Введение к работе
Зональные минеральные структуры (сегрегации, короны, нодули и т.п.) - весьма распространенные образования в метаморфических породах. Их фазовый состав, характер чередования и соотношения толщин слоев содержат важную информацию о процессах, происходящих при метаморфизме: масштабах массопереноса, химических реакциях, протекающих на границах слоев, температуре, давлении, длительности процесса, коэффициентах диффузии компонентов порового флюида и т.д.. Этим объясняется неослабевающий интерес исследователей к зональным минеральным структурам, их теоретическому и экспериментальному моделированию.
Изучение массопереноса является одной из главных проблем метаморфической петрологии. Для глубинных пород, испытавших всестороннее сжатие, нагревание и метаморфизм (перекристаллизацию и образование новых минералов), характерно сокращение объема порового пространства. Коэффициенты проницаемости метаморфических пород оцениваются на уровне 10-10 Д и менее. При такой проницаемости движение растворов через порода чрезвычайно затрудняется. Основным движущим фактором массопереноса в этих условиях становится диффузия вещества в межзерновом флюиде против градиентов химических потенциалов. Экспериментально смоделировать этот процесс в условиях, приближающихся к реальным, очень сложно.
Цель работы состояла в определении параметров массопереноса при изотермо-изобарическом диффузионном биметасоматозе с реакционным взаимодействием, на основе теоретического моделирования роста природных зональных минеральных структур.
Задачи:
-
В рамках термодинамики необратимых процессов разработать математическую модель роста зональных минеральных структур из первоначального контакта минералов неравновесных при заданных Р-Т параметрах.
-
Создать алгоритм и компьютерную программу для численного моделирования роста зональной структуры, позволяющие вычислять градиенты химических потенциалов, скорости образования/ растворения минералов на границах слоев, условия существования устойчивых ассоциаций, их фазоЕый состав, порядок чередования и
соотношения возникащих слоев в зависимости от коэффициентов диффузии растворенных компонентов в горовом флюде.
3. Провести исследование роста зональных минеральных
структур в разных модельных системах.
4. Определить относительные коэффициенты диффузии петроген-
ных компонентов, при которых образуются, наблюдаемые в разных
типах метаморфических пород, зональные минеральные структуры.
Основные защищаемые положения:
-
При заданных начальных условиях и коэффициентах диффузии растворенных компонентов порового флюида уравнения стационарной диффузии допускают образование нескольких минеральных последовательностей слоев. Выбор единственного решения можно сделать на основе критерия отсутствия пересыщения межзернового флюида на границах зональной структуры в отношении новообразованных минералов. В случае одной независимой реакции между ми- ' нералами при проверке по этому критерию данные о термодинамических потенциалах минералов постоянного состава не используются. Скорость производства энтропии в выбранной ассоциации максимальна.
-
Интервал покрытия - совокупность слоев минеральной последовательности, в которых присутствует определенный минерал, -может быть разрывным.
-
Сопоставление результатов изучения зональных минеральных структур в метаморфических породах с результатами моделирования позволяет оценить относительные значения коэффициентов массопереноса диффундирующих компонентов в поровом флюиде. Коронарные структуры в метагаббро массива Рисер (Норвегия) образуются, когда феноменологические коэффициенты диффузии А1203 в 2-4 раза меньше, a MgO в 50-60 раз больше соответствующих коэффициентов SlOg. Для зональных сегрегации в метапелитах контактового ореола Теранджинского массива (Алтай) найдены следущие интервальные оценки феноменологических коэффициентов диффузии растворенных компонентов порового флюида относительно коэффициентов Si02: для AlgOg - менее 0.2, для MgO и РеО -2-5-5, для KgO - более 2.5.
-
Присутствие разных зональных структур как в метагаббро массива Рисер,- так и в метапелитах контактового ореола Теранд-жикского массива оОусловленно различием во взаиморасположении
исходных контактирующих минералов в начальный момент времени.
Научная новизна: Развита теория диффузионного метасоматоза в рамках термодинамики необратимых процессов. Получены выражения для расчета всех основных характеристик растущей сегрегации в случае одной независимой реакции между минералами. В случае нескольких реакций проблема сведена к решению нелинейной алгебраической системы уравнений весьма невысокого порядка, после чего все переменные находятся безитерационно по готовым формулам. Развитая теория распространена на случай существенной нераЕНОвесности пород. Выведен критерий для определения пересыщения порового флюда на границах слоев в отношении минералов, участвующих в образовании зональной структуры.
Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ лаборатории "Метаморфизма и метасоматоза" ОЖТиМ СО РАН и в рамках ВТМК "Зональность". Заключительная часть работы проведена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект 93-05-8848).
Основные результаты исследований докладывались на XII Всесоюзном металлогеническом совещании (Киев, 1990), на II Международном симпозиуме по термодинамике природных процессов (Новосибирск, 1992) и на VII конгрессе Европейского геологического союза (СтрасСур, 1993).
По теме диссертации опубликовано 9 работ.
Работа выполнена под научным руководством доктора геолого-минералогических наук В.В.Ревердатто и кандидата химических наук В.С.Шеплева, которым автор благодарен за постановку интересной задачи, за всестороннюю поддержку и внимание на протяжении всей работы. Значительный объ5м исследований, представленных в диссертации, был выполнен совместно с кандидатом геолого-минералогических наук В.Ю.Колобовым, кому автор глубоко признателен за активное участие и постоянную помощь в работе на всех е5 этапах. Автор благодарен доктору геолого-минералогических наук Г.П.Зарайскому и доктору химических наук В.Н.Балашову зв обсуждение ряда положений работы и конструктивную критику.
Неоценимая помощь в обеспечении вычислительной техникой была оказана Кронос-группой (ИСИ 00 РАН), значительная часть расчетов проведена на WS KROW0S-2.6.
Список обозначений
(в скобках - ссылки на формулы текста) ^ - химическое сродство г-й реакции;
А - вектор сродств независимых реакций (2.33);
В - структурная матрица (2.15);
с - концентрация а-го компонента;
D„ - коэффициент диффузии s-го компонента;
Р^ - структурная матрица й-го слоя (2.22); G, - свободная энергия Гиббса 1-го минерала; G - вектор свободных энергий Гиббса минералов; h - толщина й-го слоя;
а Ь
J - вектор диффузионных потоков й-го слоя;
К, - константа равновесия реакции растворения (-го минерала;
й - номер слоя (верхний индекс) или границы (нижний индекс) в
минеральной последовательности; К - количество границ в минеральной последовательности; L_ - феноменологический коэффициент s-го компонента; L - матрица феноменологических коэффициентов; m - множество минералов в й-м слое; ns{- стехиомегрический коэффициент s-го компонента в t-u
минерале; N - количество минералов в зональной структуре; Nr - количество исходных минералов; N - стехиометрическая матрица составов минералов; R - газовая постоянная; R - стехиометрическая матрица независимых реакций мевду
минералами (2.3); з - диффундирующие компоненты; S - количество диффундирующих компонентов; t - время; Т - температура;
U - количество независимых реакций; V, - мольный объем {-го минерала; wr - скорость г-й реакции; х - пространственная координата; Z - структурная матрица минеральной последовательности (2.23);
p.g - химический потенциал з-го компонента;
г',, г» - скорость образования (-га минерала или з-го компонента;
о - производство энтропии;
Ру, щ - скорости приращения слоя по 1-му минералу на левой и
правой границах й-го слоя, соответственно (2.27 - 2.30);
V - суммарный вектор скоростей образования минералов в зо-
нальной структуре (2.7);
Обозначения относительных феноиенологических коэффициентов
La = LA1203A1203 / %i02Si02' Lc = ЪСаОСаО / ^iOgSiO^ bf = %еОРеО / bsiOjSIOg1 h. = ^OKgQ У bsiOgSiO^ ha = %gOMgO / bsiOgSIOg' hi = %a20Na20 ' %i02S102; huz = %aCa205/2NaCa205/2 x ^OgSiOg'
Принятые обозначения минералов и их кристаллохташческие формулы
А - амфибол ( HaCa2Mg4AlAl2Si6022(0H)2 )
ВІ - биотит (см. табл.. с.57)
С - кальцит ( СаС03 )
Сог - кордиерит (см. табл. с.57)
D - диопсид ( CaMgSigOg )
Е - энстатит ( MgS103 )
F - форстерит ( M^S104 )
Ь - доломит ( GaMg(C03)2 )
Кар - калиевый полевой шпат (см. табл. с.57)
Р - лабрадор ( Na0a2AlgSLj.O24 )
PI - олигоклаз (см. табл. с.57)
Q - кварц ( S102 )
R - тремолит ( Ca2Mg5Si8022(0H)2 )
S - шпинель ( MgAlgO^ )
Sil - силлиманит (см. табл. с.57)
Spl - шпинель (см. табл. с.57)
Т - тальк ( Mg3Si4O10(0H)2 )
X - клинопироксен ( NaCagMggALSlgO^ )
