ПЕТРОЛОГИЯ, 2007, том 15, № 3, с. 241-256
УДК 552.4.552.6
ВЫСОКОБАРИЧЕСКИЕ ПОЛИМОРФНЫЕ МОДИФИКАЦИИ НЕКОТОРЫХ МИНЕРАЛОВ В ИМПАКТИТАХ: ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ НАБЛЮДЕНИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ
© 2007 г. В. И. Фельдман*, Л. В. Сазонова*, Е. А. Козлов**
* Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, геологический факультет
119899 Москва, Воробьевы горы, Россия; e-mail: feldman@geol.msu.ru, saz@geol.msu.ru **Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт
технической физики им. акад. ЕИ. Забабахина 456770 Снежинск, Челябинская обл., Россия; e-mail: Kozlov@gdd.ch70.chel.su Поступила в редакцию 25.06.2006 г.
Приводится обзор литературных данных по высокобарическим полиморфным модификациям SiO2 (коэсит и стишовит), C (алмаз и лонсдейлит), Mg2SiO4 (рингвудит) и MgSiO3 (меджорит), обнаруженных в природных импактных структурах (астроблемах) и полученных при лабораторных экспериментах. Значительное внимание уделено описанию рингвудита и высокоплотной фазы пироксено-вого состава, которые были получены авторами при ударно-волновом нагружении горных пород в интервале 30-70 ГПа. Показано, что перечисленные высокоплотные полиморфные модификации возникают в результате реализации трех механизмов преобразования исходного материала: 1) кристаллизации из импактного расплава, 2) мартенситного фазового перехода и 3) миграционного фазового перехода (последние два механизма являются твердофазными). И в природе, и в лабораторных экспериментах появление высокоплотных полиморфных модификаций под действием ударных волн происходит при напряжениях, превышающих соответствующие статические нагрузки от 1.5-2 до 10 раз. Рингвудит и высокобарическая фаза пироксенового состава впервые получены авторами при диаплектовых преобразованиях биотита и граната. В этих экспериментах подтверждены расчетные данные о диспропорционировании энергии ударной волны между слагающими породу минералами в соответствии с их объемным содержанием. Подтверждены также более ранние выводы авторов о том, что нагрузки, при которых начинается ударно-термическое разложение минералов, контролируются типом их кристаллической решетки.
Высокоплотные минеральные фазы считаются характерными признаками импактных структур. Их присутствие или отсутствие обычно включается в число признаков "за" и "против" при рассмотрении принадлежности той или иной конкретной структуры к ударно-взрывной формации. Ни один из этих минералов ни разу не был зафиксирован, например, среди продуктов вулканических взрывов. Однако в астроблемах эти минералы образуются в очень небольших количествах, они крайне неравномерно распределены в импактитах и возникают в разное время, при различных условиях и по разным механизмам.
В настоящее время в импактных кратерах известны высокобарические полиморфные модификации четырех веществ. Чаще всего отмечаются моноклинный коэсит и тетрагональный стишовит ^Ю2). Затем следует отметить кубический алмаз и гексагональный лонсдейлит (С). Кроме того, обнаружены кубический меджорит
(MgSiO3) и кубический рингвудит (Mg2SiO4) (Фельдман, 1990; Вальтер и др., 1992; Вишневский и др., 1997; Алмазоносные..., 1998; Badyuk-ov, 1985; Diaz-Martinez et al., 2001). Все эти минералы известны в метеоритах и получены в лабораторных экспериментах при ударно-волновом нагружении. При экспериментах и в метеоритах были выявлены и другие высокобарические минералы, но они пока неизвестны в импактитах. Наиболее широко в астроблемах распространены коэсит и стишовит - коэсит определен в нескольких десятках структур, стишовит фиксируется реже и в меньших количествах (например, см. сводку (Геология., 1982) и др.). Во многих астроблемах обнаружены импактные алмазы и лонсдейлит (Вальтер и др., 1992; Вишневский и др., 1997; Алмазоносные., 1998). Меджорит был описан только в астроблеме Жаманшин (Казахстан) (Badyukov, 1985). Та же ситуация и с рингву-дитом - он найден только в импактных пемзах Эль Гаско (в Эстремадуре, Испания) (Diaz-Martin-
ez et al., 2001; Глазовская, Трубкин, 2005). В им-пактированном гнейсе из астроблемы Попигай (Россия) недавно выявлен новый высокотвердый полиморф С (El Goresy et al., 2003). Он относится к кубической сингонии (а = 1.4697 нм) и отличается от графита, алмаза и лонсдейлита параметрами кристаллической решетки (а = 0.2461, 0.3567, 0.2516 нм соответственно), но условия его формирования пока не выяснены. Поэтому ниже он не рассматривается.
МЕХАНИЗМЫ ФОРМИРОВАНИЯ ВЫСОКОБАРИЧЕСКИХ ФАЗ ПРИ
УДАРНО-ВОЛНОВОМ НАГРУЖЕНИИ ВЕЩЕСТВА
Механизмы формирования новых химических соединений (и в том числе высокоплотных высокобарических фаз) при ударно-волновом нагру-жении вещества неоднократно рассматривались в литературе (Аникина и др., 1971; Багин и др., 1976; Бацанов, 1970, 1976, 1996; Бацанов и др., 1986; Григорьева, 1981 и др.). Они предлагались главным образом на основе лабораторных экспериментов, в которых синтезировались простые химические соединения. Исходным материалом при этом служили порошки двух компонентов, которые перемешивались и затем подвергались воздействию ударной волны. В результате получались двухкомпонентные соединения типа оксидов, сульфидов, теллуридов, хлоридов и т.п. (Бацанов, 1996). Время реакции в этом случае зависит от механических свойств компонентов и их дискретности, определяющих скорости продавли-вания частиц одного сорта через частицы другого сорта (Бацанов и др., 1986). Длительность процесса формирования новых соединений здесь не превышает 10-6-10-7 с (Бацанов, 1996), а фазовые переходы происходят в 107-1014 раз быстрее, чем в статических условиях (Бацанов, 1970). Это объясняется тем, что "ударно-волновая обработка, приводящая к тонкому измельчению и перемешиванию зерен, создает благоприятные условия для протекания химических процессов" (Бацанов, 1976).
Однако попытки приложения к природным сложным моно- и полиминеральным системам механизмов формирования новых фаз в результате химических реакций при тонком измельчении и перемешивании вещества вступают в противоречие с фактами. Наблюдения ударно-волновых преобразований минералов сложного состава в астроблемах показывают, что эти процессы обычно протекают с сохранением формы зерен исходных минералов (Каминская и др., 1986; Фельдман, Сазонова, 1988; Фельдман, 1990; Сазонова и др., 1988; Feldman, 1994 и др.). В этом случае либо происходит ультратонкое дробление на блоки размером в несколько нанометров, т.е. 102-
103 атомов (Бацанов, 1970), с переходом вещества в разупорядоченное (стеклообразное, аморфизо-ванное) состояние, либо имеет место ударно-термическое разложение вещества с образованием агрегатной полиминеральной псевдоморфозы. Например, детальное исследование в лабораторных условиях преобразования биотитов и флогопитов под действием взрыва показало, что при этом происходит вынос из их решетки части ионов, располагавшихся в октаэдрических слоях и межслоевых промежутках с сохранением кремне-кислородного каркаса слюды (Аникина и др., 1971; Багин и др., 1976; Григорьева, 1981). В результате в пределах бывших листочков биотита формируются зерна шпинели (состава MgFe15Al05O4) и калиевого полевого шпата. Образование таких псевдоморфоз связано с совокупным механическим и тепловым воздействием взрывной нагрузки, и оно "подчиняется специфическим и в основном не термодинамическим закономерностям" (Альтшулер, 1978) и сопровождается активной миграцией вещества как из кристалла, подвергающегося ударно-термическому изменению, так и, наоборот, в этот кристалл (Фельдман и др., 2003). Указанные два типа преобразований вещества четко контролируются его кристаллической решеткой: аморфизации подвергаются кольцевые и каркасные соединения, ударно-термическому разложению - минералы слоистой, ленточной и других структур (Фельдман и др., 2003).
Как в лабораторных экспериментах, так и в природных условиях при ударно-волновых нагру-жениях фиксируются изменения минералов и другого рода: "по типу мартенситных превращений", которые "обеспечивают быстрое преобразование одного вида решетки в другой" при "корпоративном движении многих атомов на малые дистанции" (Альтшулер, 1978).
И, наконец, несомненно возникновение кристаллических фаз из импактного расплава, находящегося под высоким давлением. Такая ситуация может иметь место на начальной стадии разгрузки при изэнтропическом падении давления в расплаве, сформировавшемся в условиях адиабатического сжатия вещества ударной волной или уже при снятии давления (которое падает быстрее температуры).
Рассмотрение условий нахождения высокоплотных фаз в астроблемах (Фельдман, 1990) показывает, что механизмы их формирования, по-видимому, можно свести к трем вариантам: 1) кристаллизации из импактного расплава, 2) мар-тенситным фазовым переходам и 3) миграционным фазовым переходам (перекристаллизация с миграцией химических компонентов на твердофазной стадии ударного метаморфизма). Предложен также и четвертый механизм - флюидно-по-родного взаимодействия (Масайтис и др., 1980),
Рис. 1. Коэсит (темно-серые радиальные и концентрические прожилки) в диаплектовом кварцевом стекле (белое). Астроблема Эльгыгытгын (Чукотка, Россия).
Поперечник фото 1.3 мм. Плоскополяризованный свет, николи скрещены.
но он пока слабо разработан и поэтому ниже не рассматривается. Кристаллизация из импактного расплава описана для всех четырех перечисленных выше высокобарических минералов и в природе, и в лабораторных экспериментах; мартен-ситный фазовый переход известен для стишовита и лонсдейлита также и в природе, и в эксперименте, тогда как для алмаза этот механизм зафиксирован лишь в эксперименте; миграционный фазовый переход найден для коэсита (и в природе, и в эксперименте), для алмаза (тогорита) в природе и для рингвудита и фазы пироксенового состава в эксперименте.
КОЭСИТ И СТИШОВИТ
Для этих минералов известны все три механизма формирования. В астроблемах наиболее часто они кристаллизуются из импактного расплава при 12-20 ГПа. Стишовит при этом образует очень мелкие кристаллы (до нескольких микрометров в длину). Самые крупные игольчатые кристаллы стишовита (дли
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.