ГЕОЛОГИЯ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ, 2009, том 51, № 6, с. 475-491
УДК 550.89
ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЙ ПОТЕНЦИАЛ ХИБИНСКОЙ МАГМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ И ГЕНЕЗИС АБИОГЕННЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ В ЩЕЛОЧНЫХ ПЛУТОНАХ
© 2009 г. И. Д. Рябчиков*, Л. Н. Когарко**
*Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН 119017, Москва Ж-17, Старомонетный пер., 35 **Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН 119975 Москва, Косыгина, 19 Поступила в редакцию 22.10.2008 г.
На основании анализа сосуществующих минералов (магнетит, ильменит, сфен, пироксен) оценены температурные и окислительно-восстановительные условия кристаллизации пород Хибинского щелочного массива. При окислительно-восстановительных условиях, характерных для Хибинского комплекса, эволюция форм углерода выглядит следующим образом: при высоких температурах - С02 во флюиде и карбонатные анионы в расплаве, затем выделение графита, а при еще более низких температурах появление заметного количества углеводородов за счет реакции флюида с графитом. Aбиогенные углеводороды в магматических комплексах могут возникать за счет процессов, отличных от синтеза Фишера-Тропша.
ВВЕДЕНИЕ
Летучесть кислорода является одним из главных параметров, определяющих эволюцию Земли и других космических тел. Она контролирует поведение ряда элементов в процессах конденсации протопла-нетного облака, в ходе аккреции планетизималей и планет и формирования их металлических ядер. Окислительно-восстановительные равновесия с участием вещества глубинных оболочек определили состав первичной атмосферы и, по-видимому, играли ведущую роль в зарождении жизни.
Летучесть кислорода также имеет важное значение в эволюции магматических систем. От нее зависят минеральные парагенезисы, возникающие в ходе затвердевания магм, что определяет пути кристаллизационной дифференциации. Наиболее показательным примером действия этого фактора является быстрый рост концентраций железа в расплаве при постоянном содержании кремнезема в ходе кристаллизации толеитовых базальтов (фенне-ровский тренд) и быстрый рост концентраций кремнезема, вследствие раннего выделения магнетита (боуэновский тренд в известково-щелочных сериях) в более окислительных условиях (Osborn, 1959; Pre-snaU, 1966). В щелочных магматических системах более окислительные условия способствуют кристаллизации богатого акмитом клинопироксена, в то время как при более низких значениях / ^ появляются щелочные амфиболы.
Aдpec для переписки: И.Д. Рябчиков. E-mail: iryab@igem.ru
fO в ряде случаев контролирует распределение
элементов-примесей между расплавом и твердыми фазами. Это в первую очередь относится к элементам с переменной валентностью , к которым, в частности, относятся Eu, V и Cr в условиях магматических процессов. Так поведение ванадия в комати-итах и других магматических сериях оказалось весьма эффективным индикатором окислительно-восстановительных условий (Canil, 1997, 1999, 2002).
Летучесть кислорода контролирует также молекулярный состав газовой фазы, что влияет на процессы магмаобразования и кристаллизационной дифференциации. В частности, было высказано предположение, что восстановленный газ системы вызывает плавление мантийных пород после их подъема с больших глубин и окисления в верхних горизонтах мантии (Green et al, 1987). В щелочных магматических системах летучесть кислорода определяет присутствие углеводородов и водорода, которые обнаружены во многих щелочных, особенно аг-паитовых породах (Beeskow et al., 2006; Markl et al., 2001; Nivin, 2002; Nivin et al., 2005; Petersilie, Sorensen, 1970; Potter et al., 2004; Salvi, Williams-Jones, 2006; Икорский, Шугурова, 1974; Когарко, 1977; Когарко и др., 1986; Петерсилье, 1958).
Для оценки летучестей кислорода в магматических системах были использованы различные подходы. Ряд из них использует константы равновесий для реакций между компонентами твердых растворов, включающих двух- и трехвалентное железо. Еще в 60-х годах были получены экспериментальные данные для равновесий титаномагнетитов с иль-менитами, позволяющими получать одновремен-
ные оценки температур и летучестеи кислорода из составов сосуществующих оксидов железа и титана (Buddington, Lindsley, 1964). Позже этот метод был усовершенствован с целью применения его к шпинелям и ильменитам более сложного состава на основе разработки термодинамических моделеИ этих фаз в рамках многокомпонентных систем (Ghiorso, Sack, 1991 1; Sack, Ghiorso, 1991). Этот метод успешно применялся к свежим вулканическим породам, но оказался непригоден для плутонических парагенезисов из-за быстрого диффузионного переуравновешивания оксидов железа и титана в ходе медленного охлаждения.
Для плутонических парагенезисов было предложено использовать равновесия магнетитов и ильме-нитов с железо-магнезиальными силикатами (Frost, Lindsley, 1991; Frost et al, 1988). Д.Р. Уонз (Wones, 1989) отметил важное значение минеральной ассоциации титанит-магнетит-кварц. Он рассчитал равновесные температуры и летучести кислорода для реакциИ с участием титанита с чистыми фазами в системе CaO-FeO-Fe2O3-TiO2-SiO2 при атмосферном давлении. Позже эти реакции были изучены экспериментально (Xirouchakis, Lindsley, 1998). Эти экспериментальные данные были использованы для уточнения термодинамических характеристик титанита, что позволило рассчитать полные диаграммы T- f O (Xirouchakis et al., 2001x). Эти результаты были использованы для оценки f O и температур минеральных равновесии в некоторых магматических породах. (Xirouchakis et al, 20012).
Многочисленные оценки летучестеИ кислорода для мантиИных перидотитов и базальтовых магм были выполнены на основе рассмотрения окислительно-восстановительных реакциИ между компонентами магнетитсодержащих шпинелеИ, оливинов и ортопироксенов (Ballhaus, 1993; Ballhaus et al., 1990; O'Neill, Wall, 1987; Wood et al., 1990; Рябчиков и др., 1985).
Оценки летучестеИ кислорода в щелочных породах были даны в ряде публикациИ. Экспериментальное изучение стабильности щелочных пироксенов, амфиболов и энигматита в субликвидусном интервале нефелиновых сиенитов Ловозера и Илимауссака (Когарко, 1977) позволило заключить, что окислительно-восстановительные условия, характерные для Ловозерского массива, были близки к буферу кварц-магнетит-фаялит. Данные для шпинелеИ из эффузивов внутриплитных океанических островов, которые во многих случаях включают щелочные базальты, нефелиниты и мелилититы, показывают относительно высокие летучести кислорода - от буфера QMF до значениИ, на 2 логарифмических единицы выше этого уровня (Ballhaus, 1993). Вулканиты с острова Триндаде, включающие ультращелочные дифференциаты, также дают высокие значения f O (Ryabchikov, Kogarko, 1994). ЧрезвычаИно высо-
кие значения fO были найдены для высокомагнезиальных эффузивов и дайковых пород из Маймеча-Котуйской провинции щелочно-ультраосновных пород и карбонатитов (Рябчиков и др., 2002; Соболев и др., 1991). Еще более высокие летучести кислорода были оценены для карбонатит-сиенитового комплекса Гроннендаль-Ика в Южной Гренландии (Halama et al., 2005). Очень высокие летучести кислорода отмечались для щелочного вулкана Катцен-буккель, Юго-Западная Германия (Mann et al, 2006). Низкие летучести кислорода, возможно приближающиеся к полю стабильности железо-никелевых сплавов, были оценены для ранней фазы авгитовых сиенитов массива ультращелочных пород Илимаус-сак, Южная Гренландия (Mark! et al, 2001; Marks, Markl, 2001). Этот вывод основан на чрезвычайно высоких содержаниях улвешпинелевого компонента в титаномагнетитах этих пород. В различных интрузивных фазах щелочного массива Тамазегт (Марокко) оценки летучести кислорода дают очень широкие вариации (на несколько порядков): от буфера гематит-магнетит, до двух логарифмических единиц ниже буфера кварц-магнетит-фаялит (Marks et al, 2008). Таким образом, окислительно-восстановительные условия щелочных магм могут варьировать в весьма широких пределах.
СОСТАВЫ МИНЕРАЛОВ
С помощью электронного микрозонда определены составы 618 титаномагнетитов, 238 титанитов и 470 клинопироксенов в образцах скважин 1312 и 1880, пройденных в породах апатитоносной интрузии Хибинского комплекса в районе месторождения Коашва. В большинстве случаев микрозондовые анализы были выполнены для отдельных зерен, выделенных из пород минералов. Кроме того, были проанализированы сосуществующие минералы из образца Хиб-50, в котором текстурные критерии указывают на одновременность кристаллизации магнетита, пироксена и титанита (фиг. 1). Представительные анализы этих минералов приведены в таблице.
Большинство титаномагнетитов представлено высокотитанистыми разновидностями (фиг. 2). Преобладающие содержания ульвошпинели близки к 55 мол. %, в редких случаях они достигают 80 мол. %. Содержания MgO и Al2O3 невысоки, и они существенно ниже концентраций МпО, которые могут достигать 3% в богатых титаном разновидностях. Содержания МпО тесно коррелируются с концентрациями титана (фиг. 3), а содержания ванадия такой корреляции не обнаруживают (фиг. 4). Содержания ванадия в магнетитах обнаруживают тенденцию к уменьшению вверх по разрезу вплоть до отметки 600 м, а выше они остаются приблизительно постоянными (фиг. 5). Содержания титана практически не зависят от глубины в пределах наблюдаемого разброса значений (фиг. 6).
Фиг. 1. Соотношения титанита (Тй), клинопироксена (Срх) и магнетита (М^ в породах Хибинского массива. Образец Хиб-50. N - нефелин; Ар - апатит.
Большинство проанализированных титаномаг-нетитов гомогенны на микронном уровне. В редких случаях отмечены сростки магнетитов с ильменита-ми, имеющими структуры типа распада-окисления твердых растворов (фиг. 7). Иногда встречаются сростки крупных отдельных зерен магнетита и ильменита (фиг. 8).
Составы клинопироксенов в исследованных породах существенно варьируют от разновидностей, богатых диопсидом (80 мол. % диопсида), до богатых акмитом (80 мол. % акмита). Содержание геденбер-гита остается приблизительно постоянным на уровне 20 мол. % и только в богатых акмитом пироксе-нах оно заметно падает (фиг. 9).
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.