1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Геохимия
  4. T. 68, № 1, 2023

Геохимия, 2023, T. 68, № 1, стр. 27-47

Влияние сульфидной серы на кристаллизацию магм нормальной щелочности (пролегомены)

Г. С. Николаев *

Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН
119991 Москва, ул. Косыгина, 19, Россия

* E-mail: gsnikolaev@rambler.ru

Поступила в редакцию 17.02.2022
После доработки 15.07.2022
Принята к публикации 02.08.2022

Аннотация

Рассмотрено влияние сульфидной серы на кристаллизационную дифференциацию ультраосновных-основных-средних магматических систем с целью оценить его масштабы и направленность при кристаллизации породообразующих фаз. В рамках исследования проведен теоретический анализ влияния серы на активности компонентов силикатного расплава согласно принципу кислотно-оснóвного взаимодействия Коржинского. Для проверки теоретических построений был проведен систематический поиск опубликованных экспериментальных данных допускающих прямое сопоставление серонасыщенных и свободных от серы опытов. Несмотря на очень ограниченное количество таких экспериментов, все они хорошо укладываются в теоретически предсказанные тренды. Установлено, что добавление в систему серы умеренно снижает температуру ликвидуса породообразующих минералов в пределах 20–30°С, и значимо влияет на их состав. В случае хромшпинелида происходит его обогащение хромом на 10–12 мол. % и комплементарное обеднение алюминием. Состав плагиоклаза обогащается анортитовой компонентой: 3 мол. % в дацитах, 8 мол. % в андезитах, в базальтах этот эффект установить не удалось, но можно ожидать его усиления. Оливин и ортопироксен претерпевают незначительное увеличение магнезиальности, но в пользу ортопироксена существенно сокращается поле их совместного сосуществования, что неизбежно должно повлечь изменение их котектических и перитектических пропорций. Для ряда природных объектов из публикаций почерпнуты наблюдения, которые можно интерпретировать как результат проявления влияния серы. Полученные результаты приводят к выводу, что влияние серы на кристаллизацию силикатных магм значимо. А это, как минимум, требует большой осторожности при использовании для серосодержащих систем петрологических зависимостей, калиброванных на свободных от серы экспериментах.

Ключевые слова: кристаллизация породобразующих фаз, кислотно-основное взаимодействие Коржинского, окислительно-восстановительный потенциал, Cu-Ni-PGE месторождение Сакатти, хондрит Вигарано, Йоко-Довыренский плутон

Список литературы

  1. Арискин А.А., Бармина Г.С. (2000) Моделирование фазовых равновесий при кристаллизации базальтовых магм (ред. И.Д. Рябчиков). М.: Наука, 363 с.

  2. Арискин А.А., Мешалкин С.С., Альмеев Р.Р., Бармина Г.С., Николаев Г.С. (1997) Информационно-поисковая система ИНФОРЭКС: анализ и обработка экспериментальных данных по фазовым равновесиям изверженных пород. Петрология. 5(1), 32-41.

  3. Арискин А.А., Фомин И.С., Жаркова Е.В, Кадик А.А., Николаев Г.С. (2017) Окислительно-восстановительный режим формирования ультрамафитов и габброидов Йоко-Довыренского массива (по результатам измерений собственной летучести кислорода в оливине). Геохимия. (7), 579-593.

  4. Ariskin A.A., Fomin I.S., Zharkova E.V., Kadik A.A., Nikolaev G.S. (2017) Redox Conditions During Crystallization of Ultramafic and Gabbroic Rocks of the Yoko–Dovyren Massif (Based on the Results of Measurements of Intrinsic Oxygen Fugacity of Olivine). Geochem. Int. 55(7), 595-607.

  5. Гирнис А.В. (2003) Равновесие оливин-ортопироксен-расплав как термобарометр для мантийных магм. Петрология. 11(2), 115-127.

  6. Древинг В.П., Калашников Я.А. (1964) Правило фаз с изложением основ термодинамики. М.: Изд-во Моск. ун-та, 455 с.

  7. Жариков В.А. (2005) Основы физической геохимии. М.: Изд-во Моск. ун-та / Наука, 654 с.

  8. Кислов Е.В. (1998) Йоко-Довыренский расслоенный массив. Улан-Удэ: Изд-во БНЦ СО РАН, 265 с.

  9. Коптев-Дворников Е.В., Арьяева Н.С., Бычков Д.А. (2012) Уравнение термобарометра для описания сульфид-силикатной ликвации в базитовых системах. Петрология. 20(5), 1-18.

  10. Коржинский Д.С. (1959) Кислотно-основное взаимодействие компонентов в силикатных расплавах и направление котектических линий. ДАН СССР. 128(2), 383-386.

  11. Коржинский Д.С. (1960) Кислотность – щелочность как главнейший фактор магматических и послемагматических процессов. в кн. Магматизм и связь с ним полезных ископаемых. М.: Изд-во АН СССР, 21-30

  12. Коржинский Д.С. (1965а) Вывод термодинамических потенциалов открытых систем с внешне задаваемыми кислотностью и восстановленностью. Проблемы геохимии. М.: Наука, 128-136.

  13. Коржинский Д.С. (1965б) Кислотно-основное взаимодействие компонентов в расплавах. Исследование природного и технического минералообразования. М.: Наука, 5-9.

  14. Коржинский Д.С. (1973) Теоретические основы анализа парагенезисов минералов. М.: Наука, 288 с.

  15. Коржинский Д.С. (1978) Зависимость степени окисления железа в магме от щелочности. ДАН СССР. 238(4), 948-950.

  16. Маракушев А.А. (1976а) Кислотно-щелочные свойства безводных силикатов и алюмосиликатов. Записки Всероссийского Минералогического Общества Сер. 2. 105(5), 562-579.

  17. Маракушев А.А. (1976б) Метод термодинамического расчета показателей основности горных пород и минералов. Бюллетень Моск. Общества Испытателей Природы, Отд. Геологический. LI(1), 5-25.

  18. Маракушев А.А. (1978) Термодинамический расчет показателей основности химических элементов и простых окислов // В кн. Очерки физико-химической петрологии, вып. VII, (отв. ред.: Жариков В.А., Федькин В.В.), М.: Наука, 41-82.

  19. Маракушев А.А. (1979) Петрогенезис и рудообразование (геохимические аспекты). М.: Наука, 261 с.

  20. Наумов Г.Б., Рыженко Б.Н., Ходаковский И.Л. (1971) Справочник термодинамических величин (для геологов). М.: Атомиздат, 240 с.

  21. Николаев Г.С., Арискин А.А., Бармина Г.С. (2018а) SPINMELT-2.0: Численное моделирование равновесия шпинелид–расплав в базальтовых системах при давлениях до 15 кбар. I. Формулировка, калибровка и тестирование модели. Геохимия. (1), 28-49.

  22. Nikolaev G.S., Ariskin A.A., Barmina G.S. (2018a) SPINMELT-2.0: Simulation of Spinel–Melt Equilibrium in Basaltic Systems under Pressures up to 15 Kbar: I. Model Formulation, Calibration, and Tests. Geochem. Int. 56(1), 24-45.

  23. Николаев Г.С., Арискин А.А., Бармина Г.С. (2018б) SPINMELT-2.0: Численное моделирование равновесия шпинелид–расплав в базальтовых системах при давлениях до 15 кбар. II. Описание программы, топология модельной системы хромшпинелид-расплав и её петрологические приложения. Геохимия. (2), 135-146.

  24. Nikolaev G.S., Ariskin A.A., Barmina G.S. (2018b) SPINMELT-2.0: Simulation of Spinel–Melt Equilibrium in Basaltic Systems under Pressures up to 15 Kbar: II. Description of the Program Package, the Topology of the Cr-spinel–Melt Model System, and Petrological Implications. Geochem. Int. 56(2), 125-135.

  25. Николаев Г.С., Борисов А.А., Арискин А.А. (1996а) Новые ${{f}_{{{{{\text{O}}}_{2}}}}}$ – барометры для закалочньіх стекол различных петрохимических серий. Геохимия. (9), 836-839.

  26. Nikolaev G.S., Borisov A.A., Ariskin A.A. (1996a) New ${{f}_{{{{{\text{O}}}_{2}}}}}$-Barometers for Quenched Glasses of Various Petrochemical Series. Geochem. Int. 34(9), 753-756.

  27. Николаев Г.С., Борисов А.А., Арискин А.А. (1996б) Расчет соотношения Fe3+/Fe2+ в магматических расплавах: Тестирование и дополнительная калибровка эмпирических уравнений для различных петрохимических серий. Геохимия. (8), 713-722.

  28. Nikolaev G.S., Borisov A.A., Ariskin A.A. (1996b) Calculation of the Ferric–Ferrous Ratio in Magmatic Melts: Testing and Additional Calibration of Empirical Equations for Various Magmatic Series. Geochem. Int. 34(8), 641-649.

  29. Николаев Г.С., Арискин А.А., Бармина Г.С., Назаров М.А., Альмеев Р.Р. (2016) Тестирование Ol–Opx–Sp оксибарометра Балльхауса–Берри–Грина и калибровка нового уравнения для оценки окислительного состояния расплавов, насыщенных оливином и шпинелидом. Геохимия. (4), 323-343

  30. Nikolaev G.S., Ariskin A.A., Barmina G.S., Nazarov M.A., Almeev R.R. (2016) Test of the Ballhaus–Berry–Green Ol–Opx–Sp Oxybarometer and Calibration of a New Equation for Estimating the Redox State of Melts Saturated with Olivine and Spinel. Geochem. Int. 54(4), 301-320.

  31. Усанович М.И. (1939) О кислотах и основаниях. Журн. Общей Химии. 9(2), 182-192.

  32. Усанович М.И. (1970) Исследования в области теории растворов и теории кислот и оснований. Избранные труды. Алма-Ата: Наука, 363 с.

  33. Фомин И.С., Николаев Г.С., Арискин А.А., Жаркова Е.В. (2012) Сопоставление методик оценки окислительно-восстановительных условий и температур закрытия систем оливин-хромшпинелид для пород Йоко-Довыренского расслоенного интрузива. Материалы Второй научной молодежной школы “Новое в познании процессов рудообразования” 11–13 декабря 2012. М.: ИГЕМ РАН, 196-198.

  34. Яковлев О.И., Шорников С.И. (2022) Эффект кислотно-основного взаимодействия при испарении щелочных компонентов из расплавов хондр. Геохимия. 67(5), 403-412.

  35. Yakovlev O.I., Shornikov S.I. (2022) Effect of Acid−Base Interaction at the Evaporation of Alkaline Components from Chondrule Melts. Geochem. Int. 60(5), 401-410.

  36. Ariskin A.A., Barmina G.S. (2004) COMAGMAT: Development of a magma crystallization model and its petrologic applications. Geochem. Int. 42 (Supplementary 1), S1-S157.

  37. Ariskin A.A., Barmina G.S., Meshalkin S.S., Nikolaev G.S., Almeev R.R. (1996) INFOREX-3.0: A database on experimental studies of phase equilibria in igneous rocks and synthetic systems: II. Data description and petrological applications. Computers & Geosciences. 22(10), 1073-1082.

  38. Ariskin A.A., Danyushevsky L.V., Bychkov K.A., McNeill A.W., Barmina G.S., Nikolaev G.S. (2013) Modeling Solubility of Fe-Ni Sulfides in Basaltic Magmas: The Effect of Nickel. Economic Geology. 108, 1983-2003.

  39. Ariskin A.A., Bychkov K.A., Nikolaev G.S., Barmina G.S. (2018) The COMAGMAT-5: Modeling the Effect of Fe–Ni Sulfide Immiscibility in Crystallizing Magmas and Cumulates. J. Petrol. 59(2), 283-298.

  40. Ariskin A., Danyushevsky L., Nikolaev G., Kislov E., Fiorentini M., McNeill A., Kostitsyn Yu., Goemann K., Feig S.T., Malyshev A. (2018) 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. 302–303, 242-262.

  41. Baker D.R., Moretti R. (2011) Modeling the solubility of sulfur in magmas: A 50-year old geochemical challenge: Reviews in Mineralogy and Geochemistry. 73, 167-213.

  42. Ballhaus C., Berry R.F., Green D.H. (1991) High pressure experimental calibration of the olivine-orthopyroxene-spinel oxygen geobarometer: implications for the oxidation state of the upper mantle. Contrib. Mineral. Petrol. 107(1), 27-40; Erratum: (1994) Contrib. Mineral. Petrol. 118(1), 109.

  43. Beermann O., Botcharnikov R.E., Holtz F., Diedrich O., Nowak M. (2011) Temperature dependence of sulfide and sulfate solubility in olivine-saturated basaltic magmas. Geochim. Cosmochim. Acta. 75, 7612-7631.

  44. Berthet S., Malavergne V., Righter K. (2009) Melting of the Indarch meteorite (EH4 chondrite) at 1 GPa and variable oxygen fugacity: Implications for early planetary differentiation processes. Geochim. Cosmochim. Acta. 73, 6402-6420.

  45. Brownscombe W., Ihlenfeld C., Coppard J., Hartshorne C., Klatt S., Siikaluoma J.K., Herrington R.J. (2015) The Sakatti Cu–Ni–PGE sulfide deposit in Northern Finland. In Mineral deposits of Finland, (Eds. Maier W., Lahtinen R., O’Brien H.). Amsterdam: Elsevier, 211-252.

  46. Costa F., Scaillet B., Pichavant M. (2004) Petrological and Experimental Constraints on the Pre-eruption Conditions of Holocene Dacite from Volcán San Pedro (36° S, Chilean Andes) and the Importance of Sulphur in Silicic Subduction-related Magmas. J. Petrology. 45(4), 855-881.

  47. Danyushevsky L.V., Plechov P. (2011), Petrolog3: Integrated software for modeling crystallization processes, Geochem. Geophys. Geosyst. 12, Q07021.https://doi.org/10.1029/2011GC003516

  48. Ehlers K., Grove T.L., Sisson T.W., Recca S.L., Zervas D.A. (1992) The effect of oxygen fugacity on the partitioning of nickel and cobalt between olivine, silicate melt, and metal. Geochim. Cosmochim. Acta. 56, 3733-3743.

  49. Feng Lu, Li Yuan (2019) Comparative partitioning of Re and Mo between sulfide phases and silicate melt and implications for the behavior of Re during magmatic. EPSL. 517, 14-25.

  50. Fleet M.E., MacRae N.D., Herzberg C.T. (1977) Partition of Nickel Between Olivine and Sulfide: A Test for Immiscible Sulfide Liquids. Contrib. Mineral. Petrol. 65, 191-197

  51. Ford C.E., Russell D.G., Craven J.A., Fisk M.R. (1983) Olivine-liquid equilibria: temperature, pressure and composition dependence of the crystal/liquid cation partition coefficients for Mg, Fe2+, Ca and Mn. J. Petrology. 24, 256-265.

  52. Ford R.L., Benedix G.K., McCoy T.J., Rushmer T. (2008) Partial melting of H6 ordinary chondrite Kernouvé: Constraints on the effects of reducing conditions on oxidized compositions. Meteoritics Planet Sci. 43(8), 1399-1414.

  53. Gaetani G.A., Grove T.L. (1997) Partitioning of moderately siderophile elements among olivine, silicate melt, and sulfide melt: Constraints on core formation in the Earth and Mars. Geochim. Cosmochim. Acta. 61(9), 1829-1846.

  54. Gardner-Vandy K.G., Lauretta D.S., McCoy T.J. (2013) A petrologic, thermodynamic and experimental study of brachinites: Partial melt residues of an R chondrite-like precursor. Geochim. Cosmochim. Acta. 122, 36-57.

  55. Ghiorso M.S., Sack R.O. (1995) Chemical mass transfer in magmatic processes IV. A revised and internally consistent thermodynamic model for the interpolation and extrapolation of liquid-solid equilibria in magmatic systems at elevated temperatures and pressures. Contrib. Mineral. Petrol. 119, 197-212.

  56. Holzheid A., Grove T.L. (2002) Sulfur saturation limits in silicate melts and their implications for core formation scenarios for terrestrial planets. Amer.Miner. 87, 227-237.

  57. Holzheid A., Schmitz M.D., Grove T.L. (2000) Textural equilibria of iron sulfide liquids in partly molten silicate aggregates and their relevance to core formation scenarios. J. Geophys. Res. 105(B6), 13 555-13 567.

  58. Jégo S., Dasgupta R. (2013) Fluid-present melting of sulfide-bearing ocean-crust: Experimental constraints on the transport of sulfur from subducting slab to mantle wedge. Geochim. Cosmochim. Acta. 110, 106-134.

  59. Jégo S., Pichavant M. (2012) Gold solubility in arc magmas: Experimental determination of the effect of sulfur at 1000°C and 0.4 GPa. Geochim. Cosmochim. Acta. 84, 560-592.

  60. Jégo S., Pichavant M., Mavrogenes J.A. (2010) Controls on gold solubility in arc magmas: An experimental study at 1000°C and 4 kbar, Geochim. Cosmochim. Acta. 74, 2165-2189.

  61. Jugo P.J., Luth R.W., Richards J.P. (2005) An Experimental Study of the Sulfur Content in Basaltic Melts Saturated with Immiscible Sulfide or Sulfate Liquids at 1300°C and 1.0 GPa. J. Petrol. 46(4), 783-798.

  62. Kress V.C., Carmichael I.S.E. (1991) The compressibility of silicate liquids containing Fe2O3 and the effect of composition, temperature, oxygen fugacity and pressure on their redox states. Contribs. Mineral. Petrol. 108, 82-92.

  63. Luhr J.F. (1990) Experimental Phase Relations of Water- and Sulfur-Saturated Arc Magmas and the 1982 Eruptions of El Chichón Volcano. J. Petrol. 31(5), 1071-1114.

  64. Matjuschkin V., Blundy J.D., Brooker R.A. (2016) The effect of pressure on sulphur speciation in mid‑ to deep‑crustal arc magmas and implications for the formation of porphyry copper deposits. Contrib Mineral Petrol. 171, 66.

  65. Marrocchi Y., Libourel G. (2013) Sulfur and Sulfides in CV Chondrules. Geochim. Cosmochim. Acta. 119, 117-136.

  66. Namur O., Charlier B., Holtz F., Cartier C., McCammon C. (2016b) Sulfur solubility in reduced mafic silicate melts: Implications for the speciation and distribution of sulfur on Mercury. EPSL. 448, 102-114.

  67. Namur O., Collinet M., Charlier B., Grove T.L., Holtz F., McCammon C. (2016a) Melting processes and mantle sources of lavas on Mercury. EPSL. 439, 117-128.

  68. O’Neill H.St.C., Wall V.J. (1987) The Olivine-Orthopyroxene-Spinel Oxygen Geobarometer, the Nickel Precipitation Curve, and the Oxygen Fugacity of the Earth’s Upper Mantle. J. Petrol. 28(6), 1169-1191.

  69. Parat F., Holtz F., Feig S. (2008) Pre-eruptive Conditions of the Huerto Andesite (Fish Canyon System, San Juan Volcanic Field, Colorado): Influence of Volatiles (C–O–H–S) on Phase Equilibria and Mineral Composition. J. Petrol. 49(5), 911-935.

  70. Roeder P.L., Emslie R.F. (1970) Olivine – liquid equilibrium. Contrib. Mineral. Petrol. 29, 275-289.

  71. Roeder P.L., Reynolds I. (1991) Crystallization of Chromite and Chromium Solubility in Basaltic Melts. J. Petrol. 32(5), 909-934.

  72. Sack R.O., Carmichael I.S.E., Rivers M., Ghiorso M.S. (1980) Ferric-ferrous equilibria in natural silicate liquids at 1 Bar. Contrib. Mineral. Petrol. 75, 369-376.

  73. Sattari P., Brenan J.M., Horn I., McDonough W.F. (2002) Experimental Constraints on the Sulfide- and Chromite-Silicate Melt Partitioning Behavior of Rhenium and Platinum-Group Elements. Econ. Geol. 97, 385-398.

  74. Scaillet B., Evans B.W. (1999) The 15 June 1991 Eruption of Mount Pinatubo. I. Phase Equilibria and Pre-eruption P–T–${{f}_{{{{{\text{O}}}_{2}}}}}$–${{f}_{{{{{\text{H}}}_{2}}{\text{O}}}}}$ Conditions of the Dacite Magma. J. Petrol. 40(3), 381-411.

  75. Silventoinen S. (2020) Composition of chromite in the Sakatti Cu-Ni-PGE deposit, Central Lapland Greenstone Belt, Finland. Master`s thesis. University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Geosciences and Geography, 95 p.

  76. Usanovic M.I. (1964) Moderne Theorien über Säuren und Basen. Wissenschaft und Fortschritt 14, 499-526.

  77. Vander-Kaaden K.E., McCubbin F.M. (2016) The origin of boninites on Mercury: An experimental study of the northern volcanic plains lavas. Geochim. Cosmochim. Acta. 173, 246-263.

  78. Wood B.I., Bryndzia L.T., Johnson K.E. (1990) Mantle oxidation state and its relationship to tectonic environment and fluid speciation. Science. 248(4), 337-345.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Геохимия

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал