ПЕТРОЛОГИЯ, 2014, том 22, № 3, с. 327-344
УДК 550.8.014
ОБРАЗОВАНИЕ И СВОЙСТВА ВОДНО-СИЛИКАТНЫХ ЖИДКОСТЕЙ В СИСТЕМАХ Na2O-Al2O3-SiO2-H2O И ГРАНИТ-Na^-SiO^^O
ПРИ 600°С И 1.5 кбар
© 2014 г. В. Г. Томас*, С. З. Смирнов*, **, ***, О. А. Козьменко*, В. А. Дребущак*, **, В. С. Каменецкий****
*Институт геологии и минералогии СО РАН просп. Академика Коптюга, 3, Новосибирск, 630090, Россия; e-mail: vithomas@yandex.ru **Новосибирский государственный университет ул. Пирогова, 2, Новосибирск, 630090, Россия; e-mail: ssmr@igm.nsc.ru ***Томский государственный университет просп. Ленина, 36, Томск, 634050, Россия ****ARC Centre of Excellence in Ore Deposits, University of Tasmania, Hobart, Tasmania 7001, Australia; e-mail: Dima.Kamenetsky@utas.edu.an Поступила в редакцию 20.08.2013 г. Получена после доработки 29.10.2013 г.
С целью определения механизмов формирования и свойств природных водно-силикатных жидкостей (ВСЖ), образующихся на стадии перехода от магматического минералообразования к гидротермальному в гранитных пегматитах и редкометальных гранитах, проведено экспериментальное исследование образования ВСЖ в системах №20—8Ю2—Н20, №20—А1203—8Ю2—Н20, №20— К20-Ы20-А1203-8Ю2-Н20 при 600°С и 1.5 кбар. Показано, что последовательное усложнение состава системы не препятствует образованию в ней ВСЖ и расширяет поля устойчивости этой фазы. Однако строение и свойства ВСЖ, образующихся при таком усложнении составов системы, различаются — введение глинозема в систему способствует некоторому сжатию структуры силикатного каркаса водно-силикатной жидкости, что приводит к снижению содержания воды в ней и, по-видимому, препятствует обратимости дегидратации этой фазы. Доказана возможность образования ВСЖ в результате коагуляции кремнезема, содержащегося в пресыщенном им щелочном водном флюиде. Сделано предположение об ультрадисперсном строении водно-силикатной жидкости, образующееся в ходе этого процесса. Полагается, что аномально высокие концентрации некоторых элементов в природных ВСЖ могут объясняться сорбцией этих элементов развитой поверхностью водно-силикатной жидкости в момент ее образования.
БО1: 10.7868/80869590314030078
ВВЕДЕНИЕ
В последнее время появляется все больше работ, посвященных исследованию процессов несмесимости на стадии перехода от магматического минералообразования к гидротермальному в гранитных пегматитах и редкометальных гранитах (Thomas, 2000; Thomas et al., 2006; Смирнов и др., 2003; Peretyazhko et al., 20046; Перетяжко, Савина, 2010). Кварц этих пород содержит включения силикатных сред, обладающих необычными свойствами. Их вещество, представляющее собой при комнатной температуре агрегат алюмосиликатов, после гомогенизации при высокой температуре закаливается в алюмосиликатное стекло, внешне весьма напоминающее типичные закаленные алюмосиликатные расплавы. Их необычность заключается в том, что: 1) переплавление таких сред и гомогенизация включений происходит при температурах 505—650°С (Бакумен-ко, Коноваленко, 1988; Смирнов и др., 2003;
Peretyazhko et al., 2004б), что значительно ниже температур солидуса, характерных для водонасы-щенных гранитных систем; 2) содержание воды в таких стеклах (15—25 мас. %) в несколько раз превосходит аналогичную величину для типичных кислых водонасыщеных расплавов вблизи линии солидуса; 3) составы закаленных стекол таких гомогенизированных сред показывают, в сравнении с типичным гранитом, пониженные содержания SiO2 (58—65 мас. %) и экстремально высокие количества Cs, Ta, Nb, Be, B, F (Thomas, 2000; Thomas et al., 2006; Rickers et al., 2006; Смирнов и др., 2003). Появление жидкостей, схожих с описанными выше по содержанию воды и кремнезема, часто наблюдается при экспериментальных исследованиях некоторых гидротермальных систем, содержащих SiO2 (Бутузов, Брятов, 1957; Танеев, Румянцев, 1971; Котельникова, Котельников, 2010; Smirnov et al., 2005; Перетяжко, Савина, 2010 и др.). В своем анализе процессов
расслоения различных магматических систем И.В. Векслер (Veksler et al., 2004) назвал подобные среды водно-силикатными жидкостями, отличая их тем самым от классических водонасыщенных силикатных расплавов. Мы далее будем следовать этому названию, подразумевая под водно-силикатными жидкостями (ВСЖ) жидкие среды с мольным отношением H2O/SiO2 > 0.5, сосуществующие с водным флюидом.
В своих предыдущих работах (Peretyazhko et al., 2004а, Smirnov et al., 2005, Smirnov et al., 2012) мы сделали предположение, что водно-силикатные жидкости могут быть закономерным продуктом эволюции кислых водонасыщенных магм, который формируется совместно с магматической горной породой и водным флюидом. Аналогичная точка зрения высказывается в (Ганеев, Румянцев, 1971; Mustart, 1972; Wilkinson et al., 1996).
По нашему предположению, именно водно-силикатные жидкости являются концентраторами и в некоторых случаях транспортерами рудных компонентов. С целью проверки возможности концентрирования водно-силикатными жидкостями рудных компонентов нами было исследовано распределение Ta между водным флюидом и водно-силикатными жидкостями, образующимися в модельной системе Na2O—SiO2—H2O (Smirnov et al., 2012). Тантал является рудным компонентом, соединения которого плохо растворимы в водных растворах. Результаты проведенного исследования показали, что при 600°С и 1.5 кбар Ta концентрируется именно в водно-силикатной жидкости. Добавление в систему веществ (минерализаторов), увеличивающих растворимость труднорастворимых соединений, например фтора в виде NaF или хлора в виде NaCl, не приводит к существенному изменению характера распределения тантала между водным флюидом и водно-силикатной жидкостью.
Несмотря на актуальность исследования водно-силикатных жидкостей и соотнесения их с природными процессами минералообразования, на сегодняшний день остается еще достаточно много невыясненных вопросов, связанных с механизмом их возникновения, определением внутреннего строения и химических свойств. Настоящая статья представляет результаты экспериментального исследования, позволяющего решение этих вопросов.
Образующиеся в экспериментах водно-силикатные жидкости рассматриваются либо как специфические "тяжелые" жидкие фазы коллоидной природы (Ганеев, Румянцев, 1971; Smirnov et al., 2005, 2012), либо как силикатный расплав (Анфи-логов и др., 1972; Коротаев, Кравчук, 1985), либо как специфическая флюидная фаза (Mustart, 1972). Во всех случаях они сосуществуют с водным раствором (флюидом). Не вдаваясь в настоя-
щий момент в конституционную природу ВСЖ, отметим, что для всех трех упомянутых точек зрения остается открытым вопрос: как происходит образование водно-силикатной жидкости: путем реакционного плавления на границе шихты и флюида или путем гетерогенизации самого водного флюида, пересыщенного SiO2. Исследование этого вопроса — первая задача настоящей работы.
Сопоставление данных, приводимых в разных работах, показывает, что продукты отверждения водно-силикатных жидкостей часто отличаются по составу и свойствам друг от друга в зависимости от состава системы. Жидкости, образующиеся в экспериментах с широко изученной, но упрощенной системой Na2O—SiO2—H2O по составу должны отличаться от природных. Эти отличия, прежде всего, будут заключаться в наличии в природных системах значительных количеств глинозема, калия, а в некоторых случаях и редких щелочей (Li, Rb и Cs), что может оказать принципиальное влияние не только на концентрирующие способности водно-силикатных жидкостей, но и на сам процесс их образования. В связи с этим второй задачей настоящего исследования являлось выяснение влияния последовательного усложнения системы от Na2O—SiO2—H2O до Na2O— K2O—Li2O—Al2O3—SiO2—H2O на образование водно-силикатной жидкости, сосуществующих с ней кристаллических фаз и свойства ВСЖ.
ВОДНО-СИЛИКАТНЫЕ ЖИДКОСТИ В ПРЕДЕЛАХ ИССЛЕДУЕМЫХ СОСТАВОВ
Из всей области возможных составов в системе (Na2O + K2O)—Al2O3—SiO2—H2O в настоящей работе мы ограничим свое внимание тетраэдром Na2Si2O5 (Ds)-NaAlSi3O8 (A6)-SiO2-H2O, с возможной частичной заменой Na на K и Li.
Бинарные системы грани тетраэдра Ds—SiO2— H2O: Ds—H2O (Mustart, 1972; Коротаев, Кравчук, 1985) и SiO2—H2O (Kennedy et al., 1962) изучены в широком интервале температур и давлений. Обе системы являются системами Р—Q-типа (Равич, 1974, Валяшко, 1990) с метастабильными областями расслаивания. Исследования внутри треугольника Ds—SiO2—H2O при Т = 350°С и давлении насыщенного пара (Кравчук, Валяшко, 1979) показали, что в этой системе образуется водно-силикатная жидкость состава SiO2 — 58—60, Na2O — 18—20 и H2O — 22 мас. %, причем содержание этих компонентов остается практически неизменным при значительных вариациях валовых составов внутри треугольника Ds—SiO2—H2O. Исследования при температуре 600°С и давлениях 0.7— 1.5 кбар показали, что повышение температуры приводит к снижению содержания воды в водно-силикатной жидкости до 15—18 мас. % при 1.5 кбар (Smirnov et al., 2012) и до 14—15 мас. % при 0.7 кбар (Mustart, 1972). При указанных пара-
Таблица 1. Состав главных компонентов сподуменового гранита Алахинского месторождения по данным 1СР-АЕ$ (мас. %)
Компоненты SiO2 TiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MnO K2O Na2O Li2O П.п.п Сумма
Содержание 74.51 0.018 15.57 0.087 0.14 0.024 2.43 5.69 1.25 0.52 100.26
метрах ВСЖ представляет собой вязкую глицери-ноподобную жидкость, превращающуюся в стекло при охлаждении (Smirnov et al., 2005). Продукты отверждения водно-силикатных жидкостей принципиально отличаются от таковых, полученных в пограничной бинарной системе Ds—H2O: последние являются водорастворимыми (Mustart, 1972), тогда как первые представляют собой стекловатое вещество, обладающее свойствами твердых силикатных гелей (Smirnov et al., 2005, 2012).
Фазовые превращения при высоких Р- Т параметрах для составов, соответствующих грани Ds— Ab—H2O, приведены в (Mustart, 1972; Bailey, Macdonald, 1969). Обширная информация относительно фазовых переходов бинарной системы Ab—H2O обобщена в (Hack et al., 2007). Внутрь тетраэдра Ds—Ab—SiO2—H2O, если принять частичную замену Na на K, попадают результаты исследований (Анф
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.