Петромагнетизм континентальной литосферы и природа региональных магнитных аномалий (стр. 3 из 12)
Простая схема образования магнитных минералов в случае системы Fe-Ti-O, резко усложняется с добавлением кремния. Тогда помимо "стандартных" термодинамических соображений значительную роль начинает играть прочность связей (более прочная ковалентная у силикатов по сравнению с ионной у Fe-Ti окислов) и зависящая от них растворимость. Коэффициент разделения железа максимален при переходе из твердой фазы во флюид и из флюида в расплав и более чем в 10 раз меньше в обратном направлении [Кадик и др.,1990]. Следовательно, главное обогащение железом происходит в расплаве и главный перенос - расплавом и в меньшей мере - флюидом. Отсюда наиболее благоприятно образование магнитных минералов, при прочих равных условиях, из расплава [Кадик и др.,1990; Маракушев, Безмен,1983; Печерский и др.,1975; Mueller and Saxena, 1971]. Железо легко переходит во флюид с низкой pH, который его и переносит. Только обогащенные железом флюиды являются потенциальными источниками повышенной кристаллизации магнитных минералов. Для этого достаточно попасть такому флюиду в относительно окислительные условия с pH>7, что подтверждено экспериментально [Гантимуров,1982; Кадик и др.,1990; Коржинский,1967; Летников и др.,1977 и др.].
При высоких давлениях наблюдалась кристаллизация высокотитанистых феррошпинелей в P-T условиях "силикатной" зоны. Так, при давлении 55 кбар обнаружены выделения титаномагнетита в кимберлите [Girnis et al.,1995]. Его образование связывается с наличием воды в системе и повышенной летучестью кислорода. В смесях перидотита и базальтов с ильменитом и металлическим железом в интервале давлений 15-50 кбар кристаллизовалась высокотитанистая феррошпинель из расплава и замещала реликты ильменита [Геншафт и др.,2000]. В проведенных опытах происходило смешение силикатного и карбонатного (кальцитового) расплавов. Состав шпинели отвечает твердому раствору ульвошпинели и магнезиоферрита (или хлорошпинели). Такая шпинель не является ферримагнетиком, но она может быть источником вторичных ферримагнетиков, образующихся за ее счет в более низкотемпературных и более окислительных условиях. Реальность природных процессов и условий появления подобной высокотитанистой феррошпинели в верхней мантии подтверждается существованием в мантийных условиях силикатных расплавов, обогащенных железом и титаном, подобных по составу изученным в экспереминетах [Гирнис,1998; Грачев,2000; Bell et al., 1998; Gibson et al.,2000; Green and Wallace,1988; Hauri et al.,1993; Schiano et al.,1994 и др.].
Для оценки влияния вторичных изменений на петромагнитную информацию проделана серия опытов по термообработке образцов естественных и искусственных пород в "сухих" и "флюидных" условиях [Печерский и др.,1989]. Выполнены три серии экспериментов:
Влияние давления.
Образцы океанических базальтов выдерживались под давлением 1,5 или 7 кбар при 1000oС от 0,5 до 24 час в запаянных ампулах. Летучесть кислорода, судя по геотермобарометру Линдсл [Spencer and Lindsley,1981], выше буфера Ni-NiO. В ходе термообработки происходит гетерофазное окисление титаномагнетита с образованием ламеллей ильменита и между ними ячеек низкотитанового титаномагнетита. По мере роста давления и/или времени термообработки титаномагнетит в ячейках становится все менее титанистым вплоть до появления магнетита. Кроме того, часть железа уходит за пределы зерен титаномагнетита, что выражается в росте среднего состава зерен от x =0,615 до x =0,65-0,695 и уменьшении общей концентрации титаномагнетита на 20-25% (судя по величинам Js и Tc ). Давление и время усиливают эффект изменения зерен титаномагнетита и выноса из них железа. С ростом давления заметно повышается магнитная жесткость (растут Jrs/Js от 0,04-0,08 до 0,15-0,21 и Hcr от 5-10 до 20-25 мТ), что связано с ростом напряженного состояния зерен титаномагнетита из-за увеличения их дефектности.
Роль диффузии в процессе изменения титаномагнетита.
Использовалась смесь синтезированного титаномагнетита и природного чистого оливина. Термообработка проб велась при 800o, 1000o и 1150oС в вакууме. На этом примере достаточно простой системы прослеживается процесс переработки зерен титаномагнетита без участия флюида. В ходе термообработки смесей состав титаномагнетита меняется от x =0,1-0,4 до x =0,66-0,9 и появляются зерна ильменита. На контактах крупных зерен оливина и титаномагнетита идет диффузионной вынос железа из титаномагнетита в оливин и привнос магния из оливина в титаномагнетит, что выражается в росте содержания MgO до 8% и TiO 2 до 30% в зернах титаномагнетита и относительном росте содержания железа на 2-27% и спаде MgO на 5-7% в зернах оливина. Привнос железа в оливин не приводит к образованию в нем магнитных минералов.
Влияние на состав и концентрацию магнитных минералов летучести кислорода и состава флюида.
Для опытов подобраны три типа образцов таким образом, чтобы наблюдать появление в ходе термообработки новообразованных магнитных минералов за счет диффузии (крупные кристаллы пироксена), переноса вещества флюидом (образец немагнитного пористого пироксенового габбро) и преобразования исходных магнитных минералов (образцы феррогаббро, содержащие до 40% распавшегося титаномагнетита и магнетита). Состав флюида и летучесть кислорода регулировались продуванием печи газовыми смесями разного состава (рис. 3). Температура опытов 800o и 950oС.
При термообработке кристалла пироксена независимо от газовой среды, ее fO2 и pH, в течение 200 часов концентрация ( Js ), состав ( Tc ) и структурное состояние ( Jrs/Js ) магнитных минералов не меняется. В образец немагнитного пористого габбро легко проникает газ и в процессе термообработки из него "вымывается" часть железа, что ведет к заметному уменьшению Js (рис. 3а).
Подобный результат получен при экспериментальном изучении биметасоматических процессов в системе немагнитный гранодиорит-известняк/доломит [Зарайский и др.,1986]. Во всех вариантах опытов при широких вариациях температуры (400-900oС), давления (0,7-5 кбар), состава флюида, его pH (1-13) и fO2 магнетит и другие магнитные минералы in situ не образуются, а лишь за пределами гранодиорита, где резко возрастает pH. В данных опытах средний коэффициент диффузии при 600oС и 0,1 кбар равен 3,2
10-4 см2 /сек, что примерно в 1014 раз быстрее, чем диффузия железа в титаномагнетите при его гетерофазном окислении [Печерский и др.,1975; Petersen,1970]. В случае образцов высокомагнитных феррогаббро в "сухих" относительно восстановительных условиях (СО2 +СО) (рис. 3б, опыты 1, 2 и 4) сначала происходит гомогенизация исходного распавшегося титаномагнетита, постепенно растворяются ламелли ильменита, Js падает. После 12 часов титаномагнетит близок к гомогенному. После 90 часов идет дальнейшее восстановление - появляется высокотитановый титаномагнетит с Tc =100oС и металлическое железо в виде включений размером менее 1 мкм в зернах титаномагнетита, что зафиксировано и микрозондом, и по Tc =760-770oС, и по росту Js (рис. 3б). При термообработке в СО2 ("сухие" окислительные условия выше буфера Ni-NiO) вновь происходит гетерофазное окисление титаномагнетита, соответственно, растет Js (рис. 3б) и появляется фаза с Tc 
560oС. Увеличение времени термообработки в СО2 ведет к спаду Js, что в большой степени связано с частичным выносом железа за пределы зерен титаномагнетита.
Во "влажных" условиях резко усиливается процесс уничтожения титаномагнетита (рис. 3б). Идет не только диффузионный вынос железа, но и интенсивное разъедание зерен титаномагнетита, в котором заметное участие принимают силикаты. При этом их средний состав по данным микрозондирования близок исходному. Вынесенное железо "оседает" в пределах разъеденных зерен. Добавление в пары воды 3%NH4 OH создает восстановительные для титаномагнетита условия и ведет к появлению металлического железа, соответственно резко возрастает Js (рис. 3б). При этом металлическое железо в виде мелких зерен и дендритов находится в пределах контуров крупных зерен титаномагнетита и магнетита, т.е. железо в подавляющей своей массе перемещается незначительно.
Обобщение результатов опытов
1) При высокой температуре как в "сухих" условиях, так и при участии водяного пара новообразование магнитных минералов из породообразующих силикатов не происходит. Новые магнитные минералы образуются при перекристаллизации in situ других Fe-Ti рудных минералов в соответствии с новыми T-fO2 условиями. 2) При высокой температуре как в "сухих" условиях, так и при участии водяного пара разрушение магнетита и титаномагнетита происходит двумя путями: а) диффузионный вынос железа за пределы зерен; б) разъедание зерен флюидом. Ни в одном варианте опытов суммарная концентрация магнитных минералов в образце не возрастала, исходные немагнитные материалы оставались немагнитными. 3) Процесс разъедания и уничтожения титаномагнетита и магнетита в больших пределах не зависит от летучести кислорода. 4) При разрушении титаномагнетита и магнетита основная масса железа практически остается в пределах зерен. Связанное в силикатах железо малоподвижно и не поддается воздействию флюида. 5) Высокое давление принципиально не меняет процесса разрушения титаномагнетита и магнетита, а лишь ускоряет его. 6) Опыты в "сухих" условиях в какой-то мере моделируют условия гранулитового метаморфизма, очень близкого изохимическому, идущему при очень слабом участии флюидов, и, соответственно, при инертном поведении большинства элементов, в том числе Fe [Лутц,1974; Перчук,1973; Яковлев, Марковский,1987; Mueller and Saxena,1977 и др.]. Следовательно, при гранулитовом метаморфизме не должно происходить существенного выделения железа из силикатов и новообразования за счет него магнитных минералов.