Диссертация: Явления силикатно-солевой жидкостной несмесимости в модельной гранитной и нефелин-сиенитовой системе Si-Al-Na-Li-H-F-O

Актуальность изучения явлений силикатно-солевой жидкостной несмесимости определяется важной ролью глубоко эволюционированных, богатых солевыми компонентами, магматических расплавов в процессах концентрирования рудного вещества и формирования эндогенных месторождений редких металлов и необходимостью количественной и качественной характеристики физико-химических равновесий в высоко фтористых магматических системах.
Цель работы – установление фазовых отношений в субликвидусной области экспериментальной системы Si-Al-Na-Li-Н-F-O при температуре Т=800°С и давлении Р=1кбар, соответствующих условиям зарождения и существования гранитных и нефелин-сиенитовых магм в земной коре. Изучение явления несмесимости алюмосиликатного и алюмофторидного расплавов.
Задачи исследования. 1) Систематическое изучение фазовых отношений в системе при заданных параметрах эксперимента. Оконтуривание поля сосуществования алюмосиликатного и алюмофторидного расплавов. 2) Изучение распределения элементов между двумя расплавами. 3) Определение содержания фтора в алюмосиликатном расплаве различного состава, равновесном с богатыми фтором фазами: криолитом, топазом и алюмофторидным расплавом. 4) Сопоставление полученных экспериментальных данных с данными по топаз- и криолитсодержащим гранитам.
Научная новизна. Впервые установлены фазовые отношения и построена соответствующая фазовая диаграмма для кварцнормативной части экспериментальной системы Si-Al-Na-Li-Н-F-O при температуре Т=800°С и давлении Р=1 кбар. Оконтурено поле сосуществования алюмосиликатного и алюмофторидного солевого расплавов. Показано значительное влияние лития на границы области стабильности алюмофторидного расплава. Проведено изучение максимальных значений содержания фтора в алюмосиликатном расплаве, находящемся в равновесии с топазом, криолитом или алюмофторидным расплавом. Экспериментально доказана возможность существования силикатно-солевой жидкостной несмесимости в расплавах природных высокодифференцированных пород. Установлено, что кварцнормативный алюмосиликатный расплав, находящийся в равновесии с алюмофторидным, имеет широкие вариации составов, по соотношениям главных компонентов близкий к составам топаз- и криолитсодержащих гранитов. Нефелиннормативный алюмосиликатный расплав при параметрах эксперимента имеет высокие содержания фтора, не реализующиеся в природных системах.
Установлены значения коэффициентов разделения тантала и ниобия между двумя сосуществующими расплавами. Показана роль алюмофторидного расплава в увеличении содержания тантала относительно ниобия в конечных дифференциатах магмы.
Впервые проведена примерная оценка содержания воды в солевом алюмофторидном расплаве.
Практическая значимость. Полученные в диссертации результаты могут найти широкое применение при изучении условий эндогенного рудообразования в высокодифференцированных разностях гранитов и нефелиновых сиенитов; при интерпретации парагенезисов минералов и составов расплавных включений. Данные могут быть использованы при численном моделировании процессов кристаллизации богатых фтором алюмосиликатных расплавов. Результаты работы внедряются в учебный процесс и используются при проведении курса «Экспериментальная и техническая петрография» на кафедре петрологии геологического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова.
Фактический материал и методы исследования. Основу работы составляют результаты изучения продуктов 72 оригинальных экспериментов. Эксперименты проводились на установке высокого давления УВД в лаборатории экспериментальной и технической петрографии кафедры петрологии геологического факультета МГУ им. Ломоносова и в Институте экспериментальной минералогии РАН (г.Черноголовка). Продукты экспериментов исследовались методами энерго-дисперсионного микроанализа (каф. петрологии МГУ), лазерной абляции (ВСЕГЕИ, Санкт-Петербург), вторично-ионной масс-спектрометрии (ЯФ ФТИАН, Ярославль), рамановской спектроскопии (Потсдам, Германия), рентгено-фазового анализа (каф. кристаллографии МГУ).
Основные защищаемые положения.
1. В модельной системе Si-Al-Na-Li-H-F-O при температуре 800°С и давлении 1 кбар установлены фазовые отношения, в том числе оконтурена область жидкостной несмесимости, которая распространяется как на нефелин-, так и, частично, на кварцнормативные области составов алюмосиликатного расплава. Существование области несмесимости обусловлено вхождением лития в систему.
2. При образовании несмешивающегося с алюмосиликатным фторидного расплава тантал и ниобий распределяются в силикатный расплав. При этом в силу различных коэффициентов разделения отношения тантала к ниобию в алюмосиликатном расплаве возрастают, что соответствует увеличению значения этого геохимического индикатора в остаточном гранитном расплаве.
3. Экспериментально полученные фазовые отношения в общих чертах воспроизводят составы природных топаз- и криолитсодержащих гранитов. В природных системах на заключительных стадиях кристаллизационной дифференциации доказана возможность образования солевых жидкостей в равновесии с алюмосиликатными расплавами.
Апробация работы. По теме диссертации опубликовано 16 работ. Из них две статьи в рецензируемых журналах, два доклада на международных конференциях: 33 IGC, 2008 (Осло, Норвегия) и Hutton VI, 2007 (Стелленбос, ЮАР). В разные годы материалы диссертации докладывались на Международной конференции «Новые идеи в науках о Земле» (РГГРУ), Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (МГУ), Всероссийском ежегодном семинаре по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии ЕСМПГ (ГЕОХИ РАН), Ломоносовских чтениях, секция: геология (МГУ), Всероссийском петрографическом совещании (Институт геологии и геохимии УрО РАН, Екатеринбург), Всероссийском совещании по экспериментальной минералогии (ИЭМ РАН, Черноголовка).
Структура и объем работы. Работа состоит из четырех глав, одна из которых содержит 7 разделов, двух приложений и списка библиографии. В работе содержится 43 рисунка и 10 таблиц. Общий объем составляет 140 страниц. Список литературы включает 136 наименований.
Благодарности
Автор выражает благодарность научному руководителю Граменицкому Евгению Николаевичу за постановку задачи исследования, чуткое руководство и необходимую помощь в работе.
Автор признательна В.О.Япаскурту, Н.Н.Коротаевой, Е.В.Гусевой за помощь в проведении микрозондовых исследований. Особую благодарность выражаю Т.И.Щекиной, П.Ю.Плечову, а также всем сотрудникам кафедр петрологии и геохимии, которые принимали участие в обсуждении отдельных аспектов работы.