Тройная система с котектикой

Поскольку в многокомпонентных системах, включающих твер­дые растворы переменного состава, всегда сохраняется по крайней мере одна степень свободы, то в изобарических условиях самым низкотемпературным равновесиям «кристаллы—расплав» соответ­ствует не точка, как в системах с эвтектикой, а линии или поверх­ности. Равновесие двух и более кристаллических фаз при наличии не менее одной степени свободы называется котектикой.

Примером подобных фазовых соотношений служит система CaMgSi₂0₆ (диопсид)—NaAlSi₃0₈ (альбит)—CaAl₂Si₂0₈ (анортит). Объемный вид изобарического сечения этой диаграммы для атмо­сферного давления представлен на рисунке 4.9, а. На сторонах трех­гранной призмы показаны фазовые соотношения в граничных двух-компонентных системах. Поверхность ликвидуса выделена крапом. Котектическая линия представляет собой пересечение ликвидусных поверхностей диопсида (черное) и плагиоклаза (серое). Сплошные линии на стороне альбит—анортит соответствуют ликвидусу и соли-дусу в этой двойной системе, а пунктирные линии характеризуют со­став плагиоклаза, равновесного с расплавом в присутствии третьей фазы — диопсида. Хорошо видно, что эвтектические смеси диоп­сид—анортит, диопсид—альбит и котектичекская смесь диоп­сид—плагиоклаз кристаллизуются при более низкой температуре, чем чисто полевошпатовые фазы.

Проекция когектической линии на треугольное основание приз­мы показана на рисунке 4.9, б. Кристаллизация расплавов, состав которых находится в поле выше котектики, начинается с диопси­да, а если состав расплава попадает в поле ниже котектики, то пер­вая кристаллическая фаза представлена плагиоклазом. Выделение раннего диопсида или плагиоклаза смещает состав остаточного расплава в сторону котектики. Когда достигается котектический

Часть III. Магматические горные породы (петрология)

состав, начинается совместная кристаллизация плагиоклаза и ди-опсида. Состав жидкой фазы при этом меняется вдоль котектики в сторону более низкотемпературного альбитового угла треугольни­ка. Кристаллизация прекращается в тот момент, когда жидкость полностью израсходована на образование смеси кристаллов плаги­оклаза и диопсида. Таким образом, последовательность кристалли­зации данной системы: Di → Di + Pl или Pl → Pl + Di. В процессе кристаллизации меняются не только количественные соотноше­ния между диопсидом и плагиоклазом, но и состав плагиоклаза, который по мере падения температуры обогащается альбитом. По­этому если на диаграмме не указан состав плагиоклаза, равновесно­го по отношению к расплаву, определить относительные количест­ва твердых и жидких фаз нельзя.

На рисунке 4.9, в составы плагиоклаза, которые кристаллизуют­ся на ликвидусе, показаны пунктирными кривыми. Например, при кристаллизации расплава А первым выделяется плагиоклаз Аn₈₀. Линия A—I₁-I₂ отражает изменение состава расплава по мере его охлаждения и выделения плагиоклаза. Расплав I ₂, который на­ходится на котектической линии, равновесен с плагиоклазом Аn₆₉ и диопсидом. Далее состав расплава меняется вдоль Котектики в сторону альбитового угла. Этот расплав все время остается в рав­новесии с диопсидом и плагиоклазом, но последний по мере паде­ния температуры становится все более богатым альбитовым компо­нентом. Валовый состав кристаллов в каждый момент времени находится на прямой, соединяющей составы диопсида и плагиок­лаза, равновесного с расплавом при данной температуре. Серия та­ких прямых показана на рис. 4.9, в в виде веера пунктирных линий, расходящихся из вершины Di. Для того, чтобы точно определить пропорцию твердых фаз, надо провести прямую через состав жид­кости и продолжить ее до пересечения с соответствующей соеди-тельной линией (коннодой) диопсид-плагиоклаз. Так, состав s₂ отвечает твердой фазе, равновесной с расплавом I ₂,а состав s₃ —сме­си плагиоклаза и диопсида, равновесной с расплавом I ₃ По мере кристаллизации, коннода диопсид-плагиоклаз смещается налево, поскольку плагиоклаз обогащается альбитовым компонентом. Ког­да эта коннода достигнет начального состава А, расплав окажется полностью раскристаллизованным. При этом плагиоклаз будет иметь состав Аn₅₅, а последняя капля расплава — состав I ₄.

При неравновесной кристаллизации плагиоклаза, обусловлен­ной медленной диффузией (см. раздел 4.3.4), ранние метастабиль-

4. Охлаждение и затвердевание магматических расплавов

Рис. 4.9. Изобарическое сечение системы CaMgSi₂0₆(диопсид)-NaAlSi₃0₈ (альбит)—CaAl₂Si₂0₈(анортит) при атмосферном давлении а — общий вид проекции поверхности ликвидуса; б, в — та же проекция с данными, иллюстрирующими последовательность кристаллизации, по А.Филпоттсу, 1990 Пояснения см. в тексте

ные плагиоклазы сохраняются в виде богатых анортитом ядер зональных кристаллов, а плагиоклаз на конечной стадии затверде­вания, наоборот, оказывается обогащенным альбитовым компо­нентом относительно равновесных составов.

Пропорции нормативного плагиоклаза и диопсида в котектиче-ском расплаве можно получить, проведя касательную к линии ко-тектики при выбранной температуре до пересечения с соответству­ющей коннодой диопсид—плагиоклаз. Как видно из рисунка 4.9, б и в, при атмосферном давлении котектическая смесь кристаллов в широком интервале температур состоит примерно из 40 мас.% плагиоклаза и 60 мас.% клинопироксена, и только для самых низ­котемпературных условий, когда котектика приближается к аль-

Часть 111. Магматические горные породы (петрология)

битовому углу, она делает заметный изгиб так, что касательные ста­новятся круче и доля клинопироксена в котектике возрастает.

Указанные выше пропорции плагиоклаза и пироксена близки к минеральному составу габбро и долеритов с офитовой структурой, которая таким образом может рассматриваться как результат сов­местной кристаллизации обоих минералов в условиях низкого дав­ления. Идиоморфизм плагиоклаза по отношению к клинопироксе-ну, характерный для офитовой структуры, определяется кинетическими факторами. Скорость нуклеации плагиоклаза вы­ше, чем клинопироксена, а скорость роста кристаллов, наоборот, ниже. Поэтому даже при одновременном вьщелении из расплава обоих минералов возникают относительно мелкие идиоморфные кристаллы плагиоклаза и более крупные неправильные зерна кли­нопироксена. Последние, обгоняя в росте кристаллы плагиоклаза, могут полностью бронировать их, прекращая массообмен с жидкой фазой. В результате формируются участки с пойкилоофитовой структурой. Различия в кинетике кристаллизации плагиоклаза и клинопироксена усиливаются с увеличением степени переохлаж­дения расплава относительно равновесной температуры ликвиду­са (см. раздел 4.2). Поэтому офитовая структура наиболее характер­на для маломощных тел жильных долеритов, которые затвердевали относительно быстро. Для плутонических габбро, слагающих круп­ные интрузивы, более типична панидиоморфнозернистая струк­тура с примерно равным идиоморфизмом плагиоклаза и клинопи­роксена. Однако в том и другом случае относительные количества этих минералов остаются близкими, что подтверждает котектиче-ский характер как долерита, так и габбро.

4.3.6. Эвтектические и котектические соотношения в системе Si0₂ (кварц)— KAlSi₃0₈ (ортоклаз)—NaAlSi₃O_s (альбит)—

Н₂0(вода)

Изобарическое сечение данной системы также представляет собой трехгранную призму, сторонами которой служат изобариче­ские сечения двойных систем: кварц—альбит, кварц—ортоклаз и аль­бит—ортоклаз (рис. 4.10, а). Две первые двойные системы — эвтек­тические, а третья система с непрерывным твердым раствором. В отличие от системы альбит—анортит система альбит—ортоклаз имеет температурный минимум на линии ликвидуса, т.е. мини­мальной температурой кристаллизации и плавления обладает не

_____________ 4. Охлаждение и затвердевание магматических расплавов _______________

крайний, а некоторый промежуточный состав в ряду твердых рас­творов. Вторая особенность этой системы заключается в том, что при температуре ниже солидуса появляется область ограниченной смесимости твердых растворов, которая расширяется с понижени­ем температуры. Эта область, выделенная на рисунке 4.10, а редкой горизонтальной штриховкой, ограничена линией сольвуса, имеющей верхнюю критическую точку. Выше критической температуры K-Na полевые шпаты обладают полной смесимостью альбитового и ор-токлазового компонентов, а ниже этой температуры гомогенные по­левые шпаты распадаются на две фазы: твердый раствор, обога­щенный альбитом (Ab_ss) и твердый раствор, обогащенный ортоклазом (Оr_ss). Составы этих фаз лежат на линии сольвуса. Чем ниже температура, тем больше разница в их составе.

Набор твердых фаз в кварц-полевошпатовой системе зависит от соотношений между температурами ликвидуса и сольвуса. Если поверхность ликвидуса находится выше критической точки сольву­са, то из расплава кристаллизуется кварц и один полевой шпат пе­ременного состава, т.е. соотношения являются котектическими, а если поверхности ликвидуса и сольвуса пересекаются, то из рас­плава выделяются кварц и два полевых шпата в эвтектических со­отношениях (см. рис. 4.10, а).

В первом случае моновариантному равновесию «кристал­лы—расплав» соответствует котектическая линия кварц + твердый раствор K-Na полевого шпата = расплав (рис. 4.10, б). Каждому со­ставу полевого шпата отвечает определенная равновесная темпера­тура, и имеется один состав полевого шпата, температура равнове­сия которого с расплавом в присутствии кварца минимальна (точка М на рис. 4.10, а и б)

Во втором случае в системе появляется эвтектическая точка, которая соответствует инвариантному равновесию кварц + два по­левых шпата = расплав. Температура этого равновесия фиксирова­на (рис. 4.10, в).

Если система кварц-ортоклаз-альбит не содержит воды, то тем­пература ликвидуса оказывается выше критической точки сольву­са (Т≥ 650 °С), и для равновесия «кристаллы-расплав» характерны котектические соотношения. Растворение воды в расплаве понижа­ет температуру ликвидуса, и поэтому в условиях высокого давления, когда растворимость воды становится достаточно большой, тем­пература ликвидуса может оказаться ниже критической точки соль­вуса. Температурный минимум на котектической кривой превраща-

Часть III. Магматические горные породы (петрология)

Рис. 4.10. Изобарические се­чения в системе NaAlSi308 (альбит)—KAlSi308 (орто­клаз)-Si02 (кварц)- Н20 (вода), по А. Филпоттсу, 1990 a — общий вид сечения; б — проекция поверхности ликвиду­са при котектическом равнове­сии расплава с кварцем и K-Na полевым шпатом переменного состава, жирная линия — котек-

тика, тонкие линии — изотермы поверхности ликвидуса, М — температурный минимум на ко-тектической кривой; в — проек-. ция поверхности ликвидуса при эвтектических соотношениях

между расплавом, кварцем и двумя полевыми шпата­ми — твердыми раствора­ми, обогащенными альби­том и ортоклазом, Е — эвтектическая точка. По­яснения см. в тексте

 

4. Охлаждение и затвердевание магматических расплавов

ется в инвариантную эвтектическую точку, соответствующую рав­новесию Q + Or_ss + Ab_ss = расплав.

При относительно высокой температуре последовательность кристаллизации по мере охлаждения расплава такова: (Q или K-Na Fsp) → (Q + K-Na Fsp). где K-Na Fsp — твердый раствор K-Na по­левого шпата. Достигнув котектики, состав расплава смещается вдоль котектической линии в сторону температурного минимума. При этом из расплава выделяются кварц и K-Na полевой шпат, от­носительные количества которых меняются так же, как и состав полевого шпата.

Если в системе существует эвтектическая точка, то минералы кристаллизуются в последовательности А→А+В→А+В + С, где А, В, С — твердые фазы, представленные кварцем и двумя полевы­ми шпатами.

Система Q—Оr—Аb и более сложная система Q—Or—Ab—An мо­делируют фазовые соотношения, возникающие при кристаллиза­ции кислых магм и плавлении кварц-полевошпатовых пород.

4.3.7. Двойная система с перитектикой

В случае эвтектических и котектических равновесий выделив­шиеся из расплава кристаллы не взаимодействуют с жидкой фа­зой, а при плавлении переходят в расплав целиком (без разложения). Однако в других случаях твердые фазы после своего образования мо­гут вступать в химическое взаимодействие с остаточным расплавом с образованием иных минералов, а при плавлении испытывать хи­мическое разложение.

Примером таких соотношений служат равновесия в системы Mg₂Si0₄-Si0₂. Изобарическое сечение магнезиальной части этой системы при атмосферном давлении показано на рисунке 4.11. Ес­ли расплав А охлаждается, то при температуре Т₁ начинается крис­таллизация форстерита. По мере увеличения количества кристал­лов форстерита в жидкой фазе растет концентрация кремнезема, и при T₂= 1557 °С расплав, богатый Si0₂, вступает в химическую ре­акцию с форстеритом; продуктом реакции является энстатит:

Mg₂Si0₄ + SiO₂ = 2MgSi0₃

кристаллы расплав кристаллы

Равновесие, возникающее при химическом взаимодействии кристалл-расплав, называется перитектикой, а точка Р, которая от-

Часть III.Магматические горные породы (петрология)

Рис. 4,11. Изобарическое сечение магнезиальной части системы Mg₂Si0₄ (форстерит)—Si0₂ (минералы кремнезема) при атмосферном давлении Пояснения см. в тексте

вечает составу расплава, реагирующему с ранее образованными кристаллами,— перитектической точкой.

Если исходный состав точно отвечает составу энстатита, то оли­вин и расплав прореагируют при Т= 1557 °С полностью, и система затвердеет при этой температуре в виде кристаллов энстатита. Ес­ли состав А находится между энстатитом и форстеритом, то первым будет израсходован расплав Р и возникнет смесь кристаллов эн­статита и форстерита. Если исходный состав В находится между энстатитом и расплавом Р, то первым будет израсходован форсте­рит, а из оставшегося расплава по мере охлаждения начнет выде­ляться энстатит; при Т= 1543 °С образуется эвтектическая смесь эн-статит + кристобалит (фаза Si0₂, устойчивая при Т> 1470 °С). Состав С, содержащий еще больше кремнезема, будет с самого на­чала кристаллизоваться по эвтектической схеме.

Рассмотренные соотношения указывают на возможность по­следовательной кристаллизации высокомагнезиального оливина и ортопироксена. Реакционные каймы ортопироксена, часто окру­жающие оливин в основных и ультраосновных породах, показыва- ют, что эта возможность реализуется в природе. Если порода, состоящая из оливина и магнезиального ортопи-

роксена испытывает нагрев в условиях низкого давления, то первая

4. Охлаждение и затвердевание магматических расплавов

порция расплава появится при температуре перитектики и будет иметь состав P (см. рис. 4.11). Если такой расплав будет отделен от твердого рестита и начнет охлаждаться, то равновесная кристалли­зация приведет к появлению породы, состоящей из ортопироксе-на и свободного кремнезема. Таким образом, при температуре, со­ответствующей точке Р, ортопироксен плавится инконгруэнтно, разлагаясь на оливин и обогащенный кремнеземом расплав. В от­личие от этого во всех рассмотренных выше случаях минералы пе­реходят в расплав целиком, т.е. плавятся конгруэнтно.