Блог

Алимов В.Ю.
Деформационный механизм образования хромитового оруденения в альпинотипных ультрабазитах

В настоящее время деформационная история ультрабазитовых массивов уральских офиолитов изучена достаточно полно. Достоверно установлено место процесса хромитообразования в этапах мантийно-коровых деформаций ультрабазитов. Вместе с тем, деформационный механизм формирования хромитовых руд в альпинотипных ультрабазитах фактически отсутствует. В данной работе для альпинотипных ультрабазитов предлагается модель нелинейной деформируемой среды с концентраторами механических напряжений.
Естественным концентратором напряжений рассматриваются контакты зерен минералов. Средняя величина напряжений контактной природы (НКП) на площадке касания зерен, согласно решению задачи Герца, может быть записана в виде:
Р = 0.6 × Ро1/3 × Е2/3 (1),
где Ро – литостатическое давление, Е – модуль Юнга минерала.
Возникновение НКП происходит в ситуации, когда трансляционные механизмы пластической деформации сменяются на механизмы сдвига с вращательными модами. Микроскопически это соответствует этапу деформаций ультрабазитов, когда активизируется синтектоническая рекристаллизация; геологически и структурно – переходу от высокотемпературных складчатых деформаций к возникновению линейных высокотемпературных зон пластического течения.
Теоретический анализ показывает возможность достижения в структурированной НКП-системе локальных напряжений ~20 ГПа и более, вплоть до достижения порога возбуждения эффекта Бриджмена [Фатеев, 2005 ].
Ясно, что дальнейшее обоснование этого механизма может идти только путем выявления реальных следов воздействия высоких давлений на минералы. Оказалось возможным расшифровать природу дендритов оливина, выявленную методами структурного травления [Ярош, Царицын, 1978]. Установлено, что это явление возникает при давлении Ро, при котором притяжение атомов сменяется их отталкиванием [Магомедов, 2003]. Для оливина определяется давление не меньше 24 ГПа, что не противоречит данным по астроблемам, в которых дендритизация рингвудита и других минералов соответствует шоковым давлениям 25–37 ГПа [Фельдман и др., 2007].
Зональность микростроения в оливинах ультрабазитов «привязана» к границам зерен. Это означает, что НКП в оливине наиболее ранних генераций превосходят Ро = 24 ГПа в соответствии с теорией М. Н. Магомедова. Мы неоднократно изучали оливины по методике П. Я. Яроша и Е. П. Царицына для Рай-Изского, Войкаро-Сыньинского и других ультрабази¬то¬вых массивов и можем подтвердить их широкое распространение.
Наши данные допускают еще одно сравнение хромитоносных комплексов с астроблемами. Для Карской астроблемы в известковых песчаниках фиксируется зона, представленная конусами разрушения [Фельдман и др., 2007]. Такие структуры возникают при обтекании сверхзвуковым потоком включения с поперечными колебаниями. Структура имеет в своей основе конус Маха. Конус с раствором угла при вершине меньше прямого соответствует сверхзвуковым явлениям и может служить индикатором ударных волн. По конфигурации конуса возможна независящая от термодинамических величин барометрия. При наличии в ультрабазитах деформационных структур с НКП, мультиплицирующих механические напряжения, сжатие может достигнуть степени, когда давление существенно увеличивает модуль Юнга.
В таком случае скорость звука в максимально сжатой области возрастает. В случае «реологического взрыва» или иной сдвиговой неустойчивости центр сжатия релаксирует путем создания упругой волны. Для остального объема минерала скорость такой волны является сверхзвуковой. Если такая ситуация имеет место, реально обнаружить конуса Маха в качестве элементов микроструктур. При электронно-микроскопическом изучении такие микроструктуры были выявлены в оливинах из руд и в хромитах. Напротив, в несерпентинизированных гарцбургитах г. Пайты наблюдаются только нанокристаллы оливина изометричной формы. В оливине из включения в хромитовой руде (обр. 4360, р.п. Кершорское) вершины конусов располагаются примерно по сетке 0.25 × 0.25 мкм. Для оливина величина максимального сжатия на вершине конуса оценена порядка 50 ГПа (~1 еВ), для хромита – в мегабарном диапазоне (>2 еВ). Для астроблем давление в зоне конусов разрушения песчаников оценивается величиной 2–10 ГПа, что по порядку величины (с учетом поправки на НКП в песчаниках) согласуется с приведенной нами оценкой [Фельдман и др., 2007]. Несмотря на высокую энергетику «активных точек», вклад их в общее давление может быть невелик. Для оливина обр. 4360 количество конусов Маха оценивается в 64 на куб. мкм. Это приводит к увеличению среднего давления всего на 180 бар. Поскольку области развития конусных микроструктур локальны, мы можем считать их причиной также локальные явления, а именно – НКП.
Полученные данные свидетельствуют о том, что деформации при хромитообразовании в альпинотипных ультрабазитах идут в условиях стационарного эффекта Бриджмена. Известно, что скорости твердофазных химических реакций в этих условиях увеличиваются на порядки. Уровни энергии за счет эмиссионных процессов достигают 100 кеВ. Вязкость твердого вещества в условиях эффекта Бриджмена близка вязкости глицерина [Фатеев, 2005].
Важно понять, как отражаются эти события на минералогии ультрабазитов. С этой целью нами были изучены оливины из овоидов в хромитах р.п. Кершорское (обр. 4360). Были установлены минералы по составу близкие к оливину, но содержащие F (до 0.34 %), Cl (до 0.07 %); Al (0.02–0.21 %); Cr (0.16–0.83 %) (операторы И. М. Куликова ИМГРЭ, В. Г. Гмыра. ИГГ УрО РАН). Выявленные минералы имеют составы, соответствующие твердым растворам F, Cl содержащего гидрооливина и Сr, Al содержащего лайхунита. Рентгенограммы содержат линии d = 0.712 нм и d = 0.332 нм, которые нами отнесены к DHMS-фазам. Как известно, лайхунит и гидрооливин являются сверхструктурными дефектными фазами [Хисина и др., 2002]. На электроннограммах изучаемых фаз оливинов обр. 4360 также наблюдаются сверхструктурные рефлексы. Условия образования таких фаз соответствуют давлениям ~ 10–20 ГПа. Сверхструктурные рефлексы с малыми кристаллографическими индексами, соответствующие дефектным фазам, установлены и для рудных хромитов.
Г. Н. Савельевой (1987) в гарцбургитах Войкаро-Сыньинского массива были обнаружены криптозернистые Al содержащие оливины. При изучении оливинов из руд р.п. Лекхойлинское были установлены Cr, Al-содержащие оливины, относящиеся к охарактеризованному выше типу. Обнаружены также Cr, Al-содержащие минералы серии оливин-клиногумит с соотношением оливинового минала к бруситовому от 20:1 до 8:1. Определен также Сr-содержа¬щий оливин с содержанием Al2O3 4.91 %. Состав этого минерала весьма близок к составу рингвудита, установленного в экспериментах В. Н. Фельдмана и др. (2007) по ударно-волновому нагружению биотит-гранатового субстрата. Различия касаются только железистости минерала. Как известно, перечисленные минералы являются индикаторами давлений в интервале 3–18 ГПа.
Электронно-микроскопическое изучение свидетельствует, что минералы хромитовых руд находятся не в кристаллическом состоянии, а в виде скомпактированных природных наноматериалов. По диаграмме Росса для наблюдаемых величин нанокристаллов оливина < 100 нм получаем величину стресса > 10 ГПа.
Приведенные данные свидетельствуют о реальности рассматриваемого деформационного механизма, основанного на явлении концентрации механических напряжений на контактах зерен минералов.
На границе оливина и хромита, согласно формуле (1), НКП испытывает скачок давлений с максимальной величиной, достигаемой для наноразмеров, равной 6 ГПа. Наличие такого изменения НКП на границах фаз эквивалентно аномально большому поверхностному натяжению. Поэтому в условиях развитого НКП процесса минеральные фазы минимизируют площадь границы раздела, т.е. обособляются в шаровые образования. Это и объясняет наличие хромитовых нодулей, а также оливиновых и пироксеновых овоидов в хромитовых рудах.
НКП являются причиной пространственной дифференциации минералов. При развитом процессе каждый минерал имеет собственное давление, согласно формуле (1). Система утрачивает возможность межфазного механического равновесия. Основным параметром дифференциации является модуль Юнга. Требование внутрифазного механического равновесия накладывает жесткие ограничения на химизм фазы в НКП системе. Могут реализоваться только такие вариации состава, которые не меняют модуль Юнга. Иначе, согласно (1), внутри фазы возникнут очень большие механические напряжения. Это приводит к выдержанности составов оливина (в пределах формации) и рудных хромитов (в пределах рудных полей).
Поведение ультрабазитов при возникновении НКП систем подчиняется принципу Ле-Шателье, т.е. всегда препятствует воздействию внешних параметров. При наиболее интенсивных деформациях ультрабазиты начинают генерировать по НКП механизму внутреннее противодавление. Поскольку НКП пропорциональны модулю Юнга, на максимумы деформации с разной скоростью стягиваются минералы с максимальным Е. Этот процесс и лежит в основе образования хромитовых руд.
Кроме концентрации наиболее прочных минералов, идет формирование составов минералов, повышающих модуль Юнга (формально – повышающих температуру плавления.). Для оливина – это повышение магнезиальности. Для хромита наиболее сильная тенденция – одновременное повышение содержаний Cr и Mg. Наиболее высокохромистый тип оруденения формируется в целиком твердофазной системе.
Энергия сконцентрированных механических напряжений при определенных условиях может перейти в тепловую форму. В этом случае, при наличии относительно легкоплавких минералов, возможно появление расплавной компоненты. Это явление известно по экспериментам с эффектом Бриджмена. В таком случае начинают «работать» магматические факторы контроля состава рудного хромита. Любые расплавы при частичном плавлении ультрабазитов являются Al-содержащими. Магматическая компонента, даже при самом незначительном количестве, смещает состав рудного хромита от высокохромистого к глиноземистому при сохранении принципа максимальности Е в данных условиях. При этом формируется глиноземистый тип руд. Возможное проявление этого процесса – появление эндиопсида (En68Di32 – 1330° C) в цементе руд Лекхойлинского месторождения глиноземистых хромитов (Войкаро-Сыньинский массив).
В НКП системах нет ограничений на состав мобилизата, который может быть определен по вариациям главных компонентов – MgO и SiO2. Получаемые в данном случае вариационные диаграммы имеют линейный характер. Это резко отличает НКП-системы от систем с частичным плавлением, для которых типичны логарифмические тренды.
Принципиальной стороной НКП систем является значительное избыточное давление на твердые фазы. Поэтому, наряду с вышеописанными рудными процессами, неизбежны отклонения поведения ультрабазитов от экспериментальных диаграмм, полученных при равенстве давлений воды и общего. При «обрушении» НКП каркаса всегда формируется рудоконтролирующий экран и одновременно кристаллизуется тот или иной водосодержащий минерал. По этой причине хромитовое оруденение альпинотипных ультрабазитов во всех случаях закономерно локализовано в т. н. метаморфической зональности. Модельной природной системой могут служить криптокристаллические оливины Войкаро-Сыньинского массива. Петрографически можно наблюдать локализацию рудного вещества на границе крипто- и полнокристаллических фаз и рядом – рост водосодержащих минералов в направлении от тонкозернистого оливина к крупнозернистому.

Литература

Магомедов М. Н. О барической фрагментации кристалла // Физика твердого тела, 2003. Т. 45. Вып. 5. С. 908–910.
Хисина Н. Р., Вирт Р., Андрут М. Формы нахождения ОН- в мантийных оливинах. I. Структурный гидроксил // Геохимия, 2002. № 4. С. 375–385.
Фатеев Е. Г. Низковязкая текучесть твердой дисперсионной среды в эффекте Бриджмена // ЖТФ, 2005. Т. 75. Вып. 2. С. 53–56.
Фельдман В. И., Сазонова Л. В., Козлов Е. А. Высокобарические полиморфные модификации некоторых минералов в импактитах: геологические наблюдения и экспериментальные данные // Петрология, 2007. Т. 15. № 3. С. 241–256.
Ярош П. Я., Царицын Е. П. Признаки перекристаллизации в оливинах из гипербазитов // Закономерности размещения полезных ископаемых. М.: Наука, 1978. С. 223–230.