САМООРГАНИЗАЦИЯ ВЕЩЕСТВА В ТИНГУАИТОВЫХ ДАЙКАХ ХИБИН

ГЕОЛОГИЯ

УДК 552.122+552.332.3(470.21)

© 1997 г. Ю. Л. Войтеховский, А. К. Шпаченко

Представлено академиком Ф.А. Летниковым 06.05.95 г. Поступило 16.05.95 г.

Тингуаиты известны в Хибинском щелочном массиве с момента их упоминания В. Гакманом в конце XIX века [1]. Детальнее они были изучены позднее, когда Кольский полуостров стал актив­но осваиваться. Установлено, что этот термин употребляется расширительно, охватывая ряд фонолитов, нефелиновых фонолитов и собствен­но тингуаитов [2]. Эти породы образуют в преде­лах Хибинского массива несколько дайковых по­лей. Одно из них протянулось более чем на 20 км через плато Кукисвумчорр, Поачвумчорр и Тах-тарвумчорр. В третьем восточном цирке послед­него и были изучены описываемые далее тингуа­иты. Они слагают здесь серию даек, кулисообраз-но расположенных в массивных купнозернистых хибинитах, с азимутами падения 315°-325° при уг­лах 75°-85°. Протяженность отдельных тел 10-100 м при мощности 10-70 см. Контакты с боко­выми породами резкие, линейные, редко с апофи­зами тингуаита в хибините. Выклинивание чаще всего постепенное. Судя по морфологии вмеща­ющих трещин и характеру контактов, дайки тин­гуаитов являются автономной серией пород и внедрились в систему сколовых нарушений. Ис­следователями Хибин отмечалось чрезвычайное текстурное разнообразие тингуаитов. Наиболее примечательны их ячеисто-зональные разно­видности. Но никогда ранее они не были предме­том специального изучения. Настоящее исследо­вание - первая работа такого рода.

Основная ее цель - показать, что ячеисто-зо­нальные текстуры тингуаитов являются резуль­татом самоорганизации вещества. Под самоорга­низацией, вслед за Г. Хакеном [3], мы понимаем возникновение в системе пространственной и/или временной структуры, обусловленное неспеци­фическим воздействием извне. Тингуаиты - про­дукт естественного процесса, реализовавшегося в земной коре. Тем самым неспецифичность воз-

Геологический институт Кольского научного центра Российской Академии наук, Апатиты Мурманской обл.

действия на вещество даек в течение всей истории их становления в доказательстве не нуждается. Вопрос о самоорганизации вещества целиком сводится к доказательству существования в них структуры. Так есть ли в изучаемых тингуаитах структура? Согласно [4], всякая горная порода обладает структурой. Но в геологии под структу­рой часто подразумевается лишь неоднород­ность, дифференцированность целого на некото­рым образом соотносящиеся части и такое пони­мание структуры отстоит далеко от содержания того же понятия в приведенном определении са­моорганизации. Следуя алгебраической теории структур [5], мы относим это понятие к сложным объектам, на элементах которых определено одно из отношений порядка: нестрогое, строгое, совер­шенное нестрогое, совершенное строгое. В рабо­те [6] к этому списку добавлен еще квазипорядок. Всем им присуща общая черта - транзитивность отношения, выявляющая в системе основу струк­туры. Ряд геологических примеров приведен в [7]. Таким образом, доказательство существования структуры сводится в первую очередь к отыска­нию в системе некоторого транзитивного отно­шения. Нет такового - нет упорядоченности, нет структуры и нет оснований говорить о самоорга­низации системы. В ячеисто-зональных тингуаитах имеют место по меньшей мере два различных - из приведенного выше списка - проявления упоря­доченности.

Главная черта, определяющая специфику опи­сываемых текстур, - это сочетание трещиновато-сти, разбивающей горную породу на систему яче­ек, и концентрической ритмической зональности в ячейках. Установлена исключительная приуро­ченность этих текстур к призальбандовым частям даек тингуаитов. Рис. 1 показывает их типичное сечение, параллельное зальбандам. Ячейки вытя­нуты ортогонально плоскости рисунка и образу­ют укладку, которую можно было бы сравнить с хорошо известной базальтовой отдельностью, если бы не две отличительных особенности. 1. Соседние ячейки могут выклиниваться по на­правлению к центру дайки. Одновременно с этим трещины, разветвляясь, оформляют новую ячейку,

ВОЙТЕХОВСКИЙ, ШПАЧЕНКО

Рис. 2. Количество трещин N длиной менее чем D в зависимости от D, мм. Пояснения в тексте.

вплетающуюся в общий рисунок. 2. При мощнос­ти до 30 см дайки пронизаны ячейками насквозь. Но при больших мощностях центральные части даек сложены массивными породами с тонкой по­лосчатостью, подчеркивающей направление те­чения расплава. В этих случаях по мере прибли­жения к центру даек ячейки постепенно "раство­ряются".

Ввиду важной роли трещиноватости в форми­ровании описываемых текстур было предприня­то ее количественное изучение. Как указано, тре­щины ориентированы преимущественно ортого­нально зальбандам даек. В то же время в параллельных им сечениях ориентировка трещин хаотична. В четырех таких сечениях изучена час­тота N встречаемости трещин с протяженностью менее D - в зависимости от D. Рис. 2 показывает один из случаев этой зависимости. В целом уста­новлено, что в указанном частотном распределе­нии трещин в диапазоне длин от 1 до 8 мм имеет место стохастическое самоподобие с фракталь­ной размерностью 1.5-1.8. Учитывая преимуще­ственную ориентировку трещин ортогонально

зальбандам, можно оценить фрактальную раз­мерность реальной трещиноватости в тингуаитах как 2.5-2.8. Тем самым установлено, что в опре­деленном диапазоне размеров частотная характе­ристика трещиноватости транзитивна. Кроме то­го, выполненный статистический анализ трещи­новатости предполагал накопление трещин с ростом D, т.е. на множестве трещин негласно оп­ределено и использовано отношение включения, которое рефлексивно, антисимметрично, транзи-тивно и связно [7] и тем самым определяет совер­шенный нестрогий порядок. Это - первое свиде­тельство структурирования вещества в тингуаи-товых дайках, согласованное с приведенной выше системой понятий.

Некоторые детали внутреннего строения ячеек видны уже на рис. 1. Укрупненно интересующий нас фрагмент показан на рис. 3. Краевая зона каж­дой ячейки имеет более или менее выраженное глобулярное строение. Глобулы сложены тонко­дисперсной смесью преобладающего анальцима, эгирина и ортоклаза. Разделяющие их стенки дву­слойны и сложены ортоклазом (светлый на рис. 3) и эгирином (темный), тонкая кайма которого об­лекает каждую глобулу. Фестончатые сфероли-ты эгирина встречаются и в центральных частях глобул. Зона глобулярного сложения имеет в пределах ячеек примерно постоянную мощность. Обращает на себя внимание довольно регуляр­ный сотовидный рисунок зоны. Всякий ее линей­ный участок может быть приближенно описан в терминах симметрии орнаментов и обладает, в за­висимости от числа глобулярных слоев в укладке, либо простой, либо скользящей плоскостью от­ражения. Вся глобулярная зона в целом может быть описана в терминах симметрии подобия. От­ношение совмещаемости глобул любым из ука­занных преобразований рефлексивно, симмет­рично и транзитивно [7], т.е. является отношени­ем эквивалентности. Не углубляясь в его анализ, будем рассматривать далее глобулярную зону в целом.

Внутренние части наиболее мелких ячеек могут быть сложены тонкодисперсным веществом без ка­ких-либо признаков структурирования. Но в круп­ных ячейках их внутренняя часть сложена концент­рическими двучленными ритмами (рис. 1, 3). В од­ной ячейке может насчитываться до 20 ритмов с переменной - до 0.35 мм - мощностью. Принци­пиальное строение ритма таково. Широкая - до 0.30 мм - полоса сложена тонкодисперсным мезо-меланократовым материалом, в котором рентге­нометрически установлена смесь преобладающе­го анальцима, эгирина, иногда в небольшом коли­честве ортоклаза. Узкая - до 0.05 мм - полоса оптически слабо анизотропна и более лейкократо-вая. Рентгенометрически в ней установлены: преоб­ладающий ортоклаз, содалит, иногда эгирин и био­тит. Первую полосу можно считать существенно

ДОКЛАДЫАКАДЕМИИ НАУК том 353 № 5 1997

САМООРГАНИЗАЦИЯ ВЕЩЕСТВА В ТИНГУАИТОВЫХ ДАЙКАХ ХИБИН

Рис. 3. Фрагмент радиального сечения ячейки от края (глобулярная зона) к центру (ритмическая зональность). Про­зрачный шлиф. 30х. Репрод. 3/4.

натриевой, вторую - калиевой. Границы между полосами - диффузные, постепенные, между рит­мами- резкие, контрастные. Между тем подчерк­нем, что калиевая зона содержит в подчиненном количестве тонкорассеянную натриевую фазу - и наоборот. На множестве концентрических рит­мов (а также полос) естественным образом опре­делено пространственное отношение вмещения, которое антирефлексивно, транзитивно и связно [7] и тем самым определяет организацию вещест­ва в каждой зональной ячейке как совершенный строгий порядок. Это - второе проявление упоря­доченности в дайках тингуаитов.

Обе определяющие черты ячеисто-зональных текстур - создающая ячейки трещиноватость и зональность в ячейках — совершенно однозначно указывают на упорядоченность вещества в дай­ках тингуаитов. В первом случае мы имеем совер­шенный нестрогий порядок в стохастическом распределении трещин в зависимости от их про­тяженности. Во втором случае - совершенный строгий порядок в пространственной организа­ции ритмической зональности внутри ячеек. Тем самым показано, что в изученных тингуаитах действительно имеет место структура как след­ствие самоорганизации вещества. Дальнейшая ге­нетическая интерпретация призвана не доказать, а пояснить механизм этого процесса - насколько он сегодня понятен.

Первые изученные авторами образцы тингуа­итов обладали настолько регулярной ячеистой текстурой, что была сформулирована гипотеза об их формировании по аналогии с известными ячейками Бенара в опытах по конвекции в вязких жидкостях. Необходимый температурный гради­ент мог быть обусловлен перепадом температур между горячим расплавом в центральной части дайки и холодными боковыми породами. Приуро­ченность ячеистых текстур исключительно к зальбандам даек вроде согласовывается с этой ги­потезой. Но дайки тингуаитов круто падающие.

Поэтому температурный градиент был направ­лен ортогонально вектору силы тяжести. Это об­стоятельство исключает аналогию с опытами Бенара. По формулам, приведенным в [8], было оценено время затвердевания даек мощностью до 1 м. Оно оказалось равным нескольким суткам. По-видимому, эта оценка в принципе исключает возможность формирования столь совершенной зональности в ходе конвекции столь быстро ос­тывающего расплава. Дополнительные микро­скопические наблюдения позволили установить, что стенки между ячейками в действительности являются заполненными микротрещинами, а не гипотетическими границами конвективных яче­ек. Так, рис. 4 показывает трещину, развивающу­юся вкрест уже сформировавшейся ритмической зональности. Приуроченность ячеистых текстур к зальбандам даек позволяет предположить кон-тракционную природу трещин. Их подновление и образование новых, как показывает рис. 4, проис­ходило и после образования ритмической зональ­ности.

ДОКЛАДЫАКАДЕМИИ НАУК том 353 № 5 1997

ВОЙТЕХОВСКИЙ, ШПАЧЕНКО

Последняя же имеет, вероятно, автометасома-тическую природу. Два главных фактора - пони­жающаяся температура дайки и различные ак­тивности компонентов - могли управлять процес­сом формирования ритмической зональности. Именно, согласно принципу Ле-Шателье, общее понижение температуры в системе должно было смещать равновесие в сторону экзотермических реакций, к которым в нашем случае следует отне­сти образование анальцима, содалита и биотита. Анальцим и биотит содержат воду, содалит -хлор. Как отмечено выше, анальцим преобладает в существенно натриевых зонах, в то время как содалит содержится в калиевых зонах в подчи­ненном количестве, а биотит встречается в них же, но редко. Таким образом, мы связываем обра­зование существенно натриевых зон именно с указанным смещением равновесия. Снижение концентрации натрия приводило на фронте заме­щения к росту активности калия. (Это проявляет­ся на рис. 3 в постепенном осветлении темных широких зон.) Наконец, когда активность калия становилась выше активности натрия, образовы­валась ортоклаз-содалитовая, иногда с эгирином и биотитом, зона. Тот факт, что эти зоны более узкие, вероятно, показывает, что инверсия режи­ма происходила быстро и ритм повторялся. При­сутствие в обеих зонах минералов, содержащих натрий и летучие компоненты, отражает состав исходных пород. В ядерных частях ячеек, сложен­ных тонкодисперсной смесью анальцима и/или натролита с амфиболом, очень часто концентри­руется сульфидная минерализация. Резко преоб­ладает троилит. В подчиненном количестве при­сутствуют сфалерит и джерфишерит. Здесь же установлен флюорит. Как указано в [9], образо­вание гидросиликатов может приводить к увели­чению содержания в растворе катиона водорода и возникновению более восстановительной среды. Возможно, концентрация сульфидов фиксирует в нашем случае именно это изменение окислитель­но-восстановительной обстановки. Отдельные крупные зерна троилита имеют правильную ог­ранку и признаки последующего метасоматичес-кого роста.

Заметим, что выше указана лишь общая тен­денция в изменении состава зон. Реальная карти­на их чередования и вариаций минерального со­става значительно разнообразнее. В целом же

предложенный механизм образования ритмичес­кой зональности относится к типу пересыщение-нуклеация-истощение, как замечают авторы ра­боты [10], наиболее распространенному в природе. Наиболее непонятна на сегодня причина и меха­низм формирования глобулярных зон. Если вер­на наша основная модель, то можно утверждать лишь, что они представляют собой наиболее пе­реработанные метасоматически части ячеек. Как видно из рис. 4, вдоль подновленных трещин рит­мическая зональность исчезает, порода приобре­тает глобулярное строение и на смену одному ти­пу упорядоченности (структурированности) ве­щества приходит другой. Но выяснение природы неустойчивости, вызывающей необходимость глобулярной зоны вместо ритмической зонально­сти, является задачей дальнейших исследований.

Авторы благодарят Ю.П. Меньшикова, Я.А. Па-хомовского, В.И. Скибу и В.Л. Семенова (Геоло­гический институт КНЦ РАН) за выполнение аналитических работ и обсуждение результатов.

Работа выполнена по программе 94—05-16070 Российского фонда фундаментальных исследова­ний.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Насктап V. // Fennia. 1894. V. 11. № 2. Р. 101-196.

2. Арзамасцев А.А., Каверина В.А., Полежаева Л.И.
Дайковые породы Хибинского массива и его об­
рамления. Апатиты, 1988. 86 с.

3. Хакен Г. Информация и самоорганизация. М:
Мир, 1991.240 с.

4. Петрографический словарь / Под ред. В.П. Петро­
ва и др. М.: Недра, 1981. 496 с.

5. Скорняков Л.А. Элементы теории структур. М.:
Наука, 1970. 148 с.

6. Шрейдер Ю.А. Равенство, сходство, порядок. М.:
Наука, 1971.256 с.

7. Усманов Ф.А. Основы математического анализа
геологических структур. Ташкент: ФАН, 1977.
206 с.

8. Теркот Д., Шуберт Дж. Геодинамика. М: Мир,
1985. Т. 1.374 с.

9. Летников Ф.А. Синергетика геологических сис­
тем. Н: Наука, 1992. 230 с.

10. Jacob К.-Н., Dietrich S., Krug H.-J. I I Fractals and dy­namic systems in geoscience. В.; Heidelberg: Springer-Verlag, 1994. P. 259-268.

ДОКЛАДЫАКАДЕМИИ НАУК том 353 № 5 1997