Растворимость хлора в силикатных расплавах: новые эксперименты и термодинамическая модель смешения

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

В температурном интервале 900–1200°С при 4 кбар получены новые экспериментальные данные по растворимости Cl в гаплобазальтовых расплавах эвтектических составов диопсид (Di)–альбит (Ab) и Di–анортит + кварц в равновесии с водно-солевыми флюидами H₂O-NaCl- CaCl2. Установлено, что с возрастанием концентрации NaCl во флюиде растворимость Cl в гаплобазальтовом расплаве снижается. Получены данные по распределению Ca и Na между расплавом и флюидом, позволяющие моделировать эволюцию Ca/Na отношения в ходе кристаллизации базальтовых расплавов. Результаты этих экспериментов, а также полученные ранее данные по плавлению модельного гранита в присутствии рассолов (Na, K)Cl (Aranovich et al., 2013) использованы для расчета термодинамических параметров солевых частиц (NaCl, KCl, CaCl₂) в силикатных расплавах. Показано, что в гаплогранитном расплаве растворимость Cl уменьшается с ростом K/Na отношения в расплаве и флюиде. При высоком давлении (10 кбар) растворимость Cl в модельном граните возрастает с увеличением содержания H₂O. Расчеты для простейшей флюидно-магматической системы Ab–H₂O–NaCl указывают на сложность фазовых отношений и, соответственно, эволюции содержания H₂O и NaCl в расплаве. Эта сложная эволюция прослежена на примере данных по составу расплавных и флюидных включений в кварце гранитов Верхнеурмийского массива Баджальской вулкано-плутонической зоны.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Л. Я. Аранович

Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии; Институт экспериментальной минералогии им. Д.С. Коржинского

Автор, ответственный за переписку.
Email: lyaranov@igem.ru
Россия, Москва; Черноголовка, Московская обл.

М. А. Голунова

Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии; Институт экспериментальной минералогии им. Д.С. Коржинского

Email: lyaranov@igem.ru
Россия, Москва; Черноголовка, Московская обл.

Дж.А. Д. Коннолли

Institute of Geochemistry and Petrology, Swiss Federal Institute of Technology

Email: lyaranov@igem.ru
Швейцария, CH-8092 Zurich

М. В. Иванов

Институт геологии и геохронологии докембрия РАН

Email: lyaranov@igem.ru
Россия, Санкт-Петербург

Список литературы

  1. Аранович Л.Я. Минеральные равновесия многокомпонентных твердых растворов. М.: Наука, 1991. 253 с.
  2. Аранович Л.Я. Роль рассолов в высокотемпературном метаморфизме и гранитизации // Петрология. 2017. Т. 25. № 5. С. 491–503.
  3. Бортников Н.С., Аранович Л.Я., Кряжев С.Г. и др. Баджальская оловоносная магматогенно-флюидная система (Дальний Восток, Россия): Переход от кристаллизации гранитов к гидротермальному отложению руд // Геология рудн. месторождений. 2019. Т. 61. № 3. С. 3–31.
  4. Иванов М.В. Термодинамическая модель флюидной системы H2O–CO2–NaCl–CaCl2 при P-T параметрах средней и нижней коры // Петрология. 2023. Т. 31. № 4. С. 408–418.
  5. Иванов М.В., Бушмин С.А., Аранович Л.Я. Уравнения состояния для растворов NaCl и CaCl2 произвольной концентрации при температурах 423.15 K-623.15 K и давлении до 5 кбар // Докл. АН. 2019. Т. 481. № 6. С. 653–657.
  6. Луканин О.А. Распределение хлора между расплавом и водно-хлоридной флюидной фазой в процессе дегазации магм. Сообщение I. Дегазация расплавов при снижении давления // Геохимия. 2015. № 9. С. 801–827.
  7. Луканин О.А. Распределение хлора между расплавом и водно-хлоридной флюидной фазой в процессе дегазации магм. Сообщение II. Дегазация расплавов при их кристаллизации // Геохимия. 2016. № 8. С. 685–707.
  8. Рубцова Е.А., Тагиров Б.Р., Акинфиев Н.Н. и др. Совместная растворимость Cu и Ag в хлоридных гидротермальных флюидах (350–650°C, 1000–1500 бар) // Геология рудн. месторождений. 2023. Т. 65. № 1. С. 15–31.
  9. Рябчиков И.Д. Термодинамика флюидной фазы гранитоидных магм. М.: Наука, 1975. 234 с.
  10. Чевычелов В.Ю. Распределение летучих компонентов (Cl, F, CO2) в водонасыщенных флюидно-магматических системах // Петрология. 2019. Т. 27. № 6. С. 638–657. https://doi.org/10.31857/S0869-5903276638-657
  11. Шапошников В.В., Аранович Л.Я. Экспериментальное изучение условий плавления модельного гранита в присутствии щелочно-карбонатных растворов при давлении 400 Мпа // Геохимия. 2015. № 9. C. 855–861.
  12. Aranovich L.Y., Newton R.C. H2O activity in concentrated NaCl solutions at high pressures and temperatures measured by the brucite-periclase equilibrium // Contrib. Mineral. Petrol. 1996. V. 125. P. 200–212.
  13. Aranovich L.Y., Newton R.C. H2O activity in concentrated KCl and KCl-NaCl solutions at high temperatures and pressures measured by the brucite-periclase equilibrium // Contrib. Mineral. Petrol. 1997. V. 127. P. 261–271.
  14. Aranovich L.Y., Safonov O.G. Halogens in high-grade metamorphism. The Role of Halogens in Terrestrial and Extraterrestrial Geochemical Processes. 2018. P. 713–757. https://doi.org/10.1007/978-3-319-61667-4_11
  15. Aranovich L.Y., Newton R.C., Manning C.E. Brine-assisted anatexis: Experimental melting in the system haplogranite–H2O–NaCl–KCl at deep-crustal conditions // Earth Planet. Sci. Lett. 2013. V. 374. P. 111–120.
  16. Andreeva O.A., Yarmolyuk V.V., Andreeva I.A., Borisovskiy S.E. Magmatic evolution of Changbaishan Tianchi Volcano, China–North Korea: evidence from mineral-hosted melt and fluid inclusions // Petrology. 2018. V. 26. № 5. P. 515–545.
  17. Blundy J., Afanasyev A., Tattitch B. et al. The economic potential of metalliferous sub-volcanic brines // R. Soc. Open Sci. 2021. V. 8. № 6. https://doi.org/10.1098/rsos.202192
  18. Borisov A., Aranovich L.Y. Zircon solubility in silicate melts: New experiments and probability of zircon crystallization in deeply evolved basic melts // Chem. Geol. 2019. V. 510. P. 103–112.
  19. Chevychelov V.Y., Suk N.I. Influence of the composition of magmatic melt on the solubility of metal chlorides at pressures of 0.1–3.0 kbar // Petrology. 2003. V. 11. P. 62–74.
  20. Connolly J.A.D. Computation of phase equilibria by linear programming: A tool for geodynamic modeling and its application to subduction zone decarbonation // Earth Planet. Sci. Lett. 2005. V. 236. P. 524–541.
  21. Connolly J.A.D. A primer in Gibbs energy minimization for geophysicists // Petrology. 2017. V. 25. P. 526–534.
  22. Darken L.S. Thermodynamics of binary metallic solutions // Metallurgical Society of AIME Transactions. 1967. V. 239. P. 80–89.
  23. Dalou C., Mysen B.O. The effect of H2O on F and Cl solubility and solution mechanisms of in aluminosilicate melts at high pressure and high temperature // Amer. Mineral. 2015. V. 100. P. 633–643.
  24. Dolejš D., Zajacz Z.D.E. Halogens in silicic magmas and their hydrothermal systems. The Role of Halogens in Terrestrial and Extraterrestrial Geochemical Processes / Part of the Springer Geochemistry book series (SPRIGEO). 2018. P. 431–541. https://doi.org/10.1007/978-3-319-61667-4_7
  25. Evans K.A., Mavrogenes J.A., O’Neill H.S. et al. A preliminary investigation of chlorine XANES in silicate glasses // Geochemistry, Geophysics, Geosystems. 2008. V. 9. № 10. https://doi.org/10.1029/2008GC002157
  26. Filiberto J., Treiman A.H. The effect of chlorine on the liquidus of basalt: first results and implications for basalt genesis on Mars and Earth // Chem. Geol. 2009. V. 263. Р. 60–68. https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2008.08.025
  27. Goldfarb R.J., Pitcairn I. Orogenic gold: is a genetic association with magmatism realistic? // Mineral. Deposita. 2022. V. 58. P. 5–35. https://doi.org/10.1007/s00126-022-01146-8
  28. Holland H.D. Granites, solutions, and base metal deposits // Econom. Geol. 1972. V. 67. P. 281–301.
  29. Holland T.J.B., Powell R. An improved and extended internally consistent thermodynamic dataset for phases of petrological interest, involving a new equation of state for solids // J. Metamorph. Geol. 2011. V. 29. P. 333–383.
  30. Hsu Y.-J., Zajacz Z., Ulmer P., Heinrich C.A. Chlorine partitioning between granitic melt and H2O-CO2-NaCl fluids in the Earth’s upper crust and implications for magmatic-hydrothermal ore genesis // Geochim. Cosmochim. 2019. Acta. V. 261. P. 171–190.
  31. Kouzmanov K., Pokrovski G.S. Hydrothermal controls on metal distribution in porphyry Cu(–Mo-Au) systems // Econom. Geol. Spec. Publ. 2012. V. 16. Р. 573–618. https://doi.org/10.5382/SP.16.22.
  32. Kovalenko V.I., Naumov V.B., Yarmolyuk V.V., Dorofeeva V.A. Volatile components (H2O, CO2, Cl, F, and S) in magmas of intermediate and acid compositions from distinct geodynamic settings: Evidence from melt inclusions and chill glasses // Petrology. 2000. V. 8. P. 525–556.
  33. Kusebauch C., Timm J., Whitehouse M.J. et al. Distribution of halogens between fluid and apatite during fluid-mediated replacement processes // Geochim. Cosmochim. Acta. 2015. V. 170. P. 225–246.
  34. Papale P., Moretti R., Barbato D. The compositional dependence of the saturation surface of H2O + CO2 fluids in silicate melts // Chem. Geol. 2006. V. 229. P. 78–95.
  35. Patiño Douce A.E., Roden M.F., Chaumba J. et al. Compositional and the halogen and water budgets of planetary mantles // Chem. Geol. 2011. V. 288. P. 14–31.
  36. Safonov O.G., Aranovich L.Y. Alkali control of high-grade metamorphism and granitization // Geoscience Frontiers. 2014. V. 5. P. 711–727. https://doi.org/10.1016/j.gsf.2014.03.010
  37. Shmulovich K.I., Graham C. Plagioclase–aqueous solution equilibrium: concentration dependence // Petrology. 2008. V. 16. Р. 177–192.
  38. Tattitch B.C., Blundy J.D. Cu-Mo partitioning between felsic melts and saline-aqueous fluids as a function of XNaCleq, fO2, and fS2 // Amer. Mineral. 2017. V. 102. Р. 1987–2006. https://doi.org/10.2138/am-2017-5998
  39. Tenner T.J., Lange R.A., Downs R.T. The albite fusion curve re-examined: New experiments and the high-pressure density and compressibility of high albite and NaAlSi3O8 liquid // Amer. Mineral. 2007. V. 92. P. 1573–1585.
  40. Thomas R.W., Wood B.J. The effect of composition on chlorine solubility and behavior in silicate melts // Amer. Mineral. 2023. V. 108. P. 814–825.
  41. Webster J.D., Vetere F., Botcharnikov R.E. et al. Experimental and modeled chlorine solubilities in aluminosilicate melts at 1 to 7000 bars and 700 to 1250°C: Applications to magmas of Augustine Volcano, Alaska // Amer. Mineral. 2015. V.100. P. 522–535.
  42. White R.W., Powell R., Holland T.J.B. et al. New mineral activity–composition relations for thermodynamic calculations in metapelitic systems // J. Metamorph. Geol. 2014. V. 32. P. 261–286. https://doi.org/10.1111/jmg.12071
  43. Witham C.S., Webster H.N., Hort M.C. et al. Modeling concentrations of volcanic ash encountered by aircraft in past eruptions // Atmospheric Environment. 2012. V. 48. P. 219–229.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Фото в обратнорассеянных электронах стекол из продуктов опытов 2-8 (а), 5-3 (б) и 4-5 (в). Более яркие зерна на рисунках (б) и (в) – закалочный клинопироксен, близкий по составу к диопсиду. Масштаб рисунков (б) и (в) одинаковый.

Скачать (1MB)
Метаданные
3. Рис. 2. Распределение Са и Na между хлорсодержащим гаплобазальтовым расплавом и водно-хлоридным флюидом по экспериментальным данным при 4 кбар. В условных обозначениях температура,°С. Красная кривая – изотерма 1200°С, проведенная ориентировочно; тонкая сплошная – линия равных значений отношения Са/(Са + Na). Планки погрешностей показаны для опытов при 1200°С. Красными кружками показаны данные экспериментов по Са-Na обмену между флюидом и плагиоклазом (Pl) по (Shmulovich, Graham, 2008).

Скачать (221KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Зависимость растворимости Cl в гаплобазальтовым расплаве от Ca/(Ca + Na) отношения в расплаве (а), флюиде (б) и от Mg/(Mg + Ca) отношения в расплаве (в). Ромбы – эксперимент (с планками погрешностей см. на рис. 3а), красные кривые на рис. (а) и (б) – корреляция по уравнениям 2-й (а) и 3-й (б) степени.

Скачать (431KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Содержание Cl в модельных гранитных расплавах при 900°С и 10 кбар в зависимости от содержания H₂O (а) и отношения K/(K + Na) (б). Синие ромбы – экспериментальные точки (Aranovich et al., 2013; см. Supplementary 1, ESM_1, ESM_2), красные кривые – расчет.

Скачать (215KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Изобарно-изотермическое сечение (800°С, 5 кбар) фазовой диаграммы псевдо-тройной системы альбит Ab–H₂O (w)–NaCl (hlt). Разным цветом закрашены поля устойчивости различных фазовых ассоциаций. F(salt) – NaCl-содержащий флюид; Melt – NaCl-содержащий расплав.

Скачать (207KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Соотношения содержания воды и соли во флюдонасыщенных расплавах системы Аb–NaCl–H₂O при 5 кбар, 800°С (а) и 1200°С (б). Символы – расчет, кривые – интерполяция. Ромб на рис. 6а – состав в инвариантном поле альбит–расплав–флюид.

Скачать (278KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Тренды корреляции содержания H₂O и кремнезема в расплавных включениях в кварце (а) гранитов Верхнеурмийского массива (данные Бортникова и др., 2019) и модельный расчет изобарической (Р = 5 кбар) кристаллизации гранитного расплава (б). Доля кварца на рис. (б) показана относительно всего кварца, выделившегося при кристаллизации. Расчет на рис. (б) относится к тренду А на рис. (а).

Скачать (266KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Тренды корреляции содержаний Сl и кремнезема (мас. %) в расплавных включениях. Ромбы соответствуют составу ранних включений, показанных на рис. 7а и, предположительно, соответствующих эволюции в глубинном очаге; квадраты – включения, захваченные при декомпрессии.

Скачать (114KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах