780

 

Зарайский Г.П.

 

Во временной последовательности метасоматических формаций, связанных с гранитоидным магматизмом, проявляется закономерное изменение режима кислотности-щелочности постмагматического процесса, впервые выявленное и подчеркнутое Д.С. Коржинским [3]. Кислотность растворов сначала постепенно нарастает от ранних формаций к более поздним, достигает максимума при образовании грейзенов и вторичных кварцитов, а затем уменьшается. На этом основании Д.С. Коржинским была выделена ранняя щелочная стадия метасоматизма, следующая за ней стадия кислотного выщелачивания и поздняя щелочная стадия. Ранняя и поздняя щелочные стадии не равноценны. В раннюю стадию, как правило, происходит интнсивное метасоматическое преобразование пород, а в позднюю имеет место в основном отложение ранее выщелоченных компонентов. Кроме того, ранняя щелочная стадия характеризуется высокими температурами (600-400^оС), а поздняя стадия низкотемпературная (ниже 300^оС). Рассматриваемые в данном сообщении метасоматические процессы могут быть соотнесены с ранней щелочной стадией гидротермального цикла.

 

 

Разработанный нами метод экспериментального моделирования диффузионной метасоматической зональности [1] позволяет воспроизводить одновременно всю последовательность зон колонки от неизмененной породы до конечных продуктов ее изменения при данном метасоматическом процессе, т.е. при данном составе породы, раствора концентрации компонентов, значениях рН, температуры, давления и пр. Активность компонентов во внешней по отношению к породе среде поддерживалась постоянной за счет большого буферного объема раствора, в который помещалась небольшая открытая с одной стороны золотая ампула (d = 5мм, l = 50мм), заполненная уплотненным порошком породы с размером частиц £ 0.1 мм. В качестве исходных гранитоидных пород использовались биотитовый гранит и гранодиорит. Ампулу с породой помещали вертикально в герметичный автоклавный вкладыш объемом 150 см³, изготовленный из коррозионностойкого титанового сплава. Во вкладыш заливали водный раствор с заданной концентрацией определенных «вполне подвижных» компонентов Отношение флюид/порода составляло около 100/1, так что в процессе опыта исходная концентрация раствора оставалась практически неизменной.

Концентрацию растворов изменяли в широких пределах от 10^-5 до 5 моль/кг H₂O, но чаще применяли концентрации от 10^-3 до 1.0 m. В процессе эксперимента флюид оставался неподвижным и реагировал с породой путем диффузии компонентов через открытое отверстие ампулы. Во встречном направлении происходил диффузионный вынос компонентов породы. Гранит приходил в равновесие с внешним раствором только в самой тыловой зоне у открытого конца ампулы. Глубже порода оставалась неравновесной с внешним раствором, но находилась в каждом сечении в состоянии локального равновесия со своим поровым раствором. В этом собственно и заключалось моделирование открытой системы с вполне подвижными компонентами, активности которых подобно температуре и давлению задавались внешней по отношению к породе средой. Эксперименты проводили при Т = 400-600^оС, Р = 1 кбар и длительности от 1 до 4 недель.

После эксперимента в ампуле на месте исходной однородной породы возникала зональная метасоматическая колонка. Наиболее сильные изменения происходили в тыловой зоне, расположенной у открытого конца ампулы, непосредственно контактировавшей с воздействующим раствором. Передовая зона (считая по направлению диффузионного потока компонентов раствора), расположенная в закрытом конце ампулы, сохраняла состав близкий к исходному граниту. Экспериментальные колонки цементировали органическим клеем, разрезали вдоль алмазной пилой и изучали на микрозонде обычным точечным методом и методом сканирования узким пучком по поперечным профилям с целью определения валового химического состава зон.

 

 

В условиях щелочного натриевого метасоматизма при избытке кварца из гранита интенсивно выносится только К₂О и происходит значительный привнос Na₂O (Зарайский, 1989). Полевые шпаты замещаются альбитом, а биотит эгирином. Конечным результатом изменений оказывается тыловая кварц-альбит-эгириновая зона (T = 500^oC, P = 1 кбар, t = 336 час., раствор 1.0m NaCl+0.1m NaOH+[Qtz], pH_{исходный} = 12.8):

 

 1                            2                                   3                                  0

 0                      8.2                               27.7                                   44.5 мм

При кислотном выщелачивании биотитового гранита, в том числе и в кислых растворах с высокой активностью Na, происходит интенсивный вынос из породы всех компонентов за исключением глинозема, в том числе и некоторый вынос Na. При щелочном натриевом метасоматизме из гранита сильно выносится только K₂O (отчасти MgO) и происходит значительный привнос Na₂O. Глинозем гранита сосредоточивается в альбите, а на базе входящих в состав гранита Fe, Mg, Ca и Ti формируется эгирин. Воздействие натриевых щелочных растворов, не насыщенных SiO_2, приводит к сильной десиликации гранита. Вместо альбита в тыловой зоне в ассоциации с эгирином образуются фельдшпатоиды  – нефелин, содалит или канкринит в зависимости от анионного состава раствора (OH^–, Cl^– или CO₃^2-). Очевидно, условия столь высокой щелочности не характерны для гранитных массивов.

Калиевые щелочные растворы вызывают калиевый метасоматизм гранита, выражающийся в интенсивной калишпатизации. Тыловая зона имеет минеральный состав Qtz+Kfs+Bt. В растворах, не насыщенных SiO_2, тыловая зона сложена мономинеральным калишпатом. При очень высокой щелочности (раствор 1.0m KOH) в тыловой зоне вместо Kfs образуется кальсилит в ассоциации с тетраферрибиотитом. В средних и передовых зонах таких колонок кальсилит сменяется калишпатом, а по биотиту образуются эгирин и рибекит.

 

 

Присутствие флюорита, криолита, F-содержащих амфиболов и слюд обычно для многих щелочных метасоматитов, развивающихся по нормальным и щелочным гранитам. Одной из интересных проблем является возможность формирования рибекитовых и эгириновых гранитов метасоматическим путем, что было рассмотрено нами ранее (Зарайский, Зырянов, 1973). В щелочных фторидных растворах наиболее интенсивное преобразование гранита происходит при отсутствии насыщения по кварцу (Т = 500^оС, Р = 1 кбар, t = 95 час., раствор 1.0m NaF, pH_{исходный} = 7.2):

        1                        2                                        3                                       0 

 0                  1.0                            12.0                                                  40.0 мм

В тыловой зоне колонки образуется рибекитовый альбитит: кварц выносится, калишпат и плагиоклаз полностью альбитизируются, а биотит замещается щелочным амфиболом. В то же время передовая зона колонки (3) по составу отвечает типичному рибекитовому граниту. Повышение температуры до 550 и 600^оС способствует появлению эгирина вместо рибекита

При насыщении фторидно-натриевых растворов кремнеземом интенсивность преобразования гранита уменьшается, в тыловой зоне сохраняется кварц, большую устойчивость сохраняет калишпат. Увеличение активности SiO₂ способствует развитию эгирина. Передовая зона колонки и в этом случае соответствует рибекитовому граниту. Такой же парагенезис типичных рибекитовых гранитов (Qtz+Ab+Kfs +Rbk) образуется в передовой зоне и при воздействии на биотитовый гранит щелочных калиевых фторидных растворов вместо натриевых (Т = 500^оС, Р = 1 кбар, t = 96 час., раствор 1.0m KF, pH_{исходный}  = 7.3):

 

 0                    1.5                        14.0                                   35.0                            40.0

В этом сказывается буферное влияние породы, поставляющей в поровый раствор Na при замещении альбита калишпатом. Однако в зависимости от катионного состава внешнего раствора тыловая зона колонки сложена либо альбитом и рибекитом (раствор NaF), либо калишпатом и тетраферрибиотитом (раствор KF). Примечательно также образование нарсарсукита Na₂(Ti,Fe)Si₄O₁₀ (O,OH,F) во второй зоне колонки, полученной в растворе KF. 

 

 

В этой серии экспериментов исходной породой был гранодиорит, а основу раствора составлял 1.0m NaCl. Изменение щелочности достигалось добавлением NaOH от 0.0001 до 0.1m. Исходное значение рН при этом изменялось от 7 до 12.8. Растворы были не насыщены кремнеземом [Зарайский и др., 1984]. По мере увеличения щелочности раствора изменялся тип возникающих метасоматитов: от альбитовых пропилитов в близнейтральных условиях к щелочным амфибол-эгириновым альбититам и к ультращелочным эгирин-рибекит-содалитовым метасоматитам (рис. 1). С понижением температуры от 400 до 350-300^оС содалит и альбит сменяются анальцимом. Важная граница, разделяющая области кислотного и щелочного метасоматизма фиксируется по смене актинолитового амфибола в пропилитах щелочным амфиболом в альбититах. При Р-Т условиях опытов эта граница проходит параллельно линии нейтральных значений рН_Т,Р , несколько смещаясь в щелочную область. Анализ растворов после опытов обнаруживает резкое (в сотни раз) уменьшение выноса из породы Fe, Mg и Ca в щелочных условиях по сравнению с кислыми. Альбитовые и эпидотовые пропилиты фиксируют пограничную область между кислотным и щелочным метасоматизмом, формируются в близ нейтральных условиях. Для образования щелочных эгирин-рибекитовых альбититов благоприятен температурный интервал 350-450^оС и воздействие существенно натриевых щелочных растворов, имеющих величину рН_Т,Р >6,6-8,5.

 

 

            Определенная последовательность зон характеризует каждый тип метасоматического процесса. Принципиальные особенности строения экспериментальных колонок наиболее успешно объясняются проявлением дифференциальной подвижности породообразующих компонентов и существованием локального химического равновесия в зонах колонок и на их границах при неравновесности метасоматического преобразования породы в целом [3]. Нами экспериментально было показано, что для кислых и близнейтральных условий характерен ряд подвижности, отражающий фундаментальные свойства химических элементов в отношении их способности к ионизации по катионному типу [1] (от более подвижных к менее подвижным):

K, Na, Ca, Mg, Fe, Si, Al, Ti.

В щелочных условиях ряд претерпевает частичную инверсию, выражающуюся в увеличении подвижности Si и Al по отношению к Ca, Mg и Fe:

K, Na, Si, Al, Ca, Mg, Fe, Ti.

     В ультращелочных условиях Si и Al могут стать более подвижными, чем щелочные металлы, при этом возрастает также и подвижность титана, а Ca, Mg и Fe становятся наименее подвижными компонентами:

Si, Al, Ti, K, Na, Ca, Mg, Fe.

 

Литература

1. Зарайский Г.П. Зональность и условия образования метасоматических пород. М.: Наука, 1989. 342 с.

2. Зарайский Г.П., Рядчикова Е.В., Шаповалов Ю. Б. Экспериментальное моделирование натриевого метасоматоза гранита // Очерки физико-химической петрологии, вып. 12. М.: Наука, 1984. С. 84-118.

3. Коржинский Д.С.Очерк метасоматических процессов // Основные проблемы в учении о магматогенных рудных месторождениях. М.: Изд-во АН СССР, 1953. С. 332-452.

 

С и м в о л ы   м и н е р а л о в

 

Ab – альбит

Acm -акмит, эгирин

Act – актинолит

Anc – анальцим

Bt   – биотит

Chl – хлорит

Fe-Bt- тетраферрибиотит

Kfs – калиевый полевой шпат

Nar – нарсарсукит

Pl   – плагиоклаз

Qtz – кварц

Rbk – рибекит

Sod – содалит

Zo – цоизит

 

Подпиcь к рисунку

Рис. Физико-химические условия образования щелочных натриевых метасоматитов по экспериментальным данным (Р = 1 кбар, mNaCl = 1.0m = const, t = 336 час., раствор не насыщен по кварцу, исходная порода – гранодиорит) [2]. Значки показывают положение экспериментов в координатах T-log(mNaCl/mNaOH). 1-6 – поля образования различных типов щелочных натриевых метасоматитов, для которых на диаграмме указаны парагенезисы тыловых зон экспериментальных колонок.): 1 – альбитовые пропилиты, 2 – альбит-рибекитовые метасоматиты, 3 – анальцим-рибекитовые метасоматиты, 4 – анальцим-рибекит-эгириновые метасоматиты, 5 – альбит-рибекит-эгириновые метасоматиты, 6 — содалит-эгирин-рибекитовые метасоматиты.