Физические изменения

Процессы, контролирующие изменения флюидных включений после захвата подразумевают изменение формы и объема (расшнуровывание, растрескивание, растяжение), положения включений под влиянием различных градиентов, диффузию воды через дислокации (гидролитическое понижение).

Изменения формы. Расшнуровывание гомогенных включений. Значительная часть, а возможно, большинство включений не обладает сейчас той формой, которая у них была в момент захвата. Если минерал-хозяин растворим во флюиде, то после захвата последнего немедленно начинается процесс перекристаллизации, обычно называемый расшнуровыванием, стремящийся уменьшить высокую поверхностную энергию системы. Конечным результатом расшнуровывания является образование нескольких более мелких включений, имеющих тот же самый объем, что и первоначальное единичное включение, но обладающих меньшей суммарной поверхностной энергией (ПОКАЗ ПЛАКАТА).

В ходе лабораторных исследований необходимо соблюдать особую острожность и внимательность с целью выявления процессов расшнуровывания. Когда этот процесс прерывается, можно видеть длинные или короткие “хвосты” между включениями (ПОКАЗ РИСУНКА С ХВОСТАМИ – 17 и Плакат). После успешного завершения перекристаллизации эти хвосты исчезают, и прошедшее расшнуровывание может быть выявлено только в случае нахождения рядом двух или большего числа включений, соотношения фаз в которых различаются тем, что они смещены в проитвоположные стороны (ПОКАЗ РИСУНКА С ХВОСТАМИ - 18).

Изменение объема. Постоянство объема включения после его захвата является первейшим требованием в геотермометрии, основанной на результатах изучения включений и в большинстве образцов это постоянство сохраняется. Основные исключения сводятся к следующему.

Обратимые изменения Некоторые обратимые изменения могут происходить благодаря действию нескольких механизмов: 1) кристаллизация на стенках или в самом флюиде; 2) термического сжатия минерала-хозяина (и осажденных мин-ов) при остывании; 3) изменений, связанных с расширением, вызванным внутренним или внешним давлением.

Снижение ошибки при определении Т_гом при первом процессе может быть достигнуто за счет того, что осаждение дочерних минералов (и вещества на стенках) не будет влиять на объем включения, если этот материал способен вновь растворяться при нагревании.

Термическое сжатие минерала хозяина при остывании должно оказывать влияние на размер пузырька при комнатной температуре, но т.к. эффект сжатия при охлаждении адекватно компенсируется в ходе нагревания, то он не должен сказываться на значениях Т_гом.

Третий механизм включает в себя 2 совершенно разных эффекта, которые “обратимые” с точки зрения теории, но на праткике таковыми не являющимися. 1) расширение всего кристалла при ослаблении внешнего давления, приводящее к увеличению полостей флюидных включений; 2) расширение участков минерала-хозяина, непосредственно окружающих включения, которое обусловливается локальным внутренним давлением, возникающим в ходе опытов по гомогенизации включений. Реддер расчитал, что сочетание этих двух эффектов будет приводить к завышению всех р-тов измерения Т_г включений в кварце на 4-6^оС на каждый килобар давления, существовавшего во время захвата.

Необратимые изменения и декрепитация включений. Термин декрепитация предполагает полную или частичную утечку флюида путем формирования микротрещин в результате избыточного давления флюида, т.е. градиента давления между давлением флюида и окружающим давлением. Декрепитация может быть достигнута в ходе экспериментов по нагреванию особенно в ходе микротермометрических исследований или в результате наложения более поздних процессов в природных условиях. Температура декрепитации (Т_д, Roedder, 1984) определяет разрушение включения при нагревании и обычно она более высокая, чем температура гомогенизации (Т_г). Газовые включения сохраняются лучше, чем жидкие, поскольку в них рост давления с увеличением температуры существенно ниже, чем в жидких. Также на сохранение флюидных включений сильное влияние оказывают свойства минерала хозяина (твердость, спайность), например, кварц может сохранять включения при гораздо более высоких давлениях по сравнению с минералами с более совершенной спайностью, таких как кальцит или флюорит.

Хотя термин «декрепитация» для любых процессов, ответственных за изменения флюидных включений после захвата широко употребляется в литературе, для описания различных изменений флюидных включений при изменении температуры и давления лучше использовать термин «модификация». Термин «декрепитация» можно оставить для физической потери вещества из флюидных включений в ходе экспериментов по нагреванию. «Растяжение» описывает объемные изменения без потери материала.

Одним из наиболее важных параметров вызывающих изменение флюидных включений является градиент (сверхсжатие или разрежение) между внутренним давлением во флюидном включении и внешним окружающим давлением (с точки зрения геологии, это обычно литостатическое давление). Рис. 10 показывает три возможных режима изменения флюидных включений: изотермическая декомпрессия (ИТД), изобарическое охлаждение (ИБО) и изохорическое охлаждение (ИХО). В случае изотермического подъема, флюидное включение имеет более высокое давление чем окружающее давление. Максимальное избыточное давление в кварце было экспериментально определено (Bodnar et al., 1989) в 1-4 кбар при размере включений 1-20 мкм (самые маленькие включения наиболее устойчивы к изменению). Включения будут расширяться или терять часть своего содержимого путем частичной утечки через микротрещины и дислокации. Этот процесс, который еще до конца не понят, определяется как «взрыв, направленный наружу». Вероятно, наиболее ярким примером этого явления является так часто наблюдаемое растрескивание вокруг включений силикатного расплава в кварце (ПОКАЗ РИСУНКА 20 на картинке с движением, рис. 7 – Frezzotti). Около многих таких включений можно видеть трещины, радиально расходящиеся в теле минерала-хозяина на расстояния равные нескольким диаметрм включения. Указанные трещины являются результатом сжатия кварца на 1% в момент перехода -кварца в -кварц. Это сжатие подвергает включения определенному давлению. В температурных условиях перехода стекло во включениях становится уже твердой, относительно несжимаемой фазой, и поэтому кварц должен подвергаться растрескиванию. Образующиеся трещины обычно параллельны оси с минерала-хозяина и лишь иногда перпендикулярны ей. Подобные трещины воспроизведены экспериментально. В случае изобарического охлаждения, давление во включении становится ниже чем окружающее. Установлено, что флюидные включения в кварце коллапсируют (взрыв, направленный внутрь) при разрежении давления флюида >2 кбар (Sterner & Bodnar, 1989).

Привнос или утечка содержимого. Частичная утечка может оказывать значительное влияние на состав флюида: вода более подвижна по сравнению с газом за счет более высокой полярности своих молекул. Поэтому измененные включения теряют преимущественно воду и обогащаются газовыми компонентами CO₂, CH₄ и N₂ (Baker & Jansen, 1990, 1994; Hall & Sterner, 1993). Также в ходе модификации включений могут в значительной степени изменяться концентрации солей в водных включениях (Hall & Wheeler, 1992). Самым простым примером привноса является раскрытие и перенаполнение ранее образованных включений новыми флюидами в ходе деформации. Аналогичное явление, когда первичные твердые включения ангидрита замещались глауконитом, создавая таким образом обманчивое впечатление того, что первичными были включения глауконита, описано Сабуро-Россе в 1980 г. в кварце из эоценовых отложенияй в Тунисе.

Изменение местоположения включений под влиянием различных градиентов. На протяжении многих лет полагали, что все включения находятся на том месте, где они впервые возникли. Для многих включений это допущение справедливо. Однако если стенки включения с одной стороны более растворимы, чем с другой, то материал будет растворяться, диффундировать и прекристаллизовываться таким образом, что включение будет успешно передвигаться в кристалле. Такие различия в растворимости могут возникать за счет наличия градиентов температуры, силы тяжести, напряжения или фазового состава в кристалле-хозяине.

Термические градиенты. Наиболее наглядный пример перемещения включений представляет собой хорошо известное явления миграции ФВ в кристаллах солей при наличии термического градиента, которое впервые было описано Лемлейном. Этому явлению придали большое значение при решении проблемы строительства хранилищ ядерных отходов в соляных куполах.

Второй пример. В Черноголовке провели эксперимент. Гоняли включения в кварце вдоль оси “с” при температуре 275^оС и термоградиенте 14^оС/см в течение 55 дней. В результате выяснилось, что скорость движения включения составляля примерно 1-5 мкм за день при этом градиенте. Дальнейшие расчеты показали, что при нормальном градиенте 30^оС/км скорость движения природных чистоводных с плотностью 0.7-0.8 г/см³ и размером 10-20 мкм составляет от 0.5 до 1.5 мм за 10 млн. лет. (ПОКАЗ РИСУНКА 3.19 как свидетельство движения включений)