Курсовая работа: Распределение Fe2+/Mg отношения в системе расплав - шпинель - оливин
(по опубликованным
экспериментальным данным); неравновесность составов оливин – шпинелевых
включений как показатель возможного твердофазного генезиса алмазов.
Г.П.Пономарев, М.Ю.Пузанков
В
результате обработки большого количества опубликованных экспериментальных
данных получены простые линейные зависимости равновесного распределения Fe2/Mg
отношения между сосуществующими основным - ультраосновным расплавом и
кристаллами шпинели и оливина для широкого диапазона составов, давлений до 1,5
Гпа, при варьирующей температуре. Численная оценка равновесности распределения
Fe2/Mg отношения позволяет выделять природные оливин-шпинелевые
парагенезисы магматического (расплавного) происхождения и отличать их от
оливин-шпинелевых пар, изменивших свои составы при метаморфизме, или имеющих
метаморфический генезис.
Такая
оценка выявляет неравновесность с магматическим расплавом шпинелевых и
оливиновых включений в алмазах Якутской кимберлитовой провинции, что указывает
на возможный твердофазный рост вмещающих их кристаллов алмаза в мантийных(?)
условиях. В коровых условиях твердофазным ростом микрокристаллов алмаза во
время палеоземлетрясений можно объяснить их генезис на месторождении Кумды-Коль
(Казахстан). Выделен ряд признаков для прогноза и поиска аналогичных
месторождений в областях развития гранито-гнейсовых куполов. В частности, в
Камчатском регионе подобные рудопроявления (месторождения?) могут существовать
в Срединном Камчатском массиве (Хангарский гранито-гнейсовый купол).
В
породах базит-гипербазитового ряда оливин является типичным породообразующим
силикатом, а минералы группы шпинели - преобладающими акцессориями. В
генетических моделях для пород этого ряда часто используются числовые
зависимости, связывающие составы этих минералов с условиями их образования и
последующими изменениями. Исследования ведутся по трем направлениям:
эксперимент в контролируемых условиях; термодинамическое моделирование; анализ
природных оливин - шпинелевых парагенезисов.
В
области между ликвидусом и солидусом по экспериментальным данным получены
распределения Fe2+/Mg отношения в системах расплав - оливин и
расплав - шпинель; в субсолидусной - в системе оливин-шпинель путем моделирования
и привлечения данных по природным парагенезисам. В системе расплав - оливин при
атмосферном давлении в условиях контролируемых температуры и фугитивности
кислорода калибровочная зависимость для Fe2+/Mg была получена
П.Редером и Р.Эмсли [89]. По опубликованным данным экспериментальных
исследований с подобным же контролем условий Г.П.Пономаревым и его соавторами
[53] установлена числовая зависимость, связывающая Fe2+/Mg отношение
в основном - ультраосновном расплаве и шпинели. При этом, благодаря учету
влияния содержаний Ti в шпинели, коэффициент корреляции составил 0,98.
Распределение Fe2+/Mg между оливином и шпинелью в субсолидусной -
солидусной области, с учетом влияния некоторых элементов, было откалибровано
рядом исследователей как геотермометр [80,87,88,90,92] и предложено в качестве
геоспидометра [88]. Однако для многих базит-гипербазитовых пород применение
указанных выше зависимостей ограничено влиянием неучтенного давления и ошибками
метода. Кроме того, можно указать и на то, что при кристаллизации, гибридизме,
остывании расплавов и последующих метаморфических преобразованиях пород
происходит изменение составов стекол и расплавных включений в минералах, а
также и самих минералов. Первоочередной задачей данной работы было частичное
снятие этих ограничений и получение критерия для отличия магматических
(равновесных и неравновесных) OL - SP парагенезисов от немагматических.
Необходимость и важность такого критерия для корректировки петрологических
выводов очевидна. Одно из приложений имеет следствия, которые, ввиду их
большого прикладного значения, несомненно, заслуживают более подробного
рассмотрения. Установленная на основании полученных в первой части этой работы
зависимостей, неравновесность OL-SP включений в кристаллах алмаза Якутской кимберлитовой
провинции, позволяет предположить их общий твердофазный генезис. Рост алмаза в
твердой среде возможен не только в мантийных, но и в коровых условиях, о чем
свидетельствует ряд экспериментальных результатов [12,24,82]. Такая
возможность, по-видимому, реализована в микрокристаллах алмазов месторождения
Кумды-Коль (Казахстан). Обсуждение генетической модели роста таких
микрокристаллов и критериев поиска месторождений, подобных месторождению
Кумды-Коль, и завершает данную работу.
Использованные экспериментальные данные.
Из
опубликованных работ были выбраны [77,83,85,91,93,97,98,99,100],
удовлетворяющие следующим условиям: эксперименты проводились при атмосферном
давлении с контролем температуры и фугитивности кислорода, приведены полные
составы сосуществующих расплавов (стекол), шпинелей и оливинов. Был сформирован
массив, состоящий из 92 точек многомерного пространства признаков. Каждая такая
точка представляет собой как бы объединенный "анализ" - матрицу,
состоящую из пересчитанных на атомные количества содержаний химических
элементов в стеклах, шпинели и оливине, значений температуры и фугитивности.
Методика
обработки данных. Включает пересчеты первичных составов стекол, шпинелей и
оливина, полученных зондовым методом, и дальнейшую математическую обработку
методом наименьших квадратов.
Составы
стекол. В имеющихся составах стекол содержания FeO и Fe2O3
(если такое имелось, в виде весовых % окислов) пересчитывались в FeO (общее).
Затем разделение на FeO и Fe2O3 проводилось по обобщенной
формуле, предложенной в [10]. После этого рассчитывались атомные количества
элементов: сначала с учетом содержания кислорода отношение K/O, где:
K = Si + Ti + Al + Cr + Fe3+ + Fe2+ + Mn + Ca
+ Na + K; O - кислород.
K/O
варьировало от 41/59 до 38/62. Затем количество атомов кислорода вычиталось, а
содержания элементов вновь пересчитывались на 100%.
Составы
шпинелей и оливина. В имеющихся составах шпинелей содержания FeO и Fe2O3
также пересчитывались на FeO (общее), которое вновь разделялось на окисную и
закисную формы по стехиометрии, и с учетом ульвошпинелевого компонента. Затем,
составы шпинелей и оливина пересчитывались на атомные проценты, содержание
кислорода вычиталось и остаток катионов нормировался до 100%.
При
дальнейшей обработке мы исходили из отсутствия структурного мотива в расплавах,
статистически беспорядочного распределения катионов в кристаллах шпинели между
октаэдрическими и тетраэдрическими позициями, и из того, что распределение Fe и
Mg по позициям M1 и M2 в оливине близко к случайному.
Исследовалась связь между совместными значениями Fe2+/Mg в разных
фазах, аппроксимированная по методу наименьших квадратов [70] линейной
зависимостью. По получаемому уравнению вида y = A + B x ; где: x - известное
значение Fe2+/Mg в данной фазе; y - оцениваемое значение Fe2+/Mg
в другой фазе; A и B - постоянные коэффициенты, вычислялось значение Fe2+/Mg
в другой фазе. Сила связи оценивалась по величине коэффициента корреляции (R).
По R оценивались также и влияние температуры (T), фугитивности кислорода (fO2)
и активности элементов в расплаве. Стандартная ошибка ()
определялась по уравнению:
( di ) / (n-2) ], где di =
yi (истинное) - yi (расчетное)
Определялось
также и значение абсолютной ошибки ( ).
Распределение стандартной ошибки практически во всех случаях соответствовало
гауссовскому, что позволило отбросить точки, для которых квадратичное
отклонение было > 3. Их
количество составляло ~ 4-7% от общего числа точек. Для оставшегося массива
процедура расчетов вновь повторялась; эти результаты приведены в тексте. Все
расчеты проводились с помощью программы "FASTVIEW" (автор - Ананьев
В.В.).
Используемая
форма представлений составов (атомные количества катионов) кажется более
целесообразной в сравнении с традиционными. В таком виде данные точнее отражают
как содержания элементов в каждой из фаз, так и отношения содержаний элементов
между фазами, т.к. пропорциональны числу атомов, а не их весовой или
молекулярной долям, что существенно для легких элементов типа Na и элементов с
валентностями 2. Эта форма представления составов привычна для
восприятия из-за небольших отличий цифровых значений от окисных весовых
процентов, в отличие от атомных количеств с участием кислорода. Расчитываемое
по валентностям количество кислорода является предельным для данной породы или
расплава того же состава. В силикатных стеклах (расплавах) выделяются 3
разновидности кислорода: мостиковый (00), немостиковый (01-)
и свободный (02-) [9]. Концентрации каждой из этих форм кислорода
зависят от состава расплава, его структуры, состава флюида, температуры (T) и
давления (P). Концентрация мостикового кислорода должна быть меньше предельной
из-за существования наряду со связью Si-O-Si
связи Si-Si "кислородная вакансия" [1] хотя не ясно,
насколько велика их доля и как они зависят от вышеперечисленных параметров. Растворенная
в расплаве Н2О (на примере альбитовой системы), по данным
М.Б.Эпельбаума [76], влияет на соотношение мостиковой и немостиковой форм
кислорода. По расчетам [43] такие флюидные компоненты, как Н2О и Н2,
в процессе дегазации базальтовых расплавов увеличивают фугитивность кислорода,
что должно, вероятно, сказываться и на концентрации различных форм кислорода в
расплаве. F и Cl, постоянные участники магматического процесса, в расплавах
образуют ионные группировки с катионами металлов [2,33], т.е. выполняют роль
"свободного" кислорода. Эти наблюдения позволяют рассматривать
рассчитываемое по валентностям содержание кислорода в предполагаемом расплаве
как максимально возможное и без ущерба исключать из данных по составам. Кроме
того, операция вычитания рассчитанного количества кислорода (практически
постоянная величина: 59-62) и нормирование до 100% остатка с дальнейшим поиском
корреляции между процентными величинами численно соответствует [62]
нормированию на постоянную величину, кратную содержанию кислорода, и поиску
истинного коэффициента корреляции между процентными величинами. В перспективе
желательно научиться рассчитывать истинные концентрации трех форм кислорода в
расплавах и знать, как связана фугитивность кислорода с концентрациями их в
расплаве, и как влияет концентрация каждой из форм кислорода в расплаве и
фугитивность кислорода в целом на его вязкость и т.д.
Полученные результаты.
|
Рис. 1 |
Для
исследования поведения Fe2+/Mg в системе расплав (m) - шпинель (SP)
- оливин (OL) был использован массив, сформированный из 92 точек. Выбраковано
было 10 точек (по 5 для каждой из зависимостей: расплав - оливин и расплав -
шпинель). Для дальнейших расчетов было использовано 82 точки, с диапазоном Fe2+/Mg
отношений для расплава: 0,14-2,02. Были получены следующие результаты:
расплав-шпинель
[Fe2+/Mg]m
= 0,64 [(Fe2+- Ti ) / Mg ]sp + 0,13; R - 0,97; - 0,078; -
0,104.
Графически
зависимость представлена на рис.1.
расплав-оливин
[Fe2+/Mg]m
= 2,71 . [Fe2 / Mg]ol + 0,05; R - 0,98; - 0,73; -
0,096.
Графически
зависимость представлена на рис.1.
Обычно
для системы расплав-оливин распределение Fe2+/Mg представляют в
таком виде:
КD
= [Fe2+/Mg]ol / [Fe2/Mg]m KD
среднее - 0,3508; - 0,045; - 0,056;
|
Рис. 2 |
интервал
значений КD: 0,26-0,5. KD [Fe2/Mg] имеет одно
и то же численное значение для молекулярных и атомных количеств содержаний
элементов.
Численные
значения коэффициента КD пропорциональны содержаниям ряда элементов
в расплаве: КD-Si (R-0,8); KD-Na (R-0,72); KD-K(R-0,64).
Связь между температурой и КD имеет значение R=0,38. Невысокое
(R-0,4) значение коэффициента корреляции имеет и связь отношения [Fe2+/Mg]sp/[Fe2+/Mg]m
c температурой. Расчет [Fe2/Mg]m по оливину может быть
представлен и в такой форме:
[Fe2+/Mg]m = {[Fe2+/Mg]ol /
0,35}. 0,95 + 0,05; R-0,98; -0,073; - 0,095.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5
|