Геология / 1 курс / Минералогия / Кристаллохимизм породообразующих минералов

гнейсов и кристаллических сланцев, магматических пород кислого и среднего состава, а также метасоматических образований, является составной частью контактовых роговиков,

Таблица 6.4

Химический состав представителей слюд (Дир, Хауи, Зусман, 1966)

149

продукт термального метаморфизма, присутствует в эффузивах, где может находиться в виде вкрапленников. В вулканических породах он обычно сильно резорбирован.

Флогопит же встречается преимущественно в метаморфизированных карбонатных породах - мраморах и кальцифирах, а среди магматических пород характерен для ультрабазитов, особенно для кимберлитов и пикроильменитов. Он обнаруживается также в лавах, где встречается как во вкрапленниках, так и в основной массе. Флогопит часто образуется в результате Mg-метасоматоза в жильных и других метасоматических породах.

Составы биотитов попадают в поле ограниченное четырьмя главными миналами - флогопитом, аннитом, сидерофиллитом и истонитом. В.Е.Трёгер предложил треугольник состава с вершинами Mg - (Fe2++Mn) - (Al+Fe3++Ti) где Fe-Mg слюды распределяются по четырём полям (рис.6.6).

Средний состав в вес.% и среднее содержание основных катионов в биотитах фациальных серий разных типов метаморфизма приведены в табл.6 .5.

Таблица 6.5

Средний состав в (весовых %) и среднее содержание (в форм. ед) некоторых биотитов фациальных серий разных типов метаморфизма (по материалам Д.А.Великославинского, 1972)

150

Содержание диоксида титана представляет характерный диагностический признак фациальной принадлежности биотита. Его содержания повышаются с ростом степени метаморфизма и не связано с его содержанием в породе.

Титан в слюдах может изоморфно замещать как кремний (Ti → Si), так и двухвалентные катионы (0,5Ti → Fe2+,Mg). Изучение корреляционных связей в природных метаморфических биотитах показывает, что связь между кремнием и титаном отсутствует, то есть

изоморфизм Si4+ ↔ Ti4+ в метаморфических биотитах не имеет распространения, и титан в них входит преимущественно в октаэдрическую позицию.

Рис.6.6. Составы Fe-Mg слюд, по В.Е.Трёгеру (в настоящее время термин мероксен не используется)

По содержанию титана слюды гранулитовой и амфиболитовой фаций различаются между собой. Среднее содержание диоксида титана в биотитах растёт последовательно по зонам: в ставролит-андалузитовой

биотита может служить температурным индикатором только в определённом интервале железистости (F=40--55%), так как для биотитов низких степеней метаморфизма при данной температуре титанистость возрастает с ростом железистости.

В магматогенных триоктаэдрических слюдах происходит разделение титана; щелочная среда способствует стабилизации Ti4+IV, содержание которого в биотите определяется соотношением Al, Si и Ti. В таких условиях вхождение Ti4+IV - типоморфный признак повышенной щёлочности, пониженной глинозёмистости, а также признак умеренных давлений в среде минералообразования. Повышение же кремнекислотности Среды способствует стабилизации Ti3+VI, количество которого в биотите определяется в основном температурой кристаллизации. Так в дайках лампрофиров ранние кристаллы биотита содержат преимущественно Ti4+IV в более же позднем (более железистом) биотите титан находится в виде Ti3+VI. Таким образом, изменение давления вызывает смену координации. Следовательно, появление Ti3+VI в шестерной координации - признак повышенного давления.

Что же касается флогопитов метаморфических и метасоматических пород то в них содержание двуокиси титана обычно не превышает 1 вес. %. Оно несколько повышается во флогопитах ультраосновных пород (максимально до 3%) и лишь в щелочных породах иногда поднимается до 6%.

Содержание оксида марганца в биотите и флогопите в подавляющем большинстве не достигает 1%. Проявляется тенденция сравнительного повышения содержания марганца: в биотитах амфиболитовой фации относительно гранулитовой; в биотитах метаморфических комплексов низкого давления, относительно комплексов повышенного давления; и в биотитах гранитоидных пород, включая пегматиты, жильный материал мигматитов и гранитизированные породы, сравнительно с биотитами вмещающих метаморфитов.

Имеются разновидности Fe-Mg-слюд - манганофиллиты и мангофлогопиты, в которых содержание оксида марганца максимально может достигать 18,2%. Такие слюды чаще

151

встречаются в пегматитовых жилах или в ассоциации со скарнами. Имеются также находки манганофиллитов в слюдяных сланцах и кварцитах.

Для определения зависимости элементного состава биотитов от условий образования важным является содержание и поведение алюминия, как суммарного, так и тетраэдрического AlIV и октаэдрического AlVI. Многочисленными исследователями была показана зависимость содержания общего алюминия в биотитах от состава вмещающих пород: биотиты из пород бедных глинозёмом имеют и наиболее низкие содержания этого компонента.

Изучение поведения тетраэдрического и октаэдрического алюминия раздельно привело к появлению трёх точек зрения: 1) количество тетраэдрического алюминия увеличивается с возрастанием температуры метаморфизма; 2) содержание тетраэдрического алюминия сокращается с ростом температуры; 3) количество тетраэдрического алюминия практически не зависит от температуры. Проведённая на обширном материале с использованием математических методов проверка как будто показала справедливость третьей точки зрения. Тенденция сокращения тетраэдрического алюминия с ростом температуры метаморфизма проявляется лишь в биотитах некоторых групп пород, и то весьма незначительно.

Однако можно говорить о другой тенденции - влиянии давления на количество тетраэдрического алюминия в метаморфических биотитах. Для 98 биотитов разных метаморфических комплексов кианитового типа (Р=7--9 кбар) среднее содержание тетраэдрического алюминия составило 1,21%, для биотитов андалузитового типа метаморфизма (Р=4--6 кбар) - 1,32%, однако и здесь области перекрытия довольно значительны.

Изменение координации алюминия в силикатах при повышении давления с переходом от тетраэдрического алюминия к октаэдрическому было отмечено ранее (Соболев, 1970). Это проявляется в биотитах как метаморфических, так и интрузивных пород. Последовательное возрастание количества тетраэдрического алюминия со снижением давления было продемонстрировано М.Д.Крыловой для пород докембрия Балтийского щита следующей серии: гнейсов с гиперстен-силлиманитовой ассоциацией -→ кристаллических сланцев основного и глинозёмистого состава -→ эндербитов -→ чарнокитов -→ пегматитов и порфировидных гранитов (рис.6.7).

В отношении алюминия в шестерной координации (октаэдрический алюминий) мнения разных исследователей также не однозначны. Обработка большого количества химических анализов метаморфических биотитов (458 проб) показала достоверное уменьшение количества октаэдрического алюминия с возрастанием температуры (Ушакова, 1971). Ещё раньше Д.А.Великославинский (1960) для установления степени и типа метаморфизма предложил использовать в биотитах метапелитов содержание алюминия и изоморфного с ним трёхвалентного железа в группе катионов шестерной координации. Позже на примерах метаморфических комплексов низкого и умеренного давления было показано различное положение полей составов биотитов этих комплексов, а также тренд изменения состава в этой группе катионов шестерной координации (Великославский 1972)(рис.6.8, 6.9). Следовательно, количество AlVI+Fe3+ в биотитах понижается как с повышением температуры, так и с повышением давления.

Не менее убедительная картина была продемонстрирована В.В.Закруткиным (1970) на графике с координатами (AlVI+Fe3+), (Mg+Fe2++Mn) в формульных единицах, на котором видно, что с усилением метаморфизма значение первого параметра снижается, а второго повышается. Поле перекрытия не велико, так сумма (Mg+Fe2++Mn) варьирует в таких широких пределах: для биотитов гранулитовой фации - 5,5--4,3 ф.ед.; амфиболитовой (и эпидотамфиболитовой) - 4,8--3,3 ф.ед.. При этом соотношение AlVI - Fe3+ отчётливо показывает, что чувствительный вклад в эти изменения вносит не Fe3+, а именно AlVI.

152

биотитах. Различия установлены для разных парагенетических групп биотитов грануллитовой, амфиболитовой и эпидот амфиболитовой фаций (Ушакова, 1971). Против ожидания для содержания оксида железа не выявилось отчётливой обратной тенденции: в ряде случаев биотиты, статистически значимо различающиеся по содержанию MgO, не различаются по содержанию FeO. Это обстоятельство, наряду с существованием значительных отрицательных связей Mg с Al (rMg-Al=-0,48) позволило предположить преимущественный изоморфизм

Mg ↔ AlAl (Ушакова, 1971).

Рис.6.10. Поля магматических(I) и метаморфических (II) биотитов на диаграмме AlIV

–Si/AlIV (Bea, 1980)

Независимость в составе биотита суммы катионов Mg, Fe2+ и Mn от состава

флогопитах из разных пород оксид магния варьирует в интервале 19--28%.

Химический состав биотитов может быть использован и для разделения по фациям метаморфизма. Например, биотиты гранулированной фации отличаются более высокими содержаниями Ti, Mg и более низким

отношением тетраэдрического алюминия к октаэдрическому. Существование же небольшой области перекрытия полей двух фаций связано с присутствием в разной степени диавторезированных биотитов.

Л.Б.Кепежинскас использовал химический состав биотитов с целью распознавания типа метаморфизма по давлению. Для средне- и высокотемпературных метапелитов им рассчитана дискриминантная функция, которая имеет следующий вид: Dx=41,132Si+19,048Ti- 6,270Al+6,872Fe3+-3,144Fe2+-1,406Mg-28,00K-4,149(OH)

Для биотитов дистен-силлиманитового типа метаморфизма (высокое давление) Dx>72,20, для биотитов андалузит-силлима-нитового типа (низкое давление) Dx>70,60; граничным принимается значение Dx=71,40. Автор подчёркивает возможность определения типа метаморфизма по составу биотита силлиманит- и гранат содержащих пород даже в тех случаях, когда ни дистен ни андалузит не обнаружены (Кепежинскас, 1972).

Что же касается железистости, то многие авторы отмечают её сокращение с возрастанием степени метаморфизма. На большом аналитическом материале для биотитов обеих фаций (n=103) В.В.Закруткиным (1970) было показано различие железистости по фациям с небольшим полем перекрытия, хотя связь F биотита - F породы проявлена внутри каждой фации. Снижение общей железистости биотита с возрастанием степени метаморфизма в зональных комплексах было продемонстрировано Д.А.Великославским (1972).

Если рассматривать железистость биотита внутри одного метаморфического комплекса, то всегда наблюдается её закономерное изменение в определённых сериях пород. Показательно в этом смысле прослеженное в ланпландском гранулитовом комплексе (Крылова, 1983) последовательное её возрастание от биотитов из гиперстен-силлиманитовой ассоциации в зоне разлома (F=14--15%) через биотиты гнейсов и кристаллических сланцев разного состава (30-40%), биотиты эндербитов (45-50%) к биотитам чарнокитов (60-62%). Самые железистые биотиты характерны для высокожелезистых пород, а также для гранитов рапакиви

(до 96%).

155

При региональной гранитизации железистость биотитов возрастает. В жильном материале мигматитов биотиты также имеют более высокую железистость, чем биотиты из парагенезисов с калиевым полевым шпатом. Повышение железистости биотитов при гранитизации С.П.Кориковский (1965) объясняет большой подвижностью магния, что можно приложить к процессу метасоматической гранитизации. Однако уже давно У.А.Дир (1937) обратил внимание на более высокое отношение Fe2+/Mg в биотитах кислых пород. Поэтому рост железистости биотитов в гранитоидах и продуктах гранитизации скорее связан с тем, что содержание Fe2+ в биотитах возрастает при повышении кислотности породы, что подтверждается данными химических анализов биотитов из магматических серий разных регионов.

Что же касается флогопитов, то их состав ещё менее однороден, железистость в них меняется весьма широко - от долей процента до 23%. Первая прямая для определения общей железистости флогопита по формуле fобщ=((FeO+Fe2O3+MnO+TiO2)/(FeO+Fe2O3+MnO+TiO2+ Mg))*100% была составлена Л.И.Шабыниным.

Для характеристики условий метаморфизма представляет интерес степень окисленности железа в биотите. По наблюдениям М.Д.Крыловой (1991) существует тенденция повышения этой величины в биотитах амфиболитовой фации сравнительно с биотитами гранулитовой, хотя нельзя не учитывать наличие широких вариаций. Сопоставление fo биотитов метаморфических пород, биотитов пегматитов и биотитов зон околожильных изменений показывает её последовательное возрастание в этом ряду слева направо, что логично отражает смену окислительных условий кристаллизации или перекристаллизации биотитов при снижающейся температуре.

Поскольку метаморфический флюид (как и магматический расплав) лишён свободного кислорода, окислительная обстановка обусловлена обводнённостью системы, что прямым образом связано с температурой. Отсюда степень окисленности железа в биотите должна быть относительно более низкой в более высокотемпературных образованиях.

Необходимо отметить ещё одно обстоятельство. Поскольку давление благоприятствует процессам восстановления и препятствует процессам окисления, коэффициент fo в биотитах, как впрочем, и в других минералах, также является определённым показателем и условий давления. Поэтому его различия в биотитах разных метаморфических комплексов могут быть связаны и с различием условий давления при кристаллизации этого минерала.

Содержание оксида калия в биотитах варьирует в интервале 5,5--11%. В подавляющем большинстве случаев оно лежит в пределах 7 - 9%. Наблюдается определённая тенденция обогащения биотита калием с повышением температуры.

Содержание конституционной воды в биотите давно привлекало к себе внимание с точки зрения возможности его использования для разделения биотитов по фациям метаморфизма. Вообще, вариации содержания H2O в биотитах чрезвычайно широки - от 1,1 до 6,6%. Между тем, при сопоставлении величины (OH+F) для биотитов разных парагенетических типов видно последовательное возрастание содержания воды в биотитах от гранулитовой фации через амфиболитовую до эпидот-амфиболитовой. Нехватку гидроксильной группы, часто наблюдаемую в биотитах гранулитовой фации, Д.А.Великославский (1965) объясняет увеличением роли галогенов (F, Cl) которые часто вообще не определяются химическим анализом.

К.Б.Кепижинскас (1972) показал, что содержание группы (OH) уменьшается не только с повышением температуры, но и с повышением давления.

Фтор замещает гидроксильную группу, причём отмечается, что изоморфная примесь фтора проявляется преимущественно в биотитах с повышенным содержанием титана. Ионы гидроксила также могут замещаться хлором.

В большинстве биотитов (и флогопитов) содержится барий, являющийся неплохим температурным индикатором - повышение температуры способствует вхождению большого количества Ba в решетку этих слюд.

156

Биотит (в широком спектре составов) устойчив в широком диапазоне Р-Т условий от зелёносланцевой до гранулитовой фации включительно, в условиях как низких, так и умеренно высоких давлений (Т=500--800oС, Робщ=9 кбар).

Железистая гидроксильная слюда была синтезирована при Т=580--590oС и Р=750 бар.

При Робщ=2 кбар и РО2=10-17 бар аннит устойчив до Т=840oС. Предельное давление РО2, при котором устойчив аннит, соответствует линии фазового перехода магнетит-гематит.

Хорошо образованные кристаллы флогопита были получены из смеси MgO, γ- глинозёма и стекла состава K2O6SiO2 при нагревании до Т=950oС и Р=1,05 кбар в течение 24 ч. Флогопит был синтезирован и при температуре около 400oС.

Изменения Fe-Mg-слюд связаны с падением температуры и действием растворов. Обычными являются замещения хлоритом, серицитом (или мусковитом) минералами группами эпидота-клиноцоизита, пренитом, карбонатами, сфеном. Для титанистых биотитов характерно их преобразование с выделением призм или игл рутила. Железистые биотиты в условиях восстановительной среды нередко преобразуются в сульфиды. В процессе выветривания биотита и флогопита возникает вермикулит.

Из всех породообразующих минералов, биотит наиболее богат элементами примесями, что объясняется как особенностью его кристаллической структуры, так и нахождением его в породах широкого спектра составов и генезиса.

Для биотитов основных кристаллических сланцев характерны повышенные концентрации кобальта (до 250 г/т), никеля (до 1700 г/т), хрома (до 3000 г/т) и пониженные марганца, циркония, ниобия и иттрия. Не исключено, что по аналогии с пироксенами и амфиболами высокие содержания никеля и кобальта в биотите позволяют предполагать первоначально магматическую природу заключающей его породы, тем более что биотит часто замещает пироксены и амфиболы, от которых наследует повышенные концентрации этих элементов. Однако для биотита это только предположение и требует специального исследования.

Биотиты кристаллических сланцев различаются по фациям (табл.6.6). В гранулитовых биотитах повышается содержание ванадия (до 14000 г/т), бария (до 1,5% BaO) и титана (до 6% TiO2); в то же время в биотитах амфиболитовой фации всегда выше содержание марганца

(до 0,30% MnO), Zr (до 270 г/т) и Cu(до 300 г/т).

Таблица 6.6

Содержания малых элементов в биотитах кристаллических сланцев основного состава и гнейсов (обеих фаций), г/т

Примечания: 1 – среднее; 2 – стандартный множитель; в скобках количество определений

157

В биотитах гнейсов концентрации кобальта, никеля и хрома высоки и близки к концентрации этих элементов в сланцах (см. табл.47). Очевидно, часть гнейсов представляет собой гранитизированные кристаллические сланцы основного состава, биотит которых наследует эти элементы от исходной породы, а последняя во многих случаях является первичномагматической. В биотитах гнейсов гранулитовой фации повышаются содержания ванадия, титана и ниобия, а в биотитах амфиболитовой фации выше концентрации марганца, скандия и меди.

Что же касается биотитов гранитоидов, то по содержанию хрома, никеля, ванадия, титана и марганца близки биотиты гранулитовой фации метасоматических гранитоидов и жильного материала мигматитов (табл.6.7). Сопоставление по фациям показывает, что в биотитах амфиболитовой фации (жильный материал) всегда выше содержание марганца (до

0,40% MnO), скандия (до 80 г/т) и меди (150 г/т).

Таблица 6.7

Содержания малых элементов в биотитах гранитоидов разных генетических типов амфиболитовой и гранулитовой фаций, г/т

Примечание: Содержания MnO –(Mn), TiO2 –(Ti) и BaO-(Ba) даны в %

Вбиотитах интрузивных гранитоидов (гранулитовая фация) сравнительно с биотитами метасоматических гранитов и жильного материала мигматитов, выше количества титана

ибария, что подтверждает относительно более высокие температуры их кристаллизации.

Вбиотитах гранитоидных пород С.Винсванатханом рассматривалось поведение цинка. Было установлено, что в биотитах истинно интрузивных гранитоидов отношение цинка к железу возрастает со степенью фракционирования, поскольку цинк входит в решетку более поздних биотитов. В биотитах других типов гранитоидов (анатектических и метасоматических), а также во вмещающих метаморфических породах это проявлено слабо. В биотитах анатектических тоналитов, метасоматических гранитоидов и исходных метаморфических пород содержания цинка в целом близки - в исследованных биотитах они приближались к 500 г/т. Автор считает, что приводимые им данные позволяют использовать содержание цинка в биотитах как критерий отличия магматических гранитоидов от анатектических и ме-

тасоматических (Viswanathan K., 1973).

Из гранитных пегматитов особенно богаты элементами-примесями биотиты гранитов рапакиви. На примере ряда плутонов южной части Балтийского щита это было показано Л.И.Гордиенко (1978). В составе этих биотитов помимо кобальта, никеля, хрома, ванадия,

158