ПЕТРОЛОГИЯ, 2011, том 19, № 1, с. 104-110
УДК 551.72
КИСЛОРОДНЫЙ РЕЖИМ ГРАНУЛИТОВОГО МЕТАМОРФИЗМА: МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕТОДОМ МИНИМИЗАЦИИ ЭНЕРГИИ ГИББСА
© 2011 г. В. О. Худоложкин, О. И. Шарова
Дальневосточный геологический институт ДВО РАН просп. 100-летия Владивостока, 159-В, Владивосток, 690022, Россия; e-mail:pachihesa@mail.ru, sharova_o@mail.ru Поступила в редакцию 14.03.2010 г.
Получена после доработки 12.05.2010 г.
С помощью новой версии программного комплекса Селектор-С методом минимизации свободной энергии Гиббса проведено физико-химическое моделирование реальных минеральных парагенези-сов из пород Охотского, Чогарского комплексов и Ларбинской глыбы, кристаллизующихся в условиях гранулитовой фации. Используя двухрезервуарную модель (система флюид—порода), методом минимизации потенциала Гиббса сформированы модельные ассоциации метапелитов и метабази-тов, адекватные природным. Оценены Р-Т параметры кристаллизации, кислородный потенциал и состав глубинного флюида, формирующего ассоциации. Показано, что в условиях гранулитового метаморфизма возможен двойственный характер поведения кислорода, инертный режим для пород, обогащенных магнетитом и(или) гемоильменитом, и вполне подвижный режим по Д.С. Кор-жинскому для пород, в которых эти минералы отсутствуют. Показано, что режим кислорода определяется степенью полного или частичного выравнивания потенциалов кислорода глубинного восстановленного флюида и породы согласно их кислородной емкости.
Флюидный режим играет ключевую роль в понимании петрогенеза метаморфических пород. Исследование включает в себя решение обратной задачи — по составу минералов установить давление, температуру и активность воды, углекислоты и кислорода как главных компонентов флюида, определяющих параметры парагенезиса. В теории метаморфизма кислородный режим имеет принципиальное значение из-за высокой, часто определяющей чувствительности фазового и минерального состава ассоциации от вариаций летучести кислорода (/0 ). Во
флюидной модели большинством исследователей принимается, что потенциалы воды и углекислоты в метаморфических породах и формирующем их глубинном флюиде выравнены, и это связано с вполне подвижным режимом этих главных компонентов флюида. Относительно потенциала кислорода принято считать, что он буферируется (задается) химическим составом породы, и это характеризует его инертное поведение.
Особую роль во флюидной модели играют представления Д.С. Коржинского об открытых "системах с дифференциальной подвижностью компонентов" (Коржинский, 1994). Согласно его гипотезе равновесие породы с внешней средой достигается с помощью обмена химическими потенциалами "вполне подвижных" компонентов при постоянстве потенциалов менее подвижных "инертных" компонентов. Относительно режима кислорода Д.С. Коржинский считает, что "парагенетический анализ ми-
нералов показывает значительную инертность кислорода при метаморфических, магматических и гидротермальных процессах.. .активность кислорода при метаморфических процессах в существенной степени зависит от исходного состава метаморфизу-емой породы" и, далее, "не зависит от участия ва-дозных вод и вод, захороненных в протопородах" (Коржинский, 1945, 1994, стр. 6-28, 159-167). В его гипотезе зависимость активности кислорода от щелочности породы или внешней среды свидетельствует в пользу того, что "активность кислорода не является фактором внешней среды, а зависит от других факторов равновесия минеральных системы, ... в метасоматических системах эта гипотеза находит множество подтверждений, но не ясна для нормальных метаморфических процессов" (Коржинский, 1994, стр. 163-164).
Особое внимание режиму кислорода ("специфическому поведению кислорода") уделено в работе В.И. Фонарева (Фонарев, 1987) при обсуждении эволюции окислительно-восстановительных условий при метаморфизме железистых формаций докембрия. Автором делается вывод о тесной связи первичной слоистости и текстуры породы и состава парагенезиса с инертным поведением кислорода. Утверждается, что "инертный режим кислорода (локально зависимый) является преобладающим для большинства регионально метаморфизованных пород железистых формаций докембрия до самых высоких стадий метаморфизма". Инертный режим кислорода при формировании пород с участием
Таблица 1. Составы метаморфических пород, выбранные для моделирования1)
Номер образца S1Ü2 TiO2 AI2O3 Fe2Ü3 FeÜ MnÜ MgÜ CaÜ Na2Ü K2Ü P2Ü5 H2Ü+ H2Ü- П.п.п. Сумма
10в 45.60 0.25 9.81 3.45 24.84 0.80 8.66 2.16 0.81 0.67 0.06 - 0.22 - 97.33
143 72.88 0.25 9.73 4.71 2.80 0.05 5.94 0.34 0.25 1.00 0.12 - - 1.53 99.60
73в 64.60 0.22 7.16 0.65 17.94 0.17 6.00 0.31 0.05 0.53 0.26 - 0.06 0.08 98.03
1159/2-а 68.95 0.56 15.56 0.86 3.90 0.08 3.36 1.90 2.45 1.34 0.07 - 0.06 0.64 99.73
127-г 65.78 0.55 18.13 3.16 2.46 0.22 2.95 1.46 1.88 1.55 0.11 1.42 0.14 - 99.81
136-е 47.96 1.26 14.84 5.54 9.65 0.27 5.61 10.25 2.58 0.46 0.15 - - 1.24 99.81
СЧ-9/129 46.30 2.25 12.56 6.85 11.00 0.29 6.58 10.51 2.08 0.28 0.33 0.07 - 0.25 99.42
СЧ-5/58 44.35 1.47 15.17 5.62 10.81 0.16 8.16 11.09 1.55 0.43 0.19 0.01 - 0.88 99.93
39-e 47.62 0.57 9.28 15.20 15.84 0.56 3.37 2.54 0.74 1.07 0.10 - 0.24 1.64 98.77
А-138 48.71 0.6 8.64 19.03 13.6 0.47 3.59 2.34 0.7 0.99 0.16 - 0.13 1.00 99.96
Примечание. Состав минеральных парагенезисов пород: 10в — Grt + Opx + Pl + Bt + Qtz; 143 — Grt + Opx + Pl + Bt + Crd + Qtz + Rt; 73в - Grt + Opx + Kfs + Bt + Qtz; 1159/2-а - Grt + PI + Bt + Ä'l + KS + Qtz + Ilm + Rt; 127-г - Grt + PI + Bt + Ä'l + Qtz; 136-e - Grt + Opx + + Сpx + Hbl + Pl + Qtz + Mag + Ilm; СЧ-9/129 - Grt + Opx + Сpx + Hbl + PI + Mag + Ilm; СЧ-5/58 - Grt + Сpx + Hbl + Pl + Mag + Ilm; 39-е - Grt + Opx + + Pl + Qtz, + Mag + Ilm; А-138 - Grt + Opx + + Вt + Hbl + Pl + Qtz, + Ilm + Mag.
магнетита и гематита показывается им как равновесие при преобладании массы породы над массой флюида (его "буферной емкости"). Вполне подвижный режим представляется автору как "непрерывное поступление значительной массы флюида в толщу пород,...когда летучесть кислорода, определяемая его составом, уже не будет зависеть от состава породообразующих минералов и установится во всей толще" (Фонарев, 1987, стр. 265—266). Этот момент иллюстрируется в (Фонарев, 1987, табл. 52, рис. 101): повышение железистости ортопироксе-на и куммингтонита (при росте Р, Т) четко сопровождается понижением измеренной из парагене-зисов fO практически вплоть до буфера ССО. В
этом случае, по нашему мнению, переход кислорода во вполне подвижное состояние происходит в безмагнетитовых, т.е. "немых" по fO, породах
кварц-силикат(клинопироксен-ортопироксен ± ± куммингтонит)-карбонатной субфации (район 1аньон-Маунт Рид, Канада), содержащих графит. Подобный анализ режима кислорода (внутреннего контроля потенциала кислорода) обсуждается в (Labotka et al., 1982; Frost, 1982) .
В работах Л.Л. Перчука (Перчук, 1973, 1986) оцениваются величины потенциалов Н2О, СО2 и О2 на различных стадиях развития земной коры. Использованы реакции (всего около 200 парагенезисов) окисления—восстановления, гидратации—дегидратации и карбонатизации—декарбонатизации. Показано, что кислородный потенциал в координатах Робщ— fOl с
ростом глубины уменьшается по гиперболе от —10 вблизи поверхности до —19 лог ед. при 10—12 кбар. Для процессов регионального метаморфизма метапе-литов автор делает вывод о вполне подвижном режиме кислорода (Perchuk, 1977).
При исследовании флюидного режима метаморфизма методом фазового соответствия (Перчук, Рябчиков, 1976) априори принимается, что активность кислорода из анализа минералов парагенетических ассоциаций соответствует активности кислорода в метаморфизующем глубинном флюиде. Это положение требует уточнения, тем более что все рассуждения о флюидном режиме летучих из-за отсутствия информации о глубинном флюиде носят качественный характер. Настоящая работа посвящена исследованию режима кислорода (вполне подвижного или инертного) в процессах гранулитового метаморфизма методом минимизации потенциала Гиббса.
ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ
Для моделирования были выбраны несколько метаморфических пород из Охотского, Чогарского комплексов и Ларбинской глыбы, метаморфизован-ных в условиях гранулитовой фации. Для них известны химические анализы, составы минералов, фазовые составы минеральных парагенезисов и Р-Т условия их образования (Авченко, 1977, 1990). Породы представлены малокальциевыми гранат-ортопироксеновыми, гранат-кордиеритовыми, гра-нат-биотит-силлиманитовыми гнейсами, гнейсо-кварцитами и гранулитами (метапелитами), а также богатыми кальцием гранат-амфибол-двупироксено-выми сланцами (метабазитами). Составы этих пород и минеральные парагенезисы представлены в табл. 1. Породы принадлежат одному этапу метаморфизма. В то же время в минералах наблюдается зональность. Это связано с большой чувствительностью, особенно метапелитовых ассоциаций, к ретроградным процессам, завершающим главную стадию метаморфизма. Зональность минералов рассмотрена в (Авченко, 1977, 1990). Химическая зональность гра-
натов исследована в (Авченко, 1982). Использовались лишь те ассоциации минералов, которые не разрушены на ретроградной стадии. Зональности минералов уделено особое внимание, и главной целью ее изучения являлся парагенетический анализ минералов и отбор данных для получения локальных параметров химического равновесия в условиях главной стадии метаморфизма.
О ПРОГРАММНОМ КОМПЛЕКСЕ СЕЛЕКТОР-С
В настоящей работе для решения проблем, связанных с оценкой флюидного режима метаморфизма, применен метод минимизации термодинамических потенциалов (Карпов, 1981; Чудненко, 2007). Программный комплекс Селектор-С, реализующий подход выпуклого программирования к вычислению равновесия в гетерогенных системах минимизацией термодинамических потенциалов, содержит все необходимые структуры данных и алгоритмы, объединенные в интегрированную оболочку, работающую в среде Microsoft Windows. Возможности ПК Селектор-С включают расчеты сложных химических равновесий в изобарно-изотермических, изо-хорических и адиабатических условиях в мультиси-стемах, где одновременно могут п
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.