Парагенетические взаимоотношения минералов в зависимости от химических потенциалов щелочей для Батанаюльского массива щелочных пород

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА ИМЕНИ С. М. КИРОВА

Том 196 1969

ПАРАГЕНЕТИЧЕСКИЕ ВЗАИМООТНОШЕНИЯ МИНЕРАЛОВ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ХИМИЧЕСКИХ ПОТЕНЦИАЛОВ ЩЕЛОЧЕЙ ДЛЯ БАТАНАЮЛЬСКОГО МАССИВА ЩЕЛОЧНЫХ ПОРОД

А. А. МИТЯКИН (Представлена научным семинаром кафедры петрографии) У

Батанаюльский массив щелочных пород рабположен в северной части Кузнецкого Алатау по ключу Батанаюл, левому притоку 'среднего течения реки Урюп. Общая площадь выхода массива на дневную поверхность составляет около 5,5 км2 при максимальных размерах в поперечнике 1,2 км и по простиранию 5 км.

Геологическая позиция района, включающего данную площадь, определяется его положением в пределах краевой девонской ступени Кузнецкого Алатау, граничащей на севере с Чулымо-Енисейской впадиной. В сложении района принимают участие верхнепротерозойские и нижнепалеозойские отложения, перекрытые мощной осадочно-вулка-ногенной толщей нижнего и среднего девона. Все эти толщи прорваны большим количеством интрузивных массивов щелочных нефелинсодер-жащих пород.

Нефелиновые породы Батанаюльского массива впервые были обнаружены в виде берешитов М. М. Груниным и К- В. Ивановым при геологосъемочных работах в 1940 г. В дальнейшем он посещался М. В. Ворошиловым (1957) и Ю. Д. Скобелевым (1959). Однако до последнего времени массив был изучен слабо. Берешиты считались составной частью девонской осадочно-эффузивной толщи. При петрографической характеристике отмечались только берешиты и нефели-ниты.

В результате полевых исследовании, проведенных автором в 1965 г,, установлены факты, подтверждающие интрузивный характер тела берешитов, залегающего в виде силла:

1. На границе с вмещающими породами в теле берешитов наблюдается зона закалки со стекловатой основной массой породы.

2. Внутреннее строение силла берешитов характеризуется наличием трех зон в направлении от подошвы к кровле,, различаемых по характеру минералов-вкрапленников и по валовому химическому составу. Эти различия вызваны неравномерной скоростью остывания, отчетливо проявившейся в приповерхностных условиях, а также гравитационной дифференциацией, проявившейся на месте.

3. Наличие во вмещающих породах системы трещин, согласных с плоскостями контактов силла берешитов с вмещающими породами.

Массив характеризуется пестрым набором пород, образующих следующий ряд, начиная от первых продуктов дифференциации: лабрадоровый берешит, андезиновый берешит, тералит-порфирит, нефелиновый монцонит, нефелиновый сиенит, известково-щелочной роговообманковый

з* * / 35.

и щелочной лейкократовый сиениты. Для всех пород характерна четко выраженная порфировая структура — размер зерен минералов-вкрапленников в десятки раз превышает размер зерен основной массы, что вызвано быстро менявшимся тепловым режимом в приповерхностных условиях. Эти же условия не способствовали сколько-нибудь заметному взаимодействию магмы с вмещающими породами на месте окончательной раскристаллизации, за исключением потери ею некоторого количества летучих. Не наблюдается также фактов заметного воздействия поздних инъекций магмы на ранние продукты дифференциации. Исключение составляет лишь процесс становления щелочных калиевых сиенитов, с которым связана калишпатизация как вмещающих пород, так и ¿ранее образовавшихся пород массива. Вышеизложенное позволяет заключить, что состав пород массива, образовавшихся в последовательные этапы, близко приближается к составу магмы, поступавшей отдельными порциями из более глубоких горизонтов земной коры, и проследить ход дифференциации магматического расплава на глубине. Изучение структур пород с учетом вышеизложенных фактов показывает, что нефелин-содержащие породы и, в частности, нефелин возникли из магматического расплава в результате нормального хода крйсталлизации. Для массива в целом характерны следующие особенности минералогического состава: >

1. Наблюдается большая роль кальция в образовании фемических и салических минералов. В берешитах — ранних'продуктах дифференциации— несмотря на значительную недосыщенность кремнекислотой, оливин отсутствует. Вместо него образуется моноклинный пироксен группы диопсида. В этих же породах, несмотря на высокую щелочность, присутствует плагиоклаз высокой основности (№ 70). О большой роли СаО говорит также факт полного замещения нефелина канкринитом и цеолитами и присутствие свободного карбоната.

2. Главную роль в образовании пород массива играли щелочные алюмосиликаты. При этом четко прослеживается уменьшение роли щелочей натрия в направлении от ранних дифференциатов к поздним и повышение активности щелочей калия в этом , же направлении. Так, в лабрадоровых и андезиновых берешитах, а также в тералит-порфири-тах калий не образует самостоятельных минералов. Его содержание при этом достигает 2%, тогда как Ыа20 составляет 6—7%. Начиная с нефелинового монцонита, роль щелочей калия становится господствующей. В монцоните плагиоклаз присутствует в подчиненном количестве по отношению к калишпату. В нефелиновом сиените последний является единственным минералом из полевых шпатов. В безнефелиновых щелочных сиенитах калишпат также играет главную роль.

3. В направлении от ранних продуктов дифференциации к поздним в породах массива уменьшается содержание СаО и увеличивается ЗЮ2.

Исходя из особенностей минералогического состава можно сделать вывод, что течение процесса минералообразования в массиве в значительной степени определялось химической активностью щелочей. Воспользовавшись методами построения диаграмм для многокомпонентных систем, разработанными Д. С. Коржинским и В. С. Соболевым, можно изобразить графически, как менялась химическая активность отдельных компонентов и парагенезисы минералов.

Основными минералообразующими компонентами пород массива являются Иа20, К20, СаО, БЮ2, А1203, 1^0, РеО, Р205.

Силикатные анализы пород показывают также значительное содержание С02 и Н20 (содержание каждого из этих компонентов достигает 4%). Однако данные компоненты входят в состав канкринита и цеолитов-минералов, образовавшихся в постмагматическую стадию, поэтому они в расчет приниматься не будут. 36

Учитывая наличие высококальциевых минералов, а также большое количество свободного карбоната, СаО принимается избыточным • компонентом. Как показывают определения оптических констант пироксенов, состав их колеблется довольно сильно, однако это вызвано в основном поведением СаО и а также ^а20 при появлении эги-

рин-авгита. Окись железа входит в, состав пироксенов в ограниченных количествах и большая часть железа выделяется в виде магнетита. Поэтому РеО принимается изоморфным компонентом. Принимая на основании вышеизложенного, что Ыа20 и К2О являются вполне подвижными компонентами-параметрами, определяющими процесс минерало- 1 образования, а Р2О5 принимая обособленным компонентом, так как этот окисел входит только в состав апатита и не влияет на парагенетические взаимоотношения минералов, мы получаем три инертных виртуальных компонента — БЮг, А1203, Мё(Ре)0.

Таким образом, все компоненты-окислы системы можно расположить в порядке убывания их химической активности в следующий ряд: Ыа20, К2О, БЮг, А1203, М^(Ре)0, СаО, Р205.

Ввиду невозможности определения реального состава породообразующих минералов вследствие их замещения вторичными минералами и трудности получения мономинеральных фракций для проведения хим-' анализов для дальнейших расчетов . реакций минералообразования составы всех минералов: диопсида (Дп), эгирин-авгита (Эг), роговой обманки (Рог), плагиоклаза (Пл), калиевого полевого шпата (Кш), нефелина (Нф) приняты стандартными.

Теперь рассмотрим поведение системы в зависимости от химических потенциалов щелочей. При принятом распределении компонентов-окислов можно рассчитать ряд реакций для построения моновариантных пучков, увязывающихся в определенную мультсистему. Обозначая без-диОпсидовый, безнефелиновый и другие нонвариантные узлы кай [Дп], [Нф]..., напишем все возможные реакции минералообразования:

[Дп]

1) (Эг) 8Пл+ 2К30 + 2Ыа20-»-4Кш + 8Нф, .

2) (Кш) 9,25Пл + 0,25 Рог + 8,65Ыа20 ->4Эг + 14,38Нф,

3) (Пл) 8,5Кш -Ь 0,5 Рог + 12,6Ыа,0 -> 8Эг + 10,25Нф + 4,6К20, ^ •

4) (Нф) 14,38 Кш +'0,5 Рог + 9,9Ыа20 —> 8Эг + 10,25Пл + 7, 2К20,

5) (Рог) Кш + 2Нф -> 2Пл + 0,5 К20 + 0,5Ыа2О.

[Эг] •

1) (Кш) 2,5Пл + 0,5 Рог + 1,25 Ыа20 —> Дп + 4,75Нф,

2) (Пл) 2,5Кш + Рог + 1,25Ма20 ->- 8Дп + 4,5Нф + 1,25К,0,

3) (Нф) 4,75Кш + Рог + 0,125Ыа20 8Дп + 4,5Пл + 2,38К20.

[Нф]

1) (Кш) 4,75Эг + 1,5 Рог10,75Дп + 2Пл + 5,75Ыа20,

2) (Пл) 4,5Эг + Рог + К20 -> 10,25Дп + 2 Кш + 5,5Ыа,0,

3) (Рог) Эг + Пл + 0,75К20 0,5Дп + 1,5 Кш + 0,62Ыа2О.

[Рог]

1) (Кш) 0,5Эг+1,5Нф->0,25Дп + Пл + Ма20,

2) (Пл) Эг+Нф+0,25К20-»0,5Дп + Кш +1,5№20,

3) (Нф) Эг + Пл + 0,75К20 0,5Дп + 1,5 Кш + 1,25Ыа20.

Теоретически для данной шестиминеральной системы можно построить шесть пятиминеральных нонвариантных узлов. Но при заданных физико-химических условиях минералообразования устойчивость сохраняют лишь четыре узла, образующих стабильную мультсистему. Безка-лишпатовый и безплагиоклазовый узлы образуют между собой метаста-бильную мультсистему, не связанную с первой.

Из всех шестнадцати полей парагенезисов, получившихся в результате построения многопучковой диаграммы (рис. 1), для рассматриваемой шестиминеральной системы представляют интерес поля № 16, № 5 и группа полей б—7—8—9—10—11. Трехминеральный парагенезис диопсид-плагиоклаз-нефелин характерен для ранних продуктов дифференциации— берешитов и тералит-порфиритов. Как видно из диаграммы, для Данного парагенезиса характерен наивысший потенциал натрия и наименьший — калия. Особенность этого парагенезиса состоит в том, что здесь, несмотря на высокую активнЪсть натрия, присутствуют высококальциевые минералы — диопсид и плагиоклаз № 70. Это обстоятельство подчеркивает большую роль кальция в процессе минералообразования.

В группе полей 6—7—8—9—10—11 присутствует трехминеральный парагенезис плагиоклаз средней основности — 38-роговая обманка-калиевый полевой шпат, характерный для §езнефелиновых известково-щелочных сиенитов. На диаграмме видно, что для данного парагенезиса с роговой обманкой характерно среднее и примерно равное значение потенциалов натрия и калия. При увеличении потенциала натрия роговая обманка сменяется диопсидом в поле № 16, а при увеличении потенциала калия вместо роговой обманки появляется эгирин-авгит и диопсид поля № 5. -Ассоциация эгирин-авгит-а с нефелином и калишпа-том без плагиоклаза (поле № 5) характерна для нефелиновых сиенитов. Это поле лежит в области наибольшего значения потенциала калия и наименьшего потенциала натрия. Интересным является то, что эгирин-авгит появляется в этой области с наибольшим потенциалом калия. Это обстоятельство объясняется, видимо, тем, что здесь при высокой активности калия становится невозможным образование плагиоклаза, поэтому натрий идет на построение молекулы эгирин-авгита и нефелина. Из полевых шпатов здесь присутствует только! калиевый. Для диаграммы в целом характерно разграничение всех полей линией (Рог, Дп, Эг) на две группы — группу без плагиоклаза (правая часть диаграммы) и без калишпата (левая часть диаграммы). Совместное нахождение калиш-пата и плагиоклаза возможно поэтому только в узкой зоне вдоль линии (Дп, Эг, Рог). Это говорит о том, что между щелочами калия и-натрия шла борьба в процессе магматической дифференциации и минералообразования. Повышение активности одной из щелочей вызывало уменьшение другой, что немедленно сказывалось на характере парагенезисов (присутствие плагиоклаза или калишпата). Сказанное полностью соответствует Характеру фактических парагенезисов — плагиоклаз и кали-шпат присутствуют совместно только в нефелиновом монцоните и из-вестково-щелочном сиените — там, где потенциалы щелочей были примерно равными. Во всех остальных породах присутствует какой-либо один из названных минералов.

Итак, общий характер парагенезисов минералов в породах массива определяется постепенным уменьшением потенциала натрия от первых продуктов дифференциации к последним и увеличением потенциала калия в том же направлении.

Встает вопрос о причинах мобилизации натрия и образования щелочных нефелинсодержащих пород в ранние стадии дифференциации. Химические анализы пород показывают довольно высокое содержание летучих компонентов в породах массива. 'Гак, в берешитах среднее со-

держание С02 достигает 1,30%, а Н20 — 4,79%- Если учесть, что формирование массива происходило в приповерхностных условиях, в результате чего большая часть летучих была потеряна, то можно представить, какую роль играли летучие в магматической дифференциации. В этой связи можно предположить, что имела место реакция, на которую указывал Р. О. Дели (1936):

NaAlSi308 + СаСОз = Na2C03 + Ca3Al2Si3012 + CaSi03 + С02,

т. е. при заражении магмы карбонатом возможно образование легколетучего минерала — Ыа2СОз, который стремится к кровле магматического о^ага. Этот эффект может быть выражен еще резче при содержании большого количества воды. У кровли очага происходят реакции: NaAlSi308 +Na2C03 - NaAlSi04+ Na2Si03 + C02,

CaAl2Si208 + Na2Si03 = NaAlSi04 + CaSi03> и даже когда температура падает достатЬчно низко:

CaAl2Si208 + Na2C03 - NaAlSi04 + CaC03

Обогащенность пород Батанаюльского массива С02, СаС03 и наличие высококальциевых минералов дают основание предполагать о взаимодействии исходной магмы с карбонатными породами.