ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2004, № 1, с. 37-41
УДК 550.382.3+552.13+549.02
ФЕРРИМАГНИТНЫЕ МИНЕРАЛЫ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЫСОКОЖЕЛЕЗИСТЫХ СИЛИКАТОВ, КРИСТАЛЛИЗУЮЩИХСЯ
ПРИ ВЫСОКИХ РТ
© 2004 г. Ю. С. Геншафт1, В. А. Цельмович2, А. К. Гапеев2
1Институт физики Земли им. Г.А. Гамбурцева РАН, г. Москва 2Геофизическая обсерватория "Борок" ОИФЗ им. О.Ю. Шмидта РАН, пос. Борок Ярославской обл.
Поступила в редакцию 26.12.2002 г.
Изучены магнитные характеристики продуктов кристаллизации высокожелезистых, обогащенных титаном силикатных систем при высоких РТ, а также после их последующего прогрева в разных окислительных условиях при давлении 1 атм. Приведены основные особенности кристаллизации ферримагнитных минералов в экспериментах. Термомагнитный анализ образцов показал, что большинство из них содержат несколько ферримагнитных фаз, наиболее характерными являются фазы с Тс около 200-250°С и 570°С. Для большинства изученных образцов вклад низкотемпературных фаз в 18 возрастает при последующих нагревах в термомагнитометре. Установленные изменения в составах ферримагнетиков (по точкам Кюри) и в величинах намагничивания образцов после нагрева до 700°С в термомагнитометре позволяют предположить воздействие двух основных процессов: регомогенизацию распавшихся твердых растворов и окисление, приводящее к росту низкотитанистых феррошпинелей, впоть до чистого магнетита.
Экспериментальные исследования кристаллизации силикатных систем с повышенными концентрациями оксидов железа и титана при высоких давлениях и температурах выявили существенное влияние как физико-химических параметров, так и валового химического состава систем на образование различных ферримагнитных минералов [Геншафт и др., 1999; 2000; 20016; 2002; Цельмович и др., 1997]. Важный результат проведенных экспериментов состоял в установлении кристаллизации высокотитанистой феррошпинели с повышенными содержаниями оксидов магния, алюминия, хрома в ультраосновных системах при РТ условиях верхней мантии [Геншафт и др., 20016; 2002]. В восстановительных условиях также кристаллизовалось металлическое железо и его твердые растворы с никелем [Геншафт и др., 2001а]. Это означало, что такие фазы, наряду с пикро-ильменитом, могли быть источником сильно магнитных минералов - низкопримесных титаномаг-нетитов, магнетитов, ильменитов - при попадании аналогичных по составу изученным системам глубинных пород в окислительные условия земной коры. Поэтому представляет большой интерес изучение магнитных характеристик продуктов кристаллизации силикатных систем при высоких РТ, а также после их последующего прогрева в разных окислительных условиях при давлении 1 атм.
ИЗУЧАЕМЫЕ ОБРАЗЦЫ
Изучались продукты кристаллизации смесей различных по составу горных пород (пикритовый и щелочной базальты, перидотит, серпентинизи-рованный и карбонатизированный кимберлит) с ильменитом, кальцитом, графитом, металлическим железом в различных соотношениях по массе при давлениях от 15 до 50 кбар и температурах до 1600°С в аппаратах высокого давления типа "чечевица" и "тороид" [Геншафт, 1977] (таблица). Схема проведения экспериментов была изложена ранее [Геншафт и др., 1999]. Составы минеральных фаз изучались на рентгеноспектральном микроанализаторе "СатеЬах" по описанной методике [Геншафт и др., 1995].
Во всем изученном интервале давлений, как отмечено выше, установлена кристаллизация пи-кроильменита, высокотитанистой феррошпинели, металлического железа и его сплавов с никелем (N1 перераспределяется из оливина в металлическую фазу). Тип оксидных и металлических фаз определяется валовым составом системы, летучестью кислорода и РТ параметрами.
Отметим основные особенности кристаллизации ферримагнитных минералов в экспериментах.
Эксперименты при высоких РТ с последующим отжигом образцов при Т = 1000°С и атмосферном давлении
№ 210. Просмотр образца после выдержки при высоких РТ на сканирующем электронном мик-
38
ГЕНШАФТ и др.
Условия экспериментов при высоких РТ, образцы которых изучены на термомагнитометре
№ опыта Состав шихты P, кбар T, °С t, мин
160 Б349 + 20%Fe + 20%Il 43 max 18
196 Б349 + 20%Fe + 10%Il 37 max 40
197 Б349 + 20%Fe + 20%Il 37 max 40
205 P-360 + 20%Fe + 20%Il 37 1450 6
207 P-360 + 20%Fe + 20%Il 50 1300 20
210 P-361 + 20%Fe + 20%Il 37 1450 40
301 Ол-52 + 20%Il + 20%C 30 max 40
302 Ол-52 + 10%Il + 10%C 31 max 40
303 Ол-52 + 20%Il + 20%C 31 max 40
304 Ус207 + 20%Il + 20%C 31 max 40
305 Ус207 + 20%Il + 20%C 17 max 120
306 C + 20%Fe 37
307 C + 20%Fe 17
308 Б349 + 20%Il + 20%CaC03 37 max 40
309 Б349 + 20%Il + 20%CaC03 17 max 40
310 Б349 + 20%Il + 20%CaC03 25
Б349 - пикритобазальт, Р-360 - гранатовый перидотит, Р-361 -перидотит карбонатизированный, Ол-52 - кимберлит серпен-тинизированный, Ус207 - кимберлит карбонатизированный.
роскопе и изучение минеральных фаз методом РСМ показали отсутствие новообразованных фер-римагнетиков. После отжига в атмосферных условиях в образце сохранены реликтовые обломки ильменита и Fe, по краям которых образуется Fe-шпинель. Наблюдаются шпинели с разным содержанием TiO2 (от 2.4 до 30 и более мас. %). Содержание MgO колеблется от 5.5 до 10 мас. %. На контакте c ильменитом обнаружена зональная шпинель: по мере приближения к ильмениту содержание TiO2 возрастает от 11 до ~36 мас. %, т.е. до практически чистой ульвешпинели. В другом случае в пределах зерна наблюдался переход от содержания TiO2 ~ 4.5 мас. % до 28 мас. %.
№ 207. Образец после выдержки при высоких РТ содержит обломки ильменита и Fe, проплавленные частицы Fe в горячей зоне. После отжига в образце вокруг зерен Fe наблюдается переход от ильменита к высокотитанистой феррошпине-ли (23-28 мас. % TiO2).
№ 205. Минеральные изменения полностью подобны тем, которые наблюдались в предыдущем
случае (№ 207). Содержание TiO2 в феррошпине-
лях составляет ~28-34 мас. %.
№ 197. После выдержки при высоких РТ в образце много стекла, шарики Fe, новообразованные гранат, клинопироксен, ильменит, в относи-
тельно холодных зонах реликты ильменита и Бе. После отжига, возможно, в стекле образовались субмикроскопические зерна титаномагнетита и ильменита.
№ 196. Наблюдения идентичны тем, которые относятся к предыдущему образцу.
№ 310. В образце установлены низкотитанистая высокоглиноземистая феррошпинель (ТЮ2 < < 2.5 мас. %), перовскит, высокомагнезиальный пикроильменит (MgO ~16.8 мас. %).
№ 308. Среди рудных фаз определены низкотитанистая высокоглиноземистая феррошпинель и высокотитанистый высокомагнезиальный титано-магнетит (ТЮ2 ~ 23 - 27 мас. % и MgO ~ 18 мас. %). Размер титаномагнетитов <5 мкм.
№ 306. Данные РСМ позволяют допустить образование карбидных и оксидных фаз железа переменного состава.
№ 305. В образце определена феррошпинель с необычайно высокими содержаниями MgO (3426 мас. %), ТЮ2 (23-36 мас. %) и крайне низким -А1203 (1.5-11 мас. %).
№ 160. После опыта при высоких РТ в образце установлена низкотитанистая высокоглиноземистая Бе-шпинель. В стекле много выделений мелкой ТьБе-шпинели.
Следует отметить, что во многих образцах можно наблюдать тонкие структуры распада твердого раствора ильменита с выделением ламеллей шпинельной фазы. В совокупности с приведенными для различных опытов составами минеральных фаз такая минералогия экспериментальных образцов предопределила особенности их магнитных характеристик.
МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА
Изучены магнитные характеристики продуктов кристаллизации. Из-за крайне мелких размеров образцов (не более 2-3 мм) для измерений намагниченности насыщения 18 использованы магнитные весы, предназначенные для выявления ферримагнитных фракций в малых количествах вещества горных и осадочных пород (масса 0.5-3 г). Прибор представляет собой вибромагнитометр конструкции Ю.К. Виноградова, работающий в постоянном магнитном поле ~4 кЭ в диапазоне температур от комнатной до 700°С. Термомагнитный анализ образцов показал, что большинство из них содержат несколько ферримагнитных фаз, наиболее характерными являются фазы с Тс около 200-250°С и 570°С. Магнетит появляется при нагреве, вклад низкотемпературных фаз в 18 для большинства изученных образцов возрастает при последующих нагревах в термомагнитометре. Аналогичные результаты получены на образцах, дополнительно прогретых при температуре
0.0010 0.0008 0.0006 0.0004 0.0002
0.0025
0.0020
0.0015
0.0010
0.0005
0
_|_I_I_I_I_I_I_I
200 400 600 800
0
J_I_I_I_I_I_I_I
200 400 600 800
Рис. 1. Термомагнитные кривые Ь(Т) образца из опыта № 301 в двух последовательных нагревах: (а) - первый нагрев, (б) - второй нагрев.
0.008
0.006
0.004
0.002
0
0.006
0.004
0.002
200 400 600 800
0
200 400 600 800
Рис. 2. Термомагнитные кривые Ь(Т) смеси Б349 + 20%11 + 20%С в двух последовательных нагревах. (а) - первый нагрев, (б) - второй нагрев.
1000°С в течение 1 часа в печи СУОЛ. В последовательных циклах "нагрев - охлаждение" в термомагнитометре общая намагниченность изучаемых образцов обычно падала, за исключением образцов смесей, содержащих кальцит, где в процессе нагрева образуется магнетит.
После экспериментов с шихтой Бе + С при Р = = 37 кбар выявляется только одна фаза с Тс = = 570°С, тогда как в этой шихте, обработанной при давлении Р = 15 кбар, можно определить фазы с Тс около 200°С (карбидная фаза) и образуется небольшое количество магнетитовой ферриш-пинели с Тс = 570°С.
Исключая некоторые эксперименты со смесями, содержащими СаСО3, повторные нагревы приводят к уменьшению общей намагниченности образцов. В опыте № 309 идет активное образо-
вание магнетитовой фазы, а вклад низкотемпературной фазы уменьшается.
Присутствие в образцах ферримагнетиков с низкими точками Кюри подтверждается результатами изучения состава рудных минералов на микроанализаторе.
Характерный вид многофазных термомагнитных кривых двух последовательных нагревов в термомагнитометре, показывающих увеличение вклада низкотемпературных фаз в намагниченность образца (№ 301), приведен на рис. 1. На рис. 2 приведены кривые двух последовательных нагревов смеси пикритобазальт 349 + 20% II + 20% графит, показывающих рост доли высокотемпературной фазы. Практически
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.