Кинетика дегазации (H2O и CO2) кордиеритов и ее значение для метаморфической петрологии Осоргин, Николай Юрьевич

Введение к работе

Актуальность темы. В настоящее время придается большое значение кордиеригу, по которому можно определять не только РТ-ус-ловия, но и оценивать состав флюида, участвующего в процессе минералообразования. Прежде всего это касается мольных долей Н^О и COg. В кордиерите, как известно, щелочи, молекулы газов локализуются в пустотах, приуроченных к структурным каналам. В экспериментальных работах Шраера с соавторами показано, что концентрация газов в образцах определяется составом флюида, давлением и температурой в проведенных опытах. Этот фактор приобретает особое значение для метаморфической петрологии. Так как на сегодняшни! день альтернативой при решении этого вопроса является только изучение газово-кидких включений в минералах, индивидуальный анализ которых затруднен мелкими размерами. Более того, ни одним из доступных методов (КР-спектроскогшя, волюмо-метрия), привлекаемых для их исследования, невозможно определять такой важный компонент как Н^О. Попытка реконструировать флюидный режим, используя валовый'анализ включений хроматографичес-ким методом, может привести к серьезным ошибкам ввиду неоднозначности источников газов.

Таким образом, на настоящий момент кордиерит является перспективной фазой, с помощью которой можно делать количественные оценки состава флюида. Однако и здесь существуют некоторые неясности. В частности, если исходить из положения, что насыщение минерала Н₂0 и С0₂ происходит диффузионным путем (последнее практически доказано), то встает вопрос, как будут вести себя природные кордиериты при снижении Р и Т на регрессивном этапе метаморфических процессов. Ответить на него невозможно без₍ знания коэффициентов диффузии вода и С0₂ в кордиеритах. Все сказанное подчеркивает и делает актуальным и важным определение кинетических параметров при дегидратации и "декарбонатизации" этого минерала.

Цель работы заключалась в оценке кинетических параметров диффузии воды и С0₂ в кордиеритах и возможности использования количественных данных по содержанию й>>0 и С0₂ в природных образцах для определения состава минералообразующего флюида. Для этого были решены следующие задачи: I) разработано устройство

для дегазации образцов и предложена методика проведения кинетических исследований (на дегазатор получено положительное решение по заявке на авторское свидетельство);'2) определены коэффициенты диффузии Н₂0 и ССи, в кордаеригах и выведена их зависимость от температуры, состава и показателя искажений; 3) на основе полученных данных по кинетике дегазации Н₂0 и С0₂ образцов проведены расчеты возможных потерь флюида при разных вариантах сброса Р и Т на регрессивной стадии процессов вднералообразова-ния; 4) на основе хромэгографических количественных определений Н2О и СО^ оценены вариации состава флюида в метаморфических комплексах разных генетических типов.

Основные защищаемые положения и выводы

1. Коэффициент диффузии Н^О в кордиерите зависит от его состава и показателя искажений (А). Энергия активации (Е) в изученных образцах возрастает от 27 до 56 ккал/моль. Расчетное значение Е для предельного случая (Р = 100$, Д = 0,31)состав-ляет 106 ккал/моль.

2. Между энергией активации и логарифмом частотного фактора обнаруживается линейная зависимость, т.е. в кордиерите проявляется известный в физике', так называемый, компенсационный эффект. Такая функциональная связь между основными параметрами уравнения Аррениуса позволяет обосновать зависимость коэффициента диффузии HgO от железистости и показателя искажений.

3. Коэффициент диффузии CCv, в кордиеритах на 1-2 порядка ниже коэффициентов диффузии Н₂0 при прочих.равных условиях (Д и F).

4. По содержанию COg и Н₂0 в кордиеритах можно определять состав флюида метаморфических комплексов. Он следующим образом меняется от фации к фации (У^¹ ): эдидот-амфиболитовая -0,2-0,6; амфиболиговая - 0,6-0,8;2 гранулитовая - 0,6-0,9; роговики -.0,7.

5. В методическом плане,разработанное автором,полностью термостатированное устройство для дегазации твердых материалов позволяет снизить потери летучих за счет сорбционных процессов на стадии анализа. Особенно это касается воды.

Научная новизна. Впервые определены коэффициенты диффузии Н₂0 и С0₂ в кордиеритах и выявлена их зависимость от температуры, железистости и показателя искажений. Так,энергия актива-

ции процесса дегидратации для магнезиальных образцов с малым значением Р составляет 1,1 ккал/моль, а для предельного случая (Р = 100$, Д=0,31) - 106 ккал/моль. Коэффициенты диффузии С0₂ тлеют значения на 1-2 порядка ниже аналогичных величин для Н₂0.

Полученные результаты имеют теоретическое и практическое значение. Они позволяют заранее планировать эксперименты по насыщении. На их базе в настоящее время можно проводить ( с использованием диаграммы состояния) критический анализ поведения Н₂0 и С0₂ на регрессивной стадии в кордиеритах разных типов, решать в будущем обратную задачу, а именно, определять по концентрационным профилям Н₂0 и С0₂ в кристаллах скорость и пути сбрасывания давления и температуры. В работе приводится расчет концентрационных профилей распределения Н₂0 и С0₂ в кордиеригах с учетом химизма,показателя искажений, размера зерен,' температуры и скорости ее сбрасывания.

Самостоятельное научное значение имеют результаты по содержанию С0₂ и Н₂0 в природных кордиеритах разных генетических типов. С учетом экспериментальных данных по системе Корд.-HgO-С0₂ определен состав флюида для процесса кордиеритообразования в пегматитах (^ =0,16, *> =2), породах эпидот-амфиболитовой Сх|=0_г41,п =30)? амфиболитовой (Х^ =0,73. п =57), гранулито-вой ²СХФ? =0,74,п =71) фаций и роговиков CXf? =0,72,_п =12). Этот способ оценки состава флюида является единственным количественным определением и в целом согласуется с другими, имеющимися *на сегодняшний день данными.

Практическое значение. Установленные экспериментальным путем коэффициенты диффузии С0₂ и Н₂0 в кордиеритах позволяют заранее предсказывать длительность насыщения образцов этими компонентами с учетом температур опытов, составов и размеров кристаллов. Например,, исходя из полученных данных можно с уверенностью сказать, что железистые кордиериты размером более 0,5 мм в искусственных условиях насытить невозможно.

Разработанная аппаратура для проведения кинетических исследований и определений состава летучих в кордиеритах может быть успешно использована при рутинных анализах других минералов.

Равномерное распределение Н₂0 в пробе, относительно небольшое весовое количество, а также независимость содержания

воды от условий хранения (коэффициента диффузии предельно низкие), дают основания рекомендовать кордиерит, а по аналогии с ним и берилл, в качестве эталонов для калибровки хроматографов и масс-спектрометров. Многочисленные наши проверки показали хорошую пригодность этих минералов для метрологических целей.

Фактическую основу работы составляют материалы, полученные автором при лабораторных исследованиях, проводившихся в рамках тематических планов лаборатории термобарогеохимии и лаборатории метаморфогенного минерало- и рудообразования ИМП СО АН СССР. Работа выполнена на базе коллекции кордиеритов Г.Г.Лепезина. Снято 29 кинетических кривых (20 по 1^0 и 9 по CCv,), для чего было проведено 270 частичных хроматографических анализов. При изучении флюиде-насыщенности кордиеритов сделано 500 полных хроматографических анализов. Разработана аппаратура и методика для проведения кинетических исследований и.определений состава летучих в кордиеритах.

Апробация работы и публикации. Основные результаты работы обсуждались на 4-ом Всесоюзном симпозиуме по кинетике и динамике геохимических процессов (Киев, 1983), на ХІУ съезде Международной минералогической ассоциации (Стэнфорд, 1986), на II Всесоюзном семинаре по использованию термобарогеохимических методов при локальном прогнозе, поисках и оценке рудных месторождений (Звенигород, 1989). По теме диссертации опубликовано 7 работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения; содержит 75 стр. машинописного текста,35 рисунков и 32 таблицы. Список литературы - 81 наименование.

Работа выполнена под научным руководством доктора геол.-мин.наук Г.Г.Лепезина. Ряд вопросов при подготовке работы обсуждался с доктором геол.-мин.наук Ю.А.Долговым, кандидатами наук И.Г.Бакуменко, А.А.Томиленко. Беем этим товарищам автор выражает искреннюю благодарность за конструктивные замечания и советы. Большую помощь в оформлении диссертации оказали Л.А.Егорова, О.С.Мириевская, Л.А.Шохонова.