ГлавнаяСоставы фаз, образующихся при таких процессах распада, располагаются у противоположных оснований пироксеновой трапеции (рис. 8.9, а). Фазовая диаграмма, наиболее удобная для иллюстрации поведения при охлаждении, представляет собой разрез через центральную часть этой трапеции от авгита до пижонита (рис. 8.9,б). На нем видно сокращение полей твердых растворов пижонита и авгита при падении температуры. На стороне пижонита переход высокий клинопироксен - низкий клинопироксен происходит после метастабильного охлаждения ниже температуры перехода клиноортопироксен - ортопироксен.
На ранних стадиях кристаллизации толеитовой магмы авгит и ортопироксен кристаллизуются одновременно. По мере возрастания содержания железа в процессе фракционирования вместо ортопироксена начинает кристаллизоваться пижонит. Совместно кристаллизующиеся фазы на рис. 8.9, а показаны пунктирными соединительными линиями. И ортопироксен, и пижонит содержат больше Ca, чем могут стабильно вместить фазы при низких температурах, и при охлаждении из обеих этих фаз будет происходить выделение авгита. Пижонит сохраняется (метастабильно) только в сравнительно быстро остывших базальтах; в медленно остывавших интрузиях он превращается в ортопироксен.
Выделение авгита из пижонита. Авгит может выделяться из пижонита с помощью нескольких механизмов в зависимости от скорости охлаждения. Гетерогенная нуклеация происходит вблизи температур равновесия, тогда как спинодальный распад благодаря структурной близости этих двух фаз может происходить в быстро остывающих породах. Гомогенная нуклеация (в результате которой образуются структуры, трудно отличимые от укрупненной спинодальной структуры) может также иметь место, но, по-видимому, в сравнительно ограниченном диапазоне температур.Схематические ТТТ-кривые на рис. 8.10 иллюстрируют эти варианты поведения относительно скоростей охлаждения. В пижонитах из различной геологической обстановки описано большое разнообразие микроструктур, позволяющих проникнуть в их термическую историю. Четыре кривые охлаждения, представленные на ТТТ-диаграмме, могут быть использованы для объяснения развития многих описанных микроструктур.
Кривая А показывает путь охлаждения пижонита, который минует выступы всех кривых распада и испытывает лишь превращение замещения в низкий пижонит. Этот переход показан прямой линией, потому что он происходит практически мгновенно. На рис. 8.11, а показан пижонит из андезита из Вейсельберга, ФРГ, в котором видны только антифазные домены, связанные с этим превращением.
Кривая В отражает более медленное охлаждение, хотя все еще слишком быстрое для нуклеации авгита. Здесь твердый раствор разлагается при действии спинодального механизма, который на ранних стадиях, по-видимому, образует модуляции в двух направлениях одновременно, создавая структуру «твида». При укрупнении спинодали сохраняется только одна из этих модуляций. На рис. 8.11,б показана такая спинодальная микроструктура в лунном пижоните.
Еще более медленное охлаждение (кривая С) приводит к гетерогенной нуклеации. Авгит нуклеирует на границах зерен и других дефектах и растет на плоскостях (001) пижонита, так как в этой ориентировке межповерхностная энергия напряжения минимальна. Если пересыщение достаточно велико, т. е. велика движущая сила распада, могут возникать и другие, менее предпочтительные ориентировки пластинок. Так, хотя под влиянием межповерхностных энергий выделения авгита примерно вдвое чаще ориентированы по (100), чем по (001), при сильных пересыщениях эти соотношения могут измениться на обратные. Аналогичным образом, по-видимому, могут быть объяснены и два направления модуляции в спинодальной структуре. При укрупнении предпочтительное развитие получает энергетически более выгодное направление.
Скорость диффузии кальция в пироксене благодаря его большому ионному радиусу относительно мала, и в участках, прилегающих к выделениям авгита, нередко можно обнаружить замороженные профили диффузии. Зона, непосредственно соприкасающаяся с пластинкой, обедняется кальцием по сравнению с центральным участком между пластинками. Поэтому при более низких температурах в этих центральных участках может происходить вторичный распад с образованием вокруг пластинок авгита зоны, свободной от выделений. Этот вторичный распад может осуществляться за счет гетерогенной нуклеации или спинодального распада, в зависимости от скорости охлаждения и наличия удобных для нуклеации позиций в кристалле. Пижониты из Уин-Силл, Северная Англия, остывали со скоростью, при которой гетерогенная нуклеация могла происходить, но диффузия кальция не успевала за скоростью охлаждения и произошел вторичный распад (рис. 8.11, в).
Следует заметить, что в щелочных полевых шпатах вторичный распад не наблюдается, так как активационная энергия диффузии Na и К в полевом шпате ниже, чем для Ca в пироксене. При более высоких скоростях диффузии замороженные профили диффузии, по-видимому, не образуются.Кривая охлаждения D отражает наиболее медленное охлаждение на рис. 8.10, и в этом случае нуклеация и рост авгита заканчиваются раньше инверсии пижонита в ортопироксен. Следовательно, ортопироксен сам может выделять авгит. Рис. 8.12,а-оптическая микрофотография пироксена из медленно остывавшего Бушвелдского интрузивного комплекса, на которой видны многочисленные эпизоды распада и инверсии. После первоначальной кристаллизации из магмы этот кристалл представлял собой сдвойникованный пижонит, из которого затем при охлаждении выделился авгит. Пластинки авгита в сдвойникованном кристалле пижонита образуют структуры «рыбьего скелета». При дальнейшем охлаждении весь кристалл пижонита преобразовался в единый кристалл ортопироксена. Ортопироксен, имеющий еще меньшую емкость в отношении Ca, распался с выделением второй системы пластинок авгита. На рис. 8.12,6 схематически показана эта последовательность событий.
Соотношение между антифазными доменами и пластинками распада. Образование антифазных доменов при переходе высокого пижонита в низкий и их соотношение с пластинками распада дают дополнительную информацию о тепловой истории, которую в большинстве других двухфазных систем получить нельзя.
Если инверсия в пижоните происходит до распада, то антифазные границы должны, по-видимому, продолжаться по обе стороны пластинок распада. Если распад предшествует инверсии, антифазные домены будут нуклеировать на поверхности раздела выделение-матрица. Как отмечалось раньше, антифазные домены, нуклеировавшие гетерогенно таким путем, будут крупнее тех, которые могут нуклеировать гомогенно внутри пижонита. Колебания в содержании Ca на профиле диффузии также могут влиять на размеры доменов. Антифазные домены, прилегающие к авгитовым пластинкам, обычно оказываются крупнее располагающихся внутри пижонита.
Если известна температура инверсии высокого пижонита в низкий, определенная для каждого данного состава, то можно получить некоторое представление о температуре, при которой происходил распад.
Антифазные границы в пижоните также могут служить местами нуклеации при вторичном выделении авгита. Показанные на рис. 8.11, в мелкие пластинки между крупными выделениями авгита нуклеировали по антифазным границам. Заметьте, что вблизи крупных пластин эти антифазные границы «чисты» предположительно благодаря более низкому содержанию Ca в этих участках. В некоторых ориентировках антифазные границы имеют такие структуру и состав, которые делают их идеальным местом для нуклеации авгита.Для количественной оценки ТТТ-кривых и скоростей охлаждения, показанных на рис. 8.10, в настоящее время недостаточно данных. Чтобы это сделать, необходимы следующие сведения: 1) положение сольвуса; 2) положение когерентной спинодали; 3) температуры перехода пижонит - ортопироксен; 4) температуры перехода высокого пижонита в низкий; 5) коэффициенты диффузии Ca, контролирующей кинетику укрупнения. Хотя имеется довольно много полуколичественных данных, неизвестны ни коэффициенты диффузии, ни влияние изменения состава на эти параметры. Однако, когда мы будем иметь в своем распоряжении эти сведения, микроструктуры пироксенов с их сложностью и чувствительностью к геологической обстановке станут неоценимыми для количественного определения термической истории.
Выделение авгита из ортопироксена. Здесь прежде всего необходимо отметить, что структурные различия между ортопироксеном и авгитом не допускают действия спинодального механизма. Как уже упоминалось ранее, в этих обстоятельствах неравновесное поведение может проявляться в образовании переходных фаз-выделений, имеющих структуру, более близкую к матрице, чем равновесная фаза, а значит, и меньшую активационную энергию для нуклеации. Их составы богаче растворенным компонентом по сравнению с матрицей.
Первыми из этих переходных фаз, образующихся при высоких скоростях охлаждения, являются GP-зоны, имеющие ту же структуру, что и матрица, и полностью с ней когерентные. При более медленном охлаждении и меньшей степени переохлаждения прежде образования равновесной фазы могут возникать другие промежуточные фазы. Сравнительная кинетика образования этих фаз показана на ТТТ-кривых.
Такие переходные фазы наблюдаются под электронным микроскопом в ортопироксенах из Стиллуотерского комплекса. В этой медленно остывавшей интрузии авгит имел возможность нуклеировать гетерогенно и расти уступами. Даже при такой скорости охлаждения диффузия кальция в ортопироксене, где катионные позиции сравнительно малы, идет очень медленно, и равновесные составы между пластинками и матрицей могут сохраняться на расстояниях не более микрона. Таким образом, участки между пластинками авгита метастабильно сохраняют относительно высокое содержание кальция вплоть до температур, когда вторичная нуклеация равновесного выделения уже невозможна. В этих неравновесных условиях могут возникать переходные фазы.Рис. 8.13 представляет собой электронную микрофотографию ортопироксена из Стиллуотерского комплекса, на которой видны пластины авгита. Обратите внимание на широкие полосы около пластин, свободные от выделений, и GP-зоны с тонкой структурой распада в центральном участке. Они нуклеировали при более низких температурах из замороженных богатых Ca участков. Тонкая пластинка-вторичная переходная фаза.