Оцінка
умов кристалізації ареальні вулканізму серединного хребта Камчатки.
Курсова робота
студента 313 групи К.А. Бичкова.
Введення.
Мета роботи.
Дана робота
присвячена вивченню ареальні базальтів північній частині серединного Хребта
(Камчатка) та оцінки їх фізико-хімічних умов утворення. Дослідження
проводилися на основі геологічного матеріалу (в основному зразків олівінових базальтів
з лавових потоків), відібраного доцентом кафедри Петрологія П.Ю. Плечових в
ході польових робіт в районі м. Терпук в серпні 2002 року на Камчатці.
Мета роботи
полягала в оцінки параметрів кристалізації магнезіальних магми північній
частини серединного Хребта - температури, тиску, вмісту води і режиму
кисню. Іншою метою роботи було одержання основних навичок лабораторної
роботи з геологічним матеріалом (розділення порід на монофракціі,
виготовлення та підготовка препаратів для мікрозондового аналізу, опису
препаратів і шлифов), складання і ведення лабораторної документації,
оперування з експериментальними базами даних, і використання комп'ютерних
розрахункових методів.
петрографічні
вивчення шлифов, окремих зерен мінералів, твердофазних і расплавних включень
проводилося з метою загального опису породи, виділення парагенезісов і
визначення порядку кристалізації. Для оцінок початкового складу розплаву
аналізувалися гомогенізовані расплавние включення у фенокрісталлах олівіну.
За аналізом складів расплавних включень, олівінів і шпінель, даними розрахунку
за програмою КОМАГМАТ, моделювання рівноваги шпінель - розплав були отримані
оцінки фізико-хімічних умов утворення ареальні базальтів району м.
Терпук.
Всього в ході
виконання даної роботи було зроблено 50 мікрозондових аналізів мінералів і
стекол, описано 2 шліфують і просмотрено 40 окремих зерен олівіну. Крім того,
була виконана серія гартівних експериментів із зернами олівіну, що містять
расплавние включення. Для калібрування математичних моделей і зіставлення
розрахункових результатів з аналізами інтенсивно використовувалася база
петрографічних даних Inforex, що налічує близько 300 експериментальних
робіт.
Автор висловлює
особливу подяку своїм науковим керівникам Аріскіну А.А. і плечова П.Ю.
за надання неоціненну допомогу в написанні курсової, за цінні поради та
відомості, надані ними в ході роботи.
Хочеться
подякувати співробітників лабораторії мікрозондового аналізу Коротаєвої М.М. і
Гусєву Е.В., без допомоги яких не була б виконана дана робота; Дірксена
О.В. за наданий матеріал; співробітників лабораторії термодинаміки і
математичного моделювання природних процесів ГЕОХІ РАН - Миколаєва Г.С. і
Бармина Г.С за об'єктивні коментарі.
Малюнок
1. Топографічна схема району м. Терпук. На схемі позначені лавові
потоки. Масштаб 1: 100 000. Надано О.В. Дірксеном (серпень 2002 року).
Коротка
геологія району дослідження та відбір зразків.
Детальне
геологічне дослідження району серединного Хребта, у тому числі й району м.
Терпук представлено в роботі Огородова Н.В. . Представлений тут короткий
геологічний огляд заснований на даних цієї монографії.
Серединний
хребет Камчатки являє собою значну, складно побудовану
гірничо-вулканічну систему, яка простягається майже по осі півострова і
є його головним вододілом, розділяючи басейни Тихого Океану і Охотського
моря. Загальна довжина хребта 900 км., А ширина коливається від 60-70 до 130 км. Південна
межа його проходить по широті р. Плотникова, на півночі хребет закінчується в
районі Камчатського перешийка. Середні висоти хребта 1500-1600 м, більше десяти
вершин вище 2500 м, найвища відмітка - вулкан Ічінскій (3621 м), який
є діючим вулканом [Огородов, 1972]. Гора Терпук (791 м)
розташовується в 1 км на північ північний захід від гори Кебеней, в північній частині
Серединного Хребта. Під час польових робіт у серпні 2002 р. П.Ю. Плечових були
відібрані зразки порід, в основному базальтів, з даного району (див. додаток
1), які й послужили вихідним матеріалом для даної роботи.
Гора Терпук
перебувати в районі Седанского вулканічного району (від верхів'я р.. Рассошіной
до р.. Халгінчевая). Цей район характеризується переважним розвитком
щитових вулканів, близьких до ісландському типу. У даному районі зосереджені
найбільш великі щитові вулкани, в основному, голоценових віку. Злилися
підстави численних щитових вулканів, які складають верхній ярус
рельєфу, утворювали велике пологий нагір'я. У цьому ж районі
отмечаеться максимальна інтенсивність ареальні вулканізму. Седанскій
вулканічний район - один з найбільш складно побудованих. У цьому районі
виділяють північну і південну частину. Південна частина, найбільш нас цікавить,
приурочена до вододільній частини хребта, висоти якого не перевищують 700-800
м. Аналізи абсолютних відміток виходів четвертинних ефузивних породах порід фундаменту,
і його літологічних складу показують що в цьому районі відбувається різке
занурення фундаменту. Зі сходу і заходу південна частина району (вулкан Кебеней)
чітко обмежена скидами і розташовується в структурі грабена. Східний борт
грабена фіксується не тільки щодо зміщення покрівлі порід фундаменту, а й добре
виражений морфологічно різким урвищем платоподібні поверхонь в районі
верхів'я річок Лівою, Юклиа і Поворотною. Західний борт грабена морфологічно
виражений Менне чітко. Ширина грабена становить близько 36 км, його центральна
частина заповнена потужними базальтовими виливами верхнечетвертічного і
голоценових часу. Борта грабена складені древнечетвертічнимі лавовими
покривами. Північна частина Седенкінского району обмежена також структурою
грабена. У південний район виходять наступні, найбільш великі вулкани: Кебеней,
Седанкінскій, Гірничого Інституту, в північній - Леутонгей, Тузовскій, Твітунуп,
Тітіла. Характерно, що ешелоновані ряди закінчуються найбільш крупними
вулканами, а в центральній частині, як правило, широко представлн ареальні
вулканізм. Для району в цілому характерне лінійне розташування не тільки
шлакових і лавових конусів, ні і вулканів.
Загалом,
Серединний хребет характеризується досить складним, мозаїчним тектонічним
будовою. На перший план виступає блокова тектоніка. Формування гірської
системи відбулося в основному в четвертинний час. Потужне прояв
четвертинного вулканізму сприяло не тільки зростанню гірської системи, але й
значно ускладнило тектонічна будова території. Найбільша тектонічна
перебудова території хребта відповідає районам прояви масових
базальтових виливів. Таким чином, четвертинний вулканізм проявляється на тлі
зростання гірської системи.
Матеріал для
дослідження з даного району відбирався з невеликих шлакових конусів, бортів
лавових потоків і валів, також було відібрано певну кількість сильно
вивітрених матеріалу у урізу води оз. Комон.
Методика
досліджень.
1. Відбір зерен
олівіну для вивчення расплавних включень.
Для детального
дослідження фенокрісталлов олівіну необхідно було відокремити їх від загальної маси
породи. У зв'язку з цим порода на початку ділилася на монофракціі, шляхом
механічного дроблення в ступці Абіха. Порода дробилася до тих пір, поки в
середньому розмір зерен перестав перевищувати 2-3 мм. Отриманий агрегат просівали
через спеціальний набір сит, для відбору фракцій за розмірами. Частинки породи,
що не перевищують розмірами 0.5 мм, які являють собою практично пил,
відбраковується. Фракція 0,5-1,0 мм залишалася для роботи, а більш великі частки
знову дробилися. Подальший поділ на мінеральні фракції проводилося з
робочої фракцією 0,5-1,0 мм. Отриману суміш в основному складали зерна
олівіну, плагіоклазу і рудного мінералу. Оскільки рудний мінерал має
магнітні властивості, він легко відокремлювався за допомогою магніту. Таким чином, у
робочої фракції залишилися тільки зерна мінералів олівіну і плагіоклазу.
Подальша робота з відбору полягала в тому, щоб за допомогою пінцета
акуратно відокремлювати зерна олівіну із загальної маси і поміщати в окремий
контейнер. Олівін визначався за його зеленувато-жовтий колір і сильному
блиску під бінокуляром. Відібрані зерна олівіну в олії проглядалися під
мікроскопом на предмет виявлення в них расплавних включень. Після чого
відібрані зерна (з присутніми расплавнимі включеннями) брали участь у
гартівних експерименті.
2. Проведення
експерименту.
гартівні
експеримент проводився П.Ю. Плечових при температурі 1250 0C і
контрольованої фугітівності кисню на рівні буфера CCO. Зерна олівіну після
нагріву гартували у воді. У даному експерименті не враховувалася температура
гомогенізації кожного включення індивідуально, але була гарантована
температура, трохи перевищує найвищу температуру гомогенізації. У
результаті чого була досягнута гомогенізація всіх досліджуваних расплавних
включень, хоча розплав міг вступати в реакцію з олівін, але внаслідок малого
часу експерименту цей ефект зводився до мінімуму, і при подальшій
математичної обробки результатів вимірювань хімічних складів ця помилка
практично виключалася.
3. Обробка і
підготовка препаратів із зерен після експерименту.
Після
гартівних експерименту робота проводилась індивідуально з кожним зерном.
Зерна олівіну необхідно було підготувати для дослідження за допомогою
мікрозонда. Підготовка препаратів проводилась ретельно і акуратно, тому що
аналізує приставка мікрозонда дуже чутлива до нерівностей
поверхні зразка, внаслідок зміни відхилення пучка відображених
електронів.
Кожне зерно
олівіну з расплавним включенням, що пройшов загартування, і відібране для
дослідження брало участь в наступних стадіях обробки:
Зерна
індивідуально заливалися епоксидної смолою в окремі стовпчики діаметром ~ 5мм
і висотою ~ 1мм і залишалися на кілька діб застигати. У результаті виходив
епоксидний стовпчик із зерном на поверхні.
Кожен стовпчик
з торця без зерна полірувався шкіркою # 1000 для того, щоб через нього
нормально проходив пучок світла, і можливо було розглядати зерно олівіну на
іншій стороні стовпчика в світлі, що проходить на поляризаційному мікроскопі.
З боку з
зерном полірування проводилася більш ретельно і уважно. Необхідно було
трохи пріполіровать поверхню, і розглянути зерно під мікроскопом, для
виявлення включень і вибору того включення, яке буде виведено на
поверхню.
Полірування
стовпчика проводилась до тих пір, поки включення не з'явитися на поверхні
зерна. Даний етап проводиться на шкірці # 1200.
Після того, як
включення з'явитися на поверхню зерна, полірування треба було продовжувати на
алмазної пасти 5/7. До тих пір, поки вся поверхня зразка не стане
досить рівною і гладкою (наскільки дозволяє дана паста). Контроль над
якістю поверхні, проводився за допомогою рудного мікроскопа у відбитому
світлі.
З відполірованих
стовпчиків зерна олівіну вилучалися і викладалися відполірованою стороною на
двосторонній скотч в шашку (дана операція проводилася П. Ю. плечових).
Шашка з
укладеними зернами заливалася епоксидної смолою і відкладалася на пару днів
для затвердіння епоксидної смоли.
затверділа
шашка виймала з полімерної оправи, ретельно відмивалася і чистити, після
чого поверхні полірованого на верстаті.
На готову
шашку напилюють проводить шар, для відведення заряду, і шашка була готова до
роботі на Мікрозонд.
4. Робота з
препаратом на Мікрозонд.
Основним
аналітичним методом вивчення хімічного складу мінералів, твердофазних і
расплавних включень у них був мікрозондовий аналіз, проведений за допомогою
енергодисперсійний мікрозондовой приставки LinkSystem до електронного
скануючий мікроскоп CamScan4DV кафедри Петрологія МГУ. Для хімічного
аналізу використовувався режим відбитих електронів при стандартних робочих
напрузі 15 кВ. Усі фотографії мінералів і включень у них виконані під
вторинних електронах при напрузі 20 кВ. При аналізі мінеральних фаз та
расплавних включений визначалися основні петрогенние компоненти: Si, Al, Ti,
Fe, Mn, Mg, Ca, Na, K, а також аналізувалися Cr, Ni, P, Cl, S. Мінерали
аналізувалися в "точці" (фокусування пучка - 3х3 мікрона), для
аналізу стекол сканувалася майданчик не менше 12 мкм, щоб уникнути втрати
лугів (K і Na). Відносні помилки при мікрозондовом аналізі складають:
при утриманні елемента від 1 до 5% - 10% отн., від 5 до 10% - 5% отн., а при
змісті більше 10% - 2% отн.
Для контролю
систематичних помилок вимірів мікрозонда використовувався еталон скла G30-2.
Еталонний хімічний склад, померенний за допомогою більш високо чутливого
методу, і результати вимірів на Мікрозонд CamScan представлені в наступній
таблиці:
Зразок
SiO2
TiO2
Al2O3
FeO
MnO
MgO
CaO
Na2O
K2O
G30-2-1
51,24
1,70
14,90
10,22
0,28
5,76
10,91
3,24
0,64
G30-2-2
51,67
1,74
14,79
10,41
0,15
5,91
11,00
2,78
0,59
G30-2-3
51,66
1,83
14,60
10,46
0,12
5,92
11,00
2,74
0,67
G30-2-4
51,51
1,76
14,65
10,56
0,09
6,16
10,86
2,96
0,61
S для p = 0.95
0,38
0,10
0,26
0,28
0,16
0,32
0,13
0,44
0,06
середня
51,52
1,76
14,74
10,41
0,16
5,94
10,94
2,93
0,63
Sr,% отн.
0,75
6,01
1,76
2,75
102,54
5,45
1,24
15,29
10,01
Еталонний складу G30-2
51,52
1,61
15,21
10,07
0,19
6
10,63
3,06
0,57
Таблиця 4. У таблиці представлені
результати вимірювання хімічного складу еталонного зразка G30-2 на
Мікрозонд CamScan, а також еталонний хімічний склад зразка. Для серії
аналізів на Мікрозонд пораховані середні значення та випадкові помилки.
Систематична
похибка розраховувалася за формулою: де ХI
- Результат i - визначення складу методом, i = 1,2,, n, Х0 --
атестовані значення хімічного складу; Значимість систематичної
похибки при цьому визначається за допомогою критерію, , де Sr
- Відносна випадкова похибка вимірювань. В результаті, чого було
встановлено, що систематична помилка не виходить за допустимі межі.
Петрографія
і мінералогія базальтів.
Суміші
базальтів району м. Терпук приведені в наступній таблиці:
N
SiO2
TiO2
Al2O3
Fe2O3
FeO
MnO
MgO
CaO
Na2O
K2O
P2O5
ппп
H2O +
коментарі
6,00
48,75
1,34
17,30
5,55
5,15
0,10
8,18
9,18
3,20
0,80
0,43
0,57
0,24
вулк.Терпук, лавових потік
103,00
49,02
1,34
17,29
6,45
3,83
0,13
8,07
9,03
3,14
0,86
0,39
0,67
0,16
вулк.Терпук, лавових потік
105,00
49,23
1,37
17,50
3,73
6,27
0,08
7,87
9,31
3,20
0,86
0,37
0,53
0,14
вулк.Терпук, лавових потік
206/6
49,27
1,50
16,46
3,94
6,46
0,18
8,00
9,33
3,33
0,84
0,40
0,72
0,29
вулк.Терпук, лавових потік
207,00
48,88
1,45
17,05
3,61
6,60
0,14
7,66
9,20
3,31
0,85
0,35
0,73
0,18
вулк.Терпук, лавових потік
208/1
48,70
1,30
16,43
2,96
7,61
0,57
8,25
8,97
3,42
0,90
0,40
1,00
0,16
вулк.Терпук, лавових потік
7,00
48,56
1,32
17,31
4,41
6,12
0,45
7,50
8,82
3,06
0,79
-
0,90
0,30
вулк.Терпук, лавове озеро
07/1
48,98
1,34
17,44
3,54
6,68
0,13
8,78
8,90
3,20
0,84
0,40
0,64
0,27
вулк.Терпук, лавове озеро
8,00
48,88
1,05
17,22
7,57
3,47
0,15
7,81
8,93
3,24
0,86
0,41
0,78
0,24
вулк.Терпук, лавове озеро
Таблиця 5. Витяг з пояснювальної
записці до геологічної карти 1: 200 000. У таблиці представлені хімічні
склади вивержених порід р. Терпук.
Опис
шлифов.
ПК 02/20 Олівіновий
базальт. Структура порфірову, пориста, пори розташована хаотично, розміри
0,2 до 1 мм. Вкрапленнікі представлені кристалами олівіну і плагіоклазу, також
зустрічаються характерні олівін плагіоклазовие зростки. Текстура основної маси
інтерсертальная - тонкі лейсти плагіоклазу в скловатою матриці.
Фотографія
6. На знімку зображено частину поверхні шлиф ПК 02/20. Зображення
отримано з поляризаційного мікроскопа Option з включеним аналізатором і
об'єктивом x40. На знімках добре видно фенокрісталли олівіну і плагіоклазу,
на правому знімку представлені олівін плагіоклазовие зрощення, у великій
кристал олівіну вростають кристали плагіоклазу.
ПК 02/27
Олівіновий базальт. Структура порфірову, пориста, пори розташована
хаотично, розміри 0,2 до1, 5 мм Вкрапленнікі представлені кристалами олівіну
і плагіоклазу, також зустрічаються характерні олівін плагіоклазовие зростки.
Текстура основної маси інтерсертальная - тонкі лейсти плагіоклазу в
скловатою матриці.
Фотографія
7. На знімку зображено частину поверхні шлиф ПК 02/27. Зображення
отримано з поляризаційного мікроскопа Option з включеним аналізатором і
об'єктивом x10 на лівому знімку і x40 на правому. На лівому знімку добре видно
великий фенокрісталл олівіну (у верхньому правому куті) з областями резорбції,
так само видно, що порода пориста, розміри пір варіюють у широкому діапазоні.
На правому знімку представлений ділянку основної маси, складеної витягнутими
кристалами плагіоклазу і скловати агрегатом між кристалами.
Расплавние
включення.
Расплавние
включення являють собою ділянки розплаву, захоплені і законсервовані
кристалом в процесі росту або перекристалізації з-за різних дефектів
структури поверхні (рис. 8). У першу чергу, для утворення расплавних
включень необхідний розплав. Для того, щоб відбулося захоплення расплавного
включення необхідний дефект на фазової кордоні кристал-розплав. Наявність дефекту
є основною умовою освіти расплавних включень.
В
фенокрісталлах олівіну з ареальні базальтів р. Терпук спостерігається велика
кількість расплавних включень. Опис включений наводитися для зерен після
гартівних експерименту.
У зернах
олівіну зі зразка ПК 02/20 расплавние включення в основній своїй масі
представляють скловати області нерідко з газовими бульбашками розмірами від 10
до 300 мікрон. Морфологічно можна виділити два типи включень. Перший тип під
оптичним мікроскопом відрізняється витягнутими, каплевидними формами, коричневою
забарвленням, частою присутністю газового бульбашки. Другий тип включений володіє
ізометричний більш округлими формами, світлою прозорою забарвленням, відсутністю
газового бульбашки (див. фотографію 9). Перший тип включений знаходився в усіх
вивчених зернах. Часто ці включення формують невеликі 5-10 шт. групи, хоча
і зустрічаються окремі екземпляри. Є кілька включень з дуже
великими газовими бульбашками, які займають до 80% обсягу включення. Включення
другого типу знайдені тільки в деяких зернах. Не виявлено таких
численних скупчень цих включень на відміну від першого типу.
Фотографія
9. Фотографія під оптичним збільшенням x25 зерна 08 зі зразка ПК 02/20. На
фотографії представлений ділянку поверхні кристала олівіну із захопленими
расплавнимі включеннями.
Фотографія
10. Фотографія під оптичним збільшенням x25 зерна 01 зі зразка ПК 02/20,
де представлений ділянку поверхні кристала олівіну із захопленими
расплавнимі включеннями. На зображенні чітко видно три включення. У правому
нижньому куті світла майже прозора округла область зайнята включенням
одного типу, а два інших включення належать до іншого типу, вони
відрізняються як кольором, так і формою. У верхньому присутні кристалічні
фази.
Зерна олівіну
зі зразка ПК 02/27 містять крім расплавних включень, численні
включення шпінелі. Расплавние включення в цьому зерні мають великий діапазон
розмірів від 5 до 500 мікрон. Зустрічаються сильно подовжені включення (до 500мм
в довжину і 20-30 завширшки). Також у цьому зразку виявлений тільки один тип
включень.
Фотографія
11. Фотографія під оптичним збільшенням x25 зерна 15 зі зразка ПК 02/27,
представлений ділянку поверхні кристала олівіну. На знімку видно, що в
кристалі олівіну присутні расплавние включення (центр знімка і нижній
правий кут) і численні дрібні включення шинелі, хаотично розкидані
по всьому зерну.
Крім
оптичного вивчення расплавние включення досліджувалися за допомогою мікрозонда.
Повний список аналізів наведено у додатку 2.
На жаль, у
зв'язку c впливом крайовими ефектами на склад включення для подальшого
вивчення з усіх померенних включений необхідно було відбракувати занадто
маленькі включення, розмірами не перевищують 20 мікрон. Таким чином, залишилося
8 для подальшого вивчення складів включень, вони наведені
у таблиці 12.
Зразок
SiO2
TiO2
Al2O3
FeO *
MnO
MgO
CaO
Na2O
K2O
P2O5
Cr2O3
ПК 02/20 - 1
49,25
0,39
21,29
5,19
0,06
8,79
9,37
5,15
0,23
0,02
0,10
ПК 02/20 - 2
45,82
1,94
18,14
9,55
0,29
6,20
12,39
4,14
0,57
0,34
0,06
ПК 02/20 - 3
46,14
1,68
17,85
9,44
0,20
8,29
11,32
3,60
0,44
0,41
0,00
ПК 02/20 - 4
49,12
0,82
21,21
6,37
0,18
7,52
9,98
3,96
0,35
0,13
0,04
ПК 02/20 - 7
46,98
1,49
16,71
9,44
0,32
9,92
9,45
3,72
0,80
0,48
0,00
ПК 02/27 - 12
47,24
1,48
16,80
9,21
0,20
9,55
10,48
3,14
0,81
0,46
0,06
ПК 02/27 - 13
46,98
1,58
15,90
11,07
0,20
9,47
9,59
3,20
0,90
0,49
0,06
Таблиця 12. У таблиці представлені
хімічні склади скловати включень із зразків ПК 02/20 і 02/27 ПК
задовольняють критерію за розміром включення перевищує 20 мікрон.
Отримані
склади расплавних включений в загальному випадку не відповідають складам вихідного
розплаву, оскільки при захопленні порції розплаву в кристалі на стінках
мінералу-господаря з цього розплаву починає випадати кристалічна фаза. З
урахуванням цих міркувань з аналізу складу расплавного включення можна отримати
істинний склад розплаву. Для цих цілей потрібно промоделювати зворотну
кристалізацію розплаву. В даному випадку в рівновазі з расплавним включенням
повинен знаходити олівін, визначаємо склад олівіну що знаходиться в рівновазі,
додаємо до складу включенню певний відсоток цього мінералу, і знову
визначаємо рівноважний олівін, розрахунок ведеться до тих пір, поки склад
рівноважного олівіну не наблизитися до вимірювань складу олівіну.
Склад рівноважного
олівіну розраховується за моделлю Форда [Ford et., 1982] - рівновага
олівін-розплав. Основою для методу служать термодинамічні розрахунки. Хімічне
рівновага двох фаз може бути представлено рівнянням вільної енергії
Гіббса.
де ХI
- Результат i - визначення складу методом, i = 1,2,, n, Х0 --
атестовані значення хімічного складу; Значимість систематичної
похибки при цьому визначається за допомогою критерію, 
, де Sr
- Відносна випадкова похибка вимірювань. В результаті, чого було
встановлено, що систематична помилка не виходить за допустимі межі.
