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

Выделение фаций с самого начала развития учения о метаморфизме базировалось на реакциях гидратации - дегидратации. Увеличение температуры при метаморфизме вызывает прогрессивное уменьшение воды, входящей в структуру кристаллических фаз, и соответственно, смену хлорита биотитом, мусковита - калиевым полевым шпатом, амфиболов - пироксенами и т.п. Поглощение или освобождение воды в подобных реакциях сопровождается значительным энтропийным эффектом, вследствие чего они существенно зависят от температуры.

Пионерами изучения подобных реакций выступили Н.Л. Боуэн и О. Таттл (вновь мы ссылаемся на этих замечательных экспериментаторов), опубликовавшие в 1949 г. результаты исследования системы МgО - SiО₂ - Н₂О в субсолидусной области.

Рис. 21. Некоторые петрологически важные равновесия гидратации - дегидратации.

Повышение давления воды стабилизирует водосодержащие минералы. До давления воды примерно 2 кбар температура их дегидратации резко возрастает, а при дальнейшем повышении давления Н₂О темп возрастания температуры значительно уменьшается. Поэтому кривые реакций гидратации - дегидратации имеют на диаграмме РН₂О - Т характерный вид: при малых давлениях они имеют положительный наклон, который по отношению к оси температур плавно увеличивается, и они идут почти параллельно оси РН₂О. Ряд экспериментальных кривых, имеющих значение для метаморфической петрологии, приведен на рис. 21.

При одной температуре, меняя давление воды, можно пересечь несколько кривых дегидратации, имеющих значение границ фаций или субфаций для пород разного состава. Например, изотерма 600⁰ C пересекает предел устойчивости цоизита с кварцем, хлорита с кварцем, попадает в поле устойчивости кордиерита, затем пересекает предел стабильности парагенезиса мусковит + кварц, далее пределы устойчивости брусита, талька и мусковита. Х.Йодер, сам изучивший важные реакции гидратации - дегидратации, считал метаморфические породы закрытой системой. В такой системе давление водяного пара является функцией количества воды. Исходя из этого, он сделал вывод, "что все принятые сейчас критические ассоциации, определяющие метаморфические фации, могут образоваться при одних и тех же условиях температуры и давления". Тем самым фактически отрицалась вся концепция метаморфических фаций. Представления Х.Йодера - характерный пример абсолютизации экспериментальных данных. Они опровергаются многими соображениями, следующими из геологического опыта. В частности, можно было бы ожидать увеличения степени гидратированности пород с глубиной. Между тем повсеместно наблюдается прямо противоположные закономерности.

Несоответствие экспериментальных и петрологических данных выявляется и в другом отношении. При давлениях в несколько килобар температура образования многих типичных среднетемпературных метаморфических и метасоматических минералов: талька, тремолита, мусковита, антофиллита, хлорита - оказывается слишком высокой. В то же время температура солидуса кислых магм снижается, и указанные минералы могли бы кристаллизоваться из расплавов, чего на самом деле не происходит. Имеются противоречия и в последовательности дегидратации минералов при прогрессивном метаморфизме. Гидратацию минералов в экспериментах при давлении воды, равном общему давлению, нельзя непосредственно отождествлять с природной гидратацией. Реальные схемы метаморфических фаций, лучше всего соответствующие природным данным, получаются при умеренных величинах парциального давления воды. Его доля от общего давления с увеличением глубины убывает. Это значит, что флюид представляет собой сложную смесь газов, причем в глубинных зонах содержание воды в смеси уменьшается. При малых давлениях (примерно до 3 кбар), кроме того, может иметь место неравенство флюидного и литостатического давления. Поэтому экспериментальные данные нуждаются в специальном пересчете - экстраполяции к условиям, при которых парциальное давление воды составляет только часть общего. Из петрогенетических сеток, основанных на экспериментальных данных, наиболее правильно отражает условия образования парагенезисов метаморфических пород схема А.А.Маракушева, при построении которой принято парциальное давление воды 1000 бар.

Нужно сказать, что частично завышение температур гидратации в старых работах было связано с применением метода синтеза. Применение современных методов и критериев равновесия показало более низкие значения температур ряда реакций гидратации - дегидратации.

Второй по значению компонент метаморфизующего флюида - углекислота. Реакции с поглощением и выделением углекислоты особенно важны для минералообразования в карбонатных породах, содержащих примеси кремнезема и глинозема, в контактах интрузий с известняками и доломитами, в магнезиальных скарнах и ультраосновных породах.

Рис. 22. Некоторые петрологически важные равновесия карбонатизации - декарбонатизации.

В силу жидкообразного состояния флюидов коэффициенты летучести воды мало зависит от глубинности. По-другому ведет себя углекислота. Коэффициент ее летучести значительно возрастает с глубиной, благодаря чему с увеличением глубинности происходит (даже при постоянной мольной доле СО₂) последовательная карбонатизация минералов, богатых кальцием, по схеме:

богатый Са минерал + СО₂ = бедный Са минерал + кальцит.

По сходной схеме идет карбонатизация ряда магниевых минералов. Поэтому с глубиной происходит полное выклинивание полей устойчивости многих кальциевых и магниевых силикатов за счет образования карбонатов.

На этой основе Д.С. Коржинский в конце 30-х годов выделил ряд фаций глубинности, не потерявших в основном значения до сих пор: 1) ларнит - мервинитовую, 2) геленит - монтичеллитовую, 3) периклазовую, 4) волластонитовую, 5) гроссуляровую и 6) безгроссуляровую.

Рис. 23. Изменения температур дегидратации пирофиллита и карбонатизации анортита, гроссуляра и волластонита в присутствии сложного флюида (смеси H2O и СО2 ).

Некоторые экспериментально изученные равновесия карбонатизации показаны на рис. 22.

При постоянстве общего давления добавление второго компонента во флюид снижает парциальное давление (летучесть) основного компонента. Реакция с поглощением (выделением) летучего компонента протекает в этом случае при более низкой температуре, чем в присутствии однокомпонентного флюида. Эта закономерность прослеживается как на реакциях карбонатизации, так и гидратации изученных в присутствии смесей воды и углекислоты (рис. 23 и рис.24).

Некоторые минеральные равновесия, особенно в кальциевых и магниевых силикатных системах, зависят от летучестей как воды, так и углекислоты. Примерами могут служить реакции разложения силикатов на водный силикат и карбонат или водного силиката на кварц и карбонат. При увеличении давления кривые равновесий смещаются в область более высоких температур.

Рис. 24. Изменение температур реакций гидратации и карбонатизации в присутствии сложного флюида (смеси Н2О и СО2) для системы MgO - SiO2.

Существенный момент экспериментального моделирования процессов метаморфизма - учет поведения кислорода. Его влияние сказывается на реакциях с участием элементов переменной валентности и на степени восстановленности (составе) флюида. Большое значение как при петрологических, так и при экспериментальных исследованиях имеют равновесия металлов и их окислов или двух окислов одного металла с разной степенью окисления. Они используются в качестве кислородных буферов в экспериментах (см. главу "Методика эксперимента"), к ним же обычно привязаны данные о режиме кислорода в природных системах. Петрологические данные показывают, что в условиях земной коры господствуют существенно более восстановительные условия чем на поверхности Земли, и, соответственно, летучесть кислорода уменьшается с увеличением глубинности. Процессы метаморфизма происходят в основном в области устойчивости магнетита, т.е. при летучести кислорода от 10^-10 до 10^-28 бар. Наиболее восстановительные флюиды (fO₂ » 10^-30 бар ) характерны для гранулитовой фации. Лишь в субвулканических условиях степень окисленности флюидов иногда резко возрастает, что связано, по-видимому, со смешением ювенильного флюида с захороненными вадозными водами. В большинстве случаев летучесть кислорода при метаморофизме поддерживается на постоянном уровне в пределах значительных объемов метаморфических толщ, т.е. кислород ведет себя вполне подвижно. Исключение составляют железисто - кремнистые формации, где иногда в пределах отдельных прослоев поддерживается собственное значение летучести кислорода, отличное от соседних. Этот эффект определяется большими содержаниями в породах соответствующих окислов железа и в связи с этим их значительной "буферной емкостью". В одних прослоях летучесть кислорода может определяться смесью магнетита и гематита, в соседних - кварца, фаялита и магнетита, т.е. изменяться примерно на 7 порядков.

Рис. 25. Поля устойчивости альмандина (показаны стрелками) при fО2 задаваемой железо - кварц - фаялитовым (IQF), железо - магнетитовым или железо - вюститовым ( IM, IW) и кварц - фаялит - магнетитовым ( QFM) буферами.

Поля устойчивости минералов, их парагенезисов и тип самой реакции, определяющей границы полей в системах, содержащих железо и другие элементы переменной валентности, зависят от режима кислорода. Хорошим примером является изменение области устойчивости альмандина при летучести кислорода, задаваемой тремя разными буферами (рис. 25). С увеличением fо₂ , поле альмандина заметно сокращается, а в более окислительной обстановке выклинивается. Таким образом, изучение равновесий в системах, содержащих железо, необходимо вести при контролируемом режиме кислорода.

Изменение летучести кислорода сильно влияет на равновесие во флюиде. В равновесии с буфером гематит - магнетит флюид состоит из воды и углекислоты, а с буфером железо-вюстит мольная доля восстановленных компонентов флюида возрастает до 0.5 [восстановленными компонентами флюида системы С-О-Н являются метан (СН₄), водород (Н₂) и окись углерода (СО)]. Изменение состояния флюида видно и из анализа флюидных включений в минералах метаморфических пород. Образования малой глубинности содержат включения практически нацело окисленного флюида. Содержания восстановленных газов Н₂, СО, СН₄ в них не превышает 0.001%. В минералах глубинных метаморфитов они составляют до 50 объемных процентов. Значительное изменение соотношений Н₂О/Н₂ и СО₂/СО существенно влияет на Т-Р параметры даже тех реакций гидратации и карбонатизации, в которых окисления и восстановления в твердых фазах не происходит. С другой стороны, появляется возможность, изменяя режим кислорода, проводить эксперименты с заданной фугитивносью воды и углекислоты, не равных общему давлению.