Моделирование происхождения вулканических серий

Методика моделирования

 

Применение геохимического моделирования для реконструкции условий происхождения вулканических серий кайнотипных вулканитов имеет в большей степени иллюстративный характер, в тоже время для древних метаморфизованных вулканитов изучение распределения малых элементов позволяет решать многие палеовулканологические проблемы.

Основной методической предпосылкой позволяющей использовать вариации редких элементов для реконструкции условий образования и эволюции древнейших вулканических серий, является изохимический характер метаморфизма, который подчеркивали еще П. Эскола, Ф. Тернер, Н.А. Елисеев. Многочисленные современные геохимические исследования зональных ореолов кианит-силлиманитового и андалузит-силлиманитового типов, подтвердили, что прогрессивный метаморфизм имеет изохимический характер и сопровождается только реакциями дегидратации и декарбонатизации.

Для конкретных вулканических серий изохимичность метаморфических изменений подтверждается использованием изохронной модели при изучении изотопных систем в этих вулканитах.

 

Моделирование происхождения вулканических серий

 

Моделирование процессов петрогенезиса вулканитов можно разделить на ряд последовательных этапов, которые включают следующие необходимые действия.

 

Этап 1. Выделение и обоснование тренда эволюции химического состава серии вулканитов. Это наиболее ответственный этап работы, когда на основании комплекса геологических, петрографических, химических и других данных необходимо сделать вывод о принадлежности отдельных образцов пород к одной, генетически связанной серии вулканитов происходящих из единого начального расплава. Отбраковать образцы, состав которых изменён наложенными процессами. Рассчитать уравнение линии тренда и конечные точки на этой линии.

Для расчета уравнений регрессии и конечных точек трендов необходимо использовать метод "главных сечений". Применение этого метода обусловлено спецификой поведения редких элементов в геологических процессах. Обычно, в геологической практике, статистическую линейную зависимость для совокупности точек рассчитывают методом "наименьших квадратов", однако его использование должно быть ограничено случаями с наличием функциональной зависимости между рассматриваемыми параметрами. Поскольку перераспределение одних редких элементов в геологических процессах не зависит от перераспределения других элементов, но зависит от условий течения этих процессов, применение метода "наименьших квадратов" не всегда позволяет получить воспроизводимые корректные результаты.

Метод "главных сечений" можно рассматривать как общий случай метода "наименьших квадратов" применяемый в тех случаях, когда отсутствует функциональная зависимость поведения одного элемента от поведения другого. Расчет уравнения регрессии методом "главных сечений" подразумевает нахождение линии демонстрирующей зависимость совместного изменения содержания двух редких элементов. Необходимо отметить, что при расчете регрессий для породообразующих компонентов используют уравнения описывающие нормальное распределение функции для случайной величины, тогда как при расчете регрессии для редких элементов необходимо использовать уравнения для логнормального распределения.

 

Этап 2. Определение типа процесса для эволюции химического состава вулканитов. На основании положения, направления и длины выделенного тренда, необходимо определить тип процесса ответственного за вариации состава пород в рассматриваемой серии. Определение типа процесса аналитическими методами не всегда возможно. В таком случае может оказать помощь набор геологических данных и знание физико-химических основ поведения магматических расплавов.

Особенности трендов и определение типа процесса формирующего вулканическую серию. При определении типа процесса ответственного за появление наблюдаемого тренда необходимо сделать выбор между процессами в ходе которых происходит смешение двух или более веществ (гибридизм и ассимиляция) и процессами при которых изменение состава обусловлено кристаллизацией или плавлением.

Тренды процессов смешения. Перераспределение породообразующих и редких элементов в процессах смешения зависит от объемной доли смешивающихся веществ и представляет собой, на диаграммах элемент - элемент, прямую линию, которая соединяет точки конечных членов смешения. Состав смеси может быть оценен по правилу рычага (рис. 11).

Тренды кристаллизации. Тренды кристаллизационного фракционирования в координатах редких элементов представляют собой обратнопропорциональную зависимость для равновесной кристаллизации и степенную в случае Релеевской, однако в области реальных природных значений тренды этих процессов не различаются. Пример изменения состава расплава при фракционировании кристаллов во время кристаллизации магматического расплава приведен на рисунке 12. Каждый отдельный вектор представляет собой линию, вдоль которой изменяется содержание редких элементов в расплаве при отделении от последнего определенных минералов. В случае, когда из расплава удаляется кумулат включающий несколько минералов, направление и длина тренда определяется сложением векторов. На рис. 13 изображен пример графического определения соотношений минералов в кумулате.

Для главных компонентов расплава тренд изменения их содержания проходит вдоль линии соединяющей состав расплава и состав осаждающегося минерала, от точки начального расплава в сторону противоположную от фракционирующих минералов (рис. 14). В случае полиминерального кумулата точка определяющая положение тренда на диаграмме (относительно фигуративной точки расплава) находится из многоугольника, где в вершинах располагаются минералы кумулата (рис. 15). При отсутствии сохранившихся порфировых вкрапленников, для построения модельных трендов необходимо использовать состав минералов из экспериментальных работ с породами близкого состава.

Тренды плавления. Плавление, в рамках изменения химического состава продуктов этого процесса и положения трендов на диаграммах элемент - элемент может быть описано в виде нескольких моделей.

1) В результате "равновесного плавления порцией" образуется единственная выплавка, которая служит начальным (недифференцированным) расплавом в дальнейшей химической эволюции магмы и, следовательно, наблюдаемый тренд изменения химического состава обусловлен кристаллизационным фракционированием.

2) Плавление "последовательными равновесными порциями" представляет собой процесс плавления единого субстрата с периодическим удалением получаемых выплавок. Таким образом, что рестит оставшийся после первой выплавки становится субстратом для последующей. Образующийся тренд плавления может быть сопоставим с трендами кристаллизационного фракционирования. Однако содержание породообразующих компонентов в расплаве не изменяется до тех пор, пока не произойдет качественного изменения минерального состава рестита (в отличие от случая кристаллизационного фракционирования, когда согласованно изменяется содержание породообразующих и редких элементов). Исчезновение одного из минералов рестита ведет к изменению термодинамических параметров плавления и скачкообразному изменению состава выплавки. В тоже время РЭ перераспределяются между выплавкой и реститом в зависимости от соотношений минералов в рестите, Kd и количества новообразованного расплава. Когда степень плавления и количество удаляемой выплавки остаются постоянными - содержание некогерентных РЭ в последовательных порциях расплава уменьшается, в отличие от трендов кристаллизации, когда содержание этих элементов - увеличивается. Таким образом, тренд образованный последовательными выплавками из одного субстрата представляет собой линию в координатах малых компонентов и ограниченное поле в координатах породообразующих окислов, тогда как при кристаллизационном фракционировании содержание главных и редких элементов изменяются согласованно. Определяющим критерием для разделения трендов кристаллизации и плавления является направление тренда, которое должно быть определено независимым геологическим или другим методом.

Возможны два дополнительных варианта последовательного плавления: а) "плавление нарастающей порцией" - когда степень плавления увеличивается от выплавки к выплавке, при этом увеличиваются различия в составе последующих порций расплава и соответственно увеличивается длина тренда. б) "плавление уменьшающейся порцией" - в таком случае тренд укорачивается в связи с уменьшением различий в составе последовательных выплавок.

3) "последовательное плавление со смешением" можно рассматривать как вариант появления вулканических серий при последовательном плавлении, когда объем последовательных выплавок, превышает объем расплава удаляемого на поверхность. Для этого процесса совмещены во времени последовательная сегрегация минимальных объемов выплавки и периодическое выведение части расплава на поверхность. Тренд образованный в ходе такого процесса практически не отличается от тренда "последовательных равновесных порций" уменьшаясь по длине в зависимости от объемных соотношений добавляющейся выплавки и удаляемого на поверхность расплава (рис. 16).

 

Этап 3. «Полуколичественное» моделирование эволюции химического состава для пород вулканической серии. Для определения набора минералов кумулата при кристаллизационном фракционировании удобно пользоваться графическим представлением теоретических трендов эволюции состава расплава в соответствующем магматическом процессе. Для этого строится диаграмма, которая иллюстрирует изменение концентрации редких элементов в остаточном расплаве (рис. 17). Основой при построении такой диаграммы служат модельные расчеты дифференциации для гипотетических минеральных ассоциаций (табл. 11). Сравнение направления и длины природного тренда с направлением и длиной теоретических трендов, позволяет полуколичественно определить минеральный состав кумулата и объемные соотношения расплава и кумулата.

Этап 4. «Количественное» геохимическое моделирование. Используя приведенные выше уравнения, рассчитывается доля расплава (F), количественно - минеральные соотношения в твёрдом дифференциате и состав конечного расплава, который образовался в ходе эволюции начального расплава. В связи с тем, что результаты современных методов определения содержания как главных, так и редких компонентов горных пород характеризуются определенной погрешностью, результат расчетов представляет собой ряд значений. Таким образом, можно предположить, что критерием для корректности выполненных расчетов должна быть величина различия между рассчитанным модельным трендом и трендом для природной вулканической серии, которая не должна превышать погрешность метода определения содержания элементов участвующих в расчетах.

Для минимизации расчетной процедуры "количественного" моделирования используется определенная последовательность расчетов.

1) Проверка модели мономинерального кумулата. Для каждого минерала из кумулативной ассоциации определенной на этапе полуколичественного моделирования, проверяется соответствие рассчитанных составов и конечных точек тренда. Проверка соответствия заключается в нахождении (методом итераций) ряда значений для степени кристаллизации (1-F, где F - количество остаточного расплава) при которых совпадение расчетных составов и конечных точек тренда не хуже чем ошибка метода определения концентрации элементов использованных для моделирования (табл. 12). Ранее были рассмотрены две разновидности кристаллизационного фракционирования и отмечено, что для природных магматических процессов наиболее вероятен промежуточный вариант дифференциации. Таким образом, если отсутствуют критерии для уточнения разновидности этого процесса, результатом является пересечение значений полученных для равновесной и Рэллеевсской кристаллизации.

2) Проверка модели двуминерального кумулата. Аналогичными расчетами находится ряд соотношений для каждой возможной пары минералов кумулата (табл. 13).

3) Полуколичественная оценка минерального состава кумулата. Количественные соотношения минералов кумулата могут быть определены графическим путем, если вынести результаты предыдущих расчетов (п.1 и п.2) на стороны треугольника (или тетраэдра) отражающего минеральный состав кумулата (рис. 18).

4) Расчет минерального состава кумулата. Уточнение границ области кумулата производится прямыми расчетами для полиминерального кумулата (табл. 14), используя результаты полуколичественного моделирования (п.3).

 

Этап 5. Проверка модели по породообразующим элементам. Используя количественные соотношения минералов и их состав, проверяют корректность рассчитанной модели. При отсутствии определений состава порфировых вкрапленников для изучаемой вулканической серии, необходимо использовать состав минералов из экспериментов с породами близкого состава в сходных термодинамических условиях.

 

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: