ПЕТРОЛОГИЯ, 2012, том 20, № 2, с. 156-165
УДК 553.062:553.465.553.494
ЖИДКОСТНАЯ НЕСМЕСИМОСТЬ ВО ФЛЮИДНО-МАГМАТИЧЕСКИХ АЛЮМОСИЛИКАТНЫХ СИСТЕМАХ, СОДЕРЖАЩИХ Ti, Nb, Sr, REE
И Zr (ЭКСПЕРИМЕНТ) © 2012 г. Н. И. Сук
Институт экспериментальной минералогии РАН 142432 Черноголовка, Московская обл., Россия; e-mail: sukni@iem.ac.ru Поступила в редакцию 16.05.2011 г. Получена после доработки 18.08.2011 г.
Экспериментально исследованы алюмосиликатные щелочные системы, содержащие Ti, REE (La, Ce), Y, Sr и Nb, при Т = 1200 и 1250°С, Р = 2 кбар и в присутствии водного или щелочного флюида. В системах без флюида, содержащих эти элементы, наблюдается образование кристаллов лопарита в силикатной матрице. В этих же системах под давлением водного и щелочного флюида было получено расслоение на две жидкости: алюмосиликатную матрицу и капли, обогащенные Ti, REE (La, Ce), Y, Sr и Nb с примесью силикатной составляющей, по составу близкие к составу лопаритов. По приблизительным оценкам коэффициенты разделения этих элементов между расплавом капель и алюмосиликатным расплавом матрицы (К = Скап/Ссил) для TiO2 больше 5, для SiO2 — меньше 0.35, для Nb2O5 составляют 10—20, для REE — больше 15, а для SrO варьируют от 2.3 до 7.6. Полученное расслоение может иметь большое значение для объяснения генезиса редкоземельно-ниобиевых (лопаритовых) месторождений.
Кроме того, эксперименты показывают возможность концентрирования циркония совместно с титаном и редкоземельными элементами в результате процесса жидкостной несмесимости этого типа. Коэффициент разделения ZrO2 между расплавом капель и алюмосиликатным расплавом матрицы (К = Скап/Ссил) по приблизительным оценкам составляет от ~3.5 до 9.
ВВЕДЕНИЕ
Изучение механизма формирования щелочных интрузивов и связанных с ними месторождений имеет большое теоретическое и прикладное значение. Со щелочными магматическими комплексами связаны крупные месторождения редких и радиоактивных элементов (Sr, REE, Ti, Nb, Zr, Th, U и др.). Одним из наиболее продуктивных в этом отношении является Ловозерский щелочной массив на Кольском полуострове, с которым связано лопаритовое и эвдиалитовое оруденение. Лопаритовые месторождения, приуроченные к уртитовому горизонту этого массива, и были выбраны в качестве природного объекта, моделированию которого посвящены настоящие исследования. Эти месторождения имеют длительную историю изучения, в том числе и экспериментального (Векслер и др., 1983, 1985, 1989; Когар-ко, 2002).
Экспериментальные исследования фазовых равновесий в системе лопарит—нефелин (Векслер и др., 1983, 1985), а также в системе лу-явритовый расплав—лопарит (Векслер и др., 1989) показали широкие поля кристаллизации лопари-та в агпаитовом расплаве. Однако исследования проводились без участия летучих компонентов, в то время как флюидный режим зачастую является
важным фактором развития магматического процесса и связанного с ним рудогенеза, что неоднократно отмечалось разными авторами (Летников и др., 1977, Когарко, 1977; Маракушев и др., 1983). Под давлением воды проводились лишь единичные опыты при Т = 850 и 750°С и Р = 1 кбар (Векслер и др., 1989). Настоящие экспериментальные исследования были поставлены с целью их приближения к природным условиям развития магматизма и рудообразования, неразрывно связанных с флюидным воздействием на магматические системы.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Методика эксперимента
Чтобы выявить эффект флюидного воздействия на магматические системы, проводили параллельные эксперименты при Т = 1200 и 1250° С, Р = 2 кбар без участия летучих компонентов (в "сухих" условиях), под давлением водного флюида (количество которого по отношению к навеске составляло от 10 до ~17% мас. %), а также в присутствии флюида щелочного состава (количество которого составляло ~17% от массы навески). В этих режимах были исследованы алюмосиликат-ные щелочные магматические системы (состава Ab60Ne40), содержащие Ti, REE (La, Ce), Y, Sr и Nb,
Таблица 1. Составы исходной шихты исследуемых образцов (мг)
Компоненты * m m rn 0 2 ^ 3 9 4 0 tn tn 6 tn 7 tn 2 6 61 4 6 0 СЛ 6 2 7 f^ сл OO , - CN 89 OO , 4 9 6 9 9
-9 R OO -0 R d\
An^rn 28 30 29 29 33 30 32 33 33 35 29 30 32 30 29 28 32 31
Нефелин 17 20 19 19 21 20 20 21 13 13 19 20 20 20 19 18 20 20
CaO 2 - 2 2 - 2 - - 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2
TiO2 6 6 6 6 4 4 4 3 6 6 4 2 2 2 4 6 2 4
La2O3 1 1 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
CeO2 1 1 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
Y2O3 1
ZrO2 2 4 - - 1 1
Nb2O5 2 2 - 2 - 2 2 1 2 2 2 2 - - 2 2 1 -
SrCO3 2 2 - 2 2 - - 2 2 - -
Примечание. Прочерк здесь и в последующих таблицах означает отсутствие компонента в составе образца. * Номер образца.
а также в серии опытов — Zr. Исходную шихту (массой 60 мг) готовили из природных минералов (или гелей) альбита и нефелина. Состав альбита (мас. %): 69.92 SiO2, 19.04 Al2O3, 11.04 Na2O; состав нефелина (мас. %): 44.75 SiO2, 32.97 Al2O3, 15.70 Na2O, 6.58 K2O. Содержание альбита в силикатной части системы составляло 60—62 мас. %. Рудные элементы вводили в систему путем добавления оксидов: TiO2 (3—6 мг), La2O3, CeO2, Y2O3 (по 1 мг), Nb2O5 (1—2 мг), ZrO2 (1—4 мг), иногда добавляли СаО (2 мг) и SrCO3 (2 мг). Набор рудных элементов варьировал, при этом суммарное содержание добавочных оксидов в системе менялось от 10 до 25 мас. %. В таблице 1 представлены исходные составы изученных экспериментальных систем. Состав щелочного флюида, задавался 10% раствором NaOH, 27% раствором NaOH, 1 М раствором Na2CO3 или 0.5 М раствором NaF. Эксперименты проводили в заваренных платиновых ампулах диаметром 3 мм на установке высокого газового давления, их продолжительность составляла 1 сутки с последующей закалкой. Полученные образцы анализировали на цифровом электронном сканирующем микроскопе CamScan MV2300 (VEGA TS 5130MM), оснащенном YAG детекторами вторичных и отраженных электронов и энергодисперсионным рентгеновским микроанализатором с полупроводниковым Si(Li) детектором Link INCA Energy с использованием программы INCA Energy 200 и последующим пересчетом результатов с помощью пакета программ, разработанного в ИЭМ РАН, а также на сканирующем электронном микроскопе Tescan
Vega II XMU с энергодисперсионным (INCAx-sight) рентгеновским спектрометром и программой для качественного и количественного анализа INCA 450.
Экспериментальное исследование щелочных
магматических алюмосиликатных систем, содержащих Ti, Nb, Sr, REE
В алюмосиликатных системах, содержащих в качестве добавки только TiO2 (10 и 20 мас. % по отношению к навеске), в присутствии водного флюида образовывались кристаллы рутила в силикатном стекле. Содержание TiO2 в силикатном стекле при 1200°С варьировало от 3.9 до 4.9 мас. %, а при 1250°С составляло ~3.4 мас. %. В сухих системах, содержащих Ti, REE (La, Ce), Y, Sr и Nb, наблюдалось образование кристаллов лопа-рита в силикатной матрице (рис. 1а). В этих же системах под давлением водного флюида были получены принципиально иные результаты (Сук, 2007а, 2007б, 2007в, 2008, 2010; Suk, 2008), определенные расслоением расплава на две жидкости: алюмосиликатную, образующую матрицу, и богатую Ti, REE (La, Ce), Y, Sr и Nb с примесью силикатной составляющей, образующую капли (рис. 1б, табл. 2, 3). Полученное расслоение условно названо "титанатно-силикатным". При 1200°С в расплаве иногда образовывались также кристаллы лопарита или титанониобатов редких земель, что, вероятно, связано с исходной концентрацией и набором вводимых рудных компонентов. В системах, содержащих щелочной флю-
»V* * j W 4 г/ 1 fy Jff* Г % ♦ (а) , 20 цт
• I» • • * «б, 10 цт 1 г 1
(в) " • а * * « * _ * • »•. "••* -f Л' ' **:.• ... • . * • ■ • • уЧ • . *- • • " •• . ■• •• л- . • V • ■ * • * . • :. • Г - CZ • ' [ •• • Vv-V' 20 цт еж: ' 1
Рис. 1. Кристаллы лопарита в алюмосиликатной матрице, образовавшиеся без участия летучих компонентов (а), и капельное расслоение в этой же системе под давлением водного флюида при Т = 1200°С, Р = 2 кбар (б) и при Т = 1250°С, Р = 2 кбар (в). Фотографии сделаны в отраженных электронах.
ид (10% раствор NaOH), при 1200°С получено аналогичное капельное расслоение на силикатную матрицу и капли, обогащенные Ti, REE (La, Ce), Y, Sr и Nb. В щелочной среде растворимость
рудных металлов в силикатном расплаве, по-видимому, возрастает, а температура ликвидуса понижается, поэтому кристаллов лопарита не образуется. Возрастание растворимости рудных металлов с повышением щелочности расплава была показана на примере ниобия и тантала: с увеличением щелочности расплава растворимости колумбита и танталита резко возрастают (Linnen, Keppler, 1997; Чевычелов и др., 2010). Таким образом, содержание в системе раствора NaOH оказывает положительное влияние на возникновение несмесимости. При добавлении 27% раствора NaOH, по-видимому, происходит полное растворение рудных металлов в силикатном расплаве, а при охлаждении наблюдается образование закалочных фаз, содержащих рудные компоненты.
При 1250°С в изученных системах под давлением как водного, так и щелочного флюида кристаллов не наблюдается, и присутствуют только две расслоенные фазы: алюмосиликатный расплав матрицы и расплав, обогащенный Ti, REE (La, Ce), Nb, Sr, образующий капли, при этом последний может отжиматься к краям образца, формируя тонкий слой (рис. 1в, табл. 3). Общая масса расплава капель, по-видимому, не превышает общего содержания оксидов редких металлов (суммы REE + TiO2 + Nb2O5), т.е. может составлять от 10 до 25 мас. % от общей навески.
Размеры капель варьируют от 1 до 3 мкм, что соизмеримо с зоной возбуждения электронного микрозонда. Поэтому составы мелких капель жидкости корректировались путем вычитания из полученного анализа капель силикатной составляющей (примеси состава захваченной микрозондом алюмосиликатной матрицы) с последующим приведением результатов к 100%. Коррекция проводилась пропорционально содержанию в каплях калия, который присутствует только в алюмосиликатном расплаве. Об этом свидетельствуют анализы ряда капель (обр. Л-42, табл. 2), которые были получены напрямую без последующей к
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.