ПЕТРОЛОГИЯ, 2008, том 16, № 6, с. 593-605
УДК 550.4.02
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ К И Na МЕЖДУ СМЕШИВАЮЩИМИСЯ ЖИДКОСТЯМИ
© 2008 г. А. А. Борисов
Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН 119017 Москва, Старомонетный пер., 35, Россия; e-mail: aborisov@igem.ru Поступила в редакцию 28.08.2007 г. Получена после доработки 21.11.2007 г.
При 1 атм общего давления в температурном интервале 1300-1470°С методом "петля в тигле" исследовано насыщение щелочами модельных силикатных расплавов с переменным содержанием Al2O3 и SiO2. Показано, что содержание Al2O3 слабо влияет на степень насыщения К и Na силикатных расплавов. В то же время содержание SiO2 существенным образом влияет на растворимость щелочей в силикатных расплавах. Проведены модельные расчеты поведения щелочей при контаминации/смешении основных и кислых расплавов.
Исследование распределения компонентов между несмешивающимися жидкостями обычно не представляет технических проблем, хотя и в этом случае специальные экспериментальные подходы могут оказаться полезными (Veksler et al., 2006). Изучение равновесного распределения щелочей между смешивающимися расплавами, на первый взгляд, представляется невозможным. Экспериментаторы в этом случае вынуждены ограничиться анализом диффузных профилей, возникающих на границе приведенных в соприкосновение смешивающихся расплавов (например, "базальт"/"гранит", Watson, Jurewicz, 1984). Между тем результаты таких исследований необходимы при анализе вероятного изменения состава расплава при контаминации поднимающихся магм коровым материалом, метасоматоза ксенолитов в кимберлитах и щелочных базальтах и т.п.
Ассимиляция магмами боковых пород подробно была рассмотрена еще в классической работе Боуэна (Bowen, 1928). В настоящее время общепризнано, что базальтовые магмы, проходя сквозь мощную континентальную кору, вряд ли достигают поверхности не испытав в той или иной степени контаминации боковыми породами.
Экспериментальные исследования, результаты которых используются или могут быть использованы для решения проблем контаминации/смешения магм, можно условно разделить на три группы.
(1) Изучение растворимости кристаллических фаз (прежде всего, кварца) в базальтовых расплавах (Sato, 1975; Watson, 1982). Эксперименты этого типа дают представление о скорости и характере растворения в базальтах главных минералов кислой коры. Именно в подобных опытах при
микрозондовом изучении тонкого слоя кислого расплава на границе с зернами кварца была отмечена так называемая восходящая диффузия щелочей, то есть их движение против градиента концентраций.
(2) Исследование распределения компонентов между несмешивающимися жидкостями (Watson, 1976; Ryerson, Hess, 1978; Hess, Wood, 1982 и др.). Достоинство метода заключается в надежном определении коэффициентов распределения малых элементов между основными (железистыми) и кислыми расплавами, недостаток - в необходимости работать в заведомо ликвирующих, то есть упрощенных, системах и часто при относительно низкой температуре (ниже 1200°С).
(3) Наконец, пожалуй, самое большое количество работ посвящено исследованию результатов взаимодействия приведенных в соприкосновение при высоких температурах и давлениях кислого (гранит, дацит, риолит) и основного (базальт) составов (Yoder, 1973; Watson, 1982; Watson, Jurewicz, 1984; Kouchi, Sunagawa, 1985; Johnston, Wyllie, 1988; Bindeman, Perchuk, 1993 и др.). В зависимости от температуры эксперимента контрастные составы могут быть либо частично, либо полностью расплавлены. Достоинство метода заключается в возможности работать с природными составами, что, несомненно, облегчает экстраполяцию данных, полученных в ампулах в относительно коротких экспериментах, на большие объемы и времена.
В контексте настоящей статьи особенно интересным фактом является обнаружение в экспериментах по взаимодействию контрастных расплавов высокой мобильности щелочей по сравнению с иными компонентами расплава (например, Si4+ и
Таблица 1. Состав исходных стекол (мае. %)
Состав SiÜ2 AI2O3 MgO CaO
Система Ca2Si3O8 -AI2O3
CSA6 57.8 6.7 - 35.5
CSA12 53.7 13.3 - 32.9
CSA18 49.7 19.9 - 30.3
CSA25 45.6 26.7 - 27.7
Система An-Di эвт.^Ю2
DA 50.2 15.7 10.3 23.7
DAS25 58.5 13.2 8.6 19.7
DAS50 66.8 10.5 6.9 15.8
DAS70 70.4 9.4 6.2 14.1
DAS100 75.0 7.9 5.2 11.9
DAS200 83.0 5.4 3.5 8.1
DAS400 90.8 2.8 1.9 4.5
Примечание. Составы получены при усреднении данных микрозондового анализа всех экспериментальных стекол (табл. 3), пересчитанных на бесщелочные составы.
Al3+). Для подобных случаев Ватсон (Watson, 1982) ввел понятие "переходного, или мгновенного, равновесия" между двумя жидкостями ("transient two-liquid equilibrium"). Он также предположил, что "мгновенные" коэффициенты распределения щелочей между базальтовым и фельзитовым расплавами должны быть сопоставимы с "нормальными" коэффициентами распределения щелочей между несмешивающимися основной и кислой жидкостями. Именно величины "мгновенных" коэффициентов распределения должны определять направление диффузии щелочей из одного контрастного расплава в другой. Необходимость использования диффузных профилей является, пожалуй, единственным недостатком предложенного подхода.
В данной работе методом "петля в тигле" (Borisov et al., 2006) проведено экспериментальное изучение распределения натрия и калия между несколькими смешивающимися жидкостями, а также рассмотрены проблемы контаминации/смешения магм.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Эксперименты выполнены в вертикальной трубчатой печи с регулируемой летучестью кислорода в Институте геологии и минералогии Кельнского Университета (Кельн, Германия). Использована буферная газовая смесь С0/С02; летучесть кислорода, соответствующая соотношению газов при температуре эксперимента, рас-
считана по таблицам (Deines et al., 1974). Температуру в рабочей зоне печи определяли с помощью термопары типа ТПР, калиброванной по точке плавления чистого Au (1064°C) и Ni (1453°C). Погрешности в определении температуры и lg fO не превышают ±2°C и ±0.2 соответственно.
Мы предполагали, что при прочих равных условиях уровень насыщения расплавов щелочами -сильнейшими модификаторами - должен определяться, прежде всего, содержанием оксидов-ре-шеткообразователей. Поэтому для экспериментов были выбраны две системы: с переменным содержанием Al2O3 и с переменным содержанием SiO2.
В первой системе в качестве базового модельного силиката использовали расплав состава 2CaO ■ 3SiO2 (мол.), модифицированный добавлением различных количеств Al2O3 (составы CSA6, CSA12, CSA18 и CSA25 в табл. 1). Во второй системе в качестве базового модельного силиката использовали состав эвтектики в системе анор-тит-диопсид (DA), который был модифицирован добавлением различных количеств SiO2 (составы DA, DAS25, DAS50, DAS70, DAS100, DAS200 и DAS400 в табл. 1). Часть составов второй системы прежде использовалась нами для исследования влияния кремнекислотности расплавов на растворимость никеля, кобальта и железа (Борисов, 2006, 2007).
Эксперименты выполнены методом "петля в тигле" (Borisov et al., 2006), который показан на рис. 1 в модификации для одновременного исследования нескольких расплавов. Суть метода заключается в следующем. Небольшой кварцевый тигель (внутренний диаметр 15 мм, высота 22 мм) на треть заполняют высокощелочным расплавом состава SiO2 ± Na2O ± K2O, служащим в дальнейшем источником паров Na и/или K. Над расплавом, под платиновую крышку, помещают до пяти петель (диаметром до 3 мм, сделанных из платиновой проволоки диаметром 0.15 мм) с исследуемыми смесями. Весь тигель опускают в печь и выдерживают при заданных T-f O параметрах в течение нескольких часов. В ходе эксперимента исходно бесщелочные расплавы в петлях подвергаются действию паров щелочей и, таким образом, одновременно насыщаются щелочами. Условия экспериментов приведены в табл. 2.
Заметим, что метод "петля в тигле" по идеологии близок к методике, предложенной О'Нилом (O'Neill, 2005). В последнем случае большая платиновая чашка с расплавом-источником помещалась в печь примерно в 10 см под образцами, создавая некоторое парциальное давление паров щелочей в рабочей зоне печи.
При работе с безжелезистыми расплавами летучесть кислорода, на первый взгляд, роли не иг-
Описание деталей опытов см. в тексте.
рает. Однако известно, что потери щелочей из расплава резко возрастают в восстановительных условиях (Donaldson et al., 1975; Corrigan, Gibb, 1979). Это свидетельствует об увеличении давления паров щелочей над расплавом при понижении летучести кислорода. Варьируя величину fO в
данных экспериментах, мы добивались увеличения или уменьшения парциального давления па-
ров щелочей в тиглях, что приводило к разному уровню насыщения исследуемых расплавов оксидами Na2O и K2O при фиксированной температуре. После выдержки при заданных значениях температуры и летучести кислорода образцы были закалены в верхней холодной зоне печи.
Закаленные стекла анализировали на микрозонде JEOL Superprobe (Институт геологии и ми-
Таблица 2. Экспериментальные условия и состав стекол, служивших источником щелочей в методе "петля в тигле"
Номер серии Шифр образцов -lg f o2 Выдержка, час. Шифр источника Исходный состав источника (мас. %) Конечный состав источника (мас. %)
SiO2 Na2O K2o Сумма SiO2 Na2O K2O Сумма
3 CSA;Na-3 8.91 3.0 N2S-3 65.3 33.9 - 99.2 79.4 20.8 - 100.3
4 CSAjNa-4 0.68 3.0 N2S-4 65.3 33.9 - 99.2 77.6 22.7 - 100.3
5 CSA;Na-5 6.89 3.0 N2S-5 65.3 33.9 - 99.2 77.8 22.4 - 100.2
6 CSA;Na-6 2.84 3.0 N2S-6 65.3 33.9 - 99.2 78.2 22.6 - 100.8
8 DANa-8, DAS;Na-8 10.71 3.0 N2S-8 65.3 33.9 - 99.2 78.8 22.1 - 100.9
13 DANa-13, DAS;Na-13 8.92 16.5 N4S-13 82.7 16.9 - 99.6 88.7 11.2 - 99.9
23 DAK-23, DAS^K-23* 8.92 16.0 K2S-23 48.9 - 51.1 100.0 88.9 - 10.1 98.9
24 DAK-24, DAS;K-24 8.93 16.0 K4S-24 76.3 - 22.2 98.5 85.9 - 13.1 99.0
25 CSAjK-25 8.93 7.5 K4S-25 76.3 - 22.2 98.5 84.3 - 16.0 100.3
26 DANK-26, DAS;NK-26 8.93 16.0 NKS-26 75.7 10.1 13.3 99.1 85.7 5.4 7.7 98.8
27 DANK-27, DAS;NK-27 10.74 22.0 NKS-27 75.7 1
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.