Петрология / Методы чередования кристаллизационной дифференциации
.docМетоды 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 = Ств/Сжи 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.