Исследования газово-жидких включений минералов
Исследование газово-жидких включений обычно проводится на нерудных минералах с использованием микроскопа для проходящего света, однако оно стало полезным и все более широко применяемым методом, который дополняет традиционную рудную микроскопию и поэтому заслуживает краткого рассмотрения в этой главе. Особенно ценные данные получены о температурах рудообразования или последующего метаморфизма и о химизме рудных флюидов. Газово-жидкие включения отмечаются в большом количестве во многих рудных и жильных минералах и могут наблюдаться с помощью стандартного петрографического микроскопа. Поэтому здесь кратко рассматриваются природа и значение газово-жидких включений, а также способы приготовления образцов для их изучения; более подробную информацию читатель может найти в литературе, приведенной в конце главы.
Природа и расположение газово-жидких включений. Газово-жидкие включения представляют собой небольшие количества флюида, захваченного кристаллами в процессе их роста из раствора, или при полной перекристаллизации (первичные включения), или в процессе локальной перекристаллизации вдоль трещин в более позднее время (вторичные включения). Газово-жидкие включения весьма широко распространены в рудных и жильных минералах, иногда их количество составляет миллиард или более на кубический сантиметр. Объем их часто менее 10 мкм3, но у многих из них он достигает кубического миллиметра и более. Однако включения редко обнаруживаются в обычных полированных шлифах вследствие незначительного количества света, реально проникающего в большинство рудных минералов; даже среди наиболее прозрачных рудных минералов включения распознаются редко и выявляются лишь внутренние рефлексы. При соответствующей подготовке прозрачных рудных и жильных минералов и их наблюдении в проходящем свете, как это описано ниже, в них все же обнаруживаются мельчайшие включения, обычно ориентированные вдоль хорошо выраженных кристаллографических плоскостей (рис. 8.17) и обладающие большим разнообразием форм. Некоторые включения (рис. 8.18) могут содержать видимые пузырьки или зерна минералов (минералы-узники), отложившихся из флюида во время или после их захвата.
Первичные включения, захваченные во время роста минерала-хозяина, могут быть пробами рудообразующего флюида и давать важную информацию об условиях переноса и отложении руд. Реддеротметил, что во многих рудах имеет место чередование отложений рудных и жильных минералов, а не одновременное их отложение. Если это справедливо, то газово-жидкие включения в жильных минералах, возможно, не представляют собой флюиды, из которых происходило образование рудных минералов.
Вторичные включения не дают надежной информации о природе рудообразующих флюидов или условиях образования руд, но позволяют получить некоторое представление об условиях после отложения минерала. Различие между первичными и вторичными включениями часто неоднозначно; Реддер для распознавания этих включений предложил критерии, приведенные в табл. 8.1. Более подробную информацию по этому вопросу читатель может получить, обратившись к статье Реддера.
Обычно флюиды, захваченные вдоль растущих граней кристаллов, гомогенны; однако иногда могут быть одновременно захвачены две (или больше) несмешивающиеся жидкости (вода и нефть или вода и CO2), жидкость и газ (кипящая вода и пар) или жидкость и твердое вещество (вода и соли или другие минералы). Такие включения (называемые многофазными) трудно использовать для геотермометрии, но с их помощью могут быть получены важные данные о природе рудообразующего флюида. К типичным минералам, в которых наблюдаются газово-жидкие включения, принадлежат сфалерит, касситерит, кварц, кальцит, доломит, флюорит и барит, но почти любой прозрачный минерал может содержать видимые включения. Реддер даже отмечал, что некоторые полевые шпаты гранитов содержат так много газово-жидких включений с кристаллами-узниками NaCl, что дифракционные линии NaCl появляются на рентгеновских снимках монокристаллов полевых шпатов. Непрозрачные рудные минералы, такие, как галенит и пирит, содержат включения, формы которых можно видеть на поверхностях трещин или спайности, но современная техника не позволяет производить наблюдение in situ, не нарушая их.
Изменения в газово-жидких включениях после их консервации. Большая часть включений была захвачена в виде гомогенного флюида в условиях повышенных температур и давлений. При последующем охлаждении флюид может разделяться на жидкость и пар, поскольку он сокращается в значительно большей степени, чем твердый минерал-хозяин. Несмешивающиеся флюиды могут отделяться при охлаждении, а кристаллы минералов-узников, обычно галита или сильвина, могут отлагаться при насыщении флюида. Многие включения утратили свою первоначальную форму в связи с растворением и отложением в различных частях полости включения. В целом включения стремятся путем растворения и переотложения сокращать свою поверхность и становиться более изометричными. Благодаря этому процессу удлиненные включения могут разделяться на несколько более изометричных включений в результате расшнуровывания, как это показано на рис. 8.19. Если «расшнуровывание» происходит после отделения фаз, то этот процесс может приводить к изоляции пузырька пара в одном из новых включений, тогда как другое новое включение оказывается полностью заполненным жидкой фазой. В результате ни одно из включений не будет представлять собой первоначально захваченный флюид, и информация, полученная по таким включениям, окажется ограниченной. Более крупные уплощенные первичные включения или включения по вторичным трещинам могут подвергаться также существенной перекристаллизации (рис. 8.20), при которой более крупное включение распадается на большое число мелких включений, занимающих то же место в пределах кристалла. Реддер обращался со следующим предупреждением к изучающим газовожидкие включения: «Важно всегда помнить, что газово-жидкие включения в минерале позволяют получить информацию только о флюидах, присутствовавших к моменту запечатывания включения, независимо от того, происходит ли оно во время роста кристалла-хозяина, или при повторном залечивании более поздней трещины».
Просачивание и перемещение материала в первичное включение или из него могут иметь место, но не часто. Возможность этого подтверждается нахождением плоскостей с большим числом незаполненных включений. Для кварца, кальцита и сфалерита проблема просачивания, как правило, не возникает; для барита и гипса просачивание более вероятно.
Подготовка препаратов и наблюдение газово-жидких включений. Газово-жидкие включения остаются обычно незамеченными, поскольку, с одной стороны, наблюдатели не ищут их, а с другой — потому что обычные полированные и прозрачные шлифы малопригодны для их наблюдения. Газово-жидкие включения лучше всего выявляются и изучаются в небольших одиночных кристаллах, обломках по спайности или вырезанных пластинках минералов, достаточно толстых, чтобы содержать неповрежденные включения, но достаточно тонких, чтобы свободно пропускать свет. Такие пластинки полируются с обеих сторон, чтобы уменьшить влияние несовершенства поверхности и рассеяние избыточного диффузного света. Идеальная толщина препарата варьирует в различных образцах в зависимости от прозрачности, размера зерен и размера включений; для большинства препаратов вполне достаточна толщина 1,0—1,5 мм. Некоторые кристаллы или зернистые агрегаты могут разрезаться непосредственно, но для многих из них необходимо укрепление, и они лучше разрезаются после монтировки в полиэфирную смолу. Полиэфир легко растворяется в хлороформе, и пластинка препарата может быть извлечена после окончания резки и полирования. Из полиэфирной монтировки с заделанным в нее образцом вырезается одна или несколько пластинок толщиной 1,0—1,5 мм. Высокоскоростные алмазные пилы могут вызывать значительную трещиноватость и не должны использоваться при резке образцов для изучения газово-жидких включений; алмазные пилы с малой скоростью и тонкими дисками позволяют получить чистые срезы с минимальным повреждением препарата. Полировка пластинок облегчается при креплением их к алюминиевому, латунному или стеклянному диску с помощью смолы с низкой температурой плавления (такой, как Лейксайд типа 30С). После того как одна сторона отполирована, пластинка освобождается от металлического диска, переворачивается и снова приклеивается для полировки другой стороны. С завершением полировки пластинка отделяется от диска, полиэфир удаляется и пластинка готова для изучения.
Размер газово-жидких включений варьирует от редких, макроскопически видимых, длиной более 1 см, до субмикроскопических; большая часть исследований производится, однако, с включениями, размер которых больше 10 мкм. Включения в 10 мкм и более легко наблюдаются в небольших кристаллах, обломках по спайности или полированных пластинках при исследовании с помощью обычного микроскопа. Такие образцы могут помещаться на стеклянную пластинку и рассматриваться в проходящем свете. При этом следует соблюдать осторожность, чтобы не допустить соприкосновения с образцом объективов с большим увеличением, обладающих коротким рабочим расстоянием. Поскольку глубина поля зрения при работе с этими объективами очень мала, наблюдатель при фокусировании для прослеживания плоскости расположения включений в образце может дотронуться объективом до образца. Длиннофокусные объективы, которые используются при работе с универсальным столиком (федоровским. — Прим. ред.), весьма полезны и необходимы, если используются нагревательные и охлаждающие столики.
В связи с тем, что пузырьки часто располагаются в наименее видимой части включения, полезны дополнительные системы косого освещения. При наблюдении включений и минералов-узников может также оказаться полезным цветной фильтр или источник монохроматического света.
Несомненно, важное значение имеет изучение включений в образцах, которые детально описаны с точки зрения их минералогии, расположения минералов и последовательности их образования; измерения точки замерзания и температуры гомогенизации включения при нагревании должны производиться по одним и тем же включениям.
Состав газово-жидких включений. Газово-жидкие включения весьма важны при изучении рудных месторождений, поскольку они часто представляют собой неизмененные или но крайней мере минимально измененные пробы рудообразующего флюида. Для большинства исследователей недоступно определение подлинного химического состава наблюдаемых газовожидких включений, но весьма реально определение солености захваченного раствора путем измерения температуры замерзания, как это описано далее.
Самые полные данные о составе газово-жидких включений приведены Реддером. Наиболее широко распространен тип газово-жидких включений, содержащих жидкость низкой вязкости и меньшего объема пузырек газа или пара. Жидкость — обычно водный раствор с pH, отличающимся на единицу от нейтрального, и суммарным содержанием солей от 0 до 40 вес. %. В солях содержатся в основном Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Cl- и SO42- и небольшие количества Li+, Al3+, BO33-, H4SiO4, НСО3-и CO32-. Преобладают, как правило, Na+ и Cl-, двуокись углерода присутствует в виде жидкости и газа, и довольно обычны жидкие углеводороды. Наблюдался также жидкий сероводород, но он редок. Жидкая двуокись углерода никогда не наблюдается при температуре выше 31 °C, т. е. ее критической точки; поэтому при наблюдении газово-жидких включений необходимо соблюдать осторожность — избегать нагревания образца источником света и не работать в жарком помещении. Минералы-узники, обычно кубики галита NaCl или сильвина KCl, образуются при охлаждении почти насыщенных флюидов ниже первоначальной температуры захвата. Присутствие таких кристаллов, очевидно, указывает на насыщенность флюида солями. К числу других кристаллов, наблюдаемых в газово-жидких включениях, но не являющихся простым отложением из пересыщенного раствора, относятся сульфиды, кварц, ангидрит, кальцит, гематит и гипс. Эти минералы, возможно, образовались до окончательного запечатывания включения в результате вторичного привноса флюидов или даже путем окисления, происходящего при удалении водорода путем диффузии. Например, 2Fe2+ (раств.)+3H2O = Fe2O3 (гематит) +4Н++ H2 (теряющийся благодаря диффузии).
Суммарная по NaCl-эквиваленту соленость газово-жидких включений может быть определена методом замораживания. Практически это осуществляется путем замораживания образца, последующего наблюдения его под микроскопом при нагревании и измерения температуры, при которой происходит плавление последнего кристаллика льда. Эта температура затем используется для определения состава раствора по кривой AB на диаграмме, подобной приведенной на рис. 8.21, или для вычисления его по уравнениям, составленным Поттером и др. Кривая AB выражает зависимость понижения точки замерзания воды от содержания в ней солей.
Газово-жидкие включения нагреваются или охлаждаются с помощью столиков, монтируемых на обычный микроскоп. Широко используются такие конструкции, как Лейтц 350, Р. Шаи М.Е.С.А. или Линкхем, а также разнообразные «самодельные» модели. Во всех таких конструкциях препараты с газово-жидкими включениями находятся и нагреваются или охлаждаются в камере, снабженной окном для наблюдения. Реддер указывал, что «работа на любом нагревательном столике должна производиться с осторожностью и постоянным учетом возможных источников ошибок, поскольку удивительно легко можно получить хорошо согласующиеся воспроизводимые, но неверные данные». Поэтому перед работой столик должен быть тщательно проверен в отношении термических градиентов и откалиброван по эталонам. Эта проблема особенно остра при определении точек замерзания, поскольку ошибка в 1 °C соответствует ошибке примерно в 1 вес. % NaCl-эквивалента.
Геотермометрия по газово-жидким включениям. Геотермометрия по газово-жидким включениям, признанная в настоящее время как один из наиболее точных и широко распространенных методов определения температур образования минерала или его перекристаллизации, состоит в определении температуры, при которой происходит гомогенизация гетерогенного газово-жидкого включения. Практически образец нагревается при наблюдении его под микроскопом до тех пор, пока жидкость и сосуществующий с ней пузырек, занимающие включение при комнатной температуре, не гомогенизируются и не заполнят включение в виде единого флюида. Заполнение обычно осуществляется путем исчезновения пузырька, но может происходить и путем превращения жидкой фазы в пар. Истинная температура гомогенизации практически воспроизводится до ~1 °С, но она представляет собой минимальное значение температуры образования, так как необходима соответствующая поправка на давление.
В низкотемпературных месторождениях, образовавшихся из плотных высокосоленых флюидов на малых глубинах (например, многие Pb-Zn-руды в карбонатных породах), поправки составляют обычно <25 °C, но в высокотемпературных рудах, образованных из флюидов с низкой соленостью на глубинах 10 км, поправки могут превышать 300 °C. Процедура выполнения поправок иллюстрируется диаграммой температура — плотность для H2O, показанной на рис. 8.22. Толстая кривая, проходящая от G (газ) к L (жидкость), представляет собой границу двухфазного поля для чистой H2O и таким образом определяет температуры гомогенизации для включений H2O с различными плотностями. Так, включение с 70%-ным заполнением флюидом (плотность 0,7, если H2O чистая) будет гомогенизироваться при 300 °C (Th. Ph). Если, однако, геологическая информация указывает на то, что действительное давление во время захвата Pt было 1600 бар, то истинная температура захвата Tт была в действительности 470 °C (т. е. температура, при которой ордината с плотностью 0,7 пересекает изобару 1600). Если при определении точки замерзания было обнаружено, что включение содержит в растворе 20% NaCl (плотность равна 1,15 при 20 °С), то поправка на давление должна быть проведена по другому семейству кривых (примеры которых показаны толстыми пунктирными линиями на рис. 8.22), представляющими собой двухфазную границу и изобары для раствора с содержанием 20% NaCl. Двухфазная граница для этой жидкости показана толстой пунктирной кривой (L'). Изобары для растворов солей недостаточно известны, но изобара 1600 для 20%-ного раствора NaCl показана схематически в виде тонкой пунктирной кривой 1600'. Соответственно исправленная температура захвата (Т'т, Р'т) Для включения, гомогенизировавшегося при 300 °C (Т'в, Р'н) и содержавшего 20%-ный раствор NaCl, составляла 450 °С.
Данные, используемые при введении поправок на давление, первоначально были получены Леммлейном и Клевцовым и в последнее время обобщены Поттером. Так как растворимость галита в воде зависит от температуры, определение температуры, при которой происходит растворение любых кристаллов-узников галита, позволяет установить минимальную начальную температуру захвата флюида.
Применение исследований газово-жидких включений. Геотермометрия по газово-жидким включениям широко применяется для определения температур образования рудных минералов. Реддер отмечал, однако, что имеется несколько других приложений исследований газово-жидких включений, таких, как поиски минеральных месторождений и даже определение соотношений геологического возраста. Дополнительную информацию о приведенных ниже примерах читатель может найти в статьях Реддера и публикациях, указанных в конце этой главы.
Двумя наиболее очевидными применениями исследований газово-жидких включений являются определение температуры рудообразования и перекристаллизации и определение солености захваченного флюида. Исследованиями газово-жидких включений в эпигенетических рудах часто устанавливалось, что температуры, при которых отлагались руды, отличались от температур, фиксируемых газово-жидкими включениями в окружающих вмещающих породах. Кроме того, в пределах отдельных рудных месторождений (например, Крид, Колорадо; Панашкейра, Португалия; Касапалка, Перу) и даже в различных зонах роста единичных кристаллов наблюдались как временные, так и пространственные вариации температуры. В таких случаях определяемые температурные различия могут использоваться для установления «слепых» рудных тел или для увеличения площади уже известных рудных тел. Вариации температур в пределах минерализованной зоны могут служить также для определения направлений движения рудного флюида, помогать в интерпретации последовательности образования минералов и быть свидетельством изменяющейся природы рудного флюида во времени. Так как рудообразующие рассолы часто более концентрированные, чем флюиды, не ассоциирующиеся с рудами, то данные о солености, полученные путем измерения точек замерзания, могут дополнить температурные данные и быть использованы для поисков рудных месторождений или расширения их площади.
В некоторых районах жилы, образовавшиеся только в течение одной стадии или лишь одного типа, несут рудную минерализацию, тогда как другие жилы с идентичными жильными минералами являются безрудными. В некоторых случаях (например, Садон, Россия; Кобальт, Онтарио) газово-жидкие включения существенно различаются в двух типах жил и поэтому могут помочь при поисках.
В структурно-сложных участках с несколькими генерациями секущих жил сходного минерального состава данные по газово-жидким включениям могут помочь в опознавании частей отдельных жил и в выяснении возрастных соотношении между ними. Возрастная последовательность секущих жил аналогичного минерального состава может быть выявлена также благодаря природной декрипитации (т. е. разрыву при нагревании) или ореольным эффектам, наблюдаемым в газово-жидких включениях более ранней жилы.
При выветривании и эрозии рудных месторождений такие устойчивые жильные минералы, как кварц, сохраняются с незатронутыми газово-жидкими включениями на выходах, в остаточных почвах и русловых отложениях, образовавшихся в процессе эрозии. Газово-жидкие включения в таком кварце могут быть использованы для выяснения первоначальной природы месторождения и даже его локализации.
Конечно, еще многие потенциальные возможности использования данных исследований газово-жидких включений будут выявляться при расширяющемся привлечении их к изучению рудных месторождений.