Теоретические основы анализа парагенезисов минералов

Книга представляет значительно дополненное и переработанное издание предыдущей книги автора «Физико-химические основы анализа парагенезисов минералов» (1957 г.), которая была издана также на английском, французском и японском языках. Глава I посвящена термодинамическим основам анализа парагенезисов минералов, в особенности введенным автором понятиям открытых систем с вполне подвижными компонентами. Она дополнена данными об активности, фугитивности, кислотно-основном взаимодействии компонентов, термодинамических потенциалах систем с извне заданной кислотностью и окислительном потенциале. Глава II излагает графические методы изображения составов и их проективные преобразования. В главе III исследуется связь между минеральным и химическим составом при постоянных внешних условиях на основе правила фаз Гиббса. В главе] IV рассматривается зависимость минерального состава от внешних условий, излагаются методы построения многопучковых диаграмм минеральных равновесий в зависимости от интенсивных параметров, особенно от химических потенциалов двух вполне подвижных компонентов. В главе V излагается развитая автором теория экстремальных состояний минеральных систем (не затрагивавшаяся в предыдущем издании). В главе VI рассмотрено значение анализа парагенезиса минералов для решения петрологических проблем. Книга рассчитана на исследователей, интересующихся вопросами физико-химической петрологии и минералогии.

Данная книга возникла в результате переработки и существенного дополнения книги автора: «Физико-химические основы анализа парагенезисов минералов»  (1957).

Парагенезис минералов понимается как закономерное, повторяющееся в определенных геологических условиях сонахождение минералов в тесном соприкосновении друг с другом. Таков, например, парагенезис одновременно образующихся минералов, представляющих продукт одной и той же стадии минералообра-зования. Под парагенезисом, в широком смысле слова, понимают также сонахождение минералов с продуктами их последующего разложения. В этой книге парагенезис минералов будет применяться в более узком значении — равновесный парагенезис, т. е. как ассоциация сосуществующих взаимно равновесных минералов. В такую ассоциацию могут включаться не только одновременно возникшие минералы, но и те из ранее образованных минералов, которые сосуществуют в равновесии с данными. Для краткости в этой книге такой равновесный парагенезис мы будет обозначать просто  как  парагенезис.

Задачей анализа парагенезисов минералов («парагенетичес-кого анализа»), или, точнее, физико-химического анализа пара-генетических соотношений минералов, является изучение природных парагенезисов минералов с выявлением зависимости минерального состава горных пород и руд от различных физико-химических условий их формирования: химического состава исходной породы или магмы, температуры, давления, концентрации подвижных компонентов в воздействующих ^растворах и пр. Естественно, что для решения задач такого рода необходимо систематическое изучение большого каменного материала при хорошей геологической основе.

Начало анализу парагенезисов минералов было положено В. М. Гольдшмидтом (Goldschmidt, 1911), который показал, что минеральные ассоциации в контактовых роговиках района Осло подчиняются правилу фаз В. Гиббса (законам химического равновесия). П. Эскола в период 1915—1921 гг. разработал метод «минеральных фаций» (Eskola, 1921), т. е. метод упрощенного анализа природных минеральных парагенезисов, на основе диаграмм связи между химическим и минеральным составом. Метод минеральных фаций П. Эскола получил всеобщее признание и широкое распространение. Минеральные равновесия метаморфических горных пород рассматриваются П. Эскола как равновесия в закрытых системах, и только для воды сделано исключение. Основываясь на наблюдаемых закономерностях минеральных па-рагенезисов метаморфических горных пород, П. Эскола утверждает, что при метаморфизме «вода находится в избытке» как особая водная фаза (поровый раствор), т. е. воду он рассматривает как избыточный компонент, подобный кремнезему в кварцсодер-жащих породах. В зарубежной литературе о метаморфизме вплоть до последних сводок Ф. Тернера (Turner, 1968), Г. Рамберга (Ramberg, 1952), Т. Барта (Berth, 1952), Г. Винклера (1969) авторы по существу ограничиваются методом минеральных фаций П. Эскола  с  небольшими уточнениями.

Введение понятия о системах с вполне подвижными компонентами (Коржинский, 1936) дало возможность значительно расширить метод анализа парагенезисов и распространить его на мета-соматические и магматические образования, возникшие в условиях открытых систем. Это расширение метода первоначально было встречено с недоверием вследствие ранее широко распространенного среди геологов ошибочного убеждения, что правило фаз Гиббса и вообще учение о химическом равновесии применимо только  к   закрытым,   но   не  к  открытым  системам.

Следует отметить, что в СССР развитие анализа парагенезисов было подготовлено работами Е. С. Федорова (о проекциях состава и о методах графического изображения связи между химическим составом минералов и их свойствами см., например, Е. С. Федоров, 1918), а также Н. С. Курнакова по физико-химическому анализу систем компонентов. Под влиянием этих работ развивалась в СССР физико-химическая петрология и, в частности, анализ парагенезисов.

Из ранних исследований по анализу парагенезисов минералов, кроме ряда работ автора этой книги, следует упомянуть работы М. Н. Годлевского (1938) и особенно В. С. Соболева (1949). Начиная с 50-х годов анализ парагенезисов получил в советской литературе широкое распространение. В настоящее время особое значение приобрели работы В. А. Жарикова (1968), А. А. Маракушева (1965, 1968) и Л. Л. Перчука (1970). В заграничной литературе ведущее значение имели статьи Дж. Томпсона (Thompson,   1955,   1957)  и его учеников.

Для установления количественного значения температуры, давления, концентраций подвижных компонентов в растворах, свойственных определенным минеральным фациям, необходимы сопоставление природных парагенезисов с экспериментально изученными системами, термодинамический расчет реакций, изучение флюидных включений в минералах и другие методы. Однако прежде всего должны быть установлены закономерности природных парагенезисов минералов в их качественной зависимости от геологических условий. Методами решения этой первой задачи мы и ограничимся в этой книге.

Анализом парагенезисов минералов устанавливается зависимость минерального состава от активностей или химических потенциалов подвижных компонентов в воздействующих растворах. В некоторых случаях активность компонентов, в свою очередь, зависит от кислотности и окислительного потенциала раствора, что связано с явлениями ионизации компонентов в растворе. Соответствующие диаграммы минералообразования в зависимости от рН и Eh имеют большое значение в применении к процессам выветривания, седиментации, диагенеза, особенно благодаря прекрасному руководству Р. М. Гаррелса и С. Л. Крайста (Garrels, Christ, 1965). В применении к более высокотемпературным процессам использование таких диаграмм затруднено ненадежностью сведений о характере и степени ионизации компонентов в растворе. В этой книге мы ограничиваемся лишь вводными сведениями по этой интересной проблеме, требующей дальнейших исследований.

В основе анализа парагенезисов лежит представление о химическом равновесии. Поэтому мы прежде всего должны остановиться на основных положениях химической термодинамики, тем более, что в приложении к природным процессам особое значение имеют термодинамические соотношения в открытых системах, недостаточно освещаемые в большинстве руководств по термодинамике. Изучение природных открытых систем привело автора к некоторым необычным формулировкам и представлениям, как представление о системах с вполне подвижными компонентами и их термодинамических   потенциалах.

При изложении методов графического изображения химических составов использованы понятия проективной геометрии, что придает различным методам изображения значительную общность. Дальнейшее изложение методов анализа парагенезисов в существенной степени основано на собственных исследованиях автора, которые, начиная с 1932 г., в значительной мере были посвящены физико-химическому анализу процессов минералообразования. В данное издание включена новая глава об экстремальных составах минералов.

Выражаю большую благодарность проф. В. А. Жарикову и проф. И. А. Островскому, которые прочли книгу в рукописи и помогли  мне в  ее  редактировании.