ПЕТРОЛОГИЯ, 2004, том 12, № 1, с. 98-109
УДК 552.112; 553.212
КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ ПЛАГИОКЛАЗА ИЗ ГАВАЙИТОВОГО РАСПЛАВА В ЭКСПЕРИМЕНТЕ И В ВУЛКАНИЧЕСКОМ КАНАЛЕ
© 2004 г. Ä. Г. Симакин, Т. П. Салова
Институт экспериментальной минералогии РАН 142432 Черноголовка, Московская обл., Россия; e-mail: simakin@iem.ac.ru Поступила в редакцию 20.03.2003 г.
Различными методами изучена кристаллизация плагиоклаза из водосодержащего гавайитового расплава. Показано, что температура метастабильного ликвидуса (температура равновесия плагиоклаза с расплавом исходного состава) при Рщ0 = 600 бар и f 0^ = NNO составляет 1070 ± 5°С, что на 20-25°С выше величины, рассчитанной с помощью кода MELTS. Скорость роста плагиоклаза при переохлаждении 10-15° составляет около 1.5 х 10-5 см/с. Показано, что содержание железа в плагиоклазе растет при увеличении переохлаждения. В закалочных лейстах плагиоклаза оно доходит до 23.5 мас. % FeO. В условиях перекристаллизации железо входит в состав новообразованного плагиоклаза в количестве около 0.5 мас. %, т.е. на уровне содержания железа в интрузивном плагиоклазе затравок. Плагиоклазы, выросшие при дегазации водонасыщенного гавайитового расплава, по содержанию железа (0.5-0.8 мас. % FeO) и альбита близки к природным плагиоклазам из лав вулкана Этна. Экспоненциальный участок распределения кристаллов плагиоклаза по размерам (CSD) в га-вайитах вулкана Этна в области примерно L < 0.6 мм, согласно нашим экспериментальным данным, может отвечать кристаллизации, сопряженной с дегазацией. Кристаллы могут достичь порогового размера за время подъема гавайитовой магмы от уровня насыщения водой до поверхности, т.е. за 3-5 ч. Нарастание плотности распределения кристаллов плагиоклаза может отвечать росту скорости их нуклеации при относительно низком переохлаждении за счет падения содержания воды в расплаве. Анализ ИК-спектров стекол гавайитов показал, что растворение воды при концентрации свыше 1 мас. % ведет к падению содержания полевошпатовых структурных единиц (четверных алюмокремневых колец) в расплаве.
Экспериментальные данные предоставляют базу для качественного и количественного анализа вулканического процесса. Динамика извержения в целом слагается из локального взаимодействия течения, дегазации и кристаллизации магмы. Для анализа и моделирования вулканического процесса важно знать и растворимость летучих компонентов в магме, и диаграмму плавкости для конкретного состава породы, и скорости фазовых превращений.
Наши экспериментальные исследования (Бь шакт й а1., 1999; Симакин и др., 1998; 2003) касаются дегазации и кристаллизации гавайитов вулкана Этна. Гавайит является умеренно щелочной вулканической породой. Гавайитовые лавы - характерный продукт вулканизма во внутриплит-ных условиях и в горячих точках, при современных извержениях самых продуктивных в мире вулканов Килауэа (Гавайи) и Этна (Сицилия) преобладают гавайитовые лавы. Самый большой активный вулкан в Европе - Этна расположен в локальной зоне растяжения (тектоническом окне) у границы апеннинской аккреционной призмы (Ьо§1юш й а1., 2001). Его практически непрерывная активность и необычайно высокое содержание летучих компонентов объясняются механиз-
мом генерации магмы с участием флюидного компонента, высвобождаемого из погружающейся в зоне субдукции Ионической плиты (Metrich et al., 1993). Эволюция состава лав Этны от субщелочного к натровому щелочному и, со временем, к щелочным породам калиевой спецификации (Schiano, 2001; Tonarini et al., 2001) также связывается с участием корового материала из погружающейся Ионической плиты.
Последние два столетия лава Этны характеризуется почти постоянным гавайитовым составом. Порфиритовый индекс лав никогда не превосходит 35% и бывает даже ниже 15% (Armienti et al., 1988). Среди вкрапленников преобладают плагиоклаз, клинопироксен и оливин. В основной массе рассеяны многочисленные микрокристаллы ти-таномагнетита и незначительное количество апатита (Armienti et al., 1997; Tonarini et al., 1995).
Экспериментально диаграмма плавкости гавайитов при малых давлениях изучена очень слабо, можно назвать лишь три работы (Trigila et al., 1990; Metrich, Rutherford, 1998; Симакин и др., 2003). Мы продолжили исследование диаграммы плавкости в этой системе в условиях, близких к условиям насыщения гавайитовой магмы водой
при извержении вулкана Этна: содержание воды 2.3 мас. %, давление 600 бар, летучесть кислорода около NNO. Отдельные экспериментальные данные интересны как контрольные для проверки и калибровки термодинамических моделей, предназначенных эти данные интерполировать и экстраполировать. Наиболее удобной и надежной системой для термодинамического моделирования кристаллизации основных расплавов является модель и код MELTS, разработанные Гиорзо и Саксом (Ghiorzo, Sack, 1995). Некоторым неудобством при использовании этого кода по сравнению с кодом COMAGMAT (Ariskin et al., 1987) является то, что необходимо либо устанавливать операционную систему UNIX (LINUX), либо работать с on-line Интернет-версией программы, что компенсируется универсальностью и более проработанной термодинамической базой MELTS. Вместе с тем верификация этого кода для расчетов равновесной кристаллизации конкретно магм гавайитового состава необходима, поскольку известны случаи неточного прогноза (Putirka, 1999).
Кристаллизация и дегазация магматических расплавов в вулканических процессах протекают относительно быстро в неравновесных условиях. Кинетические факторы сказываются на составе кристаллических фаз, который отклоняется от равновесного. Скорости роста и зарождения кристаллов в зависимости от содержания воды в расплаве и величины переохлаждения в конечном счете определяют их распределение по размерам. Исследуя состав кристаллов магматических минералов и их распределение по размерам в вулканических лавах, можно восстановить динамические параметры вулканической активности: скорость подъема магмы в канале, время пребывания в промежуточной камере. Известные попытки интерпретации распределения кристаллов по размерам часто носят формальный характер, основанный на аналогии с закономерностями промышленной массовой кристаллизации из растворов (Marsh, 1988). Кристаллизация силикатных систем, представляющих интерес для петрологии, существенно отличается от промышленных водных. Как будет показано ниже, не формальный, только по размерам, а содержательный анализ процесса кристаллизации говорит о неадекватности попыток прямого переноса моделей химической технологии в геологию.
Кристаллизация клинопироксена из гавайитового расплава описана в предыдущей работе (Си-макини др., 2003). В данной работе приводятся результаты определения метастабильного ликвидуса плагиоклаза и сравниваются с оценками по программе MELTS. Оценены скорость роста плагиоклаза и количество железа, входящего в его состав, при различных степенях переохлаждения. Описана кристаллизация плагиоклаза за счет де-
газации расплава при сбросе давления от 600 до 100 атм. Распределение по размерам кристаллов плагиоклаза в лавах вулкана Этна (Сицилия) интерпретировано исходя из экспериментальных данных.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Затравочная методика. В нашей работе мы использовали затравочную методику. В этом методе в изучаемый расплав помещаются кристаллы фаз, которые входят при некоторых температурах в равновесный парагенезис. В том случае, если температура опыта ниже равновесной, происходит обрастание затравки фазой аналогичного типа (оливиновой затравки - оливином, плагиок-лазовой - плагиоклазом и т.п.). При этом затравка изолируется от расплава и не способна повлиять на его состав. Если же температура опыта оказывается выше температуры равновесия, происходит растворение затравки. Характер растворения может зависеть от типа затравки и во всех случаях сильно меняет состав изучаемого расплава. Сходным образом изучали равновесие В. Ио-ханес и Ф. Хольц (Johannes, Holtz, 1996), помещая кристаллы плагиоклаза в гранитный расплав и наблюдая реакционную зону на границе. Если изучаемая фаза не появляется первой на ликвидусе, то наблюдаемая температура начала обрастания является так называемой температурой метастабильного ликвидуса. При равновесной (фракционной) кристаллизации происходит предварительная кристаллизация одной или нескольких фаз и состав расплава изменяется. При затравочной методике наблюдается метастабильное равновесие такой фазы с расплавом близким к исходному составу.
Особенностью метастабильного продолжения ликвидуса является его меньшая зависимость от малых вариаций состава расплава, тогда как при равновесной (фракционной) кристаллизации небольшие изменения в составе расплава способны сильно изменить температуры появления и даже порядок появления поздних фаз, поскольку они контролируются всем ходом кристаллизации. В последнем случае можно ошибочно сделать вывод о плохой аппроксимации данных термодинамической моделью, тогда как это может быть вызвано плохой обусловленностью системы. Однако главным достоинством обсуждаемого подхода является возможность попутного получения кинетических данных. При массовой кристаллизации размер кристаллов ограничен доступным пространством ростовой среды. Надежно кинетически обусловленная скорость роста устанавливается лишь в условиях свободного роста кристаллов на затравки до начала массовой объемной кристаллизации.
Таблица 1. Состав экспериментальных стекол (мае. %)
Компоненты HE-11 Исх.2 35 35 43 43 41 41 47 45 45
SiO2 47.75 49.36 49.51 49.19 44.20 45.69 47.22 43.32 43.40 44.27 50.06
TiO2 1.72 1.87 1.75 1.76 3.14 2.39 2.44 3.11 2.92 2.42 1.83
A12O3 17.09 16.80 16.96 17.17 7.27 9.53 9.75 8.94 11.13 12.51 15.90
Fe2O3 3.75 2.39 - - - - - - - - -
FeO 6.77 7.56 8.89 8.68 14.96 11.81 12.61 13.74 10.30 12.76 8.91
MnO 0.17 0.21 0.14 0.28 0.33 0.32 0.27 0.45 0.35 0.13 0.11
MgO 5.53 5.42 3.94 4.43 1.55 1.23 1.40 1.08 1.28 2.62 4.67
CaO 10.39 10.40 10.40 10.33 18.84 19.28 15.39 17.73 19.05 13.26 9.97
Na2O 3.10 3.94 3.76 4.27 1.51 1.19 1.34 1.03 1.30 2.62 4.67
K2O 2.05 2.03 2.09 2.11 0.17 0.19 0.66 0.28 0.23 0.92 1.91
P2O5 0.55 Не опр. 0.69 0.60 1.33
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.