Значение флюидной фазы

Геологические данные, результаты экспериментов и теоретиче­ский анализ показывают, что метаморфические процессы протека­ют с участием воды, углекислоты или смеси Н₂О + СО₂, к которым могут добавляться другие летучие компоненты. Критическая точка воды имеет температуру 374 °С и давление 22 М Па, для углекисло­ты соответствующие параметры равны 31 "С и 7.4 МПа. Следова­тельно, при Р-T условиях, характерных для образования большей части метаморфических пород, Н₂О и СО₂ находятся в надкритиче­ском состоянии. По плотности и другим физическим свойствам надкритическая водная и углекислая фазы близки к жидкостям. Надкритические «жидкоообразные» фазы, состоящие из Н₂О, СО₂

_____ Часть IV. Петрография и петрология метаморфических горных пород_____

и других летучих компонентов, обычно называют флюидом, или флюидной фазой (англ. fluid— жидкость).

При метаморфизме водные и углекислые флюиды играют дво­якую роль. Во-первых, они служат средой, в которой возможен от­носительно быстрый массоперенос компонентов, принимающих участие в химических реакциях между твердыми фазами, а также способствуют перекристаллизации и пластическим деформациям. Другими словами, флюидные фазы выступают как кинетический фактор, ускоряющий развитие метаморфических процессов. Во-вторых, вода и углекислота сами принимают участие в реакциях гидратации-дегидратации и карбонатизации-декарбонатизации. Парциальное давление (летучесть) Н₂О и СО₂ является важным термодинамическим фактором, определяющим направление и тем­пературу реакций.

Очевидно, что количество воды в земной коре с глубиной умень­шается. Если неконсолидированный свежий осадок на дне моря или озера примерно наполовину состоит из воды, то в процессе уплотнения объемная доля воды снижается до 30%, а в ходе диаге­неза становится еще меньше. Глинистые породы содержат, напри­мер, около 5 мас.% Н₂О. Если такие породы нагреть до 700—800 °С, то из них будет удалена не только почти вся межзерновая влага, но и та вода, которая первоначально была заключена в глинистых минералах. Следовательно, метаморфизм, связанный с нагревани­ем горных пород, сопровождается их дегидратацией. Рост давления приводит к выжиманию поровой влаги, а при достижении опреде­ленного предела и к разложению гидроксилсодержащих минералов.

На малых глубинах горные породы имеют достаточно высокую прочность для того, чтобы стенки каналов, по которым циркулиру­ют подземные воды, оставались жесткими и выдерживали лито-статическое давление (P_лит). Вода в связной системе межзерновых и трещинных каналов находится под гидростатическим давлением (P_гидр)- Поскольку плотность воды меньше плотности твердого кар­каса пород, то Р_гидр< Р_лит. Эффективное всестороннее давление, которое испытывает каркас, равно Р _лит - Р_гидр

По мере роста давления и температуры с глубиной открытая пористость и проницаемость пород уменьшаются, что затрудняет свободную циркуляцию водного флюида. Связность каналов нару­шается, и в стационарных условиях вода не может свободно пере­мещаться, так что давление на флюидную фазу (Р_фл) становится равным литостатическому (Р_фл = Р_лит).

1. Факторы и типы метамор&ишп

Если на той или иной глубине в результате дегидратации мине­ралов появляется некоторое дополнительное количество воды, то на локальных участках ее давление может превысить литостат'ичес-кое. Однако это превышение ограничено по абсолютной величине прочностью пород (30-100 МПа) и не может сохраняться длитель­ное время. При Р_фл > Р_лит флюидная фаза раздвигает минеральные зерна, прокладывая себе путь в направлении, противоположном градиенту давления (явление гидроразрыва), что приводит либо к быстрому удалению флюида, либо к восстановлению равновесия

Р_фл = Р_лит

Следует подчеркнуть, что физическое состояние воды в горных породах, испытывающих метаморфизм при высоких температуре и давлении, во многом остается неясным. Высказаны обоснованные сомнения в том, что при таких условиях может существовать меж­зерновая влага, сохраняющая обычные свойства. Более вероятно, что вода образует очень тонкие, возможно, мономолекулярные пленки, которые удерживаются на поверхности кристаллов и не могут свободно перемещаться. Поданным Дж.Бреди (1983 г.),тол­щина таких пленок не превышает 0,5 нм (1 нанометр = 10⁹м); в то же время фильтрация воды возможна лишь вдоль каналов шириной более 1 нм. Хотя тонкие пленки жидкости остаются неподвижны­ми, они играют важную роль в переносе вещества путем диффузии вдоль границ зерен. Скорость этого процесса на несколько поряд­ков выше, чем скорость диффузии сквозь кристаллическую решет­ку минералов. Не исключено, что молекулы воды или гидроксил-ионы вообще не образуют обособленной фазы, а концентрируются в приповерхностных слоях кристаллической решетки минералов, разрыхляя ее и увеличивая тем самым скорость диффузии вдоль границ зерен, а также способствуя перемещению самих этих границ в процессе перекристаллизации.

При расчете минеральных равновесий термодинамическим ме­тодом кинетические факторы и физическое состояние воды не учи­тываются, и влияние водного флюида оценивают через парциаль­ное давление (Р_{н2 о}) или летучесть воды (а_н20). При условии Р_н20 = = Р_лит, т.е. при равном давлении на флюид и твердые фазы, кривые дегидратации имеют положительный наклон в Р- Т координатах (рис. 1.2). Чем выше давление, тем выше и температура, при кото­рой происходит разложение гидроксилсодержащих минералов, причем градиент dT/dP достигает максимальной величины. Если же Р_н2о< Р_лит, то кривые дегидратации приобретают более крутой на-

IV. ПгтрогпаФия и петрология метаморфических горных пород

Рис. 1.2. Зависимость температуры дегидрата­ции минералов от давле­ния при разных соотно­шениях Р_лит и Р_н20

клон, и по мере увеличения разности Р_лит - Р_но градиент dT/dP уменьшается. В пределе, когда Р_{н2 0} равно нулю, кривая дегидрата­ции имеет отрицательный наклон (чем выше литостатическое дав­ление, тем ниже температура дегидратации). Такие же соотношения характерны для реакции декарбонатизации при Р_со2 = Р_лит

и Р_со2 < Р_лит

Возникает вопрос, какая из этих моделей соответствует услови­ям протекания метаморфических реакций в природе. Это зависит от физической возможности удаления флюидной фазы из того ме­ста, где происходит реакция. Если Н₂О или СО₂ сразу же удаляют­ся из зоны метаморфизма, то Р_{н2 0 (С02)} < Р_лит (в пределе Р_н20(С02) = 0); при сохранении флюидной фазы выполняется усло­вие: Р_н20(С02), = Р_лит. На малых глубинах, где имеется возможность свободной фильтрации флюида, более вероятен первый вариант, а на большей глубине, где перемещение воды затруднено, возможен второй вариант.

В тех случаях, когда флюидная фаза представляет собой смесь Н₂О и СО₂, парциальное давление каждого из компонентов оказы­вается меньше Р_фл (Р_фл=Р_Н20 + Р_со2), и даже при равенстве флюид­ного и литостатического давления Р_н20 < Р_лит и Р_со2 < Р_лит. Поэто­му кривые дегидратации и декарбонатизации занимают промежуточное положение между крайними кривыми при Х_{н2 о}

1. Факторы и типы метаморфизма

(со₂) ⁼0 и X_H2O(СО2) ⁼ 1, где X—мольная доля Н₂О или СО₂ в смеси (см. рис. 1.2). Изучение газово-жидких включений в метаморфиче­ских породах показало, что при низких ступенях метаморфизма во флюидной фазе преобладает Н₂О, а по мере роста давления и тем­пературы увеличивается доля СО.,.

Следует учитывать, что при высоких температурах и давлениях вода и особенно углекислота отклоняются от идеального состояния PV= RT(pиc. 1.3). Поэтому при термодинамических расчетах сле­дует использовать значения летучестей (фугитивностей): f = γР, где γ— коэффициент летучести (фугитивности).

Если количество флюида велико, то его состав определяет (буф-ферирует) и состав соприкасающихся с ним твердых фаз. В том случае, когда количество флюида мало, наоборот, его состав зави­сит от состава преобладающих по объему твердых фаз. На малых глу­бинах и при низких температурах возможны соотношения первого типа; с ростом давления и температуры главную роль начинают иг­рать соотношения второго типа, а преобразования горных пород при избытке флюидной фазы ограничены лишь локальными зонами повышенной проницаемости, которые служат путями фильтрации флюида.

При наличии большого количества флюида, не равновесного по отношению к породе, сквозь которую он фильтруется, происходит растворение ранее существовавших минералов и отложение на их месте новых минеральных фаз, что приводит к изменению валово­го химического состава породы. Такое вторичное преобразование

Рис. 1.3. Летучесть (f) Н₂О и СО₂ при Т- 600 "С и раз­ных давлениях (Р) Линия γ= 1 отвечает идеаль­ному состоянию газа, поФилпоттсу [1990]

Часть ГУ. Петрография и петрология метаморфических горных пород___

твердых горных пород называют метасоматизмом (метасомато­зом). Метаморфизм, протекающий на относительно небольшой глубине и при относительно низкой температуре, может сопровож­даться метасоматическим замещением одних минералов другими, и как следствие этого, изменением валового химического состава породы. Такой метаморфизм называют аллохимическим. В отличие от собственно метасоматических процессов, аллохимический мета­морфизм не приводит к формированию ясной зональности отложе­ния, характерной для околорудных метасоматитов (см. часть V). Это связано с тем, что метаморфогенные флюиды образуются в ре­зультате реакций дегидратации и вовлечения в конвективную цир­куляцию захороненных морских вод. В том и другом случаях флю­идной фазой обогащаются большие объемы пород, а фильтрация флюида носит рассеянный характер.

Более глубинный и высокотемпературный метаморфизм, как правило, носит изохимический характер. Нелетучие компоненты лишь перераспределяются между первичными и новообразован­ными минералами, а изменения валового химического состава исходной породы не происходит за исключением содержаний Н₂О и СО₂, которые возрастают вследствие гидратации или карбона-тизации или уменьшаются при дегидратации и декарбонатиза-ции.

1. 1.4. Деформации как фактор метаморфизма

Типы метаморфизма

В зависимости от преобладания того или иного геологического фактора выделяют несколько типов метаморфизма.

Тип Метаморфизм погружения

Метаморфизм нагревания Метаморфизм гидратации

Дислокационный метаморфизм Ударный метаморфизм

Фактор

Увеличение давления, циркуляция водных растворов Рост температуры Взаимодействие горных пород с водными растворами Тектонические деформации

Падение крупных метеоритов, мощные эндогенные взрывы (?)