ГЕОЛОГИЯ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ, 2011, том 53, № 2, с. 175-191
УДК 550.42
Ш2Ш3-СОДЕРЖАЩИЕ ФЛЮИДЫ: ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ПРИ 700°С И Р = 1, 2 и 3 КБАР МЕТОДОМ СИНТЕТИЧЕСКИХ
ФЛЮИДНЫХ ВКЛЮЧЕНИЙ В КВАРЦЕ © 2011 г. З. А. Котельникова*, А. Р. Котельников**
* Институт геологии рудных месторождений петрографии, минералогии и геохимии РАН 119017, Москва, Ж-17, Старомонетный пер., 35 ** Институт экспериментальной минералогии РАН 132432, Черноголовка, Ногинский р-н, Московская обл.
Поступила в редакцию 12.11.2010 г.
Экспериментально рассмотрены гетерогенные флюидные равновесия в водно-солевой системе Н20—№2С03 (система второго типа) в присутствии силиката ^Ю2 или $Ю2 + №А181308). Приведены краткие описания фазовых диаграмм систем второго типа. Из одномолярного раствора №2С03 при температурах 700°С и давлении 1, 2 или 3 кбар методом залечивания трещин синтезированы флюидные включения в кварце. Часть опытов проведена в присутствии геля альбита. Микротермометрическое изучение полученных включений показало, что в условиях опытов флюид находился в гетерогенном состоянии и не был инертен относительно кварца и альбита. Часть включений содержала стеклоподобную фазу, из которой при нагревании выделялась жидкость. В некоторых включениях при нагревании происходило расслоение жидкости.
Сравнение изученных особенностей водно-силикатно-натрокарбонатной системы со свойствами аналогичных систем, в которых соль представлена сульфатом или фторидом натрия (Котельникова, Котельников, 2008, 2010), показало, что у этих систем есть много сходного. Во всех случаях водно-солевой флюид не оставался инертным относительно кварца уже при относительно невысоких РТ-условиях. Во включениях, захваченных в верхней гетерогенной области, происходило расслоение жидкости в присутствии пара в одном и том же температурном интервале: от 200 до 400°С. Повторной гетерогенизации подвергались растворы различной концентрации, в том числе и пересыщенные (в присутствии кристаллической фазы). Вблизи 400°С пар обычно или растворяется или поглощает одну из несмесимых жидкостей, и вслед за этим при продолжении нагрева включения обычно вскрываются. Полученные экспериментальные данные позволяют предположить широкое развитие процессов флюидной несмесимости в природе в интервале температур и давлений, отвечающем условиям: начиная от отделения флюида от магмы вплоть до гидротермального процесса, при этом возможно многостадийное протекание гетерогенизации флюида.
ВВЕДЕНИЕ
Необходимость экспериментального изучения фазовых равновесий в флюидосодержащих системах в последнее время становится все более очевидной. Эти знания нужны для реконструкции условий протекания процессов минералообразования в природных условиях, а также для дальнейшего развития теоретических и экспериментальных исследований. Моделирование флюидного режима в различных геохимических обстановках в подавляющем числе случаев проводится на основании особенностей строения фазовой диаграммы водно-солевой системы Н20—№С1. Гораздо реже используются данные результатов экспериментального изучения системы Н20—С02 или тройной системы Н20—№С1—С02. При этом из внимания исследователей часто выпадает сам факт возможного взаимо-
Адрес для переписки: З.А. Котельникова. E-mail: kotelnik@ igem.ru
действия флюида с минералами (силикатными и не силикатными). Флюид как бы отрывается от минеральной составляющей природной минералообра-зующей системы и существует независимо. Особенно явно такая относительная "самостоятельность" флюида принимается при реконструкциях условий протекания гидротермальных процессов. Кроме того, не рассматриваются возможности изменения флюидных равновесий при увеличении числа компонентов или в случае присутствия компонентов, имеющих иные фазовые диаграммы по сравнению с диаграммой системы H2O—NaCl. Использование метода синтетических флюидных включений (Sterner, Bodnar, 1984) для изучения свойств флюидных систем позволяет учесть большинство этих факторов, поскольку в равновесии с флюидом в режиме опытов всегда присутствует силикатное вещество. Кроме того, существует возможность непосредственно наблюдать за фазовыми превращения-
ми во флюидах, захваченных во включения при известных РТХ-условиях.
Одними из основных проблем при изучении ру-дообразования остаются процессы концентрирования, переноса и распределения рудного вещества и связь рудных образований с изверженными породами. При этом важную роль играют флюиды и различные равновесия с их участием. Однако вопросы об их происхождении, составах и свойствах до сих являются предметом обсуждения (Колонин и др., 1997; Schandl, 2004; Бортников, 2006; Рыженко, 2010). В литературе широко дискутируется вопрос о том, что является источником рудообразующих флюидов: магматогенные или метеорные воды. Привлечение обширных данных изучения флюидных включений и изотопного состава кислорода, водорода, серы в минералах золоторудных, кассите-рит-силикатно-сульфидных, серебро-полиметаллических и ряда других месторождений показали, что основная роль в их формировании принадлежит магматогенным флюидам. При этом метеорные воды, имея подчиненное значение, также участвовали в процессе (Гамянин и др., 1998; Бортников и др., 1998, 2004, 2005; Baker, Seccombe, 2004; Yang et al, 2004; Бортников, 2006).
Одним из важнейших вопросов в понимании роли флюидов в процессах рудообразования является оценка составов рудообразующих сред. По данным изучения флюидных включений, основными компонентами природных флюидов, помимо H2O, являются NaCl, CO2, в меньшей степени CH4 и ряд второстепенных примесей (Бортников и др., 1996; Yang et al., 2004; Бортников, 2006). Например, для орогенных месторождений, связанных с гранитными интрузивами, прорывающими терригенные или осадочно-вулканогенные толщи, показано, что основную роль в протекании золорудообразующего процесса играли флюиды, отвечающие системе H2O—CO2—NaCl (Бортников, 2006).
Вместе с тем до настоящего времени остаются не решенными ряд вопросов, касающихся отделения и переноса рудного вещества. Так, экспериментальные данные свидетельствуют о том, что растворимость рудных минералов во флюидах указанного типа низка. Кроме того, рудное вещество в равновесиях расплав—флюид распределяется, как правило, в пользу расплава (Gramenitskyi, 2001). Периодически высказывались мнения, что при кристаллизации расплава в условиях несмесимости флюида образуется особая фаза, называемая разными авторами флюидными расплавами, раствор-расплавами, расплав-рассолами, тяжелой фазой, рудной магмой, гидротермальным рассолом (Бутузов, Брятов, 1957; Stewart, 1967; Равич, 1974; Валяшко, 1990; Гра-меницкий, Щекина, 1993; Граменицкий и др., 1993; Маракушев и др., 1994; Gramenitskyi, 2001). Предполагается, что эта фаза является концентратором рудных компонентов и служит для транспортиров-
ки последних. Появление такой фазы экспериментально было зафиксировано при изучении диаграмм состояния водных растворов соединений второго типа: SiO2, Na2Si2O5, NaAlSi3O8 (Бутузов, Брятов, 1957; Kennedy et al., 1962; Кравчук, 1979; Валяшко, 1990; Koster van Groos, 1990). Известные элементы-минерализаторы (Na2CO3, Na2SO4, NaF и другие) имеют аналогичные диаграммы состояния. В связи с этим экспериментальное изучение свойств таких флюидов при высоких параметрах очень важно, поскольку позволяет оценить возможность возникновения фазы-концентратора рудного вещества и условия ее образования.
В данной работе экспериментально рассмотрены гетерогенные флюидные равновесия в водно-солевой системе H2O—Na2CO3 (система второго типа) в присутствии силиката (SiO2 или SiO2 + + NaAlSi3O8).
ОСОБЕННОСТИ ФАЗОВЫХ ДИАГРАММ СИСТЕМ ВТОРОГО ТИПА
Свойства водно-солевых систем наиболее полно описываются диаграммами фазовых равновесий. Детально особенности диаграмм состояния различных водно-солевых систем описаны в работах (Равич, 1974; Валяшко, 1990). На основании этих работ кратко приведены их общие основные характеристики. Характер флюидных равновесий определяется в максимальной степени наличием или отсутствием критических явлений в насыщенных растворах. По этому признаку все водно-солевые системы подразделяются на два основных типа (Равич, 1974). Для первого типа характерен положительный температурный коэффициент растворимости, критические явления в насыщенных растворах отсутствуют (фиг. 1). Примером таких систем является наиболее полно экспериментально изученная система H2O—NaCl. Детально диаграмма H2O—NaCl описана в работе (Pichavant et al., 1982). Отметим, что в данном типе систем, к которым относится множество водно-солевых систем (H2O— KCl, CaCl2, KF и др.), критическая кривая системы не пересекается кривой трехфазного равновесия во всем интервале РТ-параметров. Необходимо отметить также, что для системы вода—хлорид натрия в работах (Румянцев, 1988; Румянцев, Ганеев, 1988; Алехин, Вакуленко, 1989; Вакуленко, 1989) были экспериментально изучены явления высокотемпературного гидролиза: NaCl + H2O = NaOH + HCl. Явления гетерогенизации усиливают проявления такого гидролиза из-за межфазового разделения щелочных и кислотных компонентов: кислота обогащает паровую фазу, а щелочи концентрируются в жидкой фазе, согласно теоретическому предвидению Д.С. Коржинского (1967).
Для солей второго типа характерны очень низкие, близкие к нулю, значения растворимости при близкритических для воды условиях. Критические
явления происходят и в ненасыщенных, и в насыщенных растворах. Графически на диаграммах состояния это выражается в пересечении двух кривых: критической и давления пара насыщенных растворов (фиг. 2а). Точки пересечения обычно называют точками P и Q или нижней и верхней критическими точками насыщенных растворов соответственно, а системы второго типа часто называют P-Q-систе-мами. На диаграммах состояния появляются две: нижняя и верхняя двух- и трехфазные области. Точка Р является верхним температурным пределом нижней области несмесимости. Поскольку растворимость соли второго типа в окрестности критической точки воды близка к нулю, давление пара насыщенного раствора близко к давлению пара чистой H2O. Соответст
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.