Все о геологии :: на главную страницу! Геовикипедия 
wiki.web.ru 
Поиск  
  Rambler's Top100 Service
 Главная страница  Конференции: Календарь / Материалы  Каталог ссылок    Словарь       Форумы        В помощь студенту     Последние поступления
   Геология >> Геохимические науки >> Петрология | Курсы лекций
 Обсудить в форуме  Добавить новое сообщение

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ И ТЕХНИЧЕСКАЯ ПЕТРОЛОГИЯ

Авторы: Е.Н.Граменицкий, А.Р.Котельников, А.М.Батанова, Т.И.Щекина, П.Ю.Плечов

Лаборатория эспериментальной и технической петрологии МГУ,
к. A-607, тел. 939-20-40

назад | содержание | вперед
Экспериментальная и техническая петрология. - М.: Научный Мир, 2000. - 416 с.

II-2-4. Равновесия минералов переменного состава.

Субсолидусная часть Т-Х диаграммы плагиоклазов.
Рис. 26. Субсолидусная часть Т-Х диаграммы плагиоклазов.

Метаморфические породы сложены преимущественно минералами переменного состава. Наибольшее значение имеет изоморфизм между магнием и железом в различных темноцветных минералах, калия и натрия в полевых шпатах и фельшпатоидах, натрия и кальция в плагиоклазах. Существуют и многие другие типы изоморфных замещений в твердых растворах минералов.

Равновесия с минералами - твердыми растворами значительно сложнее, чем с фазами постоянного состава, однако их использование открывает новые возможности. К относительно простым реакциям этого типа относится распад твердых растворов при понижении температуры. На рис. 26 показана фазовая диаграмма плагиоклазов, построенная на основе экспериментальных данных и анализов плагиоклазов из природных парагенезисов. Используя фазовые отношения этой диаграммы можно полуколичественно оценивать температуры образования плагиоклаз-содержащих парагенезисов.

Часто для упрощения написания метаморфических реакций и наглядного изображения парагенезисов принималось, что магний и двухвалентное железо в системах ведут себя как один компонент. С этих позиций равновесие граната и кордиерита в силлиманит- и кварцсодержащих кристаллических сланцах записывается как реакция:

2(Mg,Fe)3Al2Si3O12 + 4Al2SiO5 + 5SiO2 = 3(Mg,Fe)2Al4Si5O18 .
гранат силлиманит кварц кордиерит
Зависимость парагенезисов кордиерита, граната и силлиманита от соотношения  Mg, Fe и Al в присутствии кварца
Рис. 27. Зависимость парагенезисов кордиерита, граната и силлиманита от соотношения Mg, Fe и Al в присутствии кварца (часть диаграммы состав - парагенезис).

Судя по этой записи, совместное образование четырех указанных минералов возможно только в условиях, изображаемых моновариантной линией Р-Т диаграммы, т.е. при определенном соотношении температуры и давления. На самом деле область устойчивости этого парагенезиса очень широка. Как можно видеть на диаграмме состав-парагенезис (рис. 27), при одних и тех же температурах и давлениях и одном соотношении Al2O3 и (Mg,Fe)O в железистой части системы устойчив парагенезис левой части реакции, в магнезиальной - правой, а в промежуточной - всех четырех кристаллических фаз. Это связано с неодинаковым сродством разных минералов (в данном случае граната и кордиерита) к железу и магнию и вследствие этого с неравномерным распределением этих компонентов между ними. Железо преимущественно накапливается в гранате, а магний - в кордиерите.

Так же разрешается важный вопрос о причинах ассоциации водных и безводных минералов, долгое время бывший дискуссионным в метаморфической петрологии. Считалось, что ассоциируют водные минералы с продуктами их дегидратации: гиперстен и ортоклаз с биотитом, ставролит и андалузит с альмандином и др. Для объяснения допускалась возможность метаморфизма при недостатке воды (инертное поведение воды при метаморфизме). В ряде работ описывалось "переслаивание" пород амфиболитовой и гранулитовой фаций. Причина же лежит в различном соотношении в ассоциирующих минералах магния и железа.

Различия в соотношениях изоморфных компонентов (Мg-Fe2+, Аl-Fe3+) сосуществующих минералов определяют широкую по температуре и давлению область, в которой совместно могут быть устойчивы минералы, характерные для гранулитовой и эклогитовой фаций. На основе экспериментальных данных устанавливается, что реакция перехода от парагенезиса гранулитовой к эклогитовой фации: плагиоклаз + ортопироксен + клинопироксен = гранат + омфацит + кварц - в зависимости от железистости пород происходит при давлениях от 10 до 16 кбар (при 10000С), что соответствует перепаду глубин около 20 км (рис. 28). Раньше считалось, что этот переход определяет границу земной коры и мантии (порог Мохоровичича). Сейчас наиболее вероятным принимается скачкообразное изменение состава на этой границе.

При одинаковом типе (Mg Fe2+ или Na K и т.п.) изоморфизма двух сосуществующих минералов закономерность распределения изоморфных компонентов между ними определяется константой обменной реакции.

Последняя, например, для пироп-альмандинового граната и биотита флогопит-аннитового ряда имеет следующий вид:

Mg3Al2Si3O12 + KFe3AlSi3O10(OH)2 = Fe3Al2Si3O12 + KMg3AlSi3O10(OH)2.
пироп аннит альмандин

флогопит

KD = [ (XMg)Bi ´ (1- XMg)Gr] / [(XMg)Gr ´ (1- XMg)Bi].

В отличие от приведенных ранее моновариантных реакций, здесь каждая формула обозначает не отдельную фазу, а магнезиальную или железистую составляющую минерала (минал). У граната миналами являются соответственно пироп и альмандин, а у биотита - флогопит и аннит. Важно также отметить, что реакция зависит только от температуры и давления. В частности, она не зависит от парциального давления (летучести) воды, хотя в ней принимает участие гидроксилсодержащий минерал - биотит.

Уравнение реакции другого типа, "смещенных" равновесий, приведем на примере возрастания железистости кордиерита в парагенезисе с гранатом, силлиманитом и кварцем при изменении внешних условий:

2zMg3-xFexAl2Si3O12 + (2x-3y-3z)Mg2-yFeyAl4Si5O18 + 4zAl2SiO5 =
гранат > Mg-кордиерит силлиманит

= (3y-2x)Mg2-y-zFey+zAl4Si5O18+ (20x-21y-5z)SiO2.
> Fe-кордиерит кварц
Схема взаимоотношений гранулитов и эклогитов в зависимости от железистости пород при 1000С.
Рис. 28. Схема взаимоотношений гранулитов и эклогитов в зависимости от железистости пород при 10000С.

При изменении внешних условий в парагенезисе с гранатом, силлиманитом и кварцем становится устойчив кордиерит большей железистости. Смещение его состава (см. пунктир на рис. 27) сопровождается приведенной реакцией перераспределения вещества, причем на увеличение содержания в кордиерите железистого минала заимствуется материал граната и силлиманита. При этом увеличивается количество кварца в породе.

На изучении этих двух типов равновесий (обменных и смещенных) основан принцип соответствия составов находящихся в равновесии сосуществующих фаз (принцип "фазового соответствия"), который широко используется в петрологии. Следует обратить внимание на существенные отличия понимания использованных до сих пор моновариантных реакций от обменных и смещенных. Моновариантная реакция при произвольных внешних условиях идет до конца (устойчива либо правая, либо левая часть уравнения). Обменные и смещенные равновесия действуют в широком диапазоне условий, в котором стабилен изображаемый ими парагенезис минералов. Константы обменных и смещенных равновесий меняются непрерывно в пределах поля устойчивости парагенезиса, причем оказалось, что у первых они почти не зависят от давления (их объемный эффект близок к нулю), в то время как у вторых - наоборот, меньше зависят от температуры (имеют меньший энтропийный эффект при заметном объемном). Первые используются как геологические термометры, вторые - чаще как геобарометры. Современные количественные петрогенетические сетки основаны преимущественно на этих двух типах реакций, при подчиненном значении равновесий минералов постоянного состава.

История минеральной термобарометрии началась с работ Г. Рамберга, который впервые предложил использовать константы обменных реакций для термометрии, и Т. Барта, разработавшего первый геотермометр, основанный на распределении натрия между плагиоклазом и щелочным полевым шпатом. В начале 60-х годов работами Т. Барта, Ж.Виара и Г.Сабатье был впервые откалиброван двуполевошпатовый термометр и показана его применимость для оценки температур минералогенеза. Это дало мощный импульс изучения термодинамических свойств полевых шпатов и фельдшпатоидов, в 1965г появились работы П.Орвилля по обменным равновесиям полевого шпата и флюида, Ж.Деброн - нефелина и флюида. Обработка этих данных позволила Л.Л.Перчуку рассчитать термометр, основанный на распределении натрия и калия между нефелином и полевым шпатом. Используя двуполевошпатовый и нефелин - полевошпатовый термометры и анализы сосуществующих минералов из парагенезисов магматических и метаморфических пород Л.Л.Перчук в конце 60-х - начале 70-х годов разработал теорию метода фазового соответствия минеральных систем, предложил ряд минеральных термометров, основанных на равновесиях Fe-Mg минералов: гранат - биотит; гранат - кордиерит; гранат - амфибол и др. Он продемонстрировал широкие возможности применения метода в петрологии, в частности им было показано, что для целей термометрии оптимально использовать обменные реакции, характеризующиеся низким объемным эффектом и максимально возможным - энтропийным. Наибольший температурный эффект достигается в равновесиях водных и безводных минералов, таких как гранат и биотит. В 70-х годах были начаты экспериментальные исследования как обменных так и смещенных равновесий между

Разложение магнезиального (1) и железистого кордиерита на гранат,  силлиманит и кварц
Рис. 29. Разложение магнезиального и железистого кордиерита на гранат, силлиманит и кварц по данным разных авторов (╧╧ с 1 по 13)
По Л.Я..Арановичу.

твердыми растворами магнезиально-железистых минералов (гранатов, биотитов, кордиеритов). Однако опытные и расчетные данные часто противоречили друг другу, да и сходимость экспериментальных данных была невысока. Для примера на рис. 29 показаны реакции разложения кордиерита на гранат + силлиманит + кварц по данным различных авторов. Потребовалось еще 10 лет экспериментальных и теоретических исследований прежде, чем удалось откалибровать некоторые равновесия магнезиально-железистых минералов (гранат - биотит, гранат - кордиерит, гранат - ортопироксен и др.) и использовать их в качестве надежно работающих геотермометров и геобарометров. Подробное описание этих минеральных геотермометров и барометров проводится в курсе "Фазовое соответствие...", по которому опубликован учебник Л.Л.Перчука и И.Д.Рябчикова. Здесь можно лишь отметить, что экспериментальные данные с удивительно высокой точностью (не превышающей погрешности эксперимента) совпали с ранее теоретически выведенными зависимостями. Таким образом, в настоящее время существуют системы термометров и барометров, основанных как на равновесиях магнезиально-железистых, так и лейкократовых твердых растворов. Используя эти зависимости, петрологи стали активно изучать составы сосуществующих минералов и восстанавливать РТ- параметры эволюции метаморфических комплексов. Стало возможным картировать распределение этих параметров в зональных комплексах и прослеживать их изменение во времени. Однако вскоре появились данные, показывающие, что по различным геотермометрам (например, гранат - кордиерит и гранат - биотит) для одного и того же метаморфического комплекса получаются различные температуры, причем разница достигает 150 - 200оС). Один из авторов был свидетелем того, как профессора Л.Л.Перчука окружила группа петрологов на одной из конференций и начала с пристрастием допрашивать, почему же все термометры так сильно отличаются друг от друга - может быть, они неверные? На это Л.Л.Перчук в характерной для него манере ответил: ▒▓Истина не может быть неверной....▓▓ Позднее было показано, что каждый минеральный геотермометр имеет свою характерную температуру остановки распределения элементов между сосуществующими минералами. Поэтому нет ничего удивительного, что эти температуры, которые фиксируются при оценке РТ- параметров могут отличаться друг от друга даже в пределах одного комплекса.

Фазовые равновесия в системе СаО - МgO - CO2.
Рис. 30. Фазовые равновесия в системе СаО - МgO - CO2.

Для реконструкции РТ- параметров метаморфизма используют и реакции внутрикристаллического обмена. Речь идет о распределении элементов между неэквивалентными позициями кристаллической структуры минералов. Например, экспериментально изучено распределение железа между позициями М1 и М2 в структуре пироксена и распределение алюминия по неэквивалентным позициям (T1o и T1m) для полевых шпатов. Расчет температуры образования минерала по его структурному состоянию базируется на данных о соответствии величин коэффициентов распределения железа (для пироксенов) и алюминия (для полевых шпатов) определенным температурам, при которых достигалось внутрикристаллическое равновесие. Методика подобных опытов довольно простая: при определенной температуре и давлении проводится синтез пироксена и методами рентгеновского анализа и мессбауэровской спетроскопии изучается распределение железа между неэквивалентными позициями (М1, М2). Можно также взять образец природного пироксена, изучить внутрикристаллическое распределение Fe, а затем отжигать его при различных температурах следя за достижением равновесия (по структурным изменениям, т.е. по изменениям в мессбауэровских спектрах). Таким образом находится соответствие между определенными величинами распределения железа между М1, М2 и температурой. Аналогичные экспериментальные исследования проводятся и для полевых шпатов. Влияние давления на структурное состояние минерала как правило, невелико и составляет, например, для равновесия низкий альбит - высокий альбит 0.04 Дж/бар, поэтому нужны очень высокие давления (> 10 кбар), чтобы существенно повлиять на структурное состояние минералов. На рис. 30 показана зависимость распределения Fe и Mg в пироксенах между неэквивалентными структурными позициями М1 и М2 от температуры. По этим данным можно оценивать температуру образования минеральных парагенезисов с участием пироксена. Такие данные могут служить хорошим дополнением к оценкам ТР- параметров метаморфизма с помощью гранат - ортопироксенового геотермобарометра


назад | содержание | вперед

 См. также
СообщениеФазовые отношения во фторсодержащей гранитной и нефелин-сиенитовой системах и распределение элементов между фазами:
Биографии ученыхБатанова Анна Михайловна
Курсы лекцийУральская полевая геологическая практика. Книга 2 (Описание учебных объектов): Использованная литература:
Биографии ученыхГраменицкий Евгений Николаевич
СообщениеФазовые отношения во фторсодержащей гранитной и нефелин-сиенитовой системах и распределение элементов между фазами: 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ И АНАЛИТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕДУРЫ; ОЦЕНКА ТОЧНОСТИ; КРИТЕРИИ РАВНОВЕСИЯ В ОПЫТАХ

Проект осуществляется при поддержке:
Геологического факультета МГУ,
РФФИ
   
TopList Rambler's Top100