Метасоматизм, его проблемы и роль в геологической историии

В экспериментально воспроизведенных метасоматитах более ясно, чем в природных видны конкретные механизмы замещения, среди которых выделяются образование псевдоморфоз и выполнение свободного порового пространства. Псевдоморфозы образуются, прежде всего, за счет низкой миграционной способности алюминия (в меньшей степени кремния) первичных алюмосиликатов и доставке растворами к месту реакции более растворимых и мобильных компонентов, в первую очередь, щелочных металлов. Наиболее характерный пример - образование гомоосевых псевдоморфоз одних полевых шпатов по другим (альбитизация калишпата или противоположный процесс). При этом сохраняются контуры зерен, расположение трещин спайности, одновременность угасания. Процесс происходит в микромасштабе на границе первичного и замещающего минерала путем растворения и переотложения при участии тонких пленок флюида, а не за счет диффузии через кристаллическую решетку. Об этом говорит большая скорость процесса и отсутствие изотопного обмена между раствором и реликтовым зерном. Иногда мелкие зерна приобретают огранку. Ca, Mg и Fe обладают промежуточной миграционной способностью между Na, K, с одной стороны, и Al, Si - с другой. В некоторых зонах щелочного метасоматоза их низкая подвижность определяет образование гомоосевых псевдоморфоз щелочного амфибола по куммингтониту и эгирина по щелочному амфиболу. Эти замещения происходят резким фронтом с торцов зерен с опережением по спайности. По плагиоклазу более характерны полиминеральные псевдоморфозы: альбита, цоизита, серицита; серицита и карбоната; кварца, серицита, хлорита, пирита;. В отличие от альбитизации калиевого полевого шпата замещение плагиоклаза альбитом и другими минералами происходит отдельными блоками по всему зерну без образования общего фронта, продвигающегося от периферии к центру. Полиминеральные агрегатные псевдоморфозы хлорита, мусковита, титановых минералов и др. (кислые условия) или альбита, калиевого полевого шпата, щелочного амфибола, эгирина (щелочной метасоматоз) характерны по биотиту. Кристаллизация в свободном поровом пространстве больше свойственна несиликатным минералам: карбонатам, пириту, фторидам, но в агрессивных щелочных или кислотных растворах по этому механизму могут образовываться также нефелин, канкринит, слюды, альбит, эгирин, мусковит. При процессах биметасоматоза в порах кристаллизуются андрадитовый гранат и магнетит, в инфильтрационных колонках - кварц и магнетит.

Одной из общих особенностей экспериментальных (как и природных) метасоматических колонок является уменьшение числа минералов от передовых к тыловым зонам, т.е. по направлению к воздействующему раствору. В случае биметасоматической зональности уменьшение числа фаз происходит от обеих исходных реагирующих пород к контакту. Это указывает на последовательный переход компонентов из инертного во вполне подвижное состояние.

Понятия "инертное и вполне подвижное поведение компонентов" ввел Д.С.Коржинский. Он придал им термодинамический смысл, имея в виду не просто способность к более затрудненному или более легкому перемещению в пространстве, а принципиальное качественное различие в поведении. Независимыми параметрами для инертных компонентов являются их массы (экстенсивные параметры), а для вполне подвижных - их химические потенциалы (интенсивные параметры). "Переход из неравновесного состояния в равновесное сопровождается изменением зависимых параметров системы - химических потенциалов инертных компонентов и масс вполне подвижных".

Реакции на границах зон, где и происходит изменение числа инертных компонентов, сопровождаются резким изменением содержания (растворением, выносом) компонента, переходящего во вполне подвижное состояние. В передовых зонах, до такой границы содержание компонента монотонно и непрерывно меняется в минералах переменного состава и, как правило, в породе (инертное поведение). По другую сторону границы в тыловых зонах концентрации компонента выровнены в каждой из фаз (вполне подвижное поведение).

В случае вполне подвижного поведения компонента во всей колонке составы минералов по данному компоненту постоянны и одинаковы во всех зонах и задаются уровнем его концентрации в воздействующем растворе. Например, в опытах при 600оС с раствором 1m NaCl плагиоклаз во всех зонах отвечает олигоклазу Й 25-30, а в присутствии 1m CaCl2 замещается на протяжении всей колонки почти чистым анортитом. Содержание вполне подвижного компонента в породе (в отличие от содержания в отдельных фазах - минералах или флюиде) зависит от количественных отношений минералов, которые, в свою очередь, определяются соотношением содержаний инертных компонентов.

Увеличение содержания компонента в породе и его концентрации в воздействующем растворе способствует инертности. Скорость продвижения диффузионного фронта растворения однокомпонентного минерала находится в прямой зависимости от разности реального содержания и концентрации насыщения компонента в растворе и в обратной - от содержания в породе. Чем более подвижен компонент, тем выше скорость распространения фронта растворения. Последовательность расположения фронтов отражает ряд дифференциальной подвижности компонентов. Приведенное рассуждение наглядно и правильно отражает общую закономерность, хотя и является упрощенным. Оно относится к колонке растворения, сложенной однокомпонентными минералами. В общем случае имеют значение произведения растворимостей. Действительно, подвижность многих компонентов меняется в зависимости от анионного состава растворов. Сера повышает инертность Fe, фтор - Ca, углекислота - Ca, Mg, Fe в связи с отложением соответственно пирита, флюорита, карбонатов. При высокой щелочности наблюдается повышение подвижности Si и Al по сравнению с Mg и Fe. Подвижность Al возрастает с ростом температуры.

Инфильтрационный метасоматоз экспериментально изучен хуже, чем диффузионный. Однако некоторые закономерности установлены. Сопоставление строения диффузионных и инфильтрационных экспериментальных колонок, полученных в близких условиях, не обнаруживает между ними резких различий. Минеральный состав, последовательность зон и режим подвижности компонентов определяются физико-химическими условиями, а не способом массопереноса. Образующиеся в опытах инфильтрационные колонки обнаруживают даже меньшую степень размытости границ зон, чем диффузионные. Это объясняется более полным замещением зерен реликтовых минералов в условиях протока раствора.

Получило экспериментальное подтверждение предсказанное теорией "обогащение перемещенным инертным компонентом" средних и передовых зон инфильтрационных колонок в результате выноса из тыловых. В колонке щелочного натриевого метасоматоза магнетитового кварцита (рис. 6)

Рис. 6. Схема строения экспериментальной инфильтрационной колонки щелочного натриевого метасоматоза магнетитового кварцита.

Показано изменение количественного минерального и химического состава по зонам. Т = 500 0С, Р = 1.0 кбар, 0.5 m NaCl + 0.05 m NaHCO3, V = 1.5 см 3/ч, t = 48 ч. По Г.П.Зарайскому.

для кремнезема и железа устанавливаются вынос из тыловой эгирин-магнетитовой зоны и переотложение в передовых с некоторым превышением исходного содержания. Содержание SiO2 в передовой кварц-магнетитовой зоне превышает исходное на 4,2%, а железа в средней магнетит-рибекитовой - на 2,7%. По смещению области переотложения дальше по ходу фильтрации раствора видна в данном случае большая подвижность кремния по сравнению с железом. Сходный эффект при диффузии проявляется преимущественно в контактово-реакционных зонах при биметасоматозе. Он приводит к уже отмеченному выше зарастанию пористости и образованию очень плотных диопсидовых и волластонитовых зон, на уровне которых возникает даже кольцевое вздутие стенок ампул. Менее выражен этот эффект в тыловых зонах простого диффузионного метасоматоза. В этом случае он выражается в повышении содержания глинозема. Приуроченность переотложения к передовым зонам при инфильтрации и к тыловым - при диффузии объясняется противоположным направлением диффузионных и инфильтрационных потоков по отношению к последовательности зон колонки.

Определенная последовательность зон характеризует каждый тип метасоматического процесса. При постепенном изменении условий опытов до известных пределов тип зональной колонки сохраняется, а затем сменяется другим. Таким образом находят граничные значения интенсивных параметров, контролирующих образование различных типов метасоматитов.

Строение экспериментальных колонок хорошо отражает типовую зональность средне- и высокотемпературных метасоматитов кислотного выщелачивания: вторичных кварцитов, грейзенов, кварц-полевошпатовых метасоматитов. Обычное в природе возрастание роли кварца в тыловых зонах, вплоть до образования мономинеральной зоны, оказывается возможным только при насыщении исходного раствора кремнеземом, в противном случае кварц выносится, и тыловую зону слагают алюмосиликаты.

Для кислотного метасоматоза наглядно выступает ведущая роль состава воздействующего раствора по сравнению с температурой и давлением. Примером может служить изменение гранитоидов под действием хлоридных калийсодержащих растворов при 500оС и 1 кбар в зависимости от величины отношения mKCl / mHCl в растворе (рис. 7).

Рис. 7. Зависимость зонального строения экспериментальных колонок кислотного метасоматоза гранита от величины отношения mKCl / mHCl при Т = 5000С, Р = 1.0 кбар, t = 336 ч.

Кварц в избытке, растворы S С(KCl + HCl) = 0.1 m = const . По Г.П.Зарайскому.

При низких отношениях (mKCl / mHCl < 5), отвечающих высокой кислотности, возникают метасоматические колонки, соответствующие вторичным кварцитам; при величинах отношений > 40 - кварц-калишпатовым метасоматитам; при промежуточных значениях - грейзенам. С понижением температуры оба предела смещаются в более калиевую область (см. рис. 1). Строение колонок обнаруживает высокую чувствительность к небольшим изменениям состава раствора, особенно это касается парагенезисов промежуточных зон колонки. На рис. 7 выделяются два типа зональности грейзенов, появление которых связано с увеличением активности калия и соответствующим возрастанием роли биотита и калиевого полевого шпата в зонах. Введение в состав раствора натрия, наряду с калием, приводит к альбитизации плагиоклаза в передовых зонах и более раннему замещению биотита, чем плагиоклаза - т.е. к обычным отношениям, характерным для классической зональности грейзенов. Во фторидных растворах по сравнению с хлоридными все пределы сильно (на 3-4 порядка) сдвинуты в область низкокалиевых растворов. Это объясняется более слабой диссоциацией HF по сравнению с HCl и сильным комплексообразованием HF с Si и Al. Образование топазовых фаций грейзенов требует высоких концентраций HF, низких - калия и насыщения растворов глиноземом. Устойчивости топаза в ассоциации с полевыми шпатами в средних зонах колонки способствует также повышение температуры до 600оС. Минеральные парагенезисы средних и тыловых зон колонок кислотного выщелачивания зависят не только от отношения mKCl / mHCl но и от абсолютных значений этих концентраций, т.к. запись уравнений реакций здесь более сложна. От абсолютной величины концентраций зависит также мощность метасоматических зон. Так, в левой части высокая концентрация HCl вызывает разложение и исчезновение на большую глубину биотита, а в правой - высокая концентрация KCl приводит к интенсивной калишпатизации, вследствие чего вся диаграмма имеет U-образную форму.

Снижение температуры является определяющей причиной смены одна другой фаций вторичных кварцитов, образующихся в условиях наибольшей кислотности, когда из пород выносятся все основания и остается только Si-Al каркас. Около 400оС андалузитовая фация сменяется пирофиллитовой, а последняя около 300оС - каолинитовой (рис. 1).

Кроме рассмотренных средне- и высокотемпературных метасоматитов, достаточно подробно изучены граничные условия формирования таких распространенных типов как березиты, гумбеиты, аргиллизиты и кварц-серицитовые метасоматиты, которые определяются, помимо рассмотренных факторов, химическими потенциалами серы и углекислоты (в связи с образованием пирита и карбонатов). Для пропилитов, ряда менее распространенных кислотных метасоматитов, а также большинства щелочных моделировано образование главных видов зональности.

Принципиально наиболее важным результатом моделирования биметасоматоза является то, что доказана реальность самопроизвольной перегруппировки вещества на контакте карбонатной и алюмосиликатной породы с образованием именно той последовательности зон, которая характерна для скарнов. Неожиданно оказалось, однако, что для образования известковых скарнов необходимо участие близнейтральных, слабо кислых или слабо щелочных хлоридных растворов с растворенными солями типа NaCl, KCl, CaCl2, MgCl2. Специфика катионного состава принципиально не меняет сущности взаимодействия, хотя и влияет на особенности парагенезисов. В присутствии чистой воды и щелочных растворов, не содержащих хлора, не образуются типичные для известковых скарнов пироксен-гранатовые парагенезисы. Интенсивная мобилизация железа и магния из темноцветных минералов алюмосиликатной породы, диффузионный перенос и накопление в приконтактовой области происходят только при воздействии хлоридных растворов. Характерный пример экспериментальной колонки изображен на рис. 8.

Рис. 8. Закономерности изменения железистости клинопироксена и граната в эндо- и экзоконтактовых зонах экспериментальной колонки известковых скарнов.

Т = 6000С, Р = 1.0 кбар, 1.0 m NaCl, pH = 5.9 / 5.4, t = 671 ч. По Г.П.Зарайскому.

Как это типично для скарнов, контактово-реакционные зоны экспериментальных колонок имеют простой фазовый состав и сложены не более чем двумя минералами. Характерной их особенностью является переменность состава клинопироксенов, гранатов, плагиоклазов в пределах зон. В соответствии с направлением диффузионного потока основность плагиоклаза возрастает по направлению к источнику кальция - известняку.