Петрология, 2023, T. 31, № 6, стр. 649-665

Распределение кристаллов по размеру как ключ к эволюции протокумулуса в расслоенных массивах: эксперименты, расчеты и практика определения CSD

С. Н. Соболев a*, А. А. Арискин ab, Г. С. Николаев a, И. В. Пшеницын a

a Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН
Москва, Россия

b Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Геологический факультет
Москва, Россия

* E-mail: ssn_collection@bk.ru

Поступила в редакцию 25.01.2023
После доработки 02.05.2023
Принята к публикации 18.06.2023

Аннотация

Приводится обзор расчетных и экспериментальных подходов к воспроизведению трех типов распределения кристаллов по размеру (логлинейного, бимодального, логнормального CSD), а также систематизированы публикации по определению CSD в породах десяти расслоенных массивов. Для более детального обсуждения представлены результаты для образцов плагиодунитов Йоко-Довыренского массива (Северное Прибайкалье), гарцбургита из краевой зоны Мончегорского плутона и уртитов Ловозерского интрузива (Мурманская область). Представлены возможные причины и сценарии образования трех типов CSD, установленных для этих объектов.

Ключевые слова: распределение кристаллов по размерам (CSD), кумулат, расслоенный, кристаллическая каша, Йоко-Довыренский массив, Мончегорский плутон, Ловозерский интрузив

Список литературы

  1. Арискин А.А., Бармина Г.С. Моделирование фазовых равновесий при кристаллизации базальтовых магм. М.: Наука, 2000. 363 с.

  2. Арискин А.А., Бычков К.А., Николаев Г.С., Бармина Г.С. Обновленный КОМАГМАТ-5: моделирование эффектов выделения сульфидов одновременно с кристаллизацией алюмохромистой шпинели // Петрология. 2023. Т. 31. № 5.

  3. Буссен И.В. Сахаров А.С. Петрология Ловозерского щелочного массива. Л.: Наука, 1972. 296 с.

  4. Герасимовский В.И., Балашов Ю.А., Волков В.П. и др. Геохимия Ловозерского щелочного массива. М.: Наука, 1966. 398 с.

  5. Кислов Е.В. Йоко-Довыренский расслоенный массив. Улан-Удэ: Изд. Бурятского НЦ, 1998. 265 с.

  6. Колмогоров А.Н. К статистической теории кристаллизации металлов // Изв. АН СССР. Сер. Математическая. 1937. Т. 1. Вып. 3. С. 355–359.

  7. Перчук Л.Л. Пироксеновый барометр и “пироксеновые геотермы” // Докл. АН СССР. 1977. Т. 233. № 6. С. 1196–1200.

  8. Расслоенные интрузии Мончегорского рудного района: петрология, оруденение, изотопия, глубинное строение // Ред. Ф.П. Митрофанов и В.Ф. Смолькин. Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 2004. Ч. 1. 177 с.

  9. Симакин А.Г., Трубицын В.П., Харыбин Е.В. Распределение по размерам и глубине для кристаллов, осаждающихся в застывающей магматической камере // Физика Земли. 1998. Т. 8. С. 30–37.

  10. Смолькин В.Ф., Мокрушин А.В., Баянова Т.Б. и др. Магмоподводящий палеоканал в Мончегорском рудном районе: геохимия, изотопный U-Pb и Sm-Nd анализ (Кольский регион, Россия) // Зап. Горного ин-та. 2022. Т. 255. С. 1–14.

  11. Френкель М.Я. Тепловая и химическая динамика внутрикамерной дифференциации базитовых магм. М.: Наука, 1995. 239 с.

  12. Френкель М.Я., Ярошевский А.А., Арискин А.А. и др. Динамика внутрикамерной дифференциации базитовых магм. М.: Наука, 1998. 216 с.

  13. Чащин В.В., Баянова Т.Б., Савченко Е.Э. и др. Петрогенезис и возраст пород Нижней платиноносной зоны Мончетундровского базитового массива, Кольский полуостров // Петрология. 2020. Т. 28. № 2. С. 150–183.

  14. Andrews B.J., Befus K.S. Supersaturation Nucleation and Growth of Plagioclase: a numerical model of decompression-induced crystallization // Contrib. Mineral. Petrol. 2020. V. 175. № 3. P. 1–20. https://doi.org/10.1007/s00410-020-1660-9

  15. Annen C. From plutons to magma chambers: Thermal constraints on the accumulation of eruptible silicic magma in the upper crust // Earth Planet. Sci. Lett. 2009. V. 284. № 3–4. P. 409–416. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2009.05.006

  16. Ariskin A.A., Kostitsyn Y.A., Konnikov E.G. et al. Geochronology of the Dovyren intrusive complex, northwestern Baikal area, Russia, in the Neoproterozoic // Geochem. Int. 2013. V. 51. P. 859–875. https://doi.org/10.1134/S0016702913110025

  17. Ariskin A., Danyushevsky L., Nikolaev G. et al. The Dovyren Intrusive Complex (Southern Siberia, Russia): Insights into dynamics of an open magma chamber with implications for parental magma origin, composition, and Cu-Ni-PGE fertility // Lithos. 2018. V. 302–303. P. 242–262. https://doi.org/10.1016/j.lithos.2018.01.001

  18. Armienti P., Tarquini S. Power law olivine crystal size distributions in lithospheric mantle xenoliths // Lithos. 2002. V. 65 (3–4). P. 273–285. https://doi.org/10.1016/S0024-4937(02)00195-0

  19. Arzamastsev A.A. Unique Paleozoic Intrusions of the Kola Peninsula. Apatity: Geological Institute of the Kola Science Centre, 1994. 79 p.

  20. Blow K.E., Quigley D., Sosso G.C. The seven deadly sins: When computing crystal nucleation rates, the devil is in the details // J. Chemical Physics. 2021. V. 155 (4). P. 040901. https://doi.org/10.1063/5.0055248

  21. Boorman S., Boudreau A., Kruger F.J. The Lower Zone-Critical Zone transition of the Bushveld Complex: a quantitative textural study // J. Petrol. 2004. V. 45 (6). P. 1209–1235. https://doi.org/10.1093/petrology/egh011

  22. Brugger C.R., Hammer J.E. Crystal size distribution analysis of plagioclase in experimentally decompressed hydrous rhyodacite magma // Earth Planet. Sci. Lett. 2010. V. 300 (3–4). P. 246–254. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2010.09.046

  23. Cashman K.V. Relationship between plagioclase crystallization and cooling rate in basaltic melts // Contrib. Mineral. Petrol. 1993. V. 113. P. 126–142. https://doi.org/10.1007/BF00320836

  24. Cashman K.V., Marsh B.D. Crystal size distribution (CSD) in rocks and the kinetics and dynamics of crystallization II: Makaopuhi lava lake // Contrib. Mineral. Petrol. 1988. V. 99 (3). P. 292–305. https://doi.org/10.1007/BF00375363

  25. Da Silva M.M., Holtz F., Namur O. Crystallization experiments in rhyolitic systems: The effect of temperature cycling and starting material on crystal size distribution // Amer. Mineral. 2017. V. 102 (11). P. 2284–2294. https://doi.org/10.2138/am-2017-5981

  26. Dowty E. Chapter 10. Crystal Growth and Nucleation Theory and the Numerical Simulation of Igneous Crystallization // Physics of Magmatic Processes. Princeton University Press, 1980. 600 p. https://doi.org/10.1515/9781400854493.419

  27. Eberl D.D., Drits V.A., Środoń J. Deducing growth mechanisms for minerals from the shapes of crystal size distributions // Amer. J. Sci. 1998. V. 298 (6). P. 499–533. https://doi.org/10.2475/ajs.298.6.499

  28. Féménias O., Coussaert N., Brassinnes S. et al. Emplacement processes and cooling history of layered cyclic unit II-7 from the Lovozero alkaline massif (Kola Peninsula, Russia) // Lithos. 2005. V. 83. № 3–4. P. 371–393. https://doi.org/10.1016/j.lithos.2005.03.012

  29. Godel L.M., Barnes S.J., Barnes S. Deposition computed mechanisms of magmatic sulphide liquids: evidence from high-resolution X-ray tomography and trace element chemistry of komatiite-hosted disseminated sulphides // J. Petrol. 2013. V. 54. № 7. P. 1455–1481 https://doi.org/10.1093/petrology/egt018

  30. Hersum T.G., Marsh B.D. Igneous microstructures from kinetic models of crystallization // J. Volcanol. Geothermal Res. 2006. V. 154 (1–2). P. 34–47. https://doi.org/10.1016/j.jvolgeores.2005.09.018

  31. Higgins M.D. Measurement of crystal size distributions // Amer. Mineral. 2000. V. 85 (9). P. 1105–1116. https://doi.org/10.2138/am-2000-8-901

  32. Higgins M.D. A crystal size-distribution study of the Kiglapait layered mafic intrusion, Labrador, Canada: Evidence for textural coarsening // Contrib. Mineral. Petrol. 2002. V. 144 (3). P. 314–330. https://doi.org/10.1007/s00410-002-0399-9

  33. Higgins M.D. Quantitative Textural Measurements in Igneous and Metamorphic Petrology. Cambridge University Press, 2006. 265 p. https://doi.org/10.1017/CBO9780511535574

  34. Hort M., Spohn T. Crystallization calculations for a binary melt cooling at constant rates of heat removal: implications for the crystallization of magma bodies // Earth Planet. Sci. Lett. 1991. V. 107 (3–4). P. 463–474. https://doi.org/10.1016/0012-821X(91)90093-W

  35. Hoshide T., Obata M., Akatsuka T. Crystal settling and crystal growth of olivine in magmatic differentiation – the Murotomisaki Gabbroic Complex, Shikoku, Japan // J. Mine-ral. Petrol. Sci. 2006. V. 101 (5). P. 223–239. https://doi.org/10.2465/jmps.101.223

  36. Hunt E.J., Finch A.A., Donaldson C.H. Layering in peralkaline magmas, Ilímaussaq Complex, S Greenland // Lithos. 2017. V. 268–271. P. 1–15. https://doi.org/10.1016/j.lithos.2016.10.023

  37. Karykowski B.T., Maier W.D., Groshev N.Y. et al. Critical controls on the formation of contact-style PGE-Ni-Cu mineralization: Evidence from the paleoproterozoic Monchegorsk Complex, Kola Region, Russia // Econ. Geol. 2018. V. 113 (4). P. 911–935.

  38. Kirkpatrick R.J. Towards a kinetic model for the crystallization of magma bodies // J. Geophys. Res. 1976. V. 81 (14). P. 2565–2571. https://doi.org/10.1029/jb081i014p02565

  39. Kirkpatrick R.J. Nucleation and growth of plagioclase, Makaopuhi and Alae lava lakes, Kilauea Volcano, Hawaii // GSA Bull. 1977. V. 88 (1). P. 78–84. https://doi.org/10.1130/0016-7606(1977)88<78:NAGOPM>2.0.CO;2

  40. Lifshitz I.M., Slyozov V.V. The kinetics of precipitation from supersaturated solid solutions // J. Phys. Chem. Solids. 1961. V. 19 (1–2). P. 35–50. https://doi.org/10.1016/0022-3697(61)90054-3

  41. Magee C., O’Driscoll B., Chambers A.D. Crystallization and textural evolution of a closed-system magma chamber: Insights from a crystal size distribution study of the Lilloise layered intrusion, East Greenland // Geol. Mag. 2010. V. 147 (3). P. 363–379. https://doi.org/10.1017/S0016756809990689

  42. Mao Y.J., Barnes S.J., Duan J. et al. Morphology and particle size distribution of olivines and sulphides in the jinchuan Ni-Cu sulphide deposit: Evidence for sulphide percolation in a crystal mush // J. Petrol. 2018. V. 59 (9). P. 1701–1730. https://doi.org/10.1093/petrology/egy077

  43. Mao Y.J., Barnes S.J., Qin K.Z. et al. Rapid orthopyroxene growth induced by silica assimilation: constraints from sector-zoned orthopyroxene, olivine oxygen isotopes and trace element variations in the Huangshanxi Ni–Cu deposit, Northwest China // Contrib. Mineral. Petrol. 2019. V. 174. P. 33. https://doi.org/10.1007/s00410-019-1574-6

  44. Marsh B.D. Crystal size distribution (CSD) in rocks and the kinetics and dynamics of crystallization – I. Theory // Contrib. Mineral. Petrol. 1988. V. 99 (3). P. 277–291. https://doi.org/10.1007/BF00375362

  45. Marsh B.D. On the interpretation of crystal size distributions in magmatic systems // J. Petrol. 1998. V. 39 (4). P. 553–599. https://doi.org/10.1093/petroj/39.4.553

  46. McDonald M.A., Bommarius A.S., Grover M.A. et al. Direct observation of growth rate dispersion in the enzymatic reactive crystallization of ampicillin // Processes. 2019. V. 7 (6). P. 1–17. https://doi.org/10.3390/PR7060390

  47. Melnik O.E., Blundy J.D., Rust A.C. et al. Subvolcanic plumbing systems imaged through crystal size distributions // Geology. 2011. V. 39 (4). P. 403–406. https://doi.org/10.1130/G31691.1

  48. Mikhailova J.A., Ivanyuk G.Y., Kalashnikov A.O. et al. Petrogenesis of the eudialyte complex of the lovozero alkaline massif (Kola Peninsula, Russia) // Minerals. 2019. V. 9 (10). P. 581. https://doi.org/10.3390/min9100581

  49. Mills R.D., Glazner A.F. Experimental study on the effects of temperature cycling on coarsening of plagioclase and olivine in an alkali basalt // Contrib. Mineral. Petrol. 2013. V. 166 (1). P. 97–111. https://doi.org/10.1007/s00410-013-0867-4

  50. Mollard E., Martel C., Le Trong E. et al. Theoretical models of decompression-induced plagioclase nucleation and growth in hydrated silica-rich melts // Frontiers in Earth Science. 2020. V. 8. P. 1–15. https://doi.org/10.3389/feart.2020.00203

  51. Mydlarz J. An exponential-hyperbolic crystal growth rate model // Crystal Research and Technology. 1995. V. 30 (6). P. 747–761. https://doi.org/10.1002/crat.2170300604

  52. O’Driscoll B., Donaldson C.H., Troll V.R. et al. An origin for harrisitic and granular olivine in the rum layered suite, NW Scotland: a crystal size distribution study // J. Petrol. 2007. V. 48 (2). P. 253–270. https://doi.org/10.1093/petrology/egl059

  53. Orlando A., D’Orazio M., Armienti P. et al. Experimental determination of plagioclase and clinopyroxene crystal growth rates in an anhydrous trachybasalt from Mt Etna (Italy) // Eur. J. Mineral. 2008. V. 20. P. 653–664. https://doi.org/10.1127/0935-1221/2008/0020-1841

  54. Park Y., Hanson B. Experimental investigation of Ostwald-ripening rates of forsterite in the haplobasaltic system // J. Volcanol. Geotherm. Res. 1999. V. 90 (1–2). P. 103–113. https://doi.org/10.1016/S0377-0273(99)00023-2

  55. Randolph A.D., Larson M.A. Theory of Particulate Processes. New York: Academic Press, 1971. 251 p.

  56. Randolph A.D., White E.T. Modelling size dispersion in the prediction of crystal size distribution // Chem. Eng. Sci. 1977. V. 32. P. 1067–1076.

  57. Resmini R.G. Modeling of crystal size distributions (CSDs) in sills // J. Volcanol. Geotherm. Res. 2007. V. 161 (1–2). P. 118–130. https://doi.org/10.1016/j.jvolgeores.2006.06.023

  58. Salisbury M.J., Bohrson W.A., Clynne M.A. et al. Multiple plagioclase crystal populations identified by crystal size distribution and in situ chemical data: Implications for timescales of magma chamber processes associated with the 1915 eruption of Lassen Peak, CA // J. Petrol. 2008. V. 49 (10). P. 1755–1780. https://doi.org/10.1093/petrology/egn045

  59. Simakin A.G., Bindeman I.N. Evolution of crystal sizes in the series of dissolution and precipitation events in open magma systems // J. Volcanol. Geotherm. Res. 2008. V. 177 (4). P. 997–1010. https://doi.org/10.1016/j.jvolgeores.2008.07.012

  60. Simakin A.G., Devyatova V.N., Nekrasov A.N. Crystallization of Cpx in the Ab-Di system under the oscillating temperature: contrast dynamic modes at different periods of oscillation // Eds. Y. Litvin, O. Safonov. Advances in Experimental and Genetic Mineralogy. Springer Mineralogy. Springer Cham, 2020. https://doi.org/10.1007/978-3-030-42859-4_5

  61. Simone C., Mattia de’ M.V., Patrizia L. CrystalMom: a new model for the evolution of crystal size distributions in magmas with the quadrature-based method of moments // Contrib. Mineral. Petrol. 2017. V. 172 (11–12). https://doi.org/10.1007/s00410-017-1421-6

  62. Sosso G.C., Chen J., Cox S.J. et al. Crystal nucleation in liquids: open questions and future challenges in molecular dynamics simulations // Chem. Rev. 2016. V. 116 (12). P. 7078–7116. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.5b00744

  63. Špillar V., Dolejš D. Calculation of time-dependent nucleation and growth rates from quantitative textural data: Inversion of crystal size distribution // J. Petrol. 2013. V. 54 (5). P. 913–931. https://doi.org/10.1093/petrology/egs091

  64. Špillar V., Dolejš D. Kinetic model of nucleation and growth in silicate melts: Implications for igneous textures and their quantitative description // Geochim Cosmochim. Acta. 2014. V. 131. P. 164–183. https://doi.org/10.1016/j.gca.2014.01.022

  65. Spohn T., Hort M., Fischer H. Numerical simulation of the crystallization of multicomponent melts in thin dikes or sills. 1. The liquidus phase // J. Geophys. Res. 1988. V. 93 (B5). P. 4880–4894. https://doi.org/10.1029/JB093iB05p04880

  66. Tarquini S., Favalli M. A microscopic information system (MIS) for petrographic analysis // Computers & Geosciences. 2010. V. 36 (5). P. 665–674 https://doi.org/10.1016/j.cageo.2009.09.017

  67. Toramaru A. Model of nucleation and growth of crystals in cooling magmas // Contrib. Mineral. Petrol. 1991. V. 108 (1–2). P. 106–117. https://doi.org/10.1007/BF00307330

  68. Vona A., Romano C., Dingwell D.B. et al. The rheology of crystal-bearing basaltic magmas from Stromboli and Etna // Geochim. Cosmochim. Acta. 2011. V. 75 P. 3214–3236. https://doi.org/10.1016/j.gca.2011.03.031

  69. Williams E., Boudreau A.E., Boorman S. et al. Textures of orthopyroxenites from the Burgersfort bulge of the eastern Bushveld Complex, Republic of South Africa // Contrib. Mineral. Petrol. 2006. V. 151 (4) P. 480–492. https://doi.org/10.1007/s00410-006-0072-9

  70. Yao Z. Sen, Qin K. Zhang, Xue S. Chao. Kinetic processes for plastic deformation of olivine in the Poyi ultramafic intrusion, NW China: Insights from the textural analysis of a ~1700 m fully cored succession // Lithos. 2017. V. 284–285. P. 462–476. https://doi.org/10.1016/j.lithos.2017.05.002

  71. Zieg M.J., Marsh B.D. Crystal size distributions and scaling laws in the quantification of igneous textures // J. Petrol. 2002. V. 43 (1). P. 85–101. https://doi.org/10.1093/petrology/43.1.85

Дополнительные материалы

скачать ESM_1.png
Приложение 1.
 
скачать ESM_2.png
Приложение 2.
 
скачать ESM_3.png
Приложение 3.
 
скачать ESM_4.png
Приложение 4.
 
скачать ESM_5.png
Приложение 5.
 
скачать ESM_6.png
Приложение 6.