Метасоматизм, его проблемы и роль в геологической историии

Содержание

Введение…………………………………………………………………………...3

Метасоматизм……………………………………………………………………..5

Проблемы метасоматизма………………………………………………………..9

Роль метасоматизма в геологической истории………………………………...30

Список использованной литературы…………………………………………...33

Введение

Понятие, введенное К.Ф. Науманном в середине 19 столетия в качестве псевдоморфного замещения минералов, которые образовались путем химического замещения минерала эдуктов. Это был первый этап изучения минералов в горных породах - петрографический. Второй этап - химический, введенный В.М. Гольдшмидтом (1933) и Д.С. Коржинским (1953).

Эти исследователи стали понимать метасоматизм в отличие от метаморфизма как всякое замещение горных пород с изменением химического состава, при котором растворение старых минералов и отложение новых происходило почти одновременно, так что в течение процесса замещения порода всё время сохраняется в твердом состоянии. Причем Д.С. Коржинский вывел ряд подвижности компонентов, в котором если вполне подвижными оказывались только Н2О и СО2, то этот процесс относится к метаморфизму, а если вполне подвижными становятся щелочные металлы и все двух- и многовалентные, то этот процесс считается метасоматизмом. При этом Д.С. Коржинский не делал различия по происхождению компонентов, а В.М. Гольдшмидт считал, что в образующийся минерал обязательно должен присутствовать химический элемент замещаемого минерала, а если все компоненты образующегося минерала оказываются привнесенными, то такой процесс он называл импрегнацией.

Третий этап топохимический. В.Г. Боголеповым установлено, что метасоматоз как процесс замещения минерала в горных породах в гидротермальных условиях является не одноактным, а распадается на два периода: псевдоморфный и тропорморфный (Боголепов, 1965, 1982. 2005), при которых вначале образуются псевдоморфозы замещения, а затем происходит затушевка псевдоморфных структур метаморфогенными структурами (грано-, лепидо- или нематобластовыми), что подтверждается и экспериментами (Казицын. 1967; Зарайский. 1969), хотя сами авторы на эту сторону внимания не обращали. Сами же реакции являются топохимическими (τоπо) - место, т.е. реакции, привязанные к определенному месту. Псевдоморфный период вслед за К.Ф. Науманном, мы назвали  метасоматизмом (метасоматозом), а тропоморфный - тропосоматозом.

Метасоматизм

Метасоматизм (метасоматоз) - это процесс псевдоморфного замещения неустойчивых минералов в горных породах. Он происходит при резко неравновесной гетерогенной топохимической реакции в кинетической области зоны взаимодействия растворов с горной породой, которая идет при проникновении привнесенных ионов (I группы) в неустойчивый минерал, где этот ион соудаляется с ионами этого минерала (II группы). Происходит элементарный акт реакции и образуется новый минерал I внутри разлагающегося минерала. Так образуются псевдоморфозы замещения при условии, когда лимитирующей стадией этой реакции является константа её скорости (k) по сравнению со скоростью диффузии проникающего иона (), т.е. реакция идет при k. Так минерал за минералом замещается вся порода при сохранении устойчивых минералов на месте. Появляются псевдоморфные структуры у метасоматитов. При этом процессе происходит привнес ионов I группы и частичный вынос ионов II группы.

              Продукты метасоматоза - метасоматиты (метасоматические горные породы) как правило имеют гранобластовые структуры, могут наследовать текстуры исходных пород или образовывать собственные текстуры от массивной до ритмично-полосчатой. Характерными чертами метасоматоза, отличающими его от других процессов, является сохранение первоначального объема (правило Линдгрена) и наличие метасоматической зональности, при которой количество минералов в каждой зоне закономерно уменьшается по направлению к тыловой зоне (источнику флюида).

По типу привноса-выноса компонентов метасоматоз подразделяется на диффузионный и инфильтрационный типы. При диффузионном метасоматозе движущей силой диффузии для переноса компонентов является разница химических потенциалов (химической активности) компонентов в межпоровом растворе различных зон метасоматической колонки. За счет диффузионного метасоматоза обычно образуются относительно тонкие метасоматические колонки около трещин, жил, на контакте пород контрастного состава. Характерным признаком диффузионных метасоматитов является постепенное изменение составов минералов в пределах каждой зоны метасоматической колонки.

При инфильтрационном метасоматозе перенос компонентов осуществляется растворами, фильтрующимися сквозь породу. Объемы тел, образующихся за счет инфильтрационного метасоматоза значительно больше. Составы минералов в пределах каждой зоны метасоматической колонки остаются постоянными. Главными факторами метасоматоза являются температура, давление и состав флюида (раствора), вызывающего метасоматические преобразования. Метасоматоз осуществляется в очень широком диапазоне температур и давлений. Причиной экзогенного метасоматоза являются поверхностные воды, эндогенного метасоматоза - гидротермальные и надкритические растворы. В глубинных частях литосферы и в мантии метасоматоз может происходить при высоких температурах и высоких давлениях. При этом, свойства среды, переносящей компоненты, лежат между состоянием флюида и флюидонасыщенной магмы. Эти процессы относят к мантийному метасоматозу.

По характеру воздействующих на исходные горных пород флюидов метасоматоз может быть разделен на кремнещелочной, щелочной, кислотный, известковый, магнезиально-железистый и другие. Метасоматические процессы как правило связаны с крупными интрузивными телами. Для таких процессов Д.С.Коржинский выделил метасоматоз магматической и постмагматической стадии. На магматической стадии преобладает ювенильный флюид, выделяющийся из магмы в процессе ее кристаллизации. На постмагматической стадии в циркуляцию вовлекается значительное количество метеорного флюида, образующего конвективные ячейки в приконтактовых зонах интрузивов. Эволюция постмагматических растворов с понижением температуры проявляется последовательной сменой состава флюида и выделяется раннещелочная стадия, стадия кислотного выщелачивания и позднещелочная стадия метасоматоза, связанного с интрузивами. Изменение кислотности-щелочности флюида создает геохимические барьеры для многих рудных компонентов, вызывая резкое изменение их растворимости во флюиде и за счет этого формируются самые разнообразные месторождения полезных ископаемых.

По характеру замещения исходных пород выделяются несколько специфических типов метасоматоза:

      автометасоматоз – тип метасоматоза, характерный для верхних частей магматических тел и ранней постмагматической стадии. Типичным примером автометаасоматоза является альбитизация в гранитных массивах.

      Контактовый метасоматоз – метасоматоз, возникающих на контакте магматического тела и вмещающих пород. При контактовом метасоматозе породы могут отражать различные стадии эволюции магматической системы. Выделяются эндоконтактовые зоны метасоматической колонки (развивающиеся по изначально магматическим породам) и экзоконтактовые зоны (развивающиеся по вмещающим породам).

      Биметасоматоз – разновидность контактового метасоматоза, при которой изменяются породы по обе стороны от контакта за счет двусторонней диффузии различных компонентов.

      Околожильный метасоматоз – тип диффузионного метасоматоза, при котором формируется симметричная метасоматическая зональность с каждой стороны жилы, по которой фильтруются растворы.

      Региональный метасоматоз - занимает огромные площади в различных геологических обстановках. Обычно он имеет щелочную специфику и связан с внедрением крупных магматических тел, образуя самые внешние зоны метасоматических колонок, связанных с рудными месторождениями.

Проблемы метасоматизма

Метасоматиты образуются при взаимодействии контрастных горных пород между собой или горных пород с агрессивным раствором (расплавом). Так же, как при метаморфизме, в течение процесса сохраняется твердое состояние породы, но при этом изменяется ее химический состав, происходит привнос и вынос вещества. Соответственно, пределы изменения составов метасоматитов несколько шире, чем метаморфических горных пород.

История изучения метасоматитов, процессов их образования и экспериментального моделирования необычна и резко отличается от изучения магматизма и метаморфизма. Уже работы середины XIX века (Г. де Сенармон, А.Добрэ, С.-К.Девиль), в которых исследовали воздействие пара на стекла и другие твердые вещества, по существу воспроизводили метасоматические процессы. Однако, научный подход как к их изучению в природе, так и к экспериментальному моделированию стал возможен только начиная с 50-х годов после создания Д.С.Коржинским строгой физико-химической теории метасоматизма. Многие ее следствия, например, неизбежность резких фронтов замещений, принципиально расходились с представлениями геологов. Резкость границ между зонами раньше рассматривали как доказательство прерывистости метасоматических процессов и результат воздействия последовательных порций гидротермальных растворов. Поэтому одной из актуальных задач стала проверка главных положений теории метасоматоза.

Согласно теории, для этих процессов характерны следующие особенности.

      Обязательным результатом метасоматоза является возникновение правильной зональности (метасоматической колонки).

      Разрастание нескольких метасоматических зон происходит одновременно.

      При неравновесности процесса в целом в каждой точке колонки достигается локальное равновесие.

      На границах зон образуются резкие фронты замещения, на каждом из которых один из минералов породы полностью исчезает.

      По мере возрастания интенсивности метасоматического преобразования исходной породы число фаз (минералов) в зонах уменьшается.

      При разрастании метасоматичекой зональности состав зон остается постоянным.

Первое лабораторное воспроизведение метасоматической зональности осуществлено Я..И. Ольшанским и С.А. Брусиловским при комнатной температуре и атмосферном давлении в 1958 г. Медленное просачивание чистой воды или 10% раствора серной кислоты через смесь порошка кварца с бихроматом или хроматом калия приводило к образованию контрастных по окраске метасоматических зон с резкими границами.

Другая группа специфических проблем связана с неравновесностью метасоматического процесса в целом (при установлении локального равновесия в каждой точке возникающей зональности) и необходимостью получения его динамических характеристик. Как и для метаморфических пород, остается задача определения температуры и давления образования, но еще более актуальным становится реконструкция состава воздействующего флюида. Последнее особенно важно для понимания связи метасоматизма и рудообразования.

В процессе экспериментального изучения метасоматоза выработаны два подхода: исследование отдельных равновесий и моделирование процесса в целом. Первый путь принципиально сходен с изучением метаморфических реакций; кстати, получаемая при этом информация о температуре, давлении, летучестях воды, углекислоты, кислорода в равной мере представляет интерес для генезиса как метаморфических пород, так и метасоматитов.

Для изучения зависимости равновесий от концентраций (активностей, химических потенциалов) компонентов их поведение в опыте должно приближаться к вполне подвижному. Это может быть достигнуто применением буферных смесей, примерами которых могут служить кислородные буферы. Действие последних подробно описано в главе "Методика эксперимента". Другой методический прием - многократное превышение в опыте объема раствора над твердой навеской (метод большой ампулы). Любые процессы в последней не могут привести к заметному изменению концентрации в растворе. Возможна также фильтрация раствора через навеску, так чтобы она все время находилась в контакте со средой заданной концентрации. Для конкретного случая калиевого кислотного метасоматоза важнейшими являются равновесия андалузита, пирофиллита и каолинита с мусковитом и калиевым полевым шпатом (рис. 1).

Рис. 1. Фазовые соотношения в системе K2O - Al2O3 - SiO2 - H2O - HCl при Р = 1.0 кбар и избытке кварца по данным Г.П.Зарайского и др.

Штрих - пунктирными линиями показано положение равновесий Ksp = Ms + Qtz и Ms = Kln по Дж.Хемли.

В соответствующих реакциях поглощается столько же KСl, сколько образуется HСl, например:

Увеличение концентрации KCl и понижение - HCl (или наоборот) приводят к одинаковому смещению равновесия. В этом случае независимым фактором является отношение концентраций mKCl / mHCl .

Второй путь основан на непосредственном воспроизведении всего метасоматического процесса и получением зональности - колонки одновременно образующихся зон. Он обладает несомненными преимуществами в отношении возможностей получения динамических и кинетических характеристик и потому особенно важен для проверки теоретической модели Д.С.Коржинского. Оба пути взаимно дополняют друг друга и часто используются совместно.

Известны два принципиально различных механизма переноса вещества при метасоматозе. При инфильтрационном растворенные компоненты перемещаются с массой растворителя, механически увлекаясь током раствора. Диффузионный означает раздельную миграцию растворенных веществ, а растворитель (главным образом, вода) выступает как среда, относительно которой движется их поток. Обычно мы имеем дело с различными сочетаниями двух главных механизмов.

Для экспериментального моделирования наибольшее значение имеют следующие три типа взаимодействия при метасоматозе.

(1) Простой околотрещинный дифузионный метасоматоз. Неравновесный раствор поступает по трещине и взаимодействует со слабо проницаемыми боковыми породами посредством диффузии по тонкой системе поровых каналов. Процесс моделируется простейшим способом: измельченная горная порода, плотно набитая в открытую с одного конца пробирку из платины или золота, приводится в соприкосновение с большим объемом воздействующего раствора.

(2) При биметасоматозе взаимодействие осуществляется путем встречной диффузии компонентов в неподвижных поровых растворах двух контактирующих пород, контрастных по химическому составу, например, карбонатных и алюмосиликатных - при образовании скарнов. В таких опытах нижняя часть пробирки заполняется одной породой, а верхняя - другой, контакт маркируется меткой из платиновой проволоки.

(3) Инфильтрационный метасоматоз происходит при фильтрации изначально неравновесного флюида сквозь достаточно проницаемую породу. Его моделирование требует более сложного, специально разработанного оборудования.

Как для инфильтрационного метасоматоза, так и для диффузионного выделяются процессы кислотной и щелочной направленности. В первых из них происходит растворение и вынос из пород оснований, начиная с самых сильных. Оно компенсируется отложением кислотных компонентов, из которых в силикатных породах наибольшее значение имеет кремнезем. Щелочной метасоматоз характеризуется противоположными тенденциями. В этом отношении биметасоматическое взаимодействие двух пород противоречиво: по отношению к одной из них замещение имеет основную, а к другой - кислотную направленность.

Результаты экспериментального моделирования показали, что правильная зональная структура образующихся колонок является самой характерной их чертой в любом типе процесса. Границы зон связаны с появлением или исчезновением какого-либо минерала. Они обычно хорошо видны благодаря специфике окраски минерала (исчезновение магнетита при щелочном метасоматозе и темноцветных минералов при кислотном выщелачивании) или габитуса новообразованных минералов (длиннопризматический волластонит в биметасоматических скарновых колонках).

С самого начала метасоматического изменения, как только становится возможной диагностика отдельных фаз, возникают все зоны метасоматической колонки. Например, на контакте кварца и доломита при 600оС уже в эксперименте продолжительностью 1 час возникала скарновая колонка общей мощностью всего 0,3 мм, но с ясно выраженными четырьмя реакционными зонами, отделяющимися друг от друга резкими границами. Последовательность зон в ней между исходными кварцевой и доломитовой (кальцит-бруситовой) следующая: волластонитовая, диопсидовая, форстеритовая, кальцит-форстеритовая зоны. В опытах большей продолжительности происходит лишь пропорциональное разрастание зон, новые не появляются и старые не исчезают.

В большинстве экспериментальных колонок наблюдаются признаки приближения к локальному химическому равновесию. Условия формирования за редкими исключениями (например, в опытах обычно образуется х-андалузит, реже некоторые другие метастабильные фазы) отвечают полям устойчивости образующихся минералов. Точки на фазовых диаграммах, отвечающие условиям образования последовательных зон колонок, образуют изотермические тренды, по которым однонаправленно меняются активности (химические потенциалы) компонентов. Все последовательности зон отвечают вариантам путей на соответствующих диаграммах, примерами чего могут служить как колонки кислотного выщелачивания (рис. 2)

Рис. 2. Изменение состава порового раствора в зонах метасоматических колонок, полученных в опытах по моделированию грейзенизации лейкократового гранита под действием кислых фторидных растворов (Р = 1.0 кбар, Т = 5000С). (По Г.П.Зарайскому.)

1 - исходный состав раствора опытов; 2 - состав раствора в зонах; 3 - тренды изменения состава порового раствора в направлении от тыловых зон к передовым

так и биметасоматические скарновые (рис. 3).

Рис. 3. Изменение активностей компонентов в последовательных зонах экспериментальных и природных скарновых колонок. По Г.П.Зарайскому.

I, II, III - экспериментальные колонки, полученные при Т = 6000С, Р = 1.0 кбар, ХСО2 = 10-2: I - без граната (в растворах NaOH, Na2CO3, NaF, Na2SiO3, KOH и чистой Н2О); II - с существенно андрадитовым гранатом в экзоскарновых зонах при отсутствии граната в экзоконтакте (в растворах AlCl3, FeCl3, FeCl2, иногда CaCl2 и MgCl2); III - c андрадитовым гранатом в экзоконтактовых зонах и гранатом промежуточного состава со стороны эндоконтакта (в растворах NaCl, KCl, относительно слабо концентрированном растворе HCl, иногда CaCl2 и MgCl2). IV - зональность турьинских скарнов. 1 - эндоконтактовые зоны; 2 - экзоконтактовые зоны.
 

В диффузионных колонках наблюдается соответствие изменения состава минералов - твердых растворов распределению концентраций в диффузионном потоке. Так же, как и в зональности природных известковых скарнов, особенно хорошо выражено закономерное и постепенное изменение состава минералов в соответствующих модельных биметасоматических колонках, что подробнее будет рассмотрено ниже (см. также рис. 8).

Признаки нарушения локального химического равновесия отмечаются при вялом метасоматическом замещении, связанном с низкой температурой или низкой агрессивностью воздействующего флюида. В этих случаях диффузия или инфильтрация происходят быстрее по сравнению со скоростями химических реакций, резкие границы зон исчезают, новообразованные и реликтовые минералы присутствуют совместно, их количественные соотношения меняются постепенно. Их рассматривают как "частичное равновесие": межзерновой раствор находится в локальном химическом равновесии с новообразованными минералами, но неравновесен к исходным минералам, от которых отделен оболочкой равновесных продуктов. Наряду с общей метасоматической зональностью образуется микрозональность в пределах отдельных зерен. При этом образование или исчезновение новых минералов на границах зон происходит резко благодаря малым размерам их зерен.

Теория метасоматической зональности была разработана Д.С.Коржинским настолько глубоко, что допускает количественную проверку соответствия экспериментальных результатов расчетной модели в случае относительно простого состава системы, для которого известны все независимо определенные численные значения термодинамических констант фаз и частиц в растворе, а также коэффициенты диффузии. Этим требованиям удовлетворяет образование диффузионной биметасоматической зональности между кварцем и бруситом при 600оС, 1 кбар и воздействии воды или водных растворов NaCl и HСl разной концентрации. В таких условиях экспериментально хорошо воcпроизводится образование колонки с двумя мономинеральными реакционными зонами талька и форстерита. Количественный расчет модели взаимодействия возможен по кинетическому и локально-равновесному вариантам.

В кинетический вариант расчетной модели закладывается диффузионный перенос вещества в растворе, скорости растворения и осаждения минералов. Для локально-равновесного варианта принимается, что кинетические константы скоростей растворения и осаждения стремятся к бесконечности, а отношения этих констант постоянны. Второй вариант дополняется уравнением материального баланса на границах зон; в качестве начального приближения задаются зародышевые реакционные зоны малой мощности и очень низкой плотности. В первом варианте их образование получается при самом расчете.

Модель адекватно описывает реальную структуру и развитие экспериментальной зональности вплоть до предсказания тонких деталей строения. Правильно описываются общий набор зон, их последовательность, минеральный состав, положение по отношению к исходному контакту, объемные доли минералов в зонах, пористость, мощность зон и их соотношения. Внутри каждой зоны кинетическое решение в точности соответствует локально-равновесному и отклоняется от него только на границах. Экспериментальная колонка ближе к равновесному варианту модели, чем к кинетическому, поскольку для нее характерны резкие границы мономинеральных зон, а не переходные двуминеральные, которые дает кинетическое решение. Важным моментом является сохранение с течением времени степени размытости границ (рис. 4).

Рис. 4. Распределение объемной доли кварца, талька и форстерита, полученное при численном моделировании зональности контактового взаимодействия кварца с бруситом (Т = 6000С, Р = 1.0 кбар, 10-2 m HCl) по кинетическому варианту.

Ширина области постепенного перехода между зонами для разного времени (t1 = 1.55 ч, t2 = 3.11 ч, t3 = 14.5 ч) сохраняется неизменной около 0,4 мм. По Г.П.Зарайскому.

Ширина области постепенного перехода между зонами (около 0,4 мм) остается неизменной при разрастании колонки. Происходит абсолютное и относительное расширение тех областей, где кинетическое решение совпадает с равновесным. С течением времени колонка все более приближается к локально-равновесному виду.

Во всех случаях экспериментального моделирования диффузионной зональности отчетливо проявлено замедление скорости разрастания со временем . Взаимодействие кислотного или щелочного раствора с породами аппроксимируется простой зависимостью  (рис. 5).

Рис. 5. Разрастание различных зон экспериментальной диффузионной колонки среднетемпературного кислотного метасоматоза гранита (Р = 1.0 кбар, Т = 4000С, 1.0 m KCl + 5 x10-2 m HCl + [Q]).

Значения w даны в см/год1/2. По Г.П.Зарайскому.

Скорость продвижения передового фронта замещения оказалась меньшей, чем при диффузии в свободном объеме раствора, но значительной в геологическом масштабе времени. Реально наблюдаемые в природе колонки околотрещинного метасоматоза мощностью 0,5-2 м, согласно экспериментальным данным, образуются за время 10 тысяч лет, а узкие, 1-5 см, оторочки рудных прожилков - за несколько лет. Ранее оценки времени образования метасоматитов, а следовательно, и эндогенных месторождений вообще не могли быть сделаны.

Интересно, что длительность существования природных гидротермальных систем (Долина гейзеров на Камчатке, Йеллоустонский парк, Вайракей в Новой Зеландии) оценивается величинами того же порядка - 10-20 тысяч лет.

Биметасоматическая зональность развивается с меньшей скоростью по сравнению с кислотным и щелочным метасоматозом из-за высоких концентраций компонентов в исходных растворах по сравнению с концентрациями насыщения, перепады же на границах зон заметно ниже. Кроме того, общий характер имеет стягивание вещества к контакту и зарастание пористости в приконтактовых зонах биметасоматических колонок. Наибольшей плотностью обладают диопсидовые и волластонитовые зоны, препятствующие в длительных экспериментах обмену компонентов между алюмосиликатными и карбонатными породами. Мощности таких колонок плохо воспроизводятся, а их динамика разрастания не подчиняется обычной зависимости.

Мощности образующихся зон определяются коэффициентами диффузии мигрирующих компонентов. Численные значения коэффициентов диффузии различны. В опытах с агрессивными растворами породы изменяются на большую глубину, мощность колонки за двухнедельный опыт достигают нескольких см, в то время как при воздействии нейтральных или слабо концентрированных растворов - только первых мм. В этом отношении интересны биметасоматические колонки, в которых взаимодействуют среды (исходные породы) разной основности. Моделирование с использованием растворов меняющейся кислотности ведет к преимущественному их разрастанию за счет той породы, по отношению к которой раствор более агрессивен.