'); ?>

Глава II. СНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ИЗ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ ПРОЦЕССОВ МИНЕРАЛООБРАЗОВАНИЯ

2. Принцип дифференциальной подвижности компонентов

Принцип дифференциальной подвижности компонентов, установленный Д. С. Коржинским (19572), является необходимым звеном, позволяющим приложить законы термодинамики к процессам, происходящим в земной коре, в том числе и к метасоматозу. Не повторяя здесь строгое физико-химическое обоснование этого принципа, ограничимся лишь рассмотрением простых примеров, с помощью которых попытаемся пояснить как сущность принципа, так и вытекающие из него следствия.

Предположим, что на кварцевый песок с примесью корунда воздействуют растворы с температурой порядка 250° Сиг, различной концентрацией ионов калия. Так как корунд в низкотемпературной области не устойчив, то он будет замещаться в условиях низкой концентрации ионов калия каолинитом, умеренной — серицитом и высокой — ортоклазом. Соответственно реакции замещения будут выглядеть следующим образом:

А1203 + 2SiOa + 2НгО = Al2Si205(0H)4;

корунд кнарц каолинит

ЗА1203 + 6Si02 + 2К+ + ЗН20 = 2KAl3Si3O10(OH)2 + 2Н+;

серицит

А1203 + 6SiO, + 2К+ + Н20 = 2KAlSi30$ + 2Н+.

ортоклаз

В результате реакций вместо ассоциации кварца с корундом возникнут в первом случае парагенезис кварца с каолинитом, во втором — кварца с серицитом и в третьем — кварца с ортоклазом. Попытаемся ответить на два вопроса: чем определяются масса конечного продукта реакции и качественный состав конечного продукта? Как нетрудно видеть, количество каолинита, серицита и ортоклаза целиком определяется количеством глинозема (корунда). Чем более высокой в песке будет примесь корунда, тем выше содержание конечного глиноземсодержащего минерала. Качественный же состав конечного продукта при заданной температуре и pH раствора будет определяться концентрацией (точнее активностью) калия в растворе.

В рассмотренных процессах минералообразования участвуют две группы компонентов: одни (в нашем случае глинозем и кремнезем) — назовем их инертными — как бы целиком остаются в породе и определяют массу конечного продукта, другие (в нашем случае калий) — назовем их вполне подвижными — привносятся и выносятся из породы растворами, а их концентрация (точнее активность) определяет качественный состав конечного продукта.

Можно привести и другие примеры. Например, в реакции Fe304 + 3S2 £± 3FS2 + 02 железо будет выступать в роли инертного компонента, определяя массу продукта, а сера и кислород в роли вполне подвижных компонентов, так как их активность будет определять качественный состав конечных продуктов. В реакции NaAlSi3Og + К+ KAlSi308 + Na+ глинозем и кремнезем являются инертными компонентами, а калий и натрий вполне подвижными.

Собственно положение о том, что в любом петрологическом процессе существуют две группы компонентов, характеризующихся различным поведением, и представляет собой принцип дифференциальной подвижности компонентов.

Приведенные примеры характеризуют наиболее простой случай, когда понятия вполне подвижные и инертные компоненты вполне сопоставимы с понятиями о низкой и высокой миграционной способности элементов. Однако характеристика, основанная на очевидном поведении компонентов: вполне подвижные легко переносятся растворами, инертные плохо переносятся или совсем не переносятся — оказывается правильной только в первом приближении. В действительности определяющим фактором является не миграционная способность, а термодинамическая характеристика поведения компонентов.

Для наглядности приведем следующий пример. Пусть восходящий раствор, ограниченного объема и содержащий ионы железа, проходит по трещине. Предположим, что трещина пересекает породы с резко различными восстановительными свойствами. В результате в одном случае железо выпадет из раствора в виде гематита, в другом — в виде пирита, в третьем — в виде пирротина. Количество минерала будет зависеть от концентрации железа в растворе и объема раствора, минеральный же вид будет определяться активностью кислорода и сульфидной серы. Легко заметить, что хотя железо является мигра-ционно способным, по термодинамическому режиму поведения его следует относить к инертным компонентам. Возможно на основе приведенных примеров более понятной окажется и более общая формулировка. В любом природном процессе компоненты, в нем участвующие, ведут себя качественно различным образом: для одних компонентов, называемых инертными, независимыми параметрами являются их массы или их содержание в системе; для других компонентов, называемых вполне подвижными, независимыми параметрами являются химические потенциалы или концентрации.

Таким образом, принцип дифференциальной подвижности устанавливает: природные системы относятся к особому типу термодинамических систем, получивших от Д. С. Коржинского название «систем с вполне подвижными компонентами».

Как видно из приведенных примеров, содержание минералов определяется содержанием инертных компонентов, а минеральный вид определяется величиной химических потенциалов (активной концентрацией) вполне подвижных компонентов, температурой и давлением. Важным следствием из принципа дифференциальной подвижности является также взаимосвязь между числом инертных компонентов и числом минералов. Не останавливаясь здесь на выводе этого положения, так как это заставило бы нас основательно углубиться в термодинамику, отметим лишь, что этот вывод представляет собой результат приложения правила фаз к природным системам. Для метасоматических систем число устойчивых минералов меньше или равно числу инертных компонентов плюс единица: ф ^ кин + 1, где ф — число минералов, кин — число инертных компонентов. Если все компоненты вполне подвижны, метасоматическая порода будет сложена только одним (так называемым вполне подвижным) минералом.

Рассмотрим подробнее пример образования кварц-мусковитовых грейзенов. Чем будет определяться количество кварца и мусковита в породе? Общее количество минералов будет зависеть от объема замещенной породы, количество же мусковита определяется содержанием глинозема в породе. Это можно видеть из того, что лишенные глинозема породы, например карбонатные (в том случае, когда нет привноса глипозема), замещаются не содержащими глинозем минералами, например кварцем или кварцем и флюоритом (Говоров, 1960; Григорьев, Доломанова, 1955). Наоборот, грейзены по глинистым сланцам будут содержать большое количество мусковита и даже более богатые глиноземом минералы, такие, как топаз, андалузит и т. д. Следовательно, количество мусковита в кварц-мусковитовом грейзене определяется содержанием глинозема, который и является инертным компонентом. Кварц, количество которого изменяется в зависимости от содержания мусковита, представляет «вполне подвижный минерал», выполняющий оставшийся объем. Согласно правилу фаз мы имеем ф = 2, так как кин = 1.

Наконец, калий является вполне подвижным компонентом; содержание его в породе определяется содержанием глинозема. Независимо от того, каковы были исходные породы — кварц-микроклиновые, кварц-альбитовые или глинисто-кремнистые, если они содержали одинаковое количество глинозема, то в результате метасоматического преобразования возникнут тождественные породы с равным количеством калия. При этом преобразование кварц-альби-товых и глинисто-кремнистых пород происходит с привносом калия, а преобразование кварц-микроклиновых, наоборот, с выносом калия.

Мы рассмотрели самые простейшие примеры, и хотя указанные особенности поведения компонентов представляют наиболее типичные случаи, они не исчерпывают всего многообразия встречающихся в природе случаев. Установление характера подвижности компонентов в ряде случаев не столь просто. С более сложными случаями можно ознакомиться на примерах анализа конкретных метасоматических формаций, ссылки на такие работы даны при характеристике различных типов метасоматических явлений.

Подчеркнем еще раз, что очень важно не путать подвижность с миграционной способностью. Действительно, вполне подвижные компоненты часто мигрируют легче, чем инертные. Однако инертные компоненты также мигрируют и иногда (например, при образовании магнезиальных скарнов) в значительных масштабах. Поэтому главное значение имеет термодинамическая

характеристика поведения компонента, и главный признак инертного компонента состоит в том, что с каждым из них связана отдельная фаза (минерал).