Тезисы международной конференции

Рудный потенциал щелочного, кимберлитового

 и карбонатитового магматизма

Abstracts of International conference

Ore potential of alkaline, kimberlite

and carbonatite magmatism

Петрургия траппов вендской Волынско-Брестской провинции

Кузьменкова О.Ф.*, Баранцева С.Е.**, Позняк А.И.**, Лугин В.Г.**

*Государственное предприятие «БелНИГРИ», г. Минск, Беларусь, kuzmenkovaof@mail.ru

**Учреждение образования «Белорусский государственный технологический университет»,

г. Минск, Беларусь, keramika@bstu.unibel.by

 В петрургии базальтового литья стекло рассматривается как переохлажденный расплав высокой вязкости [3, 5]. Для получения петроситаллов используют различные схемы кристаллизации базальтового расплава, регулируемые задаваемой летучестью кислорода и степенью неравновесности процесса плавления (временем остывания): пироксен-плагиоклазовую в случае равновесной кристаллизации; пироксеновую в случае резко неравновесных условий (пироксен включает железистые миналы и молекулы Чермака); магнетит-пироксеновую в случае переохлаждения в окислительной атмосфере (пироксен имеет маложелезистый кальций-магниевый состав). Особенности процесса стеклообразования, структура стекла и поведение при охлаждении (кристаллизационные свойства) имеют практическое значение для управления технологическими процессами получения стеклокристаллических материалов с заданными свойствами.

Нами были исследованы пробы двух петрохимических типов базальтов нижневендской (неопротерозойской) трапповой формации Волынско-Брестской магматической провинции (ВБП) [6]. Всего 3 валовые пробы весом по 2,5 кг, состоящие из 13 точечных проб, отобранных из разных частей базальтовых потоков. Толеитовые базальты нормального ряда верхней вулканогенной толщи ВБП из карьера Полицы-2 (с. Иванчи Володимирецкого района Ровенской области, Украина), масс%:  SiO₂ – 47,34; TiO₂ – 1,50; Al₂O₃ – 14,33; Fe₂O₃ – 3,20; FeO – 8,62; MnO – 0,25; MgO – 7,71; CaO – 10,99; P₂O₅ – 0,21; Na₂O – 2,29; K₂O – 0,35; ппп 2,03; ∑ – 100,51 (метод мокрой химии, ИГМР НАН Украины); и скважины 776, глубина 187,0 – 218,0 м (д. Новоселки Малоритского района Брестской области, Беларусь), масс%:  SiO₂ – 49,75; TiO₂ – 2,60; Al₂O₃ – 13,48; Fe₂O₃общ. – 14,55; MnO – 0,19; MgO – 5,66; CaO – 9,04; P₂O₅ – 0,28; Na₂O – 2,41; K₂O – 0,80; ппп – 1,03; ∑ – 99,79 (217,5 м; РФА, ИГЕМ РАН). Широко распространенные в пределах провинции субщелочные оливиновые базальты нижней вулканогенной толщи из скважины 1831д, глубина 265,8 – 361,5 м (д. Хотислав Малоритского района Брестской области, Беларусь), масс%:  SiO₂ – 48,51; TiO₂ – 1,65; Al₂O₃ – 15,24; Fe₂O₃ – 5,78; FeO – 7,36; MnO – 0,21; MgO – 6,96; CaO – 7,44; P₂O₅ – 0,25; Na₂O – 2,50; K₂O – 0,85; ппп 1,06; ∑ – 99,59 (близрасположенная скважина 1825, 294,9 м, метод мокрой химии, ИГМР НАН Украины). В ГУ ИПМ НАН Беларуси методом РФА выполнены анализы всех точечных проб.

Измельченные до крупности зерна 0,074 мм пробы базальтов были подвергнуты многостадийной термической обработке до температур 1150ºС, 1170ºС, 1200ºС, 1250ºС, 1300ºС до образования расплава. Из этих же проб в газовой печи периодического действия были сварены стекла при максимальной температуре 1420 + 10^оС с выдержкой в течение 1 часа. Для изучения склонности стекол к кристаллизации проведена градиентная термообработка стекол в интервале температур 560 – 1000^оС, а затем кристаллизация при фиксированных значениях температуры 850^оС, 900^оС и 1000^оС с выдержкой 30 минут. Нагревы производились при атмосферном давлении в электрической печи в небуферированной по кислороду окислительной атмосфере в корундизовых тиглях при скорости подъема температуры 250^оС в час с последующим инерционным охлаждением. Исследования сопровождались петрографическим изучением термообработанных спеков базальтов, рентгеноструктурным, термическим и микрозондовым анализом.

Диапазон температуры начала плавления проб определен 1150^о – 1190^оС, прослежена зависимость температуры от вариаций их химического состава: чем больше содержание в базальтах тугоплавких кремнезема и кальция, тем позже они начинают плавиться; чем более титанистые и железистые породы – тем раньше. Активная дегазация и гомогенизация расплава для оливиновых базальтов субщелочного ряда (Na₂O+K₂O= 2,5 – 5,1%) достигается при температуре около 1250ºС, а при 1300ºС – формирование при остывании кристаллитов авгита, магнетита и гематита с образованием стекловато-сферолитовой структуры. Толеитовые базальты нормального ряда (Na₂O+K₂O=1,1 – 3,0%) плавятся в гомогенную массу с небольшим количеством свилей при температуре около 1300ºС, процесс дегазации близок к завершению, при остывании образуются кристаллиты авгита и гематита с формированием сферолито-решетчатой структуры.

Отличие в температуре плавления на 50^оС может быть связано с понижающей температуру плавления ролью флюидов. Оливиновые базальты богаче водой (1,023%), чем толеиты (1,031%) как свободной несвязанной водой, которую они теряют при низких температурах (до 100˚С), так и конституционной, которую они отдают при высоких температурах (1250 – 1300ºС). Однако в температурном интервале 1000 – 1100˚С толеиты более интенсивно отдают воду и становятся более пористыми, чем оливиновые базальты, что позволяет применять последние в качестве компонента при производстве керамической плитки для внутренней облицовки стен [2].

Выполненная многостадийная термообработка образца алевропелитового витро-литокластического туфа толеитового базальта скважины 776 и алевропсаммитового лито-витрокластического туфа оливинового базальта скважины 1831д подтвердила выявленную для базальтов тенденцию.

Синтезированные при максимальной температуре варки 1420 + 10^оС базальтовые стекла исследованных проб имеют черный цвет и удовлетворительные выработочные характеристики. Вязкость стекла, полученного из оливиновых базальтов, несколько ниже, чем из толеитовых, что позволяет вытягивать из них более тонкие и длинные нити без видимых дефектов. Очевидно, это связано с бóлее щелочным составом расплава оливиновых базальтов, чем толеитов, поскольку для природных базальтовых магм известно, что меньшей вязкозтью обладают расплавы с большей щелочностью [1, 4 и др.].

Оптимальной температурой ситаллизации толеитовых и оливиновых базальтов принята экспозиция 900^оС. Исследование полированных поверхностей термообработанных при 900^оС стекол методом микрозондового анализа показало, что в петроситалле на основе толеита содержатся одиночные (менее 0,5%) крестообразные микролиты авгита с булавовидными концами размером 10 микрон в длину и около 1 микрона в ширину. В образце петроситалла на основе оливинового базальта кристаллиты авгита (более 40%) размером 5 – 10 микрон в длину и не более 1 микрона в ширину вытянуты в одном направлении. Они формируют войлочную структуру образца с элементами сферолитовой, аналогичную описанной методом оптической микроскопии для спека этого базальта при 1300ºС. Расположение сферолитов в целом напоминает систему шестигранных сот. Рост кристаллов, очевидно, осуществлялся от периферии сферолитов к их центру, о чем свидетельствует увеличение их толщины к краям сферолитов. Изучение химического состава кристаллов не дало результата, поскольку их толщина меньше разрешающей чувствительности прибора. Однако отмечена тенденция увеличения содержания железа, хрома в кристаллитах относительно стекловидной фазы. Минеральная фаза гематита имеет малый размер кристаллов (менее 1 микрона) и фиксируется только рентгенофазовым анализом.

Таким образом, кристаллизация базальтового расплава, изучение которой проведено на образцах после нагрева порошка базальта до температуры 1250 – 1300ºС, а также на образцах базальтового стекла, сваренного при температуре 1420±10^оС и затем термообработанного при 900ºС с выдержкой 30 минут, проходила, очевидно, по магнетит-пироксеновой схеме. Заданные параметры плавления в печи (атмосферное давление, небуферированная по кислороду окислительная обстановка, быстрое охлаждение) обеспечили процесс неравновесной кристаллизации. Быстрое охлаждение расплава объясняет отсутствие минеральных фаз плагиоклаза и оливина в продуктах кристаллизации. Авгит, напротив, может иметь в таких условиях широкий диапазон температур кристаллизации (от 1200 – 1150ºС до 800ºС), чем и объясняется его присутствие в продуктах плавления при низкой и высокой температурах. Магнетит кристаллизуется в виде тонкой пыли или дендритов в интервале от температуры ликвидуса до 620 – 650^оС. В окислительной обстановке открытой по кислороду системы при охлаждении образцов двухвалентное железо легко переходит в трехвалентное, и магнетит замещается гематитом [1, 3, 4]. При этом формируется необходимая для базальтового каменного литья сферолитовая структура с радиально-лучистым, звездчатым, либо радиально-волокнистым строением сферолитов. Оптимальный размер сферолитов считается 60 – 90 мкм, а в полученных нами опытных образцах петроситалла размер сферолитов составляет 40 – 60 мкм [3, 5].

Толеитовые базальты карьера Полицы 2 (Украина), которые ранее экспортировались в Республику Беларусь на ОАО «Березастройматериалы» для производства минеральной ваты, и толеитовые базальты скважины 776 (Беларусь) имеют идентичные технологические свойства. Стекла, сваренные из субщелочных оливиновых базальтов, более технологичны при выработке волокон, а петроситаллы на их основе имеют более высокую степень кристалличности, что предполагает, соответственно, их лучшие физико-механических свойства, чем петроситаллы на основе толеитов.

Исследования выполнены при финансовой поддержке гранта БРФФИ Х11-132

Литература:

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

2.Баранцева С.Е., Левицкий И.А., Кузьменкова О.Ф., Позняк А.И. Перспективы использования вендских базальтов Беларуси для керамических плиток внутренней облицовки стен / Строительная наука и техника, 2011, № 6. –  С. 49 – 51.

3.Граменицкий Е.Н., Котельников А.Р., Батанова А.М., Щекина Т.И., Плечов П.Ю. Экспериментальная и техническая петрология.  М.: Научный Мир, 2000. – 416 с.

4.Йодер Г.С., Тилли К.Э. Происхождение базальтовых магм. Москва: Мир, 1965. – 247 с.

5.Косинская, А.В. Проблемы каменного литья / Проблемы каменного литья. – Киев: Наукова думка, 1975. – С. 110–121.

6.Носова А.А., Кузьменкова О.Ф., Веретенников Н.В., Петрова Л.Г., Левский Л.К. Неопротерозойская Волынско-Брестская магматическая провинция на западе Восточно-Европейского кратона: особенности внутриплитного магматизма в области древней шовной зоны / Петрология, 2008. – Т. 16, № 2, С. 115 – 147.