34

Геохимия магматического процесса

Лекция №1

Главным признаком магматической системы (МС) является наличие расплава или продуктов его кристаллизации. МС включает также твердую и флюидную фазы. Последняя может служить инициатором плавления, но в глубинных условиях на уровне генерации расплава, когда растворимость летучих и Н₂О в расплаве увеличивается с ростом Р, МС является практически двухфазной.

Магматический процесс (МП) включает три стадии:

1. генерация магмы, 2. сегрегация, движение и накопление магмы, 3. кристаллизация магмы. При изучении магматических пород исследователи имеют дело уже с интегральным продуктом трех стадий МП, и изучая этот продукт, пытаются реконструировать весь процесс или отдельные его стадии. Наиболее информативными для такой реконструкции являются редкие элементы.

Поведение элементов в МП определяется их физическими, химическими и кристаллохимическими свойствами.

1. Главные или петрогенные элементы слагают основные породообразующие минералы (O, Si, Al, Fe, Mg, Ca, Na, K);

2. Элементы-примеси или редкие элементы рассеяны в породообразующих минералах или образуют собственные акцессорные фазы.

Поведение петрогенных элементов в МП определяется областями устойчивости и порядком кристаллизации (или плавления) основных минеральных фаз, которые в свою очередь зависят от состава МС, Р и Т. Поведение породообразующих минералов в МП рассматривается физико-химической петрологией, но эти сведения являются основой для понимания поведения элементов-примесей, поэтому напомним основные закономерности.

Первой наиболее универсальной закономерностью является последовательность кристаллизации минералов из расплава, известная под названием рядов Боуэна, включающих непрерывный реакционный ряд плагиоклазов и прерывистый темноцветных минералов (оливин - пироксен - амфибол - биотит). Эти ряды указывают на последовательное накопление в расплаве при кристаллизации Si и щелочей и обеднение его фемическими компонентами и Ca. Отражением рядов Боуэна является все многообразие изверженных пород от ультрабазитов через базальты (габбро) к диоритам (андезитам) и гранитоидам (дацитам-риолитам). Степень продвижения по ряду Боуэна зависит от удаления из МС ранее закристаллизованных минералов, то есть фракционирования твердых фаз.

МП в основных базальтовой и гранитной системах описываются фазовыми диаграммами Ol-Px-Pg-Q и Q-Ab-An-Or, в помощью которых можно проследить пути плавления-кристаллизации в зависимости от исходного состава. Основные факторы, влияющие на положение котектических линий, точек эвтектики и Т_пл, это Р_общ и Р_Н2О. Р_общ повышает Т_пл, а Р_Н2О понижает. Еще один фактор это степень окисленности-восстановленности МС, выражаемая через фугитивность f_O2. В окислительных условиях при кристаллизации магнетита происходит обеднение расплава Fe (Боуэновский тренд), а в восстановительный - относительное накопление Fe (Феннеровский тренд). Влияние Р_общ на порядок кристаллизации можно продемонстрировать на примере базальтового расплава: при Р> 12,5 кбар расширяется поле кристаллизации Opx за счет Ol, при Р>15 кбар на ликвидусе появляется Gar, а при Р>20 кбар Pg не является ликвидусной фазой.

Распределение элементов-примесей в целом зависит от распределения петрогенных элементов, но их поведение описывается более простыми термодинамическими соотношениями, а именно соотношениями, характерными для разбавленных растворов. Редкие элементы не являются стехиометрическими компонентами фаз рассматриваемой системы. Один и тот же элемент может быть редким в одной и главным в другой системе.

Элементы-примеси (ЭП) или редкие элементы (по Хенсону и Лангмюру) это элементы:

1) имеющие столь низкую концентрацию, что ее изменение не влияет на стабильность любой фазы этой системы

2) их поведение подчиняется закону Генри для разбавленных растворов и соответственно при анализе их распределения между фазами можно перейти от активностей к концентрациям.

Наиболее удовлетворяют этому определению так называемые рассеянные элементы, не образующие собственных минеральных фаз.

ЭП можно разделить по поведению в МП на две основные группы:

а) кристаллихимически близкие к петрогенным и изоморфно входящие в их структуру, что может приводить к снижению их концентраций в расплаве по мере кристаллизации (способность к изоморфным замещениям определяется: величиной ионных радиусов, зарядом иона, электроотрицательностью и т.д.);

б) обладающие слишком большими или малыми величинами ионных радиусов и/или зарядов, а следовательно не входящие в главные минералы и накапливающие в остаточном расплаве.

Первые известны под названием совместимых или когерентных, а вторые несовместимых или некогерентных. В группе некогерентных элементов обособляют ряд подгрупп с собственными названиями, широко используемыми в петрологии.

Такие подгруппы включают:

1. LILE - крупноионные литофильные элементы (K, Rb, Cs, Ba)

2. HFSE - элементы с высокой силой поля или высокозарядные (Zr, Hf, Ta, Nb)

3. РЗЭ (редкоземельные элементы), актиниды – U, Th.

1. LILE включают щелочные и щелочно-земельные элементы. Имеют низкий заряд (+1 и +2), большой радиус и соответственно низкий ионный потенциал, что определяет растворимость в водных растворах и мобильность при выветривании и метаморфизме. Низкая электроотрицательность определяет ионный тип связи. Резкое отличие от главных петрогенных элементов по радиусу (больше размера как тетраэдрической, так и октаэдрической позиции) не позволяет им входить в решетку большинства силикатов и алюмосиликатов, это наиболее несовместимые элементы.

2. HFSE имеют большой заряд, но относительно малый радиус. По размеру способны входить в решетку породообразующим минералов, а по заряду – нет. Из-за высокого ионного потенциала практически не растворимы и, следовательно, инертны. Nb, Ta – сильно несовместимы, Zr, Hf – умеренно несовместимы.

3.. РЗЭ, Th, U имеют большой заряд и большой радиус, что определяет их несовместимое поведение. Прогрессивное уменьшение радиуса в ряду РЗЭ определяет изменение степени некогерентности. LREE, Th, U – сильно несовместимы, HREE менее несовместимы, могут замещать Al3+ в структуре граната. Кроме того, в восстановительных условиях возможно замещение Ca2+ на Eu2+ в структуре плагиоклаза.

Мерой когерентности-некогерентности является коэффициент распределения Кр, равный отношению концентраций элемента в твердой и жидкой фазах.

Кр=Cs/Cl

В условиях равновесия Кр является константой для данной системы. Данное определение широко используется при петрологическом моделировании. По определению несовместимые элементы имеют Kp<1, а совместимые - Kp>1.

Коэффициенты распределения зависит от состава минерала и расплава, Т и Р.

а) Температура. Для идеальных растворов зависимость Кр от температуры обратная. Экспериментальными работами установлена обратная зависимость и для магматических расплавов. Например, для расплавов основного состава коэффициент распределения Sr между плагиоклазом и расплавом (К_Sr), также как впрочем, и других редких элементов, имеет отрицательную корреляцию с температурой (Sun et al., 1974). Зависимость имеет вид: lnК_Sr= 15121/T – 9,909, что приводит к снижению K_Sr от 1,4 до 0,4 в диапазоне Т 1200-1400^оС. Иногда трудно отделить влияние Т и состава расплава, так как ликвидусная температура является функцией состава.

б) Состав расплава – важнейший фактор, контролирующий Кр. Для одних и тех же минералов Кр увеличиваются с ростом содержания SiO₂ в расплаве. Экспериментально установлен рост К_Sm между Cpx и расплавом с увеличением содержания Al в расплаве и увеличением Ti в Cpx.

в) Для идеальных растворов характерна прямая зависимость Кр от Р. Наиболее сильно Кр зависит от Р, если ионный радиус элемента сильно отличается от размера позиции в кристаллической решетке, которую он может занять. Экспериментально Грином и Пирсоном установлен, например, рост К_РЗЭ между сфеном и андезитовым расплавом с увеличением Р.

г) Зависимость Кр от фугитивности О₂ важна для элементов с переменной валентностью. Хорошим примером является Eu, который ведет себя совместимо при валентности 2+, замещая Са, но несовместим в валентности 3+, когда он ведет себя также как и другие РЗЭ.

В МС расплав как правило равновесен более чем с одной твердой фазой, поэтому используют валовые коэффициенты распределения расплав - твердое. Валовый или суммарный коэффициент распределения (D) равен сумме частных Кр с учетом доли каждого минерала в твердом, считая, что сумма долей равна 1. D= Kp*x_i, x_i=1

Способы определения Кр для минералов включают: 1. термодинамический расчет, 2. экспериментальные измерения, 3. определение концентраций во вкрапленниках и стекле или основной массе эффузивов. Сводки Кр для МС различного состава содержатся в петрологической и геохимической литературе, например, книге П.Хендерсона "Неорганическая геохимия". Наиболее хорошо известны Кр для РЗЭ.

Подразделение элементов на когерентные и некогерентные служит основой для понимания соотношений редкоэлементного состава источников (субстратов) и выплавляющихся магм или исходных магм и продуктов их дифференциации. Магмы (остаточные расплавы) всегда обогащены некогерентными и обеднены когерентными элементами относительно источника (исходного расплава). Будет ли элемент вести себя в конкретной МС когерентно или некогерентно зависит от наличия или отсутствия твердых фаз, способных концентрировать данный элемент.

Главные геохимические особенности магм определяются двумя ведущими факторами:

1. состав источника или исходного расплава,

2. условия плавления или кристаллизации, включая Р, Т, содержание Н₂О и летучих.

Четыре последних параметра обуславливают соотношение твердой и жидкой фаз в МС, которое выражается через степень плавления или кристаллизации, обозначаемую F и равную отношению масс.

F=M_l/M_s (плавление) или (1-F)=M_l/M_s (кристаллизация).