Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблемы геотермобарометрии эклогитов и эклогитоподобных пород 13
1.1. Устойчивость эклогитов и эклогитоподобных пород согласно экспериментальным исследованиям 13
1.2. Возможности минералогической геотермобарометрии эклогитов и эклогитоподобных пород 17
1.3. Составы сосуществующих клинопироксенов и гранатов как индикаторы температуры и давления 22
Глава 2. Методика экспериментальных исследований 24
2.1. Приготовление исходных веществ 24
2.2. Аппаратура и особенности проведения экспериментов 24
2.3. Анализ продуктов экспериментов 29
Глава 3. Устойчивость гранат-клинопироксеновых ассоциаций в системе CaO-MgO-AI203-Si02 32
3.1. Основные фазовые взаимоотношения в системе 32 CaO-MgO-AI203-Si02
3.2. Устойчивость твёрдых растворов фанатов и клинопироксенов 40
Глава 4. Результаты экспериментальных исследований 45
4.1. Результаты исследования ассоциации клинопироксен-гранат в интервале давлений 15-30 кбар 45
4.2. Особенности ассоциаций клинопироксен-гранат в сечении пироп-гроссуляр при давлении 30 кбар 54
Глава 5. Практическая геотермобарометрия эклогитов и эклогитоподобных пород на основе составов клинопироксенов и гранатов 69
5.1. Особенности изоморфизма катионов в структурах фанатов и клинопироксенов системы CaO-MgO-AI203-Si02 69
5.2. Статистическая модель зависимости составов гранатов и клинопироксенов от температуры и давления 71
5.3. Некоторые особенности геотермобарометрии природных эклогитов на основе статистической модели 77
Заключение 92
Выводы 95
Литература 97
- Возможности минералогической геотермобарометрии эклогитов и эклогитоподобных пород
- Аппаратура и особенности проведения экспериментов
- Устойчивость твёрдых растворов фанатов и клинопироксенов
- Особенности ассоциаций клинопироксен-гранат в сечении пироп-гроссуляр при давлении 30 кбар
Введение к работе
Актуальность работы. Значительная часть фундаментальных проблем геологии имеет физико-химическую основу и может быть решена с привлечением информации о фазовых диаграммах природных систем. Именно таким образом были решены некоторые фундаментальные вопросы, такие как минералогический состав нижних слоев земной коры, разработка схемы фаций метаморфизма, процессы формирования базитов и гранитов. Палеогеотермобарометрические построения для ультра основных пород и стратификация глубинных ксенолитов стали достаточно обычными методами для теоретических реконструкций строения верхней мантии, глобальных тектонических построений и при поиске новых месторождений алмазов. Для этих целей разрабатываются разнообразные методы определения температур и давлений образования горной породы, которые получили названия - геотермометры и геобарометры.
Методы минералогической геотермобарометрии основаны на зависимости состава минералов переменного состава от условий их образования. Большое разнообразие геотермометрических зависимостей основано на вхождении катионов (кальция, магния, железа и т. д.) в различные структурные позиции в минералах, либо на распределении этих катионов между несколькими минералами. Однако основное количество разработанных геобарометров подходит для пород ультраосновного состава, к примеру, для гранатовых лерцолитов. Сложность в создании минералогического геотермобарометра, в частности для пород типа эклогитов, заключается в правильном подборе минералов и фазового объёма всей системы.
Оксиды Са, Mg, Al, Si составляют 80-90 % от валового состава таких пород как лерцолиты, дуниты, гранатовые лерцолиты, эклогиты, гарцбургиты и т. д. В системе СаО-МдО-АІгОз-БІОг (CMAS) образуются практически все фазы, соответствующие минералам глубинных пород. Остальные компоненты (FeO, РегОз, ЫагО, СггОз, ТЮг, КгО и т. д.) большей частью входят в качестве изоморфных примесей в фазы, уже имеющиеся в системе CMAS. Фазовая диаграмма CaO-Mg0-A!203-SiO2 (рис. 1) является наиболее удобным объектом исследования в качестве модели для глубинных пород. На её основе построена практически вся глубинная петрология нижних слоев земной коры и верхней мантии. Несмотря на отсутствие в системе CaO-MgO-АІгОз-біОг таких важных компонентов, как оксиды железа, щелочей и летучих компонентов, она является удовлетворительной моделью для большого числа основных и ультраосновных пород, формирующихся на глубинах 40-150 км, то есть там, где протекают основные процессы магмообразования и низкоглубинные плагиоклазсодержащие породы сменяются глубинными гранатсодержащими породами.
Цель работы. Вопросы геотермобарометрии эклогитов и эклогитоподобных пород до сих пор остаются открытыми. В современной научной литературе известно несколько попыток использовать обмен катионов железа и магния между клинопироксеном и гранатом. Целью данной работы является создание геотермобарометра для эклогитового парагенезиса на основе экспериментальных исследований составов кпинопироксенов и гранатов в модельной системе СаО-МдО-АЬОз-ЭЮг.
1/2АІЮз
\\
tCaT$
\
VGeT
\6$S
\
Mon
^^^
Lar
CaO
*
Рис.1. Фазовые взаимоотношения в системе CaO-MgO-Al203-Si02 при 30 кбар и 1200С.
Защищаемые положения.
В системе СаОМдО-АЬОз-ЭЮг в ассоциации клинопироксен-гранат, в интервале давлений 15-30 кбар и температур 1200 - 1585 С, составы клинопироксенов меняются в зависимости от температуры и давления, при этом вхождение катионов Са и Мд в пустоты каркаса структуры клинопироксенов испытывает влияние температурного фактора, а вхождение катионов алюминия на место катионов кремния по чермакитовой схеме viR+2[vSi+4=viAI+3ivAl+3 в алюмосиликатном каркасе зависит от давления.
В сечении пироп-гроссуляр при давлении 30 кбар биминеральная ассоциация пироповый гранат-клинопироксен существует в интервале температур 1400-1540 С; на ликвидусе присутствует шпинель и отсутствует корунд.
3. Статистическая модель геотермобарометрической зависимости
имеет вид полиномиальных уравнений второй степени, в которых
вычисление температуры и давления можно производить независимо друг от
друга:
P=Z1 +Z2*{1 /X)+Z3*Y+Z4*(1/X)2+Z5*Y2+Z6*(1 /X)*Y T=F1+F2*X+F3*Y+F4*X2+F5*Y2+F6*X*Y. В качестве параметров используются содержание CaTs и En в клинопироксене и содержание Gross в фанате.
Научная новизна. Проведено экспериментальное исследование
составов сосуществующих клинопироксена и граната в ассоциации
клинопироксен-гранат системы СаО-МдО-АЬОз-ЗЮг в интервале
температуры 1200 - 1585 С и давления 15 - 30 кбар. Показано, что на
основе обмена катионов Са, Мд и АІ между клинопироксеном и гранатом
можно определить температуру и давление эклогитовой ассоциации.
Установлено, что содержание энстатитового компонента в пироксене увеличивается с ростом температуры, а содержание кальциичермакитового компонента возрастает с увеличением температуры и уменьшением давления. Содержание гроссулярового компонента зависит главным образом от содержания кальция в системе.
При проведении экспериментальной ревизии сечения пироп-гроссуляр при давлении 30 кбар в интервале температуры 1210-1625 С выявлены следующие особенности. В магнезиальной части сечения поле кпинопироксен+гранат+корунд существует до температур 1350-1400 С, поле клинопироксен+гранат существует в интервале температур 1400-1540 С, на ликвидусе корунд отсутствует. Выявлено присутствие на ликвидусе шпинели.
Практическая значимость. Предложена геотермобарометрическая зависимость позволяющая определять температуры и давления формирования некоторых типов пород эклогитового парагенезиса, что в частности, позволяет судить об их возможной алмазоносности.
Данные по экспериментальному изучению ассоциации клинопироксен+гранат при различных Р-Т условиях позволили создать основу для нового геотермобарометра, ранее не используемого исследователями, на основе содержания энстатитового и кальциичермакитового компонента в клинопироксене и гроссулярового компонента в гранате. Рассчитаны коэффициенты полиномов, аппроксимирующих зависимость состава кли но пироксена и граната от температуры и давления. Полиномы представляют собой два уравнения, по одному из которых, независимо от другого, определяется величина давления, а по другому - значение температуры.
Фактический материал, В процессе исследований был проведен 81 опыт при температурах от 1210 до 1585 С и давлении от 15 до 30 килобар по ассоциации клинопироксен-гранат и в сечении пироп-гроссуляр при температурах от 1210 до 1625 С и давлении 30 килобар. Для всех образцов анализов расшифрованы рентгеновские дифрактограммы, изготовлены двусторонне-полированные петрографические шлифы. Составы гранатов и клинопироксеноа по результатам анализов на рентгеноспектральном анализаторе приведены в таблице 2 и в таблице 3.
Апробация работы. Результаты работы представлены на следующих семинарах и конференциях:
"Ежегодный семинар по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии" (Хитариада, 2000),
"Петрография на рубеже XXI века, итоги и перспективы", материалы второго всероссийского петрографического совещания, (27 - 30 июня 2000 г., Сыктывкар 2000),
"XIV российское совещание по экспериментальной минералогии" (2-4 октября 2001 года, Тезисы докладов, Черноголовка, 2001),
4. "XII Annual Gotdschmidt conference", (Davos, Switzerland, August 18-23,
2002).
Экспериментальные исследования проводились при поддержке следующих фантов:
1. Грант РФФИ № 02-05-65394 " Устойчивость кварцнормативных глубинных парагенезисов и их минералогическая геотермобарометрия на основе исследования гранат-клинопироксеновых ассоциаций в базовых
геологических системах при параметрах, соответствующих условиям верхней мантии Земли.".
Грант "Университеты России - фундаментальные исследования" проект № УР.09.01.142 "Фациальная принадлежность и номенклатура парагенезисов основных и ультраосновных глубинных ксенолитов и связь их с сопровождающими магматическими расплавами".
Грант РФФИ № 99-05-64788 "Пироксен-гранатовая геотермобарометрия гранатсодержащих глубинных парагенезисов".
Грант РФФИ MAC № 01-05-06029 - поддержка аспирантов.
Грант РФФИ MAC № 02-05-06352 - поддержка аспирантов
Грант РФФИ MAC № 03-05-06133 - поддержка аспирантов
Грант "Университеты России - фундаментальные исследования", проект "Минералогическая геотермобарометрия пород эклогитовой фации". Работа выполнена в лаборатории "Экспериментальной петрологии" ИМП СО РАН под руководством член. корр. РАН, профессора, д. г. - м. н. В. С. Шацкого, при непосредственном участии к. г.-м. н. Н. В. Суркова, которому автор выражает искреннюю признательность.
Работа состоит из 105 страниц, включая 8 таблиц и 13 рисунков. Список литературы состоит из 102 наименований.
Список условных обозначений принятых в данной работе:
Возможности минералогической геотермобарометрии эклогитов и эклогитоподобных пород
Методы минералогической геотермобарометрии основаны на зависимости переменного состава минералов от условий их образования. Большое разнообразие зависимостей основано на вхождении катионов (кальция, магния, железа и т. д.) в разные структурные позиции в минерале, либо на их распределении между несколькими минералами.
Зависимость содержания молекулы кальций-чермака (CaTs) в клинолироксене от Р-Т параметров экспериментально исследовалась разными авторами (Akella J., 1976; Boyd F.R., 1970; Вгеу G.P., Nickel K.G., Kogarko L, 1986; Nickel K.G., Brey G„ 1984; Perkins D., Newton R.C., 1980; Yamada H., Takahashi E., 1982; Сурков H.B., Кузнецов Г.Н., 1996). Большинство исследований проводилось в ассоциациях с Орх и Gar. Было установлено, что с увеличением давления и снижением температуры в клинопироксенах наблюдается снижение содержания CaTs.
В литературе встречались предположения, что применение CaTs для геотермобарометрии эклогитов малопригодно из-за частого присутствия в них кианита и корунда (Lappin, 1978), что завышает содержание Altv в клинопироксене из-за твердых растворов с кианитом; из-за малого содержания самого кальций-чермакитового минала в мантийных клинопироксенах (Brey GP. et а!., 1986), и из-за высокого содержания в клинопироксенах в обогащенных Si02 эклогитах молекулы Эскола (Wood B.J., Henderson СМ.В., 1978). В действительности, до настоящего времени в поведении CaTs в биминеральной ассоциации четкой зависимости от изменения Р-Т параметров обнаружено не было.
Один из подходов в минералогической геотермобарометрии с использованием содержания молекулы кальций-чермака заключается в использовании неких мнимых эмпирических реакций. Мукхопадхиай (Mukhopadhyay В., 1991) разработал барометр на основе реакции: 2Gross+Pyr - 3Diop+3CaTs. Как отмечал сам автор, барометр ограничен составами, соответствующими условиям земной коры и не подходит для глубинных ксенолитов- Необходимо добавить, что по этой реакции нет экспериментальных данных. На основе другой эмпирической реакции: Gross+2Pyr- 3CaTs+3Enst, другими авторами {Simakov, Taylor, 2000) был предложен барометр, где P=-(AGT+8,3144T lnK)/AV, lnK=a3caTSa3Enst/ агругсюги$. Барометр рассчитывается на основе активности кальций-чермакитового и энстативого минала и на распределении Fe и Mg по позициям М1 и М2. Недостатком этого барометра является как отсутствие учёта валового состава на положение коннод клинопироксен-гранат, так и отсутствие калибровок по гранат-клинопироксеновым ассоциациям.
В версии другого барометра (Вгеу et ah, 1986) на основе реакции: Diop+Pyr- 3Enst+Gross использовалось изменение соотношения содержания Са и Mg в фанате и клинопироксене по мере роста давления. Данный барометр ограничивается ультраосновными ассоциациями. На основе этой же реакции другие исследователи предложили уравнение для якутских эклогитов (Уханов и др., 1988), где Р (кбар)=95,67(ХСагСа Хср мд)/(ХСрхСа Х0агмд)+8. Распределение Mg и Fe между клинопироксеном и фанатом, где кщ = (—і _)Р"( А yt и к ь „ ехр(—Щ с учётом распределения кальция КСа =Х%? IXc? по схеме: (1) CpxMg+GarFe=GarMg+CpxFe использовал также, в своих попытках создания гранат-клинопироксенового барометра, Перчук с соавторами {Перчук Л. Л., Рябчиков И. Д., 1976). Однако они не указали, для каких именно ассоциаций предназначался их барометр, к тому же он подходит только для давлений не выше 15 кбар и не опробован на известных экспериментальных данных.
В основном, в литературе для сосуществующих ассоциаций фанат-клинопироксен предложены геотермометры, основанные на обмене между гранатом и клинопироксеном катионов железа и магния. Первую попытку такого расчёта предприняли Майсен и Хейер (Mysen В. О. & Heier К. S., 1972), однако более удачной стала популярная классическая работа Рахейма и Грина на основе экспериментальных данных (Raheim A., Green D. Н., 1974) о зависимости коэффицента распределения К щг ше}= т от температуры и давления. Позже было сделано несколько версий данного геотермометра (Ellis D.J., Green D.H., 1979; Powell, 1985; Krogh, 1988), которые также содержат такой фактор как содержание Са в гранате X J. К примеру, на основе экспериментальных данных Крог (Krogh, 1988) для расчёта температуры использует взаимоотношение lnKD и содержание Са в гранате в интервале Xf =0.10-0.50. Другие авторы уточнили зависимость коэффициента распределения Рахейма и Грина от температуры и давления с учётом распределения содержания в фанате и кпинопироксене магния (Patisson & Newton, 1989; Ai Y., 1994; Ravna, 2000). Термометр Патиссона и Ньютона, по признанию самого Патиссона (Berman, Aranovich & Patisson, 1995), дает слишком заниженные температуры для природных образцов. На основе термометра Патиссона и Ньютона, Ай (Ai Y., 1994) разработал термометр, хорошо работающий для систем, с фанатом богатым магнием и низким содержанием кальция. Для расчёта своей геотермической зависимости, основанной также на зависимости Патиссона и Ньютона, Равна применил новый компонент, содержание Мп в фанате. К сожалению, нельзя использовать вышеупомянутые зависимости для определения давления. Барическая чувствительность подобных зависимостей не велика и является, скорее, следствием взаимного влияния других катионов. клинопироксеновыеееотермобарометры Минералы, которые являются многокомпонентными твёрдыми растворами, позволяют определять и температуру, и давление по составу только одного минерала. Для этой цели хорошо подходят такие минералы, в структуре которых, происходит изоморфное замещение катионов в нескольких независимых позициях. Подобными минералами являются пироксены. Но к настоящему времени известен только действующий мономинеральный клинопироксеновый геотермометр Дэвиса и Бойда (Davis, Boyd, 1966), а также его дополненная форма, под редакцией Линдсли и Диксона (Lindsley, Dixon, 1976). В качестве барометрической зависимости необходимо также выделить правильно обоснованный ортопироксеновый барометр Макгрегора (MacGregor I.D., 1974), исследованный в системе МдО-АІгОз-ЄЮг. Другие эклогитовые геотермобарометры (Mercier J.C.C., 1976; Nimis P., Taylor W.R., 2000) в действительности рассчитаны для других составов. Довольно большой объём по экспериментальному исследованию геотермобарометров и различных термодинамических расчётов обобщён в работах Менакера, Ваганова и Соколова (Менакер И.Ґ., 1993; Ваганов В.И., Соколов СВ., 1988). Недостаточность экспериментального обоснования многих термодинамических расчётов авторы пытались скорректировать разработкой термодинамических моделей. Проблемы современной геотермобарометрии не исчерпываются только разработкой самих термобарометров; значительную проблему представляет их использование, согласование с экспериментальными и природными данными.
Аппаратура и особенности проведения экспериментов
В качестве нагревательного устройства {рис.3) использована ячейка на основе хлорида натрия (Сурков, 1992; Mirwald P.W., Getting I.C., Kennedy G.C., 1975). Нагревательного устройства. 1-канал для термопары, 2-трубка из обожённого талька, 3-графитовый токоввод, 4-керамическая трубка, 5-керамическая трубка.б-керамическая трубка, 7-платиновая ампула с образцом, 8-трубка из хлорида натрия, 9-втулка из хлорида натрия, 10-графитовый нагреватель, 6-графитовая таблетка. позволяет экспериментатору наиболее точно контролировать давление, но и тем, что она не содержит водосодержащих материалов. Дело в том, что из водосодержащих материалов, слагающих ячейку, при высоком давлении во время нагрева выделяется вода. Взаимодействуя с графитовым нагревателем, она создает заметное давление водорода, который свободно проникает через стенки платиновой ампулы, вызывая/тем самым, появление расплава. Таким образом, искажается взаимоотношение фаз. Плавление в водосодержащих ячейках на основе талька и пирофиллита может происходить на 200-300 С ниже, чем в использованной в наших экспериментах ячейке на основе прокаленного хлорида натрия. Применение данной ячейки позволило проводить эксперименты по исследованию ликвидуса системы CaO-MgO-AfeCVSiC .
Экспериментальная часть работы была выполнена на аппарате высокого давления типа "поршень-цилиндр" по общепринятой методике (Годовиков и др., 1971; Boyd F.R., England J.L., 1960). Схема аппарата приведена на рисунке 4.
Для определения и регулировки температуры использовали платинородиевую термопару PtRd6-PtRd30, а управление производили при помощи высокоточного терморегулятора ВРТ-3 (точность поддержания ± 1 С). Влияние давления на ЭДС термопары не учитывали. Погрешность измерения температуры по этой методики была не хуже ± 5 С. Точность поддержания и измерения давления не определяли, но по оценкам разных исследователей (Mirwafd P.W. et al., 1975; Johannes W. et al., 1971) для этого типа нагревательного устройства ошибка определения давления составляет не больше ± 0,3 кбар. Давление определяли по усилию нагрузки за вычетом Рис.4. Схема аппарата "поршень-цилиндр". 1-верхний плунжер, 2-верхняя токоведущая шина, 3-насадка, 4-промежуточный блок, 5-резиновое уплотнение, 6-твердосплавный диск, 7-промежуточное кольцо, 8-внутреннее кольцо, 9-наружнее кольцо, 10-уплстнение, 11-электроизоляционная прокладка, 12-твердосплавный диск, 13-уплотнительное кольцо, 14-рабочий шток, 15-подставка, 16-стальная плитка, 17-разрезное кольцо, 18-твердосплавная пята, 19-промежуточный шток, 20-обжимное кольцо, 21-основание, 22-нижний плунжер, 23-фиксирующее кольцо, 24-нижняя токоаедущая шина, 25-бандажное кольцо, 26-эащитное кольцо. поправки на трение, которая вычислялась по разнице усилия нагружения и расчетного усилия, необходимого для фазового перехода Віц-Віш {25,4 кбар) при комнатной температуре. Для калибровки висмутовую проволочку длиной 3 мм в таблетке из хлористого серебра помещали непосредственно на поршень.
После проведения опытов из полученных образцов изготавливали двусторонние полированные шлифы, который изучали обычными петрографическими методами с помощью поляризационного микроскопа. Шлиф всегда был изготовлен ориентировано, из поперечного скола образца. При изучении ликвидуса оптическое исследование шлифа является, пожалуй, единственным методом, показывающим однозначные признаки плавления состава.
Анализ продуктов экспериментов проводили рентгенофазовым методом. Рентгеновскую съёмку образцов проводили на дифрактрометре "ДРОН-3" с обязательным применением внутреннего стандарта, в качестве которого использовали кремний марки ОСЧ 12-5 или природный алмаз. Параметры элементарной ячейки рассчитывали методом наименьших квадратов, минимизируя сумму квадратов угла 20. Состав гранатовых твёрдых растворов вычисляли исходя из линейной экстраполяции между параметрами пиропа и гроссуляра по полиному: N = 2,5336 а0 - 29,02113, где N - мольная доля СазАІ2Зіз012 (Дорошев A.M., Галкин В.М. и др., 1990).
Рентгеновский метод является удобным в тех случаях, когда величина зёрен в образце составляет менее 5 микрон, и электронный микроанализатор не позволяет проанализировать состав фаз.
Состав фаз определяли с помощью электронного микроанализатора. Сопоставление составов фаз по данным микроанализатора и рентгеноструктурного анализа показывает удовлетворительное совпадение по содержанию гроссулярового компонента в фанате.
При отсутствии плавления, размер зёрен фаз в продуктах опытов не привышал 5-10 микрон. Это несколько усложняет изучение состава фаз с помощью электронного микроанализатора. Увеличение продолжительности экспериментов не дает заметного возрастания размера кристаллов. При появлении первых следов плавления, размер зерен фаз увеличивался в среднем до 30-100 микрон.
Значительной проблемой в экспериментальных исследованиях является выбор критериев достижения равновесия. Ранее, в литературе (Сурков, Кузнецов, 1996) была показана непригодность методики "подхода с двух сторон" в качестве критерия равновесия для ассоциаций фаз с участием многокомпонентных твёрдых растворов. В экспериментальном исследовании можно использовать общий принцип химии: «свойства одного и того же вещества не зависят от способа его получения». Откуда следует, что достоверным единственным критерием достижения равновесия в эксперименте может служить только одновременное: а) отсутствие заметных изменений в результатах при значительном увеличении продолжительности эксперимента, б) получение за эту длительность эксперимента одних и тех же результатов для различных по своему характеру (набору фаз) исходных веществ. Поэтому, равновесие в полученных результатах контролировалось только по заведомо избыточной продолжительности эксперимента по сравнению с той, которая необходима для достижения неизменных результатов (Дорошев и др., 1982). В процессе предварительных исследований было выяснено, что достижение равновесия быстрее всего происходит, если исходные смеси представлены стеклом. Неизменность результатов опытов при увеличении продолжительности экспериментов и при их совпадении для различных по фазовому составу исходных смесей, служила основанием для того, чтобы считать результат близким к равновесию. Зональность зерен ни в клинопироксенах, ни в гранатах, рентгено-спектральным методом обнаружена не была. Для достижения равновесия при температуре примерно 1200 С требуется не менее 30 часов выдержки. С увеличением температуры необходимое время опыта сокращается. В общем, равновесие достигается тем быстрее, чем выше гомогенность среды, поэтому в качестве исходной фазы всех опытов брали стекло.
Устойчивость твёрдых растворов фанатов и клинопироксенов
Известно, что ассоциация гранат+клинопироксен устойчива по давлению до 100 килобар и более. На солидусе, по давлению устойчивость ассоциации ограничена реакцией Opx+An+Sp=Cpx+Gar (Kushiro L, Yoder H.S., 1966; Сурков H.B., 1986) (рис. 5). Существование реакции Opx+An+Sp=Cpx+Gar имеет фундаментальное значение для петрологии как граница, отделяющая глубинные фации с пироповым фанатом от фаций низкого давления. Вид реакции Opx+An+Sp=Cpx+Gar (Сурков, 1986) отличается от общепринятой интерпретации и совпадает с той, которую предложил Томпсон (Thompson, 1979), в связи с тем, что твёрдые растворы граната в ассоциации Cpx+Opx+Gar не содержат более 12-16 мол. % гро ссул ярово го компонента. Реакция образования первого фаната реализуется в области более магнезиальных составов и, по-видимому, её луч очень близко проходит от луча реакции Opx+An+Sp=Cpx+Gar. Выше по давлению на Р-Т диафамме от луча этой реакции стабильна коннода пироповый фанат - диопсидовый клинопироксен, и, соответственно, устойчив ряд клинопироксен+гранатовых ассоциаций, что соответствует парагенезисам серии эклогитоподобных пород, собственно эклогитов, фанатовых пироксенитов и т.д.
Из нонвариантной точки [Opx,An,Sp,Cpx,Gar,L] в сторону высоких температур и давлений выходит луч моновариантной реакции, по которой плавление ассоциации гранат+клинопироксен происходит с появлением на ликвидусе ассоциации Sp+L+Opx, Ассоциация клинопироксен+гранат на ликвидусе, также, ограничена следующими реакциями: Cpx+Gar=Fo+Opx+L, Cpx+Gar=Opx+L. Выше по температуре и давлению, на ликвидусе поле ограничено лучами реакций Opx+Sp+L=Cpx+Gar, Fo+Opx+L=Gar+Cpx и Opx+L=Gar+Cpx. С повышением температуры реакция Opx+Sp+L=Cpx+Gar переходит в реакцию Opx+L=Cpx+Gar.
Анализ фазовой диаграммы системы СаО-МдО-АЬОз-ЗЮг показывает, что определяющее значение для понимания её строения имеет сечение МдгЗігОе-АІгОз-СагЗігОб (En-Woll-Cor), где находятся все исследуемые нами многокомпонентные растворы. При высоких давления и температурах сечение делит систему CMAS на 2 независимые подсистемы, форстеритнормативную и кварцнормативную. Сама плоскость En-Woll-Cor является удобной моделью для многих глубинных парагенезисов, в том числе и для эклогитов. Сечение En-Woll-Cor системы CaO-MgO-A!203-Si02 было впервые изучено Бойдом в 1970 году (Boyd F.R., 1970) при давлении 30 кбар и температуре 1200 С. Фазовые взаимоотношения на рисунке 7 при температурах 1100 С, 1300 С и 1500 С построены согласно другим работам (Малиновский И. Ю. и др., 1983; Сурков Н. В., Гартвич Ю. Г., 2000). Бойд установил границы полей устойчивости четырёх минеральных (рис.7, в) ассоциаций: два поля между линией ряда фанатов пироп-фоссуляр и корундом, включающие в себя корунд, фанат и клинопироксен, и два поля ниже линии ряда фанатов, состоящие из: 1) клинопироксена, фаната и волластонита и из: 2) клинопироксена, фаната и ортопироксена. В низкоглинозёмистой части сечения En-Woll-Cor располагаются поля Еп (слева) и WoII (справа). В самом сечении фазовые отношения определяются, главным образом, размерами и соотношениями твёрдых растворов клинопироксенов ряда диопсид-кальцийчермакит и твёрдых растворов гранатов ряда пироп-гроссуляр, которые зависят от давления и температуры. Вследствие чего для определения давления и температуры стало возможным использование наклона коннод фанат-клинопироксен.
Гранаты в сечении МдзАІгЗізОі2 (пироп) - СазАІгБізОіг (фоссуляр) при давлении 30 кбар образуют в области температур ниже 1075 С полный ряд твёрдых растворов. Выше этой области при температуре 1100-1200 С в сечении пироп-фоссуляр установлены твёрдые растворы клинопироксенов (Boyd F.R., 1970). Известно также, что твёрдые растворы гранатов имеют офаниченные твёрдые растворы. Поле Срх расположено в центральной части сечения Руг-Gross, как бы рассекая это сечение на две части: пироповую (магнезиальную) и гроссуляровую (кальциевую). При повышении температуры наблюдается расширение поля состава твёрдого раствора диопсида в сторону кальций-чермакита и энстатита (рис. 11). В сечении пироп-гроссуляр фазовые соотношения определяются взаимоотношениями твёрдых растворов клинопироксенов (диопсид-кальцийчермакитового ряда) и гранатов (ряда пироп-гроссуляр).
Особенности ассоциаций клинопироксен-гранат в сечении пироп-гроссуляр при давлении 30 кбар
В ходе экспериментальных исследований возникла необходимость дополнительной ревизии части экспериментальных данных в сечении пироп гроссуляр системы СаО-МдО-АЬОз-ЗЮг при Р=30 кбар, на основе усовершенствованных методик проведения экспериментов и анализа продуктов опыта. Основным моментом в ходе экспериментов стала проверка области устойчивости ассоциации Cpx+Gar+Cor в пироповой области составов.
В области низких температур при давлении 30 кбар фанаты ряда пироп-фоссуляр образуют непрерывный ряд твёрдых растворов. В области высоких температур твёрдые растворы фанатов офаничены, что связано с появлением в сечении пироп-фоссуляр области устойчивости твёрдых растворов клинолироксенов (рис. 7а). Их появление в центральной части сечения, вероятно, связано с увеличением растворимости глинозёма в диопсиде при повышении температуры. Разрыв непрерывного ряда твёрдых растворов гранатов происходит при температуре приблизительно 1050-1100 С (Дорошев и др., 1981; Sekine, Wyllie, 1983) по реакции Gar=Cpx+Cor, состав клинопироксена на конноде клинопироксен+фанат при этом смещён в магнезиальную область составов. Выше этой температуры и до температуры 1350-1400 С устойчива ассоциация клинопироксен+фанат. Клинопироксены плавятся в интервале температур 1550-1600 С с изменением состава, и в сечении существует обширное поле Cpx+L (см. рис. 11).
В фоссуляровой части фазовой диафаммы, при температурах ниже 1100 С, между полем твёрдых растворов клинолироксенов и полем твёрдого раствора фоссулярового фаната устойчива ассоциация Gar+Cpx+Cor. При более высоких температурах её сменяет ассоциация клинопироксен+фанат. Составы клинопироксенов и фанатов мало меняются с повышением температуры вплоть до 1400 С, Вероятно, ассоциация клинопироксен-фанат плавится по типу простой эвтектики при температурах 1550-1600 С. Составы клинопироксенов вплоть до температур плавления практически (в пределах точности анализа) отвечают сечению пироп-фоссуляр.
Фазовая диаграмма сечения пироп-гроссуляр при Р=30 кбар. 6 пироповой части сечения при низких температурах гранаты сосуществуют с клинопироксенами и корундом. Поле этой ассоциации расположено от температуры 1100 С до 1350-1400 С. Составы клинопироксенов мало меняются при повышении температуры. При температурах выше 1350-1400 С расположено поле ассоциации гранат-клинопироксен. В этом поле составы клинопироксенов изменяются более заметно (см. табл. 4), и с повышением температуры происходит увеличение содержания "пиропового компонента" - магнезиальной составляющей. При температурах 1400 С и выше в магнезиальной части сечения корунд не обнаружен никакими методами диагностики. Составы клинопироксенов по содержанию глинозёма отвечают сечению пироп-гроссуляр. Таким образом, можно заключить, что при температурах выше 1400 С корунд отсутствует и устойчива ассоциация клинопироксен+гранат. При температурах ниже ликвидуса составы клинопироксенов в пироповой части сечения содержат небольшое количество избыточного 8Ю2, и под ликвидусом появляются поля ассоциаций (см. рис. 11) Cpx+Gar+Sp и Cpx+Sp. При температурах выше 1543 С расположены поля Cpx+Gar+Sp+L, Gar+Sp+L, Sp+L и Cpx+Sp+L. Плавление происходит по реакции Cpx+Gar=Sp+L. Точка состава жидкости, соответствующая пересечению этих коннод, смещена в сторону кремнезёма от сечения пироп-гроссуляр. В магнезиальной части сечения пироп-гроссуляр, согласно нашим данным, температура появления жидкости находится выше 1543 С. В опытах непосредственно под ликвидусом при температурах 1543 и 1539 С помимо клинопироксена и фаната присутствует шпинель (3-5 %). Эти опыты отличаются значительно более крупными зёрнами фаз (до 100 микрон), но признаки плавления (закалочных структуры типа "мороз на окнах") отсутствуют.
Обсуждая результаты экспериментов можно отметить, что полученные экспериментальные данные не противоречат результатам Куширо и Йодера (Kushiro I., Yoder H.S., 1966) по исследованию смесей содержащих 33,33 мол. % гроссуляра. Согласно результатам экспериментального исследования было выделено поле Cpx+Gar+Sp, которое отсутствует в работах Маалое и Уайли и Малиновского (рис. 7 б) (Maaloe, Wylle, 1979; Малиновский и др., 1976; Малиновский и др., 1982). Оптическое изучение шлифов не показывает признаков плавления в этих экспериментах, но диагностирует октаэдры шпинели. Поэтому поле кристаллизации шпинели охватывает значительно большую область составов - до 55-60 мол. % пиропового компонента, а в солидусе существуют поля Cpx+Gar+Sp и Cpx+Sp.
В наших результатах при температурах выше 1400 С отсутствует корунд. Этот результат подтверждает результаты Маалое и Уайли и противоречит данным Малиновского и других (Малиновский и др., 1976; Малиновский и др., 1982). Опубликованные в работе Маалое и Уайли составы твёрдых растворов клинопирокоенов и гранатов, при температурах 1300, 1400 С, заметно отличаются от полученных составов нашего исследования, а при температуре 1500 С результаты совпадают. При температуре 1200 С полученные данные полностью совпадают с данными Бойда (Boyd, 1970) и достаточно близки к данным Секине и Уайли (Sekine & Wyliie, 1983).