Мантийные магмы и флюиды по результатам изучения включений в минералах

Короткий опис

Оглавление

1. Введение з

2. Особенности поведения включений в минералах

и методы их изучения 11 1 Терминология, используемая при изучении включений в минералах... 11

2. Общие сведения о включениях в минералах 12

2.1 Кристаллические включения 12

2.2 Расплавные и флюидные включения 13

3. Последовательность работы с включениями 14

3.1. Расплавные включения 14

3.2. Флюиды включений 15

4. Методы изучения включений 16

4.1. Аппаратура, используемая при проведении термометрических опытов 16

4.2. Методы вещественного изучения включений 19

5. Некоторые особенности поведения расплавных включений 19

5.1. Стекло включений 20

5.2. Несмесимость 21

5.3. Соответствие содержимого расплавных включений

минералообразующему расплаву 24

5.4. Химическая неоднородность природных стекол включений 25

5.5. Проблема определения щелочей в стеклах включений 25

5.6. Дочерние фазы на стенках вакуолей расплавных включений 25

3. Перидотиты верхней мантии 36

I. Шпинелевый лерцолит (Драйзер Вайхер, Германия) 37

II. Мантийные ксенолиты щелочнобазальтового вулкана Шаварын- Царам

(Монголия) 42

4. Пикриты и высокомагнезиальные базальты 63

I. Пикриты западной Гренландии (остров Диско и п-ов Нуссуак) 63

II. Щелочные базальты вулкана Мауна Кеа, Гавайские острова 87

5. Ультращелочные и карбонатитовые магматические породы 113

I. Оливиновые мелилититы Мальберга, Рейнский грабен, Германия 115

II. Оливиновые нефелиниты п-ова Чукотка 144

III. Оливиновый меланефелинит щелочного комплекса Монтичио

Лейк, вулкан Вультуре, Италия 167

IV. Верхне-Дункельдыкский К-щелочной комплекс, вост. Памир 195

V. Мелилитолиты карбонатит-содержащего комплекса Гардинер, Гренландия 230

VI. Фоскориты карбонатит-содержащего щелочного комплекса

Палабора, ЮАР 241

VII. Основные результаты изучения включений в минералах

щелочных пород и карбонатитов 263

6. Генезис и эволюция первичных магм и флюидов лампроитов 274

I. Лампроиты западной Австралии 275

II. Лампроиты Испании 278

III. Лампроиты Алдана, Россия 283 IV-Лампроиты США, штат Арканзас, Прери Крик 286 V.Экcпepимeнтaльнoe изучение модельного расплава

лампроитового состава 291

VI. Обсуждение результатов изучения включений в лампроитах 293

7. Заключение 309 Библиография 312 Список авторских работ по теме диссертации 326
Введение

ГЛАВА 1. ВВЕДЕНИЕ

Настоящая работа посвящена решению фундаментальной научной проблемы условий магмообразования в мантии и геохимических характеристик глубинных магм и флюидов. В основу предложенной работы положены оригинальные авторские исследования микровключений минералообразующих сред в минералах мантийных нодулей и магматических пород, формировавшихся из наименее дифференцированных магм.

Использованный в работе метод экспериментальной термобарогеохимии основан на изучении включений минералообразующих сред в минералах пород. Уникальность метода состоит в том, что он позволяет воссоздавать протекающие в кристаллизующихся системах процессы в их развитии и реконструировать составы магм и флюидов на каждой стадии эволюции, от выплавления на мантийных глубинах до излияния на поверхность Земли. Сохранность законсервированных внутри минералов включений гарантирует представительность получаемых характеристик при изменении внешних воздействий, например, при интенсивном вторичном изменении породы. Совокупность современных аналитических методик значительно расширила возможности интерпретации получаемых результатов. В последние годы термобарогеохимический метод интенсивно развивается, однако большая часть работ посвящена относительно низкотемпературным процессам, например изучению рудообразующих гидротермальных растворов. Отчасти это связано с трудоемкостью работы и с индивидуальными особенностями как самих расплавных включений и их поведения в процессе экспериментов, так и содержащих их минералов.

Выбор объектов для решения поставленной задачи был продиктован их генетической связью с мантийным источником. Исходя из этого, в настоящую работу включен полученный в процессе исследования фактический материал по мантийным ксенолитам, а также группе пород, сформированным из наименее дифференциированных глубинных магм. К ним в первую очередь относятся пикриты, высокомагнезиальные и щелочные базальты, ультраосновные высокощелочные породы, в том числе лампроиты. Кроме того, по результатам изучения включений рассмотрены различные аспекты происхождения карбонатитов, входящих в состав щелочных комплексов.

К настоящему времени проблеме составов и РТ-условий выплавления мантийных магм и особенностей их источника посвящена достаточно большая литература. Важное место занимают экспериментальные исследования систем, максимально приближенных к природным. Характерные особенности выплавляемых в мантии магм, как то: повышенная щелочность, кальциевость, существование на больших глубинах карбонатных расплавов, присутствие или отсутствие летучих компонентов, их количество и состав, а также способность к переносу рудных компонентов и многие другие вопросы петрологии связаны с состоянием и глубиной залегания мантийного субстрата, степенью его плавления, участием в процессах плавления плюмов, горячих флюидных струй и проч.

В тоже время, несмотря на существующую обширную литературу по данному вопросу, до сих пор исследователи: продолжают выдвигать новые гипотезы, пытаясь уменьшить разрыв между наблюдениями; над природными объектами и реконструктивными моделями. В свете этого метод экспериментальной термобарогеохимии является полезным инструментом для получения качественных и количественных характеристик по состоянию природных систем на момент герметизации включений кристаллизующимися минералами.

Роль летучих компонетов в процессах плавления вещества, наряду с другими факторами, очень велика и они зачастую определяют направление эволюции, Р-Т параметры и окислительно-восстановительные условия кристаллизации расплавов. Для мантии они описываются в основном системой С-О-Н. Работами многих исследователей показано, что основная доля флюида приходится на воду и углекислоту, при этом остальные газы (N2, CH4, COS, CO, SO2 и др.) могут присутствовать как примеси в количестве первых долей процентов (Andersen & Neumann, 2001). В.Наумовым на основании статистической обработки литературных и собственных данных по исследованию включений (Naumov, 1988) было продемонстрировано, что кристаллизация ультраосновных и основных пород протекает в присутствии углекислоты, образующей самостоятельную фазу. Вода, в случае ее присутствия, растворена в расплаве.

Л. Похиленко с соавторами (Похиленко, 1994), изучив включения в гранате и оливине из ксенолитов кимберлитовых трубок Якутии и использовав метод термодинамического моделирования компонентного состава флюида в условиях мантии, показали, что на воду может приходиться до 0.92 мольных долей.

Оценки содержаний Н2О и СО2 в примитивной мантии колеблются в пределах 250-1160 ррт и 200-550 ррт (Wyllie & Ryabchikov, 2000). Саал и др. (Saal et.al., 2004) полагают, что для СОг вариации несколько шире - 502000 ррт. Экспериментально показано, что такие флюиды при высоких значениях температуры и давления способны растворять до 60 мас.% щелочного силикатного материала (Рябчиков и Танеев, 1990). В алмазах Заира и Ботсваны изучены включения (Navon et.al., 1988) с высокими концентрациями К2О в присутствии Н2О и СО2 (SiO2 30-60, TiO2 2-4, AI2O3 3-6, FeO 3-16, MgO 2-8, CaO 1.5-19, Na2O 1-5, K2O 11.5-25 мас.%, H2O 98-400 ppm, CO2 44-600 pmm, H2O/(H2O+CO2) мол. отн. 0.5-0.9. В системах, включающих карбонаты, при давлениях выше критических, для мантийных флюидов установлена полная смесимость доломитовой жидкости и воды (Ryabchikov & Wyllie, 1991; Wyllie & Ryabchikov, 1992). Миграция подобных флюидов метасоматизирует и обогащает отдельные участки мантии, «подготавливая» ее к выплавлению кимберлитов, лампроитов и других щелочных магм (например, Wyllie &: Ryabchikov, 2000). Результаты экспериментальной работы Ю.Литвина (Литвин, 1998) при давлениях до 100 кбар и температурах до 1500°С свидетельствуют о высокой реакционной активности плюмовых флюидных струй и их решающее влияние на карбонатизацию мантийного субстрата.

Помимо воды и углекислоты, важную роль при выплавлении магм играют такие компоненты, как Cl, F, Р; источником которых на уровне верхней мантии могут являться флогопит, амфибол и апатит (Smith et.al., 1981).

Флюиды магматического происхождения в процессе эволюции магмы ведут себя по-разному. Углекислота, как низкорастворимый в силикатном расплаве компонент, выделяется из расплавов; при: снижении температуры и давления. При этом может происходить ее интенсивное удаление из системы. Концентрация-же воды по мере кристаллизации магмы постепенно возрастает в остаточном расплаве, и, затем, в поздних дифференциатах, может происходить отделение водных, часто рудоносных, растворов с образованием гидротерм. Помимо воды, такие флюиды содержат растворенные в них соли.

При низких температурах и давлениях поздней стадии магматического процесса возможно расслоение (кипение) флюида; с образованием солевого расплава и низкоплотного водяного пара.

Цель данной работы состоит в количественной оценке флюидного режима верхней мантии и в определении места и роли флюидов при образовании и эволюции мантийных магм. Ее основу составляют полученные

фактические данные по РТ-условиям кристаллизации, составам магм и флюидов для мантийных нодулей, ультраосновных, основных и щелочных (ультращелочных) и карбонатитовых пород. Поставленные задачи включают в себя: решение вопроса об основных параметрах и составах мантийных флюидов и их поведения в процессе изменения ТР-условий; установление геохимических особенностей и РТ-параметров кристаллизующихся расплавов и оценка составов мантийных магм, в том числе в отношении летучих и редких элементов, условий их образования и эволюции; определение параметров и механизмов возникновения силикатно-карбонатной; (солевой) жидкостной и флюидной несмесимости, а также ее места в процессе формирования сложных щелочных комплексов.

Актуальность работы. Метод термобарогеохимии органично дополняет традиционные петрологические, геохимические и экспериментальные исследования вещества Земли, значительно расширяя их возможности. Можно сказать, что включения в минералах являются «природными» экспериментальными контейнерами; позволяющими визуально фиксировать происходящие в них процессы в условиях «закрытой системы». Небольшие порции магм или флюидов, законсервированные внутри кристаллов, не подвергаются вторичным процессам; или удалению летучих компонентов, что может в значительной степени изменить валовый состав породы. Благодаря применению данного метода для магматических; пород появилась возможность отслеживать как исходное физическое и химическое состояние магм, так и тренды их эволюции. Так, если на ранних этапах заметную роль играет углекислота, то в процессе дифференциации и взаимодействия с коровыми породами может повышаться значение и* других флюидных компонентов. В качестве примера можно привести проведенное изучение включений в пантеллеритах гавайит-пантеллеритовой серии о. Пантеллерия. Было установлено, что традиционно считавшиеся относительно сухими, «мокрые» магмы активно теряли НгО в процессе дегазации. При этом во включениях ее концентрация в среднем составила 4 мас.%, локально достигая 12 мас.%.

В основе работы лежат результаты исследований автора, полученные в течение 25 лет. Работа проводилась в ИГЕМ РАН, на высокотемпературных установках (микромуфели, нагревательных микрокамерах различных конструкций (до 600 и 1500°С), с видеонаблюдением и без, в атмосфере воздуха и в инертной атмосфере, на высокобарных установках типа «газовая бомба» и «поршень-цилиндр», в охлаждающих криокамерах, позволяющих достигать -

190°С. Образцы для исследования были предоставлены Рябчиковым И.Д. (фоскориты комплекса Палабора, Южная Африка; высокомагнезиальные щелочные базальты Мауна Кеа, Гавайи; лампроиты Арканзаса, США), Когарко Л.Н. и Рябчиковым И.Д. (меймечиты комплекса Гули, Сибирь), Рябчиковым И.Д. и Бабанским А.Д. (пикриты и базальты плато Путорана, Сибирь), Коваленко В.И. и Ионовым Д.А. (мантийные перидотиты Драйзер Вайхер, Германия и Шаварын-Царам, Монголия), Коваленко В.И. (гавайит-пантеллериты о. Пантеллерия, Италии), Когарко Л.Н. (лампроиты Испании), Соболевым Н.В и Богатиковым О.А. (лампроиты Австралии), Кононовой В.А. и Махоткиным И.Л. (лампроиты Алдана, Сибирь), Педерсен А. и Ларсен Л. (высокомагнезиальные базальты Гренландии), Нельсен Т. (мелилитолиты комплекса Гардинер, Гренландия), Келлером И. и Расе И.Т. (оливиновый мелилитолит Мальберга, Германия), Дмитриевым Э.А. и Волынцом О.Н. (щелочные базальтоиды восточного Памира), Нтафлосом Т. (оливиновые меланефелиниты Чукотки, Сибирь). Оливиный меланефелинит вулк. Вультуре был отобран автором в период полевой работы в рамках международного совещания «Eurocarb». Аналитические работы выполнялись на электронном микрозонде Сотеса MS-46 в ИГЕМ РАН (Муравицкая Г.Н. и Цепин А.И.) и ГЕОХИ РАН им. Вернадского (Кононкова Н.Н., Гужова А.В.), GEOL (г. Киль, Германия, в институте Vulkanologie und Petrologie, в г. Вена, Университ, Институт петрологии; в г. Копенгаген, Университет, Danish Lithosphere Centre); на ионном микрозонде Сотеса Microbeam (г. Ярославль, Институт микроэлектроники РАН и в университет Аризоны, США). Отдельные определения состава флюидов выполнялись на установке RAMAN-спектроскопии, г. Вена, Университет.

Новизна работы. 1. Впервые в мантийных перидотитах изучены сложные углекислотно-сульфидно-щелочно-силикатные включения. Оценены пределы валового состава подобного флюида-расплава. Получены прямые доказательства присутствия в верхней мантии минерализованного флюида в виде включений в минералах при давлениях выше 20 кбар.

2. Впервые количественно изучены высокотемпературные сложные карбонат-сульфат-фосфат-содержащие силикатные расплавы (включения) и показан тренд эволюции двух расплавов - силикатного и карбонатитового. Доказана возможность образования карбонатитового расплава за счет высокотемпературного отделения (жидкостной ликвации) от силикатной магмы (на примере К-базальтоидов восточного Памира).

3. Впервые проведены исследования включений на высокобарных установках типа «поршень-цилиндр» и «газовая бомба».

4. Во флюидной фазе магнезиальных базальтов о. Диско установлены сильно восстановленные газы вплоть до углеводородов, что согласуется с присутствием в породе металлической фазы.

5. Для определения содержаний Н2О, редких и рассеянных элементов в стеклах включений впервые применен ионный микрозонд Comeca IMS3f (лаборатория департамента химии Аризонского университет).

6. Предложен механизм образования натрокарбонатитов типа Олданьи Ленгаи за счет расслоения (кипения) магматического флюида на фоне снижения температуры и давления (на примере комплекса Гардинер, Гренландия).

7. В составе фаз карбонатитов впервые найден минерал портландит (Са(ОН)г), предсказанный экспериментальными работами П.Вайли (P. Wyllie) (для К-базальтоидов вост. Памира и фоскоритов Палаборы, ЮАР).

8. Впервые обнаружены и изучены солевые высокоплотные обособления в силикатных магмах (стеклах породы и включений), образующиеся за счет распада NaCI (с примесми иных солей) - Н2О флюида (гавайит-пантеллеритовая серия о. Пантеллерия). Предложен механизм «осушения» магм с одновременным накоплением CI.

Апробация работы. Результаты исследования изложены в 119 научных статьях и тезисах докладов, а также в отчетах по проектам РФФИ. Основные результаты докладывались на научных конференциях и симпозиумах, в числе которых International Conference on Melt Inclusions, Grenoble, Франция, 2000; International Conference "Komatiites, Norites, Boninites & Basalts", Portsmouth, Англия, 1999; XVI European Current Research on fluid Inclusions (ECROFI) - r. Порту (Португалия, 2001); XVII European Current Research on fluid Inclusions (ECROFI)- г. Будапешт (Венгрия, 2003); Международные Геологические Конгрессы, 2-е Всероссийское Петрографическое совещание (Сыктывкар, 2000); ежегодные семинары «Геохимия магматических пород» в период с 1983 по 2002 год, Всесоюзные совещания по термобарогеохимии и геохимии рудообразующих растворов» в период с 1980 по 2003 годы и др.

Защищаемые положения. Изучение включений в минералах мантийных нодулей, пикритов и высокомагнезиальных базальтов, щелочных ультрабазитов, лампроитов и карбонатитов позволило сформулировать следующие защищаемые положения.

1. Получены прямые свидетельства присутствия в мантии минерализованного углекислотного флюида при давлении свыше 20 кбар. Впервые на природных объектах (в виде включений в минералах) установлено существование в верхней мантии сложных углекислотно-сульфидно-силикатных эмульсий и количественно охарактеризованы их предельные составы. Соотношение СОг, силикатов, включая стекло, и сульфида близки к 1/11/5 при i минимальной концентрации; углекислоты; 5.5: мас.%. В силикатных; расплавах концентрация г МдО достигает 12.5 мас.%, отношение K/Na колеблется от 1 до 2 при сумме,щелочей до 10 мас.%.

2. Установлено, что высокомагнезиальные (пикритовые) расплавы при температурах; ликвидуса порядка 1250°С и давлениях более 5 кбар при незначительной роли воды насыщены в отношении»СО2 (до 1 мас.%). Исходная^ магма, отделяющаяся от мантийного рестита при давлениях; 24-50 кбар- и: температурах выше 1500°С, содержала до 2.5 мас.% СО2 и 20 мас.% МдО при низких концентрациях кремнезема.

Эволюция: С-О-Н флюида, находящегося в равновесии; с сульфидом и металлическими железом, с понижением; температуры может приводить к образованию углеводородов.

3. Показано, что кристаллизующиеся при; температурах более 1250°С и давлениях выше 8 кбар ультраосновные высокощелочные расплавы насыщены СОг (до 2.5 мас.%) при содержаниях НгО до 0.25 мас.%. Геохимические особенности низкокремнистых:исходных; магм - обогащение несовместимыми?и легкими? редкими* элементами (Sr, Ba, Nb; Th, U идр., LREE/HREE до 180), высокие концентрации МдО (до 24 мас.%) обусловлены малыми! степенями плавления (1-5%) гранат-содержащего мантийного перидотита при давлениях 27-50 кбар и температурах до 1520°С.

4: Установлено, что наименее дифференциированные породы карбонатит-содержащих щелочных комплексов формируются в интервале 1240-1150°С и 3-5 кбарах. В этихусловиях материнские расплавы=содержат до 5: мас.% СОг и; 2.5 мас.% H2O, а также обогащены F, Cl,;.S| P2O5. Ликвационное;расслоение таких расплавов на высокотемпературной стадии (выше 1150°С) приводите появлению магматических кальциокарбонатитов/ При дальнейшем снижении Р-Т параметров происходит перераспределением летучих^ (НгО; Cl, F; S) и несовместимых компонентов между силикатным и солевым расплавом; На позднемагматической стадии концентрация НгО в силикатных расплавах достигает 8.5 мас.%, а из карбонатитовых кристаллизуются высоководные минералы (цеолиты, бассанит,

10

портландит). В тоже время формирование K-Na-карбонатитов типа Олдоньи Лен гаи может быть связано с распадом (кипением) отделяющихся на позднемагматической стадии (менее 1050°С и 1 кбар) минерализованных флюидов.

5. Установлено, что лампроитовые магмы на ликвидусе обогащены НгО (до 6 мас.%) и СО2 (2.2 -5 мас.%). Флюидный компонент в кристаллизующейся системе, наряду с углекислотой, содержит до 20 мол.% N2. Обнаруженные вариации составов летучих и выплавляющихся магм (БЮг - от 55 до 41 мас.%, МдО от 9 до 21 мас.%, отношение КгО/ЫагО от 3.5 до 21) связаны с минеральной ассоциацией флогопитизированной мантии.

Структура работы. Диссертация объемом 336 страниц состоит из введения, 7 глав; содержит таблиц, рисунка и список литературы из 198 наименований.

Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность своему руководителю И.Д. Рябчикову, а также В.И. Коваленко за сотрудничество, поддержку, интерес к проведенной работе и научные консультации. Выполнению работы способствовало тесное сотрудничество с моими друзьями и коллегами Наумовым Владимиром Борисовичем, Гирнисом Андреем Владиславовичем, Бабанским Андреем Демьяновичем, Андреевой Ириной Анатольевной, Гирнис Мариной Васильевной и Борисовым Александром. Автор признателен О.А.Луканину, Ю.А. Литвину, Ю.С. Геншафту, В.Ю. Прокофьеву и Курчавову A.M. за взятый на себя труд прочтения работы и конструктивные замечания. Мой низкий поклон и благодарность Наталье Николаевне Кононковой за длительное сотрудничество, виртуозность в работе и терпение. Автор также благодарен сотрудникам шлифовальной лаборатории ИГЕМ РАН Худорожковой Р. и Долининой Л. за качественное изготовление пластин каменного материала -основу проведенной работы.

Исследования выполнялись при финансковой поддержке Российского Фонда Фундаментальных исследований.

ГЛАВА 2. ОСОБЕННОСТИ ПОВЕДЕНИЯ ВКЛЮЧЕНИЙ В МИНЕРАЛАХ И МЕТОДЫ ИХ ИЗУЧЕНИЯ

1. Терминология, используемая при изучении включений в минералах

Вторичные расплавные и флюидные включения - микропорции вещества, не равновесные с основным минералом. Вещество может быть чужеродным (например, магма, выносящая ксенолиты мантийных перидотитов и попадающая по трещинам в кристаллы), может отвечать поздним дифференциатам расплава, внедряющегося по трещинам в ранние минералы.

Дочерние фазы или кристаллы - минералы, образующиеся при кристаллизации захваченных микропорций минералообразующеи среды при изменении температуры и давления.

Закалка - метод проведения высокотемператуных опытов, при котором происходит быстрое снижение температуры от условий проведения эксперимента до комнатной. Закалка обеспечивает сохранение фазового состояния содержимого включений во время опыта и позволяет затем изучать их вещественный состав.

Комбинированные включения - образуются при захвате кристаллизующимся кристаллом гетерогенной минералообразующеи среды. Например, оливин может содержать кристаллические включения шпинели или апатита в контакте с флюидом и/или расплавом.

Кристаллические (или твердые) включения - представляют собой присутствующие в минералообразующеи среде кристалличесие фазы в момент роста основного кристалла.

Минерал-хозяин - минерал, содержащий включения.

Остаточный расплав включений - расплав, равновесный с дочерними фазами во включениях и при комнатной температуре представленный стеклом.

Первичные включения - микропорции минералообразующеи среды, захваченные кристаллами во время их роста.

Первично-вторичные включения - включения эволюционированного, более позднего материнского минералообразующего вещества, внедрившегося по трещинам в растущий кристалл. Составы таких включений отражают изменение состава расплава (или флюида) по мере его кристаллизации

Ступенчатый отжиг - метод проведения высокотемператуных опытов, используемый для выращивания крупных дочерних фаз. Суть метода в последовательной выдержке при определенных температурах в течение выбранного времени (например, 1150—+1125—»1120°С-+ и т. д.).

Температура гомогенизации включений (Тгом.) - температура, при которой в расплавных включениях растворяются все дочерние фазы и исчезает газовый пузырек.

Температура плавления (Тпл.), эвтектики (Тэвт.), полной и частичной гомогенизации- используется при изучении флюидных включений. Т эвтектики - температура начало плавления; предварительно закристаллизованного («замороженного») вещества. Т плавления -температура плавления кристаллов, например СО2, NaCI и др. Т полной гомогенизации флюидных; включений - температура, отвечающая переходу двух- или многофазной системы в однофазную. Например, для двухфазного включения с углекислотой типа жидкость+газ гомогенизация происходит или в жидкость (высокоплотные включения), или в газ (низкоплотные включения). Гомогенизация водных растворов во включениях фиксируется при растворении кристаллов солей (и дочерних рудных фаз) и исчезновению газового пузырька. Понятие частичной гомогенизации включений используется, например, для обозначения полной гомогенизации полифазного флюида расплавных включений.

Флюидные или расплавные включения - микропорции' флюида или магмы, находящиеся внутри минералов. Флюидные включения включают понятие газово-жидкие включения, чаще используемое для водных растворов.

2. Общие сведения о микровключениях в минералах

2.1. Кристаллические включения

Кристаллические включения (часто называемые твердыми включениями) присутствуют в расплаве в момент кристаллизации вкрапленника. Такие микрокристаллы могут представлять собой: более ранние, частично резорбированные, выделения фаз, ставшие неравновесными с расплавом при изменении Р-Т условий; резорбированные реликты ксенолитов; фазы родственных пород иной генерации и т.д. Несмотря на кажущуюся простоту, эти включения в некоторых случаях позволяют получать весьма ценную информацию. Например, присутствие в ксенолитах лерцолитов резорбированных

кристаллических включений амфибола и флогопита (Соловова и др., 1990) свидетельствуют о метасоматических процессах, предшествовавших формированию подобных перидотитов. Другой пример - обнаружение включений клинопироксена в ликвидусном оливине позволяет рассчитать возможные давления их сокристаллизации и так далее.

2.2. Расплавные и флюидные микровключения

Расплавные и флюидные микровключения в минералах являются основным объектом изучения метода и представляют собой микропорции минералообразующих сред, захваченные растущим; кристаллом, называемым минералом-хозяином. Обычно их размеры колеблются в пределах 5 - 100 микрон.

Начавшееся в 1858 году (Sorby, 1858) с изучения газово-жидких включений, это направление в науке получило интенсивное развитие уже в середине 20 века благодаря фундаментальным исследованиям Э.Реддера (1984), Н.Ермакова и Долгова Ю.А. (Ермаков, 1950; Ермаков, Долгов, 1979). Причины образования включений связаны с различными нарушениями поверхностей растущих кристаллов, дефектами и с особенностями условий роста. Например, быстрое охлаждение и кристаллизация скелетных кристаллов при более поздних процессах перекристаллизации приводит к полной изоляции от основной массы породы порций захваченного вещества. Подробно возможные механизмы захвата включений описаны в книге Э.Реддера (1987).

Первичные расплавные включения в минералах (иногда именуемые кристаллофлюидными) свидетельствуют, в первую очередь, о кристаллизации породы из расплава или при его участии. Стекла расплавных включений фиксируют различные этапы эволюции магмы. Их изучение позволяет проследить тенденции такой эволюции.

Форма расплавных включений часто овальная или неправильная (рис. 1-2а,б). Крайне редко они имеют вид «негативного» кристалла (рис. 1-2в), т.е. формы, типичной для данного вида минерала.

Расплавные включения в минералах вулканитов предствлены либо стеклом (с или без газового пузырька), либо мелкокристаллическим полиминеральным агрегатом, так называемым девитрификатом. Оптически такие включения малопрозрачны. Встречаются включения с относительно крупными дочерними фазами. Расплавные включения в минералах интрузивов чаще полнокристаллические. При высоком содержании в расплаве летучих

компонентов кристаллизация дочерних фаз, не содержащих эти компоненты, приводит к их накоплению в остаточном расплаве. Во флюиде таких включений могут присутствовать газ и жидкость. Снижение общего давления и температуры вызывают перераспределение СОг, НгО, CI во флюид расплавного включения и повышение внутреннего давления. Такие включения часто вскрываются (декрепитируют) в природе или в процессе эксперимента. Явления декрепитации как расплавных, так и флюидных включений характерны для мантийных пород.

Магматические флюидные включения обычно представлены чистой ил и i с примесями; углекислотой, в меньшей степени водой и метаном. Их сингенетичность с расплавными включениями свидетельствует о гетерогенности магмы в момент кристаллизации вкрапленников. Углекислотные флюидные включения, содержащие при комнатной температуре жидкость, при высоких температурах говорят о повышенных давлениях. Измерение температур их гомогенизации позволяет расчитывать плотности флюидов и, далее, давления при определенной температуре.

3. Последовательность работы с микровключениями Изучение включений начинается с оптического просмотра полированных с двух сторон пластин толщиной 0.2-0.3 мм. Используется также метод изучения включений в зернах минералов, изъятых из образца. Первоначально необходимо определить тип включений (первичные или вторичные), их линейные размеры, объем газового обособления, степень закристаллизованное™ и размеры дочерних фаз, наличие или отсутствие дочерней фазы на стенках вакуоли, герметичность или частичную/полную декрепитацию. Для кристаллических включений отмечается их целостность или; резорбция. Наиболее интересные включения фотодокументируются. Для этого используются как цифровые фотоаппараты, так и фотокамеры различных, систем, совмещенные с микроскопом.

3.1. Расплавные включения

Перед проведением высокотемпературных экспериментов желательно изучить химический состав фаз расплавных включений. Анализ фаз осуществляется с помощью электронного и ионного микрозондов на предварительно подготовленных образцах.

Отобранные минералы с расплавными включениями помещают в нагревательные установки, выдерживают их при необходимой температуре (от

15

10-15 минут для основных и ультраосновных пород и до 8-10 часов для кислых) и резко охлаждают для предотвращения кристаллизации расплава.

3.2. Флюиды включений

Флюидные включения могут содержать жидкость (в том*числе и водные растворы) и газ (углекислоту, метан и др.). В газово-жидких включениях, помимо жидкости; и* газа, часто присутствуют кристаллы солей и/или рудной? фазы. Поликристаллические агрегаты, получаемые при; охлаждении на» криокамере, начинают плавиться (эвтектика) при?различных.температурах, что зависит от их катионного и анионного состава. Наиболее часто реализуемая в природе система-NaCI-НгО детально изучена в широком спектре давлений и температур. Опытным путем установлено, что NaCI-НгО раствор замерзает в метастабильной области • вблизи -40°С: Температура эвтектики;равна -20.8°С. Полученные температуры, полного плавления? льда; позволяют оценить концентрацию: раствора, а температуры гомогенизации (в области положительных температур) - давления.

Экспериментальные исследования- систем, приведенные в литературе, позволяют соотнести: получаемые результаты по температурам? замерзания^ плавления, полной: и частичной гомогенизации, с экспериментально определенным; составом, и: иными параметрами: Например, температура, замерзания; близкая к -100°С и плавления кристаллов при -56.6°С, говорят об углекислотном • наполнении» вакуолей. Их г гомогенизация, в зависимости от плотности* происходит в жидкость или газ (на диаграмме; состояния СОг мы, имеем:- купол с критической точкой t при • +31.2°С). Знание; плотности: флюида t иi температуры захвата? включения (например, по сингенетичным? расплавным; включениям) позволяет рассчитать давлениям момент кристаллизации данного: минерала. Например, для; ряда СОг-флюидных включений в оливине; меланефелинитов Чукотки (Solovova et.al., 2003; глава 5, раздел II) установлены температура5 плавления -56.7°С, температураt гомогенизации? -1.9°С, что соответствует плотности углекислоты 0.93г/см3. При температуре гомогенизации ? сингенетичныхс силикатных включений* 1200-1230°С давление кристаллизации; ликвидусного оливина отвечало 8 кбар.

При! низкой плотности флюидных включений? выращенные кристаллы углекислоты в процессе нагревания могут возгоняться без образования жидкойг-фазы. Так, криометрические исследования флюидных включений в анортоклазах агпаитовых трахитов о.Пантеллерия показали; что после замерзания СОг при -100°С кристаллы твердой СОг возгоняются при- -75 +- - 62°С. Соотношения

16

объемов кристаллической фазы и вакуоли, а также их плотностей позволили рассчитать плотность флюида. В нашем случае она оказалась равна 0.0037-0.010 г/см3. Оценка давления СО2 для температуры 950°С дает величины 9-24 бар. Таким образом, очевидно, что часть вкрапленников агпаитовых трахитов кристаллизовалась уже в близповерхностных условиях во время интенсивной эксплозии.

При охлаждении флюидных включений; содержащих СО2-Н2О, вода вымерзает уже при -40 •*• -50°С, а углекислота значительно позже, при -100°С. Дальнейшая работа с ними состоит в проведении описанных выше процедур -регистрации температур плавления СОг и, затем, льда. ССЬ (как и некоторые другие газы) могут образовывать в области низких температур газгидрат. На его кристаллизацию используется часть НгО и соленость остаточного раствора повышается (Collins, 1979), что следует учитывать при дальнейших расчетах.

Для проверки присутствия воды в расплаве включений бывает полезно образец выдержать при 500-650°С. При; этом Н2О частично переходит во флюидную фазу. Например, в расплавных включениях в оливинах п-ва Нуссуак полученный таким образом двухфазный (жидкость+газ) флюид гомогенизировался в газ при 340-360°С, а температура плавления льда при замораживании была близка к 0°С.

4: Методы изучения включений

4.1. Аппаратура, используемая при проведении термометрических опытов Для изучения поведения расплавных включений при нагревании в работе используются нагревательные микрокамеры различных конструкций, причем каждая из них имеет определенные преимущества. Надежен в работе микромуфель с платиновым нагревателем, поскольку безградиентная по температуре зона (до 3-4-мм) значительно превышает по высоте изучаемый объект. Совмещение с электронным регулятором типа ВРТ позволяет проводить тонкую регулировку и длительные выдержки при стабильной температуре. Время закаливания образца (охлаждение от температуры опыта до комнатной) не более 4 сек. Для предотвращения окисления Fe-содержащих фаз используется графитовый вкладыш. К отрицательным моментам относится отсутствие визуального наблюдения.

К термокамерам, совмещенным с микроскопам, относятся камера Слуцкого-Соболева (ГЕОХИ РАН) и современная Lincam-TS 1500, позволяющие

Список литературы