книги из ГПНТБ / Осипов М.А. Контракция гранитоидов и эндогенное минералообразование

образом. При преимущественном уменьшении объема жидкости, заклю­ ченной внутри кристаллической корки, она будет стремиться оторваться от корки, вследствие влияния гравитации занять наинизшее положение (фиг. 1,6). Корка перестанет получать опору снизу. Если она тонка, то внешнее давление (например, атмосферное в случае открытых отли­ вок) сможет прогнуть корку, и на поверхности отливки возникнет во­ ронкообразное углубление - так называемая внешняя усадочная раковина

процесса образования газовых пузырьков в объеме всей жидкости процесс образования усадочной раковины носит более локалный характер.

В соответствии с плоской поверхностью "зеркала" жидкости внутрен­ няя усадочная раковина должна была бы иметь столь же плоскую форму. Но поскольку в жидком или дисперсном расплаве проявляются и силы поверхностного натяжения, стремящиеся придать полости изометричную форму с округлыми очертаниями, а также гравитационное опускание поверхности жидкости, то истинная форма усадочных раковин определя­ ется сочетанием этих трех тенденций. Раковины могут быть более или менее изометричными или даже вытянутыми вверх. При небольшой пло­ щади поверхности жидкости в этой плоскости реально образование лишь одной раковины. В случае достаточного размера поверхности расплава возможно оформление нескольких раковин, расположенных на одном горизонте (фиг. 1,д).

При дальнейшем охлаждении и отвердевании отливки образовавшаяся полость фиксируется в затвердевшем веществе, а заключившая ее кри­ сталлическая зона явится как бы новой коркой для еще оставшейся в центре отливки жидкости. Происходит новое образование усадочной по­ лости, расположенной где-то ниже первой, и так несколько раз по мере расходования расплава. Кристаллизация каждой внутренней порции зоны расплава будет отличаться от предыдущей несколько более медленной теплоотдачей, так как внутренние зоны будут окружены уже горячими частями отливки. Режим охлаждения будет стремиться к объемному. Следовательно, по этой причине размеры и суммарный объем усадочных полостей должны с глубиной уменьшаться. В результате в вертикаль­ ном сечении тела можно видеть повторяющиеся, располагающиеся одна

как цикличный, затухающий (фиг. 1, д ) .

Если расплав сразу после заливки накрыть прочной герметичной крышкой, то образование первой самой верхней внутренней усадочной раковины произойдет без наличия кристаллической корки, роль которой будет играть крышка (фиг. 1, е ) .

Отмеченные закономерности можно видеть на примере отливки шлака

ский, 1964). Отливка производилась в открытую форму в виде куба с реб­ ром 15 см (фиг. 2). Фиг. 3,4 характеризуют динамику затвердевания отливки. Из их анализа видно, что в каждый экстремальный момент

20

Фиг. 5. Зависимость характера внутренних объемных изменений затвер­ девающих расплавов с эвтектикой ( Е) от их состава ( Бочвар, 1940^)

Фиг. 6. Влияние давления на изменение внешних размеров отливки, изо­ браженной на фиг. 5 ( Бочвар, ІЭйС^)

На характер усадочной пористости в отливках оказывает влияние и внешнее давление. Если остывающий расплав с самого начала находится под воздействием повышенного всестороннего давления, то наряду с увеличением общей объемной усадки наблюдается возрастание тенденции к образованию концентрированной усадочной раковины за счет уменьше­ ния количества мелких пор (Бочвар, 1940^ _; Белоусов, Додонов, 1960; Вейник, 1960; Калиш, 1964; Лернер, 1964;’’Москвин, 1964). Это обуслов­ лено тем, что давление по ряду причин (например, вследствие лучшего контакта остывающего тела и вмещающей среды, формы) способствует более быстрому теплоотводу, т.е.последовательному режиму охлаждения. Представление о влиянии всестороннего давления на формирование уса­ дочных раковин и пористости дает фиг. 7. Усадочные полости не возни­ кают лишь при приложении такого большого давления, которое обуслов­ ливает механическое раздробление, смятие кристаллизующейся корки и отливки в целом. В этом случае в образующиеся пустоты немедленно запрессовывается еще оставшийся жидкий расплав. Но, как показывает практика, даже для таких мягких материалов, как алюминий, и то для ликвидации макроскопической пористости в центре отливок высотой 30 см и диаметром 12 см необходимо давление до 2500кг/см2(Белоусов, Додонов, 1960).

Фиг. 7. Влияние всестороннего давления ня формирование уса­ дочных раковин и пористости в отливках сплавов металлов

15 Р, атм ( Бочвар, І94О2 )

22

Воздействие повышенного давления на отливку обусловливает также значительное увеличение наружной усадки, оказывающейся в уменьшении внешних размеров тел (фиг. 6, ср. с фиг. 5, характеризующей объемные изменения той же отливки при отсутствии повышенного давления).

Возникновение усадочных полостей сопровождается своеобразным массопереносом внутри отливок, приводящим к появлению участков, су­ щественно отличающихся по составу от остальных частей отливки. Это происходит следующим образом. После образования корки скорость сок­ ращения ее объема становится меньше, чем у жидкого, дисперсного яд­ ра, и в верхней части жидкости появляется полость. При отрыве жид­ кости от корки в образовавшейся минимальной полости в случае невыделения в нее газов или жидких веществ должен в идеале. возникнуть вакуум, а вокруг полости - концентрическая зона перепада давления. Но так как в жидкости особенно при высокой температуре и снижающемся давлении обязательно газовыделение, то вакуума не возникает.Появившийся хотя бы минимальный перепад давлений обусловит тенденцию компенсации этого разрежения.

Если корка крепка, и внешнее давление не в силах ее прогнуть, то компенсация возникающего разрежения будет происходить за счет ве­ щества внутренних частей отливки. Поэтому в полости начнут сосредо­ точиваться легкоплавкие и летучие, наиболее подвижные компоненты.

Приток легкоплавкой жидкости обусловливает появление на стенках усадочных пустот капель ("корольков"), наплывов или заполнение их целиком. Этот процесс в металлургии называют ликвацией. Надо сказать, что под понятием ликвации металлурги объединяют всякие перемещения жидкого вещества отливок в процессе кристаллизации, приводящие к изменению состава отдельных частей отливок. Как известно, геологи ликвацией называют появление в расплаве несмешивающихся жидких фаз. Степень заполнения усадочных раковин легкоплавкой жидкостью зависит от многих причин; главные из них - это состав расплава, количество легкоплавкой жидкости и растворенного газа, растянутость температур­ ного интервала кристаллизации, скорость охлаждения отливки и др. Во многих случаях миграция легкоплавкой жидкости приводит к обогащению ею участков отливки, окружающих усадочную раковину, особенно скоп­ ления мелких усадочных полостей.

Механизм такой миграции легкоплавкого расплава и силы, обуслов­ ливающие его, металлурги объясняют следующим образом. Усадочная раковина формируется в жидком и дисперсном расплавах. В некоторый момент она будет окружена веществом отливки, имеющим жесткий кри­ сталлический скелет и межзерновую жидкость. При кристаллизации про­ исходит и выделение газов. Они также сосредоточиваются в межзерно­ вых каналах. По мере их дальнейшего выделения давление газовой фазы нарастает; как только оно превысит какую-то величину, необходимую для преодоления сопротивления пористой среды, газы выталкивают меж­ зерновую жидкость в усадочную полость. Этот процесс происходит довольно интенсивно. Наряду с этим часто имеет место просто отгонка легкоплавкой жидкости фронтом кристаллизации. Как известно, в зависи­ мости от условий растущий кристалл может захватывать или отталки­ вать окружающую среду с определенной измеренной для некоторый веществ

23

Фиг. 8. Отливка металлургическо­ го шлака

В верхней части отливки пус­ тота, окруженная наиболее лейкократовьгми легкоплавкими м ине-( ралами, образующими агрегат круп­ нозернистого пегматоидного стро­ ения (Лапин, Курцева, 1958)

силой (Correns, 1926; Бочвар, 1935; Шубников, 1935; Фридляндер, Высоцкая, 1948; Спасский, Пикунов, 1955; Хаимов-Мальков, 1958 и др.).

Состав легкоплавкой жидкости существенно отличается от маточного расплава. Для соответствующих смесей это может быть эвтектика. Жид­ кость обогащена растворенными примесями, например в металлах - фос­ фором. Изменение состава расплава отражается на продуктах его кри­ сталлизации: возникают сравнительно крупнозернистые пегматоидного строения агрегаты. Особенно хорошо это заметно в относительно круп­ ных, монолитных отливках (фиг. 8).

Кристаллизация жидкости, заполнившей усадочную полость, в свою очередь также сопровождается уменьшением объема. А так как компен­ сация его жидкостью уже невозможна, то образуется пустота, газовая фаза. Приток газов в полость приводит к их расширению, изменению растворимости компонентов и отложению на стенках пустоты хорошо ограненных кристаллов. В целом получается локальное концентрически зональное обособление контрастного состава, сложенное наиболее легко­ плавкими компонентами с пустотой внутри.

В ряде случаев усадочная пустота оформляется не в виде локальной полости, а в виде скопления мелких пустоток. Это зависит от физико­ механических свойств расплава и режима его охлаждения. Довольно ча­ сто усадочные пустоты реализуются не в виде изометричных пузыре­ образных, а в виде трещиноподобных полостей, иногда ветвящихся, и в комбинации с округлыми пустотами. Такой механизм становится вполне понятным, если учесть, что в процессе кристаллизации жидкости приоб­ ретают свойства твердообразных сред, способных даже до полного зат­ вердевания реагировать на напряжения появлением разрывов (ч .І , л). Такие трещины литейщики называют "горячими". Они возникают при сравнительно небольших напряжениях, ибо кристаллы, имеющие прослойки жидкости, еще не совсем прочно удерживают друг друга. Линия излома "горячих" трещин проходит по межзерновым пространствам, поэтому ■ имеет извилистый рисунок. Так называемые холодные трещины, возни­

кающие после окончательной кристаллизации отливки, рассекают зерна кристаллов, форма их более прямолинейная.

При возникновении "горячих" трещин межзерновая легкоплавкая жид­ кость заполняет их так же, как и в случае усадочных раковин. Это • явление называют самозалечиванием трешин.

Такова общая схема затвердевания расплавов и формирования уса­ дочных полостей. В дальнейшем мы остановимся еще на некоторых де­ талях этих процессов.

24

Частъ вторая

ТЕРМИЧЕСКАЯ УСАДКА ИНТРУДИРОВАВШЕЙ МАГМЫ

И ЕЕ ЗНАЧЕНИЕ ДЛЯ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ, МАССОПЕРЕНОСА И МИНЕРАЛООБРАЗОВАНИЯ ВНУТРИ ИНТРУЗИВОВ

Из всех явлений, обусловленных термическим сокращением объема интрузивов, наибольшее внимание исследователей привлекало наиболее очевидное образование контракционных трещин, например, трещин от­ дельности. Значительное число работ было посвящено возникновению по­ ристости в изверженных породах. Как показывает изучение отливок

(ч. I, м; ч. II, гл. 2, г ) , структурные и вещественные изменения, про­ исходящие в процессе сокращения объема расплавов, намного шире и разнообразней. Причем эти изменения фиксируются даже в весьма ма­ лых объемах остывающих веществ, вплоть до микроскопического уровня. Поэтому можно с уверенностью говорить, что в таких больших объемах расплавов, какими являются интрузивы - эти гигантские природные от­ ливки, изменения, возникающие в процессе их термической усадки, бу­ дут не менее значительными. По нашим представлениям, комплекс но­ вообразований, вызываемых термической усадкой магматических тел, далеко не ограничивается возникновением трещин и пористости. Наибо­ лее важными моментами являются не структурообразование, а сопровож­ дающий его массоперенос и возникновение различных минерализаций.

Ниже делается попытка показать, что к изменениям, новообразова­ ниям, обусловленным термическим сокращением объема плутонов, мож­ но отнести следующие внутриинтрузивные процессы: 1) образование ка­ мерных (фациальных) пегматитов и их мелких разновидностей - миарол; 2) образование некоторых типов жилоподобных пегматитов; 3) образова­ ние, внедрение некоторых жильных гранитоидов и возникновение в них пегматитов; 4) образование пегматитов и некоторых даек и шлир аплитовндных гранитов вблизи ксенолитов; 5) возникновение пегматитовых тел и некоторых других типов минерализаций в области контактов инт­ рузивов гранитоидов; 6) возникновение некоторых типов гидротермаль­ ных жил.

В литературе многие из этих процессов с позиций термической усад­ ки почти не рассматривались. В числе известных можно назвать иссле­ дования Ю.А. Долгова, привлекшего явление термической усадки интру­ зивов гранитоидов для объяснения генезиса некоторых типов пегматитов и ряд других. Далее мы коснемся этих работ более подробно. Большин­ ство имевших место исследований в основном затрагивало процессы об­ разования гидротермальных жил, причем обычно высказываемые положе­ ния лишь постулировались, детального анализа механизма возникновения тех или иных новоообразовалий не приводилось.

25

Как можно видеть из приведенного перечня, термическая усадка представляется причиной, обусловливающей весьма заметные изменения внутри интрудировавшей магмы и застывшей из нее породы. Далее бу­ дет показано, что термическое сокращение объема плутонов способно вызывать не менее значительные изменения, преобразования и в окопо­ интрузивном пространстве (ч. III),

Разумеется, не в каждом из интрузивов возникает весь комплекс отмеченных новообразований. Это зависит от . специфики формирования каждого конкретного плутона. Как отмечалось, наиболее благоприятны­ ми объектами являются интрузивы, формировавшиеся в спокойной текто­ нической обстановке. В интрузивах активных тектонических зон многие из отмеченных новообразований не возникают или сильно видоизменяют­ ся. Именно поэтому только изучение интрузивов, не подвергавшихся при своем формировании воздействию сторонних факторов, способно дать в чистом виде закономерную картину явлений, обусловленных процессом их термического сокращения.

Глава первая

П РИ БЛ И ЗИ ТЕЛ ЬН АЯ О Ц ЕН К А ТЕРМ ИЧЕСКОГО СО К РАЩ ЕН И Я ОБЪЕМА И Н ТРУЗИ ВО В ГРАНИТОИДОВ

а) Расчет величины термического сокращения объема интрузивов. Пос­ кольку магмы представляют собой силикатные расплавы, остывающие в большом интервале температур, неизбежны их значительные объемные изменения.

В литературе попытки оценок термического сокращения объема кис­ лых интрузивов уже имели место (Эммонс, 1937; Hulin, 1948; Долгов, 1963, 1965; Орлов, 1963; Марин, 1967 и др.). В большинстве из них рассматривалось остывание уже затвердевших пород, реже - в процессе кристаллизации. Насколько известно, остывание и сокращение объема жидкого расплава не учитывалось. Очевидно, что недоучет сокращения расплавов в жидком состоянии не мог дать полной картины термическо­ го уменьшения объема магматических тел. Проделанные нами расчеты (краткое изложение см . Осипов, 1970) в определенной мере восполняют этот пробел.

Оценка термического уменьшения объема магм связана с большими трудностями, обусловленными в основном отсутствием точных данных

о состоянии расплавов и кристаллических фаз в недрах Земли, поэтому

внастоящее время даже для гипабиссальных интрузивов она не может быть сделана без определенных упрощений и допущений. Особенно слож­ на оценка уменьшения объема кислых расплавов, для которых отсутству­ ют обычные дилатометрические данные. Тем не менее знание даже приблизительных величин сокращения объема интрузивов может помочь при многих геологических построениях. Важным является знание рас­ пределения освобождающихся при усадке объемов внутри остывающего тела и в виде изменения его внеших размеров. Рассмотрим принимае­ мые в расчет условия.

26

кристаллизации практически не меняется, а высоковязкие полимеризованные охлаждающиеся силикатные расплавы имеют квазикристалличес­ кое строение (т.е. предполагается, что изменение агрегатного состоя­ ния незначительно) и интервал кристаллизации сильно растянут, то для грубого подсчета можно воспользоваться соотношением

Но плотности жидкого и только что закристаллизовавшегося гранита неизвестны. Они известны для диабаза и могут быть интерпретированы для диорита. Для диабаза плотности твердой породы при нормальных ус­ ловиях, при температуре, предшествующей расплавлению, и плотность жид­ кого расплава при 1200-1250°С относятся как 2,965:2,885: 2,662 г/см 3.

Средний член в справочниках отсутствует. Учитывая близость коэффи­ циентов термического расширения всех изверженных пород, близость отношений первого и третьего приведенных значений для диабаза и дио­

С учетом размеров, объема жидкой кристаллизующейся части интру-

Все величины, относящиеся к термическому изменению объемов ми­ нералов и пород, а также плотностей, упоминаемые в данном разде­ ле, взяты из указанного издания.

28

мических уменьшений объемов породообразующих минералов, в том чис­ ле происходящих в результате их полиморфных превращений. По условию 25% начального объема интрузива составляют глубинные кристаллы, ко­ торые претерпевают термические изменения в интервале 900-120 . Часть кристаллов, возникших в мапйе до момента окончания кристаллизации, составляющих 50% объема жидкости, сокращаются в интервале 775-120 .

вале температур кварц несколько увеличивается в объеме. Изменение

ма интрузива.

Таким образом, в результате охлаждения объем интрузива за счет

В сумме в результате охлаждения кристаллов, возникавших в период, предшествовавший полному затвердеванию расплава, объем интрузива

уменьшается на величину 0,04*1015см 3 - 0,012 - 1015см3 = 0,0281015см 3,

или 0,036% начального объема интрудировавшей магмы.

29