Введение к работе
Диссертация является теоретическим и экспериментальным исследованием процессов магматической дифференциации, которые определяются взаимодействием силикатных расплавов с водородсодержащими флюидными системами на разных этапах эволюции магматических комплексов.
Работа,основанная на экспериментальном материале, охватывает различные аспекты магматической дифференциации: влияние окислительно-восстановительных условий, состава флюидной фазы, микронеоднородность расплавов и ее роль для процессов еидкостной дифференциации, механизм взаимодействия водородсодержащих флюидов с силикатными расплавами, методические вопросы экспериментальных исследований флюидно-маг-магического взаимодействия и др. Основное внимание уделено экспериментальному моделированию трендов дифференциации магматических комплексов.
Актуальность исследований.Многообразие горных пород, слагающих земную кору, возникло в результате развития магматических процессов под влиянием восходящих глубинных водно-водородао-углеводородных (рлюдцных штоков. В связи с этим экспериментальное изучение влияния флюидов на дифференциацию магматических расплавов, отделение рудных жидкостей представляется исключительно важной задачей. С её решением связано более глубокое понимание закономерностей строения дифференцированных магматических комплексов и локализации рудного вещества.
Особый интерес для экспериментальных исследований представляет взаимодействие силикатных расплавов с водородсодержащими флюидными системами, которое реализует микрогетерогенное строение полимерных силикатных жидкостей в гравитационное скрытое и контрастное расслоение. Этот эффект приводит к жидкостной дифференциации расплавов, которая более удовлетворительно объясняет закономерности формирования расслоенных массивов и связанного с ними магматического ору-денения.чем фракционирование кристаллов.
- I -
Исключительно важное значение приобретают экспериментальные исследования насыщенных водородом, метаном и другими восстановленными газами расплавов, соответствующих по составу метеоритам и лунным породам, поскольку их формирование, определяемое общей эволюцией космического вещества, происходило при преобладании водорода (более 90 мол.Й.
Актуальность настоящего исследования определяется недостаточным уровнем развития теории строения флюидных магматических расплавов, особенно с участием водорода, из-за отсутствия надежных методик изучения, обусловленных экспериментальными трудностями.
Главной целью этой работы является выявление роли восстановленных условий на процессы дифференциации магм как результата взаимодействия их с водородсодержащими флюидами в широком интервале составов и термодинамических условий.
Основные задачи исследований, подчиненные сформулированной выше цели, посвящены решению следующих вопросов: I) разработка экспериментальной методики исследования космических и геологических процессов в условиях, максимально соответствующих природным: контроль футитивностей газов в сложных смесях, содержащих н,о,c,H,s,ci,P , в том числе с регулированием мольной доли водорода в широком интервале температур (до 1500С) и давлений (до 7 кбар); 2) выявление физико-химических условий образования метеоритов и лунных пород, экспериментальная разработка космогермометра, основанная на изучении распределения никеля мевду тэнитом (камаситом) и троилитом; 3) экспериментальное моделирование образования хондритовой структуры как механизма первичного расслоения метеоритного вещества и отделения ахондритовых магм, формирующих кору лунного типа; 4) петрохимическое и геохимическое сопоставление дифференцированных вулканических и интрузивных комплексов, выделение главных трендов дифференциации магматических расплавов и их экспериментальное моделирование под давлением водородсодержащих флюидов при температурах, превышающих ликвидус; 5) экспериментальное изучение жидкостного отделения рудных магм и формирования массивных рудных тел; 6) разработка системы рудных геотермометров, основанная на
экспериментальном изучении распределения Со, Ni и Sn между пиритом, пирротином и халькопиритом для анализа температурного режима сульфидной минерализации; 7) изучение растворимости и форм растворения газов, водородсодержащих флюидных систем в силикатных расплавах; 8) изучение кинетики жидкостного расслоения водородсодержащих флюидных расплавов с целью выявления механизма дифференциации;
Новизна и научная значимость. В работе обосновано новое научное направление:"Ыикронеоднородность и связанная с ней жидкостная дифференциация флюидных водородсодержащих магматических расплавов". Проведенные исследования позволили впервые: I)получить экспериментальные данные по скрытому и контрастному надликвидусному расслоению магматических расплавов при взаимодействии с водородсодержащиш флюидными системами в широком интервале термодинамических параметров; 2) методами экспериментального моделирования на большом геологическом материале показать роль жидкостной несмесимости в процессах эволюции магматических комплексов; 3) на примере элементов платиновой группы и золота выявить и количественно охарактеризовать роль жидкостной несмесимости как механизма концентрации рудного вещества; 4) экспериментально показать возможность жидкостного отщепления от силикатных расплавов рудных жидкостей (хромититовых, титано-магнетитовых, фосфатных) формирующих массивные рудные тела, в том числе в верхах разреза магматических тел; 5) обнаружить эффект взаимного повышения растворимости газов в силикатных расплавах под давлением смесей с участием водорода; 6) детально охарактеризовать формы растворения водно-водородного флюида в альбито-вом расплаве, количественно рассчитать их соотношение в зависимости от состава флюидной фазы; 7)экспериментально разработать систему геотермомегров, применительно к сульфидному ми-нералообразованию, основанных на распределении Ni между троилитом и металлическим железом, со, иі и Sn между пиритом и пирротином, Со между пиритом и халькопиритом; 8)разработать экспериментальную методику в установках высокого газового давления непосредственного дозирования фугитивностей водорода и контроля фугитивностей других газов в сложных
фЛЮИДНЫХ СЫеСЯХ СИСїеМН H-0-C-S-F-C1-H.
Практическая значимость работы. Новые данные представляют научно обоснованные геолого-генетическиз модели формирования магматогенных месторождений и могут быть использованы для более эффективного направления поисковых работ на руды, связанные с дифференцированными массивами в различных регионах СССР. Новые результаты по петрогекезксу дифференцированных комплексов и рудообразованию легли в основу разрг.-ботанной совместно с институтом ГЕОИВЮРіїСИСТЕМ министерства геологии СССР программу прогнозной оценки расслоенных базит-гипербазитовых массивов на пдатинорудное, хромитовое и медно-никелевое сульфидное оруденение, получившей высокую оценку на ежегодном научно-производственном совещании концерна "Норильск-Никель" в 1990 году. Разработанный комплекс петро-химических, минералого-геохимичес::ях и физико-химических признаков рудообразования в расслоенных массивах позволяет более основательно вести поисковые работы. В зарубежной печати и в СССР широко используются различные геотермометры, разработанные для'оценки температурных условий образования сульфидной минерализации в различных космических и земных объектах. Особый интерес представляет экспериментальная методика контроля фугитивносги газов в сложных газовых смесях, которая используется для проведения совместных научных исследований с зарубежными учеными.
Апробация и внедрение работ автора заключается в том, что они опубликованы в виде книг в издательстве "Наука" и "Недра", статей в сборниках и журналах, в том числе на английском языке в зарубежных изданиях.
Основные идеи и выводы по проведенной работе докладывались и обсуждались на следующих научных собраниях: на IX Всесоюзном совещании по экспериментальной и технической минералогии и петрологии в Иркутске (1973), на II геохимическом конгрессе в Париже, Франция (1977), на Международном совещании "Происхождение и распределение элементов" в Нью-Йорке, США (1979), на Всесоюзном семинаре "Влияние высокого давления на вещество" в Кацивели (1981), на конференции Всесоюзного минералогического общества в Черноголовке (1982), на Всесоюз-
ном симпозиуме "Современная техника и методы экспериментальной минералогии" в Черноголовке (1983), на 27 Международном геологическом конгрессе в Москве (1984), на первом Советско-Японском симпозиуме "базовые превращения при высоких давлениях и температуре" в Листвянке на Байкале (ІУ85), на Всесоюзном совещании "Магма и магматические флюиды" в Черноголовке (1985), на конференции Всесоюзного минералогического общества в Черноголовке (IS87), на Советско-Индийском симпозиуме "Зкспершлентальная минералогия и петрология" в Дели, Индия (1987), на Всесоюзном совещании "Геохимия и критерии рудоносности базитов и гипербазитов складчатых областей" в Иркутске (1990), на ежегодном совещании геологической ассоциации Канады в Торонто (IS9I), на XII Всесоюзном совещании по экспериментальной минералогии в Миассе (IS9I).
Публикации. Основные положения диссертации изложены в 3 монографиях, в серии статей и тезисах докладов (более 50), опубликованных в журналах и сборниках, в том числе 8 статей в иностранных изданиях.
Данное исследование подводит итоги работы автора в лаборатории термодинамики минералов, а затем в группе магматической дифференциации расплавов в институте экспериментальной минералогии АН СССР.
В ходе работы было проведено свыше 700 экспериментов по фазовым равновесиям и по взаимодействию расплавов с флюидами, охарактеризованных данными рентгеноіразового, микро-рентгеноспектрального, газовохроматографического,нейтронно- активационного и химического анализов. В ряде случаев продукты экспериментов изучались методами ИК-, ЯМР-спектроско-пии, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии и спектроскопией комбинационного рассеяния.
Личное участие автора в выполненных экспериментальных исследованиях является определяющим, они выполнены либо самостоятельно, либо с сотрудниками руководимой им группы, маг-магической дифференциации ИЭМ РАН. Геологические полевые и теоретические исследования проводились совместно с А.А.Ма-ракушевым, под научным руководством которого автор работал в течение многих лет. В использованном совместном материале
автору принадлежит научно-методический вклад, петрохишчес-кая и геохимическая обработка данных полевых работ и литературного материала.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех частей (девяти глав), заключения и выводов. Она содержит 320 машинописных страниц текста, включающего 96 рисунков, 29 таблиц и список литературы из 285 найме- . нований.
Благодарности. Выполнению работы во многом способствовали В.И.Чекалина, Н.И.Сук, л.Н.Чурилова, Б.И.Тихомирова, В.О.Завельский, С.К.Кошемчук, Г.В.Бондаренко, Ы.Азиф, Г.Е. Бругманн, Н.И.Еремин, оформлению - О.и.Гаджиева, Н.А.Баранова. Большую помощь в проведении экспериментов оказали -М.В.Смирнов, М.В.Фокеев, В.К.Широков. Всем им, а также сотрудникам ИЭМ РАН и других организаций, имевшим отношение к работе, автор выражает свою искреннюю благодарность. Автор признателен Д.С.Коржинскому, В.А.Карикову, Л.Л.Перчуку М.Б.Эпельбауму, А.Дж.Налдретту, К.И.Шмуловичу, Г.В.Новикову, Э.С,Персикову, П.К.Скуфьину, В.Ф.Смолькину, А.И.Мамедову и В.Я.Элевичу за критическое обсуждение работы на разных стадиях её выполнения. Особенную благодарность' автор выражает А.А.Маракушеву за творческий интерес к проводимым исследованиям, постоянную поддержку, критические замечания и советы.