ВУЛКАНОЛОГИЯ И СЕЙСМОЛОГИЯ, 2009, № 1, с. 31-38
УДК 550.84
ВЛИЯНИЕ ВОДЫ НА ТЕМПЕРАТУРУ СТАБИЛЬНОСТИ АМФИБОЛА В РАСПЛАВАХ
© 2009 г. А. П. Максимов
Институт вулканологии и сейсмологии ДВО РАН, Петропавловск-Камчатский, 683006
Поступила в редакцию 19.12.2007 г.
Проделан теоретический анализ влияния концентрации воды в расплаве на температуру кристаллизации амфибола с позиций модели идеального расплава. Получено уравнение общего вида, позволяющее объяснить наличие изобарического температурного максимума на кривой устойчивости амфибола двояким влиянием воды на его равновесие с расплавом: в соответствии с реакцией кристаллизации вода повышает стабильность амфибола, но одновременно она понижает мольные доли других компонентов расплава, участвующих в реакции кристаллизации амфибола, тем самым понижая его устойчивость. На примере системы паргасит-вода-углекислота показано хорошее соответствие модели экспериментальным данным. На основании обработки экспериментальных данных получены коэффициенты уравнений зависимости констант равновесий паргасит-расплав и тремолит-расплав от температуры и давления.
Амфибол является наиболее обычным водным минералом-вкрапленником вулканических пород. Ему отводится важная роль в ряде моделей генезиса андезитов и более кислых представителей из-вестково-щелочной серии островодужных вулканитов [2]. Особый интерес амфибол представляет как критический индикатор физико-химических условий кристаллизации расплавов, таких, как общее давление, давление воды, температура и концентрация воды. В связи с этим для петрологов весьма актуальным является понимание характера влияния термодинамических параметров на стабильность амфибола и количественная характеристика соответствующих зависимостей. Однако, во многом из-за сложности состава и структуры амфиболов, существует проблема адекватного термодинамического описания их поведения в расплавах и приложения этих результатов к природным магмам. Поэтому в настоящее время при моделировании равновесий с участием амфиболов приходится делать целый ряд различных допущений.
Проведенное нами ранее исследование показало, что закономерности поведения кривых плавления безводных силикатов в водных расплавах могут быть описаны идеальной моделью растворения частиц воды в расплаве [3, 21]. Приемлемость данного подхода затем была продемонстрирована применительно к кристаллизации водной фазы на примере амфибола [22].
Ранее, используя иной подход, общие принципы влияния воды на стабильность водных фаз в расплавах уже анализировались в [12]. Было показано, что идеальная модель в состоянии описать основные эффекты поведения водных фаз, т.е. определяющее значение здесь имеют концентрации компонентов, тогда как ролью коэффициентов активности в пер-
вом приближении можно пренебречь. Результаты нашего исследования были получены независимо и согласуются с данными указанной работы. Однако детально эти результаты опубликованы не были. Они отличаются от [12] подходом и приложением к экспериментальным данным. В связи с этим представляется целесообразным изложить их более подробно.
ОСОБЕННОСТИ ПОВЕДЕНИЯ КРИВЫХ СТАБИЛЬНОСТИ АМФИБОЛА
Поведение амфибола в расплавах, как и других водных фаз, существенно отличается от поведения безводных силикатов. Часто наличие в породах амфибола связывают с водным характером соответствующих магм, а его отсутствие приписывают низким концентрациям в них воды. В общем случае это неверно, так как устойчивость амфибола зависит не только от наличия в магматической системе достаточного количества воды, но и от целого ряда других параметров [2, 4-6, 11, 14, 25]. Прежде всего, это - общее давление, состав флюидной фазы и температура. Большое значение имеют также состав расплава и окислительно-восстановительный режим в магме. Для стабильности амфибола в эво-люционированных членах островодужных серий (андезитах - риолитах) определяющее значение имеет общее давление, при котором происходит кристаллизация вкрапленников, так как в ходе эволюции в таких магмах накапливаются достаточные количества воды. Другими словами, возможность появления пород с амфиболом на конкретном вулкане зависит, прежде всего, от глубины питающего его магматического очага. Чтобы более убедительно показать это, рассмотрим основные особенности
Р = СОШ1
ь / / 1 Ь + V / /
АшрЪ / АшрЪ + Ь + V
[ ___ __ —-
/ Солидус
Р
с
^шах
Н2О в системе, вес. %
Т
Рис. 1. Схематические кривые устойчивости амфибола (ЛшрИ): а - кривая стабильности амфибола в расплаве при постоянном общем давлении (Р); б - Р-Т кривая стабильности ЛшрИ в водонасыщенных условиях (Рн 0 = Р). ^ - расплав, V - пар, Рн о - давление воды, Тшах - максимальная температура устойчивости амфибола в расплаве в изобарических (а) и водонасыщенных (б) условиях, Сшах - концентрация воды в точке изобарического максимума стабильности амфибола, Ршщ и Ршах - минимум и максимум стабильности амфибола в расплаве по давлению.
влияния давления, температуры и режима воды на стабильность амфибола.
Общий вид области устойчивости амфибола (ЛшрИ) показан на рис.1а, б в Р-Т и Т-Н20 координатах. В отличие от безводных фаз, имеющих в Н20-недосыщенных и водонасыщенных условиях температурный минимум на Р-Т кривых плавления, кривая стабильности амфибола в водонасыщенных условиях имеет температурный и барический максимумы (рис. 1а). Так, в андезитовой магме амфибол нестабилен при температурах выше ~950-970°С [2, 11, 14, 25, 26] и давлениях, превышающих ~18-20 кбар [5]. Кроме того, существует минимальное предельное давление кристаллизации амфибола из расплава, которое определяется пересечением кривой стабильности амфибола с солидус-ной кривой. Для андезитовых и более кислых расплавов в условиях насыщения водой (при РН 0 = Робщ) это давление находится по разным данным в интервале 0.5-1.5 кбар, т.е. на глубинах >2-4.5 км [2, 25-27]. При более низких давлениях амфибол нестабилен в магмах, независимо от количества воды в системе, и может иметь лишь вторичное, постмагматическое, или метаморфическое происхождение. В природных магмах кристаллизация роговой обманки протекает при температурах существенно выше солидуса, так как доля вкрапленников в вулканических породах с амфиболом, как правило, составляет не более 30-40%. Кристаллизация амфи-
бола в таких магмах могла происходить при более высоких давлениях, чем следует из пересечения его кривой устойчивости с солидусом. Минимальное давление, при котором могла происходить кристаллизация пород с амфиболом, увеличивается до 2-3 кбар (что соответствует глубинам ~6-9 км). Если помимо воды в магме присутствует С02, то линия солидуса будет располагаться выше по температуре, чем для чисто водных (водонасыщенных) условий. Соответственно и давление, при котором соли-дус пересекается с кривой стабильности амфибола, будет выше.
При постоянном давлении с ростом концентрации воды в расплаве температура устойчивости ЛшрИ сначала круто возрастает, достигает максимума, а затем может наблюдаться понижение температуры, в отличие от непрерывного падения температур ликвидуса безводных фаз [11, 14] (рис. 1а). Особенности этого явления были детально показаны в экспериментах на системе паргасит-вода-С02 [18]. Ранее этот эффект объяснялся по-разному. Одна из версий заключалась в возможной смене реакции, контролирующей устойчивость амфибола, с реакции гидратации на реакцию плавления по мере увеличения активности воды, так как вода производит на эти реакции противоположный эффект [11]. Согласно другому взгляду, в точке максимума содержание воды в амфиболе соответствует ее растворимости в расплаве при данных Р-Т условиях [18].
а
шах
ОБЩЕЕ УРАВНЕНИЕ И ЕГО АНАЛИЗ
Для описания поведения водной фазы в расплаве нами использовался подход к расплаву как к идеальному раствору, использованный ранее для описания устойчивости безводных фаз в водных расплавах. В общем виде уравнение кристаллизации минала М, входящего в состав амфибола ЛшрИ, можно представить как:
аЛЬ + ЬБЬ + ... + кКЬ + = МЛшр\
(1)
где ЛЬ, БЬ, ..., КЬ - окислы в расплаве (Ь) на однока-тионной основе; W- вода; а, Ь, ..., к, - стехиометри-ческие коэффициенты; ю - число частиц, которые образуются при растворении воды (от 1 до 2). Для компонента г в идеальном растворе (расплаве) активность равна мольной доле (X). Тогда константа равновесия реакции (1) выразится как:
1п К = 1п-
X
•Amph М
(Хл )а( Хб )Ь
( Хк )к (xw у
(2)
Согласно общепринятому подходу, зависимость константы равновесия реакции от температуры (Т, 0K) и давления (Р, бар) для конденсированных фаз (кристаллов и расплава) можно представить в виде:
л Р - 1
1п К = - + Б + С -— ТТ
(3)
где Л, Б и С - константы1. Для анализа устойчивости амфибола при постоянном давлении это уравнение можно упростить:
1п К =
Л + С (Р-1)
+ Б =
+ Б,
(4)
где ЛР = Л + С(Р - 1).
На основе уравнений (2) и (4), задавшись некоторым исходным расплавом в качестве точки отсчета, можно проанализировать влияние увеличения концентрации воды на температуру стабильности амфибола. Примем расплав с определенным количеством частиц воды Н0 за стандартный. Мольная доля компонента г в водном расплаве Хг выражается как
X; = И;/(п, + пк),
(5)
где п; - число молей (катионов) компонента г в расплаве, п, - общее число силикатных катионов в расплаве, п„ - число частиц воды в расплаве. Если к стандартному расплаву добавлено Н частиц воды, то
X; = п;/(п, + Н0 + Н ) = П;/(По + Н ) ,
(6)
1 Данная зависимость подразумевает, что (1) теплоемкость реакции АСр = 0, так что энтальпия (АНо) и энтропия (А5о) реакции не зависят от температуры и (2) объемный эффект реакции АУ0 не зависит от температуры и давления, т.е. Л = -ДЯ0/Л, Б = АБ0/Я, С = -АУ0/Я.
Xw = (Но + Н)/(п, + Но + Н) = (Но + Н)/(по + Н), (7) где по = п, + Но.
Пусть Ко - константа равновесия реакции (1) для стандартного расплава. Для упрощения последующего анализа примем допущение, что состав амфибола и силикатной части расплава не меняются с изменением концентрации воды в расплаве. Тогда из уравнений (2) и (6 и 7) получим выражение константы равновесия для расплава с другим содержанием вод
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.