ГЕОХИМИЯ, 2015, № 9, с. 801-827
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ХЛОРА МЕЖДУ РАСПЛАВОМ И ВОДНО-ХЛОРИДНОЙ ФЛЮИДНОЙ ФАЗОЙ В ПРОЦЕССЕ ДЕГАЗАЦИИ ГРАНИТНЫХ МАГМ. СООБЩЕНИЕ I. ДЕГАЗАЦИЯ РАСПЛАВОВ ПРИ СНИЖЕНИИ ДАВЛЕНИЯ
© 2015 г. О. А. Луканин
Институт геохимии и аналитической химии им. В.И.Вернадского РАН 119991 Москва, ул. Косыгина, 19
e-mail: lukanin@geokhi.ru Поступила в редакцию 27.02.2015 Принята к печати 15.04.2015
На основе имеющихся экспериментальных данных разработана компьютерная модель, описывающая распределение хлора между магматическим расплавом, по составу отвечающему метаглинозе-мистому граниту, и водно-хлоридной флюидной фазой, образующейся при декомпрессионной дегазации магм в интервале давлений от 5 до 0.5—0.3 кбар и температуре 800 ± 25°C. Модель учитывает зависимость коэффициента распределения хлора (флюид/расплав) от давления и концентрации Cl в расплаве. Она позволяет рассчитывать перераспределение Cl и Н2О между расплавом и флюидом в ходе декомпрессионной дегазации магм как в закрытых условиях, когда флюид остается в системе, так и в открытых условиях, когда выделяющаяся флюидная фаза полностью или частично удаляется из системы. Представленные результаты численного моделирования демонстрируют влияние исходных содержаний Cl и Н2О в расплаве, а также степени открытости системы на изменение концентраций этих летучих в водном флюиде и расплаве при подъеме магм к поверхности в условиях
близких к изотермическим. Наиболее высокие концентрации С1 во флюиде (Cq) достигаются на
первых этапах декомпрессионной дегазации при высоких давлениях. С понижением давления CC1 уменьшается и тем значительней, чем больше степень открытости системы. При дегазации в открытых условиях концентрация С1 в расплаве (CC1) также уменьшается. Однако в закрытых условиях по
/гШ
мере снижения давления CC1 сначала уменьшается, достигает минимума, а затем начинает расти.
Если декомпрессионная дегазация начинается при Р < 1—1.25 кбар, то CC1 меняется незначительно независимо от исходного содержания хлора в расплаве и степени открытости системы.
Ключевые слова: хлор, вода, водно-хлоридный флюид, гранитный расплав, дегазация магм, коэффициент распределения флюид-расплав, компьютерная модель.
DOI: 10.7868/S0016752515090046
ВВЕДЕНИЕ и экспериментальное изучение поведения хлора в
v ходе эволюции магм, при образовании магматоген-
Хлор является одним из летучих компонентов , >ff
„ ных флюидов имеет большое значение для понима-
природных магматических систем, который спо- ^^ ^
ния процессов рудообразования, генетически свя-
собен формировать устойчивые хлорсодержащие r г
занных с магматизмом.
комплексы со многими макро- и микроэлементами магм в водно-хлоридных растворах — флюидах, К настоящему времени выполнено множество образующихся при дегазации магматических рас- экспериментальных исследований по распределе-плавов во время их подъема к поверхности и кри- нию C1 между алюмосиликатными расплавами и сталлизации. Это определяет исключительно важ- водно--хлоридными флюидными фазами. Больную роль хлора во флюидной экстракции из рас- шинство экспериментальных данных получено для плавов рудных и редких элементов, в их переносе природных и синтетических расплавов гранитоид-высокотемпературными флюидами как внутри, ного состава при Р-Т параметрах, соответствую-так и за пределами магматических систем (Holland, щих приповерхностной эволюции магм (Kilinc, 1972; Рябчиков, 1975; Burnham, 1979; Малинин, Burnham, 1972; Shinohara et al., 1989; Mettrich, Ruth-Кравчук, 1991; Reed et al., 2000; Halter, Webster, 2004; erford, 1992; Webster, 1992a, b, 1997; Kravchuk, Kep-Луканин и др., 2013; и др.). Поэтому геохимическое pler, 1994; Чевычелов, 1999). Показано, что при
3
801
равновесии кислых расплавов с водным флюидом хлор распределяется преимущественно во флюидную фазу. При этом раствориость С1 в водосо-держащих силикатных расплавах и, соответственно, коэффициент распределения хлора между
флюидом и расплавом (Д?{ш) зависят как от Р—Т условий, так и от состава расплава. Следует отме-
г-А/ш „
тить, что DC1 зависит не только от содержаний в расплаве главных петрогенных компонентов, но также и от концентрации в силикатном расплаве
самого хлора (СШ). Поэтому модельные расчеты по перераспределению хлора между расплавом и водным флюидом в процессе дегазации магм, выполненные ранее без учета зависимости ДС(Ш от
СШ
C1, являются весьма упрощенными и не могут отражать важных особенностей поведения хлора при эволюции кислых магм с образованием флюидной фазы (Nakao, Urabe, 1989; Cline, Bodnar, 1991; Shinohara, 1994; Candela, Piccoli, 1995).
В статье представлены результаты численного моделирования распределения хлора между расплавом и водно-хлоридным флюидом, образующимся при декомпрессионной дегазации гранитных магм с различным исходным содержанием Н2О и C1. Расчеты проводились с использованием компьютерной модели, разработанной на основе обобщения имеющихся экспериментальных данных для систем гранитный расплав—Н2О—№(К)0. Модель
гА/ш
учитывает эмпирическую зависимость DC1 от давления и СШ. Она позволяет определять давление (глубину) начала дегазации C1- и Н2О-содержащего расплава при его подъеме к поверхности, а также рассчитывать траектории изменения концентраций C1 и Н2О в расплаве и флюиде по мере снижения давления в диапазоне от 5 до 0.5—0.3 кбар в условиях близких к изотермическим (800 ± 25°C) при различной степени открытости магматической системы в отношении флюидной фазы, когда она остается в системе или полностью (или частично) удаляться из системы.
В данном сообщении рассматриваются случаи декомпрессионной дегазации, в которых выделяющийся из расплава флюид является гомогенным и имеет существенно водный состав. Дегазация гранитных расплавов, вызванная кристаллизацией или снижением давления, в ходе которой образуются флюидные фазы, обогащенные хлоридами (водно-хлоридные рассолы) и/или гетерогенные флюиды, содержащие как обогащенные хлоридами, так и существенно водные фазы, будет рассмотрены в отдельных статьях.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОСНОВА МОДЕЛИ
Коэффициент распределения хлора между магматическим расплавом и находящимся с ним в равновесии водно-хлоридным флюидом является сложной функцией температуры, давления и состава расплава, как в отношении содержаний петрогенных, так и летучих компонентов (воды и хлора). Для кислых алюмосиликатных расплавов наибольшее влияние на Dq m (при данных Т, Р и Cq параметрах) оказывают следующие характеристики их состава в отношении петрогенных компонентов: коэффициент агпаитности (Na2O + К20)/А1203 (NK/A) или (Na2O + K2O + CaO)/A12O3 (NKC/A), глинозе-мистость A1203/Si02 (А/S), а также содержание FeO. В основу предлагаемой компьютерной модели положены наиболее многочисленные к настоящему времени экспериментальные данные в системе гранитный расплав (риолит)—Н2О—№(К)С1, полученные в широком диапазоне Р—Т—Х условий для синтетических и природных высококремнеземистых кислых расплавов, по составу: соответствующих самым распространенным типам гранитных магм метаглиноземистого и субглиноземистого типа (мольные отношения: NK/A = 0.8—1.0, NKC/A = = 0.9-1.1, A/S ~ 0.09-0.11; FeO < 2-2.5 мас. %). Эти расплавы, как показывают результаты экспериментов с расплавами различного состава: высокоглиноземистым и щелочным гранитом, гранодиоритом, пантеллеритом, фонолитом, а также андезитом и базальтом (Mettrich, Rutherford, 1992; Webster, 1992b; 1999: Чевычелов, 1999; Signorelli, Caroll, 2000, 2002; Bocharnikov et al., 2004; Carroll, 2005; Alletti et al., 2009; Zajacz et al., 2012), — обладают наименьшей растворимостью хлора в равновесии с хлоридными расплавами и водно-хлоридными флюидами при данных Р—Т—Х условиях. Источники экспериментальных данных, используемых для построения модели, условия проведения опытов и количество
определений D(fî{m приведены в таблице. Подавляющее большинство экспериментов выполнено при температурах 750—830°C в интервале давлений от 0.5 до 8 кбар. Диапазон концентраций хлора в вод-
но-хлоридном флюиде (Cq) в каждой серии опытов с данным составом расплава при постоянных Р и Т существенно варьировал, но в целом он находился в пределах ~0.06—12.4 m (моль на 1 кг флюида).
Прежде, чем перейти к выявленным эмпири-
if/m
чески зависимостям DCl от давления и состава флюида, которые легли в основу предлагаемой компьютерной модели, рассмотрим основные особенности диаграммы состояния псевдотройной системы гранитный расплав (риолит)-вода-Na(K)Cl при постоянной температуре (~800°C) и давлениях 0.5—8 кбар. Они позволят лучше понять область применения и возможные ограничения данной модели дегазации.
Экспериментальные данные, использованные для построения модели
Источник Состав расплава P, кбар T, °C Концентрация Cl в флюиде, m (моль на кг флюида) Количество экспериментальных точек
Kilinc, Burnham, 1972 Rhy-Natur 2-2.3 750 1.21 2
4 700-760 1.20-1.22 3
6 700-750 1.2-1.24 4
7-7.5 695-750 1.2-1.24 3
8 (7.9) 750 1.25 1
Shinohara et al., 1989 Rhy-Synt 0.6 810 0.06-6.50 14
NK/A = 1 1.2 810 0.092-6.38 51
2.2 810 0.11-6.76 13
3.5 810 0.52-6.18 6
4.2 810 0.6-6.67 8
6 810 0.57-6.29 5
Metrich, Rutherford, 1992 Rhy-Natur 0.5 830 3.8 1
NK/A = 0.98-1.03 1 845 4.1-4.5 3
1.4 830 3.8 1
Rhy-Synt 1 830 4.5-4.7 2
NK/A = 0.98-1.02
Webster, 1992 Rhy-Synt 2 (1.89-2.05) 800 (795-804) 0.4-12.4 32
NK/A = 0.96-1.05 2 (1.94-2.04) 1000 (993-1002) 0.2-9.4 6
4 (3.85-3.91) 800 (775-810) 0.2-10 9
6 (6.0-6.3) 800 (798-799) 0.4-10.6 7
8 (7.93-8.09) 800 (804-805) 0.5-11.2 7
Kravchuk, Keppler, 1994 Rhy-Synt NK/A = 0.96-1.14 2 800 0.25-31.8 10
Примечание. Rhy-Natur, Rhy-Synt — риолит, соответственно, природный и синтетический.
Фазовые отношения в системе гранитный расплав (риолит)—Н2О—№(К)С1. Характерной особенностью систем силикатный расплав — водно-хло-ридный флюид является существование Р—Т—Х области флюидной гетерогенности или несмесимости (расслоенности). Первоначально гомогенный вод-но-хлоридный флюид, попадая в эту область, распадается на две фазы, находящиеся в равновесии с алюмосиликатным распл
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.