8.2. Геохимические реакции в горных породах при изменении давления.

© Фисунов Владимир Александрович. 2009.

    Прежде, чем перейти к дальнейшему изложению материала необходимо сделать небольшое пояснение по поводу внесистемной единицы давления в 1 килобар, часто применяемой в геологии. Это давление равное 108 н/м2. Поскольку давление жидкости определяется по формуле p = ρgh,  то давление в 1 килобар создает водяной столб высотой примерно в 10 км. С учетом того, что средняя плотность пород земной коры в 2,6-3,2 раза больше плотности воды, давление в земной коре  увеличивается на 1 килобар при увеличении глубины на 3,06-3,77 км (в дальнейшем будем придерживаться среднего значения в 3,4 км).
И тут важно отметить, что такой градиент давления актуален только при современной силе тяжести (g = 9,8 м/с2). В условиях же отгибания коры, когда сила тяжести была меньше современной в десятки раз (g меньше 1 м/с2), увеличение давления в недрах земной коры на 1 кбар происходило при увеличении глубины на 50 и более км.

  В процессе отгибания земной коры верхний ее слой интенсивно разрушался и осыпался вниз, а от Земли отрывались в основном породы, которые залегали на глубинах от 20 до 70 км. При современной силе тяжести давление на этих глубинах составляет от 6 до 21 килобара. В начале каждого нового цикла отгибания давление на этих глубинах падало до значений меньших, чем 1 кбар, но по мере торможения Земли, вызванного отгибанием коры, сила тяжести увеличивалась, и, соответственно, давление медленно подрастало до нескольких килобар. При дальнейшем торможении Земли, под действием все увеличивающегося собственного веса происходило разрушение отогнутых вверх лепестков земной коры, на чем, собственно говоря, и заканчивался очередной цикл отгибания коры

   Естественно, что при столь значительных изменениях давления в недрах земной коры, ее породы подвергались различным геохимическим превращениям, скорость которых, помимо давления, зависела еще и от их температурного режима. И поскольку, наибольшие изменения давления и более высокие температуры были на больших глубинах, то именно там проходили наиболее интенсивные геохимические реакции. В самых же верхних слоях, где давление менялось, не столь сильно, а температура была достаточно низкой, интенсивность геохимических реакций была пренебрежительно мала.
Поэтому для нас важно понять, какие геохимические превращения происходят в горных породах на больших глубинах при изменениях давления от долей до нескольких десятков килобар и обратно. Для начала рассмотрим, что происходит в базальтовых и родственных им системах, поскольку предполагается, что именно они располагаются на тех самых глубинах, с которых породы, в основном, отрывались от Земли в процессе отгибания земной коры.

   Экспериментальные исследования базальтовых пород были начаты в 60-е годы прошлого века Бойдом и Инглендом (1959 г.), а, также, Йодером и Тилли (1963 г.) и продолжены в 1964-1967 годах А. Рингвудом и Т. Грином и в 1968-1970 годах Ито и Кеннеди.

   В результате этих исследований удалось выяснить, что при температуре 1100° С для каждого вида базальтов существуют три основных поля устойчивости минералов, примерно соответствующих ассоциациям минералов, наблюдаемым в природе (рис 8.1).

   При низких давлениях до 10 кбар — это ассоциация габбро или пироксенового гранулита. Она характеризуется присутствием пироксена (ортопиросены — (Mg,Fe)SiO3, и клинопироксены — (Ca,Mg,Fe)SiO3), плагиоклаза (альбит (NaAlSi3O8) — анортит (СаAl2Si2O8)) и, в зависимости от химического состава, в нем могут присутствовать оливин ((Mg,Fe)2SiO4) и шпинель (MgAl2O4). Гранат ((Ca,Fe,Mg,Mn)32+(Al,Fe,Cr)23+(SiO4)3) при низких давлениях отсутствует.

81

Рис. 8.1. Поля устойчивости минералов при различных давлениях.

     По мере увеличения давления в какой-то момент (10-15 кбар кбар), различный для каждого из базальтовых составов, в минеральной ассоциации начинает появляться гранат. При последующем увеличении давления его доля растет, а, соответственно, доля плагиоклаза уменьшается. Таким образом, при средних давлениях гранат, пироксен и плагиоклаз могут сосуществовать вместе. Это называется полем гранатового гранулита. Пироксены в поле гранатового гранулита богаты Аl2O3 в форме Mg- и Са-молекул Чермака.

   При дальнейшем повышении давления, эти компоненты выделяются и кристаллизуются в виде граната, Что приводит к росту соотношения гранат/пироксен. Содержание анортита (СаAl2Si2O8) уменьшается, в результате чего плагиоклаз становится более натровым (альбит — NaAlSi3O8).

   Напомню, что плагиоклазы это группа минералов ряда альбит (NаAlSi3O8) — анортит (СаAl2Si2O8). Состав плагиоклазов обозначают номерами, которые выражают процентное содержание в плагиоклазе анортитовой компоненты. C увеличением анортитовой составляющей в плагиоклазах убывает содержание кремнезема, в связи, с чем плагиоклазы от № 0 до № 30 называются кислыми (альбит, олигоклаз), № 30-50 — средними (андезин) и № 50-100 — основными (лабрадор, битовнит, анортит). Плотность плагиоклаза закономерно увеличивается от чистого альбита (2620 кг/м3) к чистому анортиту (2760 кг/м3).
При давлениях  более 10 — 15 кбар распадается и натровый плагиоклаз (альбит) с образованием жадеита (NaAlSi2O6), который входит в твердый раствор, формируя омфацитовый пироксен ((Са, Na,) (Mg, Fe2+Fe3+, AI) (Si2O6) ). В зависимости от насыщения породы кремнеземом может появиться свободный кварц (SiO2). Дальнейшее увеличение отношения гранат/пироксен происходит, когда содержание компонента Чермака в пироксене понижается. Эти превращения означают начало эклогитовой минеральной ассоциации, характеризующейся сосуществованием пиропа  (Mg3Al2(SiO4)3), омфацитового пироксена, с возможным наличием кварца.

   Таким образом, в базальтовых составах при увеличении давления переход от габбро или пироксенового гранулита к эклогиту осуществляется через промежуточную минеральную ассоциацию, характеризующуюся сосуществованием граната, пироксена и плагиоклаза. Поле ее устойчивости при температуре 1100° С составляет от 10 до 15 кбар, причем, довольно умеренные изменения химического состава вызывают большие изменения давлений и смещение их интервала перехода габбро – эклогит. Так для, представляющих при решении проблемы происхождения Луны особый интерес, лунных пород, доставленных «Аполлоном-11, эта величина немного меньше — 10 — 12 кбар. При современной силе тяжести это соответствует давлению на глубинах от 34 до 40 км.

   Следует особо отметить, что при уменьшении температуры на 100 градусов интервалы давлений для переходов габбро — эклогит уменьшаются, примерно 2-2,5 кбар. Это значит, что, чем выше располагается слой пород земной коры, а, соответственно, меньше температура этого слоя, тем сильнее смещается интервал давлений, при которых происходит переход  габбро – эклогит в сторону его уменьшения. Так на глубинах в 20 км, с учетом температурного градиента в 33 метра на один градус, температура составляет порядка 600 градусов. Это значит, что граница перехода габбро – эклогит очень сильно смещается в сторону уменьшения и составляет всего несколько килобар. Правда, скорость протекания геохимических реакций при таких температурах очень мала, даже с учетом того, что время их протекания достигало десятков миллионов лет.  Поэтому основные геохимические превращения происходили на глубинах более 20 км.

   По мере раскрутки Земли и уменьшения силы тяжести, давление на глубинах 20-70 км медленно уменьшалось, переходя границу стабильности граната, в результате чего он начинал распадаться, а содержание плагиоклаза увеличивалось до тех пор, пока гранат полностью не исчезал. Это была одна из целого ряда геохимических реакций, приводивших при уменьшении силы тяжести к увеличению содержания плагиоклаза в нижних слоях континентальной коры. При увеличении силы тяжести направление протекания этих реакций менялось на противоположное, в результате чего содержание плагиоклаза уменьшалось, вплоть, до его полного исчезновения.
Кратко остановимся на некоторых из этих реакций:

   1. Реакция анортита (СаAl2Si2O8) с энстатитом (MgSiO3) с образованием диопсида (CaMgSi2O6), глиноземистого энстатита ((MgSiO3) х (MgAl2SiO6)) и кварца (SiO2)

   2. Реакция анортита (СаAl2Si2O8) с диопсидом (CaMgSi2O6) с образованием глиноземистого диопсида ((CaMgSi2O6) х (СаAl2SiO6)) и кварца (SiO2)

   3. Реакция анортита (СаAl2Si2O8) с оливином (Mg2SiO4) с образованием глиноземистого энстатита ((MgSiO3)х(MgAl2SiO6)) и глиноземистого диопсида ((CaMgSi2O6) х (СаAl2SiO6))

   4. Реакция анортита (СаAl2Si2O8) с оливином (Mg2SiO4) с образованием диопсида (CaMgSi2O6), энстатита (MgSiO3) и шпинели (MgAl2O4)

   В двух последних реакциях плагиоклаз (анортит) и оливин стабильно сосуществуют при малых давлениях, но оба постепенно исчезают при увеличении давления.

   При дальнейшем увеличении давления происходит замещение кальциевого плагиоклаза гранатом:

   5. Реакция анортита (СаAl2Si2O8) с энстатитом (MgSiO3) с образованием пиропового граната (Mg3Al2(SiO4)3), диопсида (CaMgSi2O6), энстатита (MgSiO3) и кварца (SiO2)

   6. Реакция анортита (СаAl2Si2O8) с энстатитом (MgSiO3) и шпинелью (MgAl2O4) с образованием граната (Са0,5Mg2,5Al2(SiO4)3)

   При еще большем увеличении давления, исчезает и натриевый плагиоклаз, который, также, замещается на гранат:

   7. Реакция альбита (NаAlSi3O8) с энстатитом (MgSiO3) и шпинелью (MgAl2O4) с образованием жадеита (NaAlSi2O6) и граната (Mg3Al2(SiO4)3)

   8. Реакция альбита (NаAlSi3O8) с диопсидом (CaMgSi2O6) с образованием омфацита (CaMgSi2O6 х NаAlSi2O6) и кварца (SiO2)

   Таким образом, после окончания очередного цикла отгибания земной коры, сила тяжести увеличивалась и геохимические реакции на глубинах в 20-70 км шли в направлении уменьшения содержания плагиоклаза. Он сначала замещался на диопсид, энстатит и шпинель, а потом и на гранат, пока полностью не исчезал. Именно в этом и состоит основная причина отсутствия в настоящее время на глубинах, с которых ведут свою родословную лунные породы, анортозитового слоя земной коры. В период же отгибания земной коры, когда на Земле сила тяжести и давление на глубинах в 20-70 км были в десятки раз меньше, чем сейчас, анортозитовый слой земной коры, просто, обязан был существовать!


<< НАЗАД
ВПЕРЕД >>

2 комментария: 8.2. Геохимические реакции в горных породах при изменении давления.

  1. Вячеслав говорит:

    Цитата

    При низких давлениях до 10-15 кбар — это ассоциация … Гранат ((Ca,Fe,Mg,Mn)32+(Al,Fe,Cr)23+(SiO4)3) при низких давлениях отсутствует.
    По мере увеличения давления в какой-то момент (2-12,5 кбар), различный для каждого из базальтовых составов, в минеральной ассоциации начинает появляться гранат…

    И далее текст не соответствует Рис. 8.1 и началу цитаты. Я не понял что это за шкала. 10-15 кбар — это низкое давление. При увеличении давления я естественно ожидаю увидеть цифры более 15 кбар, но неожиданно вижу значения (2-12,5 кбар) ? На Рис. 8.1 я вижу поле гранатового гранулита 12-30 кбар, а в тексте поле гранатового гранулита 2-12,5 кбар при 1100 град С? Или Рис. 8.1 приведён для другой температуры? В общем долго я читал, но так и не понял. Вы как-то приведите в соответствие текст как между началом и концом, так и с рисунком

    • jhooty говорит:

      Спасибо за замечание, Вячеслав.
      Отредактировал главу — расписав откуда появились цифры в 2-12,5 кбар.
      Вы, видимо, не обратили внимание на то, что «при уменьшении температуры на 100 градусов интервалы давлений для переходов габбро — эклогит уменьшаются, примерно 2-2,5″.
      Поскольку от Земли отрывался в основном слой земной коры расположенный на глубине 20-70 км, то нас интересуют, в первую очередь процессы происходившие на этих глубинах. И, если на глубине в 70 км температура значительно превышает 1100 градусов, то на глубинах в 20-30 км она значительно меньше тех 1100 градусов, для которых на рисунке 8.1 показаны интервалы перехода габбро — эклогит. Соответственно, для этих глубин граница этого перехода снижается до нескольких кбар. К сожалению, я сразу не расписал это подробно, отсюда и возникла путаница…

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Можно использовать следующие HTML-теги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>