Распределение редких элементов между мантийными минералами и карбонатно-силикатными расплавами: эксперимент и геохимические следствия

Гирнис А.В.*, Булатов В.К.**, Лаэ Я.***, Брай Г.П.***

*ИГЕМ, **ГЕОХИ, ***Институт минералогии, Франкфурт-на-Майне, Германия

Распределение редких элементов между ортопироксеном, гранатом и расплавом карбонатитового и кимберлитового состава исследовано при давлении 3.5-4.2 ГПа и температуре 1300-1500^оС. Эксперименты проводились в установке типа белт с синтетическими карбонатно-силикатными смесями, близкими по составу к среднему кимберлиту группы 1А. В большинстве экспериментов расплав был насыщен CO₂. В исходные смеси вводилось по 50-500 г/т различных редких элементов (Ba, Sr, Zr, Sc, REE и др.). Продукты опытов анализировались с помощью электронного микрозонда и методом LA ICP MS. Состав расплава менялся от кимберлитового при 1500^оС (25 мас % SiO₂; 4% Al₂O₃; 7% FeO; 28% MgO; 10% CaO) до карбонатитового при 1300^oC (5√10% SiO₂; 1% Al₂O₃; 6% FeO; 15-20% MgO; 20-25% CaO). Основные кристаллические фазы √ ортопироксен и гранат. Кристаллизация клинопироксена достигалась только при добавлении к исходной смеси 20 мас % кальцита. Из кристаллических фаз только ортопироксен всегда образовывал крупные кристаллы (более 30 мкм), подходящие для анализа методом LA ICP MS. В нескольких опытах был также проанализирован гранат. Коэффициенты распределения (D=C^{минерал}/C^{расплав}, мас %) некогерентных элементов (Ba, Ta, Nb, Zr, LREE) не зависят от состава расплава и находятся на уровне 0.005-0.01 для ортопироксена и 0.01-0.02 для граната. Умеренно некогерентные и когерентные элементы (Cr, Sc, V, Yb) обнаруживают сильную зависимость от состава, увеличиваясь при переходе от кимберлитовых расплавов к карбонатитовым. Сравнение с результатами других авторов по распределению редких элементов между минералами и карбонатным расплавом [Sweeney et al. (1992) EPSL, 113: 1√14; Adam, Green (2001) Eur. J. Mineral., 13: 815√827] показывает, что поведение умеренно некогерентных элементов вблизи солидуса мантийного перидотита сильно зависит от температуры. Результаты, полученные в этих работах при давлении 2.5√3.0 ГПа и 1000√1050^оС, свидетельствуют о значительно большей совместимости Ti, Zr и HREE в гранате по сравнению с нашими высокотемпературными опытами (D_Ti ~1.0 и 0.3; D_Zr ~2.0 и 0.2; D_Lu ~`7 и 2.5, соответственно). Эта закономерность согласуется со значениями коэффициентов распределения, полученными в наших опытах для карбонатитовых (<10 мас % SiO₂) и кимберлитовых (>20 мас % SiO₂) составов. Существенные вариации поведения элементов вблизи солидуса мантийных перидотитов должны учитываться при моделировании процессов мантийного метасоматоза и образования кимберлитовых магм.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ и Программы поддержки ведущих научных школ.