Породообразующие минералы

1. Породообразующие минералы

2. КАРКАСНЫЕ СИЛИКАТЫ • Окись кремния • Плагиоклаз • Щелочной полевой шпат • Нефелин • Лейцит • Кордиерит • Скаполит

3. КРЕМНЕЗЕМ (SiO2) В природе известно множество полиморфных модификаций SiO2: икварц (Qtz), тридимит (Tr), кристобалит (Crb), коэсит (Cst), стишовит (Sti). Фазы высокой температуры и низкого давления. Тридимит и кристобалит. встречаются исключительно в вулканических породах. Псевдоморфозы кварца по тридимиту обнаружены в приповерхностных интрузиях, например, в гранофирах острова Скай (Шотландия), а также в Скергаардском расслоенном плутоне (Гренландия). Тридимит встречается в липаритах, дацитах, трахитах, андезитах, очень редко - в базальтах.

4. Высокобарные фазы Коэсит(моноклинный, с2/с), истишовит (тетраэдрический) встречаются во взрывных кратерах, ксенолитах из кимберлитовых трубок, а также в ультравысокобарных метаморфических комплексах. Так, коэсит обнаружен в кратерах Аризоны (США), Попигая (Сибирь), Вредефорта (ЮАР), Риса (Германия) и во многих других взрывных структурах.Посмотрите Р-Т диаграмму фазовых переходов вSiO2

6. Коесит встречается и в ксенолитах эклогитов из кимберлитов Африки, Восточной Сибири, Бразилии, Австралиии др. регионах Обнаружен он также во многих ультравысокобарных метаморфических комплексах (Норвегия, Китай, Казахстан, Альпы). Стишовит пока обнаружен лишь в крупных взрывных кратерах (например, Попигайский, Вредефорт и Рис). Кварцустойчив с фаялитом (Fa) в рапакиви, в железистых кварцитах и эвлизитах. В пустотах базальтов обнаружен парагенезис тридимит+фаялит. Термодинамические свойства полиморфных разновидностей SiO2 опубликованы в статье (Геря и др.,1998).Но одно из них, зависимость мольного объема от температуры представляет специальный интерес.

7. Кварц не сосуществует с нефелином(Ne), Mg-оливином(OlMg)и корундом (Cor). Вместе с тем известны находки Qtz с Cor в кварцитах архейского комплекса Нэпиер (Napier), в Антарктиде (Motoyoshi et al., 1990), а также в метапелитах Намакуа, Южная Африка (Япаскурт, 2003).

8. Температурная зависимость мольного объема SiO2по экспериментальным данным

9. Полевыешпаты (плагиоклазыищелочныеполевыешпаты) CaAl2Si2O8 - анортит (An) NaAlSi3O8 - альбит (Ab) ортоклаз (Or) KAlSi3O8 микроклин (Mic) санидин (San) Твердые растворы: CaAl2Si2O8 - NaAlSi3O8 (Pl) NaAlSi3O8 - KAlSi3O8 (Kfs) Между этими двумя твердыми растворами наблюдаетсяограниченная смесимость. Отсюда следует возможность сосуществования двух полевых шпатов в магматических и метаморфических породах (см. рис.).

11. ПЛАГИОКЛАЗЫ По содержанию анортита(CaAl2Si2O8) плагиоклазы разделены на следующие группы: 0 - 10% альбит (Ab) 10 - 30% олигоклаз (Olg) 30 - 50% андезин (Ans) 50 - 70% лабрадор (Lab) 70 - 90% битовнит (Bit) 90 - 100% анортит (An)

12. В безводной системе чистый альбит плавится конгруентно до Р ~30 кбар. Выше этого давления альбит не стабилен и на ликвидусе появляется жадеит (инконгруентное плавление). Это очень важное открытие, т.к. в природе давно были известны жадеитовые граниты (например, в Альпах), но их происхождение долгое время считалось загадкой. Cтабильность альбита в «сухой» системе по экспериментальным данным Д.Линдсли (Lindsley, 1967).

13. Все природные плагиоклазы триклинные. Но синтезированы также ромбические и гексагональныеанортиты. Диаграмма плавкости плагиоклазов Ab - An при атмосферном давлении изучена Н.Л. Боуэном в 1913 г. Более поздние исследования ничего в ней не изменили.

14. В альбитовой области субсолидуса, плагиоклаз распадается на две фазы: альбити олигоклаз: возникают так называемые перистериты. Так что в общем случае диаграмма равновесного состояния плагиоклазов имеет такой вид (Петрография, часть 1, 1976). Но и это еще далеко не все! Детальные рентгеновские исследования твердого раствора плагиоклаза привели к открытию в нём новых полиморфных разновидностей, разнообразных по степени упорядочения каркаса. И эти открытия в свою очередь привели к значительному усложнению субсолидуса системы Ab-An.

15. Полная диаграмма состояния плагиоклазов при Р=1 атм

16. Д. Линдсли (Lindsley, 1967) показал, что в сухой системе при Р= 7-8 кбар анортит плавится инконгруэнтно: минералом ликвидуса становится корунд. При снижении температуры (Р = const) он реагирует с расплавом и образуется анортит. С увеличением содержания альбита в плагиоклазе (XAbPl) перитектическая точка смещается в область низких значений температуры и высоких значений давления. Это хорошо видно на диаграммах «состав-температура-давление». А в водосодержащей системе с возрастанием РН2О четко прослеживается систематическое расширение поля кристаллизации корунда.

19. Коэффициент разделенияальбитамежду расплавом (m) и кристаллами (cr): KAb = XAbcr/ XAbm = =5.121–1.052(10-2ToC)+0.0617(10-2ToC)2,откуда дRTlnKD/д(1/T)=Hm=13 764 кал,что хорошо согласуется с прямым определением теплоты плавления альбита, Нm=13500 кал. Зная теплоту плавления альбита легко рассчитать термодинамические свойства альбитового расплава (m) при разных значениях T и P. Для точки плавления Ab при Т= 1100оС и Р = 1 атм можно записать такое равенствоальбит (Ab) = альбит (m).

20. Для этой реакции плавления можно записать такие соотношения термодинамических величин:GL = Gm - GAb = Hm - TSm+PVmHL = Hm - HAbHm = HL + HAb = 13760 + (-953680) = - 940120кал/мольSm = SL + SАb = 166.73э.е. Vm = VL + VАb = 110.09 cм3/моль. Распространенность Плагиоклаз встречаются почти во всех магматических породах за исключением эклогитов, некоторых ультрабазитов (дуниты, пироксениты, гранатовые перидотиты).

21. Наиболее основные плагиоклазы найденыв плагиоклазовых перидотитах (№98), габбро Юж. Калифорнии (№85-95), в нефелиновых сиенитах мыса Дежнева (№ 96) и анортозитах Южной Индии(№98).В андезитах обычны андезины, а в габбро и базальтах - лабрадоры и битовниты. В основных расслоенных плутонах состав плагиоклаза изменяется от №30 до №60.В гранитах, гранодиоритах и т.п. встречаются олигоклазы, реже первые номера андезинов. В пегматитах - альбиты. В нефелиновых сиенитах спектр состава плагиоклазаочень широк –от альбита до анортита. В двуполевошпатовых породах возможны широкие вариации состава Pl в зависимости от изменения химических потенциалов щелочей в расплаве или флюиде.Наиболее ярко это проявляется в реакции КОРЖИНСКОГО(Петрография, 1976, т.1, стр. 41). Записать её можно так:

22. nCaAl2Si2O8(1-n)NaAlSi3O8 + 0.5mK2O = = nCaAl2Si2O8 (1-n-m)NaAlSiSi3O8 +mKAlSiSi3O8 + 0.5mNa2O, т.е. кислыйPl + (K2O) = более основной Pl+ калишпат + (Na2O). Иными словами, с возрастанием flК2О реакция смещается вправо. И т.к. системе CaAl2Si2O8 - KAlSi3O8 смесимости нет, то выделяется калишпат. Реакция Коржинского широко в используется для расчета химических потенциалов щелочей в петрологических процессах.

23. В Kfs возможна полная и ограниченная смесимость. Она зависит от степени упорядочения структуры полевого шпата, а также от Т и Р. Ясно, что распад твердого раствора Kfs определяется значительным отклонением свойств его твердого раствора от идеальности.

24. По степени упорядочения в щелочных полевых шпатах выделяют упорядоченные или низкие Kfs (low), промежуточные (im) разупорядоченные или высокие(high)Отсюда выводится следующие четыре серии твердых растворов:высокий альбит - высокий санидин высокий альбит - низкий санидин (адуляр) низкий альбит - ортоклаз низкий альбит – микроклин В Kfs возможна полная и ограниченная смесимость. Она зависит от степени упорядочения структуры полевого шпата, а также от Т и Р. Ясно, что распад твердого раствора Kfs определяется значительным отклонением свойств его твердого раствора от идеальности. Рассмотрим структурные и термодинамические свойства Kfs.

25. Переход между этими сериями постепенный, с закономерным изменения параметров элементарной ячейки Fsp.Непрерывность фазового перехода моноклинной модификации в триклинную объясняется упорядоченным распределением Al и Si в тетраэдре калишпата (см. таблицу). Выражается он через два параметра - степень упорядочениястепень триклинности, что хорошо видно на следующих двухдиаграммах:

27. Термодинамика щелочных полевых шпатов На основе экспериментальных данных по равновесиям Kfs, а также изучению параметров его элементарной ячейки интегральная энергия смешения (кал/моль) его твердого раствора выражается так: Ge= XAb(1- XAb)2(WHNa - WSNaT + WVNaP) + + X2Ab(1-XAb)(WHK- WSKT + WVKP), где Серия WHNaWSNaWVNaWHK WSK WVK Abh - San4612 2.504 0.101 6560 2.486 0.074 Abl - Mic7594 5.931 0.142 7832 2.657 0.074

28. Структурные преобразования в Fspпредопределяют различия в кривых распада их твердых растворов, а также различия в их термодинамических свойствах.

29. Термодинамические свойства калишпата

30. Распространенность Kfs Kfs встречается во всех гранитоидах, а также в сиенитах, монцонитах и нефелиновых сиенитах, гранитных и щелочных пегматитов, где он является главным породообразующим минералом. В магматических породах можно встретить две, иногда и три полиморфных разновидности Fsp. Редко Fsp встречается в габбро, диоритах. Fspтакже обычный минерал во многих богатых K2O фельзитовых (кислых) метаморфических породах. Во всех этих породах он сосуществует с Pl, что позволяет оценить температуру и давление, а также химические потенциалы K2O и Na2O при данных Т и Рc помощью реакции Коржинского и термометра Барта.

31. РеакцияКоржинского nCaAl2Si2O8(1-n)NaAlSi3O8+0.5m K2O = 0.5mNa2O+ mKAlSi3O8 + nCaAl2Si2O8(1-n-m)NaAlSi3O8, т.е. кислый Pl+ (K2O) => калишпат + более основной плагиоклаз+ +(Na2O)во флюиде. С возрастанием K2Oреакция смещается вправо. И т.к. в системе CaAl2Si2O8- KAlSi3O8 смесимости нет, то выделяется фаза Kfs. Термометр Барта Основан на законе Нернста и выражается через коэффициент разделения альбита между Pl и Fsp: KAb= (XAbPl/XAbFsp) = exp(Ge/RT) В “сухих” условиях, а также при низком давлении воды калиевый полевой шпат, санидин (KAlSi3O8) плавится инконгруэнтно, с выделением лейцита (KAlSi2O6).

32. «Антипертитовый» термометр (б) В каждом кристалле плагиоклаза определяются: (1) его состав, (2) состав ламеллей калишпата – антипертитов и (3) валовой состав зерна плагиоклаза (вместе с ламеллями) с помощью расфокусированного зонда

33. ЛЕЙЦИТ (KAlSi2O6) Лейцит (Lc) – редкий минерал, встречающийся только в вулканических породах. Обычно это чистый минерал, но бывают и примеси (Na,Ca, Fe). В интрузивных породах встречается псевдолейцит – это псевдоморфоза Neи Kfs по Lc. Лейцит – минерал низкого давления. Уже при РН2О = 2000 бар Fsp плавится конгруэнтно и с возрастанием РН2О поле Lc выклинивается: KAlSi2O6 (Lс)+ melt= KAlSi3O8 (San)

34. Нефелин-калсилит В начале века, когда началось детальное изучение щелочных пород, выяснилось, что нефелин в интрузивных и метаморфических породах на ¼ сложен Ksпри незначительной вариации состава твердого раствора. В начале прошлого века профессор Варшавского университета Морозевич даже предложил рассматривать нефелин не как твердый раствор миналов KAlSiO4-NaAlSiO4, а как химическое соединение Na3KAl4Si4O16. Однако вариации состава Ness в вулканических породах оказались достаточно широкими, вплоть до находок почти чистого калсилита. В 1962 А.Я.Жидков открыл Сыннырский интрузивный массив калсилитовых сиенитов и назвал их сынныритами. Ne и Ks хоть и кристаллизуются в гексагональной сингонии, но не изоструктурны.

35. Миналы NaAlSiO4 и КAlSiO4 образуют ограниченные твердые растворы и имеют разнообразные полиморфные разновидности, от высокотемпературного кубического карнегиита (ХNa = 0.9-1.0) до ромбических нефелина (ХNa= 1) и калсилита (ХК =1). Структура минералов группы нефелина основана на тридимитовом каркасе, где половина атомов Si замещена Al с компенсациейзаряда Na, K и вакантными позициями. Реальная формула Ness сложная, т.к. учитывает замещение Si Al в системы Ne-Ab и гетеровалентный изоморфизмСа2+ 2(Na++K+): (KXNaYCaZ)8-(x+y+z)AlX+Y+2ZSi16-(X+Y+2Z)O32,где  - вакантные позиции,т.е. твердый раствор Ne-Ks имеет ограниченную смесимость с …плагиоклазом! Смесимость нефелина с альбитом была известна сразу же после изучения диаграммы плавкости в системе Ne-Ab.

36. На диаграмме видно, что в области нефелина кристаллизация начинается с карнегиита, а затем, при снижении Т до 1068 оС, растворимость Ab в Nessвозрастает, а с дальнейшим падением Tне изменяется (?).

37. В субсолидусе системы Ne-Ksобнаружена широкая область распада, существование которой можно было легко предсказать из свойствлюбых K-Na твердых растворов:

38. Но на самом деле фазовая диаграмма этой системы значительно более сложная. Она учитывает многочисленные фазовые переходы как в нефелине, так и калсилите, а также в какой то мере дает ответ на вопрос, что же такое «нефелин Морозевича»?

39. Физические и термодинамические свойства Ne-Ks твердого раствора не однозначны. Так, концентрационные зависимости параметров элементарной ячейки Ness и Vm претерпевают излом практически при составе «нефелина Морозевича».

40. Термодинамические свойства твердого раствора нефелина Температурная зависимость энергий Гиббса при образовании одного моля Ne и Ks из атомов: GoT(Ne) (кал/моль) = - 503.204 - 11.868(T.10-2)- -0.3644(T.10-2)2 + 0.0166(T.10-2)3; GoT (Ks) (кал/моль) = - 498.895 - 9.19(T.10-2) - - 0.0264(T.10-2)2 + 0.0004(T.10-2)3, где Т- температура, К. Термодинамические свойства смешения Ness не однозначны. На диаграммах показана отрицательная зависимость Vm от XKs и знакопеременную для Se и Нe. Причем смена знака намечается при составе XKs~ 0.25 ("нефелин Морозевича"), Na3KAl4Si4O16

42. Распространенность минералов группы нефелина Нефелин встречается исключительно в щелочных породах магматического и метасоматического происхождения. Нефелин - главный породообразующий минерал многих щелочных пород. Из числа интрузивных это прежде всего разнообразные нефелиновые сиениты и бесполевошпатовые породы (йолиты, якупирангиты, мельтейгиты и др. пород ультраосновных щелочных формаций), а вулканические – фонолиты, лейцитовые базальты, тефроиты и многие другие. В Сыннырском массиве встречены парагенезисы: Ne6.4Ks93.6 + Ab1.5Or98.5 Ne11.2Ks88.8 + Ab2Or98. Считается, что они возникли за счет лейцита по реакции 2KAlSi2O6 = KAlSiO4 + KAlSi3O8

43. Ks Or Ks Симплектиты калсилита (Ne2Ks98) и ортоклаза (Or100) в рисчоррите изХибинского массива, Кольский п-ов (фото П.Ю.Плечова)

44. В вулканических и плутонических породах состав Ne в парагенезисе с Fsp различен. К.Тилли (1963)показал, что Ness из излившихся пород богаче NaAlSiO4 по сравнению сNess из плутонических пород.

45. Отсюда Тилли пришел к выводу, что обменное равновесие KAlSiO4 + NaAlSi3O8 = NaAlSiO4 + KAlSi3O8, т.е. Ks + Ablow = Ne + Sanhigh с повышением T смещается вправо. Но этот вывод оказался неверным: пересечение коннод на диаграммах обусловлено высокой растворимостью Ab в Ne-Ks твердом растворе.

47. Раннее кордиерит считался кольцевым силикатом, но в 1968 г. "стал" каркасным. Сингонии ромбическая, но известна и гексагональная полиморфная модификация - индиалит. Переход осуществляется через ряд промежуточных состояний, определяющихся упорядоченностью Si и Al в тетраэдре. При этом степень порядка-беспорядка определяется рентгеновским параметром - коэффициентом искажения = 2131- (2511 - 2421)/2где 2 - брегговский угол отражения рентгеновского пучка для Cu(K)от соответствующих плоскостей в кристалле кордиерита.max= 0.29 - 0,31 - “сверхнарушенные”,< 0.29 -“субнарушен-ные” и= 0 - индиалит. Поскольку индиалит гексагональный, то все три пика 511, 421 и 131 сливаются в один пик 131. КОРДИЕРИТ: (Mg,Fe)2Al4Si5O18

48. В сухих условиях в зависимости от состава фазовый переход осуществляется при Т > 1000оС. Структурные разновидности кордиерита на диаграмме состав-температура Однако в гидротермальных условиях Т перехода составляет всего 650о - 700оС, Это происходит потому, что вода заполняет так называемые каналы в структуре Crd. Поэтому необходимо более подробно остановиться на рассмотрении его структуры.

49. Действительно, структура кордиерита такова, что в пустоты (каналы), образуемые из шестичленных колец Si - Al тетраэдрических группировок с диаметром ~ 5Å, могут входить H2O, CО2 щелочи и т.п.

50. При этом вода не просто входит в структуру кордиерита, но и производит сильное ее искажение. При полном насыщении «каналов» молекулами Н2Орезко изменяется ихконфигурация. Эффект такой же, как при надувании резинового шарика, что хорошо видно на схематической проекции структуры Crdна плоскость 001. Воздействие молекул Н2О на конфигурацию, образованную шестичленными кольцами тетраедров в кордиерите. Проекция структуры «канала» на плоскость a-b)