УДК 550.42
ДЕГИДРОГЕНИЗАЦИЯ КАК МЕХАНИЗМ ОБРАЗОВАНИЯ ОРИЕНТИРОВАННЫХ ШПИНЕЛЬ-ПИРОКСЕНОВЫХ СИМПЛЕКТИТОВ И МАГНЕТИТ-ГЕМАТИТОВЫХ ВКЛЮЧЕНИЙ В ОЛИВИНАХ ЗЕМНОГО И ВНЕЗЕМНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ
© 2015 г. Н. Р. Хисина*, К. А. Лоренц*
*Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН ул. Косыгина, 19, Москва, 119991, Россия; e-mail: khisina@geokhi.ru Поступила в редакцию 29.08.2014 г.
Изложен новый подход к объяснению природы ориентированных пироксен-шпинелевых симплек-титов и магнетит-гематитовых включений в оливинах. Образование симплектитов рассматривается как реакция дегидрогенизации и твердофазного замещения симплектитом включений ОН-содер-жащих оливиноподобных фаз-предшественниц. Согласно модели дегидрогенизации, фазой-предшественницей ориентированных симплектитовых пироксен-шпинелевых срастаний в оливине являются ламелярные выделения гидрооливина [3(Mg,Fe)2SiO4] • (MgH2SiO4), а появление в оливине вростков гематита и магнетита происходит в результате дегидрогенизации и дегидратации присутствовавших в оливине гумитоподобных прослоек [n(Mg,Fe)2SiO4] • [Mg(OH2)]. Реакции дегидрогенизации сопровождаются переходом двухвалентных ионов переходных металлов в трехвалентное состояние и диффузионным катионным обменом Fe, Cr, Ca, Mg, Al между фазой-предшественницей и оливином-хозяином в условиях длительной декомпрессии при температурах >800°C. Преобразование фазы-предшественницы в симплектит происходит по типу топотаксической реакции с соблюдением следующих условий: наследование симплектитом кристаллографической ориентировки фазы-предшественницы; сохранение объема в ходе реакции, т.е. стремление к нулю объемного эффекта реакции1; сохранение баланса масс, согласующееся с твердофазной реакцией в закрытой системе без поступления химических элементов извне оливина.
Б01: 10.7868/80869590315020065
ВВЕДЕНИЕ
Симплектиты представляют собой обособленные участки в минерале-хозяине, образованные червеобразными срастаниями двух или нескольких фаз, отличных от минерала-хозяина. Морфологически выделяются два основных типа симплектитов в оливине: тип I — включения ламеляр-ной или игольчатой формы, кристаллографически ориентированные в матрице оливина-хозяина (рис. 1); тип II — пятнистые участки неправильной формы в оливине, приуроченные к границам минеральных зерен в породе (рис. 2).
Шпинель-пироксеновые симплектиты в оливинах представлены червеобразными срастаниями шпинели и пироксена (рис. 1а—1в); для них характерны высокие содержания элементов, которые обычно могут присутствовать в оливине только в виде примесей (Сг, Са, А1, И, V, Мп). Характерно присутствие в симплектитах элементов с высокой валентностью (А13+, Сг3+, Ре3+, И4+). Ориентированные шпинель-пироксеновые симплектиты (тип I) встречаются в оливинах из зем-
1 Объемный эффект реакции — величина отклонения суммы
объемов конечных продуктов реакции от исходного объема.
ных расслоенных интрузий, плутонических комплексов и кимберлитов (Moseley, 1984; Green, Burnley, 1988; Ashworth, Chambers, 2000; Markl etal., 2001); в лунных оливинах из троктолитов, дунитов и морских базальтов (Gooley et al., 1974; Bell et al., 1975); в отдельных зернах оливина из лунного реголита (Хисина и др., 2011; Khisina et al., 2013) и в оливинах из разных типов метеоритов, в том числе марсианских (Greshake et al., 1998, 1999, 2000; Mikouchi et al., 2000). Тип II шпи-нель-пироксеновых симплектитов наблюдался в оливинах из земных (Ефимов, Малич, 2010; Си-белев, 2010; Field, 2008), лунных пород (Gooley et al., 1974; Elardo et al., 2013) и метеоритов-говар-дитов Dhofar 018 (Лоренц и др., 2013) и Юртук (Khisina et al., 2014). Нередко оба типа шпинель-пироксеновых симплектитов присутствуют в одной и той же породе (Gooley et al., 1974; Bell et al., 1975; Elardo et al., 2013; Лоренц и др., 2013), что может свидетельствовать об общем механизме формирования симплектитов типа I и типа II. Шпинельная фаза и пироксен в симплектитах варьируют по химическому составу независимо от типа симплектитов. Пироксен представлен диоп-сидом, авгитом или ортопироксеном. Шпинель-
195
6*
Рис. 1. Кристаллографически ориентированные ламелярные симплектиты в оливинах.
(а) — хромит-диопсидовый симплектит и игольчатые включения хромита, метеорит Ви(!и1ап. Изображение в обратно рассеянных электронах; (б) и (в) — ламелярные включения хромит-диопсидового симплектита в лунном оливине:
(б) — изображение в обратно-рассеянных электронах в сканирующем электронном микроскопе, белое — хромит, серое — диопсид. На врезке показаны две параллельные симплектитовые ламели; (в) — светлопольное изображение ламели в просвечивающем электронном микроскопе (Хисина и др., 2011). Di — диопсид, ^г — хромит.
ная фаза в земных симплектитах представлена магнетитом, в марсианских симплектитах — магнетитом с примесью миналов хромита и благородной шпинели, в лунных симплектитах — преимущественно хромитом или хромитом с примесью минала благородной шпинели.
Ориентированные в оливине магнетит-гема-титовые включения, описанные в метаморфических породах фации высоких давлений (Hwang et al., 2008) и в перидотитовых ксенолитах (Franz, Wirth, 2000), могут быть также отнесены к гетеро-фазным выделениям типа I (рис. 3).
В качестве термодинамических факторов образования симплектитов рассматривались актив-
ность SiO2 в расплаве, температура, давление, фу-гитивность кислорода (Markl et al., 2001). Петрологические наблюдения привели к выводу о формировании симплектитов в условиях декомпрессии (Сибелев, 2010), а кристаллохимиче-ские данные позволили рассматривать симплектиты как "след структурного окисления оливина" (Moseley, 1984; Mikouchi et al., 2000; Ефимов, Ма-лич, 2010). Предлагались различные модели образования симплектитов: взаимодействие оливина с остаточным расплавом (Bell et al., 1975); диффузионный метасоматоз (Field, 2008); инфильтра-ционный расплавный метасоматоз без участия флюидов (Elardo et al., 2013); твердофазные реак-
Рис. 2. Хромит-ортопироксеновый симплектит (тип II) в оливине на границе оливина с вмещающей брекчированной породой.
Метеорит ОИс^аг 018. Изображение в обратно-рассеянных электронах.
Рис. 3. Кристаллографически ориентированные выделения магнетита (Mag) и гематита (Hem) в оливине. Оптическое изображение в плоско-поляризованном свете (Hwang et al., 2008).
ции ячеистого выделения (Ashworth, Chambers, 2000; Khisina et al., 2013) и окислительного распада твердого раствора (Moseley, 1984; Greshake et al., 1998, 1999, 2000; Mikouchi et al., 2000). Несмотря на большое число публикаций, до недавнего времени механизм и условия образования симплектитов оставались предметом дискуссии. Не были установлены причины и механизмы окисления при образовании симплектитов, оставались непонятны источники поступления в пи-роксен-шпинелевые симплектиты трехвалентных элементов — хрома и алюминия. В последнее время появились работы, рассматривающие ориентированные шпинель-пироксеновые симплектиты и магнетит-гематитовые включения в качестве продуктов дегидрогенизации или дегидратации оливина. Авторы работы (Hwang et al., 2008) впервые предположили, что ориентированные магнетит-гематитовые включения в оливине образуются в результате дегидрогенизации. Независимо к такому же выводу пришли и другие исследователи (Khisina et al., 2009; 2013) на основании изучения ориентированных диопсид-шпинеле-вых симплектитов в лунном оливине.
В настоящей статье приводится аргументация в пользу возможности образования в оливинах ориентированных пироксен-шпинелевых сим-плектитов и магнетит-гематитовых включений путем дегидрогенизации оливина. Реакция образования ориентированных симплектитов и ок-
сидных включений рассматривается как твердофазное замещение ламелярных ОН-содержащих
2
фаз-предшественниц. Реакции дегидрогенизации сопровождаются окислением и переходом части двухвалентных ионов переходных металлов в трехвалентное состояние, а также диффузионным катионным обменом Бе, Сг, Са, М§, А1 между прекурсором и оливином-хозяином в условиях длительной декомпрессии при температурах >800°С.
ДЕГИДРОГЕНИЗАЦИЯ ОЛИВИНА В ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ
Водород в силикатных расплавах присутствует в виде Н2О, Н2, ОН-; доминирующая форма диктуется давлением, температурой, составом расплава, а также содержанием и формой нахождения в расплаве углерода (Каё1к е! а1., 2004; Кадик и др., 2010). Соотношение Н2О/Н2 в расплаве при прочих равных условиях возрастает с увеличением Р и /02. Соответственно, в земных магматических расплавах (^ < 1с§/02 < ^ + 6) основным
' Англоязычный синоним — прекурсор. В тексте используются оба термина, поскольку термин "прекурсор" в большей степени соотносится с некоторым физическим телом-предшественником (или, в данном случае, с включением в минерале), а термин "фаза-предшественница" акцентирует внимание на химическом и минералогическом составе прекурсора.
N
35
30
25
20
15
10
(а)
20
100
180 260 H2O, ppm
340
420
N 5 1
4-
3 -
(б)
10 16 22 28 34 40 46 52 58 64 70 H2O, ppm
Рис. 4. Содержания Н2О в оливинах из земных пород, по данным (Koch-Müller et al., 2006b; Bell et al., 2004; Miller et al., 1987; Kurosawa et al., 1997; Matsyuk, Langer, 2004). (а) — кимберлитовые трубки Удачная (Якутия) и Monastery (Южная Африка), (б) — базальты.
2
1
5
0
0
соединением водорода является Н2О, тогда как фу-гитивность кислорода в лунных магмах отвечает восстановительным условиям IW > log/O2 > IW — 2 (Nicholis, Rutherford, 2009), и водород присутствует в форме Н2 или ОН- (Greenwood et al., 2012). Концентрация ОН- в оливине возрастает с увеличением внешнего давления и/или концентрации Н2О в расплаве (Kohlstedt et al., 1996; Mosenfelder et al., 2006a). Принятый в англоязычной литературе формализм (Water in nominally anhydrous minerals, 2006) не делает различий между ОН и Н2О, используя обобщенный термин "вода" для количественной характеристики водородсодер-жащих форм, растворенных в номинально безводных породообразующих минералах (NAM в англоязычной аббревиатуре) и в расплавах. "Вода" (протон Н+) захватывается номинально безводными минералами в процессе
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.