Оливин

Оливин широко распространен в земной коре и верхней мантии, в каменных метеоритах, лунных и марсианских породах. Содержание оливина в земной коре составляет около 6 об.%, а в верхней мантии он является главным минералом, составляя ~ 57 об.%.

Оливин - островной силикат, имеющий формулу (Mg,Fe)2SiO4. Наиболее распространенные минералы группы оливина образуют непрерывный твердый раствор форстерит (Fo, MgSiO4)-фаялит (Fa, Fe2SiO4) (табл. 1.1). Са-содержащие минералы этой группы носят названия ларнит (Ca2SiO4) и монтичеллит (CaMgSiO4). Мn-содержащие -тефроит Mn2SiO4 и кнебелит MnFeSiO4.

Элементы-примеси. Оливин - главный концентратор и носитель никеля и кобальта нашей планеты. Содержание никеля в типичном оливине ультраосновных пород F090 составляет около 3000 г/т, кобальта 100 г/т. В крайне высокотемпературных коматиитах оливин содержит до 10000 г/т никеля. Содержание никеля резко снижается, а содержание марганца резко увеличивается с ростом железистости оливина. Все оливины магматического генезиса содержат кальций. Концентрация кальция увеличивается с ростом температуры кристаллизации и щелочности магм. Оливины большинства магматических пород содержат до 0.5 мас.% CaO, а в кимберлитах содержания CaO могут быть еще выше. Оливины, образованные в резко восстановительных условиях, содержат заметное количество двухвалентного хрома, замещающего магний. Наряду с никелем в кристаллической решетке оливина могут присутствовать в примесных количествах такие элементы как Cr, V, Al, Ti, Li, Sc и Н.

Кристаллическая структура минералов группы оливина состоит из изолированных кремнекислородных тетраэдров, поочередно направленных вершинами вверх и вниз, связанных между собой располагающимися между ними катионами (рис. 1.3). Имеются два неэквивалентных набора катионных позиций, связывающих тетраэдры: половина из них расположена между основаниями тетраэдров - это позиции M1, а половина - между вершиной и основанием тетраэдров - это позиции М2. В позиции каждого типа катионы находятся в шестерной координации. Сингония минералов группы оливина ромбическая.


Основные оптические свойства форстерита и фаялита представлены в табл. 1.2. Свойства промежуточных членов ряда меняются аддитивно с изменением состава (рис. 1.4).
Под оптическим микроскопом оливин Fo-Fa ряда легко узнается по отсутствию окраски, характерным формам выделения (рис. 1.5), несовершенной спайности, прямому погасанию, высокому рельефу и высокому дву лучепреломлению (табл. 1.2). Состав оливина легко можно определить по величине угла оптических осей (рис. 1.4).

Одним из характерных диагностических свойств оливина является особенность его вторичных преобразований. При регрессивных процессах с участием летучих (Н2О, СО2) оливин легко замещается водосодержащим и минералами. Обычные продукты изменения высокомагнезиального оливина в ультраосновных породах - серпентин (рис. 1.6) и тальк.

В начальной стадии замещения эти минералы развиваются в виде каемок вокруг оливиновых зерен и выполняют трещины, между которыми остаются реликты неизмененного оливина. Так возникает петельчатая структура замещения, характерная для оливина. При полном или почти полном замещении зерен их формы сохраняются, а начальные трещины в псевдоморфозах обнаруживаются по цепочкам зерен магнетита, который образуется совместно с серпентином в процессе разложения оливина. Пo магнезиальному оливину также развиваются карбонат, антофиллит и тремолит.
Вторичные изменения магнезиально-железистого оливина в основных породах выражаются в образовании скрытокристаллических агрегатов нескольких железистых и магнезиально-железистых минералов, называемых боулингитом, хлорофеитом и иддингситом. Боулин гит в шлифах окрашен в зеленые цвета, похож на хлорит, но имеет более высокое двупреломление (0.025) и состоит из смеси смектита (Mg-содержащего глинистого минерала из группы монтмориллонита), хлорита и серпентина, а близкое но составу колломорфное, оптически изотропное вещество коричневого или зеленого цвета называют хлорофеит. Иддингсит в шлифах окрашен в красно-бурые, желто-коричневые тона, имеет высокое двулучепреломление, представляет собой смесь смектита, хлорита, серпентина и гетита.

Высокобарные фазы. Оливин стабилен в Земле до глубины около 410 км - до верхней границы переходной зоны мантии (410-660 км). На этой границе, отвечающей одному из главных сейсмических разделов в глубинах нашей планеты, оливин трансформируется в более плотную модификацию - ромбический вадслеит (рис. 1.7). Вадслеит на глубине около 660 км превращается в еще более плотную модификацию - кубический рингвудит со структурой шпинели. В области железистых составов вадслеит не образуется (рис. 1.7).

Условия плавления. Связь Me-O слабее в железистом минале оливина (Fa) по сравнению с магнезиальным (Po). Поэтому в непрерывной серии твердых растворов Fe2SiO4-Mg2SiO4 магнезиальный член имеет более высокую температуру плавления 1890°С, а железистый - 1205°С (атмосферное давление) (рис. 1.8). С увеличением давления температура плавления оливина увеличивается, однако в присутствии воды она снижается на несколько сот градусов (рис. 1.9).

При кристаллизации базитовых и пикритовых расплавов при давлении выше 10 кбар (-35 км) оливин кристаллизуется первым, т.е. является ликвидусной фазой. При повышении давления (до -140-150 кбар) минералом ликвидуса (при XMg < 0.7) становится ортопироксен (Opx), так как имеет место перитектическая реакция:

«Вода» в оливине. Согласно данным ИК спектроскопии и структурных исследований, в структуру номинально безводных минералов (в том числе оливина) входит не вода, а водород, который занимает точечные дефекты, связанные с вакансиями в тетраэдрических (занимаемых Si) и октаэдрических (Mg, Fe) позициях. Для удобства в большинстве работ содержание водорода или гидроксил-иона в минералах выражается в содержании H2O в % или ppm. С ростом давления количество «воды» в оливине увеличивается (рис. 1.10, 1.11).

Оливиновый геотермометр. Распределение Mg между расплавом и ликвидусными минералами зависит от температуры. Для оливинсодержащих расплавов такая зависимость известна, так называемый «оливиновый геотермометр» используется для восстановления температуры кристаллизации расплавов.
Элементы-примеси как индикатор генезиза перидотитов. Мантийные и коровые оливины отличаются друг от друга набором и количеством элементов-примесей (рис. 1.12). Например, повышение давления препятствует вхождению кальция в структуру оливина. Граница между мантийными ксенолитами и магматическими породами устанавливается по содержанию CaO в оливине порядка 0.1 мас.%. Содержание хрома в оливине позволяет оценивать окислительно-восстановительные условия в расплавах и в составе протолита, из которого они выплавлялись. По соотношению содержаний Ni и Mn в ликвидусном оливине можно определить состав мантийного источника, из которого выплавлялся расплав.

Оливин входит в состав перидотитов, слагающих верхнюю мантию; он является породообразующим минералом многих магматических пород как ультрамафических (перидотиты, пикриты, коматииты, кимберлиты, лампроиты), так и мафических (базальты, габбро). Оливин встречается не только в мантийных, но и в коровых метаморфических и метасоматических породах.
В мантийных породах магнезиальный оливин является единственным главным минералом дунитов, в других перидотитах он ассоциирует с магнезиальными орто- и (или) клинопироксенами, хромистой шпинелью, ильменитом. В более глубинных разностях перидотитов в парагенезисе с оливином и пироксенами возможно присутствие граната и хромита.
Природа оливина в магматических породах может быть двоякой. Часто он зонален, и ядро его может быть реликтовой фазой мантийного субстрата - рестита, остающегося в результате выплавления пикриnовых или базальтовых магм, а краевые зоны могут возникать в результате кристаллизации магнезиального расплава (рис. 1.12, 1.13).
В вышеперечисленных породах основного и ультраосновного состава присутствуют магнезиальный и магнезиальножелезистый оливин. Железистый оливин, вплоть до чистого фаялита, в небольших количествах встречается в некоторых кварцсодержащих субщелочных и щелочных вулканических и интрузивных породах. Наиболее распространен он в кварцевых сиенитах, где находится в ассоциации со щелочным полевым шпатом, средним или кислым плагиоклазом, различными темноцветными минералами и небольшим количеством кварца. Встречается он и в кислых пегматитах.
Оливин образуется и при метаморфических процессах. Магнезиальный оливин возникает при метаморфизме серпентинитов и тальк-карбонатных пород. Форстерит образуется в силикатных мраморах и магнезиальных скарнах согласно реакции:

При региональном метаморфизме железисто-кремнистых пород образуются эвлизиты, в которых фаялит ассоциирует с железистыми пироксенами.
В оливине глубинных магматических пород иногда проявлены пластинчатые структуры распада твердого раствора. В щелочных-ультраосновных магматических породах и в кимберлитах развит монтичеллит. В крайне высокотемпературных метаморфических породах помимо монтичеллита развиты кальциевые аналоги оливина — кальциооливин и ларнит. В богатых марганцем метаморфических породах встречаются тефроит Mn2SiO4 и кнебелит MnFeSiO4.