокой зональности как явления, оценка роли равновесных и кинетических соотношений при образования экспериментальных метасоматичоских колонок, разработка численной модели мвтасоматической зональности; 4) определение коэффициентов диффузии породообразующих компонентов в поровых растворах горных пород при гидротерлалъшх условиях; 5) исследование инфильтрационного гидротермального транспорта и влияние Р-Т условий на транспортные характеристики горных пород; 6) использование полученных экспериментальных и расчетных данных для развития теории метасоматических процессов»

Новизна я научная значимость работы заключается е ра^витци .нрвогр, направления - ^рпешталдят дования метасоматизма". Впервые разработана комплексная методика экспериментального изучения метасоматических явлений, с помощью которой последовательно рассмотрены фундаментальные проблемы метасоматизма, охватывающие вопросы происхождения минерального состава , физико-химических условий образования, зональности и динамики формирования матесоматических пород, исследованы процессы гидротермального транспорта при метасоматизме. Полученные принципиально новые экспериментальные данные о метэ соматизме способствуют дальнейшему развитию теории мета соматических процессов» Выполненные исследования не име ют аналогов в геологической науке.

Практическое значение результатов диссертации опрс деляегся:

- возможностью количественной и качественной интерпрет; цш условий образования всех главных типов метасомат: чееккх пород на основе полученных экспериментальных данных;

- возможностью практического применения расчетов по пр ложенным моделям метзеоматической.зональности и тепл вого разуплотнения пород для решения геологических дач;. . .

- возможностью использования полученных количественны* . оценок.физико-химических и динамических параметров и

тасоматизма в численшх моделях образования рудных л (¡торовдений, создание которых является настоятельна требованием времени.

ф

Внедрение. Разработанная Методика эксперименталы го исследования метасоматизма используется й ряде нау них и учебных институтов, в частности, в Московском У) верситете, Криворожском горно-рудном институте, Геоло; Ческих институтах Бурятского и Коми филиалов АН СССР, Московском геолого-разЕедочном институте и др.

2 ■••••.:••..'

Материала к основные положений диссертации включены в лекционный курс ".Метасоматизм", читающийся автором о 1983 года студентам У куроа кафедры петрографии МГУ.

Основные защищаемые положения

1. Развито новое направление - "Экспериментальное ис-

и: создана аппаратура и разработана комплексная методика для изучения диффузионного, инфильтра-циониого метасоматоза и гидротермального транспорта в перовых растворах горных пород; показано, что с помощью метода прямого моделирования можно адекватно воспроизводить практически любые природные метасоматяты» их минеральный и химический сойтав, зональную структуру, определять равновесие и динамические характеристики метасоматическях процессов.

2. Впервые экспериментально воспроизведены зональные метасоматические колонки, моделируяг'в все главные типы околорудного метасоматоза: грейзены, вторичные кварцита, кварц-полевошпатоше, кварц-серицитовые, кварц-турмалиновые мета-соматитн, пропиляты, березиты, гумбеиты, аргиллизнта, щелочные зльбитита, эгирин-рибекитовые апогравдты, известковые и магнезиальные скарш. Количественно определены условия их образования по Т, Р, Рс0_ , f0, рН, ай]К и другим параметрам. 2 2 ■*■'■'

3. Для образования топазовых грейзенов необходимо воздействие кислых фторпдных растворов ( > г0~3ш Iff при 400°С и >ffl? при 500°С) о высоко« концентрацией глинозема

С >5-10*"4п SAI) и низкой активноетыо калия ( < Ю~2 и KF).

- формирование березитов требует повышенного содержания С02 во флюиде (X^q > 0,05) и происходит в.присутствии умеренно кислых растворов в сравнительно узком температурном диапазоне ¿50-350°С.

- Лльбитовао и эпидотовые пропилиты' фиксируют пограничную область между формациями кислотного и щелочного Метасоматоза, формируются в близнейтральйых условиях.

3

- Для образования щелочных эгирин-рибекитовых альбити-тов благоприятен температурный интервал 350-450°С и воздействие существенно натриевых щелочных растворов, имеющих величину рНрд > 6,6-6,5.

- Обязательное условие формирования известковых биме-тасоматических скарнов - участив близнейтралышх или слабокислых хлоридных растворов типа МаС], КС1, СаС12, ЫвС12; оптимальный диапазон температур - 500-700°С.

- Еиметасоматические магнезиальные скарны образуются на контакте алшосиликатиых пород с доломитами при Т = 600-850°С и воздействии блязнейтралъных- и щелочных растворов типа НаС1, КС1, Пар, кр, На2С03, НаОН.КОН; глиноэеысодержа-щие экзоскарны появляются только в высокотемпературных условиях (>800°С).

.4. Тип метасоматического процесса зависит от многих физико-химических параметров, совместное воздействие которых находит интегральное выражение в режима подвижности компонентов, при атом из всех факторов ^имущественное значение имеет величина рН воздействующего раствора:

- в кислых и близнейтральных условиях обобщенный ряд подвижно с т и близок к ряду ионизации элементов по катионно-му типу: К , Ма, Са, Щ, Ре, 51, А1, 11} •

- при^шолоч1Юм_^лотасомол'оз9 увеличивается подвижность .31' я А1 по отношению к двухвалентным металлам: к , Не , в! , А1, Са, Ме, Ра, II; в условиях максимальной щелочнос-1а ряд претерпевает частичную инверсию: ба, А1, та, к , На,

Са , , Ро ;

алюминий обычно сохраняющий высокую инертность, приобретает подвижность в специфических условиях: в кислых фторидных растворах ( > 10"2ш Н?), при высокой щелочности (рНрд > 8), при высокой температуре ( ^ 800°С);

. - максимально возможный диапазон вариации кислотности-щелочности растворов при метасоматизме, по-видимому, составляет около -6 единиц рНр ^ - от 2,5 для андалузитодах вторичных кварцитов до 8,5 для содамтовнх ттасоматятов,

4

6. Разработана наиболее общая г?акроквкетическая модель мвгасоматячеосо^зональности, -основанная на использования схем обратимых химических реакций, предельным случаем которой является локально-равновесная модель Д.С.Коржянского. Расчета по модели показывают, что на ранних стадиях развития колонки ее строение во многом определяется кинетическими соотношениями, однако с течением времени структура любой колонки асспмптотически приближается "К локально-равновесному виду- Экспериментальные колонки, полученные при Т > 400°С, близка к локально-равновесным.

6. Впервые экспериментально измерены коэффициенты диффузии KCl," jjaai, СаС12, ívfeClg, PeCl2, AWl-j, Ha2siO^ в поровшс растворах при Т = 250-500°С и Р = 1,0 кбар, величины которых в пересчете на раствор составляют при 250°С от 1,4-Ю_4см /с у sicij до <¡, I •Ю-4 см^/с у KCl и возрастают с температурой да (2,0-5,0)"Ю-4 см^/о. Таким образом коэффициент!! диффузии породообразующих компонентов различаются между собой нр болео, чем в 1,5-2,5 раза п в условиях гидротермального минералсобразования все лежат в пределах (1,4-5,0) • 10 ci

7, Обнаружено и всесторонне исследовано неизвестное ранее явление значительного увеличения проницаемости горних пород при нагревании. Эффект обусловлен анизотропией теплового расширения минералов, приводящей к образованию связанной сети микротрещин по границам минеральных зерен. В условиях равенства или небольшого превышения литосгатячесйого давления над флюидным тепловое разуплотнение в диапазоне от 200 до 6СС°С монет приводить к увеличению проницаемости практически непроницаемых Пород (< 10~5 мД) на 3-5 порядков и обеспечивать инфильтрациошшй транспорт флюидов сквозь породу по межзерношм грэшшом. .В этих условиях фронт распространения ш£фильгравдю1шого метасоматоза -Судет опережать диффузионный Фронт при длительности процесса долее 10 Лет. .

5

Фактический материал ц методы исследование Диссертация представляет итог шоголетких работ автора в Института экспериментальной минералогии АН СССР (1966-1989 г.р.) но научно-исследовательской тематике, несведённой экспериментальному исследованию метасоматизма, руководителем которой он является. Применявшиеся экспериментальные метода прямого моделирования, исследования минеральных равновесий, растворимости, диффузионного я инфияьтрациошюго транспорта, теплового разуплотнения пород, измерения проницаемости; при Р-Т условиях метасогдатических процесерв были разработаны и усовершенствованы за эти года, Вс<эго выиолцено около 1500 экспериментов большая часть которих посвящена моделированию ыетасоматнчес-кой зональности, Экспериментальные наследования сопровождались тершданаьшчеошш расчетами и численным моделированием на ЭВМ. При геологической интерпретации пс чученннх результатов автору помогал личный опыт знакомства с околорудными изменениями пород на 75 месторождениях различных типов Урала, Северного Кавказа, Закавказья, Средней Азии, Казахстана, Ук-<раины, Карелин, Забайкалья, Камчатки, Курильских островов, Болгарии, Югославии и Корнуолла, посещавшихся в разные года.

Публикации к апробация работы. Основные защищаемые положения диссертации изложены более чем в 60 опубликованных •работах, в том числе в 3-х монографиях. Результаты .работы докладывались на 6 Международных и 17 Всесоюзных конгрессах: сш$лозиумах, конферешщях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введО' кия, двух частей (десяти глав) и заключения. Она содержит

машинописных страниц текста, 137 рисунков и фотографий,. 45 таблиц и список библиографии из 268 наименований.

Благодарности. Большой объем экспериментов* расчетов и теоретических исследований, положенных в основу диссертации выполнен совместно с коллегами автора до работе, сотрудника ми лаборатории метасоматизма ИЭЙ АН СССР 8.Н.Балашовым, Ю,Б Шаповаловым, Ф.М.СтояновскоЙ, Е.В.Рядчиковой, Ю.Б.Соболевой С,В.Зоновым и сотрудниками' других организаций М.И.Лебедевой ' , . . 6:

В,Д.Евтеховым, О.К.Валеезым, А.Н.Нерцевым. На протяжении Boeíí работы в н^й принимал непосредственное участие и ока— завал всестороннюю*) поддержку В.А.&ариков* Без творческого содействия названных коллег по работа проведение представленного исследования в полном объеме было бы невозможным. Технически эксперименты обеспечивали В.П.Абрамов, А.А.Буд-кин, В.И.Ткаченко и другие. Химические анализы выполнены в лаборатории физических и-химических.методов ИЭМ АН СССР под руководством В.И.Тихомировой, рентгеновские - под руководством А.В.Чичагова. Анализы на микрозонде выполнены автором при техническом обеспечении И.М.Романенко, Г.А.Мищенчук, К.В.Вана, В.С.Воронова. По различнгш вопросам автор пользовался содействием и консультациями Ю.В.Алехина, О.Н.Беляев-ской, В.Г.Боголепова, И.Велинова, В.А.Карикова, Н.Г.Зиновьевой, В.К.Зырянова, И.П.Иванова, Д.С.Коржинского, М.Ю.Коро-таевэ, И.В.ЛаПутиной, А.А.Марокущева, Г.Н.Назьшэой, Б ЛЬ • Омельяненко, И.Т.Расе, В.И.Старостина, Ю.С.Шалаева. Всем им, а также многим другим лицам, опобоботвс завит выполнению работы, автор выражает глубокую признательность.

Необходимо особо отметить, что постановка задачи и методикй проведения исследований стимулированы научными идеями Д.С.КоржИнского. Его глубокая заинтересованность и внимание к работе оказывали неоценимую поддержку автору. ' В автореферате используется следующие обозначения ми-неролов: Аша - щелочной амфйбол, АЬ - альбит, - эгирип, .Am - а?.трибол, An - анортит. Апс - анальцим, And - зндалу-зит, Ank - анкерит, Bi - биотит, Вгс - брусит, Bra -брей. корит, свп - канкринит, Со - кальцит, Chi - хлорит,. СР* -клинопироксон, Crd - кордяериг, Dol - ДОЛОМИТ, Bp - ЭПИЛОГ, Fc-Bi - тетраферрибиотит, ?1 - флюорит, W.1 - флю-еллит, Fo - форстерит, Or - гранат ряда гробсуляр-андрэ-дат, К1 - каа!шнйт, Кар - калиевый полевой шпат,. мелилит, Ма -мусковит, tót -магнетит, Mto- монтичел- ' ЛЯП, Наг'-нарспрсукят, Per - перпклаз, - пэрагонит, ! ЗРЫ - флогопит, W - плагиоклаз, - пирофиллит, Fy- пирит, Q- кварц, ser- серицит, sod- содалит,, sjü-шпинель, íric-тальк, ' Tu- турмалин, Тг- топаз, wo - йоллаетонит, x-And-x-. андалузит, zo- цоизит, Я - пустота. |

V7' - ' ■ ; .

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ВВДШЖ

Более 30 лет в геологической науке и практике с позиций теории метасоматической зональности Д.С.Коржинского (1951, 1953,1969) ведется успешное изучение метасоматических пород как важнейших индикаторов эндогенного рудообразования. В теоретическом аспекте научные идеи Д.С.Коржинското получили наиболее последовательное развитие в трудах В.А.Зйршсова (1959,1968,1982). В 70-х и 80-х годах появились численные модели метасоматической зональности IKrantz, Мао, I9?6,i979í Lichtner,l3S5f Балашов и др., 1985,1987,1989). Для определения физшсо-хишгческйх условий формирования метасоматических , пород большое значение имеют экспериментальные исследования минеральных равновесий в открытых системах (Hemley, T959t Жариков и др., 1972; Иванов, 1970; Johannes, 1969? buoe et al. ' 1985;Prantzr- Popp, 1979 ; Шаповалов, 1988 и др.). Вместе с тем дая количественной характеристики такого сложного явления как метасоматизм недостаточно установления пределов стабильности соответствующих минеральных ассоциаций. Необходимо выявление условий -образования типовых колонок, характеризующих принципиальную метасоматпческую зональность основных генетических типов околорудных метасоматических порсц. Однако работы по экспериментальному моделированию метасоматической зональности долгое время оставались эпизодэтесккцп (Ольшанский, Брусиловский, 1958; Иванов, 1961,1962*; Winkler, Johannes , 1963; Казицын к др., 1967; Vidale , 1969; Шарапов и др., 1973; Ildeíonoe, Gabie , 1976 и др.). Boato, что с по-мощыо метода экспериментального моделирования метасоматичес-кпй процесс может быть рассмотрен в .развитая. Это в принципе позволяет получать необходимую геологам динамическую информацию, недоступную для других методов. Имеются в виду данные о скоростях разрастания метасоматических колонок, рядах подвижности компонентов, коэффициентах диффузии, константах скоростей метасоматических реакций, закономерностях миграции вещества в твердых фазах и в поровом флюиде на протяжении зональной толойкп и др..

В •

В настоящей работе впервые предпринята попытка систематического исследования зональности и физико-химических условий образовакия метасоматичвских пород с помощью экспв-рпмантального моделирования. С целью повышения недежности результатов динамические эксперименты дополнялись равновесными, сопровождались термодинамическими расчетами и контролировались всей совокупностью известных данных по минеральным равновесиям и процессам гидротермального транспорта.

ЧАСТЬ Г

ЗКШЕЖШТАЛЩЖ ШДЕШЕРОВАНЙЕ ОКОЛОРУДНОГО МЕТАСОМАТИЗМ ■

глава I. МЕГОДОКЛ аКОШГОШТАДЬНОП) ШДШР0ВА1ЖЯ МШ<ЮЩШВСКИХ ПГОЦБССОВ

Все эксперименты по диффузпошюму и пнфильтрационному метасоматозу выполнены с помощью разработанной автором тто-дтси прямого моделирования метасоматической зональности на специально созданной аппаратура, В качестве исходных материалов в экспериментах использовали реальные горные порода, . ране минерал!!, их смеси или химические реактивы. Концентрацию растворов изменяли о» Ю"5 до 5,0 моль/кг Н20, чаще использовали концентрации от Ю~3 до 1,0 т. Исследованный- температурный диапазон отвечал главным образом'средне- и высокотемпературным метаооматичбекиад процессам (300-600°С). Меньшее число опытов проведено при более яи-ких (200-300°С) или более высоких <600-900°С) температурах. Основной.объем экспериментов выполнен при давлении 1,0 кбар, отдельные опыты в пределах 0,2-5,0 кбзр.

Д№>узпонш{! метасоматоз. Принципиальной особенностью методики являлось моделирование откцгеой системы с вполне подвижными компонентами {ВПК) по Д.С.Корзпшсксму. Это обеспечивалось использованием ¡3 качестве источника ВПК большого объеьга•воздействующего'на породу раствора. Соотношение внешний раетбор/ворода составило около 100 по массе при соотпо-ионии поровнй раствор/порода около 0,1. Горные порода измельчали (<0,07 ил) и плотно набивали в золотые или плаз1и-- 9

новые пробирки диаметром 5 и длиной 50 мм, Пористость уплотненного порошка порода составляла в среднем '¿0%. В экслери--ментах по биметасоыатозу нижняя часть пробирки заполнялась одной породой, например, карбонатной, а верхняя - другой (алшосиликатной). Контакт маркировали платиновой меткой.

Заполненную породой отнятую пробирку помещали вертикально в герлезгчшй автоклавный вкладыш из титанового сплава ВТ-8 объемом 150 см^, куда заливали воздействующий раствор, при необходимости вводили кислородные и другие буферы, измельченный кварц [q] для насыщения раствора кремнеземом,а также другие компоненты (твердую углекислоту, серу и пр.) в зависимости от условий опытов. В опытах с фторидными растворами применяли вкладыши футорироващще золотом. В процессе опыта раствор взаимодействовал с породой диффузионным путем через открытое отверстие пробирки. Максимальная погрешность задания давления;около 10%, точность задания и контроля температуры +5°С. Высокотемпературные эксперименты (>GOO°C по моделированию скарнообразования проводили на экзеклзвных ус--тановках УВД-ЮООО М и в газовых бомбах.

Шшильтращюшшй метасоматоз моделировали на', специально созданных установках, позволящих осуществлять проток раствора через измельченную или массивную породу, уплотненную в золотой трубке. Скорость движения раствора в поролом пространстве породы составляла си/с. Параметр работы .установок до 700°С и 1,5 кбар, реяим фильтрация раствора автоматический в течение 10 сут. и более. Основной объем ' экспериментов выполнен по диффузионной методике, число ив-фильтрациоиных опытов было ограниченным.

- .Анализ результатов. Все главные, тиш ■ экспериментальных метасоматических колонок исследованы на микрозонде "Cametax с полупроводниковым детектором. С целью сохранения структур колонку предварительно цементировав циакрином ( с6НуИ02 ), затем разрезали вдоль тонкой ашазяой пилой, При анализе на микрозонде одновременно определяли 9 породообразующих элементов, Na, Mg, Al, si, К, Ca, Ti, Mn, Fe , а также 01 . >

Ъгрешность анализа +1-5 очи.%. Наряду с обычным точечным анализом минералов, использовали валовой анализ состава методом сканирования по профилям. Электронный зонд при этом эставался локальным и неподвижным, а образец под ним переедали с равномерной скоростью около 6 мм/мин в течение времени накопления спектра 70 или 10О секунд. Такой способ анализа позволял определять абсолютные количества компонентов в единице объема, что необходимо для корректной оценки • привноса-выноса вещества при метасоматозе. Отклонение суммы окислов от 100^ примерно соответствует объемной доле порового пространства (по сравнению с массивным эталоном).

Регулярными массовыми методами исследования фазового состава метасоматических зон всех экспериментальных колонок были оптическая микроскопия (в иммерсионных препаратах) и рентгеновская дифрактометрия {метод порошка). В отдельных случаях приняли рентгенометрическое определенно параметров элементарной ячейки, Ш-спектроскопию. Традиционные хи-микоаналятическио методы использовали для анализа растворов после опытов я определения состава исходных пород п минералов. Измерения рН растворов проводили систематически до я поело опытов на приборе "НайеИЛв 01-205" в стеклянных т~ Кроячейках с точностью +0,05.

Глава' 2. ЭКШШМШЛЛЬИОЕ ШДЕЛИРОВАНИЕ КИСЛОТНОГО МЕТАСОг/АТОЗА ПОД ДЕЙСТВИЕМ ХЛОРЩЦШ РАСТВОРОВ

■ Продукты кислотного метасоматоза наиболее широко распространены. в качестве околорудаю измененных порол на эндогс.'.нпх месторождениях. Б.А.Харйковнм (198.2) выделяется 10 главных околорудянх метасомэтпческпх формаций кислотного выщелачивания; I) кварц-полевошпатовце метэсоматитм; 2) грейзеш; 3) вторичные кварциты; 4) кварц-турмалиноше метасоматиты; 5) кварц-лолевогапат~амфибол(хлорит)-эгшдото-вые метэ.соматит«;- б) пропялитн ; 7) кварц-серяцитовчэ метасоматиты; 8) гумбеяты; 9) березитц; 10) аргиллизиты. Последовательность перечисления форлаций в общих чертах соответствует понижению температуры их образования, В химическом

IX

отношении процессы кислотного метасоматоза во многом определяются реакциями гццролиза-эквивалентного обмена катио-• нов породы на ионы водорода, поступающие из раствора. Анионная и катонная специфики раствора также оказывают существенное влияние на тип образующихся штасоматйческих пород. Моделировании кислотного метасоматоза а хлорядшх растворах уделялось наибольшее внимание, поскольку хлорида являются главными составляющими гидротермальных флюидов.

Раствора систеш Н^О-НОТ + [0]. Воздействие растворов соляной кислоты на горние породи может рассматриваться как краршИ случай кислотного-выщелачивания в чистом виде. В •¿■хих условиях из породи в раствор выносятся все породообразующие компонента, но в различной степени'в соответствии с • их дифференциальной подвшяоетьга, На рисЛ. изображена, схема строения экспериментальной колош«! диффузионного кислотного метасоматоза биотитового гранита при Т-400°С. К раствору добавляли тонкоизмельченний кварц дня. насыщения кремнеземом, как это характерно для природных условий. Справа за двойной •чертой условно показан исходный гранит, не сохранившийся в пробирке после опыта. Количественные соотношения модду мине. ралами получены посредством пересчета.валового состава зон, определенного сканированием на мжрозонде. (табл.1)

РясД, Строение экспериментальной диффузионной колонки кис- .'. лотного шщелачивапЕ: бяотитового гранита (Т-400°С, Р=1 кбар, . раствор 0,1 ÍÍCI + £QJ , t = 330 ч>-'

На рис.! содержание минералов приведено к £00$. Доля порово-го пространства(колеблется от <¿8 до 40$ и может быть оценена в каздой зоне по разности между 100% и суммой окислов, указанной в соответствующей строке табл.1.

Таблица 1. Химический состав (мае./5) метасоматических зон экспериментальной диффузионной колонки (см.рис Л)

а зоны Минеральный состав Si0g.jn02 I PeO MgO CaO Ka20 K20 Сумма

1 Q-fPrX 1 ■ 48,4! 0,2 10,6 0,1 0,0 0, 1 0,2 0,2 59,9

2 Q+Md* Prl 45,7j 0,2 10,6 0,6 0,0 0,3 &,3 1,5 59,4

3 Q+PX+M3+ Ei 49»9 0,4 10,2 2,3 1,0 1,0 1,4 2,T 69,0

4 Q+Pl+Kap+ 1 - 72,3

Bi+Из 53,2 0,3 10,2 1.4 0,7 1,0 2,b 2,9

5 Q+Pl+Kap+Bl 50,7; 0,3 10,1 1,3 0,7 0,9 2,5 3,3 69,9

0 81- Гранит >_• 49,71 H.a, 10,2 1,4; 0,9 Л . . 4 1* г 2,9 3,0 69,4

В таблице 2 приведены данные по выносу катионов гранита во внешний раствор при образовании рассматриваемой метасомати-ческой колонки.

Таблица 2. Результаты анализа раствора после опыта по кислотному метасоматозу Оиотитового гранита (см.рис.1)

—------ -------------- Ком-гы Si ] Ti AI Fe Mg Ca Ka К pä

-lg m 1,4ВО|Н.обН. j < 4.335 3,516|3,386 2,904 2,216 2,478 1,24

При Т-=300°С в тыловой зоне колонки (X) вместо пирофиллита развивается каолинит, а при 500°С - х-эндалузит (фаза более богатая глиноземом, чем стехиомотрический андалузит). В тех ошпах, где исходный раствор 0,1 и HCl ие насыщали кремнеземом, кварц исчезал из тыловой части колонки» а пирофиллит,-каолинит или х-андалузит сохранялись. Последовательность заметания: полсвао шпата, биотит-> мусковит > пиро- .

уиллит (KI, x-Aiwt) сохраняется при движении от передовых зон

колонки к тыловым при всех температурах. Она отражает усиление степени кислотного метасоматоза и совпадает со сменой стабильности этих минералов по мере возрастания кислотности . раствора.

■ 8 исследованных условиях ряд дифференциальной подвинно-. оти компонентов: .

■ К,'«6, Ре, На, Са, 81, А2, М. ■

• С повышением температуры отмечается уменьшение подвижности ?е и относительно щелочей, связанное о возрастанием устойчивости биотита.

• Растворы системы Е^0-НС1-КС1+[<5] , Проведены две серии опытов при Т-400 и 500°С в растворах о переменным отношением 1аКС1/тКС1 , изменявшимся в широких пределах от ОД до 300.

• Исходной породой служил биотитовый гранит. Колонки, образующиеся в условиях низкой концентрации калия (величина отноше-

• ния.. Чо1^пно'з.<5 ПРИ 500°С и < 15 при 400°С) , мало отличаются от полученных в растворах 1101 без калия. Новый тип зональ-

• ности возникает при превышении указанных значений (рис.2).0т-'. личин не ограничивается появлением кварц-мусковитовой тыловой

зона. В средних и передовых зонах они выражаются в заметном увеличении количества калиевого полевого шпата: и раннем исчезновении плагиоклаза, В ряду подвижности .калий приобретает большую инертность, чем На, Са, % и Ре. Дальнейшее увеличение отношения \с1^тнС1 в растворе (> 200 при 400сС) пршодич I г з 4 5 о

Риб. 2. Строение экспериментальной диффузионной колонки хго-лотяого калиевого метасоматоза биотитового граням (Т=400°С, ,Р=1,Р кбар, ряствор 1,0и»КС1+0,05Я)НС1+ Ш , *=500 ч.)

к исчезновению мусковита я образованию колонок о e+Ksp тыловой зоной. Зависимость фазового состава тыловых зон экспериментальных колонок от величины оч-ношекия "^i^hci в воздействующем растворе находится в хорошем соответствии с известными экспериментальными данными по минеральным равновесиям в систбме K2o-Al203-si02.HgO-HOicHamiey , 1959} Иванов, 1970; Зарайский и др., 1981).

■ Растворы системы HgO-HCI-Ü аС 1+ f Q j . Сильнокислые Na-содержащие растворы типа 1,0 m 14aüi+0,I m HCI+[ q] оказывают на гранит почти такое же воздействие как и растворы одной HCl, В этих случаях определяющую роль в характере возникающей зональности играет высокая кислотность, а не наличие или отсутствие натрия. В зависимости от.температуры тыловые зоны таюга колонок имеют q+ki ,q+fti шш: q-x-And состав. В средних я передовых зонах происходит мусковитизация гранита, но при этом кусковит развивается преимущественно, по Кар, а не до PI, как это происходит в растворах HCl или HCI+4CI (см.рис,I и 2). При воздействии умереннокислых растворов о различной концентрацией На (от 0,Olm до 5,от NaCI) вое минералы гранита, кроме кварца, альбитизирушся. Альбитом в первую отередь замещается КаР , затем Bi t а большинство зерен исходного олжоглаэа сохраняется в виде.реликтов даже в тыловой Q+аъ зоне,.

Воздействие близнейтральных и слабокислых натриевых рас--. таоров на гранодиорит при Т=300-500°С, Р=Г,0 кбар приводит к образованию колонок тина альбитовых пропилитов, тнловая зона которых сложена парагенезисом Ab+Chi+Am+Zo (раотвор ненасыщен si02 ). По мере увеличения кислотности из состава 4-х минерального парагенезиса тыловой зоны последовательно исчезают Ая , Zo, Ab . Наиболее устойчивым оказывается Chi .который в умеренно кислых натриевых растворах ассоциирует с парагонитом, ä в кислых - с KI, Prl илй *-And . В условиях -высокой кислотности хлорит исчезает и таловая зона оказыва-етоя сложенной одним И. , Prl или x-And . (в зависимости от температуры). При насыщении кремнеземом к ним добавляется кварц. .

Растворы системы H^O-HGr-GaGI^i [с] . Установлено, что

тля образования по гранодиориту колонок типа эпидоговых прошиштов необходимо воздействие близнейтралышх и умеренно кислых Са-содериавдх хло] .¡дша растворов о отношением '"caci../ ИНС1 ^ 100• Получены экспериментальные колонки, соответствующие хлорит-эхшдотовой (при 300°С) и амфибол-зпидотовой (при Б00°С) фациям пропилитов. Жадеэистость эпидота увеличивается с поникенкам температуры от EPjq до Epg?- Развитию эпидота препятствует высокая .активность как кальция (образуется основной плагиоклаз), так и натрия (образуется альбит с мел -ними включениями почти безжелезистого доизита), С повышением температуры от 300 до 500°С условия для образования эпидота ухудшаются.

Влияние катионного состава раствора на характер преобразования породы при кислотном метасоматозе отражено на треугольной диаграмме составов (рнс.З). K*Ks Рис. 3. Тренда измене-

ния состава зон экспериментальных давдузион-иых колонок при кислотном метасоматозе с различной катионвой спецификой: .

I - раствор 0,1m HCl

II - 0ДтКС:+0,1отНС1 Ш— I.OBiMaCI+O.ImHCI ГУ- 0,ImCaCIj>+IO"wflCI

Т=400°С, Р=1,0кбар+Г<г]

ИнсЬильтранионный кислотный метасоматоз. В качестве примера приведем экспериментальную колонку высокотемпературного кислотного метасоматоза биотитбвого гранита, полученную в результата медленной.фильтрации (v=*>,6 смэАас) раствора 1,0л KCl + 0,05 m KCl через порошок гранита, уплотненный в платиновой трубке (рцпА). Графики распределения концентраций по; ■■ 16.

Мае 7. 60

50

I

I

I 30

■I

| 20 «

1 0

14 , 12 10 8 6 4

г

о

я—*—я-

_/1

ДХ--х- " , , д__ .

/ —

*—к.

К,0

\

Рио.4. йнфильтрациошюя колоши, кислотного метасоматоза В1-граняга (Т=500°С, Р=0,8 кбар, * = 144 ч.) .

родообразуищ* компонентов построена по данным сканировали." на шжрозонде по поперечным профилям. Незаштрихованная- иле -щадь соответствует доле пористости (П). Обратим внимание,чте в самой тыловой зоне (I) имеет место полное раотворешю гранита о образованием густоты на интервале от 0 до 0,3 мм..

Следую дая за ней зона мокоминералъного мусковита (2) обладает высокой пористостью (70 об %), но отделяется от полной пустс резкой границей. Процесс мегасоматячесхого преобразования граната выражается в сильной калшпатизации порода в передовой чаем колонкг (зоны 4, 5) и мусковятизации в тыловых зонах (2,3). Полный вынос кварца до глубины 5,7 мм связан с отсутствием в . исходном растворе. Наибольшей инертностью, как и при диффузионном метасоматозе, обладает глинозем, сохраняющий свою массу на протяжении всей колонки за исключением зоны полного растворения (I). Масса калия» привносимого раствором, является зависимой от массы глинозема и -менявдейся по колонке величины отношения , определяющей устойчивость мв шш Кар . Показательно обогащение "перемещенным инертным компонентом" А1г03 зон (2) у (3). ' '

■ Глава 3. КИСЛОТНЫЙ МЕТАСОМАТОЗ ВО Ф ТОШНЫХ РАСТВОРАХ

Воздействие кислых Р -содержащих растворов наибодее характерно для процессов грейзенообразования.

Условия стабильности топаза. Воспроизведению грейзено-вых колонок кварц-топазовой фации уделялось особое внимание, До недавнего времени условия стабильности топаза оставались неизученными. В последние года Ю.Б.Шаповаловым и наш (Зарайский и др., 1986) получены первые экспериментальные данные по минеральным равновесиям топаза в модельней алшоси-Л1 :атной системе к2о-А12о3-б1о2-н2О-КР (рис.5). Установлено, что образование топаза требует довольно высокой концентрации к| ^^идрот^ , С повышением температуры поле топаза перемещается вверх ио оси ординат и,сужается за счет более сильного смещения нижней гр; нищ. . '

. Моделирование грейзеновой зональности. Специфика «$т ридпой оистемы по сравнению с хлоридной состоит в значител ном увеличении.растворимости по только кремнезема, но я гл нозема,.. В результате'при воздействии растворов ИР раалаге ся алшосиликэтннй каркас порода, а освободившиеся компоне ад выносятся или частично связываются во фторида. Колонка,

г! ." ■'■'.'.'■•'■• 18

iswhp

Рио.5. Поля стабильности топаза и других минералов в системе К20-А1203-ЗЮ2-Н20-да на диаграмме Шур -1в Пку при Т = 400°С, Р=1,Окбар и избытка кварца

соответствующие грейзенам кварц-топазовой йации. удалось получить при насыщении кислого фторвдного раствора кремнеземом и глиноземом (Т=500°С, Р=1,0 кбар, раствор 1,0 т НР + [Л1г0.^, г « 336 ч.):

^ Q+Ta Q + Ма Q + Квр Q+Ksp <3+Квр+АЬ + Лейко-

+ ра + ?1 + Ms+Pl + BÍ + Р1 гранит

О 3,0 4,1 7,2 '12,1. 25|0^м

Введение в раствор небольших концентраций КР (>I0~^m) приводит к образованию газарц-мусковйтовой тыловой зоны вместо кварц-топазовой. Строение остальной части колонки остается идентичным. Такая зональность, отвечающая грейзенам кваш-. мусковитовой фации, получена во всем изученном температурном диапазоне 300-600°С. Дальнейшее увеличение концентрации К? С > Ю"2m ) вызывает появление в тыловой зоне парагенезиса Q+Kap+Bi . ' . "

Кварцевые Етейзета. Диффузионные колонки, соответствующие этой фации грейзенов, могут быть получены во фторидных . растворах только при условии касыщения последних sio2 'и ие-яасшцении ai2o3 (Т=600°С, Р=1,0 кбар,t =зз& ч..раствор'

19

0,08 m HP +[QJ ):

' Q + W. + Q + Ма Q ♦ »..ар Q+Kap+Ab

фтирида + И. +Ма Й +В14Р1

i:

25

JleilKO-гракит

46 мм

Особенности поведения si. ai. к и Na в кислых йторид-ных растворах. Установленный факт сильного выноса II из тыловых зон экспериментальных колонок и отсутствие данных по растворимости AI2O3 в кислых фторадкых растворах добудили нас провести специальные исследования растворимости корунда в HP методом потери массы монокристалла при Т=300 , 400 , 500 и 600°0, Р = 1,0 кбар. Обнаружено сильное увеличение растворимости корунда от Ю"5-Ю а в чистой HgO до ТО^-Щ'^И-.й растворах о концентрацией iff Ю'^-Ю^и csoboleva, Zaraiekj, 1990) . В этих же условиях растворимость в растворах HF увеличивается несущественно по сравнению с растворимостью кварца в чистой воде (2,9-5,0)'I0""2m и только при более высокой концентрации Hi > 0,1 m возрастает значительно (shapo-valov , 1990). Однако такие высокие концентрации 1® едва ли достигаются в природных условиях. Сильный выноо глинозема из гранита з экспериментах о кислыми фторидными растворами вызывает усиление сопряженного выноса щелочей, примерно на порядок выше, чем в хлоридаых растворах,

Глава 4. ШДШРОВАШЕ КИСЛОТНОГО МЕТАСОМАТОЗА ПОД ДЕЙСТВИЕМ ХЛОРШЮ-ЮРК'ШСШ РАСТВОРОВ

Хл орвдно-ч5 орнокиолыэ растворы использовались о целью моделирования кварц-турмалинового метасоматоза, наиболее характерного для месторождения сульфидно-касситеритовой г кварц-касситеритовой рудных формаций, Извеотние экспериментальные работы' посвящены в основном синтезу турмалина. Пределы его стабильности и равновесия турмалина о другими минералами практически не изучены.

Нами (Зарайский а др.» 1986; Рядчикова, Зарайский,1988) моделирование кварц-турмалинового метасоматоза проведено в температурном диапазоне З00-Б00°с при постоянном давлении

20 •

1,0 кбар. Основу растворов составляла борная кислота (10 -2,5ш HgBOg), активность катионов задавалась добавлением хлоридов натрия (I0-3-I,5ш ЫаС1), калия (0,1-1,0m KCl), железа (I0~3-I0_Im PeCI2, I0~2m FeCIg), магния (5.I0-2-

MgClg) - компонентов, входящих в состав турмалина и следовательно непосредственно влияющих на его устойчивость. Для насыщения кремнеземом к раствору добавляли в избытке измельченный кварц. Исходной породой служил граиодпорит,. В чистых растворах %В03 без добавления других компонентов воспроизвести турмалпнизацию нам не удалось. Увеличение кислотности раствора путем добавления небольших количеств НИ (до I0""3 ю ) мало влияет на результат, а высокая кислотность (ИГ1111 HCl) приводит к сильному выносу оснований и образованию в тыловой зоне x-Aad,rrl или KI в зависимости от температуры опыта . Борнокислые растворы, содержащие KaCI, вызывают пропилитизацию гранодаорита. Турмалин удалось получить, повысив концентрацию %Б0з до 2,0т. ' При этом оптимальный диапазон концентрации ЫаСГ составляй! 10~2-1,0 и . Турмалинизация в этих условиях протекает вяло, распространяясь не далее 1-3 мм от открытого конца пробирки (Т=500°С, Р=1,0 кбэр,t =336 ч., р-р г.ОтНаБРз+Х.Ош

HaOI -h(Q):

Q + Tu ♦Ab Q+Ab'+Anj+ +Chl Q+il+Aln+ +Bi+Chl I Q+Pl+Ksp+ • +Bi+AJa Грано-диорит

О 3,0 10,0 20,0 60,0 Ш

При этом турмалин развивается по А® и Chi , а полевые шпаты замещаются альбитом. По составу образующийся турмалин близок к ряду шерл-дравит.

Введение в раствор хлоридов Ре и Mg значительно ин-тенсирщирует процесс турмалинизадии гранодаорита (Т=500°С, Р=1,0 кбар, t=336 ч., р-р 1,0» НдВОд + ОДтЫаС! + ОДт FeCij + [Q]):

Q * Hu Q + IU + Q +Tu + Граио-

+ Chi + П + Chi дпорит

О 10,0 2S,0 50,0 мм

2.1

Турлзлин появляется во всех зовах вплоть до дна пробирки,последовательно замещая все минералы граподяорита» кроле кварца, в ассоциации с которым слагает мощную (10 ш) и чистую даловуа зону, £дк его состава характерен избыток глинозема а дефицит катионов в позиции X, что, по-видагаду, связано с повызедаой. кислотностью раствора.

Б условиях повышенной кислотности для образования 0-Ти метасоматитов необходимы высокие концентрации %В0д - от 0,5 и при 600°С до 2,0т при 300°С (рас.6).

—' - Рйо. 6. Условия обра-

Т,вС

600 Ф- <»© а*бчп 01 —I—1—!— •' - (•

! . - •

500 ^ -\ о о О+к-Ыл +СЫ \ о •-•■_■ а+ти+сы

1 . { •

¡'400 ® - •' -

й+Рг1+ш \

в\

-30С *"* о 3\

а*кмы

зования кварц-турмали-. новых метасомахитов при . воздействии на граноди-орит кислых Ре-содержа--щих. хлоридао-чЗорнокис-лых растворов +

+РеС12+[<3] }, Р=1,0кбар Стволы минералов указывают парагенезиса тыловых зон эксперимента, льнах колонок, значки -фигуративные точки опытов .

,0- 1,0 гр го^ч,

Диаграмма наглядно демонстрирует» что с увеличением активности б'ра поля 0-К1 , О-Рг!. о-Апй - и о-сгй. мэтвеоматитов крайнего кислотного выщелзчивпшя срезаются кварц-турмалиновыми метасоматитами.

Обычный дои некоторых околорудшис изменений парагенезис турлзляпа с серицитом (мусковитом) удалось получить гри добавления к Ре-ссдержзщим борнокислым растворам умеренных концентраций КС! (1-=500сСг 1,0» Н^з+Ъ ,1в ГеС^О, 1 я КСГ) : • • 22 ' -

Q + Tu 0+Ма+Ти+(Я) Q+Ma+Tl+Tu ! Грано-

/ j диорит

О 14 35 50 им

Увеличеняе концентрации KCl до 0,5тп приводит в тех же условиях к образованию колонки кварц-калишпатбвдх метасо-матитов и оказывается неблагоприятным для развития турмалина.

Установлено, что турмалин имеет меньшую аелезистость (Ре/Ре+ ), чем железистость равновесного раствора, и обнаруживает тенденции ее увеличения с понижением темпарзту-ры. Отчетливо вирагэно влияние кислотности на обогащение турмалина глиноземом (оленитовии маналом) и обеднение IIa, К, Ca. ;

Глава 5. ШДШРОВАНЙЕ- КИСЛОТНОГО МЕТАСОМАТОЗА ПОД ДЕЙСТВИЕМ ИЮБЩЩ РАСТВОРОВ, СОДЕРЗШЖ УГЛЕКИСЛОТУ И СЕР7

Углекислота и сера являются обычными компонентами гидротермальных флюидов. При образовании метасогяатитов кислотного выщелачивания их. роль особенно возрастает с понижением температуры, что фиксируется по увеличении в породах количества карбонатов и пирита. При зкеперимэнтальном тделировании средне- и низкотемпературного метасоматоза главное внимание уделялось формации борэзитов, представляющей важнейший тип оао-лорудных изменений на золоторудных, полиметаллических и урановых месторождениях. Определяющим для бэрезнтов является парагенезис кварца, серицита, анкерита и пирита.

' Основная часть опытов выполнена в температурном диапазоне 250-400°С при Р=1,0 кбар. В качестве исходных горных пород использовали кварцевый диорит и граноднорит, реже другие породы. Основу раствора составлял KCl, концентрация которого изменялась в пределах Ю~2 - 3,0 а. Углекислоту (Х™ - Ю~2-. -2* КГ* а ) вводили в твердея! виде, концентрация серы варьировали & пределах ГО^-б-ЯГ1 моль/кг HgO. Кислотность закалочного раствора обнаруживала устойчивую корреляцию с коя-центрацяей сера. В часта опытов кислотность регулировали HCl. Растворы были насыщены по кремнезему (Зараггяшй др. ,1881)..-.

В зависимости от устойчивости в таловой зоне глинистых мин- ралов, серицита (мусковита) или кышевого полового шпата полученные экспериментальные колонки могут быть сопоставлены соответственно с т зш группами формаций :,1) аргилли-знтзмц, 2) бодез^итами и кварц-сорициговими метасоматитами, 3) гуыбеигами и кварц-калишдатовшш штасоттитами. Наличие или отсутствие анкерита в средних зонах колонок дает возможность отличить березиш от квзрц-сервдктовых метасоматктов и гумбеиты от кварц-калишпатовых метасоматитов. Нижа приведены схемы строения эксперт,юнталнигх колонок гумбеитов, бе-резитов и аргиллизитов, полученных соответственно при температурах 360 , 300 и 250°С в одинаковых прочих, условиях (Р = 1Ь0 Кбэр, Хсо =0,1, т0 = КГ2, - 3.0):

Q + Кар Q+Kep+I>oi+ Q+Kop+'Bi+Ara Измеленный

. + Dol + Гу + Со + Chi + Со + СЮ. кварЦгЛиорит

Q+Ser + Ру

Q+Ser + Chl+Py

Q+Ser+Ank + Chi

Q+Ser+Ank + Cc+Chl

Измененный кварцгдаорит

Q+KX Q+K1 Q+Ser Q+Sex+Brn ИзмененшГ;

+ Ру + Chl+Py +Вгп+Ру +AnktChl кварцгдиорит

Граничные условия образования всех пяти рассматргоае-шых метасоматических формаций показаны на рис.7. Шкала абсцисс на сечениях а, б, г отражает величину отношения концентрации KCl в исходном растворе к концентрации Н4, определенной по измерению pH закалочного раствора. При постоянной »^q-l . ось абсцисс может, одновременно служить шкалой pH. В случае концентрации КС1=1,0 m ье оцифровка совпадает с закалочными значениями pH. Линии на диаграммах разграничивают поля образования колонок однотипного строения, отвечать формациям, обозначенным буквенными символами. Поле бе-резитов занимает на'графиках центральное положение. Обращает внимание^достаточно' узкий температурный диапазон обр^.зо-Ваяия бэрезитов (cM,imo,7 а,а). и;ях

Оптимальная температура берези-

С-'-' '24 .• : . '

тизаг{ии - 260-325°С. оптимальное значение Ход^ - выше 0,05.

7" т-ЗОО'С

мо,

0,50

Си. 0,15-

0,10-

0,05.

0 ;

1бК«/ти.)

Рис. 7. Различные сечения 4-мериой экспериментальной диаграммы Т-?-Хо0( - 1б(пКС1/шН'+), характеризующие условия образования берези$ов (В), гумбеитов (Си ), зргаллнзйтов (Л), кварц-калишпатовых (Ч? ) и квард-серицитовых (<33 ) метасоматлтов

Представленные диаграммы наглядно демонстрируя ограниченность условии образования кварц-серицитовых метасоглатитов (боз анкерита) областью сравнительно низких давлений С02. Более широкое их распространение в природе по сравнению о бере-зитами, по-видимому, свидетельствует о том, что для рудоосразумное флюидов большинства месторождений характерно относительно невысокое парциальное давление С02 - менее 20-25 бар.

Глава 6. ШДШРОВАНИЕ ЩЕЛОЧНОГО МЕТАСОМАТОЗА

В целом щелочной метасоматоз геологически изучен недоо-таточно, Почти нет крупных обобщающих работ, охватывающих проблему щелочного метасоматоза в целой, отсутствует единая систематика многообразных проявлений щелочного метасоматоза в различной геологической обстановке, не вполне яош причины возникновения неравновесных с породами щелочных растЕорбв и т.д. В соответствии с их значением для геологии нами наиболее полно исследованы процессы щелочного метасоматоза, гранитоид-

ных пород и пород железисто-кремнистой формации докембрия.

-г- Метасоматоз рранитов иод действ гам растворов хлоридов, карбонатов, гидроокисей и силикатов натрия и калия. При высокотемпературном щодочном натриевом метасоматозе гранита ь условаях насыщения раствора до кварцу из порода интенсивно выносится только IvjO и происходит значительный привнес Na^O (рис.8). Конечным результатом изменения оказывается образование кварц-альбит-эгириновой тыловой зоны. Весь глинозем исходного гранита сосредоточивается в альбите, а на базе входящих б .состав порода Ре , % , Оа и Ti формируется эгирии. Особенности изменения химического состава по зонам колонки иллюстрируют данные таблица 3, полученные сканированием на микрозонде. Мае'/, «о

50 «

. З;6 ю ю о

—----- —-X---- -К——X-

i-O-—-o-" -D- о-a-Q. D А1Л 0 -o—o-

-&-& L J?° ^B —5——Q- ---- spas - , A-A— г® •-нр-*

' i г 3 0

Q+AB +Aeg Q+Ав +Aeg+{Bt) Q+Pi+Ksp +Aeg+(Br) Гранит

Рис. 8. Строение и химический состав экспериментальной колонки щелочного натриевого метасоматоза биотитового гранита 0>500°С, Р=1,0 кбар, 1,0 т НаС1 + 0,1 го ЫоОН + [<Э]', ^ =336 ч.

Таблица 3. Химический состав (мас.%; метаооматических зон экспериментальной диффузионной колонки щелочного натриевого метасоматоза гранита (см.рис.R)

№ Минеральный •зоны состав

Si02 SiOg

AlgOj

FeO

MgO

CaO

Сумма

.1

2 '3

'6.

Q+Ab+Aeg Q+Ah+Aep+(B1)

4.9,7 43,9

Ч+Р1-+КяртАвй+( Bl) .¡j1,8

Гранит, =30,:

49,7

0,2 0,3 0,3

0,3

9,3 -9,5 9,7 10,2

1,2 1И 1,5 1,4

0,5 0,3 0,5

0,9

no 1»1 1»2

1.1

6,0 0,2 4,6

3,B 2,9

68,1

67,4 71,2 ¿M

При »оэдойотвли щелочных натриевых рютворов, но насыщенных кремнеземом, происходит сильная досиликация гранита, в результата которой в типовой зоне колошей вместо альбита образуются фельдшпатоиды, минеральный вид которых определяется анионным составом раствора. В присутствии Ыа^сод ето всегда канкринит, в растворах ЫаС1+ЫаОН с невысокой концентрацией ЫаС1 (0,1 /п ) - нефелин, а при более высокой (1,0т) --содалит. В более низкотемпературных условиях (300-400°С) появляется анолъцим.

Калиевые щелочные растворы вызшзают интенсивную кэлишпа-тизащю гранита (кварц-калишпа гошй метасоматоз), а при высокой щелочности и недосшценности зю2 приводят к образованию в тыловой зоне кальсилита. Биотит в этих условиях приобретает высокую устойчивость, а в параганезисе о кальсилитом -появляется тетраферрибиотит.

2. Щелочной метасоматоз гранитов под до;?ствиом натрие-пих и калиевых Фторидных растворов. Одной из задач этой серии экспериментов была оценка возможности формирования рибе-китошх. и эгириновых гранитов метасоматическим путем (Зарайский, Зырянов, 1373), Во фторядных растворах наиболее интенсивное преобразование биотитов:« гранитов происходит при отсутствии насцщеиш по кварцу (Т=500°С, Р=1,0 кбар, р-р -1,0я Ыа£,*=95ч): '

АЪ+Аои <3+АЪ+Аата 0.+АЪ+Кар+Авлн + (В1) В1-граиит

О .1,0 12,0 40,0 мм

Передовая зола колонки по составу отвечает типичному рибекя-товому граниту: плагиоклаз в ней адьбитизяруется, биотит замещается рибекитовым щелочим амфиболом. В тыловой зоне образуется рибекитоэый альбитит. Повышение температуры (550, 600°С) способствует образованию эгорина вместо щелочного амфибола. ,При насыщении фторидно-натриевых растворов г»Ю2 интенсивность преобразования; гранита уменьшается, в тыловой зоне сохраняется кварц,'большую устойчивость имеет Кзр .увеличение а3£о благоприятствует также развитию эгнряна.

2 27 ' '

Калиевые фторидаые раствора вызывают калишпатизацюо гранита (Т=500°С, Р-1,0 кбар, расгзор 1,0т = 96 ч.):

Квр Кар+Иаг Ч+АЬ+Кар+ +Ааи-»-( В1) вл-грапиг

■О 1,5 . 14,0 35,0 40,0 ш

Пршачательыо, что хотя исходный раствор чисто калиевый, передовая зона колонки по фазовому составу ничем не отличается от аналогичной зоны рибакитизированного гранита, полученной при воздействии Х.ОиЫйР. Однако в средних и тыловых зонах происходит интенсивная калишпатизацая, а щелочной амфибол' смещается нарсарсукитом, а затем тетраферрибиотитом.

3. Щелочной натриевый, метасоматоз гранодиорита. Эта большая серна экспериментов имела целью определение граничных условий .образования некоторых типов щелочных метасоматктов до температуре и составу раствора (Зарайский и др.,1984). Кон- 1 центрация ЫаС1 во всех опытах была одинаковой - 1,0 т. Пере. менную величину отношения тыасз/шнаон задавали, изменяя концентрацию ЫаОН в диапазона от О до 0,1 ш. Значение рН изменялось при этом от 7 до 12,В. Растворы не были насыщены кремнеземом, давление составляло 1,0 кбар4 Поля 8-ГЗ, изображенные на диаграмме рис.9, соответствуют минеральным гарагенези-сам тыловых зон экспериментальных колонок, В качестве примера вознйкаизей зональности приведем колонку содалитовнх мет ас о-матитов (поле 13, Т=500°С): .

Зой+Аей+Аат АЬ+Аей+Лат АЬ+Кер+Аее+Аат Грано-

1 • диорит

О . " ' ' 3 , 22.' 50,0 т

На рис.10 представлена пересчитанная экспериментальная диаграмма натриевого матаооматоза гранодиорита, возводящая судить о величинах рН в условиях опытов. Яри расчетах значений рНр, т испольэовалибь терлодинамические дашше Г.СЛелге-гонй к др. Полученная диаграмма обобщает эксперименты не только по'щелочному штаооматозу гранодиорита (см.рис.9), но и

•■■' 2В . ' • {'"'/..

Рис. 9. Условия образования минеральных порагене-зисов тыловых зон экспериментальных колонок щелочного натриевого метасоматоза гранодаоркта в зависимости от Т и отношения %аС1/иНаОН в'растворе

г з % 5 б 7 . 8 и 3

^Н^рГгос")

" Рис.ГО. Т-рНт р диаграмма условий образования кислотшгх и ще лочных натриевых метасмоматитов.

по кислотному метасоматозу под действием растворов с -пврэме«--ным отношением и1?вС1/тнс1 (см.главу 2). Как мокко ввдеть,широкий диапазон рН растворов, охватывающий по данным измерений

при комнатных условиях от 0,7 до 12,8, несколько сужается при Р-Т параметрах экспериментов (от 2 до 9). Важная граница меа-ду полявд 8_ и 9, разделяющая области кислотного и щелочного метасоматоза, _ фжоируется по смене^ актинолитового о^ибола щелочным в тыловых зонах колонок. На рис.10 эта .граница проходит параллельно линии нейтральных значений рН = а^^-)^ несколько смещаясь в область щелочных растворов.

Таблица 4. Концентрация породообразующих компонентов (моль/кг 11,0) в загадочных растворах после опытов по кислотному и щелочному метасоматозу гранодиорита (Т-500°С, Р=1,0 кбар, 336 ч.)

Раствор

рН до оп. рН после оп, 31 П

1,0а МаС1 0,1т Н01

1,11

1,80 4,3*10' 4,0.10 не обн.

,-г

,-5

1,0иЛаС1 0,1гаНаОН

12,79 12,30 9,5- 1СГ3 4,0.10-5 не обн.

Раствор .1,0 гаМаС1 0, 1 ш НС1 ,1,0 тМаС1 0,1 ш Иа01.

Ре не Са яа к 1,3* ю"2 4,оио"3 а, 2о о"3 0,96 2,0«Ю~2 1,2«ю~4 1,0« ю"5 1,0* ю"4 1,11 1,5'Ю-2

Результаты.анализа растворов после опытов (табл.4) показывают резкое уменьшение выноса из порода Ге, Ма и Са в щолочш> условиях. Концентрации' этих компонентов в щелочнсм растворе по^'И в 100 раз ниже, чем в кислом. Это хорошо' согласуется с дайными шкрозонда по миграции вещества в Ьонах эксперимен-талымх колонок.

. 4. Щелочной натриевый.метасоматоз пород аелеэисто-кром-ниотой формации докембрия. Экспериментально воспроизведены эгириновые и рибекитовые альбититы и канкрйнитоше метасома-титы по кварц-биотитовым сланцам Криворожской серия. По кум. минг гонитовыгл кварцитам и продуктшш гематит-магнетктовым кварцитам получены днффуэионшо и инфильтрационные колонки эгирин-рибекдтовых метасоматятов, Показано, что основные закономерности миграции'вещества'при щелочном метасоматозе как гранитоидних пород , так й пород железисто-кремнистой формации одинаковы, а отличаются от поведения компонентов при кислотном кетаоомаиэв. Обобщгдай ряд'подвижности компонентов при

30 .. » • . . '.

воздействии на породи щелочных растворов может быть предо-тавлен в следующем виде: Na, к, si, Al, Са, Mg, Ре, . Пригщипиальное значение имеет большая подвижность si и АХ по сравнешш с wg и Ре ,

Глава 7. ЖСИЕРЖШТАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ БИМЕТАСОМА-ТЙЧЕСКОГО СКАРШОБРАЗОВАНШ

Как убедительно показано ЗЛ Жариковым (1968), формирование скарношх месторождений - длительный и многоэтапный процесс. В этом процессе вонно выделить его раннюю стадию-образование собственно скарновой колонки, для которой определяющее значение имеет контактовое взаимодействие карбонатных и алшосгшг'атных пород. Эту генетическую специфику скарнов впервые наиболее глубоко понял и объяснил Д.С.Коржиискмй <1941).' *

Нами экспериментально исследовано биметасоматячоское взаимодействие гранодиорита с известняком и доломитом в широком диапазоне вариации Т,Р и состава растворов: Т=400-9СЮ°С, Р=1,0-5,0 кбар, Хсо =0-0,5, раствори NaCI, KCI, Nag, Iff, MI?2, HaOii, КОП, 1ЙгС03 , Ha2S103, СаС12 , MgClg ,FeCl2 , i'eCl^ , AlCl^ ,NoA102 ,HC1, HgO , концентрация 0.05-5.0ТГ1, pH от I до 13 (Зарайский и др., 1986).

I. Моделирование известковых скарнов. Яри контактовом взаимодействия гранодиорита с'белым кальцитовш мрамором в присутствия близиейгральных хлорида« растворов получены йп-метасоматические коложи о очень отчетливой зональностью, типичной для известковых скарнов (ряс.II). По мрамору образуется зона волластонит-грзнатового экзоскарна, а по граяодаори-ту-. шгроксен-гранатового эндсскарна, сменяющегося зоной пи-роксви-плагиоклазовой Ъколоскарновой порода", Сопоставление миграции вещества в эндоконтактовых зонах (2+3) и экзоконтак-товых (4+5) обнаруживают хорошую взаимную компенсацию (табл*5), Все те компоненты, для которых устанавливается вынос из эн- -доконтактовых зон. (si02, А12°з» м®° ^ • привносятся в экзокон-тактовые зоны в соответствующих количествах с соблюдением суммарного баланса. Из мрамора в гранодиорит переносится эквивалентное количество СаО. За пределы области контактового взаимодействия существенно шнооятоя К20, COg и .незнечлтёлА" :

нов количество й102. Из внешнего источника (раствора ЫаСГ) заметно привносится На^О. Для ?е0 устанавливается привноо не только в экзокоцтактовые, но и в эндоконтактовые зона. Источником железа в данном случае служит более удаленная от контакте область граиодиорчта (зона I), где содержание РеО падзот более чем в два раза. Именно хорошая экстракция.дедом из ^емических минералов гранодиорита хлоридными раст-воракп обеспечивает еготранспорт в_зону_ контактового взаи-модаиотвкд и способствует образованию здесь собственно скар-Н?Ж?_ пироксен - гранатовых парагонезиоов. Наличие встречного потока кальция из мрамора вызывает'связывание железа в ' 'твердые я накопление его в приконтактовой области. В результате происходит как бы стягивание вещества к контакту, приводимое здесь к локальному увеличению плотности среды (аа-раотангао пористости), что хорошо видно на рис.11.

Таблица 5. Средний химический ссстав (мае./5) зон экспериментальной колонки известковых скарнов (см.рис.II)

■л 30 ни Минеральный . состав 8102 Т102 РеО ыео СаО Ка2С К20 Сумма

0 Гранодиорит 46,1 0,5 10,9 2,6 1.5 2.8 2,6 2,5 69,7

1 о+Р113+Ат30 4-6,0 0,3 10,5 1.1 1,4 2,7 5,2 0,4 67,8

2 ЯЛ17-КЗрх57 37,2 О.з 10,4 2,5 1,2 5,5 4,5 0,2 61,Э

3 Срх70ЮгВ0 45,6 0,2 7,9 12,8 1.7 19,6 2,5 0,1 90,8

4 «0 + ЙГ86 38,0 0,0 1,0 9,1 0,6 32,3 0,5 0,1 в.,7

5 ' Сс 1.5 0,0 0,3 0,0 0,2 33,7 0,4 0,1 36,3

0 Белый мрамо 0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 36,4 0,0 0,0 36,4

Образование существенно андрадатового гоанато в экзокон-тактовых зонах, по-видимому, связано с выделением СО^ при замещайте кальцита волластонитом и другими силикатными минералами. Освобождение СО^ вызывает сдвиг вправо установившегося во флтпиде окяолительно-восстг овительного равновесия 2Н^0ьС02 СН4+02. В результате р области протекания реакции разложения кальцита локально возрастает концентрация и возникает ого днлДУ знойный поток в сторону гранодиорита навстречу . По.тсчу' железа. !'окно полагать, что подобный механизм действует т! в природе, посколь ,у акзоскарновый гранат всегда имеет

Нас'/.

100

Грано-1 диорит | Рк а И* Срх5г Ср*70 ш Ог^о | &1"86 Сс | М/ампу

(О-

■Гг ► З)

------

Рис. II. Экспериментальная колонка известковых биметасоматк-чоских скарнов (Т=600°С, Р=1,0 кбар, р-р 1,0» ИаС1^ =168 ч)

болео высокую келезиотость, чем гранат эндоскарнов.

Подобное изображенному на pic.II строение имеют и сксио-риментальные колонки, подученные.в опытах с друга,ет хлоридан-ми растворами. Катлонная специфика растворов оказывает опре- " деленное влияние на минеральные парагенезисы и состав ш: эра-лов скарновых и околоскарновнх зон, но принципиально не мопл- ■ ет общей картины биметасоматического взаимодействия. Увсдиче-ние кислотности неблагоприятно сказывается на скзрнсобразова-нии. Известняк в этих условиях сильно растворяется, а по. дано диориту образуются хлорит, тальк, кордиерит и другие, несвойственные скарнам минералы.

В условиях воздействия щелочных растворов и в чистой.йоде нам но удалось получить скарновуто зональность. Из грзнодл-орита в сторону мрамора ощутимо мигрирует только, кремнезем, ■ что приводит к образованию ыоногтюралыюто воллэстоДйто.Гра-нодиорит испытывает .альбнтизацюо, аиЬиболизацт, прп высокой ' щелочности в эндоконтакте появляются згирин-диопсвд, содалит,' нефелин. ...,.'•.■'•' •

2. Моделирование магнезиальных скарнов. Бшетасоматяч&с-кая зональность, возникающая в результате контактового взял- : модействия гранодиорита с доломитом в присутствий раствора

33 . . •

1,0 Й МаСХ при Т-600°С, Р=1,0 кбар, г «= 335 ч., имеет следу-

щм>1 вид

Траио-' да-^:; ¡0+Г1 | +Аш 1>1.+С>р* И.-И>рх } Срх (г0) I 1 | 1« Сс Ро Сс+Вгс

3,0

0,9 0,05 0 0,14 0,20 0,36 ММ

Во1

Экзоконтгзктрвая часть отличается от экспериментальной колонки известковых скарнов (см.рис.П) только отсутствием граната и сбгазованаеи узко;; зоны моношиерального клинопироксенового скарна. В .экаоконтакте образуется форстеритовый скарн, сменяющийся как и в прщюде, роном кадьцифира. Осаждение магнетита на фронте растворения ка^цита ыояет быть связано с понижение:.г кислотности раствора или с локальный возрастанием фу-гитивыосч'и кислорода при выделении С02-

■ С пованениеи температуры (>800°С) происходит возрастание шграциото.й активности глинозема, в эвдоконтакте появляется молили?.. Одновременно большуа инертность приобретает кил,вд:й - во всех экзоконтактошх зонах присутствует кальцит (Т^КЮ^ Р-1,0 кбар, га ство рь^ п йаС1. -ь ^ гб! ) 1

Граао-дшр'.п

?Стихло

И+Срх + Кзр

Ап+Срх + \То

.2,1

1.В

Ме1+Сс

Н1;с+Се (+Рег)

Сс+Рег

2,6

5,3.ш

Оо1

Гронодморят в этих. условиях плавится- и поме закалки продста-• идеи стеклом. Однако в пршеонтактовой облаотй по нему образуются более тугоплавкие реакционные; зоны, соответствующие по минеральному составу охолоскариовьм пирокоен-плагиоклазовьил породам. сг. яо и Кор . Образование характерных для магнезиальных екзрнов /флогогшта й шпинели наблюдалось в колонке, полученной

болез.высокой давлешш (Т=500°С, Р=Ъ»0 кбар, Ход =0,5, . раствор 1,0 ю'ЫоС!, *= Ш ч.):. •

Грзно-дйорпт

Стекло

IР1

Срх.

40-75

30

Срх

1511

■30 10

Ро^+Сс

Во1

Во!

. .1,0 0,13 0 ; 0,13 2,0 Ш

Вйрясутствкй фторидлых растворов в реакционных. зонах появляются флюорит, норбергит, куспидин.

Ч а с т ь П "

ПРОБЛЕШ ОБРАЗОВАНИЯ КШСЮШЖЕСКИХ ПОРОД ■ -''

Во второй части диссертации рассмотрена некоторые обгдго проблемы метасоматизма.

Глава 8. !,ЕТА0СМЛШ1ЕСКАЯ ЗОНАЛЬНОСТЬ

I,- Закономерности, экспериментального метасоматоза.

Зональная структура. является непременно« чертой строе- : . нт всех экспериментальных диффузионных и нмуильтрацнощоие' .. колонок, независимо от типа процесса.

Дифференциальная подтрмость компонентов. Уменьшение числа минералов в зонах по направлению от исходной пород!/ к. -воздействующему раствору - характерное свойство экспериментальных колонок. В опытах с аилънатсмшш и сн-шющелочнымн растворами тыловые зоны часто сложены 1-2 минералами, ото означает , что большинство компонентов здось вполне подвижно.' .- -Экспериментально установлено, что рогам подвижности компонентов тесно связан с их растворимостью и зависит наиболее о;мь-но от величины рН воздействующего раствора, для кислых и близ-нейтральных условий характерен ряд позшоткзети, отражающий ' . фундаментальные свойства элементов в отношении способности к " ионизации по кзтионпому типу: - •

К, На, Ca, Kg, Ро, Si, Al, ffi.

. В щелочных растворах ряд претерпевает частичную шворенв,вы- " ражающуюся в увеличении подвижности si и А! 'но отношении- к' Со, ].?£ и Ре :

К, Ка, Si, Al, ca, Mg, Pe, Ti. ■' ' .

В условиях высокой щелочности 31 и Al могут стать белее -подвижными, чем щелочные металлы, возрастает подвижность-" тана.; V

.31, Al, II, К, На, Св, !ig,'?e. .

Повышение активности компонента в растворе препятствует его выносу из порода и как правило уменьшает подйжщость. Показа— но влияние на подвижность анионного состава раствора. Введение сери повышает инертность Ре, связывая его,в. пирпте, фтор ; 1 препятствует ваносу Са, фиксируя его во флюорите, воздейст- V-вие углекислых растворов приводит к фиксации Са, Hg ;т Ре в- .

- карбонатах. Наиболее инертными компонентами в широком диапазоне физико-химических условий стоются AI и ТА. Адшиний приобретает подвижность только, в специфическихусловиях: a) tii:i: шеоких _температурах ЬОО°С, б) в условиях высокой .щелочности, рИу 8, в) в кислых фторидаых растворах при п,— > ю . ¿та яе услювия способствуют увеличешю подви-

- -JXJ -

ености титана.

замещения. По морфологическим признакам выделены три типа возникновения ношх минералов при экспериментальном метасоматозе: X) образоычке мономинералышх псевдоморфоз по зернам исходник минералов; 2) образование полими-норалъных псевдоморфоз: 3) кристаллизация из раствора в норовом пространство. Проявление того или иного механизма замещения определяется степень» близости кристаллической структур« генералов и соотношением подшшгостей компонентов,участвующих в химической реакции.

Локальное равновесие и химическая кинетика. О формиро-■ вэния экспериментальных колонок в условиях близких к локально-равновесным, свидетельствуют: I) соответствие последовательности зон расположения полей стабильности минералов на диаграшах активностей или химических потенциалов; 2) соответствие числа минералов в зонах правилу фаз; 3) резкость грани; зон (фронтов замощения); 4) закономерное изменение со-стааз магёралов в пределах диффузионных зон,. Эти и другие признака равновесных отношений типичны для высокотемпературных колонок. С понижением температуры {< 400° С) в зонах • появляются наряду о равновесными реликтовые минерала, гранк-№ ет становятся менее резкими, п строошш колонок заметную роль-начинает играть кинетические эффекты.

. ■ /¿шшао дазрзсташя метасшатическпх колонок. На рис.Д2 . йрегштавяеян кривые скоростей роста экспериментальных -дакйу-з$5йК1У4х колонок. Во-всех-случаях отчетливо проявлено замедление рродвйзкенкя фронтов замещения со временем и расстоянием з соответствии с законами диффузии. Форма кривых в основном ?'?ЯЧ1П!Лйтол простой параболической завиоиюсти х * wVjT1 , . г'/;г*од0!шой 'Д.С.Кррхинскязд для юф^узйонного метасоматоза, lip: гксиеряментЕЛьнои биметаеоматическом взаимодействии эта зависимость часто нарушается из-за возникновения плотных' . ' • ' 36

Рис. 12. Скорости роста экспериментальных колонок (Р=1,0 кбар) , а - среднетемпературный кислотный метэмоматоз гранита (Т =

400°С, раствор 1,0 KCl + 5'Ю"^га 1!GI + q )? б - высокотемпературный щелочной метасоматоз квэрц-биотитовых .

сланцев (Т=500°С, раствор 0,2»KaCI + O^aHayCOg); в - биметасоматическое взаимодействие гранодиорпта с известняком (Т=600°С, раствор I.OüiNaCI). ЗначенияЧу-дамы"а .ен/гедЧ.

контактово- реакционных зон, проницаемость которих сильно уменьшается с течением времени. .

2. Макгокинетическая модель метасоматической зональности.

В общем вида локально-равновесная модель метасоматической зональности была впервые сформулирована Д.С.КормисКим (1251). В.С.Голубевым (1981) предложен другой подход, основанный на представлении о неравновесном протекании метарсматазма, в соответствии с которым главную роль в возникновении зональной структуры играют' различия в скоростях'необратимых хлмиче-. ских реакций. Нами совместно с В.Н. Балашовым й И.Лебедевой разработана наиболее общая "макрокинвгичеекая " модель метасоматической зональности, основанная на рассмотрении схем offpapf--•' мых химических реакций. Ее предельным случаем язляотся рз'вяо- ; весная модель, предполагающая достижение локальното хш.йиес-: . кого равновесия <лхр>- в каждой точке колошей. Использование универсальной модели позволяет сопоставлять. строение "nmetn-ческих" и "равновесиях" колонок, анализировать огейвиь. ЬттЛо^ . .•;■'. 37 i,v^ ;• '■■.'-'К'-

нения от ДХР. В качестве критерия проворит модели ми использовали сочетание компьютерного моделирования с экспериментальном. Числопные решения на ¿IBM пока получены для простого случал развития моношшеральных биметасоматнческих зон при контактовом взаимодействии кварца с бруситом.

йксиоргаантальнпя модель зональности. Взаимодействие кварца с бруситом исследовано при Т=6С9°С, Р=1,0 кбар в присутствии раствора » НС1. Продолжительность экспериментов составляла от 1 до 720 часов. После опыта в области контакта возникала'биметзеоматкчоекзя колонка из; двух мономинеральннх Зон и зоны пустоты:

Q Пустота Tic ?0 Вго

Зош строго шношшеральшт0, гранида их, в том числе и пустоте, однозначно резкие. Тальковая зона имеет значительно меньшую мощность, чем.форстеряговая» но более высокую плотность (меньшую пористость). Обз реакционные зона образуются по бру-ситу, а в приконтактовой области со сторона кварца возникает пустота. Это свидетельствует о резком преобладании диффузионного потока кремнезема над; встречным потоком магния. В опытах о раствором 10 ш HCl скорость продвижения фронта метасо~ маткчэскога замещения Fo/Brc равна 10 см/год

Кинетический вариант Модели. Запитом систему независи-тх обратимых реакций типа растворенио-осаяуушие для всех 4-х твердtx фаз:

Q : S102 11

Tie &НС1° ЭМ«С1? 4- + 4НгО

Fo ♦ 4НС1° 2MgCl| 4 SiO®. * SKgO Brc ♦ 2HCla Mgpi| + 2Нг0

Задание постоянной активности (даляльности). HCl0 позволяет рассматривать в качестве независимых только два компонента раствора -. sío|k kgcl.| . Ди^еренциадьные транспортяне уразшлшя материального баланса могут бить записаны в виде:

> тзг* + £ = (2).

' ' . ' 38 ; V' . . •; ■ ■ •

где mi - концентрация частщв норовом растворе (1 =310° , UgClg ), Рг - плотность минералов в молях на I см3 пористой среди (г = q,ïio , F о , Вгс ), fi г- ког/ифгадиент пересчета концентрации от моральной шкалы к моль/см3, оС - пористость, • Vif - стехиометрические коэффициент)! Si и Щ а реакциях (I), 1)^ - коэффициенты диффузии 310? и Mgci| в норовом растворе. Всего имеем 2 таких уравнения.по числу нозаписшис компонентов.

Скорость производства (убили) минерала равна разности скоростей прямой и обратной реакций и, например, для форстерита мо:кот быть выраяена:

^ = -k;etn2Msa.-msttç) » . (3)

где k|0 и kpQ - кинетические константа скорости растворе- -ния и осаждения форстерита. В данном модальном прибдтаенли m 'пренебрежем зависимостью скорости от удельной поверхности твердых фаз. По числу минералов з колонке уравнений звда (3) должно быть 4. При задании начальных и граничных условий слоте wj дифференциальных уравнений (2,3) полностью определяет структуру метасоматнческой колонки, описывает распределение концентраций компонентов в твердых фазах и в поровогл растворе в каждом сечении в любой момент времени. •

Локяльно-равновссннй вариант модели. При перехода к ус--, ловиям JIXP уравнения материального баланса. (2) сохраняются в прежнем виде, а кинетические уравнения вида (3) преобразуется в уравнения закона действия масс, описывавдяе равновесные соотношения,''Предельный переход осуществляется при к-и k£/k~»conet»Kr . , где Ку - константа равновесия реакции. Для форстерита; '

v mW :

КЬ" nki^SifT Ш ::

По числу минералов таких-уравнений в системе 4. Систему ЛХР. . -уравнений (2,4) необходимо дополнить уравнениями материально^' го баланса нр разрывах (границах зон):

где xVo ij х^о определяют нахождение соответственно справа и слева ©* разрыва ( х* ). Д - суммарная плотность компонента в твердых фазах и поровоы растворе.на I см3 среды.

Ошосгавлеяяе экстртентршюИ колонки с расчетами по модели. Числондао решения систем уравнений кинетического и Ш5 вариантов модели производились на £Ш методом конечных разностей по программам В,Н.Балашова и М.И.Лебедевой. На рис. 13 сопоставлено строение экспериментальной колонки с расчетным.по кинетическому >( рашювссному вариантам модели. Оба варианта достаточно подробно воспроизводят реальную картину. Во всех трох случаях по бруситу формируются Ро и île зоны, а по KBapiiy образуется пустота. Такие детали строения, как оощие •размеры колошт, мощности зон, ойьотше доли минералов и норового пространства-в зонах также близки. Скорости разрастания г ко иерги/.ент ально,! и расчетной по 'JJXP модели колонок соответственно равны 10,0 и 12,£ см/год^2. Однако в кинетическом варианте шевт место двухмилеральные области на границах зон, -отоутствущие в экспериментальной и JDCP колонках. Численное моделирование показывает, что ширина этих переходных областей <около ¿«аш рясЛЗ) .умеюиавтоя о.ув^гчэнием юшехетескпх «онстант , ио не зависит от времени. Это означает,что при.лго-¡бых зяачашшх-констант, с течением времени и увеличенном мощностей зон размытость их границ' в относительном масштабе будет уменьшаться, в пределе стремясь к нули. Такш образомпо-j<y4on взяннй геологический результат, показывакщий, что на стадиях развития .зональность во многом определяется кинетическими соотношениями, однако <? течение времени сторон: ^тдеоу^пеской' аостятотически приближается к локэ'

лькс^Г'а^гювосномз' валу. ' ■

'Степень размытости- мехзошшх границ (ширина переходной области) уыеньваетоя с увеличением скорости, химических реак-. цкй. 2аша njsï расчете по кинетическое варианту (айрис. ! 3) пришиое значение константы скорости растворения кварца к*«

= Э,8»КГ^ моль/см3, о было яодучено путем экстраполяции

РисДЗ. Эксиери- ' ментальнов я численное моде- ' дарование контактового взаимодействия кварца \ с бруситом (Т = 60Q°C, Р=1 ,0кбар,

nHcl=Í0"3

50 ч.К Принято-,

к^э.ало"5 ноль/ см-j-c;

= 7,29« КГ-^.толь/ см3, с; .

=8,1 ЛО-^вдъ^

см3.с; ^Bro'^jroi»" =Э'Ю~5моль/сма.с

í,<) КМ

экспериментальных данных Rtmsdidt, Bamo (1980) по температурной зависимости на 600°С и нормирования на I см3 пористой среды при кубической упаковко зерен ( I мкм, <L =0,4). Величины kTio ' kFo и kBrc били 3!i6Para близкими, к указанному значо-нию. Если принять близкими величины не'констант , а скоростей реакций (с учетом зависимости от иНС1 ), то ширина рззш гостя мелзолннх границ сокращается до 0,3 т (рис.14). Такие границы должны выглядеть макроскопически' вполне резкими. Оба варианта (кинетический и ЛХР) дают одинаковое значение стационар- -'ной объемной доли талька в зоне (0,82). Это означает,, что внутри зоны кинетическое решение в точности соответствует локально-равновесному и отклоняется от. него только на границах. Чда-ленное моделирование позволяет определять распределение конца? ятраций в поровом растворе, вj?OTax jtp/лшщ (рис.4,б), - что .. очень словно сделать при эксперименте и практически невозможно измерить в природных объектах. Как следует из . рисунка,;- -

41 о •.•'.*." •'

в

компонентов в поровом растворе (б) в зонах бдметаоомэтэтесхой колонки ко кинетическому (пунктир} и равновесному (сплошные .пинии) вариантам модели при принятых значениях кинетических копсгэкт* = 3,6- Ю-5 модь/см.с, к|0»та^С1 = 10~5моль/см?с,

• = Ю"4 моль/см3.с, (Т=600°С, Р=Д,0 кбар, яНС1 = 1СI л , *=3,32Ч.)

концентрации компонентов в растворе, в отличие от содержаний минералов, стремятся алпредельным ЛХР значениям по всему интервалу зона. При этом расхождения мезду "кинетическими" п. равновесными значениями концентраций очень невелики,

-Глава '9.' ШЮТЖШШйЙ ТРАНСПОРТ ЛИ! ШАШЩШСШ ■ , ПРОЦЕССАХ ' '

¡веется досггатрчао оснований полагать, что ведущими способами массопереносз ири иетасшзтичеашх и других гядротер-«альках процессах являются аз конвективных типов фьяьтрацая г тепловая конвекция, е из диффузионшх — концентрационная дзв|>фузяя {ЗараПскаЙ, Балашов, 1983)

. . . 42 • "- . '

-Исследования концентрационное! дибйузии компонентов в по-ровнх растзопах гопнкх пород. Поскольку главным- условном протекания ыетасоматических процессов является воздействие на породу изначально химически неравновесных растворов, концепт- . рационная диффузия всегда должна иметь место примвтасочатвз-ме. В применении к геологическим задача наиболее хорошо изу- " чена диффузия в твердом состоянии. При температурах постмэг- . матического шшералообразования (ICQ-800°C) коэффициенты /гвор- г -дофазовой диффузии в силикатах находятся в пределах

см^/с и, следовательно, но в состоянии обеспечить reo- . химический транспорт на расстояния, превшгаидио несколько см -. даже за геологические промежутки времени. В.силикатных рас- " -плавах коэффициенты диффузии выше, чем в кристаллических си- ' ликатах на несколько'порядков и сильно зависят от. вида диффун-. : доруищего окисла. По данным М.Б.Эпельбаума (I9B0) в водно-аль-битовом расплаве при Т>1000°С и Р}{ 0=0,5 кбзр для siOg.Ai^o,, .

Коэффициенты диффузии в водных растворах значительно шт. При комнатных условиях они близки к см2/с. Практически ; полное отсутствие данных по диффузий компонентов в пороках' растворах горшх пород в гидротермальных условиях заставило нас в 1976 году начать соответствующие экспериментальные/ ко- -следования, результаты которых в основном опубликована в рэ- . ботах Балашов и др. (IS83) и Зарайский и др. (IS86).'

Аппаратура и методика. В экспериментах использовали апробированный метод "ячейки с.мембраной".. Поскольку для гобло- • гичэских целей интерес представляет определённо как "чистих".: ' коэффициентов даффузяи в лоровях растворах, так и эффеяттапйс» включающих эффект взаимодействия с породой, применялись два • типа мембран: I). "инертные" мембраны из' уплотненного в пда- ,-тиновой трубке порошка тю2и 2) мембраны из мелкозернистого. ; биотитового граната.. Основная серия экспериментов проведена ' при Т=250°С, Р=1,0 кбар во фторопластовых дяйузиопдах Цчв8гс ( ках с 0,Im растворами Яасз» кс1 .CaCig.Hgcig,Твсаг ► ак&д < 1 KaAl02 .BagSiöj . При более высоких температурах 350, 400» ,

500°G измерены' коэффициенты диффузии KCl и ЫаС! в титановых ячейках. С одной стороны мембраны камера ячейки заполнялась растаороы, с другой - дистиллированной водой. Длительность экспериментов составляла от 4 до БВ суток. Раствори из обеих камер носяе ojutob с гранитными мембранами анализировали на все породообразующие компоненты, а с мембранами из ii.02-только на компоненты исходной сади. По эти?.; данным рассчитывали коэффициенты даурузип через сечение мембраны ( D^), Переход к диффузия в поровом растворе ( ) проводили по соотношений D* « D^V? , где F" - фактор электропроводности, измерявшийся для каждой -мембраны я представляющий отношение электропроводности мембраны, насыщенной раствором 1,0 « KCl, к электропроводности свободного .раствора .1,0 m KCl. Для грани: них мембран ? « 5 •КГ3, дая мембран из порошка Т102«0,4.

Обсуждение результатов. Экспериментальные результаты по даффузни компонентов в пбровых растворах мембран из отражена на рясД5. Здесь же для сопоставления приведены литературные данные по диффузии в растворах при атмосферном давлении к температурах до IüQ°C, неплохо укладывающиеся в общую зависимость. Энергия активации составляет около 3,0 ккал моль, что соответствует обычным значениям для диффузии в во,л ннх растворах электролитов. С большой долой уверенности мол» утверждать, что значения коэффициентов диффузии__электролито1 рйзягаартоя для отдельных породообразующих компонентов не Ск лее, чем в 2-3 ]рзза и во всет-t интервале гвдротермзльного' мк-нералообразования лежат в пределах Ю-"*'см2/с.

Пря дахфузии через гранптпые мембраны растворов Na Gl, KCl, CaCi, lla^SiG^ (T=45Q°C), коэф^шиакты диффузии Ka, К,. Сз и si оказываются в 1,Ь~2 раза ниже. Более интенсивное взаимодействие гранита с растворами KgCl2 и PeCig приводит паденгао 0£ Mg и Fe на 1-2 порядка и явно;1, зависимости от даительностя опыта. В. этих у случаях величина 9*А.приоб-. ретоет. существенно "кажущийся" характер и должка рассматриваться как обобщенная характеристика процесса диффузии, cor ряженного с химической реакцией. Коэффициент диффузии AI ч<. рез грангтнук мембрану вообще не удалось измерить, так как кислойфбда (AtCIg) алшпнкй почти полностью связывается -'•'-' 44

г^ьсм'/с

-1,01--1---1-- ' 1 11 ' I- ' I

Рис. 15 Температурная зависимость коэффициентов да^Ф?-* зии породообразущих компонентов в хпориднях растворах, : при средней концентрации 0,05 я

Для облает Т<100°0 - литературггае зшшгаэ'} ■' > ' : Дпп области Т >ГОО°С - наши эггепертгептальтоэ яаяшгэ, :-за исключением значения Вд^о при 550°С - но дантгк ХНеГопсе, ОаИа, 1976 2 .

45

. мембраной с образованием каолинита, а в. щелочной (ПаАХС^) -■ ■ анальцима...

Тепловое •лзуплотнешге гостах пород и Проблош ин^ильт-■ рационного транспорта. Хотя в целом гидротермальные изменений пород контроляр^'втся .внсок.опронвдаеьЬми трещинными структурами» сплошными метасоматическими преобразованиями "часто : ■ охватываотед бо^шие масон пород (площадной метасоматоз, ал; .лохждпческии метаморфизм, равномерная импрегнация рудных шг-;-.неролов}. Следовательно, гидротермальные раствори могут не ' только перемещаться по макротрсщшам, но и равномерно проса. чшаться сквозь толщи горных пород' по ьдакропораы. В то «е время прогшдаомость больашства изверженных, метаморфических и .... ПДОТ1ЫХ осадочных пород, измеренная в образцах, лшенвых мак-ротриизн, составлясч Ш^-Ю мД. Расчеты показывают, что такие порода должна быть трудно преодолимыми преградами на пути . пгдротермаяышх флюидов.

•'.•"•'•..В ка'юстве возможного механизма увеличения яоровой'.промь ..•'•"• цаетоети нами; было предложено явление разуплотнения горных -"- ' • - Ьород яря нагревании, 'выражающееся в образовании кеззорношх . промежутков за счет анизотропии теплового,расширения. шнера_т ^аашов, ХЭВГи.др^. Эффект рааувло*-. иения пород никем систематически не изучался я геологическая . значимость его но подчеркивалась, хотя сам факт более высокого - тевдового расширения. дород по сравнению со слагающими. их мшера^йш бм .'известен ранее и верно трактовался как еле; ствяе вознюшовенга дополнительного перового пространства за

' Мзмя это важнотфпзяческое.явление детально исследовано - экспериментально я теоретически в температурной области 20 -7С0°С. : Изучено »лаяние нагревания на физические свойства об- р&зцсз четырех-гранитов, гранодяорито, '.диорита, габбро-доле-

рнгй, горнйлендита, андезитодадатового порфирита, диабаза, . базальта, белого и теаносорого 'мрамора, гранатового скарна, дзух типов маиштнтовоВ руда.

Аппаратура я морозу исследования. Тепловое расширение пород при атмосферном давленая. "измеряли на кварцевом дилато-ксгро. йсследование ртсщирония вразлачшх средах проводили

на неизолированных образцах в автоклавах, при давлении Р^--Рта=1,о кбар, создававшемся II¿0, CÜ2 или Аг, Линейное рас- . ширение в условиях опита определяли специально сконструиро-' • вэнным автоклавным дилатометром. После/медленного'нагрева: до. соответствующей температуры, выдержки и охлаждения определили проницаемость образцов, а также пористость,, фактор электропроводности, плотность, скорости прохсзденпя ультразвуковых волн в сухих и водонасыщенных образцах. Под микроскопом -в напыленных золотом аншлифах проводили статистические подсчеты микротрещин, дифференцируя их по ширине, длине и генетическому типу. Р-Т зависимость проницаемости гранитов была такта исследована непосредственно при параметрах экспери- . ментов на универсальной инфильтрационной установке, позволяющей задавать независимое давление на твердый каркас породы . и давление флюида. . .

Обсуждение результатов. Экспериментально установлено, что разуплотнение происходит при нагревании любых пород как в атмосферных условиях, так и в автоклавах под давлением HgO» СО2 или Аг при Р^я=Ртв=1.0 кбар, а также при превышении дов-. лещш на твердый каркас породы над флшдным давлением. Интенсивность разуплотнения возрастает с температурой и увеличлва-. ется от улътраосновних пород к кислил. Принципиально важно, что возникающие микротрещиш не разбросам - в породе._0луча$Ьил< образом, а локализованы па ме.таернов«х границах, образуя вязанную сеть сообщающихся каналов. Иа рис.16. тепловое рэскаро-ние гранита вираясно в виде ' отношения приращения линейных размеров (д1) к исходной дшше образца С У в процентах. Заштрихованная площадь означает долю разуплотнения - "избыточного расширения" гранита по сравнению о расииреннеи минералов за счет образования порового пространства. Наш? предложена количественная модель, позволяющая рассчитывать температурную, зависимость 'разуплотнения любах пород, исходя из разностей линейного расширения породообразующих щиералов. Метод основан .на суммировании вкладов а избыточное линейное ..'.--. расширение порода l«/lQ (изб) от всех возможных парпнх ; комбинаций осей эллипсоида расширения о учетом вероятности ;; 1 встречи: '

' 47 - чл,.

Рис. 16,8. Тепловое расширение новоукраинского гранита в атмосферных условиях

1 - экспериментальная кри-

вая,

2 - расчетная кривая теп-

лового расширения минеральной матрицы,

3 - расчетная кривая рас-

ширения гранита о учетом разуплотнения, б - принципиальная схема теплового разуплотнена

о i« ím j» т sao т 7бо

где k2 в I,..., а - минералы порода; it , Зг = 1,2,3 -оси эллипсоида теплового растения; , Wj. объемные доли минералов в породеí I

абсолютная величина разности линейного расширения для каждой из все* возможных пар сочетаний осей эллипсоидов теплового расжиреаяя минералов порода (справочные данные). Полное тепловое расширение породу равно суше избыточного и минерально го. Полученная таким образом теоретическая кривая (3) хорошо совпадает о экспериментальной (см.рис.16). После остывания разуплотненные породы сохраняет остаточное расширение, обусловленное необратимым изменением структуры перового простраи ства. П^сле нагрева до 500°С проницаемость диорита. габбго г порфирита возрастает от КГ'^-ГО""6 мД (исходное значение) дс 10 «Д. птюницае^остьновоукроинского гранита и тешо-ссрог мраууро от ГО^до ГО"1-мД, а белого мрадюта - от Í0"3 ~до IO~*-IOQ w¡U Одновременно в пределах одного порядка увеличивается пористость и в пределах двух порядков - фактор элект-тропроводности.

ле/г.,%

На рис.17 приведена кривая температурной зависимости

Рис. 17. Влияние теплового разуплотнения на проницаемость новоукраинского гранита при различной величине эффективного давления (Р * =

Р _ р 1

ТВ гфл' ■

гоо зео *ло ' 5ов бсо Т/С

остаточной проницаемости новоукрашского гранита,'разуплотнен-' ного в автоклавных условиях при равенстве Ртв=Рц о=1.0 кбар (Р0ф--0). Для сравнения здесь же нанесена соответствующая -ео-ретическая кривая проницаемости, рассчитанная по модели В.Н. Балашова (Балашов, Зара{*ский, 1982), и две экспериментальные кривые, полученные по данным непосредствен}«« измерений на ш-фильтрационной установке при параметрах опыта в условиях превышения "литостатичоского" давления (Рт0> над флгтцщым На 0,2 и 0,5 кбар. Обращает на себя внимание подобная форш кривых ¡ри различных зффектитшх давлениях и сильное уменьшение проницаемости на интервале увеличения .Р^ о? О до 0,2 кбар. Шало заключить, что значительное возрастание проницаемости гранитов, способное обеспечить инфильтрациошщз транспорт сквозь межзергюзое пространство ;ю]юдц (»¿(Г3 щ) возгюто только при тепловом разуплотнении в ус-товиях низких значений р^, и пошыенных температур (Т> 300°с). В.М.БлтовтовоЗ и В.ад&оно-вым (1282), исследовавшими область высоких эффектсшнцх дэаяе-ний до 2,0 кбар, доказана низкая газовая пропяцаемогть пород

: 49 '. .... /

в этих условиях во всем температурном интервале.

. ' Баре высокой проницаемостью нагретых пород может бить объяснено ранимерное площадное распространение высокотемпературного метасоматоза вблизи магматических очагов в сравнении с локальным околотрещишым проявлением низкотемпературных метзсоиатических процессов.

Глава 10. Ф1ЩКО-Ш4ИЧЕЕЖИЕ УОЛОВИГ. СКОЩРУДНОГО ' ."■ .'■ ШТАСОМТИЗМА

Обычное достижение равновесных соотношений в зонах экспериментальных И природных колонок позволяет оптимистически относиться к возможности использовании данных экспершенталь-иого коделироваийя для шггепретации метасоматизма в природе.

, X. Кислотный мотасшатоз. ДрИ воздействии кислых хлоридашх калиевых растворов на гранитоицнае породи тип образующихся мстасоыатитов зависит от вол!гчгош отношения п^С1/тНС1 в растворе. Б услов:их повнаеиной кислотности (низкое отношение) возникают метасоматйческио володаш. отвечайте вторичшзд . кварц;паы. Увеличение рттюиенш пршодит к:Д:орлировашго сначала колонок типа казрц-мудковктовнх г сеПзьпоо. а затем -¡¡сварц-калиапатовях- мотоссматлтов. Рис. 18 характеризует строение соответствувдих экспериментальна колонок и грашгсншз значения состава раствора при высокотемпературных условиях Т=500°С. С понижением температур« все пределы <яледавтся вправо, Роль тсмперзтурц является шредедшией,,при смене пндалу- ' зитошх <1ш?1ий вторичных кварцитов ( <400°0)

я кдодшвтовыцв (<300°С). Развитие, этих фации характеризует условия наиболее високой^кислотностк, когда из порода внно- . еятся все основания и остается. только 8±~А1 каркас.

Моделирование греазеновойзанальности вофторвднах растворах и исследование минеральных равновесий в системе К20--А1гР5-В102-К20-Н? позволит оценить условия образования ■: топазовых Фацпй гоейзонов. тааее экспериментально не изучен- ■ шх. .При оптшальных параметрах -грейзеыизащш Т=400°С р=1,0

- кба£ »рвс^гв« здсоких «оявдатра-цкй НРврастворе (г,Б>10~3а г- няжнийпредел и 7-КГ1® - .

- верх!13й предел). Важно, что топаз оказывается вдотртрром : ю(зшх кош1енэраиц(й калия в растворе - не выше к?

высокотемпературного кяслотното метасоматоза гранита от :. величины отнояенпя iBCHjfoj/^cjis растворе при Т«500°С, РаХкбер, =336ч., з10ув избытке. *: ■

Б экспериментах с растворами KCl + KCl концентрация HCl была постоянной п равной 0,1а , величина отнояетгя '■'.• ткс1/1Пка1за11авалась изменением концентрации КО. Палоазние опытов, по которым строилась',лиаграйма,погЕазано в верхней части , рисунка круяков!й.тя аначками ,, - :: .

51

при всех температурах. Это объясняет определенную ограничсн-ность расп|юстрзнени>1 топазовых грейзенов и их обычную геологическую нозш^ в осешх зонах крупных грейзеношх тол, часто над мощными телами кварцевых грейзенов, как, ианршор, на Акчагау, Условия низкой концентрации калия могут достигаться в .центральных частях трещинных зон "нроштих" восходящими потоками кислого флюида. При высоких температурах ( Ь0О°С) топаз присутствует в зонах экспериментальных колонок в 'парагенезисе с полевыми шпатами, что согласуется с природными данными но более высокотемпературным условиям формирования щ-

Экспериментально показано, что образование важной группы родственных формаций средае-низкотемпературного <200-400°С) кислотного метасоматоза - бе резитов t гтабеитор. аргиллизитов. квам-серицитовых и кварц-калмматошх метасоматитов - требует воздействия умеренно кислых калиевых растворов, содержащих утлекисдоту й серу, При одянакових Т, Р я XCÜ главным фактором, определяющим развитие той щи raoii gopr.iafxiu: выступает, величина отноиения в растворе, возрастание этого от-

ноаения приводит к смене аргидлизитошх коленок березлтовшщ, о затем хумбоитовш-ш. Аналогичная последовагельность устанавливается с повышением температуры (см.ряс, 7 ). Березитп и гумбеитн имеют широкую область развития по состосу раствора, но резко ограничиваются вверх по температуре - не више 350-S70°C при наиболее реальных значениях Хс,у = 0,1-0.2. Полое кирокое распространенно в природе квэрц-сепшуповнх метасома-твтов по сравнению с берозитам:( свидетельствует о преобладании низких парциальных давлений ОСч во флкидах кбар)

Ааьбитошо и 'эпидотоано 'пропилиты имеют оптимадьну» температуру образования Повышение температур! способствует (йене эпидот-хлорйтсвих иаршчшизясов уиидст-а^иболо-вымй. Умеренные концентрации «атрия не преплтетиуит образованию зшиютовцх :црошушов,. концентрация СаС1:, долгой 'б«ть невысокой ( < 0,1 и), а отпоасшю шСаС1 ^иКС1 -. bücokjtm Í^ÍOO). В цодом пропшштн фиксируют пограничйуп олизпеи'Грпдьну^' область между форлапвяглл кислотного, и ае-.очного метэсотлатсза.' В низкотсьшерзтурных .условаях они могут гранцчить с кд.ш и анпльпимовымя метассматкттаи.

Установление условии кварц-турмалинового метасоматоза требует дополнительных исследований. В условиях высокой и умеренной кислотности для турмалинизации гранитоидных пород необходимы высокие концентрации бора в растворе - не ниже 0,4 и И3ВО3 при Т=600°С и около 2,0а при 300°С, что странно, учитывая разнообразна обстановки нахождения турмалина в природе» Тем не менее, при более-низких концентрациях НцВО^ воспроизвести процесс турмалинизойди не удалось. Устаноачена сильная зависимость состава турмалина от параметров образования, что позволяет рассматривать турмалин в качестве чувствительного минерала - индикатора условна процесса.

2.Щелочной метасоматоз. Условия образования некоторых типичных щелочных матасоматитов отражены на рис. 9 . Поле 10 соответствует формации ураноносаых альбититов докембрмйских гранито-гнейсових комплексов, в которых обычно хорошо проявлена латеральная и . вертикальная метасоматическая зональность, К полю 9 могут быть отнесены альбитизировакние и -рибекитизи-ропанные граниты с тонтало-ниобиевшл и редксметальным оруде-неннем. Из щелочных темноцветных для них более тшычон щелочной амфибол, чем эгярин, что. позволяет предполагать условия несколько меньшей щелочности, чем при образовании ураио-ноешх альбититов, Натриевые метасоглчтиты с ■Ьельдишатсиламл (поля 11-13) появляются только в специфической геологической обстановке максимальной шолочности и низкой активности кремнезема, характерной.для нефелиновых сиенитов и ультраосновных щелочных пород (карбончтитовая серия). Очевидно уровень столь •■ шеокои щелочности не достигается пришстмагматических про- . цессах, связанных с грэннтоидным магматизмом. Однако с пони- ' кенмем температуры поле анальцдаоных метасоматигов быстро расширяется в сторону менее щелочных растворов п при Т 300°0 . •приближается к нейтральной области '(поле И). Этим объясняется. обычность появления анальцима в метабазитах.

Экспериментальное моделирование щелочного метасоматоза-гранитов показало, что оню«ет,-привести к возникновению ри- . ' бскнтовнх • и эгприновых' гранитов по нормальным биотитовым гранитом. .Биотит'в щелочкой среде'неустойчив и'легко замещается " ' - . . - 53 - ' . • • , . • -

щелочным амфиболом , нередко совместно с эгирином, тогда как лейкократоше минералы гранитов еще остаются Неизмененными.

Во внешнем ореоле эгиркновых и рибекитовых тел, образующиеся при натшовом метасоматозе железистых кварцитов; часто наблюдается передовой фронт окварцевания в виде мелких . проянлкоа и гнезд новообразованного кварца. Экспериментальное моделирование убедительно доказывает невозможность образования передовой зоны окварцевания диффузионным путем. В то же в реки при экспериментальном та$йльтрациойном метасоматозе эта зона (формируется закономерно, как непременный член единой колонки за счет иерротложеняя кремнезема, вынесенного из вну-треш»!х огиршювых и рибекитовых зон.

я ^з^осткоэде'бийетасо.чатичоские скарш. Используя метод . яксперклептальпого моделирования удалось.показать, что образование скарновой колонки с тиничдаы составом и последовательность» зон действительно возможно в результате контактового взэшодеПствш! гданодиорлта с известняком без дополнительного привноса-Иородообразутощих компонентов извне. Но не мснео важ-ш выявленные при Э1им ограничения. Оказалось, что бшотасо-матическбе взаимодействие адшосиликатных и карбонатных пород дало при наличии соответствующих для пояатения охарновых минералов Р-Т условий далеко не всогда приводит к образованию скарнов. Экспериментально установлено, что только участие хдоршщых растворов можзт обеспечить необходимую экстракцию Ре и «в из темноцветных мипсрп.пов породы и повышение их активности до у^вня, необходаолого дая рбразования скарноетх пироксеи-гранатов!.'х пвр^генезиёов в зонах встречного диффузионного потока Са из известняка.. Обычное отсутствие скарнов в толщах иереатаиващихся сиижатшх- и карбонатных пород, под-, вергшрсся. высокотемпературно^ метаморфизм, доказывает, что кетамор}лгсншй флюид не в состоянии-обеспечить скараообразо-вание. Как правило, скарш поавдяотси только в-бдизшец контак-товт.гореаче штруз;!!!, что может объясняться не только, условд-гай высоко]! температур., по и хлоргищой спецификой магнатогеп-кьго фжздз. Одтиыальщыи условия^! . нзвостковрго балета ссма-таЧес»ога скарпообразовзния является' -тешературш;': иптарппл -. . 54 --у- •'■■

ß0Q-700°C и участие близнейтралыых хлоридных растворов типа KaCI, KCl, CaCI2, MgCi2 . При 400°C в эндоконтактовпх зонах проимуществеиноа развитие получает аиркбол, иногда игонит. В высокотемпературных1 условиях (>В00°С) образуются богатые глиноземом мелилитовые и гранатовдо экэоскарш, редко наблюдающиеся в природе, а эндоскарни отсутствуют. Характерным признаком высокотемпературных условий гложет служить повышение основности плагиоклаза и понижение нелезистости кл-попироксе- : на эндоконтактовых зон.

4, Магнезиальное скарнообразованио. Оптшалышо тс!.шо]йту-рц - 600-Ш0°С. 13 более низкотемпературных условиях в колонках появляются амфибол, хлорит, тремолит, серпентин, характерные для поздних этапов гистерогенного разложения скарно-вих минералов. Для магнезиального скарнообразовпния благопри- • ятно воздействие близнойтралышх и щелочных растворов типа . • MaCl, KCl, Но?, iCF, Ка^СОз, NaOH, КОН. Повышение щелочности способствует формированию диопсидовмх экзоскарнов, а кислотности - кальцит-рорсторптовых и форстерит-магнетитовых. Глинозе^еодерясапше биметасоматические экзосклрцн развиваются • только в шеокотемггоратуршх условиях, поскольку Дi^O-j щлоб-ретает_зшетную да^йгзионнуи подвижность лишь выше 800°С. . -

5.Вопросы теории метасоиэтической зональности. икспершсн-' тпльное моделирование метасоматизма подтвердило основные положения теории _штзсрглат:неско^_эона1ьности. Д.С.Кортаиского. .Принципиальные особенности строения 'экспериментальных колонок наиболее успешно объясняются проявлением дифференциальной подвижности компонентов и выполнением локального равновесия в зонах колонок и на юс границах при неравновесности процесса 'метасоматическсго преобразования породы в целом. Экспериментально подтверждена. параболическая завпоа'юсть роста диффузионных колонок от-времени (х » w\fT) и линейная (х - vt) -штшьтрзщгошшх. Наглядно продемонстрирована зависимость • термодинамической, подвижности.компонентов как от фундамента-льних свойств элементов, так.и от конкретных условий процесса. Показано, что подвижность в значительной степени опре-. деллется растворимостью, позтотлу-стандартный ряд подвюшостя '•'■■' : ■ 55' '• • Л. '/ \ . ".-.

компонентов, типичный для кислых и близнейтральных условий; К . На., са, Mg.Pt, si, Al, п , претерпевает частичную •кнверсию при воздействии щелочных растворов: si , ai, ti, к »

На, Са , Mg , ?е .

Получило экспериментальное подтверждение предсказанное Д.С. Коряинсйим - "обогащение перемещенным инертным компонентом" средних а передовых зон ^фильтрационных колонок. Вместе с тем, подобный, эффект обнаружен и при диффузионном метасоматоза, особенно при встречной диффузии в контактовых зонах биметасоматических колоне«. На зто явление впервые обратили внимание Франц и Мао (1976), предложившие термин "внут-рязонное производство минералов". Повышение содержания Al^Og в тыловых зонах некоторых экспериментальных колонок простого диффузионного метасоматоза указывает, что выявленная закономерность может тлеть общее значение для условий встречной дяйузия, сопровождающейся химическими реакциями, Эта ситуация рассмотрена с ноио.шыз численной модели.

При высоких температурах (> 40Q°í» даже за короткое время экспериментов - ^ геологическом масштабе почти мгновенно -в метэсоматическях колонках достигается состояние, близкое к ЛХР. С понижением температуры, влияние кинетики бистро возрастает, и многие колонки, полученные при ¿50-3CG°C весьма далеки от равновесных. Необходимость учета кинетических соотношений Даже при высоких температурах доказывает обнаружение, например, метастабилшой "сверхра.створимости* кремнезема при воздействии кислых раствороо на гранит: образующийся при кислотном разложении полевых шпатов и слад аморфный кремнезем, локально повышает уровень концентрации 5Юг в растворе выше Насыщения по кванту. Фильтрация таких пересыщенных Si02 растворов. должна сопровождаться кристаллизацией из них кварца -окварцевоилем пород, стать типичным для кислотного метасоматоза. "Такой механизм мокот рассматриваться кок альтернатшз-•ный при интерпретация ироисходадснт. ивасевых тал, гнозд. и прожилков наряду с другими йозмознтт способами их образования. , ... • ' . \ '. ■/-• ■ У .'. "V/•

Ддитольность мотасоматичоскях процессов; Временные пара метры процессов' природного мшшралаобразованда -изучены 'знпч» тельцо хуже-, чем $изико-хпмпческпо услогля. Нзвсстнис гссхро

\ v . . se : . . ' •'.

нологические методы, кап правило, опорир/ит миллионам» и сотнями тысяч лог. Продол-чштольноеть более коротких отрозков времени, характеризующих рост отдельных кристаллов, образование метасоматических тол, рудных ш, длительность стадий минера- • лообразованкл, остается во многом неопределенной. Результаты экстраполяции скоростей разрастания экспериментальных днпЬу-зиошшх колонок (см.рис.12 ), применительно к геологическим масштабам по уравнению х = яЛ/ъ 1 приведены в табл.6.

Таблица 6. Оцешса длительности процессов диффузионного метасоматоза по экспериментальным дэшшм

Типы процессов и границы зон Расстояние, м

100 лет 100 лот 10 ООО - лет

Кислотный метасоматоз (рис.12а), внешняя граница зоны д+кор+йз* 4-В1+(Р1) 0,18 0,58 1,83

Мелочно.'! метасоматоз (рисЛ2б). -внешняя граница зоны Сап+Аве+Аат 0,12 0,39- 1,24

Бпметасоматоз (рис.12в), мощность зкзоскарновой зоны Яо+Сг 0,04 0,12 0,40

При этом учтено поправка на малуп пористость массивных пород но сраш1«нип с использовавгзимлся неропасами (л 10 раз меньшую для кислотного и щелочного метасоматоза п з 5 раз для бимега-сшатоза). Конечно, такая оценна носит оряентлровоттий характер. Она иокаэак-.'от, что 1ормировдние__да|</уэаошд1м путем об«-чнпх осолояильнмх и около трещинных метасомапттов мощностью. 0,52,0 м требует временя порядка 1-10_тцс_.лет. Узкие метрсо?:ити-чсскиз оторочки (1-5 см), часто окаймляющие мелкие рудные про-~илш, могут возникать в течение нескольких лет. -Для образования мощных ореолов изменениядо 10.. и и более ДЛМузионадЙ способ массопереноса недостаточен, требуется участие иифильт-, рации. Задавшись оптимальными значениями изменения содержания компонента на фронте .глетасомзтичоского замещения(л^ г моль/си3),'соответствующего изменению концентрации в равновесном растворе (лСч г, ноль/см3), реальными величинами вяэ-

Рис. 19. Сопоставление скоростей распространения ин-фильтрационного и диффузионного метасоматоза при различных значениях .проницаемости горных пород {К) и коэффициентов диффузии {£?)

«г» «г» о>1 л 1й юв то х,м

кости флюида ( ^ = 0,6-КГ^ сПз), градиента давления (лР =•

• 2.10*^ бар/см), коз'ййциектов .дайузии через сечение породи

Ч = 10""-Ю"6 аг/&) я широким диапазоном возможной варий-. циа промпюемостИ пород (К = йГ^-Ю*"1 ад), можно ориентировочно оценить скорости распространения даугузиенного и инфпль-трз&тоиного метасоматоза в природе по проеттд соотношениям;

.П^одстаьгснныс! нп рйс„ 19 ^зудьтаты.расчета показывают, что ии^иьтрзоионнц Й метасоматоз может распространяться на расото-. шпя значятатъпобашшо, чем для этого -требуется-Аос^ато^о. шеокая проницаемость горных пород шзе. 10*^ Проявлении ж[гд.итрлцио1шсго. метасома- -теза аз глубине должно способствовать тонловое разуплотнение ад^эдц'. Но дабольЕШх глубинах {яр Г гай ,":ирн температурах нпке . - нк$ильтращ5опный метасоматоз пророчен в основном к

зон^;Тгкто1Шческлх царуйщий, трещирвагости1, расславдеванця

• а ОколоТрссозшые и окаадякдьиис метасоиатячсскио изменения по:.*: • -"¿ой 'Д.;

..-' --. у; • - - ьв• :, : ; . --V ' •

ОСНОВШЕ ОНУШКОВАНШЕ РАБОТЫ ПО ТШ ДИССЕРТАЦИИ

Монографии

1. Зарайский Т.П., Шаповалов Ю.Б., Беляевская О.Н. Экспериментальное исследований кислотного метасоматоза. М,: Наука, 1961. 211) о,

2. Зарайский Г.П,, Жариков В.А», Стояновская Ф.М., Балашов В, Н. Экспериментальное исследование биметасомотического скарнообразоваяия. М.: Наука, 1986, 232 с.

3. Зарайский Г.П. Зональность и условия образования метаосма~ тических пород, ¡Л.: Наука, 1989. -

Статьи

4. Зарайский Г.П. Экспериментальное моделирование метасомати-ческой зональности при щелочном метасоматозе //Дскд.ЛИ СССР. 1969. Ш4 йб. 0.1409-1412.

6. Зарайский Г.П. Задачи эксперимепт&пьного изучения метасо-матической зональности //Кинетика и динамика геохимических, процессов. М.: ШЫС, 1971, 0.117-1536.,

6. Зарайский Г.П,, КариКов В.Л,, Стояновская ФЛЛ. Уксперетеи-Тальное моделирование бшетасоматической скариовой зональности //I ¡«Ьздународшй геохимический конгресс:' Доклады.-Т.З, ки.1. М.: ВИНИТИ, 1972, С.38-Й6.

7, Зпряпский Г.П., Зирлнов В.П. скспоримокталыгоо исследова-». -нио щелочного метасоматоза гранитов //7азбвые равновесия и . Процессы мииэрэдообразовоиия. 1.1.: Наука, 1973. С Л19-150. -

Б. Плповаюв к;.!;., Зарайский' Г.П. Зкспердагайтальноо исследование диффуз::, шо;5 мотасоыотическоЯ ;Зоашыюсти- при кис- . • лотиом выщелачивании гранитов //Метасоматизм и рудоббразо-взгшо. 'А.: Наука, 1974. 0.314-329. •:'

9. Зарайский Г.П., Дапутииа И.П: Распределите веэдства в ••'экспериментальных биметзсоматическях зональных колонках

по дашш1 рентгпнеспектрального. микроанализа //Геол.руда.

• . мссторбКд. 1976. С.34-48. ^ _

10, Зарайский. Г.П., Шаповалов Е.Б. Зкспершснгальное исследование физико-химических условий ьерезитизации //Докл. АН

, СССР. 1970. Т.238, .71. 0.207-210,

II.Зарайский Г.П. , Шлзшов В-.Н. О разуплотнении горных пород -при нагревании //Докл.АН•СССР, 1978. Т.240, УЛ. С.926-929,

• 59 ; .-■■ ' : • • •

12. Уарайский F.ü. > О дифференциальной подвижности компонентов при экспериментальном диффузионном метасоматозе // Проблема физико-химической петрологии. М.: Наука, 1979. Т.2. С.118-145.

í:3. ОарпЛспий Г.П., Балашов В.Н. Тепловое разуплотнение горних пород как фактор формирования гидротермальных месторождений. 1981. №. С.19-35.

14. Зарайский Г.П. Влияние кислотности-щелочности растворов на. миграцию компонентов в экспериментальных метаеоматиче-ских колонках //Кислотно основные свойства химических элементов, йянаралов, горных пород я природных растворов. М. Наука, 1982. С.. 156-Г72.

15.. Балашов В.Н.ч.-Зарайский Г.II., Тихомирова В,11., Постпова Л.Е. , oKCuffifííKíQííxajibHoe исследование дафрузии породообра-зуюедх коглншшнтов в поровых растворах при Т=250°С и Р= ÍÜ0 мПа //ГеоХПШя. 1983. И. С.30-42,

IG¿ 'Зарайский. Г.П., Балашов В.П. Горше порода как среда транспорта гядротершдьшх растворов //Геол.журнал. 1983.

;; > п >0'Ю Jb«^. —оо .

I?. SapaíícKJiií Г.П., Балашов В.Н. Ыеха1шзмы транспорта гидротермальных растворов //Там ;ке. С.38-49.

W. üapailCKUií Г,11., Рлд'шковз Е.В. , Шаповалов Ю.Б. Экспериментальное моделирование натриевого мегзесмагоза гранодп-орпта //Очерки'ркз.-хим.пет|юлогш1. Ц.:Наука,¿984. Вин. 1: 0.B1-U0.

19. Зарэйсквй ГЛК., Кроцаче» З.Д.», Семенов Ki.iL Гидротермал кая иф-.льтрецизтша.ч установка //Современная техника п . негода экспериментальной минералогии. Паука, 1985. С.» ^í'l-'

<¡0. Адрпков В.Д.„ Ахсщ Л.Ц.., Зарайский Г.П. Физико-химичес «ее условия скарнообразования //Уеловкя образования рул иесторокд-: Тр.УГ Сжетоэиуш МА1Т><!» Тбилиси, М.:Наука, Í3BO. G.bGOSbZ.: II. Зарзискпй ГЛ.«- и^апрвалов -Ю.Б,^ Бададов В.Н, .и др. Зксп< .рялектальпое ясслвдовавае .зойапьааетп 'и условии форшро: ;явя £удойосшх. 1©?асоиотвтов стадяп. каслотнсто виздзлачи тч //Эксперимент в решении ^ктуачьних задач геологи;;. Наука.,' С.250-.'7а.

; ' • во ' ' - . .-' : ' ; ■

22. Зарайский Г.П., Балашов В.Н. Метасоматическая зональность! теория, эксперимент, расчета //Очерки физ.-хим.петрол.М,: Наука, 190?. Вып. 14. С.136-182.

28. Евтехов В.Д., Зарайский Г.П., Балашов D.H., Валеов O.K. Зональность натриевых метасоматптов в железистых кварцитах Северного Криворожья //Очерки физ.-хим. петрол. М. : Наука,

1988. Вып.15. С.17-37.

24. Жариков В.Л., Зпельбаум U.E., Зарайский Г.П. и . ,р. Модели-; рование процессов тепло- и массопореноса на грейзеновом месторождении Акчатау //Там же. С.38-69.

25. Рядчикова-Е.В., Зарайский Г.П. Экспериментальная метасо-матическая колоша туршлинизащш //Там яе. С. 143-148.

26. Соболева Ю.Б., Зарайский Г.П., Шаповалов ß.B. Экспериментальное моделирование диффузионной зональности топазовых грепзенов //Там же. С.148-160.

2?. Зарайский Г.il. Кинетика и локальное равновесие при мета-соматических процессах /Д Всесоюз. симпозиум по кинетике и динамике геоши.процессов, (тез.докл.), Черноголовка:ИЭМ>

1989. С.

28. Зонов C.B., Зарайский Г.П., Балашов В.Н.■ Влияние теплового разуплотнения на проницаемость гранитов в условиях не- . большого превышения литостатического давления нздфлвид-

ш //Докл. АН СССР, 1989. Т.307, И. С.£91-195.

29. Заражений Г.П., Валавов В.Н., Лебедева 1.1.И. Иакрокиноти-ческая подоль метасоиатической зональности //Геохшия.

. 1989. t,4Ü. С.

30. 2arikov V.A., Saraieky G. P. Experlaentalle Undérsuchunger dar Mataaoaatoaa Zustand, Perspektiven //Ztssr.angew.Goo-ol. 1975. B.21, H.?

31. Zaraisky G.P., Balashov У.Я» Thermal docoftsolidation of rocke and its effect upon formation of hydrotheraal ore .. ßyotens //1AGCD VI Syap.Coll*Abatr. Tbilisi. |9а2.Ь279~ 280.

»

32. Zharlkov V.A., ItanoT X. P., Zarais&y Experimental inveatigation of the phyaico-chenleal conditions of tha nataaoaatic proeeeaee //Proc» 27th Int.Oeol.Congr»Petrology. 1984. Vol.9. P»151-180«

61

fr

33» fcareieky О»У», гЬагШлг V.A., StcyanoYeicaya ¥.4., Bala-ehov У.И» the experimental atudy of bimetasomatic ekarn formation //Int.Qeobftev. l967.Vol.29, N7. P.761-658.

34. BalaahovV.H., LebedeYaH.1*, Zaraleky G.P. She mitual diffusion «itb chemical interaction in the syatest MgO-3i0g-H20i к case of variable porosity //ierra Cognita.2nd int. Syep.Kxperim. Kiner« » Jetrol., Geol* Abatr.Bochum, FX®. 1988.

35« Z&raieky Experimental nodelling of metaeonuutlo zon-

ing at fluid-rock interact ion //froc. 6 th Int. Syap.Water-Book Interaction (lialvern). Rotterdam« Balkema.'ISBS.i'. 793-■ 796. •

36« Zaraifiky Q.S., Balshov Y.N., ionov S.V, Гьвгша! decompaction ofrcoks and its effect on permeability //Ibid. P. 797800.

37. Zaraisfcy C.P. Experimental modeling of bimetasoaatic cal-careoue slcarn zoning //Экагпаi Their Genesis end Metallo-geny. Athene t Thegphraetue rubj,. 1969.

38. Soboieva Jo.В., fcaraieky C.F. The solubility of corundum In K? eoHrtion at e6erate4 temperatures //1EMAS USSR Year book-ев. MfiKeuka. 1990»

62