Алгоритм пересчета результатов химического анализа на миналы -система пересчетов CIPWD 8 глава

Магматический тип горных пород по термодинамическим условиям их образования объединяет, по крайней мере, три класса (classis) магматических горных пород: 1) класс вулканических горных пород; 2) класс субвулканических горных пород или гипогидробарических (гипабиссальных) по давлению флюида; 3) класс гипергидробарических горных пород (плутонических) (см. табл.4.1). Как видим, номенклатура, число и критерии выделения данной таксономической категории значительно отличаются от того, что предлагается Петрокомитетом, в

Таблица 4.1

Таксоны и критерии их выделения в классификации магматических алюмосиликатных горных пород

классификации которого выделены два класса: вулканический и плутонический, различающиеся по степени раскристаллизованности. Совпадения относятся только к вулканическому классу. А так называемые плутонические породы в геологии традиционно делятся на гипабиссальные и абиссальные, подразумевая различную глубину их образования. Но, к сожалению, при этом не приводятся четкие критерии различия названных таксонов. Автор настоящей работы уже много лет (Дубровский, 1984, 1987а, 1993) обосновывает тезис о том, что различие так называемых гипабиссальных и абиссальных пород заключается не в глубине образования, а в различии величины флюидного давления (в наиболее простом варианте - водного) во время кристаллизации расплава. Поэтому для названных таксонов предлагаются следующие критерии выделения (кроме геологических): 1) для вулканического класса - присутствие нераскристаллизованной фазы; 2) для гипогидробарического класса -полная раскристаллизованность, но отсутствие магматических гидроксилсодержащих (биотитов, амфиболов и др.) и барофильных (главным образом, гранатов) фаз и 3) для гипергидробарического класса -кроме полной раскристаллизованности, присутствие вышеназванных фаз.

Как видно из табл.4.1, первые две таксонные категории выделяются только по геолого-генетическим и минералогическим критериям, т.е. эти таксоны отражают термодинамические условия образования горных пород.

В каждом классе магматических горных пород выделяются по два отряда (ordo): 1) ортопироксен-оливиновый или железо-магнезиальный, с железистостью пород до 80%, и двумя подотрядами: а) с f = 80-90, с кварц-оливиновой ассоциацией и б) f = 90-100, с кварц-оливин-волластонитовой ассоциацией; 2) волластонит-ларнитовый или кальциевый - с f = 0-90, с подотрядом пород, которые характеризуются f = 90-100 и кварц-оливин-волластонитовой ассоциацией. В предыдущем тексте отрядные совокупности горных пород назывались соответствующими уклонами. Типоморфные минералы включены в название отрядов. Данный таксон в классификации Петрокомитета не используется, вероятно, потому, что по химическому составу в оксидной форме его просто не выделить. Но, с другой стороны, не понятно, почему не было обращено внимание на то, что в волластонитсодержащих породах отсутствуют 01 и Орх и породы с такой своеобразной минеральной ассоциацией должны были быть выделены в самостоятельную совокупность. Необходимость и целесообразность его выделения обоснована автором с учетом экспериментальных данных по соответствующим системам (Дубровский, 1993), что также учтено в их алгоритме пересчета оксидов на нормативные миналы (см. выше).

Критериями выделения названных отрядов и подотрядов являются типоморфные миналы и минералы, а также Ca0′/(MgO+FeO')-отношения, где СаО' после образования всех кальциевых "акцессорных" миналов и an, а FeO' - после образования железосодержащих "акцессорных" миналов. Такое четкое деление как по минальным, так и по минеральным ассоциациям породных совокупностей, которые предлагается объединять в соответствующие отряды, выдерживается до железистости системы f = 80. При более высокой железистости в железо-магнезиальном отряде приходится выделять два подотряда: а) первый - кварцево-оливиновый или железистый подотряд с f = 80-90, б) второй - кварц-оливин­волластонитовый или кальциево-железистый подотряд с f = 90-100. Первый подотряд характеризуется отсутствием ортопироксена и наличием ассоциации оливин + кварц в пересыщенных Si0₂ породах, а в недосыщенных Si0₂ породах минальные и минеральные ассоциации остаются аналогичными главному отряду. Второй подотряд отличается тем, что в нем оливин сосуществует с кварцем и волластонитом, т.е. при этой железистости исчезает граница между отрядами, но только до определенной степени насыщения Si0₂, после которой оливин не может сосуществовать с ларнитом, и поэтому граница между отрядами сохраняется.

В кальциевом отряде характерные для него признаки остаются до f = 90, выше которой в породах этого отряда появляется ассоциация Qtz+Wo+Ol, поэтому такие породы предлагается объединять в кварц-оливин-волластонитовый или кальциево-железистый подотряд. По номенклатуре и по сути кальциево-железистые подотряды обоих отрядов аналогичны, но опять-таки до определенной степени насыщенности Si0₂. Выделение отрядов и подотрядов связано с особенностями подсистем Si0₂-CaO-MgO, Si0₂-CaO-FeO и Si0₂-MgO-FeO, о чем более подробно говорилось выше при обосновании алгоритма пересчета результатов химического анализа пород, выраженного в оксидах на нормативные миналы, и обзора фазовых превращений в более полных подсистемах (см. раздел 3.4.5).

Отряды объединяют группы (group) и ряды (series) горных пород.

В каждом отряде и подотряде выделяются девять групп, которые включают в себя породы одинаковой степени насыщенности Si0₂ (кремнеземом). Критериями выделения групп являются типоморфные буферные по Si0₂ пары (или тройки, или q) миналов и минералов. Иерархическая соподчиненность групп в каждом отряде обосновывалась выше, причем характерно, что номенклатура групп в отрядах не совпадает, за исключением I и IX (см. табл.4.1). Типоморфные миналы и минералы групп приведены в разделах 3.2 и 3.3.

Следует отметить, что систематика горных пород по степени насыщения кремнеземом применяется в геологии с прошлого века, но критерии выделения соответствующих совокупностей пород использовались разные, удачные и неудачные. Так, о неоднозначности критерия выделения групп по содержанию Si0₂ писали уже неоднократно. Тем не менее, во многих классификационных схемах, в том числе Петрокомитета, выделение групп пород предлагается производить по содержанию Si0₂. Деление пород по насыщенности Si0₂, предложенное Шендом (Shand, 1931, 1949), с использованием типоморфных минералов по степени насыщенности Si0₂ (см. выше), является более строгим и однозначным. Он выделял 5 классов: 1) пересыщенный кремнеземом; 2) насыщенный; 3) недосыщенный без фельдшпатоидов, но с оливином; 4) недосыщенный с фельдшпатоидами; 5) недосыщенный с фельдшпатоидами и недосыщенными цветными минералами.

Нами несколько детализированы группы Шенда, и кроме минералогических критериев предлагаются также строгие химические (в виде миналов) критерии, которые вполне удовлетворительно коррелируются с минералогическими.

Ряды горных пород (табл.4.1), как и группы, выделяются по типоморфным миналам, минералам и петрохимическим характеристикам, отражающим степень насыщенности Na₂0+K₂0+CaO (в мол. количествах) глиноземом - А1₂0₃. Количество рядов в отрядах неодинаковое, в Fe-Mg-отряде имеется четыре ряда, а в Са-отряде - три, поскольку по своей сути в этом отряде не могут быть породы, пересыщенные А1₂0₃. Причем критерии выделения одноименных рядов из разных отрядов практически аналогичные, за исключением незначительных различий в гипергидробарическом классе - это отсутствие амфиболов в Са-отряде.

Типоморфными миналами ряда, пересыщенного А1₂0₃, являются миналы c -А1₂0₃ и als -Al₂Si0₅, а типоморфных минералов несколько: структурные модификации Al₂Si0₅ (кианит, силлиманит, андалузит), кордиерит, пироп-альмандиновые гранаты, шпинели, корунд, мусковит, топаз, глиноземистый биотит, жедрит. Типоморфными миналами ряда нормальной щелочности являются (di+hd), а минералами - клинопироксен и Na-Ca-амфибол. В случае отсутствия этих миналов и минералов, признаком данного ряда является также отсутствие глиноземистых и щелочных миналов и минералов. Типоморфными миналами субщелочного и щелочного рядов являются ас, dsn, dsk, ns и ks, а минералами - субщелочные и щелочные пироксены и амфиболы. Различия же субщелочного и щелочного рядов устанавливаются по соотношению ас с (di+hd) и по составу пироксенов и амфиболов (Дубровский, 1993). Петрохимическим критерием выделения рядов является соотношение молекулярного количества А1₂0₃ с суммой молекулярных количеств (K₂0+Na₂0+CaO): 1) А1₂0₃ > (K₂0+Na₂0+CaO) - ряд, пересыщенный А1₂0₃; 2) (K₂0+Na₂0) < А1₂0₃ < (K₂0+Na₂0+CaO) - ряд нормальной щелочности; 3) (K₂0+Na₂0) > А1₂0₃ -недосыщенный А1₂0₃ ряд, или щелочной. Этот критерий был предложен Шендом еще в 1927 г. (Shand, 1927) и успешно применялся в его классификации магматических пород, и который четко коррелируется с их минеральным составом.

Кроме того, имеет смысл выделять и калиевый щелочной подряд с соотношением К₂0 > А1₂0₃, который характеризуется отсутствием в его породах алюмосиликатных миналов и минералов натрия и тем более кальция.

В данной работе, кроме вышеприведенных критериев различия рядов, предлагается использовать коэффициент щелочности, являющийся аналитическим выражением указанных неравенств Шенда: в мол количествах, где CaO′- мол. количество кальция, оставшееся после образования всех кальцийсодержащих "акцессорных" миналов. Нет необходимости доказывать, что имеет очевидное преимущество перед неравенствами, поскольку последние невозможно использовать для построения петрохимических диаграмм. Значение же может изменяться от минус бесконечности, до плюс бесконечности. Нулевое значение является границей между рядом низкой щелочности, который имеет значение от 0 до минус бесконечности, и рядом нормальной щелочности, значение которого находится в пределах от 0 до +1.0. Значение является граничным между рядом нормальной щелочности и высокой. Последний ряд имеет смысл разделить на два: субщелочной и щелочной, граница между которыми условная и может быть установлена только по договоренности. Предлагается к субщелочному ряду относить такие породы, соотношение в которых нормативных пироксеновых миналов натрия и кальция будет меньше 50% (т.е. < 50%), а к щелочным > 50% (исключение составляет ряд Д", см. ниже).

Тогда субщелочных пород будет иметь значение от +1.0 до 1.5, а щелочных - от 1.5 до плюс бесконечности.

Необходимо обратить внимание на то, что выделение рядов по химическим и минералогическим критериям для разных классов пород имеет различный смысл. Поэтому, вероятно, следует выделять петрохимические и петрографические ряды. Так как химизм не зависит от термодинамики, то определенный петрохимический ряд будет общим для всех трех классов, в то время как петрографические ряды в двух классах будут отличаться по набору минералов, в том числе и типоморфных. Естественно, в вулканическом классе имеются только петрохимические ряды (см. ниже). Предлагаемые критерии разделения пород на ряды по щелочности характеризуются строгостью и однозначностью, что проверено на огромном петрохимическом материале в сопоставлении с петрографическим.

Критерием же выделения рядов магматических горных пород в классификационной схеме Петрокомитета является сумма (Na₂0+K₂0) вес.%, отнесенная к содержанию Si0₂ в вес.%. Малонадежность данного критерия отмечают сами авторы классификационной схемы (Магматические горные породы 1983): "Граничные значения содержаний суммы щелочей для горных пород каждого из трех рядов значительно варьирует в зависимости от принадлежности к той или иной по содержанию Si0₂ группе" (с.26). Особенно ненадежные критерии выделения субщелочного ряда: "Границы между породами нормального и субщелочного, субщелочного и щелочного рядов проводятся по появлению некоторых индикаторных минералов - титанистых клинопироксенов и амфиболов, слюды, щелочного полевого шпата для субщелочных пород, фельдшпатоидов и щелочных пироксенов и амфиболов - для щелочных пород. В химическом составе присутствие в горных породах индикаторных минералов повышенной щелочности находит отражение в наличии соответствующих содержаний Na₂0+K₂0, Si0₂ и (или) А1₂0₃. При этом в группах ультраосновных и основных пород (недосыщенных кремнеземом) количественные соотношения щелочей и кремнезема почти целиком определяют щелочность; в то же время в группах кислых и средних пород с присущим им избытком Si0₂ в качестве ведущего признака при определении щелочности выступает уже отношение щелочей и глинозема (агпаитность). Соответственно на диаграмме Si0₂-(Na₂0+K₂0) мы видим четкое разграничение семейств, принадлежащих к разным рядам щелочности в группах ультраосновных и основных пород, и менее строгое обособление (взаимное перекрытие) полей разного уровня относительной щелочности в группах средних и кислых пород" (Магматические горные породы 1983, с.28). Несколько раньше, на с.26 этой же работы, говорилось, что К_аm щелочных пород больше единицы, а, следовательно, субщелочных - он должен быть < 1. Представляется, что использование титанистое™ моноклинного пироксена и амфибола как признака повышенной щелочности пород необоснованно, поскольку в литературе имеются данные (Пономарева, Налетов, 1979), согласно которым титанистость и моноклинного пироксена, и амфибола "субщелочных" пород больше, чем щелочных. Остается непонятным, почему слюды являются индикаторными минералами субщелочных пород, особенно мусковит? Кроме того, необходимо иметь в виду, что субщелочной петрохимический ряд пород не граничный, т.е. не строго заданной щелочности, и изменение щелочности моноклинных пироксенов (за исключением ряда Д") и амфиболов в нем, выражаемой соотношением , происходит постепенно, от чисто кальциевых, через кальции-натровые до натровых, или калиевых (ряд Д"). Поэтому теоретически возможен переход от биотит-роговообманковых пород нормальной щелочности к биотит-амфиболовым щелочным породам. Следовательно, появляется еще одна классификационная задача - выбрать границу между минеральными подрядами и определить их петрохимический смысл.

Если посмотрим на минальные ассоциации этих подрядов (табл.3.2 и 3.3), то увидим, что в них имеется качественный скачок, когда вместо an в минальной ассоциации появляется ас. В минеральном составе "граничные" породы должны содержать альбит (до 10% ап), но моноклинный пироксен и амфибол могут иметь нормальную щелочность, т.е. моноклинный пироксен не должен содержать акмитового минала > 10%, а щелочность амфибола не должна превышать 50%, по классификации автора (Дубровский, 1981); К_аrn и таких пород равен 1.0. До настоящего времени эту границу считают границей между субщелочными и щелочными породами. Автор настоящей работы эту границу предлагает считать границей между горными породами нормальной щелочности (естественно, с повышенным содержанием щелочей и щелочности) и субщелочными, поскольку до данной границы внутри пород нормальной щелочности отсутствуют "перепады" в минеральном и минальном составах. Состав плагиоклазов, пироксенов и амфиболов изменяется без скачков и характерных особенностей. После предлагаемой границы плагиоклаз должен быть не основнее Ab (до 10% an), в Срх появляется доминал (> 10%, в лампроитах ас может отсутствовать из-за малого содержания Na₂0), щелочность амфибола будет больше 50%. Присутствие в породе щелочных полевых шпатов является недостаточным признаком, чтобы породу отнести к субщелочному ряду. Альбит и калишпат могут присутствовать в породах, пересыщенных глиноземом, совместно с мусковитом, гранатом, топазом и т.д., и такие породы только по недоразумению относят к субщелочным. В субщелочных породах альбит и калишпат должны быть в ассоциации с субщелочными темноцветными минералами.

Границу же между субщелочными и щелочными породами можно провести только условно, по составу моноклинного пироксена и амфибола: "граничный" пироксен должен содержать 50% акмитового минала (за исключением ряда Д), а щелочность "граничного" амфибола равна 66.6 (Дубровский. 1981). Очевидно, что для совпадения диагностики по петрохимическим и минеральным параметрам (признакам) необходимо иметь точный аналитический материал, относящийся к конкретной пробе и конкретной породе. И это требование особенно касается "граничных" пород. Некорректно сопоставлять средние составы, да еще вычисленные не только по массивам и плутонам, а и по комплексам и сериям.

Следующим в иерархическом порядке находится таксон семейство (fатily). Семейством магматических горных пород предлагается называть породы, образованные в рамках одной минальной системы. Но так как семейства являются частью групп и рядов, то, естественно, наличие в таксоне петрохимических и петрографических категорий требует выделения и соответствующих семейств. В петрохимическое семейство должны объединяться горные породы с качественно сходным нормативно-минальным составом, независимо от их минерального состава, а в петрографическое семейство - горные породы, кроме того, имеющие качественно сходный минеральный состав, независимо от количественного соотношения минералов и их состава. Важно, чтобы эти минералы принадлежали одной минальной системе. Следовательно, одно петрохимическое семейство будет общим для всех трех классов, в то время как в гипо- и гипергидробарических классах этому семейству соответствуют петрографические семейства. Число петрохимических семейств конкретных групп и рядов зависит от детализации различий "акцессорных" миналов, связанных с концентрационными соотношениями FeO, Fe₂0₃ и Ti0₂ (см. табл.3.2 и 3.3.). Естественно, количество петрографических семейств превысит количество петрохимических, по крайней мере, больше чем в 2 раза, с учетом того, что появление первых связано не только с нормативными миналами, но и с модальными. Что же касается номенклатуры семейств, то здесь возникают определенные затруднения с краткостью термина, поскольку необходимо определить положение семейства в классе, отряде, группе и ряду, что относится к петрографическому семейству, и без указания класса - к петрохимическому семейству. Можно использовать комбинированную номенклатуру, например: гипогидробарическое семейство, I- q -нормальной группы, нормальной щелочности, Fe-Mg-отряда.

В классификации Петрокомитета выделяется петрографическое (минеральное) семейство и дается такое определение: "Под семейством понимается совокупность магматических горных пород сходного минерального состава с определенным соотношением петрохимических параметров (Si0₂, Na₂0+K₂0 и др.). При этом вулканические и соответствующие им плутонические породы предлагается относить к самостоятельным семействам" (Магматические горные породы 1983, с.26), т.е. близкое к нашему определению. В действительности различия данных определений существенные, поскольку в наше определение семейства включены иные петрохимические параметры. Предлагаемый таксон больше по объему и включает несколько семейств Петрокомитета. Так, например, семейства оливинитов-дунитов, перидотитов и габброидов (оливиновых) классификации Петрокомитета объединяются нами в одно гипогидробарическое семейство, II- оl -нормативной группы, нормальной щелочности, Fe-Mg-отряда, поскольку все названные совокупности пород могут образоваться из расплавов, имеющих минальный состав II- оl -нормативной группы, нормальной щелочности, Fe-Mg-отряда, т.е. попадающих в рамки одной минальной подсистемы. О сложностях выделения (или систематизации) определенных совокупностей (в частности семейств) горных пород по минеральному составу в гипергидробарическом классе, где появляются модальные миналы и подсистемы, говорилось подробно в предыдущих разделах.

Внимательный читатель должен был заметить, что все выше рассмотренные таксонные категории выделены главным образом по качественным признакам. Систематика горных пород на уровне охарактеризованных таксонов может осуществляться как по качественному минальному составу (отсутствие-присутствие типоморфных миналов), так и по качественному минеральному, но, в отдельных случаях, с различной степенью достоверности. Причем границы между совокупностями горных пород описанных таксонов остаются четкими и однозначными, т.е. между ними нет постепенных переходов.

Начиная с таксонов, где требуются количественные соотношения составляющих веществ: компонентов или фаз-минералов, возникает еще большая необходимость выделения петрохимических и петрографических (минеральных) таксонов, поскольку их одноименные таксонные категории для одной и той же породы могут не совпадать опять-таки из-за образования компонентами фаз-минералов, представляющих твердые растворы различного типа по Розебуму. Такими таксонами являются роды, индивиды (виды) и разновидности, т.е. того уровня, когда термодинамика определяет качественный и количественный фазовый состав из компонентного.

Под родом (genus) мы понимаем совокупность горных пород с определенными количественными соотношениями нормативных миналов в минальных (петрохимических) семействах и минералов - в минеральных (петрографических) семействах. Размеры родов в семействах и границы между ними определяются по договоренности, поскольку количественные соотношения как компонентов (миналов), так и фаз (минералов) в какой-либо системе, в зависимости от исходных составов расплавов, могут изменяться как постепенно, так и скачками. Поэтому и переходы от одних родов к другим также могут быть постепенными и резкими.

В работе автора (Дубровский, 1993) дано не совсем точное определение рода, с упором на генетический смысл, т.е. объясняются причины появления различных родов в системе. Но не дано строгого определения таксона и не оговорены его объем и границы. Согласно определению таксона род, данному выше, не правильно дифференцированный комплекс горных пород относить к одному роду, как это предлагалось в работе (Дубровский, 1993). Правильнее каждый член дифференцированного комплекса, имеющий определенные интервалы вещественного состава (минального и минерального), объединять в один род. Тогда дифференцированный комплекс пород будет представлен несколькими родами. И если сопоставлять с таксонами, выделенными в работах (Классификация и номенклатура 1981; Магматические горные породы 1983), то предлагаемый объем рода ближе всего соответствует их таксону "вид". Поэтому номенклатуру, границы и объем видов магматических горных пород, которые приняты в классификационной схеме Петрокомитета (Классификация и номенклатура 1981; Магматические горные породы 1983), предлагается применить к таксону род нашей классификации. Только номенклатурный термин для рода следует употреблять во множественном числе, например: род гранитов, род габбро, род сиенитов и так далее.

Далее переходим к наиболее важному таксону, но менее обоснованному по объему и определению, "виду", который является главным кирпичиком всего здания классификации. В работах (Классификация и номенклатура 1981; Магматические горные породы 1983) дается такое определение таксона вид: "Вид горной породы определяется набором (комбинацией) типоморфных (главных) и (±) существенных минералов, их количественными соотношениями и составом в совокупности с петрохимическими параметрами, определяемыми принадлежностью вида к группе, ряду, семейству". В этом определении нет строгости и четкости. Но, оказывается, не так просто дать строгое определение вида и предложить его объем и границы. Вот что пишет по этому поводу А.Н.Заварицкий (1956, с. 11-12): "Определенный кристалл, минерал, растение или животное - все это индивиды естественные и понятные. В большинстве случаев мы встречаемся здесь и с достаточно ясно очерченными определенными видами, объединяющими группы наиболее близких индивидов.... Иначе обстоит дело с образованием горных пород... В связи с этим даже индивиды петрографии, которыми мы можем считать породы отдельных однородных участков одного и того же геологического тела, далеко не всегда обособлены один от другого. Непрерывная цепь переходов иногда так связывает их между собой, что границу можно провести в значительной мере условно. Еще больше неопределенности в понятии о виде. Здесь тоже нет того ясного генетического признака, вытекающего из общего происхождения индивидов, принадлежащих к одному и тому же виду, как в биологических науках".