Введение к работе
- I -
Актуальность темп определяется важной ролью окислительно-восстановительных реакций, протекащих в магмах о участием элементов переиенной валентности и летучих компонентов, в образовании дифференцированных базальтовых серий и генетически свя-* занных с ними рудных месторождений. Потенциал кислорода явля-етоя одним из важнейших физико-химических параметров магматических систем, от которого в существенной степени завиоит поведение элементов переменной валентности как петрогенных (в первую очередь железа), так и рудных, а также газовий режим магм. Экспериментальные и теоретические исследования последних лет, начало которым было положено в работах Г. Кеннеди (1948) и Е.Ф. Осборна (1959) продемонстрировали существенное влияние потенциала кислорода на разовые равновеоия при крио- , таллизации нагиатичеоких расплавов и вытекащие из этого возможные петрологические следствия. Вместе о тем ряд проблем, имеицих принципиальное значение для понимания эволюции базальтовых магм в различных тектоноструктурных.зонах Земли, остаются нерешенными. К ним относятся: I) влияние потенциала кио-лорода на процессы дифференциации,первичных и производных магм іпирокого спектра ооставов, его роль'-в образовании различных,, типов вулканических серий; 2) основные факторы, контролирую-,, щие окиолительнотвосстановительный режим при образовании и дифференциации базальтовых магм;3) взаимосвязь окиолительно-восстановительного и флюидного режимов магматических систем. Цели и задачи исследования. Основная цель данной работы - создание физико-химической модели эволюции базальтовых магм в вулканичеоких очагах о учетом изменения окислительно-вооста-новительного и флюидного рехіимов при их кристаллизации и дегазации/ Такая направ лени ость исследований потребовала решения следуидих-дііух-' основных груші вопросов, рервая группа вопросов связана о изучением роли окислительно-вооотаповитель-ного режима в процесоах дифференциации базальтовых магм^ А именно: I) выяснение, влияния летучеотикиолорода (^pg) температуры, давления и химического состава магм на порядок, 6о-отав и 'соотношение кристаллизунцихся. фаз; .2), определение, основных Законоиерноотеіі в изменении состава магматических, хид-коотёй, образующихся в ходе кри.оталлизации при .различных оки-олйтеліііо-восстановительнмх уоловиях; 3) выяснение, на основе п,олученкых"'эксперИ1Уентальныхданных и имеицейоя детроглого-геохиниЧеской информации фиэико-хиадчеоких условий и механиз-
- г -
ua образования природных вулканических серий различного типа. Основой для решения этой группы вопросов явилось проведение экспериментальных исследований по кристаллизации в уоловиях контролируемого режима *0р ' пород вулканических серий из трех ооновных тектоноструктурных зон развития современного базальтового магматизма: океанических рифтов (Атлантика), горячих точек (Ислендия) и островных дуг (Камчатка, Толбачинская вулканическая область). Вторая группа вопросов связана о анализом ооновных эндогенных факторов, определяпцих окислительно-восотановительный и Флюидный режимы базальтовых магм при их зарождении, подъеме и эволюции в близповерхноотных нагыатиче-оких очагах. В центре внимания находились следующие вопроон: I) влияние температури и давления на окиолительно-воостанови-тельное состояние и состав флюидной <}азы маги, содержащих летучие компоненты системы С-О-Н; 2) изменение окислительно-восстановительного состояния магм в процессе их выплавления, кристаллизации и дегазации. Эта группа вопросов решалась на оонове термодинамического анализа разовых равновеоий в флюндно-ыагматических системах, используя для этой цели расчетные данные по системе С-О-Н в широком диапазоне Р-Т- fOg параметров, а также эмпирически найденные зависимости по насыаению догматических расплавов летучими компонентами этой системы при высоких давлениях.
Научная новизна и значимость диссертационной работы заключается в следующем. I) Получены новые оригинальные экспериментальные данные по кристаллизации различных типов базальтов при і аты в широком диапазоне значений *0
физичеокой информации определены физико-химические условия формирования пород базальтовых серий океанических рифтов, Исландии, Толбачинской вулканической зоны Камчатки и предлокены петрологические модели их образования. 4) Впервые показана роль окиолительно-восстановительного режима в образовании кварц-нормативных андезит-риолитовых магм при дифференциации исландских щелочных базальтов. 5) На основании термодинамического анализа філюидно-магматических взаимодействий в системе базалтовы. расплав-С-О-Н впервые выявлен ряд новых эффектов, овязанных с влиянием <5ргкционирования летучих компонентов между расплавом и флюидной фазой на окислительно-восстановительное состояние базальтовых магм при их выплавлении и подъеме к поверхности Земли. 6) Разработан алгоритм и проведено численное моделирование изменения окиолительно-воссгановительного ооотояния НоО- и COg-содержащих базальтовых магм при их дегазации, вызванной декомпрессией и кристаллизацией. В целом проведенные исследования создают физико-химическую основу для моделирования эволюции базальтовых маги с образованием конкретных вулканических серий в различных геодинамических обстановках. Практическая ценнооть работы.
-
Полученные результаты экспериментальных исследований по кристаллизации базальтовых магм, а также разработанные в работе подходы комплексного анализа процессов их дифференциации могут слукить основой для: I) реконструкции физико-химических уоловий образования пород конкретных вулканических серий ; 2) интерпретации геолого-петрологическкх и геофизических данных о связи магматизма о геодинамическиы режимом вулканических областей, а также о строении и составе глубинных чаоте.1 земной коры в зонах активного базальтового вулканизма; 3) построения физико-химичеоких моделей формирования месторождений металлов переходной группы (Ре, Ті, V, Сг, Mi , Со и др.), которые генетически связаны о базит-гипербазитовым магматизмом.
-
Результаты экспериментов могут быть использованы для пополнения банка данных для ЭВМ-моделирования процессов дифференциации базальтовых магм.
-
Обнаруженные закономерности в изменении флшдного и окиолительно-воостановителыюго режимов магм цри их подъеме и кристаллизации воздают возмоунооть для: I) фиэико-химичео-кой интерпретации геохимических данных по оодерханиян летучих
компонентов в магматических породах и составу флюидных включений в минералах глубинного происхождения; 2) количественных оценок выноса иагиаии летучих компонентов из мантии и в целой вклада магматизга в формирование газового режима верхних оболочек Зеили и других плаїет.
Апробация работы. Ооновная чаоть материалов диссертации докладывалась на Ежегодных с ей и нарек экспериментаторов (Mooi^ ва, І978-І99І); на УІ и УП Воеооюзных петрографических совещаниях (Ленинград, 1981; Новооибирок, 1986), на У и УІ Воеоовзт ных вулканологических совещаниях (Тбилиси, 1980; Петропавловск-Камчатский, 1985), на П и Ш Воеооюзных съездах океанологов (Ялта, 1982; Ленинград, 1987),. на УП, ЕС, X и ХУ семинарах "Геохимия магматических пород" (Москва, 1981, 1983, 1984, у; 1990); на совещании "Эволюция магматизма океанской дитооферы и корреляция магматизма океанов и континентов" (Суздаль, 1983), на П Воеооюзной научной конференции "Природные газы Земли и их роль в формировании земной коры и месторождений полезных иокопаемых" (Мооква, 1982), на I иП Воеооозных орвещаниях'по геохимии углерода (Москва, .1981, 1986), на 27 и 28 Мекдународ- . ных геологичеоких конгресова (Морква, 1984; Вашингтон, 1989), на Воеоопзном симпозиуме "Термодинамика.в геологии* (Суздаль, 1985), на оовещашш "Mania и магматические флюиды" (Черного- ';.'. ловка, 1985), на" I Советоко-Ядоноком симпозиуме по фазовым превращениям лри высоких давлениях и температурах (Лиртвянка ' на Байкале, 1985), на Воеорганом оовёщании "Тектоника литоофе-рных плит" (Звенигород, 1987), на Ц и Ш Воеооюзных гёохинико- , геофизичеоких школах (Звенигород,'1986, Ї990), на П Совётрко-Индийском симпозиуме ."Экспериментальная минералогия" (Чимкент, 1989), на оеминаре "Экспериментальное и теоретическое .моделирование базальтовых оистем" (Черноголовка, I966)i на пиеаду-; народном вулканологаческом' конгреоое (МаЙнц, 1990), на ХП . ''"'" Всеооюзном совещании по экспериментальной минёралргииЧМиасо, -1991). По теме диосертации автором одубликовалш более 50 pa-':... бот, в том числе две монографии. 'У^-'Уі'--; У '':-.:"'-У"'. ''"
Состав и'структура работы» Диорертация сострит из введе- . кия, 8 глав, заключения и описка литературы из 511 названий. Она включает 308 о тр. те кота, 26.таблиц, вынесенных в виде:/ Л приложения, и 123 рисунка. / .;" "':'.. .. :';'. ';'.'.' ,-'"*:'
Автор вьтоакает глубокую благодарность А.А. Кадику., под I -руководство:? которого он начинал свою научную деятельность и. плодотворный творческий контакт о которым в значительной сге-
пени определил направленность проведенных исследований. Автор иокренне признателен своим коллегам А.А. Борисову, И.В. Лапину, А.Л. Портнягину и G.H. Шилобреевой, с которыми были выполнены ряд оовмеотных исследований.
Большое значение для выполнения данного исследования имели научные контакты и дискуссии о Л.В. Дмитриевым, Б.В. Ивановым, Е.В. Коптевым-Дворниковым, Е.Б. Лебедевым, А.П. Максимовим, H.G. Муравьевой, А.И. Поляковым, В.А. Пугиным, А.В. Соболевым, Н.М. Суцевской, А.Б. Слуцким, С.А. Федотовым, Г.Б. Флеровым, М.Я. Френкелем. і.втор вцранает им искреннюю благодарность. Автор также весьма признателен коллегам из зарубежных научных центров Г.Н. Ниггару (Эдинбургский ун-т) и М. Розен-хауэру (Геттинтенский ун-т), совместно с которыми была выполнена чаоть экспериментальных исследований.
Чаоть I. Эволюция базальтовых магм в приловерхноотных
очагах: влияния потенциала киолорода на их кристаллизацию и дифференциацию о образованием вулканических серий
Данный раздел диссертации посвящен экспериментальному изучению проблем дифференциации базальтовых магм в приловерхноот-ных магматических очагах. Основный его содержанием являются результаты экспериментальных исследований по кристаллизации различных типов базальтов в уоловиях контролируемого потенциала кислорода. В Качестве объектов исследования выбраны породи базальтовых серий из трех ооновных тектоноотруктурных зон развития современного базальтового магматизі/агокеаничео-ких рифтов (Атлантика), горячих точек (Исландия) и оотровных дуг (Камчатка, Толбачинская вулканичеокая область). Главное внимание в работе уделяетоя анализу влияния окиолительно-воо-отановительных условий на процессы кристаллизации и дифференциации магм на малых глубинах в пределах земной коры.
Е.ф. Ооборн (1959) был одним из первых исследователей, который на ооновании экспериментального изучения железосодержащих силикатных систем показал возможное значение режима tOg для дифференциации базальтовых магм с образованием то-леитовых и извеотково-щелочных оерий. В дальнейшем большой вклад в понимание влияния fOg на фазовые равновеоия модельных и природных магматичеоких оиотем внеоли работы Р. Хилла и П. Роедера (1974), Р.Н. Тонпоона (1975), Е.Ф. Соборна (1978), Д. Уолкера и др.. (1979), Г.Н. Биггара (1978, 1983), А.А. Ка-
дика и др. (1982, 1990), А.Д. Бабанского и др. (1983), Т. Гро-ва и др. (1982, 1984) и других исоледователей. Важное значение для успешного развития экспериментальных исследований при контролируемых окислительно-восстановительных условиях тела разработка новых экспериментальных установок и методов, позволяющих осуществлять контроль X Оо-во время опытов, а также избегать значительных потерь железа из исследуемого вещества в результате его взаимодействия с материалом контейнера (Биггар, 1978; Литвин, 1981 и др.).
Среди экспериментальных исследований петрогенетических проблем условно можно выделить два направления. Первое из них заключается в изучении главным образом базовых алюмосиликат-ных оистем, моделирупцих фазовые отношения при плавлении и кристаллизации магматических пород в широком диапазоне Р-Т--02 условий (о летучими компонентами или без них). Второе направление исследований, которое развивается параллельно о первым и в существенной степени его дополняет, связано с использованием для экспериментов пород конкретных магнатичеоких оерий, при этом широко привлекая для решения проблей их генезиса петролого-геохимичеокие и геолого-геофизичеокие данные.
Именно такой подход использован в настоящей работе, что в значительной степени предопределило характер изложения материала. В каждой из глав, посвященных той или иной базальтовой серии, приводятся как результаты экспериментальных исследований, так и геолого-геофізичеокие и геохимичеокие данные, на основании которых делаются генетические выводы. В заключительной пятой главе данного раздела сделано обобщение полученных данных по влиянию P-T-flDo параметров на пути дифференциации базальтов, а также рассмотрены проблемы происхождения первичных мантийных маги о точки зрения декомпреооион-ного механизма плавления пород верхней мантии во время их подъема к поверхности Земли.
Вторая чаоть диссертационной работы посвящена анализу основных эндогенных факторов, определяпцих окиолительно-воо-становительный и флюидный режимы базальтовых магм при их. зарождении, подъеме и эволюции в близповерхноотных магматических очагах.
