ГЕОДИНАМИКА ДОКЕМБРИЙСКОЙ ЗЕМНОЙ КОРЫ

Эволюция магматических пород в верхней мантии Земли

Содержание в кремнезема, SiO₂, в магматических горных породах - основа их классификации:

Имеются сведения о реологии различных магматических расплавов, из которых эти породы образовались. Их природа, распространенность и некоторые физические свойства изложены в работе В.С.Попова [2]. Продуктами кристаллизации силикатных расплавов сложена почти вся земная кора под океанами и значительная часть континентальной коры. Широкая распространенность магматических пород на поверхности Земли позволяет собрать практически любое количество образцов горных пород, которое необходимо для достаточно точной диагностики условий их кристаллизации. В этом разделе, однако, мы рассмотрим эволюцию пород, раскристаллизованных в верхней мантии Земли. Этот объект исследования наиболее полно раскрывает возможности минералогической термобарометрии [1] для познания истории формирования глубинных магматических пород. Напомним лишь, что большинство расплавов основного и ультраосновного состава зарождается в верхней мантии Земли.

В отличие от коровых, интрузивные породы верхней мантии менее доступны для непосредственного изучения. Кроме того они содержат слабо зональные минералы, затрудняющие анализ изменения РТ-параметров в каждом конкретном образце. Однако сами минеральные ассоциации весьма точно отражают термодинамическую обстановку, характерную для того участка верхней мантии, из которого образец этой породы был "отобран". Это слово заключено в кавычки, поскольку не существует возможности отбирать образцы непосредственно из верхней мантии. Но они попадают на дневную поверхность благодаря излияниям мантийных магм. В таких магмах могут содержаться ксенолиты - твердые мантийные породы, захваченные и вынесенные на земную поверхность более поздними и более глубинными мантийными расплавами . С другой стороны, в самих мантийных магмах кристаллизация минералов могла начаться в условиях верхней мантии, а завершиться уже в земной коре (для таких магм применяется термин "интрателлурическая кристаллизация") или же на ее поверхности. В обоих случаях эволюция РТ-параметров "записывается" равновесиями минералов, слагающих эти горные породы. Остановимся на этом вопросе более подробно.

1.Мантийные ксенолиты выносятся на поверхность кимберлитовыми или базальтовыми магмами повышенной щелочности. Скорости их подъема достаточно высоки, поскольку такие магмы обладают относительно низкой плотностью и вязкостью. Действительно, эксперименты показывают, что скорость подъема кимберлитовых магм может достигать 40 км/час. Это значит, что вынос алмазоносных мантийных ксенолитов с глубин порядка 120-140 км (алмаз стабилен выше 40 000 тыс. атм.) осуществляется всего за 3-4 часа. Этого времени явно недостаточно, чтобы ксенолиты прореагировали с несущей их магмой или же претерпели изменения фазового состава в результате изменения Т и Р. Поэтому с помощью минералогических термометров и барометров можно оценить РТ-параметры формирования ксенолитов мантийных пород.

На рис. 1 приведены РТ-тренды остывания магматических пород в верхней мантии Земли. Они основаны на достаточно представительной коллекции свежих крупнокристаллических ксенолитов гранатовых лерцолитов (Grt+Cpx+Opx+Spl Ol) из алмазоносных кимберлитовых трубок Сибирской платформы (Россия) и Южной Африки [4, стр.207]. На рис. 1 линия, проведенная по точкам 5, достаточно четко определяет изменение температуры с давлением (глубиной). Более того, она почти совпадает с теоретической геотермой под континентами до глубины около 250 км. Иными словами, ксенолиты 5, подобно "черному ящику", записали информацию о той физико-химической обстановке, в которой составы слагающих их минералов окончательно достигли равновесных соотношений в мантии. И лишь значительно позже они были вынесены кимберлитовыми магмами почти на дневную поверхность. Весь их путь от места захвата кимберлитовой магмой до поверхности Земли не отмечен изменением составов сосуществующих минералов и, следовательно, снижением ТР-параметров их равновесий.

Вместе с тем, в некоторых ксенолитах из кимберлитовых трубок Южной Африки наблюдается иная картина. Представленные на рис. 1 тренды 1 и 2 отражают условия кристаллизации гранатовых лерцолитов, которые в отличие от описанных выше (тренд 4 на рис.1) заметно деформированы и имеют порфировидную структуру - следы быстрого охлаждения в динамических условиях. Не исключено, что гранатовые лерцолиты представляют собой продукты кристаллизации еще более глубинных и очень высокотемпературных магм (Т > 1800 ⁰С) магм, внедрившихся в породы верхней мантии на уровне 150-180 км. Согласно рис. 1 (геотерма 4) на этой глубине температура пород верхней мантии составляет около 1100 -1150 ⁰С. Следовательно, градиент температуры в 650-700 ⁰С, возникший между внедрившейся лерцолитовой магмой и вмещающими породами мантии обеспечивает быстрое ее охлаждение, почти закалку. Это и проявилось в образовании порфировидных структур гранатовых лерцолитов. Быстрое их остывание вдоль трендов 1 и 2 при Р >> const уровня нормального РТ-градиента 4 на рис.1 привело к возникновению химической зональности в минералах переменного состава. Зональность отражает смещение химических равновесий в ходе субизобарического (P>>const) остывания. Скорость такого охлаждения во многом обусловлена местонахождением образца в глубинном интрузивном теле. Чем ближе образец к контакту, тем выше скорость его охлаждения. Из сопоставления трендов 1 и 2 с трендом 4 на рис.1 можно заключить, что деформированные гранатовые лерцолиты недолго пребывали в верхней мантии. Едва достигнув геотермы 4 (рис.1) на глубине 150-180 км, они были захвачены и вынесены в земную кору кимберлитовыми магмами.

2. Близкую по смыслу к трендам 1 и 2 информацию несут ультраосновные и основные магматические расплавы 3 (рис.1), внедрившиеся в континентальную кору и окончательно в ней сформировавшиеся. Кристаллизация минералов (в том числе и алмаза) в них началась в верхней мантии, на глубинах порядка 90-100 км. при температуре около 1600 ⁰С (см. пересечение тренда 3 с солидусом [2] - линией затвердевания перидотита 6). Затем они достаточно быстро поднимались вверх, внедряясь в породы земной коры и охлаждаясь до температуры ~780 ⁰С на глубине около 40 км. Приблизительно 520 миллионов лет тому назад они были вовлечены в региональный метаморфизм вместе с вмещающими их коровыми породами.

Таким образом минералогическая термобарометрия в отношении первично магматических пород позволила решить две задачи: (1) восстановить РТ- режим мантийного минералообразования и (2) вывести древний геотермический градиент в верхней мантии Земли. Этот градиент весьма близок к рассчитанному для континентальной земной коры на основе геофизических данных [8]. Таким образом, полученный результат важен не только для петрологии, но и для физики Земли, поскольку большинство ее задач связано с распределением температуры в недрах нашей планеты.

Cледующая страница| Назад