ИСТИНА

В настоящее время в мире идут активные исследования кристаллизации циркона в магматических системах. Это связано, во-первых, с медленными скоростями роста цирконов и их устойчивостью к изменению температуры и составу магмы. Во-вторых, циркон аккумулирует многие примесные элементы из магматического расплава, в частности, уран и торий. Это позволяет провести изотопное датирование как циркона целиком, так и отдельных его частей (ядра и каймы). Таким образом возможно восстановление условий эволюции магматических систем на протяжении всего времени их существования. Несмотря на большой накопленный материал интерпретация данных вызывает определенные сложности, поскольку существующие подходы основываются на предположении термодинамического равновесия циркона со вмещающим расплавом. В работах (Биндеман, Мельник, 2016 и Мельник, Биндеман, 2017), выполненных при поддержке РФФИ, показано, что размер кристалла, его возраст, осциллярная зональность и состав определяется историей охлаждения магматического расплава, а не его валовым составом и температурой перед извержением. В рамках проекта предполагается: 1)продолжить развитие модели кристаллизации циркона для учета его нуклеации и распределения по размерам. 2)собрать базу измерений составов магматических цирконов, их возрастов, профилей концентраций примесных элементов. 3)разработать модель плавления и кристаллизации магматической системы для учета трехмерных эффектов, непостоянства физических свойств пород, сложной геометрии. Рассчитать температурную историю магматической системы в различных точках пространства. 4)провести моделирование процессов кристаллизации и растворения цирконов на основе неравновесной диффузионной модели при заданном изменении температуры во времени. Сравнить полученные результаты с данными анализов составов кристаллов в природных системах.

Currently, there are numerous active investigations of mineral zircon (ZrSiO4) and its crystallization in magmatic systems. This is explained by due to: 1) slow growth rates of zircons and vanishingly slow diffusion of nearly all trace elements within zircon upon crystallization makes it a good and faithful recorder of the composition of magma 2) high chemical and thermodynamic stability of zircon after crystallization in different rocks enables survival in magmatic temperature perturbations, and in secondary hydrothermal alteration processes, and weathering; this enables zircon to be used as a maker to record the original conditions of crystallization when other minerals are not available. 3) zircon accumulates many trace elements from its parental magmatic melt, enabling restoration of the conditions for the evolution of magmatic systems throughout their lifetime. 4) Furthermore, high partitioning of radioactive elements uranium and thorium makes it possible to conduct an isotope dating of both the whole zircon and its individual parts (core and rims). 5) Increasing analytical advances in geochronology and in situ trace element, and isotope geochemistry of zircons require new mathematical model that explains observations. Despite the large amount of material accumulated, the interpretation of the data raises certain difficulties, since the existing approaches are based on the assumption of the thermodynamic equilibrium of the zircon with the enclosing melt. In works (Bindeman, Melnik, 2016 and Melnik, Bindeman, 2017), performed with the support of the Russian Foundation for Basic Research, it was shown that the crystal size, age, elemental composition, and oscillation zoning is determined by the history of cooling of the surrounding magmatic melt, and not by its bulk composition and temperature before eruption. Within the framework of the project we propose: 1) Further develop numerical model of zircon crystallization from melt to include zircon nucleation and size distribution. 2) to collect a base for measuring the compositions of magmatic zircons, their sizes and sizes distributions, ages, profiles of concentrations of impurity elements. 3) Develop a model of melting and crystallization in the magmatic system in order to calculate the temperature history of the magmatic system of given size and country rocks, and at various points in space, as is seen and recorded by zircons. 4) Carry out modeling of the processes of crystallization and dissolution of zircons based on the nonequilibrium diffusion model for a given temperature change in time. Compare the results with the data of analyzes of crystal compositions in natural systems.

В результате выполнения проекта будет создана новая модель, которая позволит исследовать влияние температурной эволюции магматических систем на состав, зональность и возраст кристаллизующихся акцессорных минералов. Будут исследованы и определены области параметров, при которых применение равновесных моделей дает достаточную точность для описания эволюции магматической системы. Будет изучено влияние температурной истории и диффузии элементов-примесей на состав и зональность кристаллов циркона. Построенная модель будет оформлена в виде комплекса программ, которые будут выложены в открытый доступ, что позволит широкой аудитории ученых использовать их в прикладных исследованиях конкретных магматических систем.

Участниками проекта в рамках гранта РФФИ разработана диффузионная модель роста циркона в магматическом расплаве с учетом зависимости коэффициента диффузии и равновесной концентрации от температуры (Bindeman and Melnik, 2016). Ее развитие (Melnik and Bindeman, in press) позволило рассчитывать распределение элементов-примесей между расплавом и кристаллом в процессе роста циркона. Показана важность учета неравновесных условий в процессе кристаллизации-растворения циркона. Выявлены причины осциллярной зональности химического состава циркона за счет циклической модуляции температуры в процессе охлаждения. Участниками проекта в рамках предыдущих грантов РФФИ разработана оригинальная модель неизотермических течений многокомпонентных смесей. В рамках модели могут быть описаны не только однофазные и двухфазные фильтрационные течения с равновесиями типа жидкость-газ, но с равновесиями типа жидкость-жидкость и с трёхфазными термодинамическими равновесиями типа жидкость-жидкость-газ. Могут быть описаны течения в до- и закритических термодинамических условиях. Разработан программный комплекс MUFITS (www.mufits.imec.msu.ru), основанный на описанной модели фильтрации. Программный код позволяет использовать инженерные данные о геологическом строении проницаемого резервуара и о теплофизических свойствах насыщающих флюидов. Программный код позволяет проводить параллельные расчёты на суперкомпьютерных вычислительных системах. Для построения сложной геологической модели резервуара используются графы ячеек. Это позволит менять топологию пространства и перемещать ячейки в процессе внедрения порций магматического расплава.