Все о геологии :: Моделирование фазовых равновесий при кристаллизации базальтовых магм

Геовикипедия
wiki.web.ru

Поиск

Главная страница

Конференции: Календарь / Материалы

Каталог ссылок

Словарь

Форумы

В помощь студенту

Последние поступления

Геология >> Геохимические науки >> Петрология | Книги

Обсудить в форуме

Добавить новое сообщение

Моделирование фазовых равновесий при кристаллизации базальтовых магм

Условные обозначения

Авторы: А.А.Арискин, Г.С.Бармина
Лаборатория термодинамики и математического моделирования природных процессов ГЕОХИ РАН
(Моделирование фазовых равновесий при кристаллизации базальтовых магм.-М.:Наука,МАИК "Наука/Интерпериодика",2000.-363с.)

Оглавление| Далее

ПРЕДИСЛОВИЕ

Вопросы зарождения и дифференциации базальтовых магм относятся к важнейшим проблемам магматической петрологии и геохимии. Это обусловлено масштабами проявления базальтового магматизма и той особой ролью, которую расплавы основного состава играют в качестве источника разнообразных ассоциаций изверженных пород. Расшифровка этой петрогенетической роли заключается в определении главных механизмов разделения вещества в магматическом процессе, оценке термодинамических (P, T, режим f_O2 и летучих) и динамических (степень плавления, плотность кумулуса, эффективность ассимиляции, конвекционные режимы и т.д.) условий их протекания. В этой связи принципиальное значение приобретают возможности расчета расплавно-минеральных равновесий для систем, отвечающих исходным (родоначальным) и производным расплавам. Прогресс в данной области связан с активным внедрением в практику петрологических исследований методов моделирования кристаллизации базальтовых магм - модели Арискина и Френкеля (1982-1999), Нильсена (1983, 1990), Гиорсоу (1985-1995), Лонгмюра (1990), Камура и Килинка (1995), Янга с соавт. (1996) и некоторые другие. При помощи этих моделей можно рассчитывать изменение фазовых пропорций и составов при равновесной, фракционной и промежуточных режимах кристаллизации природных расплавов, что позволяет оценить влияние внешних условий на направленность их химической эволюции. В случаях, когда программы расчета расплавно-минеральных равновесий удается совместить с описанием динамики дифференциации, появляется возможность прямого моделирования последовательности образования и строения магматических объектов. Это ставит ряд новых вопросов теоретической и прикладной петрологии, включая анализ динамических режимов фракционирования, принципы построения и калибровки моделей кристаллизации, отладку методических приемов работы с ЭВМ-программами, верификацию и интерпретацию результатов моделирования.

Работы в данном направлении были начаты в середине 70-х в составе коллектива сотрудников ГЕОХИ РАН и кафедры геохимии МГУ, объединенных вокруг М.Я.Френкеля и А.А.Ярошевского общей проблемой исследования механизмов дифференциации базальтовых магм. За эти годы мы прошли непростой путь от построения, анализа и попыток практического использования первых упрощенных моделей кристаллизации базальтов до создания Системы моделирования магматических процессов в виде комплекса вычислительных программ и интерфейсов, включающих базу экспериментальных данных по фазовым равновесиям изверженных пород, процедуры калибровки геотермобарометров минерал-расплав, ЭВМ-модели фазовых равновесий и алгоритм моделирования динамики внутрикамерной дифференциации. Параллельно были разработаны новые методики генетической интерпретации изверженных пород, основанные на использовании численных моделей фазовых равновесий, показано применение этих подходов к магматическим породам и объектам различного происхождения. Обобщение этого опыта является главной задачей представленной монографии.

Значительное внимание в книге уделено основам построения и методическим приемам работы с ЭВМ-моделью КОМАГМАТ. В настоящее время эта программа получила широкое распространение среди петрологов и установлена во многих учреждениях геологического профиля, включая МГУ им. М.В.Ломоносова, ИО РАН, ИГЕМ РАН, ИГГД (Санкт-Петербург), ИВ и ИВГ ДВО РАН (Петропавловск-Камчатский), ОИГГиМ СО РАН (Новосибирск), ИГ СО РАН (Иркутск), ГИН КНЦ (Апатиты), ГИН СО РАН (Улан-Удэ), а также несколько десятков зарубежных научных центров. Более 10 лет КОМАГМАТ используется при обучении студентов и аспирантов геохимических специальностей МГУ, начиная с 1996 г. - в спецкурсе "Моделирование магматических систем" в Новосибирском Государственном университете. Активное внедрение этой вычислительной модели неизбежно ставит вопросы о правомерности ее использования в заданной области составов, точности оценок параметров кристаллизации, достоверности генетических интерпретаций. По этой причине мы постарались максимально детально описать термодинамический и эмпирический базис программы КОМАГМАТ, представив логику и обоснованность ее использования в приложении к проблемам генезиса конкретных интрузивных и эффузивных пород. Надеемся, что заинтересованный читатель внимательно прочтет эти разделы, что позволит в дальнейшем самостоятельно оценивать значимость и реалистичность термодинамических расчетов не только с использованием программы КОМАГМАТ, но также других аналогичных моделей.

Петрологическая часть работы основана на обработке информации по составам минералов и пород, собранных в совместных экспедициях отрядов ГЕОХИ РАН, кафедры геохимии МГУ (р. Подкаменная Тунгуска, 1976; верховья р. Вилюй, 1980) и Института вулканологии ДВО РАН (Кроноцкий полуостров, 1982, 1984; Ключевской вулкан, 1987). Данные по строению плутонов Партридж Ривер (Дулутский комплекс, США) и Садбери (Онтарио, Канада) были любезно предоставлены проф. К.Чалокву (Обурнский ун-т, США) и А.Дойчем (ун-т Мюнстера, Германия). Информация по петрохимии и минералогии Скергаардского интрузива, составам толеитовых стекол Центральной Атлантики и большей части пород Моря Кризисов на Луне заимствована из литературных источников.

Благодарности. Большинство представленных результатов получено совместно с М.Я.Френкелем (1943-1993 гг.), который привнес в исследования глубокое понимание взаимосвязи физических механизмов дифференциации магм и направленности их химической эволюции. Это были счастливые годы дружеского, плодотворного и взаимообогащающего сотрудничества. Авторы искренне признательны А.А.Ярошевскому, который основал наш творческий коллектив и ряд лет руководил его работой, отстаивая необходимость построения и исследования моделей динамики магматической дифференциации. Особая благодарность Е.В.Коптеву-Дворникову, Б.С.Кирееву и С.А.Хубуная, с которыми мы прошли сотни километров тропами и реками Восточной Сибири, Карелии и Камчатки, познав радость первых успехов изучения и ЭВМ-моделирования интрузивов и вулканических серий. Авторы выражают признательность своим молодым коллегам - Р.Р.Альмееву и Г.С.Николаеву - за помощь в подготовке монографии и усилия по дальнейшему развитию данного научного направления. Большое влияние на содержание книги оказали дискуссии с Л.В.Дмитриевым, А.А.Кадиком, Л.Н.Когарко, О.И.Луканиным, В.Л.Масайтисом, И.Д.Рябчиковым, А.В.Соболевым, В.Н.Шараповым и О.И.Яковлевым. Благодарим также зарубежных коллег - А.Дойча, Дж.Лонги, А.Мак-Бирни, Б.Марша, Р.Нильсена и К.Чалокву за сотрудничество и конструктивное обсуждение петрологических проблем. Искренняя признательность друзьям-коллегам по Институту и другим организациям, доброжелательное отношение и помощь которых внесли свой вклад в реализацию планов данного исследования.

В разное время работа была поддержана грантами Национального научного фонда США (EAR-9206647), Международного научного фонда (M1N000, M1N300) и Российского фонда фундаментальных исследований (94-05-16098, 96-05-64231, 96-89054, 99-05-64875). Издание книги осуществлялось при финансовой поддержке РФФИ (грант 00-05-78046) и ГЕОХИ РАН.

Оглавление| Далее

Основные условные обозначения

Типичные индексы

i - индекс химического элемента (n - общее число компонентов)

j - индекс минерала (m - количество минералов)

r - компонент твердого раствора - минал ( R(j) - количество миналов)

s - общее обозначение твердой фазы

l - расплав

Интенсивные параметры

T - температура равновесия (кристаллизации) в системе

$T_{(dry)}^j$ - температура равновесия с расплавом j -минерала в сухой системе

$T_{H_2 O}^j$ - температура равновесия с расплавом j -минерала в водной системе

P - давление

f_O2 - фугитивность кислорода

$C_i$ - весовые концентрации i - элемента (с верхним индексом j , s или l)

$x_i^{l/s}$ - весовые или мольные концентрации i - элемента (компонента)

$C_{H_2 O}$ - весовая концентрация воды в расплаве

Некоторые экстенсивные параметры

$W^{l/s}$ - масса расплава или твердой фазы - ур-е (1.3)

$F_j^{(s)}$ - валовые весовые пропорции минеральных фаз в системе

$F_l$ - весовая доля расплава в системе

$F_j^{(0)}, F_l^0$ первичные фазовые пропорции магматических пород (Глава 3)

$f_j^s$ - весовые пропорции кристаллизации минералов

Константы распределения и равновесия

$D_i^j$ - весовой коэффициент распределения i - элемента между

j - минералом и расплавом

$K_i^j$ - мольный коэффициентраспределения i - элемента

$K_i$ - средневзвешенный (комбинированный) весовой коэффициент распределения i - элемента между твердой фазой и расплавом

$K_D$ - константа обменного равновесия (коэффициент сокристаллизации)

$K_{eq}$ - константа равновесия химической реакции

$K_r^j$ - константа равновесия для реакции кристаллизации r - компонента j - минерала

Эмпирические параметры

$A_r^j, B_r^j$ , - регрессионные коэффициенты геотермометров минерал-расплав

$\beta_r^j$ - коэфф. учета влияния давления - ур-е (2.48)

$\lambda _j$ - коэфф. пропорциональности при учете влияния H₂O - ур-е (2.49)

Термодинамические обозначения к Главе 2

$\phi$ - фазы системы ( $\Phi$ - общее количество фаз)

G- свободная энергия Гиббса

$\Delta G$ - изменение свободной энергии системы или реакции

$\Delta H$ - изменение энтальпии системы или реакции

$\Delta S$ - изменение энтропии системы или реакции

$\Delta V$ - объемный эффект реакции кристаллизации

R - газовая постоянная

$\nu_{i(r)}^j$ - стехиометрические коэффициенты реакций кристаллизации

r - компонента j - минерала

$a_{i/r}^{l/j}$ - активности компонентов в расплаве или минералах

$x_{i/r}^{l/j}$ - концентрации компонентов в расплаве или минералах

$\gamma_{i/r}^{l/j}$ - коэффициенты активности компонентов

$\mu_{i/r}^{l/j}$ - химические потенциалы компонентов расплава или минерала

$N_{i/r}^{l/j}$ - количество молей компонентов расплава или минерала

N_l - количество молей расплава в системе

N_j - количество молей j - минерала в системе

$x_j^s$ - мольные пропорции кристаллизации минералов

$T_r^j$ - температура прогнозного равновесия с расплавом для

r - компонента j - минерала

$\varepsilon_T$ - машинная точность расчета температуры в модели КОМАГМАТ

$\varepsilon_i^l$ - точность расчета состава расплава в модели КОМАГМАТ

Минералы и компоненты твердых растворов

Pl - плагиоклаз (Or - ортоклаз, Ab - альбит, An - анортит)

Ol - оливин (Fa - фаялит, Fo - форстерит)

Px1 - высоко-Са пироксен (для ранних моделей кристаллизации)

Px2 - низко-Са пироксен (для ранних моделей кристаллизации)

Px - пироксен (общее обозначение)

Cpx - клинопироксен (Di - диопсид)

Aug - авгит (Fs - ферросилит, En - энстатит, Wo - волластонит)

Pig - ортопироксен

Opx - пижонит

Sp - шпинель (хромит)

Mt - магнетит (Mag - Fe₃O₄, Ulv - Fe₂TiO₄)

Ilm - ильменит (Hem - Fe₂O₃, Il - FeTiO₃)

Характеристики процессов фракционирования

$f^s$ - фактор фракционирования расплава - ур-е (1.8)

$\varphi_{(cr)}$ - степень фракционирования (кристаллизации) расплава

$\Delta \varphi_{(cr)}$ - смещение степени фракционирования (шаг кристаллизации)

$\partial P / \partial \varphi$ - скорость декомпрессии кристаллизующегося расплава

Параметры внутрикамерной дифференциации (Глава 6)

Z =h / h₀ - относительная высота положения породы (h₀- мощность)

h_U и h_L- положение верхней и нижней границы магмы

t - время

t^* - длительность закалочного режима

$\Delta t$ - временной интервал, отвечающий сдвигу степени фракционирования расплава $\Delta \varphi_{cr}$

c_r - теплоемкость вмещающих пород

$\rho_r$ - плотность вмещающих пород

$\kappa_r$ - температуропроводность вмещающих пород

T₀ - температура на верхнем фронте кристаллизации

$J_Q^U$ и $J_Q^L$ - потоки тепла на верхнем и нижнем фронте кристаллизации

$K_{\alpha}$ - Коэффициент пропорциональности потоков - ур-е (6.2)

$J_S^U$ и $J_S^L$ - суммарные потоки твердых фаз на верхнем и нижнем фронте

$\lambda_l$ и $\rho_l$ - теплота кристаллизации и плотность магматического расплава

$J_{S(U)}^{dir}$ и $J_{S(L)}^{dir}$ - потоки направленной кристаллизации (U - верхний, L - нижний)

$J_{S(U)}^{con}$ - поток объемной кристаллизации на верхнем фронте

$v_U^{dir}$ и $v_L^{dir}$ - скорости фронтов направленной кристаллизации

$v_L^{cum}$ - скорость продвижения нижнего фронта кумуляции

F_mag - кристалличность магмы (доля взвешенных минеральных зерен)

$F_L^{cum}$ - общая доля кумулятивных кристаллов в нижней зоне

$f_j^{mag}$ - объемная доля взвешенных в магме минеральных зерен

$f_j^{cum}$ - доли кумулятивных минералов ( $1 \le j \le m$ )

$v_j^s$ - скорость оседания кристалликов данного минерального вида

$F_L^{CR}$ - предельная (максимальная) кристалличность кумулуса

$C_{i(U/L)}^{rock}$ - состав пород, формирующихся на верхнем и нижнем фронте

$\Delta h_{ch}^{U/L}$ - мощности верхней и нижней закалочной зоны

Другие обозначения

NF - компоненты - сеткообразователи расплава

NM - компоненты - модификаторы расплава

MGN - магнезиальность MgO/(MgO+Fe²⁺O)

OLIV, PLAG, QTZ - компоненты проектирования составов расплавов (систем)

CPX, AN, AB на треугольные фазовые диаграммы

$Fe_{ox}=Fe^{3+} / (Fe^{3+} + Fe^{2+} )$ - общая степень окисления железа в расплаве

$Fe(II) = Fe^{2+} / (Fe^{2+} + Fe^{3+} )$ - общая степень восстановления железа в расплаве

IW, WM, - кислородные буферы (железо-вюстит, вюстит-магнетит,

QFM,NNO кварц-фаялит-магнетит, никель-бунзенит)

Оглавление| Далее

А.А. Арискин/ГЕОХИ РАН

См. также

Оценка условий кристаллизации ареального вулканизма г. Терпук Срединного хребта, Камчатки.: Content

Оценка условий кристаллизации ареального вулканизма г. Терпук Срединного хребта, Камчатки.: Introduce

Бураковско-Агранозёрский расслоенный массив Заонежья: II. Строение краевой группы и оценка состава родоначальной магмы методом геохимической термометрии: Геохимическая термометрия пород краевой группы

Бураковско-Агранозёрский расслоенный массив Заонежья: II. Строение краевой группы и оценка состава родоначальной магмы методом геохимической термометрии: Список литературы

Эволюция высокоглиноземистых базальтов Ключевского вулкана (Камчатка) по данным изучения магматических включений в минералах: Аналитические методы

Эволюция высокоглиноземистых базальтов Ключевского вулкана (Камчатка) по данным изучения магматических включений в минералах: Методы исследования расплавных включений в минералах

Проект осуществляется при поддержке:
Геологического факультета МГУ,
РФФИ