научная статья по теме ДИАГРАММЫ РАВНОВЕСИЯ ТРЕХКОМПОНЕНТНЫХ СИСТЕМ КАК ОСНОВА ДЛЯ РАССМОТРЕНИЯ МЕТАСОМАТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ Геология

Текст научной статьи на тему «ДИАГРАММЫ РАВНОВЕСИЯ ТРЕХКОМПОНЕНТНЫХ СИСТЕМ КАК ОСНОВА ДЛЯ РАССМОТРЕНИЯ МЕТАСОМАТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ»

ПЕТРОЛОГИЯ, 2004, том 12, № 4, с. 439-448

УДК 550.4

ДИАГРАММЫ РАВНОВЕСИЯ ТРЕХКОМПОНЕНТНЫХ СИСТЕМ КАК

ОСНОВА ДЛЯ РАССМОТРЕНИЯ МЕТАСОМАТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

© 2004 г. Е. Б. Трейвус

Институт Земной коры при Санкт-Петербургском государственном университете 199034 Санкт-Петербург, Университетская наб., 7/9, Россия; e-mail: dido@ak2244.spb.edu Поступила в редакцию 29.07.2002 г.

Детализированы и уточнены фазовые диаграммы трехкомпонентных систем и на их основе проведен анализ хода метасоматизма. Показано, что кристаллизационное давление не является первопричиной этого процесса. Развиты представления об условиях равнообъемного замещения при метасоматизме. Сделан вывод, что растворение полиминеральной породы должно сопровождаться процессами замещения в ней.

Впервые Д.С. Коржинский (1953) использовал изотермо-изобарические фазовые диаграммы трехкомпонентных систем, содержащих растворитель (воду) и два солевых компонента, в качестве основы для анализа метасоматических явлений инфильтрационного характера. Позднее результаты своих исследований в этой области он подытожил в монографии, опубликованной в 1982 году и переизданной в сборнике его трудов (Коржинский, 1993). В применении подобных диаграмм для изучения метасоматических явлений состоит его большая заслуга. Действительно, данные процессы можно понять только на их основе (Трейвус, Рожнова, 1962; Гликин, 1995а, 19956). Привлечение указанных диаграмм должно помочь в первую очередь при анализе метасомати-ческой зональности, исследование которой сохраняет свою очевидную актуальность (Жариков и др., 1998).

Описанный подход к рассмотрению метасоматических процессов существует, таким образом, пятьдесят лет. Однако, насколько нам известно, обсуждение того, как Д.С. Коржинский строил упомянутые диаграммы и как трактовал метасо-матические процессы на их основе, до сих пор не проводилось. Уточнение и развитие только того аспекта его многогранной теории метасоматизма, который связан с использованием указанных диаграмм, и является предметом данной статьи. Причем мы отойдем от представлений о метасо-матическом процессе как равновесном (или "квазиравновесном"), стремясь приблизить анализ этого процесса на основе фазовых диаграмм к реальной ситуации.

Задача пересмотра представлений о метасома-тическом процессе на основе таких диаграмм яв-

ляется тем более актуальной, что к настоящему времени расширились наши знания о термодинамике пересыщенных растворов, зарождении и росте кристаллов, кристаллизационном давлении.

Просачивание метасоматизирующего раствора обязано, очевидно, наличию градиента давления в массиве горной породы. Как известно, для каждых Р-Т условий имеется собственное положение линий фазового равновесия на фазовых диаграммах. Таким образом, в принципе для каждой точки горного массива должна быть "своя" фазовая диаграмма. Рисуя смещение фигуративной точки состава раствора на графике фазовых равновесий, обусловленное взаимодействием раствора с породой по мере движения жидкости сквозь толщу породы, следует, таким образом, рисовать и смещение указанных линий на этих графиках. Однако в дальнейшем будем считать, что градиент давления достаточен для того, чтобы обеспечить движение раствора, и в то же время не настолько велик, чтобы учитывать изменение положения линий на фазовых диаграммах (за исключением одного частного случая протекания метасоматического процесса в окрестности точки одновременного равновесия раствора с двумя твердыми фазами, называемой эвтонической точкой; этот случай будет обсуждаться ниже).

Излагаемый здесь анализ метасоматического процесса ограничивается случаем равенства ли-тостатического и флюидного давлений. Считаем также, что температура постоянна во времени и пространстве и термодиффузия отсутствует.

Рис. 1. Типичная диаграмма фазовых равновесий в трехкомпонентной системе, содержащей растворитель и два минеральных компонента, при отсутствии промежуточных соединений.

ЗАМЕЩЕНИЕ ИСХОДНЫХ МИНЕРАЛОВ НОВЫМИ

Образование одного минерала без реакции с компонентом раствора

Рассмотрим простейшую изотермо-изобари-ческую диаграмму, изображенную на рис. 1. На этой диаграмме по осям х и у откладываются концентрации двух солевых компонентов раствора. Начало координат отвечает чистой воде. В качестве меры концентрации удобно использовать единицы моляльности (моль на 1 кг Н20). Область составов, ограниченная кривыми линиями (линиями равновесия), соответствует растворам, ненасыщенным по обоим минералам; вне этих кривых расположены области составов растворов, пересыщенных соответственно по минералам а, в и а + в (далее, как правило, слово "минерал" для краткости будем опускать). Подобного рода диаграммы принято рассматривать в физической химии и термодинамике растворов (Микулин, Вознесенская, 1968). Не следует с ними смешивать внешне похожие диаграммы Скрейнемакерса. На последних поля точек за пределами области, очерченной линиями фазового равновесия, отражают не содержание солевых компонентов в жидкости, а состав данной системы в целом, представленной насыщенным раствором и находящимися с ним в равновесии твердыми фазами. Причем этот насыщенный раствор и твердые фазы образовались за счет одного и того же исходного пересыщенного раствора при постоянной массе растворителя (Викторов, 1972). Поэтому на диаграммах Скрейнемакерса, в отличие от рассматриваемых диаграмм, поля точек за пределами линий фазового равновесия представляют собой "области устойчивости" твердых фаз. Диаграммы Скрейнемакерса используются в практике химико-технологических расчетов. При их построении по осям х и у откладываются сум-

мы масс минеральных компонентов, находящихся в растворе, и масс соответствующих минералов, выпавших из данного раствора. Однако для наших целей такой подход является, очевидно, неудобным и в нем нет необходимости. Поэтому в дальнейшем будут рассматриваться диаграммы физико-химического типа.

Д.С. Коржинский объяснял замещение, например, а на в как результат различия их кристаллизационных давлений. Из его работы не совсем ясно, что он понимал под таким давлением. В связи с этим остановимся на понятии кристаллизационного давления. Это - такое давление, которое развивается в изохорических условиях в силу того, что при изобарическом процессе объем кристалла и окружающего его раствора больше объема исходной системы, существовавшей до возникновения кристалла (Трейвус, Пунин, 2002). Оно представляет собой превышение давления в системе над ее начальным давлением. Его частным случаем является давление, оказываемое растущим кристаллом на находящееся перед ним препятствие. Разумеется, для того, чтобы кристалл рос при наличии преграды и имел, таким образом, возможность создавать давление на нее, между ними должна быть пленка пересыщенной жидкости, в которую постоянно диффундирует вещество из окружающей жидкой среды. Кристалл, развиваясь за счет пересыщения, имеющегося в этой пленке, "сдавливает" ее. Причем различие в давлениях кристалла и находящейся под его воздействием пленки раствора не существует. Иначе говоря, кристалл при росте в присутствии препятствия "сдавливает" также и себя сам. При этом свободный раствор вокруг кристалла остается под прежним давлением. Поэтому кристаллизационное давление такого рода называется "однофазовым" ("направленным", "односторонним"). Оно проявляется, например, в способности кристалла поднимать положенный на него груз (Хаимов-Мальков, 1959; Керн, Вайсброд, 1966). Это давление описывается формулой Корренса, заново открытой Д.С. Коржинским (1951) и фигурирующей в его последующих работах.

Кристаллизационное давление возникает только после начала кристаллизации. Последнее, как хорошо известно, происходит только при наличии пересыщения. Поэтому анализ метасоматизма следует начинать не с рассмотрения указанного давления, а с установления того, как создается пересыщение относительно возникающего минерала. При этом, как легко понять из сказанного выше, кристаллизационное давление растворяющегося минерала вообще не возникает, или его можно рассматривать как "отрицательное кристаллизационное давление", как отрицательный вклад в общее изменение давления в системе в процессе метасоматизма. В каждый данный момент времени давления всех трех фаз

(жидкости и соприкасающихся с ней обоих минералов, замещающего и замещаемого) являются равными.

На физико-химических диаграммах составы растворов, расположенные в пределах угла, образованного продолжением линий равновесия фаз за эвтоническую точку (вблизи вершины этой точки), представляют собой область растворов, пересыщенных в отношении обеих минеральных фаз. Поэтому она рисуется иначе, чем на диаграммах Скрейнемакерса (Д.С. Коржинский, 1993). Продолжение линии растворимости каждого из минералов за эвтоническую точку Е - та же кривая растворимости, только в области растворов, пересыщенных по другой фазе. Как известно, это - линия концентраций, характеризуемая одним и тем же химическим потенциалом данного компонента (изоактивата). Обладать изломом в точке Е она не может. Это означало бы наличие резких (точечных) фазовых переходов второго рода при эвтоническом составе растворе. Однако в жидких средах возможны только размытые фазовые переходы второго рода. Они будут фиксироваться по изгибу изопотенциальных кривых, что должно быть следствием каких-то структурных перестроек в растворе. В окрестности эвто-нической точки наличие подобных перестроек ничем не мотивировано. Плавный переход линий растворимости за эту точку (рис. 1) предполагается в теоретических работах по термодинамике растворов (Микулин, Вознесенская, 1968) и установлен в эксперименте (Лилеев и др., 2001).

Области растворов, ограниченные сплошными и пунктирными линиями на рис. 1, - это пересыщенные метастабильные растворы, в которых спонтанное зарождение кристаллов практически не имеет места. Массовое зарождение кристаллов начинается в растворах, составы которых расположены на пунктирной линии. Выше нее растворы являются лабильными (не существуют). Напомним, что теоретически эта линия отвечает нулю производной химического потенциала кристаллизующегося

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.

Показать целиком