ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2004, № 4, с. 74-87
УДК 550.837
АНИЗОТРОПИЯ АРХЕЙСКИХ АМФИБОЛИТОВ И ГНЕЙСОВ ИЗ РАЗРЕЗА КОЛЬСКОЙ СВЕРХГЛУБОКОЙ СКВАЖИНЫ ПО ДАННЫМ НЕЙТРОНОГРАФИЧЕСКОГО ТЕКСТУРНОГО АНАЛИЗА
© 2004 г. Т. И. Иванкина1, А. Н. Никитин1, Н. В. Замятина1, В. И. Казанский2,
К. В. Лобанов2, А. В. Жариков2
Объединенный институт ядерных исследований, Лаборатория нейтронной физики им. И.М. Франка, г. Дубна, Московская область 2Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН, г. Москва
Поступила в редакцию 04.02.2003 г.
Приведены результаты полного количественного текстурного анализа образцов амфиболитов и гнейсов из керна Кольской сверхглубокой скважины и их аналогов с поверхности, полученные на основе нейтронографических измерений. Преимущественная ориентировка основных породообразующих минералов в составе амфиболитов и гнейсов представлена в виде полюсных фигур базовых кристаллографических плоскостей. Показаны принципиальные преимущества нейтронографичес-кого текстурного анализа многофазных поликристаллических образцов, сложенных низкосимметричными минералами. Приведены результаты моделирования пространственного распределения скоростей продольных упругих волн образцов по данным нейтронографического текстурного анализа. Установлено различное влияние текстур минеральных компонент на характер анизотропии упругих свойств объемных образцов. Высказано предположение о связи характера наложения и типов текстур различных минералов в породе с различными этапами тектонических и метаморфических процессов, приводящих к текстурообразованию.
введение
Расширяется круг проблем в естественных науках, решаемых методами нейтронографии [Аксенов, 2000]. За последние 10-15 лет благодаря использованию мощных источников нейтронов, развитию методов количественного текстурного анализа и появлению компьютеров нового поколения, произошел ощутимый скачок результативности нейтронографического текстурного анализа, применяемого в комплексе с другими физическими методами для исследования свойств геологических материалов с целью решения фундаментальных задач геологии и геофизики [Соболев, Никитин, 2001; Schäfer, 2002; Rinaldi, 2002].
Благодаря введению в эксплуатацию новых нейтронных текстурных дифрактометров, а также совершенствованию методики эксперимента и обработки данных, к настоящему времени появилась возможность исследовать текстуры полиминеральных, крупнозернистых горных пород, сложенных в том числе и низкосимметричными минералами [Ivankina et al., 1999; Nikitin et al., 2001]. Разработаны методы расчета характеристик анизотропии физических (например, упругих, тепловых, пьезоэлектрических и т.д.) свойств на основе данных нейтронно-дифракционного текстурного анализа.
К настоящему времени количественный текстурный анализ и моделирование анизотропии уп-
ругих свойств выполнены на серии из двадцати образцов амфиболитов и гнейсов из Кольской сверхглубокой скважины и их аналогов с поверхности Печенгской геологической структуры. Систематические нейтронографические текстурные исследования многофазных образцов горных пород из керна Кольской сверхглубокой скважины проводятся в Лаборатории нейтронной физики ОИЯИ в коллаборации с Институтом механики и структуры горных пород Чешской академии наук, Научно-производственным центром "Кольская сверхглубокая", начиная с 1999 года [Ivankina et al., 1999; Локаичек и др., 2000; Никитин и др., 2001; Nikitin et al., 2001]. Недавно к работам с использованием нейтронов подключились сотрудники ИГЕМ РАН [Лобанов и др., 2002].
В данной работе из всей исследованной коллекции представлены наиболее характерные результаты, зарегистрированные и проанализированные на восьми образцах амфиболитов и гнейсов.
принцип отбора и описание образцов
Из разных глубин Кольской скважины СГ-3 для исследований были отобраны две группы образцов: биотит-мусковит-плагиоклазовые гнейсы и амфиболиты [Лобанов и др., 2002]. Выбор образцов из
разреза Кольской сверхглубокой скважины осуществлялся с учетом следующих условий:
1. Учитывалось, что процесс эволюции архейских пород, вскрытых скважиной СГ-3, сопровождался катакластическим течением и регрессивными метаморфическими процессами, вследствие чего происходило изменение их плотности, пористости и других свойств. Поэтому в качестве первого критерия для отбора образцов горных пород из разреза Кольской сверхглубокой скважины принималось отсутствие или минимальное проявление регрессивных изменений.
2. Влияние техногенного фактора бурения на свойства образцов сводилось к минимуму выборкой образцов только из керна, полученного с помощью алмазного режущего инструмента. Извлеченный при этом керн представлен монолитными цилиндрами, диаметром 6 см и длиной 30-40 см с ориентировкой верх - низ. Из таких кернов были изготовлены кубики с размером грани 4 см, предназначенные для исследования, а также серия из девяти образцов сферической формы, диаметром 50 мм.
3. Специально отбирались более однородные и мелкозернистые биотит-плагиоклазовые и дву-слюдяные гнейсы, а также амфиболиты.
Образцы с поверхности отбирались на участке Мустантунтури, расположенном в 45 км к северо-востоку от скважины СГ-3, и обладали сходными с образцами керна структурами. Они метаморфи-зированы на уровне амфиболитовой фации и также в минимальной степени затронуты катакла-зом и регрессивными изменениями.
Минеральный состав образцов амфиболитов (двух с поверхности, двух из разреза СГ-3) и двух аналогичных пар гнейсов представлен на диаграммах рис. 1а, 16).
Основные минералы, составляющие амфиболиты, - это роговая обманка (моноклинная симметрия), плагиоклаз (триклинная симметрия) и кварц (тригональная симметрия). Процентное содержание роговой обманки в изучаемых образцах составляет 65-70%, плагиоклаз - 20-25%, содержание кварца колеблется в интервале 3-10% (рис. 1а).
Основные минеральные фазы, составляющие гнейсы - это плагиоклаз, кварц и биотит. Плагиоклаз в гнейсах составляет половину и больше от всего объема образца (47 - 59 %), он имеет достаточно однородный химический состав и представлен плагиоклазом № 20-30. Вторая по объему минеральная ассоциация - это кварц, его содержание в образцах составляет порядка 30%, благодаря чему кварц относительно легко обнаруживает себя сильными дифракционными пиками на дифракционных спектрах (см. рис. 26). Биотит на дифракционном спектре (образец К9002) обладает слабыми, к тому же часто перекрывающимися
пиками, что отражает его моноклинную симметрию. Содержание биотита колеблется в широком интервале от 7 до 22 % (рис. 16).
метод количественного текстурного анализа по данным нейтронографических измерений
Количественную информацию о текстуре можно получить на основе экспериментально измеренных полюсных фигур. Полюсной фигурой (ПФ) называют плотность распределения Рш нормалей (полюсов) к определенной кристаллографической плоскости (Нк1), но чаще ПФ называют графическое изображение Рш на стереографической проекции.
Нейтронографический текстурный анализ обладает принципиальными преимуществами по сравнению с оптическим, электронографическим, рентгенографическим методами особенно в отношении исследования горных пород. Основными преимуществами применения рассеяния нейтронов для изучения кристаллографических текстур горных пород являются:
- возможность измерения текстуры у относительно крупных образцов (например, 50 х 50 х х 50 мм3) по всему объему;
- измерение текстуры у образцов, сложенных крупнозернистыми минералами, у которых величина отдельных кристаллитов может достигать нескольких миллиметров;
- измерение текстуры многофазных поликристаллических образцов, сложенных в том числе и низкосимметричными минералами;
- благодаря использованию времяпролетной методики (ише-о1-Ш§И1 ТОБ) возможно одновременно измерять несколько полюсных фигур, а также провести их индексацию соответственно кристаллографическим плоскостям (Нк1);
- нейтронографический текстурный анализ позволяет получить необходимое количество полюсных фигур для восстановления функции распределения зерен по ориентациям (ФРО), на основе которой можно рассчитывать указательные поверхности различных свойств, а также моделировать пространственную анизотропию физических свойств материала в виде карт изолиний скоростей упругих волн, тензора теплового расширения и других физических свойств.
Экспериментальные полюсные фигуры строятся по дифракционным спектрам, зарегистрированным при рассеянии тепловых нейтронов от образцов специальными спектрометрами для текстурных измерений. При измерении полюсных фигур используют образцы в виде шара или кубика. В текстурированном образце практически при любом положении его относительно падающего нейтронного пучка имеются группы кристалли-
(а)
%
80 70 60 50 40 30 20 10 0
68
70
К11345
24
25
Роговая Плагио- Кварц Биотит Примеси обманка клаз
%
70 60 50 40 30 20 10 0
Роговая Плагио- Кварц Примеси обманка клаз
%
80 70 60 50 40 30 20 10 0
70
72
р1365
20 21
Роговая Плагио- Кварц Биотит Примеси обманка клаз
%
70 60 50 40 30 20 10 0
Роговая Плагио- Кварц Биотит Примеси обманка клаз
(б)
%
60 50 40 30 20 10 0
Роговая Кварц Биотит Мусковит Примеси обманка
%
60 50 40 30 20 10 0
Плагио- Кварц Биотит Муско- ЭпидотПримеси
%
60 50 40 30 20 10 0
п-1-г
Плагиоклаз Кварц Биотит Примеси
%
50 40 30 20 10 0
р1358
Плагиоклаз Кварц Биотит Примеси
Рис. 1. Минеральный состав амфиболитов (а) и гнейсов (б) архейских пород из разреза Кольской сверхглубокой скважины и с поверхности участка Мустатунтури:
темные столбики - минеральный состав, полученный по результатам микроструктурного анализа;
светлые столбики - данные о минеральном составе, использованные при моделировании распределения упругих
Р-волн в образцах.
клаз
вит
Интенсивность, усл. ед. 140
105 -
70 -
35
1250 1500 1750 2000 2250 Времяпролетные каналы
36 32 28 24 20 16 12 8
24 20 16 12 8 4 0
600 800 1000 1200 / 1400 1600 1800 2000 2200 2400
/ Времяпролетные каналы
- (в)
Роговая обманка Плагиоклаз Кварц Биолит
1300 1350
Времяпролетные каналы
Рис. 2. Нейтронные дифракционные времяпр
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.