ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2007, № 8, с. 90-96
УДК 523.681; 539.89
УДАРНЫЙ МЕТАМОРФИЗМ ПЛАГИОКЛАЗА И АМФИБОЛА (ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ)
© 2007 г. Л. В. Сазонова1, В. В. Милявский2, Т. И. Бородина2, С. Н. Соколов2, А. 3. Жук2
Геологический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, г. Москва 2Институт теплофизики экстремальных состояний ОИВТРАН, г. Москва Поступила в редакцию 16.06.2006 г.
Проведено экспериментальное исследование характера ударного метаморфизма плагиоклаза и амфибола разного химического состава из кристаллических сланцев амфиболитовой и гранулитовой фаций при ударно-волновом нагружении в стальных ампулах сохранения плоской геометрии. Максимальное ударное давление достигалось в течение нескольких циркуляций волн в образце (ступенчатое ударно-волновое сжатие) и изменялось в диапазоне 26-52 ГПа. Сохраненные образцы исследовались методами сканирующей электронной микроскопии, микрозондового и рентгенофазового анализа. Установлено, что повышение содержания фтора, титана и калия в составе амфибола, как и понижение содержания кальция в составе плагиоклаза, делает эти минералы более устойчивыми к воздействию ударных волн. Показано, что уже на твердофазной стадии преобразования в плагиоклазе и амфиболе начинается миграция некоторых химических элементов, усиливающаяся на стадии плавления. Установлено, что изотропизация плагиоклаза происходит по двум различным механизмам: при относительно низких давлениях изотропизация обусловлена дроблением вещества на микроуровне и сопровождается образованием маскелинита - типичного минерала метеоритов и пород астроблем. При более высоких давлениях изотропизация связана с аморфизацией вещества в результате плавления.
Ключевые слова: импактиты, ударный метаморфизм, ударные волны. РАС8: 91.65.Pj
ВВЕДЕНИЕ
Ударные метаморфизм и плавление, связанные с соударением различных космических тел с планетами, играют большую роль в формировании строения поверхностей и состава кор этих планет. По широко распространенным в настоящее время представлениям, образованию планет сопутствовали интенсивные импактные явления, сопровождавшие аккрецию [Фельдман, 1990]. Многочисленные признаки импактного и термального метаморфизма, присутствующие в различных метеоритах, указывают на интенсивный импактоге-нез на родительских телах этих метеоритов [Ме1-zler et а1., 1995]. Изучение астроблем и горных пород - импактитов, возникающих при соударении крупных метеоритов и астероидов с поверхностью Земли, вносит важный вклад в представления о строении и развитии ее литосферы. В настоящее время в центре внимания исследователей импактогенеза находится детальное изучение химических, структурных, фазовых превращений минералов горных пород в ударных волнах. Механизмы и параметры таких превращений изучаются с помощью физического моделирования им-пактных процессов в лабораторных условиях
Е^Аег, 1972; 81:б££1е^, 1974; Козлов и др., 2003; Фельдман и др., 2003; Фельдман и др., 2006].
В данной работе проведено сравнительное исследование характера ударного метаморфизма минералов группы плагиоклаза (Р1), а также минералов группы амфибола (Ат/), в области давлений 26-52 ГПа. Исследуемые минералы одной и той же группы имели близкие кристаллические структуры, но различались по своему химическому составу.
ИССЛЕДУЕМЫЕ ОБРАЗЦЫ
Полиминеральные кристаллические сланцы для исследований были отобраны на Южном Урале в обнажении метаморфических горных пород фир-совской толщи (образец ДН-31/1) и на Анабарском щите, среди пород, являющихся мишенью для аст-роблемы Попигай (образец 73-509а-1).
Образец ДН-31/1 имел плотность р = 3.06 ± ± 0.02 г/см3. Главные породообразующие минералы образца ДН-31/1 - амфибол (60% об.) и плагиоклаз (30% об.). Второстепенные минералы - гранат (до 5% об.) и кварц (до 5% об.). Акцессорный минерал -магнетит.
Главные породообразующие минералы образца 73-509а-1 (р = 3.07 ± 0.02 г/см3) - плагиоклаз (50% об.), амфибол (30% об.) и клинопироксен (20% об.). В качестве второстепенного минерала в виде отдельных мелких зерен присутствовал кварц. Акцессорный минерал - магнетит.
Породы образца ДН-31/1 образовались в условиях амфиболитовой фации, образца 73-509а-1 -в условиях гранулитовой фации.
Плагиоклаз. По данным рентгенофазового анализа (РФА), плагиоклазы (Р1) обоих образцов имеют триклинные кристаллические решетки с близкими параметрами (в скобках указаны значения, соответствующие образцу 73-509а-1): а = = 0.8165 (0.8165) нм, Ь = 1.2874 (1.2863) нм, с = 0.7109 (0.7102) нм, а = 93.38° (93.34°), в = 116.23° (116.15°), у = 90.51° (90.32°). Размер областей когерентного рассеяния (ОКР) - не менее 100 нм. По данным микрозондового анализа, плагиоклазы обоих образцов являются андезинами. Плагиоклазу образца ДН-31/1 соответствует химическая формула С№а0.68-0.71Са0.30-0.32К0.01)[А11.28-1.316^2.68-2.71], а
плагиоклазу образца 73-509а-1 - ^а051-055Са046-0.49^.01-0.02)^11.43-1^2.53-2.55]. Как видно, Р1 образца 73-509а-1 имеет более кальциевый состав (анорти-товая составляющая Ап 45-48), чем Р1 образца ДН-31/1 (Ап 30-31) (рис.1). Микрозондовые профили, сделанные поперек зерен, не выявили какой-либо закономерной зональности.
Амфибол. По данным РФА, амфиболы (Ат/) обоих образцов имеют моноклинную кристаллическую решетку с близкими параметрами (табл. 1). По данным микрозондового анализа амфиболы обоих образцов входят в подгруппу кальциевых
Ca 100%
Рис. 1. Составы исходных и ударно-метаморфизован-ных плагиоклазовых фаз: 1 - исходный плагиоклаз; 24 - диаплектовый плагиоклаз, диаплектовое плагио-клазовое стекло и стекло плавления из сланцев, испытавших нагрузки: 2 - 26 ГПа; 3 - 36 ГПа; 4 - 52 ГПа.
амфиболов. Амфиболу образца ДН-31/1 соответствует химическая формула:
+2 +2 (Na0.14-0.16K0.05)Na0.13-0.14Ca1.71-1.75Fe0.12-0.14 (Mg2.16-2.21 Fe1.37-1.45 Ti0.1l) •
• (Al0 .81-0.9Fe0.41-0.46 )[Si6 .45-6.57Al 1.47-1. 55]O22(OH1
а амфиболу образца 73-509а-1:
+2 +2 (Na0.23-0.28K0.19-0.20)Na0.02-0.07Ca1.88-1.96Fe0.02-0.06 (Mg2.28-2.65Fe1.23-1.66 Ti0.22-0.23) •
• (Al0.45-0.65Fe0.10-0.43 )[Si6.24-6.38Al1.54-1.76]O22(OH1.47-1.71F0.19-0.44Cl0.08-0.11).
Согласно современной международной структурно-химической классификации [Leake et al., 1997] Amf образца ДН-31/1 относится к ряду магнезиальных роговых обманок, а Amf образца 73-509а-1 - к ряду чермакитовых роговых обманок (рис. 2). Таким образом, Amf обр. 73-509а-1, прежде всего, отличается более высоким содержанием F, Ti и K.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Образцы породы в виде дисков с диаметром 25 мм помещались между двумя медными дисками (толщиной 1 и 2 мм) в стальные (40X13) ампулы сохранения плоской геометрии с наружным диаметром 62 мм. Экспериментальные сборки (рис. 3), состоящие из ампулы сохранения, стального охранного кольца с наружным диаметром
Таблица 1. Результаты рентгеноструктурных исследований исходных и ударно-метаморфизованных амфиболо-вых фаз (V - объем элементарной ячейки)
Параметры кристаллической решетки V, нм3 Размер ОКР,
a, нм b, нм с, нм в, ° нм
Образец ДН-31/1
Исходный 0.9850 1.8034 0.5276 105.43 903.36 >100
26 ГПа 0.9851 1.8033 0.5278 105.43 903.85 >100
36 ГПа 0.9821 1.8040 0.5278 105.42 901.44 50
52 ГПа 0.9876 1.8040 0.5308 105.65 910.70 45
Образец 73-509а-1
Исходный 0.9854 1.8066 0.5270 105.43 904.31 >100
26 ГПа 0.9854 1.8066 0.5276 105.45 904.49 >100
36 ГПа 0.9855 1.8093 0.5276 105.45 906.76 >100
52 ГПа 0.9925 1.8066 0.5312 105.59 915.64 30
150 мм и массивного стального основания, нагружались плоским ударом алюминиевых (Д16Т) пластин с диаметром 90 мм, разгоняемых при помощи взрывных метательных устройств (ВМУ). Максимальное ударное давление достигалось в течение нескольких циркуляций волн в образце (ступенчатое ударно-волновое сжатие) и составляло 26, 36 и 52 ГПа. Характерные для использованных в данной работе сборок сохранения и ВМУ зависимости давления в исследуемом материале от времени нагружения приведены в работе [Жук и др., 2002], а конкретные параметры нагружения - в табл. 2.
+ Fe+2) ршроевмаАло1б1°,ака
1
Тремолит
Актинолит
Ферро-актинолит
/
Актинолитовая роговая обманка
Магнезиальная роговая обманка л
Железистая актинолитовая роговая обманка
Железистая
роговая обманка
□ч
Чермакитовая роговая обманка
Чермакит
/
»1^2
елезистая чермакитовая роговая обманка
У
Ферро-чермакит
8.0
7.5
7.0
6.5
6.0
5.5 TSi
Рис. 2. Составы амфиболов (по классификации [Leake et al., 1997]) плагиоклаз-амфиболовых сланцев с гранатом (обр. Дн-31/1) (1) и пироксен-амфибол-плагио-клазовых сланцев (обр. 73-509-1) (2).
Изучение минералов, испытавших ударные нагрузки, проводилось методами оптической микроскопии и сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) на электронном микроскопе CamScan-4DV. Химические составы минералов определялись на микрозонде SX 100. При этом диаметр рентгеновского пучка составлял 2 мкм, ток зонда - 30 нА, ускоряющее напряжение - 15 кВ. Точность определения химического состава составляла: при весовом содержании >10% вес. - 2% отн.; 5 -10% вес. - 5% отн.; 1-5% вес. - 10% отн.; <1% вес. -20% отн. Нижняя граница определения весового содержания по Ка-серии рентгеновского излучения - 0.02% вес. Фазовые составы образцов исследовались методами рентгенофазового анализа на установке ДРОН-3М. Использовалось Си Ка-из-лучение. Количественный фазовый анализ проводился методом внутреннего стандарта. В качестве стандартного вещества использовался алмаз. Точность определения количества кристаллических фаз составляла 10% отн. при содержании фазы в количестве менее 10% вес., 5% отн. при содержании фазы в количестве от 10 до 50% вес., 3% отн. при содержании фазы в количестве более 50% вес. Точность определения параметров кристаллических решеток составляла ±0.0001 нм.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Плагиоклаз. Результаты исследования химических составов ударно-метаморфизованных плагио-клазовых фаз на микрозонде приведены на рис. 1. Начиная с 26 ГПа, в зернах Р1 обоих образцов зафиксирована миграция Са и № в пределах отдельных зерен, а при 36 и 52 ГПа - при продолжающемся увеличении интенсивности миграции Са в пределах отдельных зерен, № выносится за 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.