Лекция 1. Общая лекция по включениям

За исключением кристаллов из образцов метаморфических пород, которые выросли в твердом состоянии, все кристаллы из земных и внеземных образований росли из некоторой разновидности флюида. После кристаллизации минералы практически всех земных пород подвергались однократному или неоднократному растрескиванию, и образовавшиеся трещины залечивались в присутствии жидких или газовых флюидов.

В большинстве работ по включениям термин “флюидное включение” используется только для таких включений, которые при комнатной температуре в большой своей части остаются флюидными, а термин “расплавное включение” - для тех, которые становятся в этих условиях твердыми. Однако, между этими двумя крайними состояниями существуют непрерывные переходы, и поэтому для всех таких включений процессы захвата, методы изучения, вопросы интерпретации результатов являются, по существу, одинаковыми. Реддер использует термин “флюидное включение” для обозначения обоих типов включений.

Включения по своим размерам редко бывают более 1 мм и часто остаются незамеченными. С другой стороны известны музейные образцы, содержащие единичные включения, достигающие величины в десятки и даже сотни мм. С помощью электронной микроскопии выявляется большое число включений размером менее ~0.02 мкм. Вероятно, размер включений, захваченных по границам нарушений зерен или по структурным границам, может доходить до размера молекулы воды 2*10^-8 см. Большинство исследований включений проведено на сообществах, имеющих размеры 10-100 мкм.

Информация, которую можно получать с помощью ФВ

Самые ранние и наиболее примечательные примеры использования ФВ относятся к области изучения рудных м-ний. Боль-во рудных флюидов помимо отложенных ими рудных элементов содержали большое количество летучих и растворенных солей, которые “прошли” через месторождение, почти не оставив следа (если не считать ФВ).

Температура. Использование ФВ для оценки температуры геологических поцессов было впервые предложено Г.Сорби в 1858 г. С тех пор включения заняли место одного из лучших и, несомненно, наиболее широко используемых геотермометров. Каждый кубический см белого кварца или кальцита может содержать миллиард ФВ, каждое из которых представляет собой независимый саморегистрирующий геотермометр, сохранивший нам температуру определенного момента в прошлом - температуру захвата конкретного включения.

Использование ФВ в геотермометрии оказывается возможным, главным образом, благодаря различной степени сжатия минерала-хозяина и флюида во включении при охлаждении от Т захвата до Т наблюдения. Флюид сжимается гораздо больше, чем минерал-хозяин, и в наиболее простом случае это проявляется в образовании пузырька во флюиде, наблюдаемом при комнатной Т. Нам необходимо провести только этот процесс в обратном направлении путем нагревания образца до момента исчезновения пузырька (т.е. гомогенизировать ФВ), наблюдая этот процесс под микроскопом, чтобы получить температуру при которой пузырек впервые появился. В этом заключается метод гомогенизации, используемой в геотермометрии. Наблюдаемые Т колеблются от существенно превышающих 1000^оС для многих включений силикатного расплава до комнатных или даже более низких. Такие исследования под микроскопом, а также изучение включений при весьма низких температурах иногда называют микротермометрическими.

Давление. Данные, получаемые при исследвовании ФВ, могут давать информацию о давлении при их захвате.

Плотность. Общую среднюю плотность в-ва во включении можно рассчитать, если удается определить состав и плотность каждой фазы, присутствующей в нем (т.е. жидкости, газа или кристаллов), а также их индивидуальный объем.

Состав. Существует множество недеструктивных методов, позволяющих получать качественную, полуколичественную и даже количественную информацию о составе ФВ по поведению их фаз при низких и высоких Т. Другие методы требуют вскрытия ФВ для анализа. Отношение объема жидкости к общему объему включения иногда называют степенью заполнения. Жидкость, как правило, представлена водным раствором, содержащим менее 10% по массе растворенных в-в, однако концентрации могут колебаться от более чем 50% до 0%. В число основных растворенных в-в входят Na, K, Ca, Cl и SO₄, а многие другие ионы содержатся в меньших количествах. Отдельные ионы из этого перечня могут быть преобладающими, но чаще всего наибольшие содержания характерны для Na и Cl. Углекислота как жидкая, так и газообразная не является редкостью и может быть доминирующим компонентом. Во многих включениях также присутствует метан.

Если при охлаждении от Т захвата до комнатной флюид оказывается пересыщенным растворенной в нем солью, например NaCl, или каким-либо другим минералом, то эти минералы могут выкристаллизовываться из флюида в виде одного или нескольких новообразованных кристаллов, называемых дочерними минералами (Атлас флюидных включений стр 36, тезисы Севы, статья из Lithos). Иногда в ходе роста кристалла захватываются твердые частицы такого же или другого состава. Такие захваченные твердые включения нередко вызывают также одновременный захват некоторого количество окружающего флюида.

Первоначально гомогенный флюид нередко может разделяться при охлаждении на два несмешивающихся флюида в дополнение к пузырьку сжатия. Обычно, когда во включении имеются две жидкости и газовый пузырек, то одна жидкость является водным раствором, другая - жидкой углекислотой, а газовый пузырек представляет собой находящуюся по давлением углекислоту (Атлас. Стр. 82).

Включения в магматических породах и метеоритах (иногда называемые магматическими включениями) могут состоять из прозрачного силикатного стекла и пузырька сжатия, а в некоторых случаях также содержать один или несколько дочерних кристаллов, таких как пироксен или полевой шпат. (Атлас флюидных включений стр. 25).

Типы минералообразующих флюидов во включениях

Захват гомогенного флюида (гомогенный захват).

Захват гомогенного флюида в течение одного эпизода эволюции породы приводит к образованию флюидных включений, которые по существу идентичны по внешнему виду, составу и плотности (Рис. 7а и 8). После охлаждения, фазовое разделение должно реализовываться во флюидных включениях в одинаковой степени заполнения, за исключением случая, когда метастабильность мешает образованию пузырька. В ходе последующего охлаждения после первого захвата, сжатие флюидной фазы по сравнению с почти неизменным объемом минерала-хозяина реализуется в образовании пузырька (ЖГЖ). Иногда, жидкости разделяются (ЖЖ₁Ж₂) или образуется дочерний кристалл (ЖТЖ). При охлаждении обычно имеет место комбинация этих фаз (Рис. 7).

Захват гетерогенного флюида (гетерогенный захват)

Захват несмесимых жидкостей (гетерогенный захват) или в результате кипения приводит к образованию флюидных включений переменного состава и плотности (Рис. 7б и 9).

Жидкости содержащие твердые вещесвта. Многочисленные факты указывают на то, что по крайней мере, в определенные моменты истории роста кристаллов из флюидов, в последних в виде суспензии присутствовали твердые частицы различного состава. В некоторых случаях такие частицы образуются за счет разрушения грубозернистого материала жильного выполнения или вмещающих пород или в результате рассеивания свежеосажденного тонкозернистого вещества, а в других - они могут быть результатом самопроизвольного образования зародышей новых кристаллов во флюиде.

Во многих кристаллах из жил альпийского типа в метаморфических породах наблюдаются сложные зоны или тени из мелких твердых включений, отражающие определенные эпизоды их кристаллизации. Часть таких твердых включений зародилась на поверхности кристаллов, а некоторые из них высаживались на нее из флюида. Последние обычно играют роль затравочных центров для дальнейшего роста, но могут быть также случайно захвачены в виде твердых частичек в состав флюидных включений, образующихся в это время. Их можно ошибочно принять за дочерние минералы. Различить эти твердые частички можно, главным образом, по фазовым соотношениям во включениях. Минерал, который встречается только в некоторых ФВ, и количественные содержания которого резко варьируют, вероятно, случайно попал во ФВ в твердом состоянии, тогда как дочерние минералы должны находиться во всех включениях. Причем дочерние минералы должны находится в постоянном соотношении с другими фазами во всех включениях.

Два несмешивающихся флюида В самых различных геологических условиях могут существовать две или даже больше несмешивающиеся флюидные фазы. Иногда та или иная фаза или обе вместе захватываются во включения, в некоторых случаях несмесимость сама является причиной захвата. Однако, включения образующиеся в ходе всех типов геологических процессов в условиях несмешивающихся флюидов оказываются настолько схожими по механизму захвата и своему поведению, что их можно рассмативать совместно. Кроме этого, важно подчеркнуть, что существует непрерывный переход между равновесными состояниями жидкость-жидкость и жидкость-газ.

В природе наиболее обычными комбинациями несмешивающихся фаз, которые сохранили включения, являются силикатный расплав-газ (СО₂ или Н₂О), водный раствор-газ (вода, углекислота, метан, азат и т.д.) и водный раствор-нефть. Однако известны или предполагаются другие более редкие типы: силикат-силикат, сиилкат-сульфид, водный раствор-металлическая ртуть, водный раствор-жидкая сера (в галите) и др. Нередко наблюдения над включениями позволяют получать док-ва существования трех несмешивающихся флюидов, например: силикат-сульфид-углекислота, водный раствор-нефть-газ; в определенных условиях, вероятно могут существовать и 4 флюидные фазы.