Термодинамические параметры процессов формирования пегматитов

20.08.2018
Используя данные, полученные при изучении флюидных включений, а также диаграмму равновесия литиевых алюмосиликатов, Д. Лондон устанавливает следующие параметры процесса образования пегматитового тела Берник-Лейк (Танко), а также перехода от магматических условий к гидротермальным.

Верхние пределы РТ-стабильности ассоциации петалита и кварца — 680° С и 4,1 кбар, так что первичный петалит мог образовываться при температуре около 600° С и 3250 бар. Затем при остывании пересекается линия равновесия петалита и сподумена при температуре около 500° С и давлении 2900 бар, когда по петалиту сформировались сподумен-кварцевые симплектитовые срастания. Рост первичного сподумена продолжался затем до температуры 470° С и давления 2700 бар. Рост кристаллов петалита, его распад и кристаллизация первичного сподумена происходили в присутствии плотного водосодержащего щелочного боросиликатного флюида, в котором H2O могла полностью растворяться. Количество CO2 в боросиликатном флюиде возрастало в процессе фракционной кристаллизации, на что указывает и возрастание количества карбонатного дочернего минерала во включениях из конечных частей крупных кристаллов сподумена.

Высокое содержание бората лития в пегматитовом флюиде могло приводить к несмесимости в системе кремнезем — щелочной боросиликат, в результате чего образовывались мономинеральные кварцевые ядра и прилегающие альбита ты.

При температуре 420° С и давлении 2600 бар флюидная фаза изменялась значительно, она становилась содержащим CO2 гомогенным водным флюидом примерно следующего состава (мол.%): H2O — 91, CO2 — 5 и NaCl-эквивалента — 4. При слабом возрастании содержания CO2 и солености флюида при температуре 390° С и давлении 2500 бар наступала несмесимость. В интервале температур 390—300° С и давлений 2500—1800 бар H2O—CO2 — солевая система разделялась на существенно углекислотную жидкость и водную относительно соленую. Плотность и соленость водного раствора возрастали с понижением температуры и давления. При температуре 280° С и давлении 1600 бар в пегматите становилась стабильной ассоциация эвкриптата и кварца. Превращение сподумена и реликтов петалита в эвкриптит и кварц проходило медленно и было неполным. Данные по амебообразным включениям с широко варьирующим соотношением фаз и их термометрии указывают на уменьшение возможности залечивания трещин и рекристаллизации при низких температурах в поле эвкриптит + кварц.

Д. Лондон подчеркивает большую роль бора в минералообразовании в пегматите Берник-Лейк. Отмечая наличие микролита во включениях, он считает, что боросиликатная жидкость, представленная во включениях, является минералообразующей средой, из которой кристаллизовались редкометалльные альбититы. Несмесимость между кремнеземной и щелочной боросиликатной жидкостями приводила к образованию массивных кварцевых ядер и прилегающих к ним богатых редкими металлами альбититов.

Для редкометалльных пегматитов литиевого эволюционного ряда пегматитового поля Лейнстер (Северо-Восточная Ирландия) М.П. Витворт и А.Х. Ранкин устанавливают такую последовательность минералообразования.

Изохоры позднемагматических и гидротермальных флюидов ранней стадии соответствуют давлению 2,5 кбар и температуре 675° С. Эти термодинамические параметры определяют условия образования петалита. В изученных пегматитах петалита нет, но мелкозернистые сравнения сподумена и кварца, характерные и для пегматитового тела Танко (Берник-Лейк), представляют собой продукты разложения петалита, который мог кристаллизоваться в пегматитовых телах поля Лейнстер на начальной стадии.

Остывание, сопровождающееся понижением давления и смешиванием флюида с охлажденными водами из вмещающих пород, способствовало образованию флюидов, соответствующих полю стабильности эвкриптата, но он в пегматитах отсутствует. Следовательно, минимальное давление могло составлять 1,7 кбар.

Рассматривая условия кристаллизации пегматитов месторождений Хардинг, Берник-Лейк и Бикита, Д. Лондон устанавливает для последнего из них наиболее низкие значения давления в процессе пегматитообразования (рис. 7.1, а). При этом закономерности эволюции процесса одинаковы для пегматитовых тел Берник-Лейк и Бикита. При сравнении особенностей строения и состава пегматитов Вишняковского месторождения и месторождения Берник-Лейк отчетливо проявляется их сходство, так что ход процесса минералообразования в первом близок представленному на рис. 7.1 для пегматита Берник-Лейк.

Главное пегматитовое тело Александровского поля отличается от описанных выше тем, что температуры гомогенизации включений в минералах центральной зоны (на границе кварцевого ядра) очень высоки. Видимо, здесь происходил процесс ликвации расплава уже на раннем этапе, при высокой температуре. Для петалитовых пегматитов, формирующихся в условиях пониженных давлений, этот процесс очень важен. Особенности внутреннего строения жильных тел указывают на то, что пегматитовый расплав-раствор был гетерогенным в объеме камер. Гетерогенизация расплава могла осуществляться в процессе его внедрения, чему способствовало низкое внешнее давление. Наиболее интенсивным этот процесс был в протяженных плитообразных полого-залегающих телах. Обогащенность расплава-раствора фтором и водой также являлась одной из причин широкого развития его гетерогенизации. С этим же пегматитовым телом связана апофиза лепидолитов о го слюдита, образовавшегося из высокофтористого силикатного расплава, обогащенного редкими щелочами, бором и фосфором, который обособился, вероятнее всего, в результате ликвации.

Как показано исследованиями Л.Г. Труфановой и Д.С. Глюка, добавки к гранитному расплаву фтора и лития одновременно с водой приводят к его расслоению на существенно силикатный и существенно фторидный. При температуре 625—700° С и давлении в тысячу атмосфер происходит ликвидация, если расплав содержит около 1 % Li и 1,5 % F, что близко к природным концентрациям этих элементов в редкометалльных пегматитах.

Предполагается, что в процессе охлаждения и эволюции пегматитового расплава, насыщенного летучими компонентами, разделение расплава на две или три части с резкими границами между ними осуществлялось на нескольких стадиях, в том числе и на путях его внедрения. Такие расплавы обладали значительной подвижностью, в связи с чем они могли занимать различное положение в пределах пегматитового тела, проникать по трещинам в область его контакта с вмещающими породами, по границам между зонами, а также взаимодействовать с ранее выделившимися минералами. Именно поэтому редкометалльные петалитовые пегматиты (а они богаче летучими компонентами, чем другие) характеризуются наиболее сложной зональностью, различным сочетанием зон даже в соседних сечениях одного пегматитового тела, наличием секущих прожилков.

Ликвационные явления при кристаллизации петалитовых пегматитов распространены очень широко, причем при обособлении литий-фтористого силикатного расплава образуются лепидолит-кварцевые участки, а из водносиликатного расплава — мусковитовые. Ликвация идет с образованием фторидно-литиевых расплавов-растворов и водно-щелочно-алюмосиликатных расплавов, переходящих в водные растворы. Проявления ликвационных процессов наблюдаются на крупнейших пегматитовых объектах — Бикита в Зимбабве и Берник-Лейк в Канаде, являющихся типичными представителями петалитовых пегматитов. Ликвация пегматитового расплава приводит к нарушению классической зональности, так что попытки увязать наблюдения по зональности редкометалльных пегматитов с известными классификациями показали ряд несоответствий.

Изучение распределения температур кристаллизации минералов в жилах пегматитов петалитовой подформации также свидетельствует о широком проявлении в них процессов ликвации. Так, в пегматитовом теле Александровского поля наиболее высокие температуры кристаллизации установлены для минералов центрального кварцевого ядра — берилла (температура гомогенизации включений 660—605° С) и турмалина (585—450° С). Температура гомогенизации включений в минералах внешних зон оказалась ниже, что указывает на их более позднюю кристаллизацию. Есть все основания предполагать, что зональное строение этих пегматитовых тел обусловлено расслоением пегматитового расплава, обогащенного летучими, а также флюсующими компонентами. Закономерное расположение анхимономинеральных обособлений мусковита и кварц-лепидолитовых участков в центральных частях жил, четкое обособление фосфатных комплексов, особенно с монтебразитом-амблигонитом, тоже свидетельствуют о ликвации. Резкие разграничения между калишпатовыми и альбитовыми зонами при близких температурах кристаллизации, устанавливаемых по гомогенизации включений в минералах, свидетельствуют о ликвационном процессе как главном механизме формирования первичной зональности пегматитовых тел, относящихся к петалитовой подформации. Отделяющиеся в процессе эволюции пегматитовых расплавов растворы могли производить автометасоматические изменения первичных парагенезисов.

Рассматривая эволюцию температуры и давления в процессе образования пегматитового тела Хардинг, Д. Лондон указывал, что начало процесса кристаллизации пегматитов находится в поле устойчивости сподумена, в отличие от месторождений Берник-Лейк и Бгасита. Однако, по мнению Б. Чакоумакоса и Г. Лампкина, присутствующие в небольшом количестве в альбитовой зоне лежачего бока округлые обособления кварц-сподуменового агрегата представляют собой продукты распада первичного петалита и, следовательно, самый начальный этап кристаллизации пегматита протекал в поле устойчивости петалита. Эти исследователи считают, что начальная температура кристаллизации составляла 650° С, а давление — 3,5—3,3 кбар. Затем этот процесс шел без понижения давления до температуры 550° С. При этом состав флюида изменялся от 6С02: 4NaCl до <1CO2:10NaCl (мол.%). Изобарное остывание пегматитовой системы продолжалось до 400—300° С. Температура процесса постепенно понижалась от берилловой зоны к зоне “досчатого” сподумена и кварца, а затем к зоне клевеландита и розового мусковита. Сподумен замещался эвкрипти-том при 100—200° С. Следовательно, месторождение Хардинг нельзя с полной достоверностью относить к сподуменовой подформацин. Ее условиям полностью удовлетворяют Завитинское и Гольцовое пегматитовые поля (рис. 7.1,6).

Сподумен пегматитов в Завитинском поле, как следует из данных изучения флюидных включений, начинал кристаллизоваться при температуре 650— 630° С и давлении 4,8—4,6 кбар. На позднемагматическом этапе давление снижалось до 2,3 кбар, что, видимо, определялось тектоническими причинами. Послемагматический этап минералообразования здесь, фиксируясь вторичными включениями, начинается с температуры 380° С при давлении 1,7—1,5 кбар.

Для сподумена Гольцового месторождения, как уже отмечалось, характерны плотные включения углекислоты. Температуры гомогенизации водно-углекислотных включений не отражают истинную температуру образования сподумена, указывая только, что сподумен из пегматитов с комплексной специализацией кристаллизовался при пониженной температуре. Определение температуры кристаллизации пегматитов по двуполевошпатовому геотермометру показало более высокие ее значения для литиевых, чем для комплексных пегматитов (в среднем соответственно 505 и 480° С).

В поллуците первичные включения с жидкой углекислотой отсутствуют. Температура гомогенизации обычных газово-жидких включений 510—390° С. Поскольку поллуцит кристаллизуется в изученном комплексе одним из последних, то температура образования сподумена должна быть выше 500 и достигает, видимо, 550° С. Согласно экспериментальным данным по сподумену, такой температуре соответствует давление около 5 кбар. Наличие в сподумене включений жидкой углекислоты с высокой плотностью также указывает на высокое давление, при котором кристаллизовался этот минерал. Полученные по диаграмме PTV для углекислоты и по температурам ее гомогенизации во включениях значения давления составляют 4—4,5 кбар (для 550°) и близки к указанным выше экспериментальным данным.

Тот факт, что в сподумене из пегматитов с комплексной специализацией распространены относительно низкотемпературные и менее плотные включения с жидкой углекислотой, указывает на более высокое давление при кристаллизации пегматитов с литиевой специализацией. Как известно, пегматиты данного типа формировались в условиях крайне неспокойного тектонического режима, что подтверждается отсутствием или слабым проявлением зональности в строении пегматитовых тел. Присутствие включений с высокой плотностью CO2 в сподумене и обычных газово-жидких включений в поллуците указывает на резкое снижение давления в процессе кристаллизации пегматитов с комплексной специализацией, в результате чего происходила гетерогенизация растворов на две фазы — водный раствор и жидкую углекислоту. Агрегатное состояние включений в поллуците показывает, что при его кристаллизации фаза жидкой углекислоты в растворе отсутствовала, а давление летучих было пониженным.

Видимо, расплав поступал из глубинных зон земной коры, выжимаясь под действием сил сжатия в этих зонах. В рассмотренном пегматитовом поле вулканогенно-терригенная толща, сложенная в основном различными биотитовыми сланцами и амфиболитами, насыщена в зоне разлома пегматитовым материалом, слагающим жильные серии. Неспокойный тектонический режим в период кристаллизации пегматитов приводил к дифференциации пегматитового расплава в пределах зоны и обогащению его в отдельных участках рубидием и цезием, а также танталом. При кристаллизации порций таких расплавов образовались сподуменовые пегматиты комплексного Ta-Cs-Li ряда.

Таким образом, пространственная зональность в размещении пегматитовых жил с различной специализацией обусловлена различиями между первоначальными температурами и давлениями при кристаллизации этих пегматитов. В процессе формирования пегматитов комплексного ряда значительно снижалось внешнее давление, приводящее к гетерогенизации раствора на две фазы (водный раствор и жидкую углекислоту), в результате чего давление летучих на конечном этапе кристаллизации этих пегматитов резко понижалось. Кристаллизация комплексных пегматитов в условиях относительно пониженных давлений и температуры согласуется с их залеганием в зонах разломов.

Общие температурные пределы кристаллизации различных структурно-парагенетических комплексов сподуменовых пегматитов составляют 600— 200° С, при этом сподумен-кварц-альбитовый комплекс кристаллизовался при температурах 600—490° С, альбит-кварц-сподумен-микроклиновый — при 550—460° С и кварц-мусковит-альбитовый — при 420—200° С. Процессы пос-лемагматического изменения вмещающих пород указывают на относительно высокие их начальные температуры (около 450°). Для процессов послемагматического замещения сподуменовых пегматитов наиболее характерна альбитизация. Альбитом замещаются микроклин и сподумен с выносом калия и редких щелочей во вмещающие породы и образованием экзоконтактовых ореолов. Этот процесс протекал до температур 230—180° С.

Используя диаграмму равновесия литиевых алюмосиликатов Д. Лондона, В.В. Гордиенко указывает, что возможны пять вариантов развития пегматитового процесса с учетом различного положения исходной и конечной точек в системе Li2O—Al2O3—SiO2: 1) высокобарические условия и кристаллизация сподуменовых пегматитов, 2) разномасштабное снижение температуры и давления с переходом системы из области устойчивости сподумена в область устойчивости эвкриптита, 3) более быстрое снижение давления по сравнению с температурой и переход системы из поля устойчивости сподумена в поле устойчивости петалита, 4) более быстрое понижение температуры по сравнению с давлением в ходе пегматитового процесса при относительно низком значении последнего, так что ранний петалит сменяется сподуменом, а затем система переходит в поле устойчивости эвкриптита, 5) в продолжение третьего варианта на заключительном этапе происходит быстрое снижение температуры и переход системы из поля устойчивости петалита в поле устойчивости эвкриптита. Рассмотрение приведенных выше примеров развития пегматитового процесса в крупнейших пегматитовых телах показывает, что наиболее широко в природе реализуются первый и четвертый варианты.