Принципы моделирования кристаллизации магм Лекция 4 сентября 2011 г. Одесса, ISES

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/