Методы исследования кристаллизационной дифференциации



Мы поможем в написании ваших работ!


Мы поможем в написании ваших работ!



Мы поможем в написании ваших работ!


ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

Методы исследования кристаллизационной дифференциации



Состав первичных магм близок к котектикам высокого давле­ния, а в ходе кристаллизационной дифференциации, протекаю­щей на малых глубинах, состав остаточной жидкости стремится к котектикам низкого давления. Сравнивая пропорции норматив­ных минералов, содержащихся в базальтах, габбро и других мантий­ных породах, с котектиками в модельных системах, можно оце­нить примерйую глубину обособления дифференциатов. Если, например, состав базальта близок к котектике 0l—Срх— Рl при ма­лом давлении, то эта порода может быть отнесена к дифференциа-там, а если состав пикрита близок к котектике высокого давления, то он может рассматриваться как первичный.

Разработан математический аппарат, описывающий измене­ние состава жидкой фазы в ходе кристаллизационной дифференци­ации, протекающей при тех или иных начальных и граничных ус­ловиях. Например, если расплав остается в равновесии с кристаллами (порционное плавление), то поведение химических элементов в сериях дифференциатов подчиняется закону распреде­ления Рэлея: Ci=C0*FkD-1

где Ci — концентрация химического элемента в остаточном рас­плаве; С0 — исходная концентрация этого элемента в первичной магме; F— доля жидкой фазы на данной стадии кристаллизации; KDкоэффициент распределения химического элемента между кристаллом и жидкостью, т.е. отношение концентраций этого эле­мента в твердой фазе и расплаве. Пользуясь уравнением Рэлея и его модификациями, учитывающими условия отделения твердых фаз от магмы, можно рассчитать геохимические модели кристаллизацион­ной дифференциации и сравнить полученные результаты с соста­вами реальных магматических пород.

Коэффициент распределения KD = Ствжидк в общем случае является переменной величиной, которая изменяется как функ­ция температуры, давления и состава расплава. Если эта зависимость


Часть III.Магматические горные породы (петрология)


известна или если в частном случае KD=const, то, зная состав кри­сталлической фазы, можно оценить химический состав расплава, из которого она возникла. Экспериментальным или расчетным тер­модинамическим путем определяют KD не только для концентраций отдельных химических элементов, но и для отношений концентра­ций разных элементов.

Рис. 6.4. Зависимость между желе-зистостью базальтового расплава (Fe/Mg) и температурой ликвиду­са (T) Р — первичная магма; D — дифферен-циат, возникший в результате фракци­онирования минералов, богатых маг­нием

Например, как уже отмечалось выше, коэффициент распреде­ления отношения Fe2+/Mg в оливине и в базальтовом расплаве ра­вен 0.3. Таким образом, зная состав оливина, можно установить железистость расплава в серии последовательных дифференциа-тов. В первичных мантийных магмах оливин Fo90 находится в рав­новесии с расплавом, имеющим отношение Fe2+/Mg = 0.37 и Mg/(Fe2+ + Mg) = 0.73. Столь низкая железистость типична для ультрамафических магматических жидкостей. В наиболее распро­страненных базальтах и габбро оливин имеет состав Fo80-60 и желе­зистость Fe2+/Mg = 0.25—0.67. Равновесная по отношению к нему магматическая жидкость имеет железистость Fe2+/Mg = 0.83-2.23, что характерно для дифференциатов первичных мантийных магм. При фракционировании (отделении) магнезиального оливина и пироксена, остаточные расплавы обедняются магнием, а содержа­ние железа возрастает или сохра­няется примерно на постоянном уровне. Поэтому в ходе кристал­лизационной дифференциации железистость (отношения Fe/(Fe+Mg) или Fe/Mg) возрас­тает. Железистость коррелирует-ся с понижением температуры ликвидуса остаточного расплава (рис. 6.4) и может служить крите­рием степени дифференциации мантийных магм5. Железистость возрастает до тех пор, пока не на­чинается кристаллизация магне­тита. Отделение этого минерала от расплава приводит к сниже­нию содержания железа в жид-

5 Таким же критерием служит магнезиальное число М — величина, обратная же-лезистости.


б. Магматические породы мантийного происхождения


кой фазе. Устойчивость магнетита в равновесии с расплавом опре­деляется окислительно-восстановительным потенциалом магмати­ческих систем. В наиболее восстановительных условиях магнетит во­обще может не выделяться из расплава, что приводит к появлению весьма железистых остаточных жидкостей, затвердевающих, напри­мер, в виде феррогаббро. В более окислительной обстановке магне­тит может начать кристаллизоваться достаточно рано, что вызыва­ет обособление менее железистых дифференциатов.

Ход кристаллизационной дифференциации можно представить с помощью различных геохимических диаграмм. Графики становят­ся особенно наглядными, если на них кроме составов пород нане­сти составы тех минералов, которые отделяются от расплава. На двойных или тройных диаграммах, отражающих корреляцион­ные связи между химическими элементами, составы дифференци­атов лежат на продолжении прямых, соединяющих составы первич­ных магм и тех минералов, которые из них выделились.

Например, на рисунке 6.5 показана диаграмма AFM(A = Na2O + + К20, F= FeO + МnО, M= MgO), на которую нанесены составы базальтов, излившихся на Гавайских островах. Отчетливо видно, что все составы располагаются вдоль линии оливинового контроля, соединяющей состав первичной магмы Р и оливина, слагающего вкрапленники. Сле­довательно, вариации составов базальтов обусловлены разной степенью фракци­онирования оливина. Одновременно с дифференциатами возникают ку-мулаты — породы, обогащенные оливином относительно состава Р (подробнее см. раздел 6.2.3).

На рисунке 6.6 показана
зависимость содержаний не­
которых петрогенных эле­
ментов в тех же базальтах от рис. 6.5. Изменение состава базаль-
магнезиального числа. Из ди- тов,обуслоленное фракциониро-

аграммы следует, что на ран- ванием оливина на диаграмме АРМ,

ней стадии дифференциации по А.Филпоттсу, 1990 г.

накапливались Р, К, Na, Ti, Р- первичная магма, кружки -диффе-

Са И А1, ЧТО было связано ренциаты, обедненные оливином, точ-

ки — кумулаты, обогащенные оливином

с отделением магнезиального относительно состава Р оливина. В дальнейшем темп


Часть III. Магматические горные породы (петрология)

Рис. 6.6. Изменение химического состава базальтов в ходе кри­сталлизационной дифференциации, по А.Филпотгсу, 1990 г. Пояснения см. в тексте

накопления Са и Аl замедлился, а затем содержания Са начали сни­жаться. Перегибы вариационных линий, характеризующих распре­деление Са и А1, отражают начало фракционирования клинопи-роксена, богатого Са, а потом основного плагиоклаза, богатого Са и Al. P, К, Na, Ti продолжали накапливаться и на поздней стадии дифференциации, поскольку концентрации этих некогерентных элементов во всех твердых фазах ниже, чем в исходном расплаве. Уменьшение содержаний Ti в самых поздних дифференциатах обус­ловлено отделением от расплава титаномагнетита.

Для проверки моделей дифференциации используются также ба­лансовые расчеты. Если расплав С1 возник в результате кристалли­зационной дифференциации первичной магмы С0, то должно вы­полняться равенство:

С0 = аС1 +bС2+... + тСi_1 +(1-а-Ь...-т)Сп, где C1, C2...Ci — составы твердых фаз, отделившихся от расплава; а, b,..,т — относительные количества этих фаз, Сn — состав остаточ­ного расплава. Методом наименьших квадратов подбирают такие коэффициенты а, b,..., т, при которых сумма квадратов отклонений содержаний всех химических элементов от состава исходной магмы


б. Магматические породы мантийного происхождения

С0 становится минимальной. Задача легко решается с помощью компьютера. Следует подчеркнуть, что таким способом можно под­твердить лишь возможность появления дифференциата за счет от­деления от исходного расплава тех или иных минералов. Для дока­зательства реальности этого процесса требуются дополнительные аргументы.

Кристаллизационная дифференциация является одним из глав­ных петрогенетических процессов, определяющих разнообразие магматических горных пород. Другие механизмы дифференциа­ции имеют второстепенное значение; они проявляются локально и лишь при благоприятном стечении обстоятельств. Например, ес­ли в ходе кристаллизационной дифференциации остаточный рас­плав одновременно обогащается кремнеземом, калием и железом, то может произойти самопроизвольное разделение расплава на две несмешивающиеся жидкие фазы, одна из которых близка по вало­вому составу к железистому пироксениту, а другая — к граниту. Самым наглядным признаком разделения жидких фаз, которое на­зывают ликвацией, служит наличие в одной магматической породе стекол разного состава, образующих участки с эмульсионной тек­стурой, которая описана в ряде земных и лунных базальтов.

Некоторые исследователи (А.А.Маракушев, В.А. Пугин и др.) рассматривают ликвационную дифференциацию жидких магм как широко распространенный процесс, играющий ведущую роль в пе-трогенезисе. Однако достаточных теоретических и эксперимен­тальных оснований для этого нет. Ликвация в силикатных магмах лишь иногда дополняет кристаллизационную дифференциацию, обусловленную фракционированием твердых кристаллических фаз. Вместе с тем ликвация может приводить к разделению силикатных и несиликатных (сульфидных, карбонатных, фосфатных) расплавов, которые характеризуются почти полной несмесимостью.

6.2.3. Кумулаты мантийных магм

В процессе кристаллизационной дифференциации первичные магмы разделяются на дифференциаты — остаточные расплавы и кумулаты — скопления кристаллических фаз. Самым распрост­раненным механизмом формирования кумулатов является гравита­ционное осаждение ранних кристаллических фаз (оливин, пирок­сен, хромовая шпинель) вблизи подошвы магматических камер, заполненных основными и ультраосновными расплавами. Отличи-


ЧастьIII. Магматические горные породы (петрология)


а б в


Рис.6.7. Типы кумуля­тивных структур: а — ортокумулятивная, б — мезокумулятивная, в — ад-кумулятивная, по Филпотт-су, 1990 г.


тельной особенностью кумулятивных пород являются характер­ные структуры, возникающие при затвердевании магматического осадка. Минералы ортокумулуса, которые соприкасаются друг с дру­гом в точках (рис. 6.7, д), образуются на начальной стадии осажде­ния. Если рост минералов продолжается и после того, как они вы­пали в осадок, возникают адкумулятивные структуры с большей площадью соприкосновения зерен (рис. 6.7, в). Сходные по строе­нию кристаллические агрегаты образуются и в тех случаях, когда ос­таточный расплав выжимается из порового пространства кумулата.

Соотношения концентраций химических элементов в твердых фазах и валовом составе кумулатов отличаются от тех, которые оп­ределяются равновесными коэффициентами распределения. Так, оливиновые кумулаты в целом более магнезиальны, чем магма­тические расплавы, и выделяются повышенными содержаниями никеля, заключенного в оливине. На геохимических диаграммах точки, отвечающие составам кумулатов, первичных магм и диффе-ренциатов, лежат на одной прямой (см. рис. 6.5).

Примерами кумулятивных образований могут служить при­донные части базитовых силлов, обогащенные оливином, некото­рые массивы дунитов и оливинитов, залежи хромититов в ультра-мафитах, пикриты с избыточными вкрапленниками оливина. Известны кумулятивные породы, возникшие вследствие всплыва-ния относительно легких кристаллов плагиоклаза в кровле магма­тических камер.

Другой механизм формирования кумулатов связан с диффе­ренциацией течения, которая проявляется при движении суспензий по узким каналам. При определенных геометрических характери­стиках канала, соотношениях скорости потока и его вязкости твер-


6. Магматические породы мантийного происхождения

дые частицы скапливаются в осевой части канала, авблизи стенок количество этих частиц резко уменьшается. Дифференциация тече­ния приводит, например, к обогащению оливином центральных частей некоторых крутопадающих пикритовых даек.



Последнее изменение этой страницы: 2016-06-19; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы!

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 3.214.224.207 (0.014 с.)