869

                                                                                                                                  

УДК 549.621.43/549.01 + 552.11/331                                                                                                                                                                             

 

 

О.К.Иванов

г.Екатеринбург, Уральский институт минерального сырья

Автореферат

Сравнение состава нефелинсодержащих и безнефелиновых ортомагматических пород разного состава по основным химическим компонентам показало, что нефелин кристаллизуется только в породах содержащих меньше 61 мас. % SiO₂, 65 мол.% SiO₂ или 55 ат. % Si. При этом содержание нефелина прямо зависит от содержания Al₂O₃, Na₂O, их суммы и обратно от содержания SiO₂. На всех диаграммах нефелинсодержащие породы образуют два поля, что обусловлено различным содержанием в материнских породах кремнезема. По предложенным диаграммам возможно определение присутствия и содержания нефелина, модального в равновесных и нормативного в неравновесных породах.

Ключевые слова: нефелин, нефелинсодержащие породы, щелочные породы, ортомагматические горные породы, равновесная кристаллизация, соответственная кристаллизация.

             

Первое определение содержаний петрогенных минералов в ортомагматических горных породах путем расчета было предложено группой американских петрологов и петрохимиков (Кросс и другие), предложивших в 1902г расчет химического состава магматической породы на нормативные минералы при условии их равновесной кристаллизации [5]. Этими расчетами определялись содержание, в том числе, и нефелина.

Шенд в 1922г, [3, с. 485] считал: «Фельдшпатоиды образуются при избытке глинозема и недостатке кремния или недостатке как кремния, так и глинозема». По А.Г Бетехтину [1]: «Нефелин распространен почти положительно в магматических бедных кремнеземом щелочных горных породах». По А.Н.Заварицкому (1955 [5], с.26): «Фельдшпатоиды образуются … при недостатке кремнезема». И, наконец, авторы сводки «Породообразующие минералы» [2]  пишут: «Нефелин – характерный минерал щелочных пород» и «кварц несовместим с нефелином и другими фельдшпатоидами…».

В сводке, составленной А.Д.Эдгаром в 1976,[12, с. 252] на основании экспериментов над системами нефелин – кварц и нефелин – кальсилит – кварц сделан вывод : «Нефелин …может кристаллизоваться из расплавов, исходный состав которых недосыщен кремнеземом».

   Наконец, на ТАС-диаграммах и на диаграммах Na₂O / SiO₂ + Al₂O₃ мас. % хорошо видно положение пород, содержащих нефелин [11]. Однако в это же поле попадают и другие фельдшпатоидсодержащие породы а также горные породы со щелочными пироксенами и амфиболами, т.е. неопределенность условий кристаллизации нефелина сохраняется.

Суммируя собранные данные, можно говорить, что есть метод расчета cодержания нефелина в магматических горных породах, есть петрохимические формулы, указывающие на появление нефелина или щелочных пород, есть качественные указания, что он кристаллизуется в породах бедных кремнеземом или богатых глиноземом и щелочами. Однако, конкретные четкие указания, при каких именно количественных содержаниях щелочных металлов, глинозема и кремнезема кристаллизуется нефелин, отсутствуют. Более того, по многим работам создается впечатление, что главной причиной кристаллизации нефелина является шелочность» пород. Недаром, группу пород, содержащих, в том числе нефелин, называют «щелочными породами» и это в количественно-минералогической классификации [9]. Именно это побудило автора проанализировать условия кристаллизации нефелина в ортомагматических горных породах.

Для изучения причин кристаллизации нефелина взята выборка полнокристаллических горных пород, кристаллизовавшиеся в равновесных (соответственных) условиях, так как для вулканитов не всегда возможно определение содержания нефелина. Степень равновесности определялась качественно по признакам, суммированным ранее[8].

Поскольку нефелин сложное химическое соединение, основными факторами его кристаллизации в равновесных условиях должны быть химические. К таковым можно отнести соотношение кремния и алюминия в породе, содержание кремнезема,   глинозема, оксида натрия суммы оксидов щелочных металлов, и соотношение щелочных металлов. Такой метод был использован нами ранее на примере магматического кварца[7].

В работе использованы анализы, ссылки на которые приведены в работах [9, 10, 11]. Использовались 39 химических анализов ортомагматических горных пород, для которых имелись определения содержания нефелина. Из них 14 нормальных по щелочности безнефелиновых пород, 18 щелочных нефелинсодержащих пород, 2 анализа лейцитсодержащих пород и по одному анальцимсодержащих и мелилитовых пород. В качестве эталона на некоторых диаграммах вынесены средние составы магматического нефелина по [2], а также идеальный состав ортоклаза.

 

 

Нефелин – типичный алюмосиликат с преобладанием анионов над катионами и соотношение компонентов, входящих в анион, очевидно, должно быть решающим при его кристаллизации. Ведущими компонентами анионной группы нефелина являются кремний и алюминий. Нами вынесены содержания этих компонентов на диаграммы SiO₂ / Al₂O₃ мас. %, мол. % и атомных %.

В первом случае, на диаграмме SiO₂ / Al₂O₃ в мас. % наблюдается достаточно четкое разделение нефелинсодержащих и безнефелиновых горных пород, но при этом часть без нефелиновых пород внедряется в поле нефелинсодержащих (рис. 1а).

 

 

Рис.1а. Положение нефелинсодержащих и безнефелиновых пород на диаграмме SiO₂ – Al₂O₃ , мас.%. Номера массивов. 1 – протодунит Платиноносного пояса Урала, 2 – верлит, Нижнетагильский массив, 3 – шрисгеймит, Шишимский массив, Урал, 4 – габбро-норит, Кытлымский массив Урал, 5 – габбро, г. М.Куйбас, Урал, 6 – диорит, Ауэрбаховский массив, Урал, 7 – плагиогранит, там же, 8 – гранодиорит, там же, 9 – граносиенит, г.Магнитная, Урал, 10 – гранит, там же, 11 – лейкогранит, Забайкалье, 12 – мокрушит, Мурзинский массив, Урал, 13 – сиенит, Тагильский массив Урал, 14 – миаскит, Вишневые горы, Урал, 15 – щелочнополевошпатовый сиенит, 16 – уртит (монмутит) Онтарио, 17 – сэрнеит, массив Песчаный, Сибирь, 18 – тералит, 19 – тешенит, 20 – эссексит, 21 – шошонит, 22 – миссурит, 23 – ийолит, Фен, Норвегия, 24 – ийолит, Тува, 25 – мелилитолит, 26 – 35 – миаскиты Илименский и Вишневых гор, Урал, 36 – ийолит, Хибинский массив, 37 – ийолит, там же, 38 – уртит, Тува, 39 – уртит, Тува. 40 – средний состав нефелина.

 Условные обозначения: 1 – нормальные по щелочности породы, 2 – кислые породы, 3 – субщелочные породы, 4 –нефелинсодержащие «щелочные» породы, 5 –миаскиты, 6 – мелилитовые нефелинсодержащие породы, 7 – лейцитсодержащие породы. 8 – идеальные составы, 9 – Ne – нефелин.

 

На диаграмме SiO₂ – Al₂O₃ в мол.% распределение нефелинсодержащих и безнефелиновых пород близкое к предыдущему. При этом все нефелинсодержащие породы содержат SiO₂ меньше 65 мол.% (рис. 1б).

 

Рис. 1б. Положение нефелинсодержащих пород на диаграмме SiO₂ – Al₂O_3, мол. %. Условные обозначения и номера массивов те же, что на рис. 1а.

 

На диаграмме Si/Al  в ат.% наблюдается частичное перекрытие нефелинсодержащих и   безнефелиновых субщелочных и нормальных по щелочности пород среднего состава. Нефелинсодержащие породы появляются при содержании Si ниже 55   ат.% (рис.1в). Близкая картина положения фигуративных точек для диаграмм полученных в координатах мас. %, мол.% и атомных % дает возможность в дальнейшем использовать один тип диаграмм.

 

Рис.1в. Положение нефелинсодержащих пород на диаграмме Si – Al_,ат. %. Условные обозначения и номера массивов как на рис. 1а.

 

Таким образом, рассмотренные диаграммы не дают возможности четкого разделения нефелинсодержащих пород от безнефелиновых. 

 

 

Отрицательные результаты полученные для элементов анионной группы, вынуждают провести анализ влияния катионов нефелина, которыми являются натрий и калий.

Возьмем диаграмму (Na₂O + K₂O) – SiO₂, мас.% нефелинсодержащие породы четко отделяются от безнефелиновых по диагональной линии (рис.2).

Рис.2. Положение нефелиновых и безнефелиновых пород на диаграмме Na₂O + K₂O – SiO₂ , мас. %.

Условные обозначения те же. Слева поле кристаллизации нефелина.

 

Это показывает, что именно соотношение оксидов щелочных металлов и кремнезема имеет решающее влияние на кристаллизацию нефелина.

С увеличением содержания кремнезема в материнской породе увеличивается содержание натрия или калия натрия при которых возможна кристаллизация нефелина.

На диаграмме Na₂O  – SiO_2, мас. % наблюдается четкое разделение нефелинсодержащих пород от безнефелиновых по линии с координатами (рис. 3). При этом при содержании SiO_2, мас.% выше 61 – 62 мас. % нефелин также не кристаллизуется.

 

Рис. 3. Положение нефелиновых и безнефелиновых пород на диаграмме Na₂O. -SiO₂ Слева поле кристаллизации нефелина. Условные обозначения те же.

 

В нефелинсодержащих материнских породах выше содержания кремнезема в 61-63 мас. % или 69 – 70 мол. % или 55 ат. % Si,  кристаллизации нефелина не происходит.

По-видимому не происходит кристаллизации нефелина при содержании кремнезема ниже 35 мас. % или мол. % или 33 ат.% Si.

Таким образом, рассмотренная группа диаграмм является наиболее информативной и дающей возможность разделения нефелинсодержащих пород от безнефелиновых.

 

           

На диаграмме оксид натрия – содержание глинозема наблюдается общая прямая зависимость между этими компонентами. Однако она осложняется двумя полями рассеивания в интервале 10 – 25 ат. % Alи 0 – 10 ат.% оксида натрия, а также 20 – 30 ат. % Al  и 12 – 20 ат. % оксида натрия. При этом часть нефелинсодержащих горных пород образует компактное поле, отделенное от безнефелиновых пород. Однако один анализ нефелинсодержащего мелилитолита располагается в поле безнефелиновых пород (рис.4).

 

 

Рис. 4. Положение нефелиновых и безнефелиновых пород на диаграмме Na₂O – Al₂O₃, мас.%. Условные обозначения те же.

                       

 

 

На диаграмме Na₂O – K₂O ат. % видно, что в существенно калиевое поле попадают только анализы К-сиенита и лейцитовая порода (рис.5). В калинатровое поле попадают граниты, сиениты и миаскиты. В существенно натровом поле располагаются диориты, плагиограниты а также ийолиты, уртиты, мельтейгиты и сэрнеиты. При этом нефелинсодержащие породы обычно содержат заметно выше натрия, чем безнефелиновые породы. Естественная граница между большей частью нефелинсодержащих и безнефелиновых пород проходит по 8 ат.%. Na. 

 

Рис.5. Положение нефелиновых и безнефелиновых пород на диаграмме Na₂О / K₂O ат.%. Обведено поле миаскитов. Условные обозначения те же.

 

 

Причиной того или иного содержания нефелина в равновесно (соответственно) кристаллизовавшейся породе может быть только содержание нефелинобразующих компонентов в материнской породе. Таковыми в нефелине являются SiO₂, Al₂O_3, Na₂O и K₂O. Проанализируем это графически.

На диаграмме содержание нефелина – содержание алюминия (рис. 6) наблюдается два вида зависимостей. Большая часть нефелинсодержащих пород ультраосновного состава располагается на линии прямой зависимости между содержаниями Al и нефелина или тяготеет к ней. В то же время 3 из 9 анализов этих пород отклоняются весьма существенно (рис.6 ). При этом все анализы миаскитов располагаются в стороне, образуя самостоятельное поле с дугообразным расположением фигуративных точек.

 

Рис.6. Зависимость содержания нефелина от содержания Alат. %. Условные обозначения те же.

 

На диаграмме содержание нефелина – содержание натрия в ат. % наблюдается похожая картина, только три анализа ультраосновных щелочных нефелинсодержащих пород располагаются в стороне от линии прямой зависимости между содержаниями нефелина и содержанием что при увеличении содержания оксида натрия увеличивается содержание нефелина в породе (рис.7).

 

Рис.7. Зависимость содержания нефелина от содержания Na, ат. %. Условные обозначения те же.

 

На диаграмме содержание нефелина – содержание суммы натрия и алюминия, ат. % наблюдается прямая зависимость с четким увеличением содержания нефелина от содержания Na для ультраосновных нефелинсодержащих пород за исключением трех анализов. При этом почти все анализы миаскитов, располагаются, вернее, тяготеют к этой линии, кроме двух анализов, располагаясь в стороне линии прямой зависимости, указанных компонентов (рис.8).

 

 

Рис.8. Зависимость содержания нефелина от содержания Na + Al, ат. %. Условные обозначения те же.

Еще более четкая зависимость наблюдается на диаграмме содержание нефелина – содержание Si, ат. % (рис. 9). При этом наблюдается три четких тренда или поля для ультраосновных нефелинсодержащих пород, для миаскитов и для нефелинсодержащих мелилитолитов.

 

 

Рис.9. Зависимость содержания нефелина от содержания SiO₂мас. %. Условные обозначения те же.

 

На диаграмме содержание нефелина – содержание кремнезема в мас. % картина такая же но менее четкая, так как ряд трендов превратился в поля (рис. 10).

 

Рис. 10. Зависимость содержания нефелина от содержания SiO₂ат. %. Условные обозначения те же.

 

Таким образом, содержание нефелина в материнской породе прямо зависит от содержания Al, Na, и суммы Al  и Na и обратно зависит от содержания Si. При этом положение полей и трендов зависит от содержания кремнезема в материнской породе.

Однако, широкий разброс фигуративных точек в этих трендах поднимает вопрос о причинах этого явления. Для решения вопроса на диаграмму Na₂O – SiO₂ мас.% на месте фигуративной точки было вынесено содержание нефелина в объемных % (рис.11 ). Результат превзошел все ожидания. Оказалось, что содержание нефелина не только пропорционально уменьшалось от состава среднего нефелина или в сторону от максимальных содержаний Na₂O но и уменьшалось при повышении содержания SiO_2. Оно также уменьшалось до нуля ко всем границам поля кристаллизации нефелина как в нижней и правой части диаграммы, так и к верхней, особенно в правой части поля. То есть, содержание нефелина обусловлено не только суммарным влиянием содержания оксидов натрия, кремнезема и глинозема, но и расстоянием фигуративных точек от естественных границ поля кристаллизации нефелина. Отсюда становится понятной дугообразная картина расположения фигуративных точек миаскитов и широкий разброс точек на рассмотренных диаграммах.

 

 

Рис.11. Распределение содержаний нефелина в поле кристаллизации нефелина. Цифры в изолиниях и у фигуративных точек содержания нефелина в объемных %. Условные обозначения те же.

 

В то же время, на диаграммах достаточно четко вырисовывается, что решающим является не содержание глинозема и кремнезема, а содержание оксида натрия, что подтверждает лишь часть высказанных в истории вопроса точек зрения на условия кристаллизации нефелина..

 

 

Предлагается методика определения присутствия и модального содержания нефелина в ортомагматических горных породах, кристаллизовавшихся в равновесных условиях. Для пород кристаллизовавшихся в неравновесных условиях (вулканиты и субвулканиты) возможно определение только потенциального (нормативного) содержания нефелина в предположении их равновесной кристаллизации.

Для определения возможного присутствия нефелина химический анализ породы пересчитанный на мас., мол.% или ат. % выносится на диаграмму рис.2, где сразу видно является ли порода нефелинсодержащей или безнефелиновой.

Для определения количественного содержания нефелина в породе, в случае, если его кристаллизация возможна, используется диаграмма рис. 11, по которой определяется содержание нефелина. Точность таки определений пока не высока, что обусловлено сравнительно небольшим количеством использованных анализов, но может быть легко увеличена.

 

 

 

Анализ условий кристаллизации нефелина в равновесных ОГП показывает:

1. Поле кристаллизации нефелина в ОГП ограничивается содержанием SiO₂ 30 – 64 мас. %, и линией содержания Na₂O 0,5 – 5 мас. % и выше.

2. Содержание нефелина в ОГП пропорционально содержанию глинозема и оксида натрия. и обратно пропорционально содержанию кремнезема, однако решающее значение имеет содержание оксида натрия.

3. Содержание нефелина определяется положением фигуративной точки на диаграмме относительно границ поля кристаллизации нефелина, где его содержание увеличивается с увеличением содержания оксида натрия и глинозема и уменьшается при увеличении содержания кремнезема и приближении к границам поля кристаллизации нефелина.

4. По предложенным диаграммам возможно определение присутствия нефелина и определение его модального содержания в магматических породах, кристаллизовавшихся в равновесных условиях. Для магматических пород кристаллизовавшихся в неравновесных условиях возможно определение содержания нормативного нефелина.

 

 

 

1. Бетехтин А.Г. Минералогия. М.: Недра. 1950.952 с.

2. Дир У.А., Р.А. Хауи, Дж. Зусман. Породообразующие минералы. Т.4. М.-Л.: 1966.

3. Дэли Р.О.. Изверженные породы и глубины Земли. 1936. М.: ОНТИ. 591с.

4. Заварицкий А.Н. Изверженные горные породы. М. Изд. АН СССР. 1955. 479с.

5. Ефремова С.В., К.Г.Стафеев. Петрохимические методы исследования горных пород. М.: Недра. 1985. 511с.

6. Иванов О.К. О факторах определяющих состав оливина// изв. АН ССР. Серия геол. 1978. № 6. с. 86 – 89.

7. Иванов О.К. О причинах кристаллизации кварца в ортомагматических породах// «Кварц – кремнезем». Мат-лы Международного симпозиума. Сыктывкар. 2004. С. 87 – 88.

8. Иванов О.К. Минералогические признаки равновесной и неравновесной кристаллизации ортомагматических горных пород // Уральский геологический журнал 2006. №1(49). С. 78 – 83.

9. Иванов О.К. Факторы, определяющие число сокристаллизующихся минералов равновесных ортомагматических горных пород// Уральский геологический журнал. 2006, № 4(53). С.

10. Левин В. Я.Щелочная провинция Ильменских – Вишневых гор. М.: Наука. 1974. 222с. 

11. Магматические горные породы. М. Недра. 1983. Т.1-П.

12. Эдгар А.Д. Экспериментальные исследования// Щелочные породы. М.: МИР. 1976. С.237 – 277.