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

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».