Загальна геохімічна характеристика метаморфічних систем

Більшість метаморфічних порід являють собою складні багатокомпонентні системи. Рівноважним називається такий стан системи, коли вона залишається незмінною з одночасній незмінності навколишнього середовища.

Система – це сукупність матеріальних тіл, які мають спільну межу розділу з навколишнім середовищем і характеризуються конкретними фізичними характеристиками (температурою, тиском, складом, об’ємом). Системи бувають відкриті, коли можуть обмінюватись із навколишнім середовищем речовиною та теплом, закриті, коли вони не можуть обмінюватись із навколишнім середовищем речовиною та теплом, або частково закриті.

Совокупность всех физических и химических характеристик системы называется состоянием системы. Для метаморфической геологии системой может являться блок пород, метаморфизованный в одной фации, или отдельный пласт, или порода. Состояние системы характеризуется рядом термодинамических свойств, которые взаимосвязаны и изменяются одновременно. Для полного описания системы необходимо и достаточно знать какое-то наименьшее количество термодинамических свойств, которые называются параметрами состояния системы.

Параметры – величины, при помощи которых может быть однозначно описано состояние системы. Это независимые переменные, такие, как температура, давление, объем, масса, внутренняя энергия и т.д. Среди них различаются экстенсивные и интенсивные параметры.

Экстенсивные – это параметры, обладающие свойством аддитивности. Например, объем, масса, энтропия. Так, объем системы равен сумме объемов фаз, а масса системы – сумме масс фаз. Интенсивные – это параметры, не зависящие от массы системы или числа частиц в ней (температура, давление, химический потенциал, плотность, концентрация). Фаза – это отделенная физическими границами часть системы, находящаяся в твердом, жидком или газообразном состоянии и обладающая устойчивым составом при определенных значениях температуры и давления. Применительно к породной системе – это минералы, флюид, газовая фаза. Все зерна минерала одинакового состава представляют одну фазу.

Компоненты – это элементы (оксиды), полностью отражающие состав системы. Реакции между ними могут дать весь набор составляющих систему фаз (минералов). Компоненты подразделяются на зависимые и независимые, инертные и подвижные. Зависимые компоненты системы имеют одинаковые стехиометрические формулы, но разное физическое или структурное состояние. Например, жидкая, твердая и газообразная вода, полиморфы силикатов глинозема (кианит, андалузит, силлиманит) или кварца (α- и β-кварц, кристобалит, а также стишовит и коэсит, устойчивые при ультравысоких

давлениях). Независимые компоненты представляют наименьшее количество тех элементов, оксидов или стехиометрических единиц, из которых могут быть получены все фазы системы. Для учета вещественного состава системы используется концентрация компонента и его химический потенциал. Химический потенциал μ характеризует состояние какого- либо рассматриваемого компонента в фазе данного состава при определенных внешних условиях. Он зависит от концентраций всех компонентов. В состоянии равновесия химический потенциал и каждого компонента должен быть одинаков во всех фазах системы.

БІЛЕТ №2

(1) Будова та геохімія планет земної групи у порівнянні з існуючими даними щодо планет-гігантів, зовнішніх планет та малих тіл Сонячної системи. Земля, її походження, будова та загальний склад.

Планети земної групи – чотири планети Сонячної системи: Меркурій, Венера, Земля та Марс^[1]. По структурі та складу до них можуть бути віднесені і деякі астероїди, наприклад, Веста. Планети земної групи мають високу густину та складаються переважно з силікатів та металізованого заліза (на відміну від газових гігантів та льодових карликових планет, об’єктів пояса Койпера та хмари Оорта). Найбільша планета земної групи — Земля, більше ніж у 14 разів уступає в масі найменшому газовому гіганту — Урану, але при цьому у 400 разів масивніша найбільшого об’єкта поясу Койпера.

Планети земної групи складаються переважно з кисню, кремнію, заліза, магнію, алюмінію та інших важких елементів.

Всі планети земної групи мають наступну буд ову: 1) у центрі планети залізне ядро з невеликою кількістю нікелю. 2)мантія складається з силікатів; 3) кора, яка виникла через часткове плавлення мантії складається також з силікатних порід. З поміж планет земної групи тільки у Меркурія немає кори, оскільки вона була розбита в результаті метеоритних бомбардувань. Земля відрізняється від інших планет групи наявністю великої кількості гранітів у корі. Дві планети земної групи (Земля та Марс) мають супутники і жодна зі всіх чотирьох планет групи не має кілець.

Газові планети (планети-гіганти, газові гіганти) — планети, які майть у своєму складі значну частку газу (водень та гелій).

В Сонячній системі це Юпітер, Сатурн, Уран, Нептун. Найбільш велика наразі відома газова планета TrES-4b (сузір'я Геркулес).

Відповідно до гіпотези походження Сонячної системи, планети-гіганти утворились пізніше за планети земної групи, коли температура навколосонячної туманності опустилась до точки кристалізації газу. В цей час всі тугоплавкі елементи вже були в твердій формі в складі більш близьких до Сонця планет.

Гіпотези про внутрішню будову газових планет припускають існування декілької шарів. На певній глибині тиск в акмосфері газових планет досягає значення достатнього для переходу водню в рідкий стан. Також, якщо планета досить велика, то можливе існування шару металічного водню (стану, де протони і електрони існують окремо), потоки електронів в якому породжують потужне магнітне поле планети. Також можливе існування невеликого кам'яного чи металічного ядра. Період обертання газових планет навколо своєї осі становить 9—17 годин. В атмосфері газових планет дують потужні вітри, та гіганські вихори (Велика червона пляма на Юпітері, Велика Біла пляма на Сатурні, Велика Темна пляма на Нептуні). Газовими можуть бути тільки великі планети, які можуть втримати гелій та водень. Більшість виявлених екзопланет теж є газовими.

Коме́та — мале тіло Сонячної системи, яке обертається навколо Сонця і має так звану кому (атмосферу) і/або хвіст. Кома і хвіст комети — це наслідки випаровування ядра комети під дією сонячного випромінювання. Ядро являє собою малу планету, що складається з каменю, пилу і криги.

Ядра комет за своїм елементним складом i хімічним складом споріднені до планет-гігантів: вони складаються з водяного льоду і льодів різних газів з домішкою кам'янистих речовин. Майже всі малі планети за своїм складом належать до кам'янистих планет земної групи. Тільки нещодавно відкритий Хірон, що рухається між орбітами Сатурна і Урана, ймовірно, подібний до крижаних ядер комет та невеликих супутників далеких від Сонця планет.

Комети рухаються, здебільшого, витягнутими орбітами, що близькі до параболічних. Деякі комети мають витягнуті орбіти порівняно невеликих розмірів — десятки і сотні астрономічних одиниць. У цих комет, названих періодичними, переважають прямі рухи, тобто їхнє обертання відбувається в тому ж напрямку, що й обертання планет.

Астеро́їд або мала́ плане́та — невелике небесне тіло діаметром від 50 м до 1000 км, що складається зі скельних порід або заліза та нікелю.

Орбіти більшості астероїдів знаходяться між орбітами Марса і Юпітера (так званий головний пояс астероїдів), вважають, що вони залишилися після формування Сонячної системи. Загальна кількість — більше 500 тис., але загальна їх маса становить лише кілька відсотків маси Землі.

Найвідоміші астероїди: Паллада, Юнона, Веста, Ероc, Амур, Гідальго, Ікар.

Внутрішня будова і склад «твердої» Землі. 3. складається з трьох основних геосфер: земної кори, мантії і ядра, яке, в свою чергу, поділяється на ряд шарів. Речовина цих геосфер різна за фізичними властивостями, станом і мінералогічним складом. У залежності від величини швидкостей сейсмічних хвиль і характеру їх зміни з глибиною «тверду» Землю ділять на вісім сейсмічних шарів: А, В, С, D', D", Е, F і G. Крім того, в Землі виділяють особливо міцний шар літосферу і наступний, розм'якшений шар — астеносферу. Шар А, або земна кора, має змінну товщину (в континентальній області — 33 км, в океанічній — 6 км, в середньому — 18 км). Під горами кора потовщується, в рифтових долинах серединно-океанічних хребтів майже зникає. На нижній межі земної кори, — поверхні Мохоровичича, — швидкості сейсмічних хвиль зростають стрибкоподібно, що пов'язано переважно зі зміною речовинного складу з глибиною, переходом від гранітів і базальтів до ультраосновних гірських порід верхньої мантії. Шари В, С, D', D" входять у мантію. Шари Е, F і G утворюють ядро Землі радіусом 3486 км. На межі з ядром (поверхні Гутенберґа) швидкість подовжніх хвиль різко зменшується на 30%, а поперечні хвилі зникають, що вказує на те, що зовнішнє ядро (шар Е, що тягнеться до глибини 4980 км) рідке. Нижче перехідного шару F (4980-5120 км) знаходиться тверде внутрішнє ядро (шар G), в якому знову розповсюджуються поперечні хвилі.

У твердій земній корі переважають такі хімічні елементи: кисень (47,0%), кремній (29,0%), алюміній (8,05%), залізо (4,65%), кальцій (2,96%), натрій (2,5%), магній (1,87%), калій (2,5%), титан (0,45%), які в сумі складають 98,98%. Найбільш рідкісні елементи: Ро (приблизно 2·10^-14 %), Ra (2·10^-10 %), Re (7·10^-8 %), Au (4,3·10^-7 %), Bi (9·10^-7 %) тощо.

У результаті магматичних, метаморфічних, тектонічних процесів і процесів осадоутворення земна кора різко диференційована, в ній протікають складні процеси концентрації і розсіяння хімічних елементів, що приводять до утворення різних типів порід.

Вважають, що верхня мантія за складом близька до ультраосновних порід, в яких переважає О (42,5%), Mg (25,9%), Si (19,0%) і Fe (9,85%). У мінеральному відношенні тут панує олівін, менше піроксенів. Нижню мантію вважають аналогом кам'яних метеоритів (хондритів). Ядро 3емлі за складом аналогічне залізним метеоритам і містить приблизно 80% Fe, 9% Ni, 0,6% Co. На основі метеоритної моделі розрахований середній склад Землі, в якому переважає Fe (35%), О (30%), Si (15%) і Mg (13%).

Температура є однією з найважливіших характеристик земних надр, що дозволяють пояснити стан речовини в різних шарах і побудувати загальну картину глобальних процесів. За вимірюваннями в свердловинах температура на перших кілометрах наростає з глибиною з градієнтом 20 °C/км. На глибині 100 км, де знаходяться первинні вогнища вулканів, середня температура трохи нижча за температуру плавлення гірських порід і дорівнює 1100 °C. При цьому під океанами на глибині 100—200 км температура вища, ніж під континентами, на 100—200 °C. Стрибок густини речовини в шарі С на глибинв 420 км відповідає тиску 1,4·10¹⁰ Па і ототожнюється з фазовим переходом в олівіні, який відбувається при температурі приблизно 1600 °C. На межі з ядром при тискові 1,4·10¹¹ Па і температурі порядку 4000 °C силікати знаходяться в твердому стані, а залізо в рідкому. У перехідному шарі F, де залізо затвердіває, температура може бути 5000 °C, в центрі 3емлі — 5000-6000 °C, тобто, адекватна темппературі поверхні Сонця.

Походження Земл і. Є різні теорії виник­нення Сонячної системи і Землі. Одна з таких тео­рій стверджує, що Сонце виникло з величезних хмар рухомого газу — так званих туманностей. На початку існування Сонця навколо нього стрімко рухався широкий диск, утворений пилом та газом. Частина цього пилу і газу збиралася в грудки, що згодом стали планетами Сонячної системи. Однією з них і була наша Земля.

За іншою теорією планети утворювалися з розпечених викидів соняч­ного матеріалу. Вони ві­дірвалися від Сонця і почали кружляти навколо нього за своїми орбітами, поступово охолоджую­чись. За розрахунками вчених, температура на поверхні Землі (в період її народження) сягала 4 000°С. Потрібно було ба­гато мільйонів років, щоб поверхня охолонула і сформувалася тверда кора.

Є зовсім інша теорія. Згідно з нею, частинки пилу і газу з'єднува­лись у грудки під великим тиском. І спочатку ці грудки, які ставали планетами, були холодними. Але від величезного тиску вони почина­ли розігріватися зсередини. Отож, проблема виникнення планет Со­нячної системи остаточно не вирішена.

(2) Кристалізаційна диференціація магматичних розплавів як головний фактор магматичної еволюції.

Диференціація магми – розділення первинної магми під дією фізико-хімічних процесів на частини з різним хімічним складом, що веде до виникнення різних мінеральних комплексів. Розрізняють Д. м.: к р и с т а л і з а ц і й н у (розділення твердих кристалічних фаз магми в процесі її кристалізації) - основний механізм Д.м.; ф р а к ц і й н у (широко виявляється при формуванні розшарованих інтрузій основних і ультраосновних гірських порід, що утворилися в результаті осаду продуктів кристалізації на дно магматичної камери, яке поступово підіймається, а також при формуванні глибоко диференційованих масивів рідкіснометальних гранітоїдів (лужних, літій-флуористих, онгонітів і інш.); к і н е м а т и ч н о - г р а в і т а ц і й н у (різновид кристалізаційної Д.м. при якій іде перерозподіл сполук у фронтальних та нижніх шарах магми, збагачення нижніх шарів СаО, MgO, FeO; л і к в а ц і й н у - розділення розплаву на дві рідкі фази що не змішуються; е м а н а ц і й н у - розділення речовини магматич. розплаву за рахунок утворення хім. сполук, компонентів магми з флюїдами, здатними до відособлення (протікає під впливом потоків трансмагматичних флюїдів).

Любой магматический расплав - это по существу трехкомпонентная система, состоящая из жидкости, газа и твердых кристаллов, которые стремятся к равновесному состоянию. В зависимости от изменения температуры, давления, состава газов и т. д. меняются расплав и образовавшиеся в нем ранее кристаллы минералов - одни растворяются, другие возникают вновь, и весь объем магмы непрерывно эволюционирует.

Процесс кристаллизационной дифференциации хорошо изучен. Кристаллы, образующиеся в магме, всегда отличаются от нее по составу, а также по плотности, что вызывает осаждение кристаллов. При этом состав оставшегося расплава будет изменяться. В основных силикатных базальтовых магмах сформировавшиеся раньше всего кристаллы оливина и пироксена, как обладающие большей плотностью, могут скапливаться в нижних горизонтах магматической камеры, расплав в которой из однородного базальтового становится расслоенным. Нижняя часть приобретает ультраосновной состав, более высокая - базальтовый, а самые верхние части, обогащаясь кремнеземом и щелочными металлами, приобретают еще более кислый состав, вплоть до гранитного. Так образуются расслоенные интрузивные тела. Кристаллизационная и гравитационная дифференциация является одним из важнейших процессов эволюции магматических расплавов.

Самый главный фактор, вызывающий понижение температуры кристаллизации,- это флюидное давление. Чем оно выше, тем температура кристаллизации ниже. Особенно велико влияние воды на структурные и химические свойства силикатных расплавов. Увеличение давления Н₂O и ее растворение понижает вязкость расплавов и превращает алюмосиликатные расплавы в силикатные. Важное значение имеет продукт восстановления воды - водород H₂ и так называемое водно-водородное отношение Н₂O/Н₂, в зависимости от которого варьирует соотношение Fе₂Оз и FeO, показывающее степень окисления - восстановления расплава. Повышенное содержание летучих (флюидов) компонентов способствует сохранению расплавов в жидком состоянии до сравнительно низких температур, если сопоставлять их с таковыми "сухих" расплавов.

Таким образом, флюидные компоненты, обладающие высокой растворимостью в расплавах, т.е. трудно отделяемые от него, резко понижают температуру кристаллизации расплава, а компоненты труднорастворимые, наоборот, повышают температуру кристаллизации. Если в магме содержится много летучих компонентов, которые могут легко от нее отделиться, то она приобретает способность взрываться, что проявляется в мощных эксплозивных извержениях вулканов. Отделение летучих компонентов от магмы происходит обычно в верхних горизонтах земной коры, где давление ниже. Обогащение одних участков расплава по сравнению с другими флюидными компонентами приводит к тому, что первые дольше сохраняют жидкое состояние, способствуя появлению полосчатых текстур и приводя к образованию несмешивающихся расплавов, т.е. к ликвации. Важно подчеркнуть, что потоки глубинных флюидов, проходя через расплав и взаимодействуя с ними, изменяют его состав за счет привноса одних и выноса других компонентов. Таким образом, флюидный режим, различная растворимость (магмофильность) флюидных компонентов в расплаве, повышение или понижение их давления оказывают решающее влияние на дифференциацию магматических расплавов, их вязкость и температуру кристаллизации.

Важным фактором эволюции и дифференциации магматических расплавов является их взаимодействие с вмещающими породами. На больших глубинах перемещение магмы может происходить только при явлении магматического замещения, когда глубинные трансмагматические флюиды реагируют с вмещающими породами, растворяя их, при этом осуществляется привнос - вынос различных элементов.

Кристалізаційна диференціація пов'язана з тим, що мінерали., що виділяються в початкові стадії твердіння, мінерали по питомій вазі відмінні від розплаву. Це веде до спливання одній їх частині (наприклад, кристали плагиоклаза в діабазах Кольського півострова) і опусканню інший (наприклад, олівіна і авгита в базальтах Н. Шотландії). В результаті у вертикальному розрізі магматичні тіла утворюються породи різного складу. Можлива зміна складу магми. при віджиманні залишкової рідини від кристалів, що виділилися, і в результаті взаємодії магми. з вміщаючими породами. Спочатку передбачалося, що магматична диференціація і взаємодія з вміщаючими породами (асиміляція, контамінація) ведуть до різноманітності мінералів. Теперь цими процесами частіше пояснюють деталі будови окремих масивів магматичних порід, смужчату будову інтрузивних тіл, відмінності у складі лав, що одночасно виливаються з вулкана на різних гіпсометричних рівнях, і зміну складів лав, що виливаються з вулкана. Для визначення ходу еволюції магми. важливе значення має послідовність виділення мінералів при кристалізації магми. Немецким петрографом До. Р. Розенбушем і американським петрографом Н. Боуеном була розроблена схема, згідно якої при кристалізації магми. в першу чергу завжди виділяються рідкі (акцесорні) мінерали, потім магнезійно-залізисті силікати і основні плагиоклази, далі слідують рогова обманка і середні плагиоклази, а в кінці процесу утворюються біотіт, лужні польові шпати і кварц. У основних магм. той же закон визначає звичайне випадання в першу чергу олівіна, пізніше піроксенов і лише в кінці — амфіболов і слюда. Проте універсальної послідовності кристалізації магми. не існує. Це узгоджується з представленнями про магму як про складний розчин, де випадання твердих фаз визначається законом мас, що діють, і розчинністю компонентів. Тому в магмі, багатою алюмосилікатнимі і лужними компонентамі, польові шпати виділяються раніше за темноцветних мінерали (у гранітах). У сильно пересичених кремнеземом породах незрідка першим виділяється кварц (кварцеві порфіри). Навіть у магм одного складу порядок кристалізації міняється залежно від вмісту в них летких компонентів.