Химический состав магматических пород

Полное описание магматической горной породы должно вклю­чать не только сведения о минеральном составе, текстурах и струк­турах, но и количественные данные о химическом составе породы и слагающих ее минералов.

Химические элементы, входящие в состав горных пород, делят на два класса: петрогенные элементы и элементы-примеси. Петро-генные элементы — это главные составные части породообразующих минералов. Обычно к петрогенным относят те химические элемен­ты, содержание которых в горных породах превышает 0.1 мас.%. Хи­мические элементы, концентрация которых меньше 0.1 мас.%, на­зывают элементами-примесями, или малыми элементами. Принятая граница в значительной мере условна. Раздел геохимии, который изучает распределение в горных породах петрогенных химических элементов, называют петрохимией.

Содержания петрогенных химических элементов измеряют в массовых процентах (долях массы) или весовых процентах (долях веса). Поскольку вес пропорционален массе, то массовые и весовые проценты численно равны. Содержания элементов-примесей обыч­но измеряют граммами на тонну (г/т). Грамм на тонну равен 10^-6, или 10^-4%. В английском языке употребляется обозначение ррт (part per million).

Содержания петрогенных элементов в горных породах определя­ют путем химического или рентгеноспектрального анализа. Резуль­таты обычно представляют в форме оксидов, содержания которых пе­речисляют в таблицах в следующей последовательности: SiO₂, TiO₂, А1₂О₃, Сr₂О₃, Fe₂O₃, FeO, MnO, MgO, NiO, CaO, Na₂O, K₂O, P₂O₅, H₂O⁺, H₂O^-, CO₂, SO₃. Содержание легко удаляемых летучих компо­нентов, точнее не определенных, часто рассматривают как потери при прокаливании (п.п.п.). Сумма массовых или весовых процентов всех оксидов не должна выходить за пределы 100 ± 0.5 мас.%, что служит критерием качества выполненного анализа. В тех или иных породах содержания отдельных оксидов могут оказаться меньше 0.1 %, и они теряют петрогенное значение. Например, содержания Сr₂О₃ и NiO превышают 0.1 мас.% лишь в ультрамафических породах. Поэтому в других породах хром и никель обычно не определяют.

11. Петрохимия магматических пород

Следует обратить внимание на то, что в ходе анализа содержа­ния кислорода прямо не измеряют, а его количество рассчитывают исходя из стехиометрии оксидов. Если при этом в породе отдельно определен фтор, присутствующий в форме аниона F-, то часть кис­лорода оказывается в избытке, и для того, чтобы рассчитать истин­ное содержание кислорода, из результата анализа надо вычесть ко­личество кислорода, эквивалентное числу анионов F.

При анализе горных пород рентгеноспектральным методом раз­дельное определение двух- и трехвалентного железа невозможно. В результате анализа дается общее содержание железа в форме FeO или Fe₂O₃. Доля Fe в оксиде Fe₂O₃paвнa 70 мас.%, а в оксиде FeO — 77 мас.%. Поэтому для того, чтобы перевести содержание железа, представленного в виде Fe₂O₃, в форму FeO, надо умножить это содержание на 0.9 или разделить на 1.11. Другими словами, общее содержание железа FeO или Fe₂O₃ равно сумме: FeO = 0.9Fe₂O₃ + + FeO или Fe₂O₃ = Fe₂O₃ +1.11 FeO.

Соотношения между FeO и Fe₂O₃, полученные при их раздель­ном определении, часто отклоняются от первичного состава горной породы вследствие ее последующего окисления. Особенно это от­носится к вулканическим породам, которые интенсивно окисляют­ся на воздухе. Для того, чтобы устранить влияние эпигенетическо­го окисления или свести его к минимуму, можно пересчитать результаты анализов путем решения системы уравнений:

FeO' = 0.9Fe₂O₃+ FeO; Fe₂O₃/FeO = A.

Поданным Э.Миддлмоста (1989 г.), параметр А меняется в за­висимости от состава вулканических пород: базальт — 0.2, анде­зит — 0.35, дацит — 0.4, риолит, трахит, фонолит — 0.5.

Магматические породы почти всегда содержат то или иное ко­личество воды. Определяют содержание гигроскопической влаги (Н₂О^-), которая удаляется при нагревании навески до 110 ºС, и кон­ституционной воды (Н₂О⁺), входящей в состав минералов. Эта во­да удерживается в навеске вплоть до температуры дегидратации тех или иных минералов. Часть конституционной воды входит в первич­ные минералы (главным образом в амфиболы и слюды), но большая часть ее заключена во вторичных минералах: серпентине (13-17% Н₂О), хлорите (10-15% Н₂О), цеолитах (10-17% Н₂О) и др. Повы­шенные содержания СО₂ обычно связаны с появлением вторично­го карбоната. Благодаря этому вторичные изменения пород могут приводить к значительному обогащению их водой и углекислотой, а следовательно — к уменьшению содержаний других оксидов.

Часть II. Магматические горные породы (петрография)

Для того чтобы в наибольшей степени приблизить состав породы к первичному, необходимо пересчитать химический анализ на 100% сухого вещества, т.е. вычесть содержания Н₂О, СО₂, SO₃, (п.п.п.), а остаток привести к 100%.

При петрохимических исследованиях часто возникает необхо­димость пересчитать результаты химических анализов, выраженных в массовых или весовых процентах оксидов, на молекулярные или атомные количества. Молекулярное количество — это величина, про­порциональная числу молекул того или иного химического соеди­нения в единице массы (веса), а атомное количество — величина, пропорциональная числу атомов того или иного химического эле­мента в единице массы (веса). Для того чтобы вычислить молекуляр­ное количество оксида, нужно разделить содержание, выраженное в массовых процентах, на молекулярную массу данного оксида. Например, если в породе содержится 5 мас.% FeO (молекулярная масса равна 72), то 5: 72 = 0.07. Поскольку при таком делении в ча­стном получаются дробные числа, для удобства результат деления умножают на 1000, т.е. в данном примере молекулярное количест­во принимают равным 70.

Атомное количество зависит от числа атомов в оксиде. Если в оксид входит один атом данного химического элемента (FeO, MgO, СаО), то количество этого атома (Fe, Mg, Ca) численно рав­но молекулярному количеству оксида. Если в оксид входят два атома (К₂О, Na₂O, P₂O₅), то количество этого атома (К, Na, P) равно удвоенному молекулярному количеству оксида. При нали­чии трех атомов молекулярное количество надо утроить и т.п. Та­ким образом вычисляются количества как катионов, так и анио­нов кислорода. Для перевода массовых или весовых процентов в молекулярные или атомные количества существуют специальные таблицы, которые приводятся в руководствах, указанных в спис­ке литературы.

Петрохимические пересчеты

Если известен химический состав минералов, слагающих ту или иную породу, и относительные количества каждого минерала, то ва­ловый химический состав породы легко получить путем простого ба­лансового расчета. Обратная задача — определение минерального состава по валовому химическому составу породы — не имеет одно-

11. Петрохимия магматических пород

значного решения, поскольку один и тот же химический состав можно получить как сумму разных минералов. К тому же почти все породообразующие минералы имеют переменный химический со­став, а вулканические породы часто содержат стекло, состав кото­рого также непостоянен.

Однако в химическом анализе каждой горной породы все же заключена в неявной форме информация о ее минеральном соста­ве. Дело в том, что возможные комбинации минералов, слагающих магматические породы, отнюдь не безграничны. Породообразую­щие минералы встречаются в виде определенных ассоциаций, ко­торые обычно состоят не более, чем из 3-4 кристаллических фаз. Состав и относительные количества этих фаз обусловлены физико-химическими законами кристаллизации магматических расплавов. Химический состав отдельных минералов определяется достаточ­но жесткими стехиометрическими зависимостями между катиона­ми и анионами. Например, в оливине (Fe, Mg)₂SiO₄ отношение (Fe+Mg):Si = 2, а в пироксене (Fe,Mg)SiO₃ это отношение равно 1 и т.п. Вследствие этого состав минеральных ассоциаций находит от­ражение и в валовом химическом составе породы. При этом наибо­лее информативными оказываются не содержания отдельных окси­дов, а петрохимические параметры, учитывающие отношения молекулярных количеств оксидов или атомных количеств химиче­ских элементов. Ниже рассмотрены примеры простых параметров такого рода.