Принципы моделирования кристаллизации магм Лекция 4 сентября 2011 г. Одесса, ISES профессор, д.г.-м.н. Павел Юрьевич Плечов Петрология – наследница петрографии Наставление молодому преподавателю: «Избегайте точных определений, вводите не термины, а понятия. Старайтесь делать это с помощью аналогий и примеров.» Учебник по петрографии 1950-х годов «Петрография – самая запутанная из всех геологических наук» Сергей Баклаков из книги Олега Куваева «Территория» Базовые определения Магма от греч. µάγµα – тесто,густая мазь. В XVIII веке слово употреблялось в фармацевтике для желатина и густых мазей. В геологии впервые упомянуто Deodat de Dolomieu в 1794 г. для описания растворов, остающихся после выпаривания. Несколько неполных определений: Магма - представляет собой природный, чаще всего силикатный, огненно-жидкий расплав, возникающий в земной коре или в верхней мантии (Русская Википедия) Магма - расплавленная, преимущественно силикатная масса глубинных зон Земли; расплав соединений большого числа химических элементов, в котором преобладают кислород, кремний, алюминий, железо, магний, кальций, натрий и калий. (БСЭ) Магма – расплавленная порода, которая находится под поверхностью Земли и может также существовать на других планетах. (English Wikipedia) Магма – флюидо-силикатный расплав сложного состава (Емельяненко, Яковлева, 1985) Базовые определения Магма - смесь магматического расплава, кристаллов и/или их сростков и флюидной фазы, способная к перемещению. Магматический расплав – жидкая часть магмы. Магматических расплавов в магме может быть несколько. Они необязательно должны быть алюмосиликатными. Для земных условий доказано существование алюмосиликатных, карбонатных, фосфатных, сульфидных магматических расплавов. Магма – многофазная среда, кроме расплава (или нескольких расплавов) в ней могут находиться кристаллы и их сростки, ксенолиты вмещающих пород, пузырьки газа. Соотношения расплава и кристаллов определяет способность к перемещению всей массы целиком. 99% расплава + 1% кристаллов – магма, 1% расплава+99% кристаллов – не магма. Фаза - устойчивая по химическому составу область системы, имеющая границу раздела (фазовую границу). Базовые определения Флюид (от лат. fluidis — «текучий») — вещество, поведение которого при деформации может быть описано законами механики жидкостей. По этому определению магма тоже является флюидом Флюидные (летучие) компоненты – химические соединения с низкой температурой кипения (<100 C при 1 атм). К распространенным флюидным компонентам в магмах относятся H2O, CO2, H2, CH4, Cl2, F2, HCl, HF, SO2, N2, NH3, He, Ar. Это элементы-газы (водород, кислород, азот, галогены, инертные газы) и их соединения друг с другом и серой. Газовые пузырьки Летучие компоненты могут быть растворены в магме и могут находится в виде самостоятельной флюидной фазы (например, пузырьки газа в магме). Растворимость летучих компонентов в магме резко падает с уменьшением давления, т.е. при подъеме магма дегазирует. Во флюиде, отделяющемся от магмы, может содержаться большое количество растворенных рудных компонентов. Жизнь магмы от рождения до смерти До 20-30-х XX века считалось, что магма слагает одну из внутренних оболочек Земли - мантию. Достаточно канала или трещины, чтобы она начала подниматься к поверхности. С появлением геофизики (сейсмологии) было доказано, что мантия Земли твердая. Зарождение магмы – плавление субстрата Сегрегация магмы – отделение от субстрата Подъем магмы и кристаллизация Кристаллизация магмы в магматическом очаге Полная кристаллизация или излияние на поверхность и закалка Под каждым активным вулканом располагается «фабрика-конвейер» по производству, транспортировке и кристаллизации магмы. Главные типы магм в условиях земной коры Подавляющее большинство магм в земной коре имеет силикатный состав ( 30 мас.% < SiO2 < 85 мас.%). Силикатные: Базальтовая Андезитовая Риолитовая Щелочные Несиликатные: Карбонатитовая Фоскоритовая Сульфидная и другие (по M.Best,2003) распространенность Коматиитовая 4 3 2 Время, млрд.лет назад 1 Внешнее ядро Земли по современным представлениям жидкое, т.е. состоит из магмы. Его состав преимущественно металлический (Fe,Ni). В пределах земной коры металлические магмы не зафиксированы. Причины разнообразия магматических пород, предложенные >100 лет назад Изложено по статье D.Young “Norman Levi Bowen (1887–1956) and igneous rock diversity”//Geological Society, London, Special Publications 2002; v. 192; p. 99-111 - Смешение 2 первичных магм, базальтовой и риолитовой (Бунзен, 1851) - Ассимиляция вмещающих пород и смешение магм (ЛевинсонЛессинг, 1899) - Ликвация (Durocher,1857, Rosenbusch,1889) - Многообразие эвтектик (Teall,1888;Vogt,1903) - Существование разнообразных слоев магм от кислых до основных (Вальтерхаузен,1853; Durocher,1857) - Эффект Соре (термодиффузия) в крупных магматических очагах (Lagorio,1887; Teall,1888; Brögger,1890; Vogt,1891; Iddings,1892; Judd,1893) -Эффект Гойи и Шаперона (гравитационное перераспределение в жидкости) -(Iddings,1892; Brögger,1894) - Фракционная кристаллизация (Becker,1897; Левинсон-Лессинг, 1899; Боуэн, 1913) Франц Юльевич Левинсон-Лессинг (1861-1939) предложил для объяснения разнообразия пород комплексную модель ассимиляции, повторного плавления, дифференциации и многообразия эвтектик, наиболее прогрессивную на то время. Кристаллизационная дифференциация (кристаллизационное фракционирование) Предложена Н.Боуэном (1913) как основной механизм эволюции магм Кристаллизация И оседание При кристаллизационной дифференциации могут формироваться расслоенные комплексы Возможно не только оседание кристаллов, но и их всплывание. Всплывание кристаллов лейцита в магме Везувия было впервые предложено Ф.Ю.Левинсон-Лессингом (1899) для объяснения происхождения лейцититов Типы кумулятивных структур: а– ортокумулятивная, б– мезокумулятивная, в – адкумулятивная. 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. Слайд из лекций Л.В.Сазоновой Элементы-примеси Элементы-примеси - такие элементы, которые в рассматриваемой системе не входят стехиометрично в формулы минералов. (LILE): Li, K, Rb, Cs, Sr, Ba (HFSE): Zr, Nb, Ta, Hf (REE): La, Ce, Nd, Sm, Eu, Tb, Yb, Lu Группа Fe: Ni, Co, Cr, V, Mn (Fe) Коэффициент распределения. где Сiα – концентрация элемента в минерале, Сiβ – концентрация элемента в расплаве. Рассеянный элемент – элемент, для которого в данной системе выполняется закон Рауля, т.е. D не зависит от концентрации элемента в системе и является константой. • когерентные или совместимые элементы (Kd >> 1) • умеренно-когерентные (Kd > 1) • умеренно-некогерентные (Kd < 1) • некогерентные или несовместимые элементы (Kd << 1) Применение уравнения масс-баланса Cbulk=Σcixi - общий масс-баланс Cbulk=c1x1 + с2(1-x1) - масс-баланс для двух компонентов Для фракционирования в системе минералрасплав: Cbulk=CsF + CL(1-F), где F – степень фракционирования Cs/CL = Kd = D = const (для рассеянных элементов) Cbulk=cLDF + сL(1-F) => CL/Cbulk=1/(DF+1-F) Фракционная кристаллизация рассеянных элементов Csurface = D*CL CL = XL/ML CL = Xo-XS/M0-MS Концентрация элемента на поверхности кристалла Концентрация элемента в расплаве dXS/dMS = D*CL=D*(Xo-XS/M0-MS) Дифференциальная форма уравнения dXS/(Xo-XS)= D* dMS/(M0-MS) Перегруппировка членов уравнения ln (Xo-Xs) = D ln (Ms-Mo) + C Интегрирование Оценим свободный член интегрирования при t=0 (до кристаллизации Xs= Ms =0): C = ln Xo – D ln Mo ln [(Xo-Xs)/Xo] = D ln [(Mo-Ms)/Mo] Фракционная кристаллизация рассеянных элементов Xs = Xo[1-(1-Ms/Mo)D] Дифференцируем по Ms Csurface= dXs/dMs=D*XoMo(1−Ms/Mo)D−1 Co=Xo/Mo начальная концентрация F=(1−Ms/Mo) степень фракционирования C/Co = D FD-1 Различные способы фракционирования Основные факторы, влияющие на порядок кристаллизации 1.Состав исходного расплава 2.Давление комнатное – 1 атм ≈760 мм ртутного столба (торр) ≈ 1 бар ≈ 0.1 МПа) литостатическое – P(Па,кг/мс2)=ρgh, g ≈ 9.8 м/c , ρ ~ 2600-3500 кг/м3, 1 кбар ≈ 1000 атм ≈ 100 МПа ≈ 0.1ГПа ≈3.5 км 2 3.Содержание летучих компонентов (мас.%) или парциальное давление (доля от литостатического) J. Petrol. 19(1), 66–94 (1978) Расплав Состав расплава Оливин Кристобалит Эффект давления В среднем, поправка на давление + 5 градусов на кбар (50°/GPa). Для клинопироксена > 10°/kbar Для плагиоклаза < 2°/kbar Система диопсид-анортит. Данные для 1 GPa Presnall et al. (1978). Contr. Min. Pet., 66, 203-220. Влияние воды на температуру Вода по разному влияет на ликвидусные температуры различных минералов: На оливин почти не влияет На CPx ~15K/kbar На Pl ~ 40-60K/kbar Система диопсид-анортит. Данные для PH2O = 1 GPa из Yoder (1965), Данные для dry 1 GPa Presnall et al. (1978). Contr. Min. Pet., 66, 203-220. Трехмерная проекция Изотермическое сечение Получение изотермического сечения для системы диопсиддиопсид-альбит анортит при 1250oC (и (и 0.1 MPa) Morse (1994), (1994), Basalts and Phase Diagrams. Krieger Publishers. Порядок кристаллизации Ol Ol Ol http://Petrolog.Web.Ru/ Применение программного комплекса Petrolog3 для реконструкции составов расплавных включений 5 сентября 2011 г. Одесса, ISES профессор, д.г.-м.н. Павел Юрьевич Плечов Включения Гомофазного захвата Расплавные Твердофазные Расскристаллизованные Частично-расскристаллизованные Стекловатые Гетерофазного захвата Флюидные Однофазные Двуфазные Трехфазные Многофазные Природнозакаленные Экспериментально закаленные •кристаллические •микроксенолиты Комбинированные L+S L+V L+L F+S F+F F+F+S F+V F+V+S F+F+V+S Дочерние фазы во включениях в оливине Различный характер раскристаллизации расплавных включений в оливине. А – раскристаллизованное включение в оливине Ap92, поток Апахончич Б - раскристаллизованное включение Bul61, поток Булочка. Различные текстуры раскристаллизации включений Полностью раскристаллизованные включения в оливине Полностью раскристаллизованные включения в оливине из кугдитов, Гулинский массив. Метод гомогенизации [Frezotti et al.,1991] Что можно измерить в расплавном включении? Во время эксперимента: • Температура исчезновения последнего кристалла • Температура гомогенизации • Температура закалки Для стекловатого включения: Состав стекла Состав минерала-узника Состав минерала-хозяина Профили составов Размер включения Объем газового пузырька Стекловатое расплавное включение в оливине Обр. ПК-07-100 (Седанка, Камчатка) Что хотелось бы определить? Температура кристаллизации Состав расплава Давление кристаллизации Содержание летучих Фугитивность кислорода Термальную историю подъема Стекловатое расплавное включение в оливине Обр. ПК-07-100 (Седанка, Камчатка) Температура кристаллизации и состав минерала "ликвидусные термометры" это модели описывающие поверхность насыщения расплава конкретным минералом в РТХ пространстве. Общий принцип таких термометров заключается в определении системы уравнений описывающих, зависимость констант реакций образования миналов твердого раствора минерала от состава расплава и Т-Р параметров системы. Дополнительным уравнением является уравнение стехиометрии минерала. Если известен составы расплава и кристаллизовавшегося из этого расплава минерала, температура равновесия рассчитывается итерационным решением системы уравнений. Способы оценки содержания воды в расплаве Введение дополнительного условия котектики с другим минералом Наибольшее влияние воды на температуру равновесия плагиоклаз-расплав Котектика оливин-плагиоклаз очень чувствительна к содержанию воды Способы оценки давления Допущение о котектике с другим минералом. Наибольшее влияние давления на равновесие клинопироксен-расплав Котектика оливин-клинопироксен очень чувствительна к изменениям давления Возможны 3 случая поведения системы включениевключениеоливин: 1) потери Fe не происходило (B) 2) произошло полное переуравновешивание включения с оливином (B2) 3) произошло частичное переуравновешивание включения с оливином (B1) Эти 3 случая показаны на рис. Видно, что процесс потери Fe необратим экспериментально даже при большой выдержке при Th A - состав захваченного расплава B,B1,B2 - составы включений в 3 различных ситуациях (B - без переуравновешивания переуравновешивания,, B1 - 50% переуравновешивания,, B2 - 100% переуравновешивания переуравновешивания)) в момент извержения. переуравновешивания A,A1,A2 - составы включений для этих же 3 случаев после термометрического эксперимента до полной гомогенизации. R1,R2 - составы включений, заново переуравновешенных при температуре гомогенизации. На нижних рис. та же схема показана на примере конкретных включений высококальциевых бонинитов Тонга. 30 Fe-loss correction and melt composition FeO 25 20 Phase 15 10 n Glass Melt Rock Olivine Spinel 24 9 9 16 33 SiO2 42.40 41.23 44.15 38.75 TiO2 2.42 2.31 1.89 - 1.22 Cr2O3 0.04 0.04 - 0.03 17.37 Al2O3 17.77 17.07 14.43 - 37.64 Fe2O3 - 1.24 12.40 - - FeO 6.88 10.08 - 14.55 26.97 MnO 0.08 0.08 0.19 0.27 0.22 MgO 9.67 8.05 10.49 44.48 14.09 CaO 12.42 11.75 9.90 0.26 0.01 Na2O 4.56 4.38 3.46 - - K2O 2.95 2.81 1.89 - - P2O5 0.99 0.82 0.65 - - Total 100.1 98.36 99.97 5 0 Ol 50 0 0.25 MI 100 Ol 150 200 NiO 0.2 0.15 0.1 0.05 0 0 0.5 50 100 150 200 CaO 0.4 0.3 0.2 98.55 0.1 0 0 50 100 150 200 Temperature: 1230-1260°С Oxygen fugacity: QFM +1.3-2.3 l.u. 98.20 http://Petrolog.Web.Ru/