21.03.2021

Восстановление исходного состава метаморфизованных карбонатных пород докембрия на основе петрохимических данных


Многие существующие методы петрохимического изучения метаморфических и сопоставляемых с ними осадочных пород основаны на гипотезе об изохимическом характере метаморфизма. Исходя из этого, рассчитывался вероятный исходный состав метаморфизованных карбонатных пород архейского и протерозойского возраста Алданского и восточной части Балтийского щитов. Оказалось, что исходными породами могли быть карбонатные и глинисто-карбонатные отложения, содержащие до 30% глинистого компонента и до 50% свободного кремнезема и в этом они вполне сопоставимы с фанерозойскими образованиями. Состав карбонатной части колеблется от кальцитового до доломитового, причем тенденции возрастания доломитовой составляющей с удревнением возраста пород не наблюдается. Было установлено, что даже в наиболее древних отложениях (иенгрская серия алданского комплекса, ранний архей) встречаются чисто кальцитовые разности пород.

Нанесение химических составов метаморфизованных карбонатных пород на диаграммы А.Н. Неелова и А.А. Предовского позволяет установить, что эти породы по составу близки к мергелям, карбонатным глинам, известнякам, доломитам, иногда доломитовым известнякам осадочного, либо смешанного — осадочного и вулканогенноосадочного происхождения.

При восстановлении исходного состава докембрийских карбонатных пород возникают значительные трудности из-за неполноты данных по химическому составу фанерозойских карбонатных и карбонатно-силикатных отложений, в связи с чем некоторые докембрийские породы, на первый взгляд, не имеют химических аналогов среди осадочных. Так, например, метаморфизованные карбонатные породы в пределах рассматриваемых регионов часто содержат прослои разной мощности и линзы, сложенные мономинеральной диопсидовой породой. Генезис подобных пород обычно не рассматривался как первично осадочный в связи с тем, что не были известны сколько-нибудь широко распространенные осадки подобного состава, т. е. преимущественно силикаты кальция и магния. Наибольшей популярностью пользуется предложенная Д.С. Коржинским гипотеза о развитии их метасоматическим путем по доломитам с привносом кремнезема и выносом углекислоты. Многие диопсид-флогопит-форстеритсодержащие кальцифиры также рассматриваются как «скарноиды».

В процессе обработки химических анализов кальцифиров, основных кристаллических сланцев, эклогитов из различных докембрийских регионов было установлено, что даже при учете максимально возможной потери углекислоты при метаморфизме в этих породах часто наблюдается избыток кальция и магния по отношению к углекислоте, поэтому остается предполагать в исходной породе присутствие кальция и магния не только в карбонатной, но и в силикатной форме. Наиболее наглядно этот эффект проявляется при пересчете диопсидовых пород. Петрологическое изучение этих пород не обнаружило признаков их метасоматической переработки. Появилось предположение о том, что эффект избытка кальция и магния может быть унаследован от первичных осадочных пород. Силикаты кальция и магния (такие как сепиолит, палыгорскит и др.) в осадочных породах являются достаточно редкими, однако, среди неметаморфизованных и слабо метаморфизованных осадочных пород удалось выявить достаточное распространение осадков с соотношением (Ca, Mg)О : CO2, намного превышающим таковые в карбонате, т. е. состоящих существенно из силикатов Ca и Mg. Подобные осадки обнаружены среди красноцветных глин Прикамья, в красноцветных отложениях татарского яруса, в глинистых сланцах сидеритоносных отложений Кокчетавского массива.

По-видимому, особенность состава осадочных пород, выявленная случайно в процессе изучения метаморфических пород, не является экзотической, а объясняется лишь слабой изученностью широко распространенных кальций-магнийсодержащих некарбонатных пород фанерозоя, наиболее близких химических аналогов кальцифиров, основных кристаллических сланцев, диопсидитов и эклогитов.

Путь подобного прямого сравнения химических составов метаморфических и осадочных пород, пересчеты первых на осадочные минералы правомочен только в том случае, если метаморфические превращения протекают изохимически. Результаты изучения химического состава пород в зонах нарастающего метаморфизма не дают однозначного решения вопроса об изохимическом, либо неизохимическом характере метаморфических реакций. Из прямого сопоставления средних химических составов метаморфических и осадочных пород выявляются два несоответствия: известно, что осадочные породы имеют состав, сильно меняющийся по стратиграфической горизонтали и вертикали. Состав метаморфических пород очень стабилен и чем выше уровень метаморфизма, тем состав стабильнее. Так, основные кристаллические сланцы, преобладающие среди пород Алданского щита, содержат постоянно около 50% SiO2; 15—18% Al2O3; 2% Na2O; 0,5% К2О. Известно, что в осадочных породах соотношение щелочей иное —около 0,5% Na2O и 2—4% K2O.

Назрела необходимость решения вопроса о ходе метаморфических превращений. Теоретически осадочные породы представляют собой разнообразные смеси химических соединений и при метаморфических превращениях подчиняются основным законам термодинамики. Они переходят в метаморфические породы, состоящие, как правило, из ограниченного числа минералов, составляющих ассоциации, зависящие от физико-химических условий метаморфизма. Известно, что любой химический процесс определяется изобарно-изотермическим потенциалом AZ. Через величины AZ реакций имеется возможность оценить вероятность химических превращений количественно через цифровые величины, выбрав из ограниченного числа возможных, наиболее энергетически выгодный вариант. Метаморфические реакции с этих позиций нами рассматриваются впервые.

Были проведены (совместно с О.М. Розеном) первые расчеты AZ реакций перехода трех типов осадочных пород — глинистого известняка, глины и боксита — в метаморфические породы фации зеленых сланцев. Расчеты велись в параметрах Робщ=1,2 и 3 кбар и 7 = 200°, 300°, 400°С. Оказалось, что изменение температур и давлений влияет на общие результаты лишь количественно, а не качественно, и о ходе процесса при различных сочетаниях параметров можно судить по данным расчета для любых из указанных параметров. При расчетах использовались термодинамические константы из работы И.К. Карпова, А.И. Киселева, Ф.А. Летникова. В связи с отсутствием величин мольных объемов для Na-монтмориллонита и К-иллита за меру приращения функции Zт по сравнению с Zстанд брались приращения таковых для К-монтмориллонита и мусковита.

Для каждой из разновидностей осадочных пород подсчитывались три варианта метаморфических реакций (табл. 44).
Восстановление исходного состава метаморфизованных карбонатных пород докембрия на основе петрохимических данных

Из сопоставления величины AZ реакций следует, что глинистый известняк и глины рассматриваемого состава метаморфизуются при заданных параметрах (Pобщ = 1 кбар, Т = 300°) изохимически, с потерей лишь H2O и CO2.

Ввиду ряда допущений, связанных с отсутствием некоторых термодинамических параметров для осадочных минералов, расчеты носят приближенный характер и позволяют выявить лишь основные тенденции процессов.

В дальнейшем нами предполагается провести физико-химическое моделирование для всех основных типов осадочных пород при переменных параметрах Т, Робщ, PСО2, PН2O и т. д.





Яндекс.Метрика