ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2008, № 10, с. 35-39
УДК 537.6+553.2
ГОРНЫЕ ПОРОДЫ И МИНЕРАЛЫ КАК ОБЪЕКТЫ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
© 2008 г. Ю. С. Геншафт1, А. К. Гапеев2, С. К. Грибов2, В. А. Цельмович2
1Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва 2Геофизическая обсерватория "Борок", ИФЗ им. О.Ю. Шмидта РАН, пос. Борок (Ярославская обл.)
Поступила в редакцию 14.05.2008 г.
Представлены результаты изучения комплекса петрофизических свойств и минералогии различных по условиям образования и составам горных пород, минералов и модельных объектов. Исследованы петро- и палеомагнитные характеристики образцов горных пород и проведены эксперименты по моделированию процессов кристаллизации ферримагнитных минералов в широкой области давлений и температур. Изучены минералы горных пород разного генезиса и возраста (магматические и метаморфические породы, ксенолиты и мегакристаллы), проведены реконструкции физико-химических условий их образования. Оценены окислительно-восстановительные режимы существования пород, глубинность магматических очагов, роль вторичных, наложенных процессов метасоматоза и метаморфизма в изменении физических свойств глубинного вещества Земли. Показано большое значение структурного фактора в формировании магнитных свойств оксидов железа. Минеральная геотермобарометрия позволила оценить глубинное распределение температуры, летучести кислорода под вулканически активными областями.
Ключевые слова: магнетизм горных пород, титаномагнетиты, ильмениты, гидроокислы железа, ме-тахронная намагниченность.
РЛС8: 91.25.F-
Последние десятилетия знаменуют все большее интегрирование результатов изучения свойств недр Земли и протекающих в них процессов геофизическими и "геологическими" методами (изучение упруго-плотностных характеристик, аномалий гравитационного, теплового, магнитного полей, добротности, блокового строения земной коры и мантии, изотопно-геохимических, минералогических, структурно-текстурных характеристик горных пород, их деформационных свойств; моделирование свойств и поведения вещества Земли при высоких РТ параметрах и др.). Представления о плюмах как источниках мантийных магм, сохранивших изотопно-геохимический облик первичного вещества нашей планеты и поднимающихся к верхам мантии из слоя Б" (область перехода от нижней мантии к жидкому ядру), подкреплены данными сейсмической томографии, выявляющими относительно высокоскоростные и низкоскоростные области мантии. Гравитационные аномалии и сейсмические границы в глубинах Земли находят объяснение в рамках фазовых превращений минералов, химико-минерального состава глубинного вещества и процессов вторичного преобразования пород под действием метасоматических и метаморфических процессов в динамическом поле напряжений и деформаций глубинной среды.
В ГО "Борок" в эти годы проводилось изучение комплекса петрофизических свойств и минералогии различных по условиям образования и составам горных пород, минералов и модельных объектов. Значительную долю в этих работах составляли исследования петро- и палеомагнитных характеристик образцов горных пород и эксперименты по моделированию процессов кристаллизации ферримагнитных минералов в широкой области давлений и температур. Результаты этих исследований опубликованы в научных журналах, материалах различных конференций и симпозиумов. В данной работе приводятся основные полученные результаты, которые, по нашему мнению, помогают лучше понять природу формирования свойств вещества верхних оболочек Земли, отвечающих за физические поля планеты. Так как многие результаты неоднократно публиковались [Геншафт и др., 1995; 1998; 1999; 2003 и др.], основные выводы приводятся в краткой форме.
В группу ферримагнитных минералов в первую очередь следует отнести феррошпинели (твердые растворы на базе магнетита и ульвошпинели), ильменит, гетит, сульфиды железа [Печерский, Ген-шафт, 2002]. В магматических породах основного и кислого составов наиболее распространены феррошпинели и ильменит. Магнитные свойства последних сильно зависят от их химического состава.
35
3*
T1Ü2 40 г
"Ь
а А Х хХ
9 о
Х <&
2_1° " 1° "l ° i_l_
j_i_i_i
100
FeÜ*
oj x2 a3 U4 -5 ▼ 6 -7 18
Рис. 1. Соотношение оксидов Бе и Т (все железо в виде БеО*), мае. %, в шпинелях. Разными значками показаны горные породы, на основе которых готовились исходные смеси, и давления кристаллизации, кбар: 1 - ЩБ, 50; 2 - ЩБ, 15; 3 - ПД, 15; 4 - КК, 15; 5 -КК, 50; 6 - КК, 31; 7 - СК, 15; 8 - СК, 50.
Наиболее высокими магнитными характеристиками обладает магнетит, тогда как увеличение в твердом растворе ульвошпинели (т.е. увеличение содержания в составе минерала ТЮ2) приводит к заметному снижению магнитной восприимчивости, естественной остаточной намагниченности. Для ильменита долгое время господствовало представление, что его магнезиальность, т.е. вхождение в твердый раствор гейкилита (М§2ТЮ4), в первую очередь зависит от глубины (или давления) кристаллизации. Эта точка зрения подкреплялась находками пикроильменита (ильменит с высоким содержанием М§О) в наиболее глубинных магматических образованиях - кимберлитах. Поэтому был выполнен цикл исследований при высоких РТ параметрах по выяснению условий формирования твердых растворов ферримагнит-ных минералов разного состава. Эксперименты проводились на распространенной аппаратуре высоких давлений и температур типа "чечевица" и "тороид" (твердосплавные наковальни с лункой) и "поршень-цилиндр" [Геншафт, 1977] до давлений 60 кбар и до температуры 1500°С. Составы кристаллизующихся минеральных фаз определялись методом рентгено-спектрального микрозондирования.
Уже первые результаты экспериментальных исследований кристаллизации феррошпинели из силикатных расплавов до давления 10 кбар показали, что рост давления приводит к увеличению доли ульвошпинели в твердом растворе титано-магнетита при одновременном росте содержания МпО и снижении М§О, Сг2О3, А12О3 [Геншафт,
Саттаров, 1982]. В последующих работах было установлено, что титаномагнетит с относительно низким содержанием примесных элементов кристаллизуется только до давления около 25 кбар, а дальнейший рост давления до 50 кбар приводит к образованию феррошпинели с переменной концентрацией титанистой составляющей и росту содержаний MgO, Cr2Ü3, Al2Ü3 (рис. 1). Этот результат был получен при изучении различных по составам пород и, по-видимому, отражает взаимодействие расплавов с различными флюидными (расплав-ными?) составляющими [Геншафт и др., 2003]. Полученные данные хорошо коррелируют с минералогией горных пород из различных глубинных уровней. Так, титаномагнетит обнаруживается во всех магматических образованиях, рас-кристаллизованных в пределах земной коры. В мантийных ксенолитах ультраосновного состава шпинелевой и гранатовой фаций глубинности обнаруживается только высокохромовая шпинель с пониженным содержанием TiÜ2 [Геншафт и др., 1987]. При этом было показано, что независимо от кислотности расплава магматические породы формируются в узком интервале окислительных условий - вблизи буферов QFM и NNÜ [Геншафт, 2006]. С увеличением глубин кристаллизации пород в верхней мантии происходит постепенный сдвиг в сторону более восстановительных параметров, вплоть до буфера WI [Кадик, 2006]. Отметим, что изучение собственной летучести кислорода в минералах перидотитов и в мегакристал-лах силикатных фаз и пикроильменита из щелочных базальтов и кимберлитов дает не столь ясную картину в глубинном распределении летучести кислорода [Жаркова, Кадик, 2007; Жаркова и др., 2007]. Вероятно, авторы этих публикаций справедливо отмечают большую роль состава флюидов в изменении глубинного распределения летучести кислорода и соответствующего вторичного преобразования химического и минерального составов горных пород в геологической истории Земли.
Для проверки сделанных ранее некоторыми авторами выводов о роли давления в кристаллизации высокомагнезиального пикроильменита были выполнены эксперименты при высоких РТ параметрах, показавшие определяющее влияние магнези-альности пород и окислительного режима на вхождение в твердый раствор гейкилита (рис. 2) [Геншафт и др., 2000].
На примере щелочного базальта было показано влияние давления (в интервале 15-27 кбар) на состав кристаллизующегося титаномагнетита. Рост давления привел к сильному сокращению концентрации TiÜ2 (от 25 до 14 мас. %) и соответствующему росту содержаний Al2O3, Cr2O3, MgÜ, NiÜ (рис. 3 и рис. 4) [Геншафт и др., 2007].
0
Поскольку в осадочных породах гидроокислы железа играют важную роль, был выполнен цикл исследований по образованию гематита (а-Ре203) и маггемита (у-Ге203) при дегидратации гетита (а-ГеООИ) и лепидокрокита (у-Ге00И) [Гапеев, Грибов, 20066; 2007; 2008; Гапеев и др., 2006]. В ходе этих магнитноминералогических превращений в геомагнитном поле возникает метахронная компонента естественной остаточной намагниченности химического происхождения, в значительной степени определяющая намагниченность осадочных пород в зонах гипергенеза. Проведенные исследования показали, какое большое значение в формировании магнитных свойств оксидов железа играет структурный фактор при одном и том же химическом составе исходного минерала. Если преобразование гетита происходит достаточно просто с четкими зависимостями величин магнитных характеристик от температуры и размера зерен, то в случае лепидокрокита образование маггемита с последующим переходом в гематит обусловлено сложными трансформациями связей О-Н-.. .О и Ге-ОИ, образованием промежуточных модификаций маггемита и кинетическими факторами дегидратации. Во всех случаях активность процессов перехода и уровень формирования магнитных характеристик сильно зависят от размера зерен. Эти исследования ставят задачу выяснения условий стабилизации истинно равновесного и псевдоравновесного состояния ферримагнетиков. К этой проблеме также приводят исследования равновесной смесимости в системе магнетит-ульвошпи-нель при различных температурах. Анализ опубликованных данных показывает значительное расхождение в полученных значениях равновесных составов твердых растворов в интервале температур 350-450°С. Однозн
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.