ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МОНОВАРИАНТНЫХ РЕАКЦИЙ ПЛАВЛЕНИЯ В ФОРСТЕРИТНОРМАТИВНОЙ ЧАСТИ СИСТЕМЫ CaO—MgO—Al2O3—SiO2 В СВЯЗИ С ОБРАЗОВАНИЕМ ШПИНЕЛЕВЫХ ПЕРИДОТИТОВ
Банушкина С.В.1, Гартвич Ю.Г.2, Голицына З.Ф.3, Сурков Н.В.4
1ORCID: 0000-0002-5676-2851, аспирант, 2ORCID: 0000-0002-1018-2587, кандидат геолого-минералогических наук, 3ORCID: 0000-0002-3222-9139, аспирант, 4ORCID: 0000-0003-0126-860X, кандидат геолого-минералогических наук,
Институт геологии и минералогии СО РАН, г. Новосибирск
Работа выполнена в рамках проекта НИР (0330—2016—0016) "Моделирование тепловой и гидродинамической структуры плюмов для определения условий формирования магматических расплавов и их влияния на вещественный состав и структуру литосферы Северной Евразии"
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МОНОВАРИАНТНЫХ РЕАКЦИЙ ПЛАВЛЕНИЯ В ФОРСТЕРИТНОРМАТИВНОЙ ЧАСТИ СИСТЕМЫ CaO—MgO—Al2O3—SiO2 В СВЯЗИ С ОБРАЗОВАНИЕМ ШПИНЕЛЕВЫХ ПЕРИДОТИТОВ
Аннотация
Проведено экспериментальное исследование моновариантных реакций плавления в форстеритнормативной части системы CaO—MgO—Al2O3—SiO2 при давлениях от 1,2 до 2,5 ГПа. В области плавления установлены моновариантные реакции: Fo+L=Cpx+Opx+Sp, L=Cpx+Opx+An+Sp, L+Opx+Sp=Cpx+Ga и Fo+Opx+L=Cpx+Ga. Исследовано положение лучей этих монованиантных реакций в широком диапазоне температур и давлений. Определены составы сосуществующих фаз. На основе топологического анализа проведена увязка лучей моновариантных реакций и доказано существование трёх ноонвариантных равновесий (L,An,Fo,Sp,Cpx,Opx), (L,An,Sp,Cpx,Ga,Opx), (L,Fo,Sp,Cpx,Ga,Opx).
Анализ строения фазовой диаграммы в форстеритнормативной части системы CaO—MgO—Al2O3—SiO2 показывает, что в этой области системы имеются перитектические реакциям плавления: L+Fo=Cpx+Opx+Sp L+Opx+Sp=Cpx+Ga, а в области ликвидуса присутствую такие фазы как оливин, шпинель и ортопироксен. Осаждение этих фаз в магматическом очаге приводит к существенному обогащению остаточного расплава кремнезёмом и кальциевым компонентами. Поэтому в интервале давлений 1,2—2,5 ГПа возможен механизм кристаллизационной дифференциации, приводяший к образованию кислых расплавов из форстеритнормативных составов.
Ключевые слова: магматизм, фазовая диаграмма, нонвариантное равновесие, экспериментальное исследование, высокие давления.
Banushkina S.V.1, Gartvich Yu.G.2, Golitsyna Z.F.3, Surkov N.V.4
1ORCID: 0000-0002-5676-2851, Postgraduate student, 2ORCID: 0000-0002-1018-2587, PhD in Geology and Mineralogy, 3ORCID: 0000-0002-3222-9139, Postgraduate student, 4ORCID: 0000-0003-0126-860X, PhD in Geology and Mineralogy,
Institute of Geology and Mineralogy, SB of RAS, Novosibirsk
EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF MONOVARIANT MELTING REACTIONS IN FORSTERITE-NORMATIVE PART OF CaO-MgO-Al2O3-SiO2 SYSTEM IN CONNECTION WITH FORMATION OF SPINEL PERIDOTITIS
Abstract
The experimental study of the monovariant melting reactions in the forsterite-normative part of the CaO-MgO-Al2O3-SiO2 system at pressures of 1.2 to 2.5 GPa is carried out. The following monovariant reactions are established in the melting region: Fo+L=Cpx+Opx+Sp, L=Cpx+Opx+An+Sp, L+Opx+Sp=Cpx+Ga and Fo+Opx+L=Cpx+Ga. The position of the rays of these monovariatn reactions in a wide range of temperatures and pressures is studied, the compositions of coexisting phases are determined as well. Based on the topological analysis, the linking of the rays of the monovariant reactions is carried out, the existence of three nononvariant equilibria (L, An, Fo, Sp, Cpx, Opx), (L, An, Sp, Cpx, Ga, Opx), (L, Fo, Sp, Cpx, Ga, Opx) is proved.
The analysis of the structure of the phase diagram in the forsterite-normative part of the CaO-MgO-Al2O3-SiO2 system shows that there are peritectic melting reactions: L+Fo=Cpx+Opx+Sp L+Opx+Sp=Cpx+Ga in this region of the system, and in the liquidus region there are such phases as olivine, spinel and orthopyroxene. The precipitation of these phases in the magmatic focus leads to a substantial enrichment of the residual melt with silica and calcium components. Therefore, in the pressure range of 1.2-2.5 GPa, the mechanism of crystallization differentiation is possible, leading to the formation of acidic melts from forsterite-normative compositions.
Keywords: magmatism, phase diagram, nonvariant equilibrium, experimental investigation, high pressures.
Исследование процессов магмообразования и генезиса глубинных пород представляет собой одну из актуальных задач геологических наук. Наиболее продуктивным методом решения таких вопросов является моделирование на синтетических упрощённых системах, состоящих из главных компонентов горных пород. Такими компонентами в составе глубинных пород являются оксиды Si, Mg, Al и Ca. Они составляют 80-90 масс.% от содержания в таких породах как лерцолиты, дуниты, гранатовые лерцолиты, эклогиты, гарцбургиты и т.п.. В системе СаО—MgO—Al2O3—SiO2 образуются практически все фазы, соответствующие минералам глубинных пород. Всё это позволяет считать систему СаО—MgO—Al2O3—SiO2 адекватной моделью для моделирования устойчивости и плавления большинства глубинных парагенезисов.
Для решения задач связанных с петрологией верхней мантии Земли наиболее интересной частью системы СаО—MgO—Al2O3—SiO2 является форстеритнормативная область составов. Ключевым моментом в строении этой части системы представляет наличие в субсолидусной области трёх моновариантных реакций An+Fo=Cpx+Opx+Sp, Opx+An+Sp=Cpx+Ga, Sp+Opx+Cpx=Ga+Fo [1], [2], лучи которых при низких температурах пересекаются [3], [4] и образуют нонвариантную точку (Cpx,Opx,Ga,Fo,An,Sp). Лучи этих трёх реакций контролируют устойчивость и порядок смены ассоциаций при возрастании давления. При атмосферном давлении имеются достаточно точные данные для ликвидуса системы, полученные ещё Андерсоном [5], Осборном и Тайтом [6] и уточнённые Лонгши [7]. При высоких давлениях серия систематических исследований была выполнена Пресналом с сотрудниками [8, 9, 10], кроме того имеются данные по ликвидусу в отдельных изобарических сечениях [11], [12], [13], а также по плавлению отдельных составов [1], [14]. Эти данные имеют разрозненный и несколько противоречивый характер.
В связи с этим, настоящая работа посвящена экспериментальному исследованию положения лучей моновариантных реакций плавления в форстеритнормативной части системы СаО—MgO—Al2O3—SiO2.
Рис. 1 – Фазовые соотношения в системе CaO—MgO—Al2O3—SiO2 при давлении 3,0 ГПа и температуре 1200 OC
Методика экспериментальных исследований
Исследование проводили с помощью аппарата типа „поршень—цилиндр" [15], [16] по методике, мало отличающейся от общепринятой для этого типа аппаратов. В качестве нагревательного устройства использована ячейка на основе хлорида натрия, подобная той, которую предложил Мирвальд и др. [17]. Выбор именно этой ячейки связан с тем, что она позволяет, не только наиболее точно контролировать давление, но и не содержит водосодержащих материалов и позволяет проводить эксперименты по исследованию ликвидуса системы.
Давление определяли по усилению нагрузки за вычетом поправки на трение, которую вычисляли по разнице усилия нагрузки и расчётного усилия, необходимого для фазового перехода BiI—BiIII (2,54 ГПа) при комнатной температуре. Для калибровки висмутовую проволочку длиной 3 мм в таблетке из хлористого серебра помещали непосредственно на поршень. Точность поддержания и измерения давления нами не определялась, но по оценкам разных исследователей [17] на „ячейке низкого трения" составляет около ±0,03 ГПа. Для определения и регулировки температуры использовали платинородиевую термопару PtRd6—PtRd30, управление температурой производили при помощи высокоточного регулятора ВРТ—3 (точность поддержания ±1 OС). Влияние давления на Э.Д.С. термопары не учитывали. Точность измерения температуры по этой методике оценивается не хуже ±10 OC [16].
Исходные вещества приготовлены весовым методом из прокаленных (1100—1400 OC; 5—6 часов) оксидов марки Ос.Ч.. Кроме того, использовали оксид алюминия, который получен прокаливанием гидрооксида алюминия марки Ос.Ч.—18—3. Из них были приготовлены исходные смеси, отвечающие по стехиометрии CaMgSi2O6, Mg3Al3Si3O12, MgAl2O4, и Mg2SiO4, которые были раскристаллизованы при 1450—1550 OC и 1 атм в ассоциации фаз субсолидуса. Прокаливание смесей через 8—10 ч чередовали с растиранием в ступке из твёрдого сплава до полного исчезновения исходных оксидов. Из первоначальных исходных смесей, соответствующих по своей стехиометрии соответствующим фазам, были приготовлены рабочие смеси требуемого состава. Эти смеси были расплавлены в прозрачные стёкла в платиновом тигле при температурах несколько выше 1600 OC, при атмосферных условиях.
Характеристики использованных смесей приведены в таблице 1. Для проведения эксперимента образец помещали в платиновую ампулу, просушивали при 500—600 OC в течение 7—8 часов и герметизировали электросваркой.
Таблица 1 – Характеристика исходных веществ
| № | Обозначение состава | масс. % | Условия синтеза | Набор фаз | ||||
| Di | Pyr | PEn | Sp | Fo | ||||
| S69 | Di30Pyr70 | 30 | 70 | 0 | 0 | 1 атм., 1600 OC, 1 час. | Glass | |
| S67 | Di40Pyr60 | 40 | 60 | 0 | 0 | 1 атм., 1600 OC, 1 час. | Glass | |
| S82 | Di64,6En7,5 Sp10,1Fo17,7 | 64,63 | 0 | 7,52 | 10,12 | 17,73 | 1 атм., 1600 OC, 1 час. | Glass |
| S83 | Di27,1En59,5 Sp9,2Fo4,0 | 27,17 | 0 | 59,53 | 9,25 | 4,05 | 1 атм., 1600 OC, 1 час. | Glass |
Для исследования образцов из них изготавливали двусторонний полированный шлиф, который изучали обычными петрографическими методами с помощью поляризационного микроскопа. Шлиф всегда изготавливали, ориентировано, из поперечного скола образца. Дополнительно анализ фазового состава продуктов экспериментов проводили рентгенофазовым методом, а анализ состава фаз проводили на электронном микроанализаторе “Comebax—Micro”.
Зерна фаз в продуктах опытов даже в области плавления имели размер 5—20 микрон. Это затрудняет изучение состава фаз с помощью электронного микроанализатора. Увеличение продолжительности экспериментов не даёт заметного возрастания размера зёрен фаз. Кроме того, при плавлении зёрна фаз отседают на дно ампулы и часто не попадают в область среза петрографического шлифа. По этим причинам в части экспериментов не удаётся получить удовлетворительные анализы всех обнаруженных фаз (к рассмотрению приняты анализы с суммой более 97—98 %).
Жидкость закаливается в виде стекла не во всех экспериментах, при температурах вблизи солидуса происходит раскристаллизация жидкости в закалочные фазы, представленные преимущественно клинопироксеном и форстеритом. Закалочные фазы имеют характерную структуру типа „мороза на окнах", по которой их легко отличить от других фаз. Анализ состава закалочных фаз с помощью электронного микроанализатора не даёт информации о составе исходной жидкости, поскольку состав заметно изменяется от точки к точке, и в некоторых случаях общая сумма оксидов оказывается значительно меньше 100 % (до 95 %). Последнее явление связано с невозможностью хорошо отполировать поверхность закалочных фаз. В более высокотемпературных опытах жидкость удаётся частично закалить в стекло. Однако с течением времени (1—2 месяца) стекло постепенно переходит в агрегат закалочных фаз.
Результаты экспериментов
Для исследования реакции L+Fo=Cpx+Opx+Sp были выбраны два состава находящиеся внутри тетраэдра составов (Fo,Sp,Di,En) (S—82, S—83 таблица 1). Реакция прослежен в интервале давлений 1,2—2,0 ГПа. В области солидуса всегда диагностируются четыре фазы Fo, Cpx, Opx и Sp. В области ликвидуса всегда фиксируется форстерит иногда клинопироксен, шпинель и ортопироксен. Результаты экспериментов приведены в таблице 2 и на рисунке 1. Из—за плохой закаливаемости расплава в стекло, получить удовлетворительные анализы жидкости удалось лишь в части опытов (табл. 5). Наши результаты показывают, что луч реакции L+Fo=Cpx+Opx+Sp расположен на 50—70 OC выше, чем следует из данных Преснала [8,10]. Это расхождение можно удовлетворительно объяснить, если, обратить внимание на постоянное присутствие стекла в продуктах экспериментов из работы Преснала [8, 10], (см. таблицу 3 [8] и таблицу 1, [10]).
Рис. 2 – 1— солидус для состава S67; 2 — плавление для состава S67; 3 — солидус для состава S69; 4 — плавление для состава S69; 5 — ассоциация Cpx+Opx+Sp+Fo для состава S82; 6 — плавление для ассоциации Cpx+Opx+Sp+Fo для состава S82; 7 ассоциация Cpx+Opx+Sp+Fo для состава S83; 8 — плавление для ассоциации Cpx+Opx+Sp+Fo для состава S83
Поскольку, Пресналом использовано нагревательное устройство изготовленное из водосодержащих фаз [10], то по нашему мнению, такое подплавление составов, происходит за счёт существенного давления водорода в подобных нагревательных устройствах.
Реакция L=Cpx+Opx+An+Sp исследована нами в интервале давлений 1,2—1,4 ГПа. Для исследования луча этой реакции были выбраны составы в сечении диопсид—пироп (составы S—69, S—67 таблица 1). Результаты экспериментов приведены в таблице 3 и на рисунке 1. Составы жидкости и сосуществующих с ней фаз приведены в таблице 6. Наши данные достаточно хорошо совпадают с данными Куширо и Йодера [1] по плавлению для состава An50Fo50 и данными Преснала и др., [9].
Таблица 2 – Условия проведения и результаты экспериментов по исследованию луча реакции L+Fo=Cpx+Opx+Sp
| № | P ГПа | T оС | Вре- мя (час) | Сос-тав | Химический состав масс.% | Фазы |
| Р121 | 20 | 1534 | 1 | S82 | Di64,6En7,5Sp10,1Fo17,7 | Opx+L+Fo |
| Р118 | 20 | 1509 | 1 | S82 | Di64,6En7,5Sp10,1Fo17,7 | Cpx+L+Fo |
| Р145 | 17 | 1539 | 1 | S82 | Di64,6En7,5Sp10,1Fo17,7 | Cpx+L+Fo |
| Р144 | 17 | 1510 | 1 | S82 | Di64,6En7,5Sp10,1Fo17,7 | Cpx+L+Fo |
| Р122 | 17 | 1508 | 1 | S82 | Di64,6En7,5Sp10,1Fo17,7 | Fo+Cpx+Sp+L |
| Р143 | 17 | 1484 | 1 | S82 | Di64,6En7,5Sp10,1Fo17,7 | Cpx+L+Fo |
| Р125 | 17 | 1459 | 1 | S82 | Di64,6En7,5Sp10,1Fo17,7 | Cpx+Fo+Sp+Opx |
| Р142 | 17 | 1458 | 1 | S82 | Di64,6En7,5Sp10,1Fo17,7 | Cpx+Fo+Sp+Opx |
| Р141 | 17 | 1433 | 1 | S82 | Di64,6En7,5Sp10,1Fo17,7 | Cpx+Fo+Sp+Opx |
| Р210 | 14 | 1509 | 1 | S82 | Di64,6En7,5Sp10,1Fo17,7 | Fo+L |
| Р200 | 14 | 1484 | 1 | S82 | Di64,6En7,5Sp10,1Fo17,7 | Cpx+Fo+L |
| Р128 | 14 | 1459 | 0,8 | S82 | Di64,6En7,5Sp10,1Fo17,7 | Cpx+Opx+Fo+Sp |
| Р127 | 14 | 1431 | 1 | S82 | Di64,6En7,5Sp10,1Fo17,7 | Cpx+Opx+Fo+Sp |
| Р201 | 14 | 1484 | 1 | S83 | Di27,1En59,5Sp9,2Fo4,0 | Cpx+L+Opx+Fo |
| Р140 | 14 | 1410 | 1 | S83 | Di27,1En59,5Sp9,2Fo4,0 | Cpx+Opx+Sp+Fо |
| Р139 | 14 | 1408 | 1,3 | S83 | Di27,1En59,5Sp9,2Fo4,0 | Cpx+Opx+Fo+Sp |
| Р138 | 14 | 1383 | 1 | S83 | Di27,1En59,5Sp9,2Fo4,0 | Cpx+Opx+Fo+Sp |
| Р212 | 12 | 1484 | 1 | S82 | Di64,6En7,5Sp10,1Fo17,7 | Cpx+L+Fo |
Для исследования луча реакции L+Opx+Sp=Cpx+Ga были выбраны два состава находящиеся в сечении диопсид—пироп (составы S—67, S—69 таблица 1). Результаты экспериментов приведены в таблице 3 и на рисунке 2. Составы жидкости и сосуществующих с ней фаз приведены в таблице 6. В области солидуса всегда диагностируются три фазы Ga, Cpx и Opx. В области ликвидуса фиксируется ортопироксени шпинель. Луч этой реакции прослежен в интервале давлений 1,6—2,0 ГПа, имеет довольно крутой положительный наклон.
Таблица 3 – Условия проведения и результаты экспериментов по исследованию лучей реакций Opx+Sp+L=Cpx+Ga, L+Fo+Opx=Cpx+Ga и L=Cpx+Opx+An+Sp
| № | P (ГПа) | T ОC | Время (час) | Состав № | Обозначение состава | Фазы |
| Р—32 | 2,5 | 1611 | 0,5 | S—67 | Di40Pyr60 | L |
| Р—83 | 2,5 | 1588 | 0,5 | S—67 | Di40Pyr60 | L+Opx+Fo |
| Р—25 | 2,5 | 1550 | 0,5 | S—67 | Di40Pyr60 | Opx+Ga+Cpx |
| Р—85 | 2,5 | 1510 | 3 | S—67 | Di40Pyr60 | Cpx+Opx+Ga |
| Р—89 | 2,5 | 1485 | 2,5 | S—67 | Di40Pyr60 | Cpx+Opx+Ga |
| Р—90 | 2,5 | 1462 | 1 | S—67 | Di40Pyr60 | Cpx+Opx+Ga |
| Р—30 | 2,0 | 1600 | 1,4 | S—67 | Di40Pyr60 | L+Sp+Opx+Fo |
| Р—206 | 2,0 | 1510 | 1 | S—67 | Di40Pyr60 | L+ |
| Р—58 | 2,0 | 1481 | 2 | S—67 | Di40Pyr60 | Cpx+Opx+L |
| Р—52 | 2,0 | 1460 | 4,2 | S—67 | Di40Pyr60 | Cpx+Opx+Ga |
| Р—62 | 2,0 | 1457 | 4 | S—67 | Di40Pyr60 | Cpx+Opx+Ga |
| Р—33 | 2,5 | 1611 | 0,5 | S—69 | Di30Pyr70 | L |
| Р—26 | 2,5 | 1550 | 0,5 | S—69 | Di30Pyr70 | Cpx+Opx+Ga |
| Р—38 | 2,5 | 1511 | 2,5 | S—69 | Di30Pyr70 | Cpx+Opx+Ga |
| P—40 | 2,5 | 1502 | 3 | S—69 | Di30Pyr70 | Cpx+Opx+Ga |
| Р—88 | 2,5 | 1482 | 2,5 | S—69 | Di30Pyr70 | Cpx+Opx+Ga |
| Р—63 | 2,5 | 1457 | 2 | S—69 | Di30Pyr70 | Cpx+Opx+Ga |
| Р—31 | 2,0 | 1602 | 1,4 | S—69 | Di30Pyr70 | L+Opx |
| Р—119 | 2,0 | 1532 | 1 | S—69 | Di30Pyr70 | L+Sp |
| Р—205 | 2,0 | 1510 | 1 | S—69 | Di30Pyr70 | Cpx+Opx+Fo+L |
| P—50 | 2,0 | 1510 | 3 | S—69 | Di30Pyr70 | Cpx+Opx+Sp+L |
| Р—92 | 1,8 | 1460 | 2,5 | S—69 | Di30Pyr70 | L+Sp+Opx+Fo |
| Р—101 | 1,8 | 1435 | 2 | S—69 | Di30Pyr70 | L+Fo+Sp+Opx |
| Р—100 | 1,8 | 1407 | 2 | S—69 | Di30Pyr70 | Cpx+Opx+Ga |
| Р—99 | 1,6 | 1400 | 0,4 | S—69 | Di30Pyr70 | L+Opx+Fo |
| Р—102 | 1,6 | 1383 | 2 | S—69 | Di30Pyr70 | Cpx+Opx+Ga |
| Р—106 | 1,4 | 1429 | 2 | S—69 | Di30Pyr70 | Opx+Sp+Fo+L |
| Р—105 | 1,4 | 1408 | 2 | S—69 | Di30Pyr70 | L+Sp+Opx+Fo |
| Р—103 | 1,4 | 1375 | 2 | S—69 | Di30Pyr70 | Opx+Sp+An+Cpx |
| Р—104 | 1,4 | 1357 | 3 | S—69 | Di30Pyr70 | Opx+Sp+An+Cpx |
| Р—107 | 1,4 | 1332 | 3 | S—69 | Di30Pyr70 | Cpx+Opx+Sp+An |
| Р—131 | 1,2 | 1407 | 2 | S—69 | Di30Pyr70 | L+Fo |
| Р—129 | 1,2 | 1391 | 1 | S—69 | Di30Pyr70 | Cpx+Opx+Sp+An |
| Р—123 | 1,2 | 1357 | 2 | S—69 | Di30Pyr70 | Cpx+Opx+Sp+An |
Таблица 4 – Анализы состава жидкости и сосуществующих с ней фаз из продуктов опытов по исследованию реакции L+Fo=Cpx+Opx+Sp
| № | Фаза | CaO | MgO | Al2O3 | SiO2 | Сумма |
| Р118 | L | 15,88 | 27,68 | 8,30 | 46,33 | 98,19 |
| Р118 | Fo | 1,04 | 54,88 | 0,29 | 42,27 | 98,46 |
| Р145 | L | 22,47 | 16,19 | 9,95 | 51,15 | 99,76 |
| Р145 | L | 22,99 | 14,34 | 10,51 | 52,07 | 99,91 |
| Р145 | Fo | 0,74 | 56,20 | 0,10 | 41,98 | 99,03 |
| Р145 | Fo | 1,10 | 55,15 | 0,53 | 42,97 | 99,75 |
| Р122 | L | 21,25 | 18,08 | 9,91 | 50,73 | 99,97 |
| Р122 | L | 22,32 | 15,98 | 10,33 | 50,50 | 99,13 |
| Р122 | L | 22,47 | 16,55 | 9,99 | 50,97 | 99,97 |
| Р122 | Fo | 0,84 | 56,01 | 0,05 | 41,66 | 98,56 |
| Р200 | Cpx | 21,56 | 17,74 | 9,43 | 50,59 | 99,32 |
| Р200 | Cpx | 22,45 | 17,20 | 9,40 | 50,71 | 99,76 |
| Р200 | Cpx | 22,16 | 17,48 | 10,30 | 50,15 | 100,1 |
| Р200 | Cpx | 22,76 | 18,10 | 8,54 | 50,31 | 99,71 |
| Р200 | Fo | 22,64 | 17,82 | 9,45 | 50,63 | 100,5 |
Продолжение Таблицы 4
| № | Фаза | CaO | MgO | Al2O3 | SiO2 | Сумма |
| Р200 | Fo | 22,89 | 17,58 | 9,35 | 50,88 | 100,7 |
| Р200 | Fo | 1,72 | 54,80 | 0,88 | 43,18 | 100,5 |
| Р201 | Cpx | 13,18 | 25,92 | 7,35 | 54,30 | 100,7 |
| Р201 | Cpx | 11,57 | 26,15 | 7,36 | 54,64 | 99,72 |
| Р201 | Cpx | 9,80 | 29,83 | 6,50 | 55,50 | 100,7 |
| Р201 | Cpx | 9,64 | 29,06 | 6,99 | 54,91 | 100,6 |
| Р201 | Cpx | 8,91 | 29,41 | 7,44 | 54,66 | 100,4 |
| Р201 | Opx | 5,90 | 31,90 | 6,97 | 54,88 | 99,65 |
| Р201 | Opx | 5,45 | 33,05 | 7,51 | 54,40 | 100,4 |
| Р201 | Opx | 3,67 | 34,32 | 6,43 | 55,13 | 99,55 |
| Р201 | Fo | 1,40 | 52,14 | 1,90 | 45,24 | 100,7 |
Таблица 5 – Анализы состава жидкости и сосуществующих с ней фаз из продуктов опытов по исследованию реакций Opx+Sp+L=Cpx+Gr, L+Fo+Opx=Gr+Cpx и L+Opx=Gr+Cpx
| № | Фаза | CaO | MgO | Al2O3 | SiO2 | Сумма |
| Р83 | L | 9,98 | 25,74 | 14,12 | 49,24 | 99,08 |
| Р83 | L | 9,13 | 26,08 | 14,63 | 49,20 | 99,04 |
| Р83 | L | 9,20 | 25,97 | 14,57 | 50,15 | 99,90 |
| Р83 | L | 9,32 | 25,62 | 14,95 | 50,18 | 100,1 |
| Р83 | Opx | 5,57 | 29,94 | 14,16 | 50,71 | 100,3 |
| Р83 | Fo | 0,27 | 58,35 | 0,25 | 42,88 | 101,7 |
| Р83 | Fo | 0,26 | 58,32 | 0,43 | 42,49 | 101,4 |
| Р30 | L | 1,16 | 33,68 | 12,70 | 50,81 | 98,34 |
| Р30 | L | 1,06 | 34,40 | 10,75 | 51,98 | 98,19 |
| Р30 | Opx | 6,89 | 25,69 | 16,76 | 49,10 | 98,44 |
| Р30 | Fo | 0,17 | 56,67 | 0,25 | 41,54 | 98,63 |
| Р30 | Sp | 0,03 | 28,74 | 68,43 | 0,34 | 97,54 |
| Р33 | L | 7,60 | 26,31 | 17,40 | 48,47 | 99,77 |
| Р33 | L | 7,42 | 26,60 | 17,58 | 48,89 | 100,4 |
| Р33 | L | 7,60 | 26,66 | 17,29 | 48,36 | 99,92 |
| Р31 | L | 6,82 | 25,48 | 17,97 | 49,03 | 99,30 |
| Р31 | L | 6,65 | 25,99 | 17,89 | 50,20 | 100,7 |
| Р31 | Sp | 0,03 | 28,61 | 68,59 | 0,30 | 97,53 |
| Р119 | L | 6,01 | 28,37 | 16,79 | 47,78 | 98,95 |
| Р119 | Sp | 0,05 | 29,57 | 67,46 | 0,31 | 97,40 |
| Р50 | Opx | 2,15 | 33,32 | 11,06 | 51,98 | 98,51 |
| Р92 | Opx | 2,37 | 34,28 | 9,74 | 53,16 | 99,55 |
| Р92 | Opx | 2,24 | 33,68 | 11,61 | 51,73 | 99,26 |
| Р92 | Opx | 2,16 | 34,88 | 9,70 | 52,58 | 99,32 |
| Р92 | Fo | 0,20 | 57,57 | 0,16 | 42,16 | 100,1 |
| Р101 | L | 9,59 | 22,58 | 17,58 | 48,34 | 98,09 |
| Р101 | L | 9,86 | 22,26 | 17,61 | 49,32 | 99,05 |
| Р101 | Fo | 0,19 | 56,77 | 0,19 | 42,22 | 99,37 |
| Р101 | Opx | 1,99 | 33,99 | 9,57 | 52,20 | 97,77 |
| Р99 | Fo | 0,21 | 57,47 | 0,18 | 42,05 | 99,90 |
| Р99 | L | 7,88 | 24,34 | 18,09 | 47,79 | 98,09 |
| Р99 | L | 7,89 | 24,38 | 17,92 | 48,29 | 98,48 |
| Р105 | Fo | 0,21 | 55,73 | 0,15 | 43,47 | 98,56 |
| Р105 | Fo | 0,18 | 55,86 | 0,13 | 40,63 | 98,17 |
| Р105 | L | 13,6 | 22,08 | 13,45 | 49,33 | 98,49 |
Топологический анализ фазовых соотношений и обсуждение результатов
Определяющим моментом строения форстеритнормативной части системы CaO—MgO—Al2O3—SiO2 является нонвариантная точка (An,Fo,Sp,Cpx,Ga,Opx) [3, 4] (рисунок 3 — г), из которой в сторону высоких температур выходят лучи следующих моновариантных реакций: An+Fo=Cpx+Opx+Sp, Opx+An+Sp=Cpx+Ga, Sp+Opx+Cpx=Ga+Fo.
Рис. 3 – Положение лучей моновариантных реакций выходящих из точек новариантных равновесий: а) (L,An,Fo,Sp,Cpx,Opx); б) (L,An,Sp,Cpx,Ga,Opx); в) (L,Fo,Sp,Cpx,Ga,Opx); г) (An,Fo,Sp,Cpx,Ga,Opx)
Вид второй реакции отличается от общепринятой интерпретации и совпадает с видом, который предложил Томпсон [3]. Основанием для подобного утверждения может служить тот факт, что в ассоциации Cpx+Opx+Ga твёрдые растворы граната никогда не содержат более 12—16 мол.% гроссулярового компонента.
В области ликвидуса существуют три нонвариантные точки (рисунки 3 а), б), и в) ): (L,An,Fo,Sp,Cpx,Opx) Р=0,8—0,9 ГПа, Т=1330—1350 OC, (L,An,Sp,Cpx,Ga,Opx) Р=1,5—1,6 ГПа, Т=1400—1410 OC и (L,Fo,Sp,Cpx,Ga,Opx) Р=2,3—2,4 ГПа, Т=1500—1510 OC.
Из нонвариантной точки (L,An,Fo,Sp,Cpx,Opx) в сторону низких давлений выходят лучи следующих реакций: L=Fo+An+Cpx+Opx, L+Sp=Fo+An+Cpx и L+Sp+Opx=Fo+An. Они подробно исследованы Андесоном [5], Осборном и Тайтом [6] при 1 атм. В сторону высоких давлений направлены лучи реакций L+Fo=Cpx+Opx+Sp и L=Cpx+Opx+Sp+An.
Реакция L+Fo=Cpx+Opx+Sp исследована Пресналом и др. [8, 10] и нами. Луч этой реакции располагается между нонвариантными точками (L,An,Fo,Sp,Cpx,Opx) и (L,Fo,Sp,Cpx,Ga,Opx), и ограничивает по плавлению поле устойчивости ассоциации Cpx+Opx+Sp.
Существование реакция L=Cpx+Opx+Sp+An можно вывести из данных Преснала и др.[9]. Положение луча этой реакции исследовано нами. Луч этой реакции располагается между нонвариантными точками (L,An,Fo,Sp,Cpx,Opx) и (L,An,Sp,Cpx,Ga,Opx), и в области давлений до 1,6 ГПа ограничивает по плавлению поле устойчивости ассоциации Cpx+Opx+Sp+An.
Из нонвариантной точки (Ga,Fo,Cpx,Opx,Sp,L) выходят лучи следующих реакций: Cpx+Ga=Opx+An+Sp, L=Cpx+Opx+An+Sp, L+Ga=Opx+An+Sp, L=Cpx+Ga+An+Sp, L+Opx=Cpx+Ga+An и L+Opx+Sp=Cpx+Ga. Луч реакции L+Ga=Opx+An+Sp уходит в сторону более низких давлений, что отвечает образованию первого граната несколько ниже по давлению от реакции Opx+An+Sp=Cpx+Ga и в более магнезиальной области составов. Положение луча L+Opx=Cpx+Ga+An экспериментально не исследовалось.
Луч реакции L+Opx+Sp=Cpx+Ga имеет довольно крутой положительный наклон и доходит до нонвариантной точки (Ga,Fo,Cpx,Opx,Sp,L), в которую приходят лучи уже упомянутых реакций: L+Fo=Cpx+Opx+Sp и Sp+Opx+Cpx=Ga+Fo. Из этой нонвариантной точки в область высоких давлений выходят лучи следующих моновариантных реакций: Fo+L=Cpx+Ga+Sp, Sp+L+Opx=Fo+Ga и Fo+L+Opx=Cpx+Ga.
Таким образом, в рассматриваемой области составов существуют две серии моновариантных реакций плавления эвтектического и перитектического типов вида. Эвтектики представлены реакциями: L=Cpx+Opx+An+Sp и L=Cpx+Ga+An+Sp, в которых жидкость имеет существенно кремнезёмистый и существенно глинозёмистый состав.
Перитектики представлены реакциями: L+Fo=Cpx+Opx+Sp L+Opx+Sp=Cpx+Ga. Наличие перитектических реакций указывает, что всегда можно подобрать такой механизм плавления или кристаллизации, который позволит получить из ультраосновных составов в кислые.
Основные результаты и выводы
- Проведено экспериментальное исследование моновариантных реакций плавления в форстеритнормативной части системы CaO—MgO—Al2O3—SiO2 при высоких давлениях. Исследованы лучи моновариантных реакций: Fo+L=Cpx+Opx+Sp, L=Cpx+Opx+An+Sp, L+Opx+Sp=Cpx+Ga, Fo+Opx+L=Cpx+Ga и Opx+L=Cpx+Ga при давлениях от 1,2 до 2,5 ГПа. Установлены составы сосуществующих фаз в экспериментах на ликвидусе и солидусе.
- На основе полученных данных, установлено положение лучей моновариантных реакций выходящих из точек новариантных равновесий: (L,An,Fo,Sp,Cpx,Opx), (L,An,Sp,Cpx,Ga,Opx), (L,Fo,Sp,Cpx,Ga,Opx) и (An,Fo,Sp,Cpx,Ga,Opx).
- Показано, что в интервале давлений 1,2—2,5 ГПа наличие перитектических реакций L+Fo=Cpx+Opx+Sp L+Opx+Sp=Cpx+Ga позволяет подобрать механизм кристаллизационной дифференциации, которые могут привести к образованию кислых расплавов из форстеритнормативных составов.
Список литературы / References
- Kushiro I. Anortite—forsterite and anortite—enstatite reactions and their bearing on the basalt—eclogite transformation. / I. Kushiro, H.S. Yoder Jr. // Journal of Petrology. — 1966. V. 7. — №3, — P. 337—362.
- MacGaegor I.D. Stability fields of spinel and garnet peridotites in the synthetic system MgO—CaO—Al2O3—SiO2. / I.D. MacGaegor // Carnegie Institution Washington Yearbook. — 1965. — V. 64, — P. 126—134.
- Tompson A.B. Metamorphism in a model mantle I. Predictions of P—T—X relations in CaO—MgO—Al2O3—SiO2. / A.B. Tompson // The mantle sample: Inclusions in kimberlites and other volcanics. Proc. 2nd Int. Kimb. Conf. Vol.2, Wash.. — 1979. — V. 2. — P. 15—28.
- Сурков Н.В. Экспериментальное исследование плавления ассоциации Cpxss+Gass+Opxss и Cpxss+Gass+Opxss+Fo в системе CaO—MgO—Al2O3—SiO2. / Н.В. Сурков // XI Всесоюзное совещание по экспериментальной минералогии. 26—30 октября 1986 г. Тез. док., Черноголовка. — 1986. — С. 198
- Andersen O. The system anorthite—forsterite—silica. / O. Andersen // American Journal of Science. — 1915. — ser. 4. — V. 39. — № 232. — P. 407—454.
- Osborn E.F. The system diopside—forsterite—anortite. / E.F.Osborn, D.B. Tait // American Journal of Science. — 1952. — Bowen volume. — P. 413—433.
- Longhi J. Liquidus equilibria and solid solution in the system CaAl2Si2O8—Mg2SiO4—CaSiO3—SiO2 at low pressure. / J. Longhi // American Journal of Science. — 1987. — V. 287. — № 4. — P. 265—331.
- Presnall D.C. Alumina content of enstatite as geobarometer for plagioclase and spinel lherzolites. / D.C. Presnall // Contributions to Mineralogy and Petrology. — 1976. — V. 61. — №7—8. — P. 582—588.
- Presnall D. C. Liquidus phase relations on join diopside—forsterite—anorthite from 1 atm to 20 kbar: their beaming on the generation and crystallization of basaltic magma / D.C. Presnall, S.A. Dixon, J.R. Dixon et al. // Contributions to Mineralogy and Petrology. — 1978. — V. 66. — №2. — P. 203—220.
- Presnall D. C. Generation of mid— ocean—ridge tholeiites / D. C. Presnall, J. R. Dixon, Т. H. O'Donnell et al. // Journal of Petrology. — 1979. — V. 20. — № 1. — P. 3—35.
- Davis В. Т. C. System diopside—forsterite—pyrope at 40 kilobars / В. Т. C. Davis // Carnegie Institution Washington Yearbook. — 1964. — V. 63. — P. 165—171.
- Davis В. Т. C. Melting relations in join diopside—forsterite— pyrope at 40 kilobars and one atmosphere / В. Т. C. Davis, J. F. Schairer // Carnegie Institution Washington Yearbook. — 1965. — V. 64. — P. 123—126.
- O'Hara M. J. Formation and fractionation of basic magma at high pressures / M. J. O'Hara, H. S. Jr. Yoder // Scottish Journal of Geology. — 1967. — V. 3. — №1. — P. 67—117.
- Kushiro I. Compozition of magma formed by partial zone melting of the Earth's upper mantle. / I. Kushiro // Journal of Geophysical Research. — 1968. — V. 73. —№2, — P. 619—634.
- Годовиков А. А. Аппарат для создания давления до 40 кбар при температурах до 1700 ОС / А. А. Годовиков, С. А. Смирнов, И. Ю. Малиновский и др. // Приборы и техника эксперимента. — 1971. — №6. — С. 159—160.
- Boyd F. R. Apparatus for phase—equilibrium measurements at pressures up to 50 kilobars and temperatures up to 1750 °C / F. R. Boyd, J. L. England // Journal of Geophysical Research. — 1960. — V. 65, — №2. — P. 741—748.
- Mirvald P. W. Low—friction cell for piston— cylinder high—pressure apparatus / P. W. Mirvald, I. C. Getting, G. C. Kennedy // Journal of Geophysical Research. — 1975. — V. 86, — №11. — P. 1519—1525.
Список литературы на английском языке / References in English
- Kushiro I. Anortite-forsterite and anortite-enstatite reactions and their bearing on the basalt-eclogite transformation. / I. Kushiro, H.S. Yoder Jr. // Journal of Petrology. — 1966. V. 7. — №3, — P. 337—362.
- MacGaegor I.D. Stability fields of spinel and garnet peridotites in the synthetic system MgO—CaO—Al2O3—SiO2. / I.D. MacGaegor // Carnegie Institution Washington Yearbook. — 1965. — V. 64, — P. 126—134.
- Tompson A.B. Metamorphism in a model mantle I. Predictions of P-T-X relations in CaO—MgO—Al2O3—SiO2. / A.B. Tompson // The mantle sample: Inclusions in kimberlites and other volcanics. Proc. 2nd Int. Kimb. Conf. Vol.2, Wash.. — 1979. — V. 2. — P. 15—28.
- Surkov N.V. Jeksperimental'noe issledovanie plavlenija associacii Cpxss+Gass+Opxss i Cpxss+Gass+Opxss+Fo v sisteme CaO—MgO—Al2O3—SiO2. [Experimental research of the melt association Cpxss+Gass+Opxss and Cpxss+Gass+Opxss+Fo in system CaO—MgO—Al2O3—SiO2.] / N.V. Surkov // XI Vsesojuznoe soveshhanie po jeksperimental'noj mineralogii. 26—30 oktjabrja 1986 g. Tez. dok., Chernogolovka. [XI All-Union meeting on experimental mineralogy. On October, 26-30th, 1986 abstracts, Chernogolovka. — 1986. — With. 198] — 1986. — P. 198. [in Russian]
- Andersen O. The system anorthite-forsterite-silica. / O. Andersen // American Journal of Science. — 1915. — ser. 4. — V. 39. — № 232. — P. 407—454.
- Osborn E.F. The system diopside-forsterite-anortite. / E.F.Osborn, D.B. Tait // American Journal of Science. — 1952. — Bowen volume. — P. 413—433.
- Longhi J. Liquidus equilibria and solid solution in the system CaAl2Si2O8—Mg2SiO4—CaSiO3—SiO2 at low pressure. / J. Longhi // American Journal of Science. — 1987. — V. 287. — № 4. — P. 265—331.
- Presnall D.C. Alumina content of enstatite as geobarometer for plagioclase and spinel lherzolites. / D.C. Presnall // Contributions to Mineralogy and Petrology. — 1976. — V. 61. — №7—8. — P. 582—588.
- Presnall D. C. Liquidus phase relations on join diopside—forsterite—anorthite from 1 atm to 20 kbar: their beaming on the generation and crystallization of basaltic magma / D.C. Presnall, S.A. Dixon, J.R. Dixon et al. // Contributions to Mineralogy and Petrology. — 1978. — V. 66. — №2. — P. 203—220.
- Presnall D. C. Generation of mid-ocean-ridge tholeiites / D. C. Presnall, J. R. Dixon, Т. H. O'Donnell et al. // Journal of Petrology. — 1979. — V. 20. — № 1. — P. 3—35.
- Davis В. Т. C. System diopside-forsterite-pyrope at 40 kilobars / В. Т. C. Davis // Carnegie Institution Washington Yearbook. — 1964. — V. 63. — P. 165—171.
- Davis В. Т. C. Melting relations in join diopside-forsterite-pyrope at 40 kilobars and one atmosphere / В. Т. C. Davis, J. F. Schairer // Carnegie Institution Washington Yearbook. — 1965. — V. 64. — P. 123—126.
- O'Hara M. J. Formation and fractionation of basic magma at high pressures / M. J. O'Hara, H. S. Jr. Yoder // Scottish Journal of Geology. — 1967. — V. 3. — №1. — P. 67—117.
- Kushiro I. Compozition of magma formed by partial zone melting of the Earth's upper mantle. / I. Kushiro // Journal of Geophysical Research. — 1968. — V. 73. —№2, — P. 619—634.
- Godovikov A. A. Apparat dlja sozdanija davlenija do 40 kbar pri temperaturah do 1700 OC [Apparat for creation of pressure to 40 kbar at temperatures to 1700 OC] / A .A. Godovikov, S. A. Smirnov, I. Ju. Malinovsky and others // Pribory i tehnika jeksperimenta [Devices and technics of experiment]. — 1971. — №6. — P. 159—160. [in Russian]
- Boyd F. R. Apparatus for phase—equilibrium measurements at pressures up to 50 kilobars and temperatures up to 1750 °C / F. R. Boyd, J. L. England // Journal of Geophysical Research. — 1960. — V. 65, — №2. — P. 741—748.
- Mirvald P. W. Low-friction cell for piston-cylinder high-pressure apparatus / P. W. Mirvald, I. C. Getting, G. C. Kennedy // Journal of Geophysical Research. — 1975. — V. 86, — №11. — P. 1519—1525