Оценка условий кристаллизации ареального вулканизма Срединного хребта Камчатки
Оценка условий кристаллизации ареального вулканизма Срединного хребта Камчатки.
Курсовая работа студента 313 группы К.А. Бычкова.
Введение. Цель работы.
Данная работа посвящена изучению ареальных базальтов северной части Срединного Хребта (Камчатка) и оценки их физико-химических условий образования. Исследования проводились на основе геологического материала (в основном образцов оливиновых базальтов из лавовых потоков), отобранного доцентом кафедры петрологии П.Ю. Плечовым в ходе полевых работ в районе г. Терпук в августе 2002 года на Камчатке.
Цель работы заключалась в оценки параметров кристаллизации магнезиальных магм северной части Срединного Хребта - температуры, давления, содержания воды и режима кислорода. Другой целью работы являлось получение основных навыков лабораторной работы с геологическим материалом (разделение пород на монофракции, изготовление и подготовка препаратов для микрозондового анализа, описания препаратов и шлифов), составления и ведения лабораторной документации, оперирования с базами экспериментальными данных, и использования компьютерных расчетных методов.
Петрографическое изучение шлифов, отдельных зерен минералов, твердофазных и расплавных включений проводилось с целью общего описания породы, выделения парагенезисов и определения порядка кристаллизации. Для оценок исходного состава расплава анализировались гомогенизированные расплавные включения во фенокристаллах оливина. По анализам составов расплавных включений, оливинов и шпинелей, данным расчета по программе КОМАГМАТ, моделирование равновесия шпинель - расплав были получены оценки физико-химических условий образования ареальных базальтов района г. Терпук.
Всего в ходе выполнения данной работы было сделано 50 микрозондовых анализов минералов и стекол, описано 2 шлифа и просмотрено 40 отдельных зерен оливина. Кроме того, была выполнена серия закалочных экспериментов с зернами оливина, содержащими расплавные включения. Для калибровки математических моделей и сопоставления расчетных результатов с анализами интенсивно использовалась база петрографических данных Inforex, насчитывающая около 300 экспериментальных работ.
Автор выражает особую благодарность своим научным руководителям Арискину А.А. и Плечову П.Ю. за оказание неоценимой помощи в написании курсовой, за ценные советы и сведенья, предоставленные ими в ходе работы.
Хочется поблагодарить сотрудников лаборатории микрозондового анализа Коротаеву Н.Н. и Гусеву Е.В., без помощи которых не была бы проделана данная работа; Дирксена О.В. за предоставленный материал; сотрудников лаборатории термодинамики и математического моделирования природных процессов ГЕОХИ РАН - Николаева Г.С. и Бармину Г.С за объективные комментарии.
|
|
|
Рисунок 1. Топографическая схема района г. Терпук. На схеме обозначены лавовые потоки. Масштаб 1 : 100 000. Предоставлена О.В. Дирксеном (август 2002 года). |
Краткая геология района исследования и отбор образцов.
Детальное геологическое исследование района Срединного Хребта, в том числе и района г. Терпук представлено в работе Огородова Н.В. <Вулканы и четвертичный вулканизм Срединного хребта Камчатки>. Представленный здесь краткий геологический обзор основан на данных этой монографии.
Срединный хребет Камчатки представляет собой крупную, сложно построенную горно-вулканическую систему, которая протягивается почти по оси полуострова и является его главным водоразделом, разделяя бассейны Тихого Океана и Охотского моря. Общая длина хребта 900 км., а ширина колеблется от 60-70 до 130 км. Южная граница его проходит по широте р. Плотниковой, на севере хребет заканчивается в районе Камчатского перешейка. Средние высоты хребта 1500-1600 м, более десяти вершин выше 2500 м, наивысшая отметка - вулкан Ичинский (3621 м), который является действующим вулканом [Огородов, 1972]. Гора Терпук (791 м) располагается в 1 км на север северо-запад от горы Кэбеней, в северной части Срединного Хребта. В ходе полевых работ в августе 2002 г. П.Ю. Плечовым были отобраны образцы пород, в основном базальтов, из данного района (см. приложение 1), которые и послужили исходным материалом для данной работы.
Гора Терпук находиться в районе Седанского вулканического района (от верховий р. Рассошиной до р. Халгинчевая). Этот район характеризуется преимущественным развитием щитовых вулканов, близких к исландскому типу. В данном районе сосредоточены наиболее крупные щитовые вулканы, в основном, голоценового возраста. Слившиеся основания многочисленных щитовых вулканов, которые составляют верхний ярус рельефа, образовывали обширное пологоволнистое нагорье. В этом же районе отмечаеться максимальная интенсивность ареального вулканизма. Седанский вулканический район - один из наиболее сложно построенных. В этом районе выделяют северную и южную часть. Южная часть, наиболее нас интересующая, приурочена к водораздельной части хребта, высоты которого не превышают 700-800 м. Анализы абсолютных отметок выходов четвертичных эффузивов пород фундамента, и его литологический состав показывают что в этом районе происходит резкое погружение фундамента. С востока и запада южная часть района (вулкан Кэбеней) четко ограничена сбросами и располагается в структуре грабена. Восточный борт грабена фиксируется не только по смещению кровли пород фундамента, но и хорошо выражен морфологически резким обрывом платообразных поверхностей в районе верховий рек Левой, Юклыа и Поворотной. Западный борт грабена морфологически выражен менне четко. Ширина грабена составляет около 36 км, его центральная часть заполнена мощными базальтовыми излияниями верхнечетвертичного и голоценового времени. Борта грабена сложены древнечетвертичными лавовыми покровами. Северная часть Седенкинского района ограничена также структурой грабена. В южный район выходят следующие, наиболее крупные вулканы: Кэбеней, Седанкинский, Горного Института, в северной - Леутонгей, Тузовский, Твитунуп, Титила. Характерно, что эшелонированные ряды заканчиваются наиболее крупными вулканами, а в центральной части, как правило, широко представлн ареальный вулканизм. Для района в целом характерно линейное расположение не только шлаковых и лавовых конусов, ни и вулканов.
В общем, Серединный хребет характеризуется весьма сложным, мозаичным тектоническим строением. На первый план выступает блоковая тектоника. Формирование горной системы произошло в основном в четвертичное время. Мощное проявление четвертичного вулканизма способствовало не только росту горной системы, но и значительно усложнило тектоническое строение территории. Наибольшая тектоническая перестройка территории хребта соответствует районам проявления массовых базальтовых излияний. Таким образом, четвертичный вулканизм проявляется на фоне роста горной системы.
Материал для исследования из данного района отбирался из небольших шлаковых конусов, бортов лавовых потоков и валов, также было отобрано некоторое количество сильно выветренного материала у уреза воды оз. Комонного.
Методика исследований.
1. Отбор зерен оливина для изучения расплавных включений.
Для детального исследования фенокристаллов оливина необходимо было отделить их от общей массы породы. В связи с этим порода в начале делилась на монофракции, путем механического дробления в ступке Абиха. Порода дробилась до тех пор, пока в среднем размер зерен перестал превышать 2-3 мм. Полученный агрегат просеивался через специальный набор сит, для отбора фракций по размерам. Частички породы, не превышающие размерами 0.5 мм, представляющие из себя практически пыль, отбраковывались. Фракция 0.5-1.0 мм оставлялась для работы, а более крупные частицы снова дробились. Дальнейшее деление на минеральные фракции производилось с рабочей фракцией 0.5-1.0 мм. Полученную смесь в основном составляли зерна оливина, плагиоклаза и рудного минерала. Поскольку рудный минерал обладает магнитными свойствами, он легко отделялся с помощью магнита. Таким образом, в рабочей фракции остались только зерна минералов оливина и плагиоклаза. Дальнейшая работа по отбору заключалась в том, чтобы с помощью пинцета аккуратно отделять зерна оливина из общей массы и помещать в отдельный контейнер. Оливин определялся по его зеленовато-желтоватому цвету и сильному блеску под бинокуляром. Отобранные зерна оливина в масле просматривались под микроскопом на предмет обнаружения в них расплавных включений. После чего отобранные зерна (с присутствующими расплавными включениями) участвовали в закалочном эксперименте.
2. Проведение эксперимента.
Закалочный эксперимент проводился П.Ю. Плечовым при температуре 1250 0C и контролируемой фугитивности кислорода на уровне буфера CCO. Зерна оливина после нагрева закаливались в воде. В данном эксперименте не учитывалась температура гомогенизации каждого включения индивидуально, но была гарантирована температура, незначительно превышающая наивысшую температуру гомогенизации. В результате чего была достигнута гомогенизация всех исследуемых расплавных включений, хотя расплав мог вступать в реакцию с оливином, но вследствие малого времени эксперимента этот эффект сводился к минимуму, и при дальнейшей математической обработке результатов измерений химических составов эта ошибка практически исключалась.
3. Обработка и подготовка препаратов из зерен после эксперимента.
После закалочного эксперимента работа проводилась индивидуально с каждым зерном. Зерна оливина необходимо было подготовить для исследования с помощью микрозонда. Подготовка препаратов проводилась тщательно и аккуратно, так как анализирующая приставка микрозонда очень чувствительна к неровностям поверхности образца, вследствие изменения отклонения пучка отраженных электронов.
Каждое зерно оливина с расплавным включением, прошедшее закалку, и отобранное для исследования участвовало в следующих стадиях обработки:
Зерна индивидуально заливались эпоксидной смолой в отдельные столбики диаметром ~5мм и высотой ~1мм и оставлялись на несколько суток застывать. В итоге получался эпоксидный столбик с зерном на поверхности.
Каждый столбик с торца без зерна полировался шкуркой #1000 для того, чтобы через него нормально проходил пучок света, и возможно было рассматривать зерно оливина на другой стороне столбика в проходящем свете на поляризационном микроскопе.
Со стороны с зерном полировка производилась более тщательно и внимательно. Необходимо было немного приполировать поверхность, и рассмотреть зерно под микроскопом, для выявления включений и выбора того включения, которое будет выведено на поверхность.
Полировка столбика проводилась до тех пор, пока включение не появиться на поверхности зерна. Данный этап проводиться на шкурке #1200.
После того, как включение появиться на поверхность зерна, полировку надо было продолжать на алмазной пасте 5/7. До тех пор пока вся поверхность образца не станет достаточно ровной и гладкой (насколько позволяет данная паста). Контроль над качеством поверхности, проводился с помощью рудного микроскопа в отраженном свете.
Из отполированных столбиков зерна оливина изымались и выкладывались отполированной стороной на двухсторонний скотч в шашку (данная операция проводилась П.Ю. Плечовым).
Шашка с уложенными зернами заливалась эпоксидной смолой и откладывалась на пару дней для затвердевания эпоксидной смолы.
Затвердевшая шашка вынималась из полимерной оправы, тщательно отмывалась и чистилась, после чего поверхность полировалась на станке.
На готовую шашку напылялсь проводящий слой, для отвода заряда, и шашка была готова к работе на микрозонде.
4. Работа с препаратом на микрозонде.
Основным аналитическим методом изучения химического состава минералов, твердофазных и расплавных включений в них являлся микрозондовый анализ, проводимый при помощи энергодисперсионной микрозондовой приставки LinkSystem к электронному сканирующему микроскопу CamScan4DV кафедры петрологии МГУ. Для химического анализа использовался режим отраженных электронов при стандартном рабочем напряжении 15 кВ. Все фотографии минералов и включений в них выполнены во вторичных электронах при напряжении 20 кВ. При анализе минеральных фаз и расплавных включений определялись основные петрогенные компоненты: Si, Al, Ti, Fe, Mn, Mg, Ca, Na, K, а также анализировались Cr, Ni, P, Cl, S. Минералы анализировались в "точке" (фокусировка пучка - 3х3 микрона), для анализа стекол сканировалась площадка не менее 12 мкм во избежание потери щелочей (K и Na). Относительные ошибки при микрозондовом анализе составляют: при содержании элемента от 1 до 5% - 10% отн., от 5 до 10% - 5% отн., а при содержании более 10% - 2% отн.
Для контроля систематических ошибок измерений микрозонда использовался эталон стекла G30-2. Эталонный химический состав, померенный с помощью более высоко чувствительного метода, и результаты измерений на микрозонде CamScan представлены в следующей таблице:
|
Образец |
SiO>2> |
TiO>2> |
Al>2>O>3> |
FeO |
MnO |
MgO |
CaO |
Na>2>O |
K>2>O |
|
G30-2-1 |
51,24 |
1,70 |
14,90 |
10,22 |
0,28 |
5,76 |
10,91 |
3,24 |
0,64 |
|
G30-2-2 |
51,67 |
1,74 |
14,79 |
10,41 |
0,15 |
5,91 |
11,00 |
2,78 |
0,59 |
|
G30-2-3 |
51,66 |
1,83 |
14,60 |
10,46 |
0,12 |
5,92 |
11,00 |
2,74 |
0,67 |
|
G30-2-4 |
51,51 |
1,76 |
14,65 |
10,56 |
0,09 |
6,16 |
10,86 |
2,96 |
0,61 |
|
S для p=0.95 |
0,38 |
0,10 |
0,26 |
0,28 |
0,16 |
0,32 |
0,13 |
0,44 |
0,06 |
|
среднее |
51,52 |
1,76 |
14,74 |
10,41 |
0,16 |
5,94 |
10,94 |
2,93 |
0,63 |
|
Sr, % отн. |
0,75 |
6,01 |
1,76 |
2,75 |
102,54 |
5,45 |
1,24 |
15,29 |
10,01 |
|
Эталонный состав G30-2 |
51,52 |
1,61 |
15,21 |
10,07 |
0,19 |
6 |
10,63 |
3,06 |
0,57 |
|
Таблица 4. В таблице представлены результаты измерения химического состава эталонного образца G30-2 на микрозонде CamScan, а также эталонный химический состав образца. Для серии анализов на микрозонде посчитаны средние значения и случайные ошибки. |
Систематическая
погрешность рассчитывалась по формуле:
где
Х>i> - результат i - определения
состава методом, i=1,2, , n, Х>0> -
аттестованное значение химического
состава; Значимость систематической
погрешности при этом определяется с
помощью критерия,
,
где S>r> - относительная случайная
погрешность измерений. В результате,
чего было установлено, что систематическая
ошибка не выходит за допустимые границы.
Петрография и минералогия базальтов.
Составы базальтов района г. Терпук приведены в следующей таблице:
|
N |
SiO>2> |
TiO>2> |
Al>2>O>3> |
Fe>2>O>3> |
FeO |
MnO |
MgO |
CaO |
Na>2>O |
K>2>O |
P>2>O>5> |
ппп |
H>2>O+ |
комментарии |
|
6,00 |
48,75 |
1,34 |
17,30 |
5,55 |
5,15 |
0,10 |
8,18 |
9,18 |
3,20 |
0,80 |
0,43 |
0,57 |
0,24 |
вулк.Терпук, лавовый поток |
|
103,00 |
49,02 |
1,34 |
17,29 |
6,45 |
3,83 |
0,13 |
8,07 |
9,03 |
3,14 |
0,86 |
0,39 |
0,67 |
0,16 |
вулк.Терпук, лавовый поток |
|
105,00 |
49,23 |
1,37 |
17,50 |
3,73 |
6,27 |
0,08 |
7,87 |
9,31 |
3,20 |
0,86 |
0,37 |
0,53 |
0,14 |
вулк.Терпук, лавовый поток |
|
206/6 |
49,27 |
1,50 |
16,46 |
3,94 |
6,46 |
0,18 |
8,00 |
9,33 |
3,33 |
0,84 |
0,40 |
0,72 |
0,29 |
вулк.Терпук, лавовый поток |
|
207,00 |
48,88 |
1,45 |
17,05 |
3,61 |
6,60 |
0,14 |
7,66 |
9,20 |
3,31 |
0,85 |
0,35 |
0,73 |
0,18 |
вулк.Терпук, лавовый поток |
|
208/1 |
48,70 |
1,30 |
16,43 |
2,96 |
7,61 |
0,57 |
8,25 |
8,97 |
3,42 |
0,90 |
0,40 |
1,00 |
0,16 |
вулк.Терпук, лавовый поток |
|
7,00 |
48,56 |
1,32 |
17,31 |
4,41 |
6,12 |
0,45 |
7,50 |
8,82 |
3,06 |
0,79 |
- |
0,90 |
0,30 |
вулк.Терпук, лавовое озеро |
|
07/1 |
48,98 |
1,34 |
17,44 |
3,54 |
6,68 |
0,13 |
8,78 |
8,90 |
3,20 |
0,84 |
0,40 |
0,64 |
0,27 |
вулк.Терпук, лавовое озеро |
|
8,00 |
48,88 |
1,05 |
17,22 |
7,57 |
3,47 |
0,15 |
7,81 |
8,93 |
3,24 |
0,86 |
0,41 |
0,78 |
0,24 |
вулк.Терпук, лавовое озеро |
|
Таблица 5. Выдержка из объяснительной записке к геологической карте 1 : 200 000. В таблице представлены химические составы изверженных пород г. Терпук. |
Описание шлифов.
ПК 02/20 Оливиновый базальт. Структура порфировая, пористая, поры расположена хаотически, размеры 0,2 до 1 мм. Вкрапленники представлены кристаллами оливина и плагиоклаза, также встречаются характерные оливин плагиоклазовые сростки. Текстура основной массы интерсертальная - тонкие лейсты плагиоклаза в стекловатой матрице.
|
|
|
|
Фотография 6. На снимке изображена часть поверхности шлифа ПК 02/20. Изображение получено с поляризационного микроскопа Option со включенным анализатором и объективом x40. На снимках хорошо видны фенокристаллы оливина и плагиоклаза, на правом снимке представлены оливин плагиоклазовые срастания, в большой кристалл оливина врастают кристаллы плагиоклаза. |
ПК 02/27 Оливиновый базальт. Структура порфировая, пористая, поры расположена хаотически, размеры 0,2 до1,5 мм Вкрапленники представлены кристаллами оливина и плагиоклаза, также встречаются характерные оливин плагиоклазовые сростки. Текстура основной массы интерсертальная - тонкие лейсты плагиоклаза в стекловатой матрице.
|
|
|
|
Фотография 7. На снимке изображена часть поверхности шлифа ПК 02/27. Изображение получено с поляризационного микроскопа Option со включенным анализатором и объективом x10 на левом снимке и x40 на правом. На левом снимке хорошо виден большой фенокристалл оливина (в верхнем правом углу) с областями резорбции, так же видно, что порода пористая, размеры пор варьируют в широком диапазоне. На правом снимке представлен участок основной массы, сложенной вытянутыми кристаллами плагиоклаза и стекловатым агрегатом между кристаллами. |
Расплавные включения.
Расплавные включения представляют собой участки расплава, захваченные и законсервированные кристаллом в процессе роста или перекристаллизации из-за различных дефектов структуры поверхности (рис. 8). В первую очередь, для образования расплавных включений необходим расплав. Для того, чтобы произошел захват расплавного включения необходим дефект на фазовой границе кристалл-расплав. Наличие дефекта является основным условием образования расплавных включений.
В фенокристаллах оливина из ареальных базальтов г. Терпук наблюдается большое количество расплавных включений. Описание включений приводиться для зерен после закалочного эксперимента.
В зернах оливина из образца ПК 02/20 расплавные включения в основной своей массе представляют стекловатые области нередко с газовыми пузырьками размерами от 10 до 300 микрон. Морфологически можно выделить два типа включений. Первый тип под оптическим микроскопом отличается вытянутыми, каплевидными формами, коричневой окраской, частым присутствием газового пузырька. Второй тип включений обладает более изометричными округлыми формами, светлой прозрачной окраской, отсутствием газового пузырька (см. фотографию 9). Первый тип включений находился во всех изученных зернах. Часто эти включения формируют небольшие 5-10 шт. группы, хотя и встречаются отдельные экземпляры. Присутствует несколько включений с очень большими газовыми пузырьками, занимающими до 80% объема включения. Включения второго типа найдены только в некоторых зернах. Не обнаружено таких многочисленных скоплений этих включений в отличие от первого типа.
|
|
|
Фотография 9. Фотография под оптическим увеличением x25 зерна 08 из образца ПК 02/20. На фотографии представлен участок поверхности кристалла оливина с захваченными расплавными включениями. |
|
|
|
Фотография 10. Фотография под оптическим увеличением x25 зерна 01 из образца ПК 02/20, где представлен участок поверхности кристалла оливина с захваченными расплавными включениями. На изображении четко видно три включения. В правом нижнем углу светлая почти прозрачная округлая область занята включением одного типа, а два других включения принадлежат к другому типу, они отличаются как цветом, так и формой. В верхнем присутствуют кристаллические фазы. |
Зерна оливина из образца ПК 02/27 содержат кроме расплавных включений, многочисленные включения шпинели. Расплавные включения в этом зерне имеют большой диапазон размеров от 5 до 500 микрон. Встречаются сильно удлиненные включения (до 500мм в длину и 20-30 в ширину). Так же в этом образце обнаружен только один тип включений.
|
|
|
Фотография 11. Фотография под оптическим увеличением x25 зерна 15 из образца ПК 02/27, представлен участок поверхности кристалла оливина. На снимке видно, что в кристалле оливина присутствуют расплавные включения (центр снимка и нижний правый угол) и многочисленные мелкие включения шинели, хаотично разбросанные по всему зерну. |
Кроме оптического изучения расплавные включения исследовались с помощью микрозонда. Полный список анализов приведен в приложении 2.
К сожалению, в связи c влиянием краевыми эффектами на состав включения для дальнейшего изучения из всех померенных включений необходимо было отбраковать слишком маленькие включение, размерам не превышающие 20 микрон. Таким образом, осталось 8 <пригодных> для дальнейшего изучения составов включений, они приведены в таблице 12.
|
Образец |
SiO>2> |
TiO>2> |
Al>2>O>3> |
FeO* |
MnO |
MgO |
CaO |
Na>2>O |
K>2>O |
P>2>O>5> |
Cr>2>O>3> |
|
ПК 02/20 - 1 |
49,25 |
0,39 |
21,29 |
5,19 |
0,06 |
8,79 |
9,37 |
5,15 |
0,23 |
0,02 |
0,10 |
|
ПК 02/20 - 2 |
45,82 |
1,94 |
18,14 |
9,55 |
0,29 |
6,20 |
12,39 |
4,14 |
0,57 |
0,34 |
0,06 |
|
ПК 02/20 - 3 |
46,14 |
1,68 |
17,85 |
9,44 |
0,20 |
8,29 |
11,32 |
3,60 |
0,44 |
0,41 |
0,00 |
|
ПК 02/20 - 4 |
49,12 |
0,82 |
21,21 |
6,37 |
0,18 |
7,52 |
9,98 |
3,96 |
0,35 |
0,13 |
0,04 |
|
ПК 02/20 - 7 |
46,98 |
1,49 |
16,71 |
9,44 |
0,32 |
9,92 |
9,45 |
3,72 |
0,80 |
0,48 |
0,00 |
|
ПК 02/27 - 12 |
47,24 |
1,48 |
16,80 |
9,21 |
0,20 |
9,55 |
10,48 |
3,14 |
0,81 |
0,46 |
0,06 |
|
ПК 02/27 - 13 |
46,98 |
1,58 |
15,90 |
11,07 |
0,20 |
9,47 |
9,59 |
3,20 |
0,90 |
0,49 |
0,06 |
|
Таблица 12. В таблице представлены химические составы стекловатых включений из образцов ПК 02/20 и ПК 02/27 удовлетворяющие критерию по размеру включения превышающему 20 микрон. |
Полученные составы расплавных включений в общем случае не отвечают составам исходного расплава, так как при захвате порции расплава в кристалле на стенках минерала-хозяина из этого расплава начинает выпадать кристаллическая фаза. С учетом этих соображений из анализа состава расплавного включения можно получить истинный состав расплава. Для этих целей нужно промоделировать обратную кристаллизацию расплава. В данном случае в равновесии с расплавным включением должен находить оливин, определяем состав оливина находящегося в равновесии, добавляем к составу включению определенный процент этого минерала, и снова определяем равновесный оливин, расчет ведется до тех пор, пока состав равновесного оливина не приблизиться к измеренному составу оливина.
Состав равновесного оливина рассчитывается по модели Форда [Ford et., 1982] - равновесие оливин-расплав. Основой для метода служат термодинамические расчеты. Химическое равновесие двух фаз может быть представлено уравнением свободной энергии Гиббса.
ΔG = 0 = ΔH0 - TΔS0 + (P-1) ΔV0 + RTlnK, (1)
где K=aL>Fo>/aOl>Fo> константа равновесия реакции.
Данное уравнение можно привести к следующему виду
ln (XOl>i>/XL>i>) = C>0> + C>1>/T + C>2>(P-1)/T + C>3>ln(1*5(XL>Mg>+XL>Fe>+XL>Ca>+XL>Mn>+XL>Cr>+XL>Ni>)) + C>4>ln(3XL>Si>) + ΣC>j>ln(1-XL>j>), (2)
где С>0>, С>1>, С>2> равны соответственно ΔS0/R, -ΔH0/R, -ΔV0/R, а четвертый и пятый члены уравнения получены из выражения для активности компонентов в оливине (1.5X>i>)*(1.5(X>Mg>+X>Fe>+X>Ca>+X>Mn>+X>Cr>+X>Ni>))*(3X>Si>), последний член уравнения учитывает ошибки в выражении ln(XOl>i>/XL>i>) обусловленные добавлением добавочных компонентов. Температуры, вычисленные из уравнения отдельно для каждого из компонентов отвечают значениям T>Mg>, T>Fe>, T>Ca>, T>Mn>. При вычислениях необходимо учитывать тот факт, что в каждой фазе сумма всех катионов равна 1, а для оливина сумма двухвалентных катионов равна 2/3. Для известных концентраций X>i> в расплаве при заданном давлении достаточно просто выбрать температуру и рассчитать уравнение для X>Mg>+X>Fe>+X>Ca>+X>Mn>. Если их сумма получается достаточно низка, то температура слишком высока и наоборот, то есть, повышая или понижая температуры можно добиться того, чтобы сумма катионов приблизилась к 2/3. Все численные коэффициенты, используемые в уравнение, приведены в статье Форда, 1982. В общем случае ошибка вычисления температуры не превышает 10 0С.Для моделирования кристаллизации оливина из исходного расплава необходимо учитывать уравнения (2) и выражения для баланса масс.
XOl>i>=(XO>i>-FXL>i>)/(1-F), где F - часть оставшейся жидкости, XO>i> - начальное содержание катионов элемента i, XOl>i> и XO>i> содержание каждого элемента в оливине и расплаве, при степени кристаллизации F. Решения данной задачи тоже проводятся численными методами. Таким образом, получается геотермометр оливин-расплав, который и был использован для расчета процесса обратного фракционирования, при коррекции составов включений.Рассчитанные по данной модели составы равновесных расплавов представлены в таблице 13, также в таблице приведены расчетные температуры кристаллизации.
|
Образец |
SiO>2> |
TiO>2> |
Al>2>O>3> |
FeO* |
MnO |
MgO |
CaO |
Na>2>O |
K>2>O |
P>2>O>5> |
Cr>2>O>3> |
T, 0С |
|
02/20 - 1 |
47,98 |
0,37 |
20,14 |
10,05 |
0,06 |
7,34 |
8,87 |
4,88 |
0,22 |
0,02 |
0,10 |
1220,00 |
|
02/20 - 2 |
45,76 |
1,87 |
17,52 |
10,10 |
0,28 |
7,56 |
11,97 |
4,00 |
0,55 |
0,33 |
0,06 |
1201,00 |
|
02/20 - 3 |
46,31 |
1,69 |
17,99 |
10,07 |
0,20 |
7,86 |
11,41 |
3,63 |
0,44 |
0,41 |
0,00 |
1206,00 |
|
02/20 - 4 |
48,12 |
0,78 |
20,05 |
10,04 |
0,17 |
7,19 |
9,43 |
3,75 |
0,34 |
0,13 |
0,04 |
1195,50 |
|
02/20 - 7 |
47,47 |
1,57 |
17,59 |
10,03 |
0,34 |
7,79 |
9,95 |
3,92 |
0,84 |
0,51 |
0,00 |
1218,00 |
|
02/27 - 12 |
47,42 |
1,51 |
17,11 |
10,03 |
0,20 |
8,49 |
10,67 |
3,20 |
0,83 |
0,47 |
0,06 |
1225,00 |
|
02/27 - 13 |
47,98 |
1,73 |
17,33 |
10,03 |
0,22 |
7,21 |
10,45 |
3,49 |
0,99 |
0,54 |
0,07 |
1193,00 |
|
Таблица 13. В данной таблице представлены результаты пересчета составов исходных расплавов из составов расплавных включений, также в таблице представлены расчетные температуры кристаллизации для каждого состава. |
Составы стекол в расплавных включениях и полученные оценки составов расплавов нанесены на следующие диаграммы в координатах Al2O3-SiO>2>, TiO-SiO>2>, K>2>O-SiO>2>. Из диаграмм видно, что составы расплавов можно разделить на две группа (также видно, что в целом и составы стекол, тоже делятся на две группы, за исключением некоторых отскоков). Первая группа отвечает более высоким содержаниям Al>2>O>3> и более низким содержаниям K>2>O и TiO, вторая же группа наоборот содержит в целом меньше Al>2>O>3>, но больше K>2>O и TiO. Интересно отметить тот факт, что в среднем номера оливинов для этих включений сильно не различаются. То есть различные содержания, например, TiO в расплаве нельзя объяснить эволюцией расплава, так как, при разнице в содержании 2-3 раза, номер оливина отличается больше, чем на 3-4 номера Fo.
|
|
Рисунок 14. На диаграмме представлено распределение составов в координатах Al>2>O>3>-SiO>2>. Треугольниками и квадратами обозначены исходные измеренные составы для образцов ПК-02/20 и ПК-02/27, кружки обозначают откорректированные составы расплавов. На диаграмме видно, что составы можно разделить на две группы по содержанию Al>2>O>3> |
|
|
Рисунок 15. На диаграмме представлено распределение составов в координатах TiO-SiO>2>. Треугольниками и квадратами обозначены исходные измеренные составы для образцов ПК-02/20 и ПК-02/27, кружки обозначают откорректированные составы расплавов. На диаграмме видно, что составы можно разделить на две группы по содержанию TiO>2> |
|
|
Рисунок 16. На диаграмме представлено распределение составов в координатах K>2>O-SiO>2>. Треугольниками и квадратами обозначены исходные измеренные составы для образцов ПК-02/20 и ПК-02/27, кружки обозначают откорректированные составы расплавов. На диаграмме видно, что составы можно разделить на две группы по содержанию K>2>O |
В качестве другого критерия равновесия был рассмотрен коэффициент распределения Fe/Mg между оливином и расплавом. KdFe-Mg(Ol-L) = (x>FeO>/x>MgO>)Ol / (x>FeO>/x>MgO>)L. Для выяснения диапазона значений Kd в равновесных системах была использована база данных петрографических экспериментов Inforex [Ariskin]. Была получена выборка (более 150 экспериментальных составов расплав-оливин) для оценки значений Kd. Выборка составов удовлетворяла следующим условия: земные составы, с содержанием воды 0%, при атмосферном давлений (p < 0,1 kbar), с длительностью эксперимента более 48 часов, содержания щелочей менее 5%, содержания магния от 5% до 15%. Все составы из данной выборки были использованы в программе КОМАГМАТ 3.52 для расчет равновесных пар оливин-расплав. Полученные данные сравнивались с исходными экспериментальными данными. Как видно из графиков (рис. 17) распределение отклонений расчетных и экспериментальных параметров (температура, номер оливина, Kd) отвечает нормальному закону распределения, за исключением небольшого числа отскоков. Для дальнейшей работы все отклонения, превышающие 3 стандартных, были отбракованы. Результаты отбраковки представлены на гистограммах распределения (см. рисунок 17)
|
|
|
|
Рисунок 17. На левом рисунке представлена гистограмма отклонений расчетных температур равновесия (по программе КОМАГМАТ 3.52) от экспериментальных (взятых из базы Inforex). Данное распределения отвечает нормальному (Гауссовскому) распределению. На правом рисунке гистограмма отклонений расчетного номера оливина Fo (по программе КОМАГМАТ 3.52) от экспериментального (взятых из базы Inforex). Данное распределение также описывается нормальным законом. |
По результатом отбраковки получилась новая выборка в 140 составов. Зависимость константы распределения KdFe-Mg(Ol-L) для этих составов от Mg# были нанесены на график. Из этого графика видно, что все значения Kd попали в достаточно узкий интервал 0.3-0.35. Если построить такую же зависимость для составов образцов ПК 02/20 и ПК 02/27, то они так же впишутся в этот интервал значений (рис. 18). Таким образом, можно привести еще один аргумент, в пользу равновесности полученных составов, что позволяет расценивать их, как достоверные оценки исходных составов расплавов.
|
|
|
|
Рисунок 18. На левом рисунке представлена гистограмма отклонений расчетных констант распределения Fe/Mg в Ol/Liq (по программе КОМАГМАТ 3.52) от экспериментальных данных (взятых из базы Inforex). Данное распределения отвечает нормальному (Гауссовскому) распределению. На правом рисунке показана зависимость распределение Kd от Mg#. Видно, что значения занимают достаточно узкий интервал значений Kd в пределах 0,3-0,5. |
|
|
|
|
Рисунок 19. На левом графике показана зависимость Kd (по оси ординат) и Mg#(по оси абсцисс). На график нанесены значения для откорректированных составов расплавов из образцов ПК 02/20 и ПК 02/27. Серым цветом отмечена область равновесных значений Kd, полученная на основе статистической выборки из экспериментальной базы данных Inforex. Видно, что наши составы попадают в эту область значений. На правом графике показаны аналогичная зависимость Kd от Mg# но для исходных составов расплавов, видно, что только три состава попадают в нужную область. |
Физико-химические условия кристаллизации.
Летучесть кислорода
Летучесть кислорода определялась по Ol-Sp геобарометру (Ballhaus et al., 1991). В результате получилось значение соответствующее буферному равновесию никель-бунзенит (NNO).
Температура
Модель Форда
В результате расчет равновесия оливин-расплав для коррекции составов расплавов по модели Форда, кроме равновесных составов, были получены оценки температуры кристаллизации, значения температур приведены в таблице 20. Среднее значение температуры 1208,35 0С.
|
Образец |
Температура кристаллизации |
Таблица 20. В таблице представлены расчетные величины температур равновесной кристаллизации, рассчитанные по модели Форда. Среднее значение равно температуры равно 1208,35 0С. Расчет велся для условий равновесия оливин - расплав, исходя из измеренных составов оливинов и сосуществующих с ними расплавных включений. |
|
02/20 - 1 |
1220,00 |
|
|
02/20 - 2 |
1201,00 |
|
|
02/20 - 3 |
1206,00 |
|
|
02/20 - 4 |
1195,50 |
|
|
02/20 - 7 |
1218,00 |
|
|
02/27 - 12 |
1225,00 |
|
|
02/27 - 13 |
1193,00 |
Другой метод оценки температуры кристаллизации заключался в использовании программа КОМАГМАТ 3.52 (2000). Проводилось моделирование равновесной кристаллизации исходного расплава, при различных значениях давления и содержания воды в системе, которые корректировались для достижения Ol-Pl котектики. Первый расчет равновесной кристаллизации проводилось для условий атмосферного давления, буфера кислорода отвечающего NNO, и содержании воды 0 мас.%. В результате моделирования было выявлено, то что, система отвечает условиям субкотетической кристаллизации (Ol-Pl), но в тоже время видно, что для безводных условий, хорошей котектики не выходит, так как плагиоклаз начинает кристаллизоваться раньше, оливина. Предположительно, в системе наблюдается недостаток летучих, из-за различных величин dTпл/dPh>2>o для оливина и плагиоклаза, с добавлением в систему воды, температура кристаллизации плагиоклаза падает быстрее температуры кристаллизации оливина. Следовательно, при добавлении воды крист,аллизация выйдет на котектику. Расчетное количество воды составило 0,2 мас. %, при этом давлении температура кристаллизации для усредненного состава расплава равнялась 1190 0C. Динамику изменения температуры кристаллизации хорошо видно из таблиц 21-34. В левой колонке представлены схемы кристаллизации для сухих систем с атмосферным давлением, а в правой для систем с содержанием воды 0,2 мас. % и давлении 1,3 кбар. Представленные графики отражают кристаллизацию от 0 до 45 процентов кристаллизующегося вещества. Видно, что система находится в области ликвидуса Ol-Pl, в сухих системах из составов ПК 02/20 1-4, ПК 02/27 13 сначала кристаллизуется плагиоклаз, а составах ПК 02/20 7 и ПК 02/27 12 первым кристаллизуется оливин.
|
|
|
|
Рисунок 21. Модель равновесной кристаллизации расплава ПК 02/20 -1 (от 1 до 45) при давлении p=0.1kbar и содержании воды 0 мас. % |
Рисунок 22. Модель равновесной кристаллизации расплава ПК 02/20 -1 (от 1 до 45) при давлении p=1.3kbar и содержании воды 0.2 мас. % |
|
|
|
|
Рисунок 23. Модель равновесной кристаллизации расплава ПК 02/20 -2 (от 1 до 45) при давлении p=0.1kbar и содержании воды 0 мас. % |
Рисунок 24. Модель равновесной кристаллизации расплава ПК 02/20 -2 (от 1 до 45) при давлении p=1.3kbar и содержании воды 0.2 мас. % |
|
|
|
|
Рисунок 25. Модель равновесной кристаллизации расплава ПК 02/20 -3 (от 1 до 45) при давлении p=0.1kbar и содержании воды 0 мас. % |
Рисунок 26. Модель равновесной кристаллизации расплава ПК 02/20 -3 (от 1 до 45) при давлении p=1.3kbar и содержании воды 0.2 мас. % |
|
|
|
|
Рисунок 27. Модель равновесной кристаллизации расплава ПК 02/20 -4 (от 1 до 45) при давлении p=0.1kbar и содержании воды 0 мас. % |
Рисунок 28. Модель равновесной кристаллизации расплава ПК 02/20 -4 (от 1 до 45) при давлении p=1.3kbar и содержании воды 0.2 мас. % |
|
|
|
|
Рисунок 29. Модель равновесной кристаллизации расплава ПК 02/20 -7 (от 1 до 45) при давлении p=0.1kbar и содержании воды 0 мас. % |
Рисунок 30. Модель равновесной кристаллизации расплава ПК 02/20 -7 (от 1 до 45) при давлении p=1.3kbar и содержании воды 0.2 мас. % |
|
|
|
|
Рисунок 31. Модель равновесной кристаллизации расплава ПК 02/27 -12 (от 1 до 45) при давлении p=0.1kbar и содержании воды 0 мас. % |
Рисунок 32. Модель равновесной кристаллизации расплава ПК 02/27 -12 (от 1 до 45) при давлении p=1.3kbar и содержании воды 0.2 мас. % |
|
|
|
|
Рисунок 33. Модель равновесной кристаллизации расплава ПК 02/27 -13 (от 1 до 45) при давлении p=0.1kbar и содержании воды 0 мас. % |
Рисунок 34. Модель равновесной кристаллизации расплава ПК 02/27 -13 (от 1 до 45) при давлении p=1.3kbar и содержании воды 0.2 мас. % |
|
|
|
|
Рисунок 35. Модель равновесной кристаллизации расплава, усредненного состава (от 1 до 45) при давлении p=0.1kbar и содержании воды 0 мас. % |
Рисунок 36. Модель равновесной кристаллизации расплава, усредненного состава (от 1 до 45) при давлении p=1.3kbar и содержании воды 0.2 мас. % |
Давление
Для расчета величины давления использовалась модели Пустоветова равновесия расплав-шпинель. При заданной температуре взятой из расчетов программы КОМАГМАТа и состава расплава при различных давлениях рассчитывался состав кристаллизующейся шпинели. Давление выбиралось то, при котором, состав шпинели наиболее точно отвечал измеренному составу.
Далее снова проводились расчеты в КОМАГМАТЕ, но уже с новым значением давления, и новая полученная температура использовалась для расчета шпинелей. Таким образом, за несколько итерации значения температуры и давления сошлись на величинах 1195 0С и 1,3 кбар соответственно.
Подытоживая результаты расчетов, получаем следующие величины. Температура 1195 0C давление 1,3 кбар, содержание воды 0,2 мас.%, фугитивность кислорода отвечает условиям буферному равновесию никель-бунзенит (NNO).
Выводы.
Используя составы расплавных включений, результаты расчетов по программе КОМАГМАТ и данные моделирования равновесия шпинель - расплав, получены оценки интенсивных параметров при кристаллизации магнезиальных магм северной части Срединного Хребта в Центральной Камчатке. В результате изучения включений во вкрапленниках оливина (Fo>82.7-85.2>) из базальтовых потоков г. Терпук установлено, что они представляют высокоглиноземистые расплавы, которые по содержанию K>2>O и TiO>2> подразделяются на две группы. Расчеты по программе КОМАГМАТ при P=1 атм показывают, что обе группы можно рассматривать как субкотектические системы (Ol+Pl) с температурами ликвидуса около 1230 0С (относительно "низкокалиевая" группа I) и 1200 0С ("высокалиевая" группа II). Для оливинов, содержащих включения второго типа, получены микрозондовые данные по составам шпинелидов. Комбинируя эти данные с результатами моделирования начальных этапов кристаллизации и расчетами равновесия шпинель - расплав (Poustovetov, Roeder, 2001), удается оценить давление и летучесть кислорода. Таким образом, физико-химические условия кристаллизации базальтов отвечают содержанию H>2>O ~0.2 мас.%, давлению ~1.3 кбар и температуре ~1195 0С. Летучесть кислорода, оцененная при этой температуре по Ol-Sp геобарометру (Ballhaus et al., 1991), соответствует буферному равновесию никель-бунзенит (NNO).
Список литературы
1. А.А. Арискин, Г.С. Бармина "Моделирование фазовых равновесий при кристаллизации базальтовых магм." -М.: Наука, МАИК. "Наука/Интерпериодика", 2000.-363с.
2. Плечов, П.Ю., С. В. Трусов "Влияние граничных эффектов на состав расплавных включений: эксперимент и моделирование." -Вестник ОГГГГН РАН 2000, N 5 (15).
3. Плечов П. Ю. <Методики изучения расплавных и флюидных включений> 2000, http://students.web.ru/db/msg.html?mid=1151439&s=121100000
4. Реддер Э., (1987) <Флюидные включения в минералах> том 1, Москва, Мир, с. 557.
5. Реддер Э., (1987) <Флюидные включения в минералах> том 2, Москва, Мир, с. 632.
6. Покровский М.П. Лабораторные методы исследования полезных ископаемых. Часть 1. Общие вопросы лабораторных методов исследования, Екатеринбург, Изд-во УГГГА, 2001. 76 с.
7. L.V. Danyushevsky, S. Sokolov, T.J. Falloon. Melt Inclusions in Olivine Phenocrysts: Usign Diffusive Re-equilibration to Determine the Cooling History of a Crystal, with Implications for the Origin of Olivine-phyricVolcaniv Rocks. Journal of Petrology, 2002, Vol. 43, Number 9, pp. 1651-1671.
8. L.V. Danyushevsky, A.W. McNeill, A.V. Sobolev. Experimental and petrological studies of melt inclusions in phenocrysts from mantle-derived magmas: an overview of techniques, advantages and complications. Chemical Geology, 2002, Vol. 183, pp. 5-24.
9. Ariskin A.A., Nikolaev G.S. (1996) An empirical model for the calculation of spinel-melt equilibrium in mafic igneous systems at atmospheric pressure: I. Chromian spinels. Contrib. Mineral. Petrol. V. 123. p. 282-292.
10. C.E. Ford, D.G. RUSSELL, J.A. CRAVEN, and M.R.FISK "Olivine-Liquid Equilibria: Temperature, Pressure and Composition Dependence of the Crystal/Liquid Cation Partition Coefficients for Mg, Fe2+, Ca and Mn." Journal of Petrology, 1983, Vol. 24, Part 3, pp. 256-265.
11. Ballhaus, C., R. F. Berry, et al. "High pressure experimental calibration of the olivine-orthopyroxene-spinel oxygen geobarometer: implications for the oxidation state of the upper mantle." Contributions to Mineralogy and Petrology 107: 27-40, 1991.