DOI: https://doi.org/10.1007/s00410-024-02109-0
تاريخ النشر: 2024-04-08
المؤلف: Michael Anenburg وآخرون
الموضوع الرئيسي: التحليل الجيولوجي والجيوكيميائي
نظرة عامة
تعتبر السيليكو كربوناتيت، التي تتميز بوجود أكثر من 20% من المعادن السيليكاتية، تحديًا في فهم تكوينها بسبب الذوبانية المنخفضة للسيليكا في مصهورات الكربوناتيت والوجود القليل للمعادن السيليكاتية في كوتيكتات مصهورات الكربوناتيت تحت ظروف القشرة العليا. تقترح هذه الدراسة أن السيليكو كربوناتيت يمكن تصورها على أنها أنتي سكارن، تتشكل من خلال تسرب SiO₂ من الصخور الجدارية السيليكية بواسطة مصهورات الكربوناتيت، تليها ترسيب المعادن السيليكاتية الصلبة من خلال تفاعلات مع المكونات الكيميائية الموجودة في المصهور.
تشير النمذجة الديناميكية الحرارية عند ضغوط تتراوح بين 1-5 كيلوبار ودرجات حرارة تتراوح بين 500-800 درجة مئوية إلى أن تجمعات الكالسيت-الدولوميت-المغنيتيت يمكن أن تتطور إلى سيليكو كربوناتيت خالية من الدولوميت مع زيادة محتوى السيليكا. في الأنظمة الصودية، يؤدي تكوين الأيجيرين والأمفيبولات القلوية إلى تقليل نشاط السيليكا، مما يسمح للدولوميت بالبقاء مستقرًا بينما يستهلك Fe³⁺ من تحلل المغنيتيت ومن خلال تفاعلات الأكسدة-الاختزال المترابطة التي تشمل CO₂. في الأنظمة الألومينية، تشير وجود النيفيلين إلى درجات حرارة عالية، بينما تشير الفلسبارات القلوية إلى درجات حرارة أقل. تكشف النمذجة أيضًا أن استقرار البيوتيت الغني بالفلوغوبيت يؤدي إلى زيادة في Fe²⁺ عبر مراحل الكربونات والسيليكات، مع تسهيل تلوث السيليكا لتكوين تجمعات شبيهة بالسيليكو كربوناتيت بغض النظر عن قيود ذوبانية SiO₂. يمكن أن يفسر هذا التلوث أيضًا حدوث الصخور الغنية بالكلينوبيروكسيين والغليمرات حول أجسام الكربوناتيت، مما يشير إلى تشكيلها من خلال عمليات ميتاسوماتية بدلاً من وجود مصهور سيليكي.
مقدمة
تناقش مقدمة الورقة الطبيعة الغامضة للسيليكو كربوناتيت، والتي تُعرف بأنها تحتوي على أكثر من 20% من السيليكا. على الرغم من تصنيفها، لا يزال أصل هذه الصخور غير واضح بسبب انخفاض ذوبانية السيليكا في مصهورات الكربوناتيت عند ظروف أقل من 1000 درجة مئوية. يتم تقديم عدة فرضيات بشأن تكوينها: واحدة تقترح أنها ناتجة عن منتجات تبلور من أزواج كربوناتيت-سيليكات غير قابلة للامتزاج، مدعومة بملاحظات عن عدم القابلية للامتزاج في شمولات المصهور والأدلة التجريبية. ومع ذلك، فإن تعميم هذه الميزات الصغيرة على حدوثات أكبر يمثل تحديات. فرضية أخرى تفترض أن السيليكو كربوناتيت ناتجة عن تراكم المعادن السيليكاتية من مصهورات السيليكات الكربونية الساخنة، بينما تقترح فرضية أحدث امتصاص السيليكا بواسطة مصهورات الكربوناتيت، التي تعمل كعوامل ميتاسوماتية تسهل التبادل الكيميائي مع الصخور المحيطة.
تتميز الورقة أيضًا بالتمييز بين الأنتي سكارن والسيليكو كربوناتيت، مشيرة إلى أنه بينما يتضمن كلاهما معادن سيليكاتية في أنظمة الكربوناتيت، إلا أنهما يختلفان في الجينات وسياق التكوين. تتميز الأنتي سكارن بتجمعات معدنية تشير إلى تلوث مصهورات الكربوناتيت بواسطة سيليكا مستمدة من الخارج، مع اختلاف تركيبها بناءً على المرحلة التطورية لمصهور الكربوناتيت. يبرز المؤلفون الدراسات التجريبية المحدودة حول تكوين الأنتي سكارن والتعقيدات المعنية في فهم سلوك الحديد أثناء الميتاسوماتية الكربوناتيت. تهدف الدراسة إلى استكشاف علاقات الطور في أنظمة الكربوناتيت الملوثة بالسيليكا وتوسيع الآليات التي تفسر وجود المعادن السيليكاتية داخل الكربوناتيت الكالسيت، خاصة فيما يتعلق بارتباطها بالبيروكسيين أو الغليمرات في البيئات الغنية بالسيليكا.
النتائج
يقدم قسم النتائج مقاطع زائفة ونتائج نمذجة عند ضغط 300 ميغاباسكال، موضحة في الأشكال 3 و4 و5 و6. يبرز كل شكل تنوع معلمة واحدة ضمن فضاء درجة الحرارة-التكوين (T-X)، مع تمثيل جميع لوحات “مولات من…” للوفرة المولية المطلقة بدلاً من النسب المئوية. يتم توفير تفاصيل إضافية بشأن معلمات أخرى في الجدول 2.
يؤكد المؤلفون على أهمية استشارة الأشكال التكميلية، التي تقدم نظرة شاملة على وفرة الأطوار وتركيباتها عند 300 ميغاباسكال، وكذلك عند 100 و500 ميغاباسكال. تشمل هذه المواد التكميلية أيضًا مقاطع زائفة لجميع الضغوط وملاحظات اشتقاق للمعلمات المحسوبة، مما يعزز فهم نتائج النمذجة المقدمة في الأشكال الرئيسية.
المناقشة
يركز قسم المناقشة في الورقة البحثية على النمذجة الديناميكية الحرارية للتوازنات الصلبة-الصلبة-السائلة أثناء تلوث السيليكا في أنظمة الكربوناتيت. نظرًا لعدم وجود نماذج مناسبة للنشاط-التكوين لمصهورات الكربوناتيت، يستخدم المؤلفون نهجًا شبه كمي لاستكشاف التغيرات التركيبية في التجمعات الصلبة والسوائل المرتبطة بـ C-O-H. تستخدم النمذجة نظامًا شاملاً يتضمن أكاسيد متنوعة وتحسب مخططات الأطوار التوازنية على مدى درجة حرارة تتراوح بين 500-800 درجة مئوية، مع تأثيرات ضغط ضئيلة عند ظروف القشرة العليا. تشير النتائج إلى أن التجمعات الصلبة تعكس أنظمة الكربوناتيت الطبيعية، مما يثبت استبعاد المصهور في النموذج.
يتناول المؤلفون أيضًا تكوين السيليكو كربوناتيت، الذي كان موضوع نقاش. يتحدون الفرضية القائلة بأن المعادن السيليكاتية تتبلور مباشرة من مصهورات الكربوناتيت، مشيرين إلى الذوبانية المنخفضة لـ SiO₂ في الكربوناتيت القشرية. تشير البيانات التجريبية إلى أن تركيزات SiO₂ في مصهورات الكربوناتيت نادرًا ما تتجاوز 5 وزن% عند ضغوط قشرية، مما يثير تساؤلات حول الآليات وراء المعادن الغنية بالسيليكا المرصودة في السيليكو كربوناتيت. توفر نتائج النمذجة رؤى حول تأثيرات تلوث السيليكا على التجمعات المعدنية، مما يبرز الحاجة إلى مزيد من الاستكشاف للتغيرات التركيبية في الأنظمة الطبيعية.
القيود
تقدم الدراسة أدلة مقنعة، مستندة إلى الديناميكا الحرارية، تشير إلى أن المعادن السيليكاتية في الكربوناتيت القشرية من المحتمل أن تكون قد تشكلت بسبب التلوث من الصخور الجدارية السيليكية. تتماشى التجمعات المعدنية المتوقعة والتغيرات التركيبية بشكل جيد مع الملاحظات من العينات الطبيعية. ومع ذلك، فإن البحث محدود بنهج النمذجة الديناميكية الحرارية، الذي لا يتضمن مرحلة مصهور في النظام الصخري الحامل للسائل. قد تؤثر هذه الإغفالات على موثوقية عمليات التلوث عند درجات حرارة مرتفعة، حيث يمكن أن يعزز نموذج مصهور الكربوناتيت الدقة من خلال تقليل تأثير المعادن الصلبة.
بالإضافة إلى ذلك، لا تشمل النماذج الحالية الطيف التركيبي الكامل المرصود في الكربوناتيت، مثل غياب الفلور في البيوتيت والسترونتيوم في الكالسيت والدولوميت. بينما تعتبر التركيبات الغنية بـ Na-Fe³⁺ لنماذج الكلينوبيروكسيين والأمفيبولات معقولة، فإن مزيدًا من المعايرة للمعادن مثل الأيجيرين، والأرفيدسونيت، والريبيكيت ضرورية لتحسين دقة النموذج. كما سلط تطور برنامج Perple_X خلال فترة الدراسة الضوء على أهمية التقدم المستمر في أدوات النمذجة الديناميكية الحرارية والبيانات لتعزيز فهمنا لأنظمة الكربوناتيت.
DOI: https://doi.org/10.1007/s00410-024-02109-0
Publication Date: 2024-04-08
Author(s): Michael Anenburg et al.
Primary Topic: Geological and Geochemical Analysis
Overview
Silicocarbonatites, characterized by over 20% silicate minerals, present a challenge in understanding their formation due to the low solubility of silica in carbonatite melts and the minimal presence of silicate minerals in carbonatite melt cotectics under upper crustal conditions. This study proposes that silicocarbonatites may be conceptualized as antiskarns, formed through the leaching of SiO₂ from siliceous wall rocks by carbonatite melts, followed by the deposition of solid silicate minerals through reactions with existing chemical components in the melt.
Thermodynamic modeling at pressures of 1-5 kbar and temperatures of 500-800 °C indicates that calcite-dolomite-magnetite assemblages can evolve into dolomite-free silicocarbonatites with increased silica content. In sodic systems, the formation of aegirine and alkali amphiboles reduces silica activity, allowing dolomite to remain stable while consuming Fe³⁺ from magnetite breakdown and through coupled oxidation-reduction reactions involving CO₂. In aluminous systems, the presence of nepheline suggests high temperatures, whereas alkali feldspars indicate lower temperatures. The modeling also reveals that the stability of phlogopite-rich biotites leads to an increase in Fe²⁺ across carbonate and silicate phases, with silica contamination facilitating the formation of silicocarbonatite-like assemblages independent of SiO₂ solubility constraints. This contamination can also explain the occurrence of clinopyroxene-rich rocks and glimmerites around carbonatite bodies, suggesting their formation through metasomatic processes rather than the presence of a silicate melt.
Introduction
The introduction of the paper discusses the enigmatic nature of silicocarbonatites, which are defined as containing over 20% silica. Despite their classification, the origin of these rocks remains unclear due to low silica solubility in carbonatite melts at sub-1000 °C conditions. Several hypotheses regarding their formation are presented: one suggests that they are crystallization products of immiscible carbonatite-silicate pairs, supported by observations of immiscibility in melt inclusions and experimental evidence. However, generalizing these small-scale features to larger occurrences poses challenges. Another hypothesis posits that silicocarbonatites result from cumulate silicate minerals from hot carbonated silicate melts, while a newer hypothesis proposes silica assimilation by carbonatite melts, which act as metasomatic agents facilitating chemical exchange with surrounding rocks.
The paper also distinguishes between antiskarns and silicocarbonatites, noting that while both involve silicate minerals in carbonatite systems, they differ in genesis and formation context. Antiskarns are characterized by mineral assemblages indicating contamination of carbonatite melts by externally derived silica, with their composition varying based on the evolutionary stage of the carbonatite melt. The authors highlight the limited experimental studies on antiskarn formation and the complexities involved in understanding the behavior of iron during carbonatite metasomatism. The study aims to explore phase relations in silica-contaminated carbonatite systems and expand on mechanisms explaining the presence of silicate minerals within calcite carbonatites, particularly in relation to their association with pyroxenites or glimmerites in silica-rich environments.
Results
The results section presents pseudosections and modeling outcomes at a pressure of 300 MPa, illustrated in Figures 3, 4, 5, and 6. Each figure highlights the variability of a single parameter within temperature-composition (T-X) space, with all “moles of…” panels representing absolute molar abundances rather than percentages. Additional details regarding other parameters are provided in Table 2.
The authors emphasize the importance of consulting the Supplementary Figures, which offer a comprehensive overview of phase abundances and compositions at 300 MPa, as well as at 100 and 500 MPa. These supplementary materials also include pseudosections for all pressures and derivation notes for the calculated parameters, thereby enhancing the understanding of the modeling results presented in the main figures.
Discussion
The discussion section of the research paper focuses on thermodynamic modeling of solid-solid-fluid equilibria during silica contamination in carbonatite systems. Due to the absence of suitable activity-composition models for carbonatite melts, the authors utilize a semi-quantitative approach to explore compositional variations in solid assemblages and associated C-O-H fluids. The modeling employs a comprehensive system involving various oxides and calculates equilibrium phase diagrams over a temperature range of 500-800 °C, with minimal pressure effects at upper crustal conditions. The results indicate that the solid assemblages reflect natural carbonatite systems, validating the exclusion of melt in the model.
The authors also address the formation of silicocarbonatites, which has been a topic of debate. They challenge the hypothesis that silicate minerals crystallize directly from carbonatite melts, citing the low solubility of SiO₂ in crustal carbonatites. Experimental data suggest that SiO₂ concentrations in carbonatite melts rarely exceed 5 wt% at crustal pressures, raising questions about the mechanisms behind the observed silica-rich minerals in silicocarbonatites. The modeling results provide insights into the effects of silica contamination on mineral assemblages, emphasizing the need for further exploration of compositional variations in natural systems.
Limitations
The study presents compelling evidence, grounded in thermodynamics, suggesting that silicate minerals in crustal carbonatites likely formed due to contamination from siliceous wall rocks. The predicted mineral assemblages and compositional variations align well with observations from natural samples. However, the research is limited by its thermodynamic modeling approach, which does not incorporate a melt phase in the liquid-bearing igneous system. This omission may affect the reliability of contamination processes at elevated temperatures, where a carbonatite melt model could enhance accuracy by reducing the influence of solid minerals.
Additionally, the current models do not encompass the full compositional spectrum observed in carbonatites, such as the absence of fluorine in biotite and strontium in calcite and dolomite. While the Na-Fe³⁺-rich compositions of the clinopyroxene and amphibole models are deemed reasonable, further calibration for minerals like aegirine, arfvedsonite, and riebeckite is necessary to improve model precision. The evolution of the Perple_X software during the study period has also highlighted the importance of ongoing advancements in thermodynamic modeling tools and data for enhancing our understanding of carbonatite systems.