К включениям газовых смесей относятся и включения вулканогенных газов. Эксгаляционные включения в инкрустациях фумарольных сублиматов представляют собой образцы смешанной газово-вулканогенной и воздушной среды, герметизированные в минеральных продуктах возгона в виде однофазных газовых смесей. Состав газов колеблется от эндогенных экскаляций при раннем проявлении, до эндогенно-воздушных при позднем.
Гидротермальные включения водно-жидких и смешанных растворов. К этому типу включений относятся:
1) Жидкие включения истинных солевых растворов. Распространенные в минералах полигенных месторождений многих генетических типов, при образовании которых на позднем этапе проявлялась гидротермальная деятельность. Развитие этих включений имеет место только на «чисто» гидротермальных месторождениях. Химический состав таких включений обычно хлорид-бикарбонатный. С катионами щелочных, щелочноземельных металлов, железа, алюминия.
2) Коллоидно-водные включения синеретических жидкостей впервые были выявлены Ю.А. Долговым и характерны для низкотемпературного гидротермального минералогенеза при образовании опала и халцедона. Синерезис - это процесс обезвоживания кремнеземистого геля при понижении температуры. В результате чего объем геля уменьшается, и он обособляет в центральной части обезвоживания полость-включение, вмещающая среда которого представлена кристалликами кварца, пирамидальные окончания которых направлены к центру такой «микрожеоды». Этим объясняется низкая плотность опала.
3) Водно-углекислые и углеводородные включения. Сложные включения содержащие две или три несмешивающиеся жидкости. Такие включения возникают потому, что гидротермы в различных количествах содержат углекислоту, а иногда и углеводороды. При температурах гомогенизации углекислота и углеводороды обособляются в жидком виде, окружая газовые пузырьки, состоящие из горючих газов и водяного пара. Характерны для низкотомпературных гидротермальных проявлений.
Метаморфогенные включения не являются представителями минералообразующих сред, но дают информацию об условиях метаморфизма.
Метаморфные включения переуплотненных жидкостей и конденсированных газов - признак проявления регионального метаморфизма. При обычных температурах часто бывают однофазовыми. При охлаждении до отрицательных температур в них образовывается газовый пузырек сжатия. Состав включений: водные растворы солей, сжиженный азот, жидкая углекислота, примеси соляной кислоты, угарного газа, водорода, метана. Изучение метаморфных включений дает информацию для определения общих давлений при метаморфизме разных фаций глубинности.
Метаморфические включения жидких и газообразных углеводородов и отвердевших битумов имеют разнообразное происхождение. Газово-углеводородные жидкие и нафтидовые включения в магматических минералах Хибинского и Ловозерского интрузивов ранее рассматривались как продукты магматического синтеза водорода и углерода. Однако затем было установлено, что первоисточником углеводородов являются ассимилированные архей-протерозойские толщи, где содержатся большие массы углеводородов метаморфического происхождения.
3.1.3 Консервация включений минералообразующих сред
Каждый минеральный индивид представляет собой «книгу», в которой с помощью включений «записана» генетическая история его зарождения, роста и изменения.
Надежность показаний этих прямых свидетелей генезиса минералов зависит не только от тщательности проводимых исследований, но и от выявления относительного времени образования самих включений, находящихся в объеме каждого отдельного минерала или в рудном теле эндогенного месторождения.
Еще в XIX веке включения разделяли на первичные, возникшие сингенетично с кристаллами, связанные с элементами их роста и вторичные, возникшие постгенетично, по трещинам, нарушившим минералы после их образования.
Для минералов, кристаллизовавшихся в открытых полостях и обычно имеющими залеченные внутренние микротрещины, было установлено, что газово-жидкие растворы в них являются не вторичными эпигенетическими, а сингенетическими образованиями. Хотя до 50-х годов полагали, что такие включения носят эпигенетический характер. Причем семейства вторичных включений, располагающихся в разных залеченных микротрещинах, но перекрывавшихся той или иной зоной роста материнского кристалла, обнаруживали полное сходство фазового заполнения и одинаковые температуры гомогенизации
Таким образом, нельзя ограничиваться выделением только двух классов включений. Следует выделить третий класс мнимовторичных включений, объединяющий признаки как первичных, так и вторичных включений.
Расшифровка генезиса и относительного времени образования включений должна осуществляться не только в масштабах отдельного индивида, но и в масштабе зональной жилы или породы. В первом случае эпигенетические вторичные включения, находящиеся в залеченных трещинах, в действительности оказываются мнимовторичными. Во втором случае весь сложный калейдоскоп таких включений объективно фиксирует весь последовательный процесс изменений в растворах, генерировавший те или иные части жилы от начала ее формирования до завершения минералообразования.
Среди первичных включений выделяются два типа: зональные и азональные.
Зональные включения пространственно упорядочены в плоскостях былых граней роста кристаллов. Азональные первичные включения не ориентированы в тех или иных плоскостях видимых зон былой кристаллизации.
Мнимовторичные субсингенетические включения приурочены к трещиноватым кристаллам, претерпевшим разрывные деформации в процессе своего роста или регенерации поврежденных участков или в процессе образования и преобразования полостей при микрокристаллизации гелей.
Следовательно можно выделить три вида разнообразных включений:
1) Сингенетических трещин залечивания в дораставших кристаллах. Микротрещины, приютившие включения, возникают в различные моменты роста кристалла из-за внутренних напряжений или реже под воздействием внешних факторов. В последующие моменты продолжавшегося роста происходит их залечивание, одновременное с началом образования следующей зоны или после перерыва в результате наращивания кристалла веществом последующей генерации.
2) Регенерационные, возникшие при восстановлении изъянов кристаллов - механических сколов, поверхностей растворения и оплавления. Связаны с восстановлением формы кристаллов, до этого нарушенной механически, а также химическим растворением или оплавлением. Поврежденные грани кристаллов восстанавливаются в условиях дорастания в свободном пространстве.
3) Секреционные, связанные с самопреобразованиями коллоидного вещества. В качестве мнимовторичных образований характерны для коллоидных минералов и содержат генетическую информацию ограниченного значения.
Вторичные эпигенетические включения предоставляют геологам важную информацию о преобразовании минералов руд и о пневматолит-гидротермальных изменениях вмещающих месторождения пород. В соответствии с двумя главнейшими способами постмагматического рудообразования (выполнение и замещение) выделяются два вида вторичных включений:
1) Включения в постгенетических микротрещинах. Семейства вторичных включений консервировались в условиях, когда не было никакого дорастания или регенерации граней кристаллов. Залечивание трещин одним из вышеописанных способов происходило уже в полностью оформленных кристаллах или кристаллически-зернистых агрегатах, без привноса или с привносом родственного вещества постгенетическими растворами.
2) Включения метасоматоза и выщелачивания образуются под воздействием постгенетических метасоматизирующих растворов на первичные минералы пород и руд. Растворы сохраняются в них двояким способом. Во-первых, скапливаются в микропорах минеральных новообразований полного замещения (псевдоморфозах). Во-вторых при неполном метасоматозе прежних минералов, происходящем обычно вдоль трещин, по спайности или по двойниковым швам.
Таблица 2
Систематика агомогенных и аномальных включений расплавов и растворов
классы | Виды | Характерные разновидности | |
Сингенетические | Расплавно-акцесорные | Капли магмы с микроминералами предшественниками и спутниками | |
Расплавно-газовые | Пузырьки газа вскипавших расплавов | ||
Пузырьки прилипания | Пузырьки пара первично гетерогенной среды | ||
Полые вакуоли (комбинированные включения) | Поры под отталкивающимися гранью твердыми частицами | ||
Субсингенетические | Расчлененные | ГЖВ в неравновесных нераспочкованных вакуолях | |
Перенаполненные | ГЖВ в плоскостях возрожденных микротрещин повторного приоткрывания | ||
ГЖВ в каналах пересечения залеченных внутренних трещин различного возраста и ориентировки | |||
Неполно нарушенные | Вакуоли с частично удаленной по микротрещинам жидкостью | ||
Взорванные | Разрушенные вакуоли с ореолом сателлитных включений | ||
Эпигенетические | Диффузионные | Агерметические включения с частичным или полным удалением жидкости сквозь молекулярную решетку минерала | |
Эксцентрические | Переплавленные в ксенолитах и на интрузивных контактах | ||
Импактно-метеоритные включения |
3.2. Методика и техника исследований геохимических систем в минералах
3.2.1 Методики подготовки образцов и выбора зерен.
Для выявления закономерностей распределения включений в зернах минералов, выделения различных типов включений, определения взаимоотношений расплавных включений с газово-жидкими и твердофазными включениями необходимо всестороннее изучение исследуемых пород. Предварительное (оценочное) изучение можно провести в обычных или прозрачно-полированных (микрозондовых) шлифах. Многие исследователи предпочитают специальные препараты: отполированные с обоих сторон пластинки пород (толщиной 0.3-0.5 мм), наклеенные на стекло. Изучение таких пластинок дает возможность проводить термометрические эксперименты с теми же зернами, которые были описаны при петрографическом изучении породы, то есть, можно отобрать серию зерен с включениями, отражающую все этапы становления данной породы непосредственно из пластинки породы. Для этого, представительные зерна в пластинке, отобранные для дальнейшего изучения зарисовываются, отмечаются тушью, а иногда и нумеруются непосредственно на пластинке. Затем эти зерна извлекаются из пластинки, либо с помощью стальной иглы (лучше нагретой), либо раскалыванием пластинки. Работа с зернами в толстых пластинках накладывает ограничения на изучаемые минералы. "Метод пластинок" успешно применяется для изучения включений в кварце или других минералах макроскопически прозрачных. Для шпинелидов, пироксенов, амфиболов, и других цветных минералов этот метод не подходит, так как эти минералы практически непрозрачны в толстой пластинке.
Отбор зерен цветных минералов для термометрического эксперимента можно проводить из монофракций этих минералов. Для этого, зерна минерала (обычно около 100) заливают в шашку из эпоксидной смолы, полируют эту шашку и изучают включения в отдельных зернах (используя методы микроскопии и микрозондирование). В первую очередь изучают зерна, содержащие включения, которые выходят на поверхность образца. Такие включения не годятся для термометрического эксперимента, однако способны дать важную информацию о химическом и минеральном составе системы. После этого, из оставшихся зерен, отбирается материал, содержащий представительные включения, удаленные от поверхности зерна для термометрического эксперимента.
При выборе включений для исследований важны следующие критерии:
а) Представительность данного включения (включение должно быть первичным и должно быть ясно, к какому этапу минералообразования в данной системе приурочено формирование данного включения). В основном, такая информация может быть получена при микроскопическом описании породы и включений в обычных шлифах и детальной классификации включений в данной породе.
б) Отсутствие вторичных изменений. Если любая из фаз включения несет следы вторичных изменений, состав этого включения уже не соответствует первичному. Например, девитрификация стекол во включениях из оливинов происходит с образованием хлорита, который за счет обменных реакций с оливином-хозяином экстрагирует из него MgO. Такие реакции необратимы при термометрическом эксперименте и полученные при закалке стекла будут сильно обогащены MgO и неравновесны с оливином-хозяином. Кроме того, как правило, такие включения имеют ослабленные зоны (иногда можно увидеть эти следы вскрытия под микроскопом), по которым во время эксперимента может мигрировать расплав, изменяя объем системы и ее состав. Поэтому, включения, несущие следы вторичных изменений не подходят для проведения термометрических экспериментов.
в) Положение в зерне. При нагреве включения создается избыточное давление на стенки включения. При температуре гомогенизации это давление примерно соответствует тому давлению, которое существовало в магматическом очаге при захвате включения. Если это давление превысит предел прочности минерала-хозяина, то произойдет (вскрытие) включения. Поэтому, включения, отбираемые для проведения термометрических экспериментов, должны быть удалены от поверхности зерна (желательно, чтобы они были расположены в центре зерна).
3.2.2 Оценка состава минералообразующей среды
Осуществляется по составу включений. Составы дочерних фаз расплавных включений можно определять количественно. Для этого, изучаемое включение шлифованием зерна выводят на поверхность (так, чтобы включение было вскрыто на треть). В результате, после полировки (и потери толщины зерна) включение будет вскрыто по максимальной площади. Аналогичным образом анализируют стекла расплавных включений. Если изучаемые включения частично или полностью раскристаллизованы, их необходимо предварительно нагреть до плавления последней дочерней фазы и закалить. Во включении при этом остается только расплав и газовый пузырек ("гомогенизация по последнему кристаллу"). На некоторых объектах расплавные включения при нагреве вскрываются за счет повышения внутреннего давления. В таких случаях, внутреннее давление стараются компенсировать внешним, проводя нагрев зерен и их закалку под давлением. В любом случае, закаленное стекло расплавного включения будет отличаться от состава захваченного расплава на то количество минерала-хозяина, которое отсело на стенки включения при закалке. При изучении вязких (кислых) расплавов этой поправкой можно пренебречь, поскольку перенос компонентов в вязкой среде происходит медленно и скорость кристаллизации мала. Для включений риолитового состава в кварце эта поправка будет меньше 1% вес. даже при малых скоростях закалки. При изучении включений в основных и ультраосновных породах этой поправкой пренебрегать нельзя, так как она может составить 10-12% вес. (минерала-хозяина к стеклу).
Существует несколько способов определить величину этой поправки для минералов переменного состава.
1. При осаждении вещества на стенках включения процессе отсадки, кристаллизующийся минерал переменного состава должен изменять свой состав в соответствии с законами кристаллизации в закрытой системе. При взаимодействии содержимого включения с минералом-хозяином на стенках включения может проявиться микрозональность вокруг включения. На рис. 1, снятом на электронном микроскопе, хорошо видна такая зональность вокруг расплавного включения в клинопироксене из андезито-базальтов. Можно построить профиль составов через минерал-хозяин и включение, подобный тому который представлен на рис. 1, и по этому профилю оценить соотношение объемов каймы кристаллизации и включения. Зная составы кайм кристаллизации и стекла во включении, по балансу масс рассчитывается первоначальный состав захваченного расплава. Такой метод вследствие больших ошибок при вычислении объемов фаз и оценки среднего состава каймы кристаллизации не может дать достаточно точных результатов при изучении включений в минералах переменного состава.
Рис. 1.(слева) Микрофотография включения (отраженные электроны), на которой хорошо видна более светлая кристаллизационная кайма с блочными (расщепленными) кристаллами, растущими внутрь включения. Линия А-Б фиксирует профиль через включение.
2. Другой метод реконструкции состава захваченного расплава, основан на расчете хода обратной кристаллизации. Существуют различные эмпирические модели, позволяющие рассчитать равновесие расплав-минерал для данной температуры или, наоборот рассчитать температуру для известных сосуществующих составов расплава и минерала. Зная состав стекла во включении, состав минерала в кайме кристаллизации и состав минерала-хозяина, который захватывал включение, можно, пошагово повышая температуру равновесия и рассчитывая для каждой температуры состав расплава и равновесной с расплавом твердой фазы, довести обратную кристаллизацию до точки, в которой состав твердой фазы будет соответствовать составу минерала-хозяина вне кристаллизационной каймы. Тогда температура такого равновесия должна отвечать температуре захвата включения, а расчетный состав стекла - составу захваченного расплава.
3. В ряде случаев можно оценить соотношения концентраций радиоактивных элементов в расплавных включениях. В качестве простого примера можно привести определение возраста по Rb-Sr методу и изотопных соотношений Pb в расплавных включениях в кварце кристаллических пород. Кварц в этих породах содержит большое количество расплавных включений. При этом, чистый кварц (без включений) содержит пренебрежимо малое количество Rb, Sr и Pb. Измерив содержания изотопов этих элементов в смеси кварца с расплавными включениями, мы не можем точно определить их содержания в стекле, но можем получить изотопные отношения. Изотопные отношения Rb и Sr позволяют определить возраст расплава, а изотопные отношения Pb являются важным геохимическим индикатором.
