Гигантские кристаллы в пегматитах вырастают за считаные часы

Пегматиты — это горные породы с характерной крупнозернистой структурой, которые одни геологи считают магматическими, а другие — метасоматическими, то есть образовавшимися в результате взаимодействия газово-жидких растворов с вмещающими породами. Нередко в них находят огромные правильные кристаллы, в том числе — драгоценные камни. Долгое время оставалось загадкой, как в пегматитах вырастают кристаллы, достигающие нескольких десятков сантиметров в длину, и сколько времени занимает этот процесс. Американским геологам удалось ответить на эти вопросы. Тщательный анализ примесей в кристаллах кварца из пегматитов дайки Стюарт показал, что через некоторое время после формирования кристаллического ядра скорость кристаллизации возрастает примерно в 10 000 раз — до 10–100 мкм/с. Предлагаемый механизм такого ускорения кристаллизации требует, чтобы в зоне роста кристаллов поддерживался определенный температурный режим, происходил адвективный перенос вещества, а течение флюидов было турбулентным. Моделирование показало, что все эти условия вполне могут сохраняться в течение нескольких часов, за которые кристаллы вырастают на десятки сантиметров.

Пегматиты — весьма своеобразные горные породы. Есть пегматиты, которые по химическому составу близки к кислым магматическим породам с высоким содержанием кремнезема (SiO₂), — их называют гранитными пегматитами. Другие разновидности пегматитов — дунит-пегматиты, габбро-пегматиты, пироксенит-пегматиты, сиенит-пегматиты — по составу очень похожи на соответствующие интрузивные аналоги, но отличаются от них очень крупными размерами кристаллов и формой залегания в виде жильных тел, заполняющих трещины и полости.

Геологи до сих пор спорят о происхождении этих удивительных пород, которые часто вмещают промышленные скопления минералов тантала, ниобия, лития и прочих крайне востребованных редких металлов, а также многих драгоценных камней — аквамарина, изумруда, александрита, граната, циркона, топаза, турмалина и других.

Одни исследователи считают пегматиты чисто магматическими образованиями — продуктом кристаллизации особого остаточного пегматитового расплава, формирующегося на самых завершающих стадиях эволюции магматических очагов и отличающегося от основного расплава высоким содержанием летучих компонентов. Такой точки зрения придерживался академик А. Е. Ферсман. Другие, вслед за академиком А. Н. Заварицким, относят пегматиты к метасоматическим породам, образующимся при взаимодействии газово-жидких растворов с вмещающими толщами. Большинство американских геологов придерживаются гипотезы комбинированного образования, согласно которой на первом этапе из расплава образуются так называемые простые пегматиты, которые затем подвергаются метасоматической переработке растворами, поступающими из магматического очага.

Главная загадка пегматитов — огромный размер их кристаллов, которые нередко достигают нескольких десятков сантиметров и даже метров. Так, на руднике Этта в Южной Дакоте был найден кристалл сподумена длиной 12,8 метров и весом около 37 тонн.

Геологи считают, что если им удастся понять, как быстро растут кристаллы в пегматитах, они ответят на вопрос и об образовании самих пород. Дело в том, что в магматических породах размер кристаллов зависит от времени охлаждения: чем медленнее остывает расплав, тем крупнее кристаллы. Излившаяся на поверхность магма застывает в виде чрезвычайно мелкозернистых, иногда стекловидных пород, а для образования кристаллов сантиметрового размера необходимо медленное охлаждение на глубине, продолжающееся десятки тысяч лет.

Форма тел пегматитов, образующих жилы и дайки, свидетельствуют о том, что эти породы кристаллизуются очень быстро. Результаты теплового моделирования, выполненного для даек южной Калифорнии (K. Webber et al., 1999. Cooling rates and crystallization dynamics of shallow level pegmatite-aplite dikes, San Diego County, California), показало, что охлаждение пегматитов с 650 до 550 °C — температурного диапазона, в котором сформировались все их минералы, произошло всего за 9 лет. И за это время в них успели вырасти кристаллы турмалина, достигающие десятков сантиметров в длину (рис. 2).

Американские ученые из Университета Райса в Хьюстоне и Калифорнийского университета в Риверсайде решили для выяснения скорости роста кристаллов кварца в пегматитах использовать микроэлементы — примеси, которые не входят в химический состав кварца.

Исследователи изучили кристаллы кварца из литиевого месторождения Стюарт в районе Пала в южной Калифорнии. Здесь пегматиты мелового возраста встречаются в виде даек в интрузиях габбро того же возраста. Самая крупная дайка Стюарт имеет мощность 50 м. Края ее сложены гранитом с большим количеством полевого шпата, дальше следует зона пертита (калиевого полевого шпата с закономерно ориентированными вростками альбита), а в центре — крупнокристаллическая зона пегматита со сподуменом, лепидолитом, гейландитом, петалитом и альбитом. От центрального ядра к краям отходят вертикальные трубчатые тела (миаролы) крупнозернистых пегматитов (рис. 3).

Миаролы содержат большое количество крупных кристаллов турмалина, заключенных в более мелкозернистую матрицу из альбита, кварца и лепидолита. Контакты миарол с внешними зонами дайки резкие, секущие, что говорит о том, что миароловые полости заполнялись флюидами (газово-жидкими растворами) на поздней стадии образования пегматитов, когда внешние зоны уже были затвердевшими, и находящиеся под давлением флюиды проникали по трещинам в них.

Для исследования ученые взяли кварц — минерал, составляющий основную матрицу миароловых тел. Кристаллы его, имеющие размер от нескольких до 10 см, — прозрачные и идиоморфные (завершенные с двух сторон). Это свидетельствует о том, что кварц кристаллизовался внутри газово-жидкого раствора, а не рос на стенках полости.

Авторы изучили распределение элементов-примесей в кристаллах методом холодной катодолюминесцентной микроскопии (см. Cathodoluminescence microscope). Суть его заключается в том, что дефекты в кристаллической решетке фиксируются по люминесценции в видимой области спектра, индуцированной высокоэнергетическими электронами, испускаемыми из холодного катода. Как правило, дефекты связаны с заменой элементов в узлах решетки, а изменение цвета люминесценции позволяет судить о концентрациях микроэлементов.

Количественный состав микропримесей определялся методом лазерной абляции, совмещенной с масс-спектрометрией с индуктивно связанной плазмой (ICP-MS) (рис. 4).

Исследователи рассматривают резкие переходы между зонами в кристаллах кварца, различающиеся по составу примесей, как свидетельство внезапных изменений скорости роста, а концентрацию титана — в качестве геотермометра, так как содержание примеси титана в кварце указывает на температуру его образования. Нижний график на рис. 4 показывает, что температура в течение всей кристаллизации находилась в пределах 460–540 °C.

Традиционно быстрый рост кристаллов в пегматитах объясняют обилием свободной жидкой фазы, так как коэффициент диффузии в жидкостях выше, чем в силикатных расплавах. Но, как отмечают авторы, одного увеличения коэффициента диффузии недостаточно, поскольку его максимальные значения для катионов в воде при повышенных температурах все равно не превышают 10⁻⁸ м²/с, а в обогащенных водой силикатных расплавах они еще ниже — 5×10⁻¹² м²/с для лития, 3×10⁻²³ м²/с для алюминия и 10⁻³² м²/с для германия.

При таких скоростях диффузии для достижения наблюдаемого градиента содержания алюминия потребуется около 2 млн лет, что явно не согласуется со скоростью образования пегматитов. К тому же, при диффузии профили распределения должны быть плавными, а не меняться скачками.

По мнению ученых, для описания механизма переноса вещества в пегматитах больше подходит не уравнение чистой диффузии, а уравнение диффузии с адвекцией (convection–diffusion equation), используемое для физических явлений, в которых вещество и энергия передаются внутри системы за счет двух процессов — диффузии и адвекции (advection). Адвекция — это перенос посредством объемного движения, например, как в жидкости.

По мнению авторов, наблюдаемая резкая смена профиля распределения примесей на границах внутренних зон в кристаллах возможна только при адвективном механизме переноса вещества, а сама скорость переноса вещества через границу «расплав—кристалл» определяется балансом между химической диффузией и адвекцией. Чем сильнее адвективная составляющая, тем уже пограничный слой, выше химический градиент, а значит и скорость роста.

Для объяснения зональности распределения примесей в кварце авторы предложили следующее объяснение: изначально кристалл рос в стационарных условиях (белая область ядра на рис. 4), но затем испытал внезапное изменение скорости роста (при переходе от белого к оранжевому).

Ученые построили теоретические профили изменения концентрации элементов-примесей при таком сценарии и наложили их на графики, полученные эмпирическим путем (рис. 5).

Из построенной авторами математической модели, преобразующей геохимические профили в скорости, следует, что начальная скорость роста кристалла кварца была порядка 10–100 мм/день (10⁻⁷–10⁻⁶ м/с) в белой области ядра, а конечная — примерно в 100 раз больше: 1–10 м/день (10⁻⁵–10⁻⁴ м/с) в оранжевой зоне. То есть, белое ядро выросло примерно за 3 часа, а промежуточная оранжевая зона — менее, чем за 4 минуты (рис. 6).

Оценить скорость роста внешней фиолетовой зоны авторы не смогли, так как там, по их мнению, никогда не наступало химического равновесия, а значит, стандартные уравнения к ней не применимы.

Получается, что при всех допущениях, кристалл кварца размером немного более двух сантиметров по длинной оси и около одного сантиметра в поперечнике образовался в пегматитах за считаные часы. Учитывая, что на поздних стадиях скорость роста резко возрастает, гигантским кристаллам в десятки сантиметров, видимо, требуется не многим больше времени.

При диффузионном механизме на это ушли бы тысячи лет. И все это время в камере, где шла кристаллизация, должны были сохраняться стабильные температура и давление. При адвекции скорость переноса вещества через границу «раствор—кристалл» возрастает в 10⁴ раз, но тонкий пограничный слой — необходимое условие для адвекционного переноса — может сохраняться только в турбулентных средах. Поэтому авторы предлагают следующую модель образования пегматитов Стюарт.

Первоначально в трещину во вмещающих габбро внедрилась водосиликатная магма, образовавшая пегматитовую дайку. Верхние и нижние зоны дайки кристаллизовались постепенно по мере контактового охлаждения с уже затвердевшим габбро. В центральной части дайки в это время концентрировался остаточный силикатный расплав, обогащенный летучими компонентами и газово-жидкими флюидами. Распад флюидов с образованием газовой фазы создавал избыточное давление. Это стало причиной разрывов и появления миароловых труб и полостей в верхней зоне дайки. Декомпрессия, возникающая при разрывах, приводила к пересыщению остаточных растворов, что вызывало быстрый рост кристаллов в центральной части пегматитового тела.

Именно с образованием разрывов и скачками давления, по мнению авторов, связаны наблюдаемые резкие изменения темпов роста кристаллов. Поступление растворов в образовавшиеся при разрывах миароловые пустоты сопровождалось турбулентностью, которая значительно увеличивала скорость кристаллизации, позволяя гигантским пегматитовым кристаллам вырастать в течение нескольких часов.

Авторы отмечают, что полученные ими расчетные значения скорости роста отражают процессы, происходящие в миароловых пустотах, где и находят самые большие кристаллы, и не применимы к кристаллизации в других частях пегматитов.

Источник: Patrick R. Phelps, Cin-Ty A. Lee, Douglas M. Morton. Episodes of fast crystal growth in pegmatites // Nature Communications. 2020. DOI: 10.1038/s41467-020-18806-w.

Владислав Стрекопытов