Последовательность кристаллизации

Последовательность выделения минералов из магматического расплава с одной стороны, определяется физико-химическими рав­новесиями «кристалл-жидкость», ас другой, кинетическими фак­торами — относительной скоростью роста кристаллов, возможно­стью свободного массообмена между твердыми фазами и расплавом, устойчивостью метастабильных фаз и т.п. В целом, определение последовательности кристаллизации магм является сложной зада­чей не только при изучении шлифов под микроскопом, когда текс­турно-структурные признаки в большинстве случаев недостаточны для однозначных заключений, но и при теоретическом анализе проблемы. Важную начальную информацию можно получить из экспериментальных и расчетных данных о фазовых соотношениях в модельных физико-химических системах, некоторые из которых рассмотрены ниже.

4.3.1. Модельные физико-химические системы — определения понятий

Кристаллизация магм и обратный процесс плавления кристал­лических агрегатов в первом приближении имитируются фазовыми равновесиями в модельных двойных, тройных и четверных систе­мах, состоящих из двух, трех или четырех химических компонентов соответственно. При заданных условиях эти системы представлены определенным набором фаз. Фаза — это часть системы, которая может быть отделена от других ее частей механическим способом. В каждой системе могут выделяться одна газовая фаза (все газы смешиваются друг с другом в любых пропорциях, и такую смесь не­возможно разделить на составляющие механическим путем), одна или две несмешивающиеся (очень редко больше) жидкие фазы, и несколько твердых фаз, т.е. кристаллов разного состава, облада­ющих разными физическими свойствами и поэтому легко механи­чески отделимых друг от друга. Количество компонентов системы — это минимальное число химических соединений, необходимых

достаточных для описания состава всех фаз. Равновесным является такое состояние системы, которое при за-

анных значениях интенсивных параметров самопроизвольно не меняет фазового состава. С термодинамической точки зрения, это состояние отвечает минимуму свободной энергии системы. Ин-

4. Охлаждение и затвердевание магматических расплавов

тенсивными называют такие параметры, которые не зависят от мас­сы системы; главными из них являются температура и давление. Им противопоставляют экстенсивные параметры, зависящие от мас­сы, например, объем системы. Равновесие может достигаться при разных степенях свободы системы. Степень свободы — это количе­ство интенсивных параметров, которые могут меняться при сохра­нении фазового состава системы. Переменный состав кристалли­ческой фазы тоже должен рассматриваться как степень свободы. При отсутствии степеней свободы (нонвариантное, или инвари­антное равновесие) изменение любого параметра приводит к появ­лению или исчезновению хотя бы одной фазы. При наличии одной степени свободы (моновариантное равновесие) фазовый состав ос­тается неизменным при изменении какого-то одного параметра, например, температуры или давления. При дивариантном равнове­сии фазовый состав не меняется при двух переменных параметрах и т.д.

В условиях термодинамического равновесия между количества­ми компонентов (С), фаз (Р) и степеней свободы (F) существует зависимость, известная как правило фаз Гиббса:

P + F=C + N, где N— число интенсивных параметров. Если последние ограниче­ны только температурой и давлением, то правило фаз записывает­ся так:

P + F=C + 2.

Фазовые равновесия изображают с помощью диаграмм состо­яния системы в координатах: состав (мас.%) - интенсивные пара­метры. Нонвариантные равновесия на таких диаграммах изобража­ются точками, моновариантные — линиями, дивариантные — поверхностями и т.д. Диаграммы состояния строят на основе экс­периментальных данных, а простейшие диаграммы можно рассчи­тать термодинамичекими методами.

4.3.2. Двойная система с эвтектикой

Фазовые соотношения в двойных системах с эвтектикой удоб­но рассмотреть на изобарическом сечении. В качестве примера на рисунке 4.5 показано такое сечение для системы CaMgSi₂0₆ (диоп-сид) -СаАl₂Si₂0₈ (анортит) при атмосферном давлении. Указанные выше химические соединения и соответствующие им норматив­ные минералы — это компоненты системы, а модальные минералы

такого же состава - твердые фазы, которые кристаллизуются в этой системе. Линии ликвидуса (1 и 2) и солидуса (3) ограничивают по­ля составов и температур, при которых в равновесии находятся раз­личные комбинации фаз: расплав (L), кристаллы диопсида (Di) и анортита (An). В эвтектической точке Е, в которой линия ликви­дуса касается линии солидуса, в нонвариантном равновесии нахо­дятся все три фазы. В общем случае, эвтектика — это равновесие двух или более кристаллических фаз с расплавом при отсутствии сте­пеней свободы.

Если для примера выбрать состав и температуру, отвечающую расплаву А, то его кристаллизация начнется с выделения анортита при температуре, соответствующей точке B. Дальнейшее охлажде­ние приводит к увеличению количества этого минерала; расплав при этом обедняется анортитом, и состав жидкости меняется вдоль ли­нии ликвидуса от В к Е. Относительные количества твердой и жид­кой фаз можно определить по правилу рычага. Так, при Т = = 1300 °С доля кристаллов анортита будет равна cd/ce, а доля распла­ва — de/ce. В точке Е начинается кристаллизация эвтектической смеси анортит + диопсид, которая находится в равновесии с жид­костью такого же нормативного состава. Эвтектика кристаллизует­ся при постоянной температуре (T= 1280 °С). После того, как по­следняя капля эвтектической жидкости исчезнет, агрегат кристаллов

Т.°с

Рис. 4.5. Изобарическое сечение системы CaMgSi₂0₆ (ди­опсид)— CaAl₂Si₂O₈ (анортит) при атмосферном давлении Пояснения см. в тексте

4. Охлаждение и затвердевание магматических расплавов

анортита и диопсида может быть охлаж­ден до более низкой температуры. Таким образом, последова­тельность кристал­лизации расплава А такова: An →An + Di. Последователь­ность кристаллиза­ции расплава F: Di → Di + An.

Если нагретая твердая порода А, со­стоящая из анортита и диопсида, начина­ет плавиться, то пер­вая капля расплава, которая появляется при T= 1280 °С,име-ет состав E.Эвтекти­ческий расплав Е равновесен по отношению к обеим твердым фа­зам — диопсиду и анортиту. По мере притока тепла все больше твердого вещества переходит в расплав, который сохраняет посто­янную температуру и состав до тех пор, пока весь диопсид не будет израсходован. Дальнейшее нагревание приведет к тому, что начнет плавиться избыток анортита, и состав жидкости сместится вдоль ли­нии ликвидуса в направлении Е→В. В точке В весь анортит перей­дет в расплав, состав которого будет соответствовать исходной твер­дой породе А. Этот расплав может быть далее нагрет до более высокой температуры. Если исходная порода имела состав F, то по­сле образования максимально возможного количества эвтектичес­кой жидкости Е остается избыток диопсида, плавление которого смещает состав расплава в направлении Е→ G.

4.3.3. Тройная система с эвтектикой

Изобарическое сечение тройной системы X—Y—Z c эвтектикой можно изобразить в виде трехгранной призмы (рис. 4.6), на сторо­нах которой показаны фазовые соотношения в двойных системах:

Часть III. Магматические горные породы (петрология)

X—Y, X-Z и Y—Z, аналогичных рассмотренной выше. От точек ин­вариантных эвтектических равновесий X + Y = расплав, X + Z = расплав и Y+Z= расплав, расположенных на гранях треугольной призмы, в глубь ее протягиваются линии моновариантных равно­весий двух твердых фаз и расплава, которые сходятся в точке трой­ной эвтектики X + Y+Z=расплав. Температура плавления тройной эвтектики ниже, чем любой двойной. Поверхность ликвидуса, ко­торая на рисунке 4.6 заштрихована, может быть спроектирована на основание призмы XYZ. Так же, как рельеф местности изобража­ют на топографической карте с помощью горизонталей, форма по­верхности ликвидуса показывается с помощью изотерм — линий равной температуры. Используя проекцию XYZ, можно определить последовательность кристаллизации любого расплава, нормативный состав которого включает минералы X, Y и Z.

Так, в системе форстерит (Fo)—диопсид (Di)—пироп (Ру) при давлении в 4 ГПа (рис. 4.7) кристаллизация расплава ^начинается с выделения форстерита при Т= 1960 °С. По мере охлаждения ко­личество форстерита возрастает, а состав расплава смещается вдоль линии ХА, которая проходит через вершину Fo. В точке А начина­ется совместная кристаллизация форстерита и пиропа, а состав расплава смещается от А к Е. В точке Е при Т = 1670 °С кристалли­зуется эвтектическая смесь форстерита, пиропа и диопсида. Таким образом, минералы выделяются из расплава в последовательности: Fo→Fo+Py→Fo+Py+Di.

4. Охлаждение и затвердевание магматических расплавов

Если порода X, состоящая из форстерита, пиропа и диопсида, на­чинает плавиться, и расплав все время остается в равновесии с кри­сталлами (модель порционного плавления), то первая капля жид­кости будет иметь состав Е. После того, как диопсид полностью перейдет в расплав, состав жидкой фазы начнет смешаться от Е к А. В точке А будет полностью израсходован пироп, и при дальней­шем нагревании состав расплава меняется вдоль линии АХ. В точ­ке X исчезнет форстерит, и порода будет расплавлена на 100%.

Если жидкая фаза, возникнув, сразу же удаляется из области магмообразования (модель фракционного плавления), то измене­ние состава жидкости в ходе прогрессивного плавления будет иным. На начальной стадии возникнет эвтектическая жидкость Е, имею­щая температуру 1670 °С. Удаление этой жидкости смещает состав твердого остатка в направлении Х→ X′→ X"→ R. В точке R диоп­сид полностью переходит в расплав, и среди твердых фаз остаются только форстерит и пироп. Температура 1670 °С недостаточна для плавления смеси этих минералов, и только при 1770 °С появится эв­тектический расплав В, который будет продолжать формироваться до тех пор, пока не исчезнет весь пироп. После этого твердый оста­ток состоит только из форстерита, который можно расплавить лишь при Т= 2075 °С. Таким образом, если расплав удаляется из зоны маг­мообразования, состав и температура жидкой фазы меняются дис­кретно: сначала возникает самый низкотемпературный расплав, отвечающий по составу тройной эвтектике, затем при большем на­греве — жидкость, соответствующая двойной эвтектике, а в конце процесса плавится минерал, оставшийся в избытке.

4.3.4. Двойная система с непрерывным твердым раствором

Инвариантные эвтектические равновесия «кристаллы-расплав» возможны лишь при условии, что все твердые фазы имеют посто­янный состав. Если хотя бы один из минералов представлен твер­дым раствором переменного состава, появляется дополнительная степень свободы, которая не позволяет достичь инвариантного рав­новесия. Последовательность кристаллизации при этом становит­ся иной.

Рассмотрим двойную систему с непрерывным твердым раство­ром на примере изобарического сечения (1 атм) системы NaAlSi₃0₈ (альбит)-СаА1₂Si₂0₈ (анортит), характеризующей кристаллизацию и плавление плагиоклазов (рис. 4.8). Сплошная линия ликвидуса

Рис. 4.8. Изобарическое сечение системы NaAlSi₃0₈ (аль-бит)-CaAl₂Si₂0₈ (анортит) при атмосферном давлении, по А. Филпотгсу, 1990 Пояснения см. в тексте

и пунктирная линия солидуса, показанные на рисунке, разделяют области с различным фазовым составом. Если расплав D, охлажда­ясь, достигает температуры ликвидуса в точке Е, то из расплава вы­деляется плагиоклаз, состав которого соответствует точке F на ли­нии солидуса. По мере дальнейшего охлаждения состав кристаллов смещается в направлении F→Н, а состав жидкой фазы - в на­правлении Е→ G. Последняя капля расплава имеет состав J, а твер­дая фаза в конечном итоге приобретает состав К, соответствующий исходному расплаву D.

Такой равновесный ход кристаллизации возможен лишь при условии, что скорость диффузии альбитового и анортитового ком­понентов в твердой и жидкой фазах достаточно велика для того, что­бы составы расплава и кристаллов все время менялись вдоль линий ликвидуса и солидуса. Поскольку скорость диффузии в силикатном расплаве и особенно в твердой фазе мала, то в природных услови­ях равновесие часто не достигается, и образуются неоднородные кристаллы, состоящие из зон разного состава. Зональные кристал­лы плагиоклаза постоянно встречаются в магматических породах.

В метаморфических породах плагиоклаз более однороден, так как длительное сохранение высоких температур способствует дости­жению равновесия.

Аналогичные фазовые соотношения характерны и для других си­стем с непрерывными твердыми растворами, например, для систе­мы Mg₂Si0₄ (форстерит)-Fе₂SiO₄ (фаялит), описывающей крис­таллизацию оливинов. Высокая температура кристаллизации в этой системе и низкая кремнекислотность расплава способствуют отно­сительно быстрой диффузии, и зональные оливины встречаются ре­же, чем плагиоклазы.