Курсовая работа студента 313 группы К.А. Бычкова.
Введение. Цель работы.
Даннаяработа посвящена изучению ареальных базальтов северной части Срединного Хребта(Камчатка) и оценки их физико-химических условий образования. Исследованияпроводились на основе геологического материала (в основном образцов оливиновыхбазальтов из лавовых потоков), отобранного доцентом кафедры петрологии П.Ю.Плечовым в ходе полевых работ в районе г. Терпук в августе 2002 года наКамчатке.
Цельработы заключалась в оценки параметров кристаллизации магнезиальных магмсеверной части Срединного Хребта — температуры, давления, содержания воды ирежима кислорода. Другой целью работы являлось получение основных навыковлабораторной работы с геологическим материалом (разделение пород намонофракции, изготовление и подготовка препаратов для микрозондового анализа,описания препаратов и шлифов), составления и ведения лабораторной документации,оперирования с базами экспериментальными данных, и использования компьютерныхрасчетных методов.
Петрографическоеизучение шлифов, отдельных зерен минералов, твердофазных и расплавных включенийпроводилось с целью общего описания породы, выделения парагенезисов иопределения порядка кристаллизации. Для оценок исходного состава расплаваанализировались гомогенизированные расплавные включения во фенокристаллахоливина. По анализам составов расплавных включений, оливинов и шпинелей, даннымрасчета по программе КОМАГМАТ, моделирование равновесия шпинель — расплав былиполучены оценки физико-химических условий образования ареальных базальтоврайона г. Терпук.
Всегов ходе выполнения данной работы было сделано 50 микрозондовых анализовминералов 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 исопоставления расчетных результатов с анализами интенсивно использовалась базапетрографических данных Inforex, насчитывающая около 300 экспериментальныхработ.
Авторвыражает особую благодарность своим научным руководителям Арискину А.А. иПлечову П.Ю. за оказание неоценимой помощи в написании курсовой, за ценныесоветы и сведенья, предоставленные ими в ходе работы.
Хочетсяпоблагодарить сотрудников лаборатории микрозондового анализа Коротаеву Н.Н. иГусеву Е.В., без помощи которых не была бы проделана данная работа; ДирксенаО.В. за предоставленный материал; сотрудников лаборатории термодинамики иматематического моделирования природных процессов ГЕОХИ РАН — Николаева Г.С. иБармину 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.
Детальноегеологическое исследование района Срединного Хребта, в том числе и района г.Терпук представлено в работе Огородова Н.В. . Представленный здесь краткийгеологический обзор основан на данных этой монографии.
Срединныйхребет Камчатки представляет собой крупную, сложно построеннуюгорно-вулканическую систему, которая протягивается почти по оси полуострова иявляется его главным водоразделом, разделяя бассейны Тихого Океана и Охотскогоморя. Общая длина хребта 900 км., а ширина колеблется от 60-70 до 130 км. Южнаяграница его проходит по широте р. Плотниковой, на севере хребет заканчивается врайоне Камчатского перешейка. Средние высоты хребта 1500-1600 м, более десятивершин выше 2500 м, наивысшая отметка — вулкан Ичинский (3621 м), которыйявляется действующим вулканом [Огородов, 1972]. Гора Терпук (791 м)располагается в 1 км на север северо-запад от горы Кэбеней, в северной частиСрединного Хребта. В ходе полевых работ в августе 2002 г. П.Ю. Плечовым былиотобраны образцы пород, в основном базальтов, из данного района (см. приложение1), которые и послужили исходным материалом для данной работы.
ГораТерпук находиться в районе Седанского вулканического района (от верховий р.Рассошиной до р. Халгинчевая). Этот район характеризуется преимущественнымразвитием щитовых вулканов, близких к исландскому типу. В данном районесосредоточены наиболее крупные щитовые вулканы, в основном, голоценовоговозраста. Слившиеся основания многочисленных щитовых вулканов, которыесоставляют 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 этомрайоне выделяют северную и южную часть. Южная часть, наиболее нас интересующая,приурочена к водораздельной части хребта, высоты которого не превышают 700-800м. Анализы абсолютных отметок выходов четвертичных эффузивов пород фундамента,и его литологический состав показывают что в этом районе происходит резкоепогружение фундамента. С востока и запада южная часть района (вулкан Кэбеней)четко ограничена сбросами и располагается в структуре грабена. Восточный бортграбена фиксируется не только по смещению кровли пород фундамента, но и хорошовыражен морфологически резким обрывом платообразных поверхностей в районеверховий рек Левой, Юклыа и Поворотной. Западный борт грабена морфологическивыражен менне четко. Ширина грабена составляет около 36 км, его центральнаячасть заполнена мощными базальтовыми излияниями верхнечетвертичного иголоценового времени. Борта грабена сложены древнечетвертичными лавовымипокровами. Северная часть Седенкинского района ограничена также структуройграбена. В южный район выходят следующие, наиболее крупные вулканы: Кэбеней,Седанкинский, Горного Института, в северной — Леутонгей, Тузовский, Твитунуп,Титила. Характерно, что эшелонированные ряды заканчиваются наиболее крупнымивулканами, а в центральной части, как правило, широко представлн ареальныйвулканизм. Для района в целом характерно линейное расположение не толькошлаковых и лавовых конусов, ни и вулканов.
Вобщем, Серединный хребет характеризуется весьма сложным, мозаичнымтектоническим строением. На первый план выступает блоковая тектоника.Формирование горной системы произошло в основном в четвертичное время. Мощноепроявление четвертичного вулканизма способствовало не только росту горнойсистемы, но и значительно усложнило тектоническое строение территории.Наибольшая тектоническая перестройка территории хребта соответствует районампроявления массовых базальтовых излияний. Таким образом, четвертичный вулканизмпроявляется на фоне роста горной системы.
Материалдля исследования из данного района отбирался из небольших шлаковых конусов,бортов лавовых потоков и валов, также было отобрано некоторое количество сильновыветренного материала у уреза воды оз. Комонного.
Методика исследований.
1.Отбор зерен оливина для изучения расплавных включений.
Длядетального исследования фенокристаллов оливина необходимо было отделить их отобщей массы породы. В связи с этим порода в начале делилась на монофракции,путем механического дробления в ступке Абиха. Порода дробилась до тех пор, покав среднем размер зерен перестал превышать 2-3 мм. Полученный агрегатпросеивался через специальный набор сит, для отбора фракций по размерам.Частички породы, не превышающие размерами 0.5 мм, представляющие из себяпрактически пыль, отбраковывались. Фракция 0.5-1.0 мм оставлялась для работы, аболее крупные частицы снова дробились. Дальнейшее деление на минеральныефракции производилось с рабочей фракцией 0.5-1.0 мм. Полученную смесь в основномсоставляли зерна оливина, плагиоклаза и рудного минерала. Поскольку рудныйминерал обладает магнитными свойствами, он легко отделялся с помощью магнита.Таким образом, в рабочей фракции остались только зерна минералов оливина иплагиоклаза. Дальнейшая работа по отбору заключалась в том, чтобы с помощьюпинцета аккуратно отделять зерна оливина из общей массы и помещать в отдельныйконтейнер. Оливин определялся по его зеленовато-желтоватому цвету и сильномублеску под бинокуляром. Отобранные зерна оливина в масле просматривались подмикроскопом на предмет обнаружения в них расплавных включений. После чегоотобранные зерна (с присутствующими расплавными включениями) участвовали взакалочном эксперименте.
2.Проведение эксперимента.
Закалочныйэксперимент проводился П.Ю. Плечовым при температуре 1250 0C иконтролируемой фугитивности кислорода на уровне буфера CCO. Зерна оливина посленагрева закаливались в воде. В данном эксперименте не учитывалась температурагомогенизации каждого включения индивидуально, но была гарантированатемпература, незначительно превышающая наивысшую температуру гомогенизации. Врезультате чего была достигнута гомогенизация всех исследуемых расплавныхвключений, хотя расплав мог вступать в реакцию с оливином, но вследствие малоговремени эксперимента этот эффект сводился к минимуму, и при дальнейшейматематической обработке результатов измерений химических составов эта ошибкапрактически исключалась.
3.Обработка и подготовка препаратов из зерен после эксперимента.
Послезакалочного эксперимента работа проводилась индивидуально с каждым зерном.Зерна оливина необходимо было подготовить для исследования с помощьюмикрозонда. Подготовка препаратов проводилась тщательно и аккуратно, так каканализирующая приставка микрозонда очень чувствительна к неровностямповерхности образца, вследствие изменения отклонения пучка отраженныхэлектронов.
Каждоезерно оливина с расплавным включением, прошедшее закалку, и отобранное дляисследования участвовало в следующих стадиях обработки:
Зернаиндивидуально заливались эпоксидной смолой в отдельные столбики диаметром ~5мми высотой ~1мм и оставлялись на несколько суток застывать. В итоге получалсяэпоксидный столбик с зерном на поверхности.
Каждыйстолбик с торца без зерна полировался шкуркой #1000 для того, чтобы через негонормально проходил пучок света, и возможно было рассматривать зерно оливина надругой стороне столбика в проходящем свете на поляризационном микроскопе.
Состороны с зерном полировка производилась более тщательно и внимательно.Необходимо было немного приполировать поверхность, и рассмотреть зерно подмикроскопом, для выявления включений и выбора того включения, которое будетвыведено на поверхность.
Полировкастолбика проводилась до тех пор, пока включение не появиться на поверхности зерна.Данный этап проводиться на шкурке #1200.
Послетого, как включение появиться на поверхность зерна, полировку надо былопродолжать на алмазной пасте 5/7. До тех пор пока вся поверхность образца нестанет достаточно ровной и гладкой (насколько позволяет данная паста). Контрольнад качеством поверхности, проводился с помощью рудного микроскопа в отраженномсвете.
Изотполированных столбиков зерна оливина изымались и выкладывались отполированнойстороной на двухсторонний скотч в шашку (данная операция проводилась П.Ю.Плечовым).
Шашкас уложенными зернами заливалась эпоксидной смолой и откладывалась на пару днейдля затвердевания эпоксидной смолы.
Затвердевшаяшашка вынималась из полимерной оправы, тщательно отмывалась и чистилась, послечего поверхность полировалась на станке.
Наготовую шашку напылялсь проводящий слой, для отвода заряда, и шашка была готовак работе на микрозонде.
4. Работа с препаратом на микрозонде.
Основныманалитическим методом изучения химического состава минералов, твердофазных ирасплавных включений в них являлся микрозондовый анализ, проводимый при помощиэнергодисперсионной микрозондовой приставки LinkSystem к электронномусканирующему микроскопу CamScan4DV кафедры петрологии МГУ. Для химическогоанализа использовался режим отраженных электронов при стандартном рабочемнапряжении 15 кВ. Все фотографии минералов и включений в них выполнены вовторичных электронах при напряжении 20 кВ. При анализе минеральных фаз ирасплавных включений определялись основные петрогенные компоненты: Si, Al, Ti,Fe, Mn, Mg, Ca, Na, K, а также анализировались Cr, Ni, P, Cl, S. Минералыанализировались в «точке» (фокусировка пучка — 3х3 микрона), дляанализа стекол сканировалась площадка не менее 12 мкм во избежание потерищелочей (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 присодержании более 10% — 2% отн.
Дляконтроля систематических ошибок измерений микрозонда использовался эталонстекла G30-2. Эталонный химический состав, померенный с помощью более высокочувствительного метода, и результаты измерений на микрозонде CamScanпредставлены в следующей таблице:Образец
SiO2
TiO2
Al2O3 FeO MnO MgO CaO
Na2O
K2O 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.
Систематическаяпогрешность рассчитывалась по формуле: />где Хi — результат i — определения состава методом, i=1,2,, n, Х0 — аттестованное значениехимического состава; Значимость систематической погрешности при этомопределяется с помощью критерия, />, где Sr — относительнаяслучайная погрешность измерений. В результате, чего было установлено, чтосистематическая ошибка не выходит за допустимые границы.
Петрография и минералогия базальтов.
Составыбазальтов района г. Терпук приведены в следующей таблице:N
SiO2
TiO2
Al2O3
Fe2O3 FeO MnO MgO CaO
Na2O
K2O
P2O5 ппп
H2O+ 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.
ПК02/20 Оливиновый базальт. Структура порфировая, пористая, поры расположенахаотически, размеры 0,2 до 1 мм. Вкрапленники представлены кристаллами оливинаи плагиоклаза, также встречаются характерные оливин плагиоклазовые сростки.Текстура основной массы интерсертальная — тонкие лейсты плагиоклаза встекловатой 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.
ПК02/27 Оливиновый базальт. Структура порфировая, пористая, поры расположенахаотически, размеры 0,2 до1,5 мм Вкрапленники представлены кристаллами оливинаи плагиоклаза, также встречаются характерные оливин плагиоклазовые сростки.Текстура основной массы интерсертальная — тонкие лейсты плагиоклаза встекловатой 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.
Расплавныевключения представляют собой участки расплава, захваченные и законсервированныекристаллом в процессе роста или перекристаллизации из-за различных дефектовструктуры поверхности (рис. 8). В первую очередь, для образования расплавныхвключений необходим расплав. Для того, чтобы произошел захват расплавноговключения необходим дефект на фазовой границе кристалл-расплав. Наличие дефектаявляется основным условием образования расплавных включений.
/>
Вфенокристаллах оливина из ареальных базальтов г. Терпук наблюдается большоеколичество расплавных включений. Описание включений приводиться для зерен послезакалочного эксперимента.
Взернах оливина из образца ПК 02/20 расплавные включения в основной своей массепредставляют стекловатые области нередко с газовыми пузырьками размерами от 10до 300 микрон. Морфологически можно выделить два типа включений. Первый тип подоптическим микроскопом отличается вытянутыми, каплевидными формами, коричневойокраской, частым присутствием газового пузырька. Второй тип включений обладаетболее изометричными округлыми формами, светлой прозрачной окраской, отсутствиемгазового пузырька (см. фотографию 9). Первый тип включений находился во всехизученных зернах. Часто эти включения формируют небольшие 5-10 шт. группы, хотяи встречаются отдельные экземпляры. Присутствует несколько включений с оченьбольшими газовыми пузырьками, занимающими до 80% объема включения. Включениявторого типа найдены только в некоторых зернах. Не обнаружено такихмногочисленных 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.
Зернаоливина из образца ПК 02/27 содержат кроме расплавных включений, многочисленныевключения шпинели. Расплавные включения в этом зерне имеют большой диапазонразмеров от 5 до 500 микрон. Встречаются сильно удлиненные включения (до 500ммв длину и 20-30 в ширину). Так же в этом образце обнаружен только один типвключений.
/> 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.
Кромеоптического изучения расплавные включения исследовались с помощью микрозонда.Полный список анализов приведен в приложении 2.
Ксожалению, в связи c влиянием краевыми эффектами на состав включения длядальнейшего изучения из всех померенных включений необходимо было отбраковатьслишком маленькие включение, размерам не превышающие 20 микрон. Таким образом,осталось 8 для дальнейшего изучения составов включений, ониприведены в таблице 12.Образец
SiO2
TiO2
Al2O3 FeO* MnO MgO CaO
Na2O
K2O
P2O5
Cr2O3 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.
Полученныесоставы расплавных включений в общем случае не отвечают составам исходногорасплава, так как при захвате порции расплава в кристалле на стенкахминерала-хозяина из этого расплава начинает выпадать кристаллическая фаза. Сучетом этих соображений из анализа состава расплавного включения можно получитьистинный состав расплава. Для этих целей нужно промоделировать обратнуюкристаллизацию расплава. В данном случае в равновесии с расплавным включениемдолжен находить оливин, определяем состав оливина находящегося в равновесии,добавляем к составу включению определенный процент этого минерала, и снова определяемравновесный оливин, расчет ведется до тех пор, пока состав равновесного оливинане приблизиться к измеренному составу оливина.
Составравновесного 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 свободнойэнергии Гиббса.
ΔG= 0 = ΔH0 — TΔS0+ (P-1) ΔV0+RTlnK, (1)
гдеK=aLFo/aOlFo константа равновесияреакции.
Данноеуравнение можно привести к следующему виду
ln(XOli/XLi) = C0+ C1/T+ C2(P-1)/T + C3ln(1*5(XLMg+XLFe+XLCa+XLMn+XLCr+XLNi))+ C4ln(3XLSi) + ΣCjln(1-XLj),(2)
гдеС0, С1, С2 равны соответственно ΔS0/R,-ΔH0/R, -ΔV0/R, а четвертый и пятый членыуравнения получены из выражения для активности компонентов в оливине (1.5Xi)*(1.5(XMg+XFe+XCa+XMn+XCr+XNi))*(3XSi),последний член уравнения учитывает ошибки в выражении ln(XOli/XLi)обусловленные добавлением добавочных компонентов. Температуры, вычисленные изуравнения отдельно для каждого из компонентов отвечают значениям TMg,TFe, TCa, TMn. При вычислениях необходимоучитывать тот факт, что в каждой фазе сумма всех катионов равна 1, а дляоливина сумма двухвалентных катионов равна 2/3. Для известных концентраций Xiв расплаве при заданном давлении достаточно просто выбрать температуру ирассчитать уравнение для XMg+XFe+XCa+XMn.Если их сумма получается достаточно низка, то температура слишком высока инаоборот, то есть, повышая или понижая температуры можно добиться того, чтобысумма катионов приблизилась к 2/3. Все численные коэффициенты, используемые вуравнение, приведены в статье Форда, 1982. В общем случае ошибка вычислениятемпературы не превышает 10 0С.Для моделирования кристаллизацииоливина из исходного расплава необходимо учитывать уравнения (2) и выражениядля баланса масс.
XOli=(XOi-FXLi)/(1-F),где F — часть оставшейся жидкости, XOi — начальноесодержание катионов элемента i, XOli и XOiсодержание 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 расчетапроцесса обратного фракционирования, при коррекции составоввключений.Рассчитанные по данной модели составы равновесных расплавовпредставлены в таблице 13, также в таблице приведены расчетные температурыкристаллизации.Образец
SiO2
TiO2
Al2O3 FeO* MnO MgO CaO
Na2O
K2O
P2O5
Cr2O3
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.
Составыстекол в расплавных включениях и полученные оценки составов расплавов нанесенына следующие диаграммы в координатах Al2O3-SiO2, TiO-SiO2,K2O-SiO2. Из диаграмм видно, что составы расплавов можноразделить на две группа (также видно, что в целом и составы стекол, тожеделятся на две группы, за исключением некоторых отскоков). Первая группаотвечает более высоким содержаниям Al2O3 и более низкимсодержаниям K2O и TiO, вторая же группа наоборот содержит в целомменьше Al2O3, но больше K2O и TiO. Интересноотметить тот факт, что в среднем номера оливинов для этих включений сильно неразличаются. То есть различные содержания, например, TiO в расплаве нельзяобъяснить эволюцией расплава, так как, при разнице в содержании 2-3 раза, номероливина отличается больше, чем на 3-4 номера Fo.
/>
Рисунок 14. На диаграмме представлено распределение составов в координатах Al2O3-SiO2. 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 Al2O3
/>
Рисунок 15. На диаграмме представлено распределение составов в координатах TiO-SiO2. 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 TiO2
/>
Рисунок 16. На диаграмме представлено распределение составов в координатах K2O-SiO2. 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 K2O
Вкачестве другого критерия равновесия был рассмотрен коэффициент распределенияFe/Mg между оливином и расплавом. KdFe-Mg(Ol-L) = (xFeO/xMgO)Ol/ (xFeO/xMgO)L. Для выяснения диапазоназначений Kd в равновесных системах была использована база данныхпетрографических экспериментов Inforex [Ariskin]. Была получена выборка (более150 экспериментальных составов расплав-оливин) для оценки значений Kd. Выборкасоставов удовлетворяла следующим условия: земные составы, с содержанием воды0%, при атмосферном давлений (p
/>
/> 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.
Порезультатом отбраковки получилась новая выборка в 140 составов. Зависимостьконстанты распределения KdFe-Mg(Ol-L) для этих составов от Mg# былинанесены на график. Из этого графика видно, что все значения Kd попали вдостаточно узкий интервал 0.3-0.35. Если построить такую же зависимость длясоставов образцов ПК 02/20 и ПК 02/27, то они так же впишутся в этот интервалзначений (рис. 18). Таким образом, можно привести еще один аргумент, в пользуравновесности полученных составов, что позволяет расценивать их, какдостоверные 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.
Летучестькислорода
Летучестькислорода определялась по Ol-Sp геобарометру (Ballhaus et al., 1991). Врезультате получилось значение соответствующее буферному равновесиюникель-бунзенит (NNO).
Температура
МодельФорда
Врезультате расчет равновесия оливин-расплав для коррекции составов расплавов помодели Форда, кроме равновесных составов, были получены оценки температурыкристаллизации, значения температур приведены в таблице 20. Среднее значениетемпературы 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
Другойметод оценки температуры кристаллизации заключался в использовании программаКОМАГМАТ 3.52 (2000). Проводилось моделирование равновесной кристаллизацииисходного расплава, при различных значениях давления и содержания воды всистеме, которые корректировались для достижения Ol-Pl котектики. Первый расчетравновесной кристаллизации проводилось для условий атмосферного давления,буфера кислорода отвечающего NNO, и содержании воды 0 мас.%. В результатемоделирования было выявлено, то что, система отвечает условиям субкотетическойкристаллизации (Ol-Pl), но в тоже время видно, что для безводных условий,хорошей котектики не выходит, так как плагиоклаз начинает кристаллизоватьсяраньше, оливина. Предположительно, в системе наблюдается недостаток летучих,из-за различных величин dTпл/dPh2o для оливина и плагиоклаза, сдобавлением в систему воды, температура кристаллизации плагиоклаза падаетбыстрее температуры кристаллизации оливина. Следовательно, при добавлении водыкрист, аллизация выйдет на котектику. Расчетное количество воды составило 0,2 мас.%, при этом давлении температура кристаллизации для усредненного составарасплава равнялась 1190 0C. Динамику изменения температуры кристаллизациихорошо видно из таблиц 21-34. В левой колонке представлены схемы кристаллизациидля сухих систем с атмосферным давлением, а в правой для систем с содержаниемводы 0,2 мас. % и давлении 1,3 кбар. Представленные графики отражаюткристаллизацию от 0 до 45 процентов кристаллизующегося вещества. Видно, чтосистема находится в области ликвидуса Ol-Pl, в сухих системах из составов ПК02/20 1-4, ПК 02/27 13 сначала кристаллизуется плагиоклаз, а составах ПК 02/207 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
Длярасчета величины давления использовалась модели Пустоветова равновесиярасплав-шпинель. При заданной температуре взятой из расчетов программыКОМАГМАТа и состава расплава при различных давлениях рассчитывался составкристаллизующейся шпинели. Давление выбиралось то, при котором, состав шпинелинаиболее точно отвечал измеренному составу.
Далееснова проводились расчеты в КОМАГМАТЕ, но уже с новым значением давления, иновая полученная температура использовалась для расчета шпинелей. Такимобразом, за несколько итерации значения температуры и давления сошлись навеличинах 1195 0С и 1,3 кбар соответственно.
Подытоживаярезультаты расчетов, получаем следующие величины. Температура 1195 0Cдавление 1,3 кбар, содержание воды 0,2 мас.%, фугитивность кислорода отвечает условиямбуферному равновесию никель-бунзенит (NNO).
Выводы.
Используясоставы расплавных включений, результаты расчетов по программе КОМАГМАТ иданные моделирования равновесия шпинель — расплав, получены оценки интенсивныхпараметров при кристаллизации магнезиальных магм северной части СрединногоХребта в Центральной Камчатке. В результате изучения включений во вкрапленникахоливина (Fo82.7-85.2) из базальтовых потоков г. Терпук установлено,что они представляют высокоглиноземистые расплавы, которые по содержанию K2Oи TiO2 подразделяются на две группы. Расчеты по программе КОМАГМАТпри P=1 атм показывают, что обе группы можно рассматривать как субкотектическиесистемы (Ol+Pl) с температурами ликвидуса около 1230 0С(относительно «низкокалиевая» группа I) и 1200 0С(«высокалиевая» группа II). Для оливинов, содержащих включениявторого типа, получены микрозондовые данные по составам шпинелидов. Комбинируяэти данные с результатами моделирования начальных этапов кристаллизации ирасчетами равновесия шпинель — расплав (Poustovetov, Roeder, 2001), удаетсяоценить давление и летучесть кислорода. Таким образом, физико-химическиеусловия кристаллизации базальтов отвечают содержанию H2O ~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 прикристаллизации базальтовых магм.» -М.: Наука, МАИК.«Наука/Интерпериодика», 2000.-363с.
2.Плечов, П.Ю., С. В. Трусов «Влияние граничных эффектов на составрасплавных включений: эксперимент и моделирование.» -Вестник ОГГГГН РАН2000, N 5 (15).
3. ПлечовП. Ю. 2000,students.web.ru/db/msg.html?mid=1151439&s=121100000
4.Реддер Э., (1987) том 1, Москва, Мир, с.557.
5.Реддер Э., (1987) 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 inOlivine Phenocrysts: Usign Diffusive Re-equilibration to Determine the CoolingHistory of a Crystal, with Implications for the Origin ofOlivine-phyricVolcaniv Rocks. Journal of Petrology, 2002, Vol. 43, Number 9,pp. 1651-1671.
8. L.V. Danyushevsky, A.W. McNeill, A.V. Sobolev. Experimental andpetrological studies of melt inclusions in phenocrysts from mantle-derivedmagmas: an overview of techniques, advantages and complications. ChemicalGeology, 2002, Vol. 183, pp. 5-24.
9. Ariskin A.A., Nikolaev G.S. (1996) An empirical model for thecalculation of spinel-melt equilibrium in mafic igneous systems at atmosphericpressure: 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 CompositionDependence of the Crystal/Liquid Cation Partition Coefficients for Mg, Fe2+, Caand Mn.» Journal of Petrology, 1983, Vol. 24, Part 3, pp. 256-265.
11.Ballhaus, C., R. F. Berry, et al. «High pressure experimental calibrationof the olivine-orthopyroxene-spinel oxygen geobarometer: implications for theoxidation state of the upper mantle.» Contributions to Mineralogy andPetrology 107: 27-40, 1991.