Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Петрология / Методы чередования кристаллизационной дифференциации

.doc
Скачиваний:
30
Добавлен:
29.03.2016
Размер:
39.42 Кб
Скачать

Методы чередования 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 примерную глубину обособления дифференциатов. Если, например, состав базальта близок к котектике 01-Срх-Р1 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:

где С, — концентрация химического элемента в остаточном рас­плаве; С0 — исходная концентрация этого элемента в первичной магме; F доля жидкой фазы на данной стадии кристаллизации; KD — коэффициент 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 К0 = Ствжи 1К в общем случае является переменной величиной, которая изменяется как функ­ция температуры, давления и состава расплава. Если эта зависимость известна или если в частном случае АП = const, то, зная состав кри­сталлической фазы, можно оценить химический состав расплава, из которого она возникла. Экспериментальным или расчетным тер­модинамическим путем определяют К0 не только для концентраций отдельных химических элементов, но и для отношений концентра­ций разных элементов.

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 дифференциа­тов. 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 Fog^^ 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 л и квидуса 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-

ой 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 Л FA/ (А = Na20 + + К20, F= FeO + МпО, Л/= 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 F и оливина, слагающего вкрапленники. Сле- /\ довательно, вариации составов базальтов / \ обусловлены разной степенью фракци- / \ онирования оливина. Одновременно / \

с дифференциатами возникают кумулаты — породы, обогащенные / *\о \

оливином относительно составаакопления Са и А1 замедлился, а затем содержания Са начали сни­жаться. Перегибы вариационных линий, характеризующих распре­деление Са и AI, отражают начало фракционирования клинопи- роксена, богатого Са, а потом основного плагиоклаза, богатого Са и Al. Р, 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 l i в самых поздних дифференциатах обус­ловлено отделением от расплава титаномагнетита.

Для проверки моделей дифференциации используются также ба­лансовые расчеты. I ели расплав С- возник в результате кристалли­зационной дифференциации первичной магмы С0, то должно вы­полняться равенство:

С0 = яС, + ЬС2 +... I /яСи + (1—а—Ь...—т)Сп, где С,, C2...Cj — составы твердых фаз, отделившихся от расплава; а, b,..., т — относительные количества этих фаз, Сп — состав остаточ­ного расплава. Методом наименьших квадратов подбирают такие коэффициенты а, /;,..., т, при которых сумма квадратов отклонений содержаний всех химических элементов от состава исходной магмы

С0 становится минимальной. Задача легко решается с помощью компьютера. Следует подчеркнуть, что таким способом можно под­твердить лишь возможность появления дифференпиата 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.