Оценка условий кристаллизации ареального вулканизма Срединного хребта Камчатки

Курсовая работа студента 313 группы К.А. Бычкова.

Введение. Цель работы.

Данная работа посвящена изучению ареальных базальтов северной части Срединного Хребта (Камчатка) и оценки их физико-химических условий образования. Исследования проводились на основе геологического материала (в основном образцов оливиновых базальтов из лавовых потоков), отобранного доцентом кафедры петрологии П.Ю. Плечовым в ходе полевых работ в районе г. Терпук в августе 2002 года на Камчатке.

Цель работы заключалась в оценки параметров кристаллизации магнезиальных магм северной части Срединного Хребта - температуры, давления, содержания воды и режима кислорода. Другой целью работы являлось получение основных навыков лабораторной работы с геологическим материалом (разделение пород на монофракции, изготовление и подготовка препаратов для микрозондового анализа, описания препаратов и шлифов), составления и ведения лабораторной документации, оперирования с базами экспериментальными данных, и использования компьютерных расчетных методов.

Петрографическое изучение шлифов, отдельных зерен минералов, твердофазных и расплавных включений проводилось с целью общего описания породы, выделения парагенезисов и определения порядка кристаллизации. Для оценок исходного состава расплава анализировались гомогенизированные расплавные включения во фенокристаллах оливина. По анализам составов расплавных включений, оливинов и шпинелей, данным расчета по программе КОМАГМАТ, моделирование равновесия шпинель - расплав были получены оценки физико-химических условий образования ареальных базальтов района г. Терпук.

Всего в ходе выполнения данной работы было сделано 50 микрозондовых анализов минералов и стекол, описано 2 шлифа и просмотрено 40 отдельных зерен оливина. Кроме того, была выполнена серия закалочных экспериментов с зернами оливина, содержащими расплавные включения. Для калибровки математических моделей и сопоставления расчетных результатов с анализами интенсивно использовалась база петрографических данных Inforex, насчитывающая около 300 экспериментальных работ.

Автор выражает особую благодарность своим научным руководителям Арискину А.А. и Плечову П.Ю. за оказание неоценимой помощи в написании курсовой, за ценные советы и сведенья, предоставленные ими в ходе работы.

Хочется поблагодарить сотрудников лаборатории микрозондового анализа Коротаеву Н.Н. и Гусеву Е.В., без помощи которых не была бы проделана данная работа; Дирксена О.В. за предоставленный материал; сотрудников лаборатории термодинамики и математического моделирования природных процессов ГЕОХИ РАН - Николаева Г.С. и Бармину Г.С за объективные комментарии.

Краткая геология района исследования и отбор образцов.

Детальное геологическое исследование района Срединного Хребта, в том числе и района г. Терпук представлено в работе Огородова Н.В. <Вулканы и четвертичный вулканизм Срединного хребта Камчатки>. Представленный здесь краткий геологический обзор основан на данных этой монографии.

Срединный хребет Камчатки представляет собой крупную, сложно построенную горно-вулканическую систему, которая протягивается почти по оси полуострова и является его главным водоразделом, разделяя бассейны Тихого Океана и Охотского моря. Общая длина хребта 900 км., а ширина колеблется от 60-70 до 130 км. Южная граница его проходит по широте р. Плотниковой, на севере хребет заканчивается в районе Камчатского перешейка. Средние высоты хребта 1500-1600 м, более десяти вершин выше 2500 м, наивысшая отметка - вулкан Ичинский (3621 м), который является действующим вулканом (Огородов, 1972). Гора Терпук (791 м) располагается в 1 км на север северо-запад от горы Кэбеней, в северной части Срединного Хребта. В ходе полевых работ в августе 2002 г. П.Ю. Плечовым были отобраны образцы пород, в основном базальтов, из данного района (см. приложение 1), которые и послужили исходным материалом для данной работы.

Гора Терпук находиться в районе Седанского вулканического района (от верховий р. Рассошиной до р. Халгинчевая). Этот район характеризуется преимущественным развитием щитовых вулканов, близких к исландскому типу. В данном районе сосредоточены наиболее крупные щитовые вулканы, в основном, голоценового возраста. Слившиеся основания многочисленных щитовых вулканов, которые составляют верхний ярус рельефа, образовывали обширное пологоволнистое нагорье. В этом же районе отмечаеться максимальная интенсивность ареального вулканизма. Седанский вулканический район - один из наиболее сложно построенных. В этом районе выделяют северную и южную часть. Южная часть, наиболее нас интересующая, приурочена к водораздельной части хребта, высоты которого не превышают 700-800 м. Анализы абсолютных отметок выходов четвертичных эффузивов пород фундамента, и его литологический состав показывают что в этом районе происходит резкое погружение фундамента. С востока и запада южная часть района (вулкан Кэбеней) четко ограничена сбросами и располагается в структуре грабена. Восточный борт грабена фиксируется не только по смещению кровли пород фундамента, но и хорошо выражен морфологически резким обрывом платообразных поверхностей в районе верховий рек Левой, Юклыа и Поворотной. Западный борт грабена морфологически выражен менне четко. Ширина грабена составляет около 36 км, его центральная часть заполнена мощными базальтовыми излияниями верхнечетвертичного и голоценового времени. Борта грабена сложены древнечетвертичными лавовыми покровами. Северная часть Седенкинского района ограничена также структурой грабена. В южный район выходят следующие, наиболее крупные вулканы: Кэбеней, Седанкинский, Горного Института, в северной - Леутонгей, Тузовский, Твитунуп, Титила. Характерно, что эшелонированные ряды заканчиваются наиболее крупными вулканами, а в центральной части, как правило, широко представлн ареальный вулканизм. Для района в целом характерно линейное расположение не только шлаковых и лавовых конусов, ни и вулканов.

В общем, Серединный хребет характеризуется весьма сложным, мозаичным тектоническим строением. На первый план выступает блоковая тектоника. Формирование горной системы произошло в основном в четвертичное время. Мощное проявление четвертичного вулканизма способствовало не только росту горной системы, но и значительно усложнило тектоническое строение территории. Наибольшая тектоническая перестройка территории хребта соответствует районам проявления массовых базальтовых излияний. Таким образом, четвертичный вулканизм проявляется на фоне роста горной системы.

Материал для исследования из данного района отбирался из небольших шлаковых конусов, бортов лавовых потоков и валов, также было отобрано некоторое количество сильно выветренного материала у уреза воды оз. Комонного.

Методика исследований.

1. Отбор зерен оливина для изучения расплавных включений.

Для детального исследования фенокристаллов оливина необходимо было отделить их от общей массы породы. В связи с этим порода в начале делилась на монофракции, путем механического дробления в ступке Абиха. Порода дробилась до тех пор, пока в среднем размер зерен перестал превышать 2-3 мм. Полученный агрегат просеивался через специальный набор сит, для отбора фракций по размерам. Частички породы, не превышающие размерами 0.5 мм, представляющие из себя практически пыль, отбраковывались. Фракция 0.5-1.0 мм оставлялась для работы, а более крупные частицы снова дробились. Дальнейшее деление на минеральные фракции производилось с рабочей фракцией 0.5-1.0 мм. Полученную смесь в основном составляли зерна оливина, плагиоклаза и рудного минерала. Поскольку рудный минерал обладает магнитными свойствами, он легко отделялся с помощью магнита. Таким образом, в рабочей фракции остались только зерна минералов оливина и плагиоклаза. Дальнейшая работа по отбору заключалась в том, чтобы с помощью пинцета аккуратно отделять зерна оливина из общей массы и помещать в отдельный контейнер. Оливин определялся по его зеленовато-желтоватому цвету и сильному блеску под бинокуляром. Отобранные зерна оливина в масле просматривались под микроскопом на предмет обнаружения в них расплавных включений. После чего отобранные зерна (с присутствующими расплавными включениями) участвовали в закалочном эксперименте.

2. Проведение эксперимента.

Закалочный эксперимент проводился П.Ю. Плечовым при температуре 1250 ⁰C и контролируемой фугитивности кислорода на уровне буфера CCO. Зерна оливина после нагрева закаливались в воде. В данном эксперименте не учитывалась температура гомогенизации каждого включения индивидуально, но была гарантирована температура, незначительно превышающая наивысшую температуру гомогенизации. В результате чего была достигнута гомогенизация всех исследуемых расплавных включений, хотя расплав мог вступать в реакцию с оливином, но вследствие малого времени эксперимента этот эффект сводился к минимуму, и при дальнейшей математической обработке результатов измерений химических составов эта ошибка практически исключалась.

3. Обработка и подготовка препаратов из зерен после эксперимента.

После закалочного эксперимента работа проводилась индивидуально с каждым зерном. Зерна оливина необходимо было подготовить для исследования с помощью микрозонда. Подготовка препаратов проводилась тщательно и аккуратно, так как анализирующая приставка микрозонда очень чувствительна к неровностям поверхности образца, вследствие изменения отклонения пучка отраженных электронов.

Каждое зерно оливина с расплавным включением, прошедшее закалку, и отобранное для исследования участвовало в следующих стадиях обработки:

Зерна индивидуально заливались эпоксидной смолой в отдельные столбики диаметром ~5мм и высотой ~1мм и оставлялись на несколько суток застывать. В итоге получался эпоксидный столбик с зерном на поверхности.

Каждый столбик с торца без зерна полировался шкуркой #1000 для того, чтобы через него нормально проходил пучок света, и возможно было рассматривать зерно оливина на другой стороне столбика в проходящем свете на поляризационном микроскопе.

Со стороны с зерном полировка производилась более тщательно и внимательно. Необходимо было немного приполировать поверхность, и рассмотреть зерно под микроскопом, для выявления включений и выбора того включения, которое будет выведено на поверхность.

Полировка столбика проводилась до тех пор, пока включение не появиться на поверхности зерна. Данный этап проводиться на шкурке #1200.

После того, как включение появиться на поверхность зерна, полировку надо было продолжать на алмазной пасте 5/7. До тех пор пока вся поверхность образца не станет достаточно ровной и гладкой (насколько позволяет данная паста). Контроль над качеством поверхности, проводился с помощью рудного микроскопа в отраженном свете.

Из отполированных столбиков зерна оливина изымались и выкладывались отполированной стороной на двухсторонний скотч в шашку (данная операция проводилась П.Ю. Плечовым).

Шашка с уложенными зернами заливалась эпоксидной смолой и откладывалась на пару дней для затвердевания эпоксидной смолы.

Затвердевшая шашка вынималась из полимерной оправы, тщательно отмывалась и чистилась, после чего поверхность полировалась на станке.

На готовую шашку напылялсь проводящий слой, для отвода заряда, и шашка была готова к работе на микрозонде.

4. Работа с препаратом на микрозонде.

Основным аналитическим методом изучения химического состава минералов, твердофазных и расплавных включений в них являлся микрозондовый анализ, проводимый при помощи энергодисперсионной микрозондовой приставки LinkSystem к электронному сканирующему микроскопу CamScan4DV кафедры петрологии МГУ. Для химического анализа использовался режим отраженных электронов при стандартном рабочем напряжении 15 кВ. Все фотографии минералов и включений в них выполнены во вторичных электронах при напряжении 20 кВ. При анализе минеральных фаз и расплавных включений определялись основные петрогенные компоненты: Si, Al, Ti, Fe, Mn, Mg, Ca, Na, K, а также анализировались Cr, Ni, P, Cl, S. Минералы анализировались в "точке" (фокусировка пучка - 3х3 микрона), для анализа стекол сканировалась площадка не менее 12 мкм во избежание потери щелочей (K и Na). Относительные ошибки при микрозондовом анализе составляют: при содержании элемента от 1 до 5% - 10% отн., от 5 до 10% - 5% отн., а при содержании более 10% - 2% отн.

Для контроля систематических ошибок измерений микрозонда использовался эталон стекла G30-2. Эталонный химический состав, померенный с помощью более высоко чувствительного метода, и результаты измерений на микрозонде CamScan представлены в следующей таблице:

Систематическая погрешность рассчитывалась по формуле: где Х_i - результат i - определения состава методом, i=1,2, , n, Х₀ - аттестованное значение химического состава; Значимость систематической погрешности при этом определяется с помощью критерия, , где S_r - относительная случайная погрешность измерений. В результате, чего было установлено, что систематическая ошибка не выходит за допустимые границы.

Петрография и минералогия базальтов.

Составы базальтов района г. Терпук приведены в следующей таблице:

Описание шлифов.

ПК 02/20 Оливиновый базальт. Структура порфировая, пористая, поры расположена хаотически, размеры 0,2 до 1 мм. Вкрапленники представлены кристаллами оливина и плагиоклаза, также встречаются характерные оливин плагиоклазовые сростки. Текстура основной массы интерсертальная - тонкие лейсты плагиоклаза в стекловатой матрице.

ПК 02/27 Оливиновый базальт. Структура порфировая, пористая, поры расположена хаотически, размеры 0,2 до1,5 мм Вкрапленники представлены кристаллами оливина и плагиоклаза, также встречаются характерные оливин плагиоклазовые сростки. Текстура основной массы интерсертальная - тонкие лейсты плагиоклаза в стекловатой матрице.

Расплавные включения.

Расплавные включения представляют собой участки расплава, захваченные и законсервированные кристаллом в процессе роста или перекристаллизации из-за различных дефектов структуры поверхности (рис. 8). В первую очередь, для образования расплавных включений необходим расплав. Для того, чтобы произошел захват расплавного включения необходим дефект на фазовой границе кристалл-расплав. Наличие дефекта является основным условием образования расплавных включений.

В фенокристаллах оливина из ареальных базальтов г. Терпук наблюдается большое количество расплавных включений. Описание включений приводиться для зерен после закалочного эксперимента.

В зернах оливина из образца ПК 02/20 расплавные включения в основной своей массе представляют стекловатые области нередко с газовыми пузырьками размерами от 10 до 300 микрон. Морфологически можно выделить два типа включений. Первый тип под оптическим микроскопом отличается вытянутыми, каплевидными формами, коричневой окраской, частым присутствием газового пузырька. Второй тип включений обладает более изометричными округлыми формами, светлой прозрачной окраской, отсутствием газового пузырька (см. фотографию 9). Первый тип включений находился во всех изученных зернах. Часто эти включения формируют небольшие 5-10 шт. группы, хотя и встречаются отдельные экземпляры. Присутствует несколько включений с очень большими газовыми пузырьками, занимающими до 80% объема включения. Включения второго типа найдены только в некоторых зернах. Не обнаружено таких многочисленных скоплений этих включений в отличие от первого типа.

Зерна оливина из образца ПК 02/27 содержат кроме расплавных включений, многочисленные включения шпинели. Расплавные включения в этом зерне имеют большой диапазон размеров от 5 до 500 микрон. Встречаются сильно удлиненные включения (до 500мм в длину и 20-30 в ширину). Так же в этом образце обнаружен только один тип включений.

Кроме оптического изучения расплавные включения исследовались с помощью микрозонда. Полный список анализов приведен в приложении 2.

К сожалению, в связи c влиянием краевыми эффектами на состав включения для дальнейшего изучения из всех померенных включений необходимо было отбраковать слишком маленькие включение, размерам не превышающие 20 микрон. Таким образом, осталось 8 <пригодных> для дальнейшего изучения составов включений, они приведены в таблице 12.

Полученные составы расплавных включений в общем случае не отвечают составам исходного расплава, так как при захвате порции расплава в кристалле на стенках минерала-хозяина из этого расплава начинает выпадать кристаллическая фаза. С учетом этих соображений из анализа состава расплавного включения можно получить истинный состав расплава. Для этих целей нужно промоделировать обратную кристаллизацию расплава. В данном случае в равновесии с расплавным включением должен находить оливин, определяем состав оливина находящегося в равновесии, добавляем к составу включению определенный процент этого минерала, и снова определяем равновесный оливин, расчет ведется до тех пор, пока состав равновесного оливина не приблизиться к измеренному составу оливина.

Состав равновесного оливина рассчитывается по модели Форда (Ford et., 1982) - равновесие оливин-расплав. Основой для метода служат термодинамические расчеты. Химическое равновесие двух фаз может быть представлено уравнением свободной энергии Гиббса.

ΔG = 0 = ΔH⁰ - TΔS⁰ + (P-1) ΔV⁰ + RTlnK, (1)

где K=a^L_Fo/a^Ol_Fo константа равновесия реакции.

Данное уравнение можно привести к следующему виду

ln (X^Ol_i/X^L_i) = C₀ + C₁/T + C₂(P-1)/T + C₃ln(1*5(X^L_Mg+X^L_Fe+X^L_Ca+X^L_Mn+X^L_Cr+X^L_Ni)) + C₄ln(3X^L_Si) + ΣC_jln(1-X^L_j), (2)

где С₀, С₁, С₂ равны соответственно ΔS⁰/R, -ΔH⁰/R, -ΔV⁰/R, а четвертый и пятый члены уравнения получены из выражения для активности компонентов в оливине (1.5X_i)*(1.5(X_Mg+X_Fe+X_Ca+X_Mn+X_Cr+X_Ni))*(3X_Si), последний член уравнения учитывает ошибки в выражении ln(X^Ol_i/X^L_i) обусловленные добавлением добавочных компонентов. Температуры, вычисленные из уравнения отдельно для каждого из компонентов отвечают значениям T_Mg, T_Fe, T_Ca, T_Mn. При вычислениях необходимо учитывать тот факт, что в каждой фазе сумма всех катионов равна 1, а для оливина сумма двухвалентных катионов равна 2/3. Для известных концентраций X_i в расплаве при заданном давлении достаточно просто выбрать температуру и рассчитать уравнение для X_Mg+X_Fe+X_Ca+X_Mn. Если их сумма получается достаточно низка, то температура слишком высока и наоборот, то есть, повышая или понижая температуры можно добиться того, чтобы сумма катионов приблизилась к 2/3. Все численные коэффициенты, используемые в уравнение, приведены в статье Форда, 1982. В общем случае ошибка вычисления температуры не превышает 10 ⁰С.Для моделирования кристаллизации оливина из исходного расплава необходимо учитывать уравнения (2) и выражения для баланса масс.

X^Ol_i=(X^O_i-FX^L_i)/(1-F), где F - часть оставшейся жидкости, X^O_i - начальное содержание катионов элемента i, X^Ol_i и X^O_i содержание каждого элемента в оливине и расплаве, при степени кристаллизации F. Решения данной задачи тоже проводятся численными методами. Таким образом, получается геотермометр оливин-расплав, который и был использован для расчета процесса обратного фракционирования, при коррекции составов включений.Рассчитанные по данной модели составы равновесных расплавов представлены в таблице 13, также в таблице приведены расчетные температуры кристаллизации.

Составы стекол в расплавных включениях и полученные оценки составов расплавов нанесены на следующие диаграммы в координатах Al2O3-SiO₂, TiO-SiO₂, K₂O-SiO₂. Из диаграмм видно, что составы расплавов можно разделить на две группа (также видно, что в целом и составы стекол, тоже делятся на две группы, за исключением некоторых отскоков). Первая группа отвечает более высоким содержаниям Al₂O₃ и более низким содержаниям K₂O и TiO, вторая же группа наоборот содержит в целом меньше Al₂O₃, но больше K₂O и TiO. Интересно отметить тот факт, что в среднем номера оливинов для этих включений сильно не различаются. То есть различные содержания, например, TiO в расплаве нельзя объяснить эволюцией расплава, так как, при разнице в содержании 2-3 раза, номер оливина отличается больше, чем на 3-4 номера Fo.

В качестве другого критерия равновесия был рассмотрен коэффициент распределения Fe/Mg между оливином и расплавом. Kd^Fe-Mg(Ol-L) = (x_FeO/x_MgO)^Ol / (x_FeO/x_MgO)^L. Для выяснения диапазона значений Kd в равновесных системах была использована база данных петрографических экспериментов Inforex (Ariskin). Была получена выборка (более 150 экспериментальных составов расплав-оливин) для оценки значений Kd. Выборка составов удовлетворяла следующим условия: земные составы, с содержанием воды 0%, при атмосферном давлений (p < 0,1 kbar), с длительностью эксперимента более 48 часов, содержания щелочей менее 5%, содержания магния от 5% до 15%. Все составы из данной выборки были использованы в программе КОМАГМАТ 3.52 для расчет равновесных пар оливин-расплав. Полученные данные сравнивались с исходными экспериментальными данными. Как видно из графиков (рис. 17) распределение отклонений расчетных и экспериментальных параметров (температура, номер оливина, Kd) отвечает нормальному закону распределения, за исключением небольшого числа отскоков. Для дальнейшей работы все отклонения, превышающие 3 стандартных, были отбракованы. Результаты отбраковки представлены на гистограммах распределения (см. рисунок 17)

По результатом отбраковки получилась новая выборка в 140 составов. Зависимость константы распределения Kd^Fe-Mg(Ol-L) для этих составов от Mg# были нанесены на график. Из этого графика видно, что все значения Kd попали в достаточно узкий интервал 0.3-0.35. Если построить такую же зависимость для составов образцов ПК 02/20 и ПК 02/27, то они так же впишутся в этот интервал значений (рис. 18). Таким образом, можно привести еще один аргумент, в пользу равновесности полученных составов, что позволяет расценивать их, как достоверные оценки исходных составов расплавов.

Физико-химические условия кристаллизации.

Летучесть кислорода

Летучесть кислорода определялась по Ol-Sp геобарометру (Ballhaus et al., 1991). В результате получилось значение соответствующее буферному равновесию никель-бунзенит (NNO).

Температура

Модель Форда

В результате расчет равновесия оливин-расплав для коррекции составов расплавов по модели Форда, кроме равновесных составов, были получены оценки температуры кристаллизации, значения температур приведены в таблице 20. Среднее значение температуры 1208,35 0С.

Другой метод оценки температуры кристаллизации заключался в использовании программа КОМАГМАТ 3.52 (2000). Проводилось моделирование равновесной кристаллизации исходного расплава, при различных значениях давления и содержания воды в системе, которые корректировались для достижения Ol-Pl котектики. Первый расчет равновесной кристаллизации проводилось для условий атмосферного давления, буфера кислорода отвечающего NNO, и содержании воды 0 мас.%. В результате моделирования было выявлено, то что, система отвечает условиям су