THEORETISKE BETRAGTNINGER OVER KRYSTALLISATIONS FØLGEN I ET KISMAGMA

Transkript

1 THEORETISKE BETRAGTNINGER OVER KRYSTALLISATIONS FØLGEN I ET KISMAGMA A \' C. W. CARSTENS (4 PLANCHER) NORSK GEOLOGISK TIDSSKRIFT, BIND Ill, NO UTGJT AV NORSK GEOLOGISK FORENING. KRISTIANIA 1914

2 A. W. BRØGGERS BOKTI<YKKER!,\/S

3 Theoretiske betragtninger over krystallisationsfølgen i et kismagma. Av C. W. Carstens. (Med 4 plancher) Medens man for omtrent en menneskealde1 siden ansaa de norske kisforekomster av typen Røros-Sulitjelma for at være av sedimentær oprindelse (cfr. HELLAND: De norske kisforekomster) betragter for øieblikket alle norske geologer kisforekomsterne som magmatiske differentiationsprodukter, genetisk knyttet til eruptivbergarter, specielt gabbrobergarter. Allerede i 90aarene leverte professorerne BRøGGER og VoGT de første beviser for kisstokkernes eruptive natur. Og siden den tid er emnet blit behandlet saavel av udenlandske som norske geologer og bergmænd, saaledes sidst av bergingeniør FALCHENBERG, Kristiania, som i Zeitschrift fur praktische Geologi, 3die hefte 1914 behandler kisleiernes genesis (specielt for det sydlige Norges vedkommende). Vore kisforekomster synes saaledes baade hvad optræden og genesis angaar at \ære blit underkastet en meget nøie undersøkelse. Men enkelte spørgsmaal er endnu ubesvaret, saaledes f. eks. den saakaldte saussuritisering i forhold til kisstokkernes størrelse og beliggenhed, bergarternes og kisstokkernes forskjelligartede metamorfose etc. Jeg forbeholder mig ved en

4 4 senere anledning, naar mit materiale fra en række Trondhjemske kisgruber er blit komplettert, at komme tilbake til de her nævnte spørgsmaal. V i antar, at ved høi temperatur er et nwgmas evne til at holde opløst sulfider ubegrændset. Ved en sænkning av temperatmen avtar magmaets opløsningsevne, og vi faar en spaltning av magmaet i et silikatmagma med noget opløst sulfid og i et sulfidmagma med noget opløst silikat. Opløselighedskurven er fremstillet i diagram fig. 1. Et magma.5ilika.t.sulfid a 5 Fig. 1. b av sammensætning S spaltes altsaa ved et temperaturfald til ta i et silikatmagma med noget opløst sulfid (sammensætning a) og i et sulfidmagma med noget opløst silikat (sammensætning b ). Hvilket mineral, som i et magma først krystalliserer ud, avhænger efter VoGT av smeltens kerniske sarnmensætning i forhold til eutektikum av de forskjellige hestanddele. Ternære eutektdiagrammer for bergarter er allerede flere gange forsøgt fremstillet, saaledes for gabbrobergarternes vedkommende av VoGT i Zeitschrift fur anorganische Chemie, Bd. 71, 1911, i en avhandling betitlet "Ober Labradoritnont mit porphyrischen Labradoritkristallen, ein Beitrag zur Kenntnis des gabbroidalen Eutektikums" og av FosLIE i Norges Geol. Unders. Am hok 1913 IV.

5 5 Krystallisationsdiagrammer for sulfiderne er derimot endnu ikke blit fremstillet. Gmnden hertil skyldes væsentlig den omstændighed at den synlhetiske behanlingsmetode paa grund av sulfidernes spaltning ved smeltning foreløbig synes udelukket. V ed en analystisk fremgangsmaade i reflektionsmikroskop har jeg imidlertid kunnet fremstille de nedenforstaaende nærmere omhandlede, foreløbig dog kun tilnærmede, sulfiddiagrammer, nemlig de binære hystallisationsdiagmmmer for 1) kobberkis og svovlkis, 2) kobberkis og magnetkis og 3) svovlkis og magnetkis, samt det ternære diagram for svovlkis, magnetkis og kobberkis. En poleret plade av kis fra Charlotta grube, Sulitjelma med resorberte svovlkiskrystaller i en kobbet kislignende grundrnasse viser i reflektionsmikroskopet det paa pl. 1, fig. 1 fremslillede billede. Grundmassens flekkede udseende skyldes porer i materialet. For skjæv belysning viset disse porer under en helomdreining av præparatet en kontinuerlig for andring uv lys og skygge. Et præpamt av kobberkiskrystaller fra Littfeld, Westfalen, fremviser under mikroskopet nøiagtig samme billede som. grundmassen. Saavel ved sterk forstøitelse (op til 350 gange) som ved behandling med salpetersyre (cons.) undergaar grundmassen ingen forandring i homogenitet. Det synes derfor at være beret tiget at slutte at grundmassen, i hvilken svovlkiskrystallerne et indleiret, udgjøres av ren kobberkis. Eutektstruktur med forskjelligartede krystalelementer er saaledes ikke tilstede. De fleste analyser av kohberkis viser en lavere gehalt av Cu og større gehalt av Fe og S end formelen CuFeS2 tilsiger. En i Hintzes "Handbuch der Mineralogie" opført analyse av ren kobberkis fra Allevard viser saaledes 32,10% Cu, 36,30 Ofo S og 31,50% Fe.

6 6 Dette svarer temmelig nøiagtig til en gehalt av 93 /o kobberkis og 7 % svovlkis. Kobberkis viser imidlertid rent undtagelsesvis en høiere S-gehalt end 36,30 fo. Disse forhold sammenholdt med krystallisations- og resorbtionsfænomenerne i et kisleie sandsynliggjør den antagelse, at svovlkis indgaar i kobberkisen som fast opløsning, og at ca. 7 /o synes at være den maksimale opløsningsevne av svovlkis i kobberkis. Et krystallisationsdiagram fm kobberkis og svovlkis vil av det forangaaende, hvis intet hensyn foreløbig tages til krystallisationstemperaturen, kunne fremstilles som paa fig. 2. I et kismagma med mere end 7 /o FeS2 og rest OuFeS2 vil svovlkis først krystallisere ud. Svovlkiskrystallerne viser i Charlotta grube næsten nitid resorbtionsfænomener. Dette gjælder saavel de st ørs t e krystaller som alle overgange ned til de mindste. Denne resorbtion skyldes underkjøling, en under temperaturen to fortsat krystallisation av svovlkis. Ved en derpaa begyndende krystallisation av kobberkis bli1 varme fri, svovlkiskrystalleme vil ikke længere være i likevegt med si n smelte, og en resorbtion vil naturlig finde sted. Den udkrystalliserende kobberkis vil imidlertid opta svovlkis i fast opløsning. Under forudsætning av langsom krystallisation vil de først udkrystalliserte partier sætte sig i likevegt med smelten og hele grundmassen vise nøiagtig samme kemiske sammensætning. I et kismagma med < 7% FeS2 og rest OuFeS2 vil kun kobberkis krystallisere ud. Den mængde FeS2 som i fast opløsning indgaar i kobberkisen er avhængig av og (antagelig) lik magmaets FeS2 -gehalt.

7 7 En fuldstændig analyse av grundmassen i Sulitjelmakisen (Charlotta grubekis) viste følgende resultat: Cu = 31,93% Fe= 30,59 /0 8 = 35,02% Sum = t7,54 % Prøven, som velvilligst er analyseret av hyttemester HARALD PEDERSEN, Røros, indeholdt lidt bergart uopløselig 1 syre. En anden av grundmassen foretagen analyse, som ved assistent F AHLSTRøMs imødekommenhed er analyseret paa Høiskolens kem. lab. A viste en Ou-gehalt paa 32,60 Ofo og omtrent intet uopløst bergart. Grundmassen var i begge analyseprøver renset, delvis ved hjælp av h1ppe, for svovlkiskrystaller og indeholdt kun ren grundmassesubstands (J: kobberkis) med noget (ganske lide!) isittende kvarts. Omregnet til sum 100 0/o svarer disse analyser temmelig nøiagtig til en gehalt av henimod 6 % Fe82 i kobber kisen (som fast opløsning). Her maa imidlertid erindres at svovlkisen i Sulitjelmakisen er sterkt resmbert, muligens saavel paa grund av mekanisk som kemisk indvirkning. Ovenstaaende analyser viser saaledes med tydelighed, at det sande krystallisationsdiagram for kobberkis og svovlkis utvilsomt ligger nær op til det paa fig. 2 fremstillede diagram (varietet av Roozebooms typus V). En poleret plade av kis fra Giken grube, Sulitjelma med resorberte svovlkiskrystaller i en magnetkis1ignende grundmasse er likeledes blit undersøgt i reflektionsmikroskopet. Pl.1, fig. 1 viser resorberte svovlkiskrystaller indleiret i en grundmasse, som delvis bestaar av magnetkis, delvis av

8 8 kobberkis. Den magnetkislignende grundmasse har i likhed med kobberkisen et flekket udseende, som er at føre tilbake til porer i materialet, fremkommet under slibningen paa grund av mineralets sprødhed. Den taber ved sterk forstørrelse ikke sin homogenitet og viser samme billede som præparat av ren magnetkis fra Landsverk, Evje. Grundmassen maa derfor kunne identificeres som ren magnetkis. De fleste analyser av magnetkis viser en høiere gehalt av S og en lavere gehalt av F'e end formelen F'eS tilsiger. Theoretisk holder FeS 63,60% F'e og 36,40% S. Analyser av magnetkis fra alle terrestriske forekomster viser imidlertid en S-gehalt paa o p til ca. 40 Ofo. I "The American Journal of Science", Vol. XXXIII, mars 1912, har forfatterne ALLEN, CRENSHAw og JoHNSON i en avhandling med ti tel "The Mineral Sulphides of Iron" vist, at denne høie S-gehalt skyldes en fast opløsning av S i magnelkis. Av laboratorieforsøk omtalt i denne avhandling fremgaar, at magnetkis har evne til som fast opløsuing at indeholde maksimum ea. 6,5 % S, hvilket svarer til en S-gehalt hos magnetkis paa ca. 40,50 Ofo. Endvidere omtales omvandling av svovlkis til magnetkis som reversibel reaktion, avhængig av trykket: F'eS2 ";:± F'eS (S\) + (1 -æ) S. En S-gehalt hos magnetkis paa 40,50 % svarer til en gehalt av 23 % F'eS2 og 77 /o FeS. Magnelkisens høie 8-gehalt kan derfor ogsaa betragles som en følge av en fast opløsning ikke av S, men av F'eS2 i magnetkisen. Om 8-gehalten skyldes en direkte opløsning av svovlkisen i magnetkis eller en forangaaende omsætning til F'eS og S med efterfølgende opløsning av S er likegyldig for den theoretiske betragtningsmaate. Krystallisationsdiagrammet vil av det forangaaende kunne fremstilles som paa fig. 3. Eutektikum av svovelkis og magnetkis er ikke iagttaget paa nogen

9 ;Jvovlkis 9 /1obberh s - /0 l Fig. 2. jo o 7 o l' Fig o Fig. 4. /00 11 o Fig. 2, 3 og 4.!17 1jSl-. k U7"V Smnsctln -- Sammensætningskurven dækker i diagrammets høiere halvdel krystallisationskurven.

10 10 av præparaterne. Endvidere synes de resorberte svovlkiskt-ystaller i en homogen grundmasse av m agnetkis at borge for t igtigheden av denne diagmmtype (varietet av Roozebooms typus V). I et kismagma med mere end 23 /o FeS2 og rest FeS vil svovlkis først hystallisere ud. I det øieblik smeltens kemiske sammensætning hat naaet 23% FeS2 og 77% FeS begynder magnetkis at krystallisere (forudsat at ingen underkjøling findet sted). Denne magnetkis holder imidlertid 23% FeS2 i fast opløsning. I et kismagma med< 23% Fe82 og rest FeS krystalliserer kun magnetkis. Den mængde FeS2 som indgaat i magnetkisen som fast opløsning er avhængig av og (antagelig) lik magmaets FeS2 gehalt. Polerte plader av stuffer med magnetkis og kobberkis viser i reflektionsmikroskopet de paa pl. 2, 3 og 4 fremstillede billeder. Av de to minemler magnet kis og kobberkis er magnetkis det absolut først udkrystalliserte mineral. Flere steder sees krystalbegrændsning. Fladerne er imidlertid ofte sterkt resorbert. Kobberkisen sy nes dog enkelte gange at ha begyndt sin udkrystallisation førend magnetkisens kryslallisation var helt avsluttet. Eutektstruklur optrær imidlertid ikke i nogen av præparalerne. Det absolut sidst udkrystalliserte mineml synes altid at være kobberkis. Den eiendommelige, tilsyneladende uregelmæssige, stmktur, som stufff'r med magnetkis og kobberkis viset, skyldes utvilsomt magnetkisens mangelfulde evne til at anta kryslalbegrændsning. Denne struktur optrær i stuffer (og leier) med magnetkis og kobberkis i forskjellige forhold fra om trent O til omtrent 100. Dog viset stuffer med overveiende magnetkis mineralet med bedre udviklet krystalbegrændsning end stuffer med overveiende kobberkis (se pl. 1, fig. 2).

11 11 Som tidligere omtalt viser de fleste analyser av kobberkis en lavere gehalt av Cu end formelen CuFeS2 tilsier. Denne større gehalt av Fe og S, som derved fremkommer, skyldes dog ikke udelukkende en opløsning i mineralet av FeS2 (svovlkis), men som analyserne tydelig viser likesaa ofte en opløsning (fremdeles anta! som saadan og ikke som mekanisk tilblanding) av Fe8 (magnetkis) eller forskjellige forhold FeS2 : FeS. En i HINTZES Handbnch der Mineralogie opført analy e over kobberkis fra Freiberg viser en gehalt av: 30,66% Cu, 35,93 % S og 34,11% Fe. Dette svarer temmelig nøiagtig til en gehalt av 89 % kobberkis og 11 Ofo magnetkis. Analysen av ren kobberkis viser imidlertid rent undtagelsesvis en høiere Fe-gehalt end vel 34 0/o. Hvis man derfor betragter magnetkisen som en i kobberkis fast opløsning (som, sammenholdt med krysta! lisationsfølgen, maa an sees som en berettiget konklusion) synes 11 /0 at betegne kobberkisens maksimale opløsningsevne av magnetkis. Krystallisationsdiagrammet for kobberkis og magnet kis vil av det forangaaende kunne fremstilles som paa fig. 4. Nogen eutektstruktur kan ingen steder iagttages. Den omtrent samtidige (eller vekslende) udkrystallisation av rnagnetkis og kobberkis, som sandsynligvis enkelte gange har fundet sted, maa saaledes være at føre tilbake til en underkjøling i magmaet under krystallisationen. Derved vil nemlig en veksling i krystallisationsfølgen kunne indtræ. I et kismagma med mere end 11 Ofo FeS og rest CuFeS2 vil først magnetkis krystallisere ud. I det øieblik smeltens kemiske sammensætning har naaet 11 % FeS og 89% CuFeS2 vil resten krystallisere ud som kobberkis

12 12 med 11% magnetkis i fast opløsning (forudsat at ingen underkjøling finder sted). I tilfælde av underkjøling vil resorbtion merl vekselkry"tallisation av kobberkis og magnetkis kunne indtræffe. I et kismagma med < :11% FeS og rest CttFe82 krystalliserer ved avkjøling kun kobberkis. Den mængde FeS som indgaar i kobberkisen som fast apløsning er avhængig av og (antagelig) lik magmaets FeS gehalt. Krystallisationsfølgen mellem svovlkis, magnetkis og kobberkis er i alle prøvestuffer den samme og viser den her nævnte orden. En flerhed av prøverne viser svovlkisen idiomorf udkrystalliseret i terningeform (100) liggende i en grundmasse av magnetkis eller kobberkis. Et stort anta! av krystallerne er imidlertid sterkt resorbert, dog kan man enkelte gange paavise de primære former (100) og (210). Den overveiende del av magnetkisen forekommer drøi. Dens evne til at o p træ i krystalform (hexagonale ta vier) er meget lid en. U ndtagelsesvis sees imidlertid paa enkelte punktet en virkelig krystalhegrændsning. Flademe viser dog for en stor del resorbtion. Det sidst udkrystalliserte mineral er i alle stuffer kobberkis. Endel av magnetkisen synes imidlertid enkelte gange at ha fortsat sin krystallisation efterat kobberkisens krystallisation var paabegyndt. Vi faar saaledes i et bestemt tidsrum paa enkelte punkter av kisleiet en samtidig krystallisation av rnagnetkis og kobherkis. Krystallisationen av kobberkis synes imidlertid at ha fortsat ogsaa efterat magnetkisens krystallisation var avsluttet. Denne samtidighed i krystallisationen av magnetkis og kobberkis kan dog som tidligere omtalt ikke henføres til eutektfænomener. Den optrær i stuffer (og leier) med magnetkis og kobberkis i vekslende forhold. Krystallisationsfølgen kan grafisk fremstilles som paa fig. 5.

13 13 Svovlkis Magnetkis ---1 Kobberkis Fig. 5. Under udarbeidelsen av denne avhandling er ARTHUR PERHY THOMPSENS arbeide over: " The relation of Pyrrhotite to Chalcopyrite anrl other Sulphides" i Economie Geology for mars 1914 kommet mig ihænde. Han omtaler krystallisationsfølgen i ertsforekomsterne i de metamorfe bergarter, som optrær langs Nordamerikas østkyst. Endel av disse forekom sters genesis er endnu ubestemt, meget synes imidlertid at tyde paa, at ialfald nogle er av magmatisk oprindelse. Hans konklusion er i den udstrækning, som de.t har interesse for os, følgende: I. The order of origin of the metallic sulphides has be en striking similiar in all of the o res. That orde1 is: 1) Pyrite 2) Blende 3) Pyrrhotite 4) Chalcopyrite. Il. The relation of pyrrhotite and chalcopyrite in some instances is very close, pyrrhotite, however, being distinctly the first to form. Paa side 173 l. c. sier han end videre: It is qiute probable that the deposition of pyrrhotite had not been concluded before chalcopyrite began precipitating. lndeed, there seems from many of the occurrences of the two minerals, to be no other possible conclusion except that there was an overlapping of the periods of deposition of the two minerals, with pyrrhotite definitely first. Hans observationer synes saaledes at slemme nøie overens med de resultater jeg er kommet til ved studiet over krystallisationsfølgen i de norske kisforekomster.

14 14 En stor procent av vore kisgruber fører baade svovlkis, magnetkis og kobberkis. I magmaet synes derfor at være tilstede 3 komponente1, nemlig CuFeS2, FeS og FeS2 (elle CuS, FeS og FeS2). Det ternære krystallisationsdiagram vil efter de tidligere opsatte binære diagrammer kunne f1 emstilles saaledes som fig. 6 viser. Vi forudsætter he1, at magnetkisens maksimale opløsningsevne med hensyn paa svovlkis forblir 23 % ogsaa ved tilsætning av den tredie komponent kobberkis. Xobberhis D E. fj F l l l l l l r:; l i.l_.. c..svovlkis l'1aqnetlns lf ryst kurue-- Fig. 6. Sl"nn,sal n-- Sammensætningskurverne dækker paa diagrammet J,rystallisationskurverne. I et kismagma, hvis kemiske sammensætning ligge1 i arealet A BH E vil først krystallisere ud svovlkis (ren). Hvis sammensætningen ligger i arealet AH E, vil, efterat svovlkisens krystallisation er avsluttet, restmagmaet kl-ystallisere ud som kobberkis med jernsulfider i fast opløsning. Hvis den kemiske sammensætning ligger i arealet A BH vil, efterat svovlkisens krystallisation er avsluttet, magnetkis krystallisere ud med FeS2 i fast opløsning. Det kvan-

15 15 titative forhold FeS2 som svovlkis : FeS2 i magnetkis som fast opløsning er en funktion av magmaets primære sammensætning og kan tilnærmet udledes av diagrammet. Naar magmaets kemiske sammensætning har naaet punktet H i diagrammet vil magnetkisens krystallisation være avsluttet og restmagmael krystallisere ud i form av kobberkis med FeS og Fe8 i fast opløsning. - l et kismagma, hvis kemiske sammensætning ligger i arealet B CF H vil magnetkis først krystallisere ud. Den mængde FeS2, som i fast opløsning indgaar i magnetkisen, vil være en funktion av magmaets primære sammensætning, dog altid mindre end 23 Ofo. I det øieblik magmaets sammensæb1ing falder i linjen B H vil magnetkisen imidlertid opta sin maksimale FeS2 gehalt, 23 0/o. Restmagmaet vil krystallisere som kobberkis med FeS2 og FeS i fast opløsning. - I et kismagma, hvis kemiske sammensætning ligger i arealet DE HF vil kun kobberkis krystallisere ud. Den mæugde ernsulfider, der indgaar i kobberkisen som fast opløsning er avhængig av og (antagelig) lik magmaets gehalt av FeS2 og FeS. Gjennemgaaelsen av de forskjellige kisprøver med de fysikalsk kemiske krystallisationslove for øie har ført til konstmktionen av de ovenforstaaende typediagrammer. Disse gjør imidlertid ingen fordring paa præcision. Kun et større analysemateriale over de forskjellige kiskombinationer vil kunne vise kurvernes nøiagtige forløb. I alle diagrammer er opført baade for kobberkisens og magnetkisens vedkommende den maksimale opløsningsevne av den anden komponent. Ved trykforandring eller ved tilsætning av nye komponenter vil denne imidlertid let kunne forandres og sandsynligvis i almindelighed bli nedsat. Krystallisationstemperaturerne er alle ubekjendte og vil vanskelig kunne bestemmes uden ad eksperimental vei. Men av gangmine-

16 16 ralernes krystallisation samt av konlaktskiferens pelrografiske kamkter kan man slutte, at krystallisationstem peraturen for de forskjellige komponenter i et kismagma i middel sandsynligvis ikke ligger langt fra 1000 o C. Kisprøver fra alle vore kisfeltet viser, at gangminera ]erne (kvarts, biolit osv.) er udkt-ystalliseret paa et forholdsvis tidlig tidspunkt. Under forudsætning av langsom avkjøling i magmaet under kt-ystallisalionen vil gangmineralerne kunne flyde op, medens svovlkisen paa grund av sin største sp. v. let vil synke tilbunds. Som følge derav findet man i kobberkisførende kisleier kvartsen som det rigtigste gang mineral oftet e indleiret i kobberkis end i svovlkis. Trondhjem i mai Trykt 2. decernber 1914.

17 Geo l. Tidsskr. B. Ill. No. 3. Pl. I Tegnforklaringen til plancherne er følgende: s = svovlkis, k = kobberkis, m = magnetkis, g = gangmineral. k. 711/..s Fig. 1 a. X 60. Fig. 1 b. Fig. 2 a. X 60. Fig. 2b. Carstens fot.

18 Geo!. Tidsskr. B. Ill. No. 3. Pl. LI. æ o..ci co bij ti: X

19 Geol. Tidsskr. B. Ilf. No. 3. Pl. Ill.

20 Geol. Tidsskr. B. Ill. No. 3. Pl. IV. G...ci ID cij 0