Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес оригинального документа : http://geo.web.ru/users/pavel/INCLUSIONS/part4-4-9.html
Дата изменения: Fri Jan 10 20:47:30 2014
Дата индексирования: Sun Mar 2 03:22:06 2014
Кодировка: koi8-r
Поисковые слова: энергия вакуума
Untitled Document

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ И ТЕХНИЧЕСКАЯ ПЕТРОЛОГИЯ

Авторы: Е.Н.Граменицкий, А.Р.Котельников, А.М.Батанова, Т.И.Щекина, П.Ю.Плечов

Лаборатория эспериментальной и технической петрологии МГУ,
к. A-607, тел. 939-20-40
назад | содержание | вперед

IV-4-9. О методах изучения естественных включений в минералах.

В минералах природных образований (горных пород, руд, жил) встречаются включения, содержащие газы, жидкие, стекловидные и кристаллические фазы, являющиеся законсервированными остатками минералообразующих сред.

Выделяются следующие типы включений в минералах:

  1. Расплавные
  2. Флюидные
  3. Твердофазные

Расплавные включения представляют собой участки расплава, захваченные и законсервированные кристаллом в процессе роста (рис.131) или перекристаллизации из-за различных дефектов структуры поверхности.

В первую очередь, для образования расплавных включений необходим расплав. Образование включения возможно только в случае возникновения какого-либо дефекта на поверхности растущего кристалла. В любом другом случае, кристалл равномерно достраивает свою кристаллическую решетку без образования полостей, в которых может быть законсервирована минералообразующая среда.

Дефекты поверхности – это любое нарушение линейной трансляционной структуры при росте грани кристалла. Образование крупных дефектов на поверхности растущих кристаллов может происходить из-за: (1) механического повреждения кристалла (трещины, механические сколы); (2) механического загрязнения поверхности кристалла (налипание газового пузырька или посторонней фазы); (3) резорбции граней (частичного растворения вкрапленника в расплаве) (например, рис.132б). Также, статистически вероятно образование дефектов за счет кинетики ростовых процессов. Их количество и размеры зависят от соотношения скорости роста кристаллов и скорости диффузии компонентов в расплаве.

Флюидные (газово-жидкие) включения (ФВ) представляют собой законсервированную в кристалле порцию летучих. ФВ могут образовываться при росте кристалла и залечивании трещин в минералах.

Твердофазные включения представляют собой захваченную растущим кристаллом постороннюю кристаллическую фазу. Часто, твердофазные включения называют механическими примесями.

В дальнейшем в основном мы будем рассматривать особенности расплавных и газово-жидких (флюидных) включений.

Цель исследования включений в минералах состоит в восстановлении физико-химических условий в момент захвата включения.

Наблюдения над включениями сопровождаются нагреванием и охлаждением (замораживанием) образца в специальных микротермокамерах. Они сродни экспериментам, сопровождающимся наблюдениями в процессе их проведения, кратко рассмотренным в предыдущем разделе.

Расплавные включения. Выделяют первичные и вторичные включения. Первичные включения, т.е. включения минералообразующей среды (расплава или флюида), захваченные в ходе роста кристалла, окружены веществом минерала-хозяина, отложенным одновременно с образованием включения (см. рис. 131). Вторичными называются включения, образовавшиеся в результате процессов происходящих после кристаллизации минерала. Вторичные включения образуются после образования минерала-хозяина. Поэтому они окружены веществом минерала-хозяина, отложенным ранее образования самого включения и не равновесны с ним. Их состав не отражает состава минералообразующей среды.

Вторичные расплавные включения могут образовываться при разгерметизации первичных включений (рис. 132г) вследствие различных причин (например, разницы внешнего и внутреннего давлений). Расплав и флюид, которые находились во включении, могут мигрировать по минералу-хозяину с образованием вторичных включений. При такой миграции происходит разделение компонентов (как в хроматографической колонке). Содержание мобильных компонентов (таких как щелочи) в таких включениях будет отличаться на порядки от исходного.

Важно отметить, что не всегда возможно различить простыми методами первичные и вторичные включения. Это, в конечном итоге, может привести к неправильной интерпретации полученных результатов. Наиболее интересную генетическую информацию, очевидно, дают первичные включения.

Морфологические критерии выделения первичных включений подробно приведены в книге Э.Реддера (см. список дополнительной литературы), к которой мы отсылаем всех заинтересованных читателей.

После консервации расплавного включения, общая кристаллизация системы может продолжаться еще достаточно длительное время. Расплав во включениях кристаллизуется гораздо хуже, чем в основной массе породы. Чем меньше размер включения, тем вероятнее в нем консервация стекла. В спокойных условиях кристаллизации (интрузивы) расплав во включениях успевает раскристаллизоваться, образуя агрегат минералов (см. рис. 132 и подписи к нему). В условиях быстрой кристаллизации (эффузивы), расплав во включениях, как правило, сохраняется в виде стекла. Таким образом, включения делятся на (1) стекловатые или "природно-закаленные" (рис. 131), (2) частично раскристаллизованные и (3) полностью раскристаллизованные включения (см. рис. 132).

Методики подготовки образцов и выбора зерен. Для выявления закономерностей распределения включений в зернах минералов, выделения различных типов включений, определения взаимоотношений расплавных включений с газово-жидкими и твердофазными включениями необходимо всестороннее изучение исследуемых пород. Предварительное (оценочное) изучение можно провести в обычных или прозрачно-полированных (микрозондовых) шлифах. Многие исследователи предпочитают специальные препараты: отполированные с обоих сторон пластинки пород (толщиной 0.3-0.5 мм), наклеенные на стекло. Изучение таких пластинок дает возможность проводить термометрические эксперименты с теми же зернами, которые были описаны при петрографическом изучении породы, то есть, можно отобрать серию зерен с включениями, отражающую все этапы становления данной породы непосредственно из пластинки породы. Для этого, представительные зерна в пластинке, отобранные для дальнейшего изучения зарисовываются, отмечаются тушью, а иногда и нумеруются непосредственно на пластинке. Затем эти зерна извлекаются из пластинки, либо с помощью стальной иглы (лучше нагретой), либо раскалыванием пластинки. Работа с зернами в толстых пластинках накладывает ограничения на изучаемые минералы. "Метод пластинок" успешно применяется для изучения включений в кварце или других минералах макроскопически прозрачных. Для шпинелидов, пироксенов, амфиболов, и других цветных минералов этот метод не подходит, так как эти минералы практически непрозрачны в толстой пластинке.

Отбор зерен цветных минералов для термометрического эксперимента можно проводить из монофракций этих минералов. Для этого, зерна минерала (обычно около 100) заливают в шашку из эпоксидной смолы, полируют эту шашку и изучают включения в отдельных зернах (используя методы микроскопии и микрозонд). В первую очередь изучают зерна, содержащие включения, которые выходят на поверхность образца. Такие включения не годятся для термометрического эксперимента, однако способны дать важную информацию о химическом и минеральном составе системы. После этого, из оставшихся зерен, отбирается материал, содержащий представительные включения, удаленные от поверхности зерна для термометрического эксперимента.

При выборе включений для исследований важны следующие критерии:

а) Представительность данного включения (включение должно быть первичным и должно быть ясно, к какому этапу минералообразования в данной системе приурочено формирование данного включения). В основном, такая информация может быть получена при микроскопическом описании породы и включений в обычных шлифах и детальной классификации включений в данной породе.

б) Отсутствие вторичных изменений. Если любая из фаз включения несет следы вторичных изменений, состав этого включения уже не соответствует первичному. Например, девитрификация стекол во включениях из оливинов происходит с образованием хлорита, который за счет обменных реакций с оливином-хозяином экстрагирует из него MgO. Такие реакции необратимы при термометрическом эксперименте и полученные при закалке стекла будут сильно обогащены MgO и неравновесны с оливином-хозяином. Кроме того, как правило, такие включения имеют ослабленные зоны (иногда можно увидеть эти следы вскрытия под микроскопом), по которым во время эксперимента может мигрировать расплав, изменяя объем системы и ее состав. Поэтому, включения, несущие следы вторичных изменений не подходят для проведения термометрических экспериментов.

в) Положение в зерне. При нагреве включения создается избыточное давление на стенки включения. При температуре гомогенизации это давление примерно соответствует тому давлению, которое существовало в магматическом очаге при захвате включения. Если это давление превысит предел прочности минерала-хозяина, то произойдет (вскрытие) включения. Поэтому, включения, отбираемые для проведения термометрических экспериментов должны быть удалены от поверхности зерна (желательно, чтобы они были расположены в центре зерна).

Оценка состава минералообразующей среды делается по составу включений. Составы дочерних фаз расплавных включений можно определять количественно. Для этого, изучаемое включение шлифованием зерна выводят на поверхность (так, чтобы включение было вскрыто на треть). В результате, после полировки (и потери толщины зерна) включение будет вскрыто по максимальной площади. Аналогичным образом анализируют стекла расплавных включений. Если изучаемые включения частично или полностью раскристаллизованы, их необходимо предварительно нагреть до плавления последней дочерней фазы и закалить. Во включении при этом остается только расплав и газовый пузырек ("гомогенизация по последнему кристаллу"). Применяемая для этой цели аппаратура описана в разделе главы IV-3. На некоторых объектах расплавные включения при нагреве вскрываются за счет повышения внутреннего давления. В таких случаях, внутреннее давление стараются компенсировать внешним, проводя нагрев зерен и их закалку под давлением. В любом случае, закаленное стекло расплавного включения будет отличаться от состава захваченного расплава на то количество минерала-хозяина, которое отсело на стенки включения при закалке. При изучении вязких (кислых) расплавов этой поправкой можно пренебречь, поскольку перенос компонентов в вязкой среде происходит медленно и скорость кристаллизации мала. Для включений риолитового состава в кварце эта поправка будет меньше 1% вес. даже при малых скоростях закалки. При изучении включений в основных и ультраосновных породах этой поправкой пренебрегать нельзя, так как она может составить 10-12% вес. (минерала-хозяина к стеклу).

Существует несколько способов определить величину этой поправки для минералов переменного состава.

1. При осаждении вещества на стенках включения процессе отсадки, кристаллизующийся минерал переменного состава должен изменять свой состав в соответствии с законами кристаллизации в закрытой системе. При взаимодействии содержимого включения с минералом-хозяином на стенках включения может проявиться микрозональность вокруг включения. На рис. 133, снятом на электронном микроскопе, хорошо видна такая зональность вокруг расплавного включения в клинопироксене из андезито-базальтов. Можно построить профиль составов через минерал-хозяин и включение, подобный тому который представлен на рис. 134, и по этому профилю оценить соотношение объемов каймы кристаллизации и включения. Зная составы кайм кристаллизации и стекла во включении, по балансу масс рассчитывается первоначальный состав захваченного расплава. Такой метод вследствие больших ошибок при вычислении объемов фаз и оценки среднего состава каймы кристаллизации не может дать достаточно точных результатов при изучении включений в минералах переменного состава.

2. Другой метод реконструкции состава захваченного расплава, основан на расчете хода обратной кристаллизации. Существуют различные эмпирические модели, позволяющие рассчитать равновесие расплав-минерал для данной температуры или, наоборот рассчитать температуру для известных сосуществующих составов расплава и минерала. Зная состав стекла во включении, состав минерала в кайме кристаллизации и состав минерала-хозяина, который захватывал включение, можно, пошагово повышая температуру равновесия и рассчитывая для каждой температуры состав расплава и равновесной с расплавом твердой фазы, довести обратную кристаллизацию до точки, в которой состав твердой фазы будет соответствовать составу минерала-хозяина вне кристаллизационной каймы. Тогда температура такого равновесия должна отвечать температуре захвата включения, а расчетный состав стекла - составу захваченного расплава.

3. В ряде случаев можно оценить соотношения концентраций элементов в расплавных включениях. В качестве простого примера можно привести определение возраста по Rb-Sr и изотопных соотношений Pb в расплавных включениях в кварце из Bishop Tuff риолитового состава. Кварц в этих породах содержит большое количество расплавных включений. При этом, чистый кварц (без включений) содержит пренебрежимо малое количество Rb, Sr и Pb. Измерив содержания изотопов этих элементов в смеси кварца с расплавными включениями, мы не можем точно определить их содержания в стекле, но можем получить изотопные отношения. Изотопные отношения Rb и Sr позволяют определить возраст расплава, а изотопные отношения Pb являются важным геохимическим индикатором.

У грани растущего кристалла, в расплаве возникает зона (граничный слой), имеющий сложную структуру: в нем имеются градиенты составов и плотностей, причем величина этих градиентов изменяется во времени, а также в зависимости от множества параметров: температуры, геометрии кристалла и т.п. Свойства минералообразующей среды из граничного слоя, таким образом, не соответствуют объемным, и это могло бы сказаться при захвате во включение вещества из этого слоя. Однако, вследствие достаточно большой скорости диффузии, обычно происходит выравнивание составов, и существенного искажения свойств включений не происходит.

Методы оценки термодинамических условий образования пород. Метод полной гомогенизации. Состояние полной гомогенизации включения фиксируется при нагреве, в тот момент, когда внутри включения останется только одна фаза (расплав), соответствующая температура называется температурой гомогенизации.

Метод гомогенизации по последнему кристаллу. При нагреве включения в нем происходит плавление дочерних фаз и растворение минерала-хозяина со стенок включения. При условии, что включение представляет собой закрытую систему, температуры плавления этих фаз будут соответствовать тем температурам при которых они кристаллизовались во включении. При растворении последней дочерней фазы, когда во включении останется только расплав и флюидная фаза (газовый пузырек), будет достигнута температура гомогенизации по последнему кристаллу (Tк), отвечающая началу кристаллизации следующей после минерала-хозяина фазы. Эта температура ниже, чем температура захвата включения, но многие исследователи ее используют, так как она дает хорошее приближение к действительной температуре захвата.

Метод искусственных парагенезисов. Он основан на возможности использовать расплавное включение как экспериментальную ампулу. Длительная выдержка расплавного включения при определенной температуре позволяет вырастить внутри этого включения минеральные парагенезисы, равновесные с расплавом внутри включения. Анализируя составы полученных минералов можно (1) определить особенности диаграммы плавкости конкретной природной системы; при этом, визуальное наблюдение за фазовыми переходами при термометрическом эксперименте позволяет точно определить температуры этих переходов; (2) по составам сосуществующих минералов в расплавном включении можно рассчитать температуры, давления и летучести кислорода. В ряде случаев (но далеко не всегда), такой подход позволяет оценить физико-химические параметры эволюции данной природной системы.

Кинетические условия проведения термометрических экспериментов значительно влияют на качество измерений. При чересчур быстром повышении температуры можно перегреть включение, особенно содержащее вязкий расплав. Скорость нагрева подбирается обычно, исходя из составов исследуемых расплавов. Например, при исследовании включений в гранитах применяют ступенчатый подъем температуры, вначале возможен довольно быстрый нагрев (10-20о/мин) с температурными остановками на 3-6 часов, чтобы дать время для установления равновесия во включении, вблизи гомогенизации скорость снижают до 1о/мин.

В водосодержащих включениях при их нагреве, особенно при медленном, могут происходить реакции типа: 2H2O(liq) 6FeO(liq) = 2H2 2Fe3O4 или H2O(liq) 2FeO(liq) = H2 Fe2O3(liq). Водород легко диффундирует из включения. Поэтому, если в процессе опыта во включении появляется фаза оксидов железа, его не следует использовать.

Таким образом, для каждой конкретной серии включений, необходимо проводить специальные кинетических эксперименты для определения оптимальных условий нагрева. За истинную температуру гомогенизации принимается минимальная из всех измеренных температур. Как показывает опыт, оптимальная скорость нагрева включений в интервале температур, близких к температуре гомогенизации, лежит в пределах от 1° С/сек до 1° С/мин.

В целом, возможно три варианта поведения системы расплавного включения, как показано на рис. 133. (1) В случае сухих расплавов, на температуру гомогенизации включения будет влиять только время перераспределения компонентов внутри включения (перемешивание), кинетика плавления минерала-хозяина или твердых фаз во включении. При этом, истинная температура гомогенизации будет достигнута при длительных выдержках включения в термокамере. (2) В случае богатых флюидом, маловязких расплавов время переуравновешивания расплава незначительно, но активно проходит реакция разложения воды (см. выше). При этом, истинная температура гомогенизации может быть получена только при очень быстром нагреве включения. (3) Наиболее распространен третий случай, при котором имеют значение оба вышеперечисленных фактора. При этом, необходимо очень точно подбирать условия нагрева включений, чтобы определить истинную температуру гомогенизации. Для каждой конкретной серии включений, необходимо проводить специальные серии кинетических экспериментов, для определения оптимальных условий нагрева. При этом, при любом варианте поведения системы расплавного включения, истинная температура гомогенизации будет минимальной из всех полученных температур.

Как показывают практические эксперименты, оптимальная скорость нагрева включений в интервале температур близких к температуре гомогенизации, лежит в пределах от 1° С/сек до 1° С/мин.

Ошибки термометрического эксперимента. Градиенты температур в термокамере могут исказить замеры Tг и, при длительной выдержке включения в камере привести к миграции компонентов в градиентном поле. Поэтому специальными приемами необходимо свести градиент к минимуму.

Перераспределение компонентов при закалке (например, осаждение минерала-хозяина на стенки включения) может привести к искажению состава закалочного стекла. Поэтому необходимо закаливать образец с максимальной скоростью охлаждения, которую позволяет установка. Качество закалки оценивается при микрозондовом изучении включений после эксперимента: если на стенках включения фиксируется кайма кристаллизации минерала-хозяина, закалка была произведена недостаточно быстро. Состав включения при этом будет обеднен компонентами минерала-хозяина, и, можно ввести поправку к составу включения.

Рассмотрим влияние отсадки минерала-хозяина постоянного состава во время закалки на состав шарообразных включений. Скорость кристаллизации зависит от степени переохлаждения и плотности центров нуклеации. В случае с осаждением минерала на стенки включения плотность центров нуклеации не влияет на скорость кристаллизации минерала. Поскольку, степень переохлаждения (скорость остывания) одинакова по всей рабочей зоне термокамеры, можно сделать вывод о том, что скорость кристаллизации на стенки включений не зависит от особенностей включений. Это означает, что ширина каймы кристаллизации будет одинакова во включениях разного размера (при условии, что не происходит значительного обеднения расплава компонентами минерала-хозяина и за счет этого не происходит замедление кристаллизации). Объем кристаллизовавшегося материала будет равен:

V = (4/3)p R3 - (4/3)p (R-d)3,

где V - объем кристаллизовавшейся фазы, R - радиус включения во время захвата, d - ширина кристаллизационной каймы. При этом, отношение объема кристаллизовавшейся фазы к общему объему включения (Vвкл),будет равно:

V/Vвкл = 1 - (R-d)3/R3

Легко видеть, что при R стремящемся к бесконечности и постоянном d (как показано выше), это отношение стремится к нулю. При R стремящемся к d (R всегда больше d), выражение стремится к единице. То есть, другими словами, чем больше включение, тем меньше на его состав будут оказывать влияние закалочные эффекты.

Изучение включений - метод статистический. Необходимо исследовать представительную группу включений одного типа. Если замеры на одном из включений резко отличаются (гомогенизация включений либо не происходит, либо осуществляется при сильно завышенных температурах), по-видимому, мы имеем дело с частично разгерметизированным включением.

Результаты замеров на таких включениях необходимо отбрасывать.

Ошибки, связанные с особенностями расплавных включений. Влияние давления. Существует различие между условиями термометрического эксперимента и природными условиями захвата включения. Оно заключается в том, что термическое расширение зерна при нагреве зерна во время эксперимента не компенсируется внешним давлением на зерно. Это приводит к тому, что во время гомогенизации, включение имеет больший объем, нежели при его захвате. Вследствие этого, давление внутри включения будет ниже, а температуры гомогенизации - завышены. Изменение температуры гомогенизации описывается уравнением:

Tг/ P = b / ( (Vг/Vв)/ T);

где b - коэффициент сжимаемости минерала, Vг/Vв - отношение объема газовой фазы к общему объему включения. Величина (Vг/Vв)/ T может быть измерена непосредственно в ходе термометрического эксперимента путем замера объемов включений при нагреве. К тому же, в этой поправке уже будет учтено термическое расширение минерала-хозяина. Отношения объемов нелинейно зависят от температуры, но в области температур, близких к температуре гомогенизации этим можно пренебречь. Обычно, эта поправка весьма незначительна (например, для оливина она составляет 3-4° /кбар) и ею можно пренебречь при экспериментах с малоглубинными расплавами.

Проверка правильности результатов. Контроль за корректностью экспериментов может осуществляться с помощью проведения параллельных экспериментов с включениями в сосуществующих минералах контрастного состава (например, оливин и плагиоклаз контрастны по составу в отношении MgO и CaO). Если эксперимент проведен корректно и состав закалочного стекла отвечает составу захваченного расплава, то составы стекол в сосуществующих минералах при одной и той же Тг должны совпадать. Если они не совпадают, то можно рассчитать истинный состав захваченного расплава пользуясь системой уравнений типа:

Xme2( ист)=a* Xme1( ист) c; где a = (Xme2( ст)- Xme2( мин)) /( Xme2( ст)- Xme2(мин)),

с = Xme2( ст) - a* Xme1( ст), Xme( ст)- содержание металла в закалочном стекле, Xme(мин) - содержание металла в минерале-хозяине, Xme1( ист) - содержание металла в захваченном расплаве.

Решая эту систему уравнений относительно любых двух компонентов минералов-хозяев, можно получить содержание этих компонентов в захваченном расплаве и количество каждого минерала отсевшего или растворившегося со стенок включения.

Эту систему уравнений легко решить геометрическим способом, как показано на рис. 135. В качестве примера выбраны реальные данные по составу стекловатых расплавных включений в сосуществующих оливинах, клинопироксенах и плагиоклазах из базальтов Камбального вулкана на Камчатке. По осям отложены содержания MgO (характерный компонент оливинов и клинопироксенов) и Al2O3 (характерный компонент плагиоклазов), прямыми соединены точки составов минерала-хозяина и стекловатого расплавного включения в этом минерале. Точки пересечения 3 прямых в сосуществующих оливинах, клинопироксенах и плагиоклазах отражают содержание MgO и Al2O3 в захваченном (исходном) расплаве, а количество отсевшего на стенки минерала определяется как K = (Xme( ст) - Xme( ист)