БУРАКОВСКО-АГАНОЗЁРСКИЙ РАССЛОЕННЫЙ МАССИВ ЗАОНЕЖЬЯ:
II. Строение краевой группы и оценка состава родоначальной магмы методом геохимической термометрии.

Геохимическая термометрия пород краевой группы

Метод геохимической термометрии объединяет несколько подходов к решению обратных петрологических задач, направленных на оценку температуры и состава магматических расплавов, из которых кристаллизовались базиты и гипербазиты [9]. В основе метода лежит предположение о равновесном распределении компонентов между первичными кристаллами и жидкостью, а его практическая реализация связана с проведением расчётов по ЭВМ-моделированию равновесной кристаллизации расплавов конкретных пород. В случае интрузивных массивов образцы для вычислений выбираются на основе геологических данных по принципу приуроченности к одним и тем же горизонтам или близости расположения в вертикальных разрезах. Это дает основание предполагать общую температуру и состав интеркумулусного расплава.

Сравнительный анализ составов модельных расплавов при одних и тех же значениях температур позволяет найти области сгущения и пересечения эволюционных линий. Было показано, что наиболее компактные кластеры составов по петрогенным компонентам формируются в ограниченном диапазоне температур (в пределах 10-15^оС), которые отражают начальные условия формирования генетически родственных пород [2]. При этом среднее значение для температурного интервала пересечений линий эволюции состава жидкости рассматривается как наиболее вероятная температура исходной расплавно-кристаллической смеси, а "равновесный" состав минералов принимается в качестве первичного (исходного). Состав жидкости, находящейся в равновесии с первичными кристаллами, определяет исходный расплав - в том смысле, что он соответствует состоянию смеси до того, как в ней пройдут процессы докристаллизации и (возможно) перекристаллизации.

Реализация геохимической термометрии проводится с помощью ЭВМ-модели COMAGMAT-3.0 [21; 4]. Ранее этот подход использовался при реконструкции температурно-композиционных и фазовых характеристик исходных магм для ряда интрузивов, включающих небольшие (мощностью 100-200 м) слабо дифференцированные силлы Сибирской платформы и Восточной Камчатки [9; 22; 2], контрастно расслоенные массивы Партридж Ривер и Талнах [23, 24, 25], а также крупные плутоны Скергаард, Киглапейт и Довырен [4, 26; 10; 27].

Успех применения геохимической термометрии к этим объектам связан с котектической природой исходных магм, которые во всех случаях представляли смеси кристаллов оливина, плагиоклаза и жидкости. Это наиболее благоприятная ситуация, когда расчетные траектории эволюции остаточного расплава образуют ярко выраженную область пересечения, что дает возможность надежной аппроксимации содержаний главных компонентов в исходном расплаве - с погрешностью ~ 0.5-1 мас.%. Неопределенности оценки температуры магмы составляют при этом 10-15^оС, приближаясь к точности используемых геотермометров [2]. Менее надежны оценки, полученные в поле совместной кристаллизации Ol, Pl и пироксенов, поскольку в этом случае незначительное понижение температуры системы могут приводить к сильному повышению степени кристаллизации системы. Очевидно, что слабая зависимость состава расплава от температуры для эвтектоидных систем снижает разрешающую способность метода.

Третий вариант (к которому относятся попытки реконструкции исходной магмы Бураковско-Аганозёрского плутона) является наименее благоприятным для применения геохимической термометрии. Выше отмечалось, что смесь интрателлурических вкрапленников и исходной жидкости находилась в поле кристаллизации одного силикатного минерала - оливина. Топология линий эволюции состава расплава в поле избыточного компонента такова, что при практических расчетах (в силу аналитических и вычислительных неопределенностей) модельные траектории образуют не пересечение, а систему субпараллельных линий, которые накладываются друг на друга, образуя "полосообразный" тренд эволюции в координатах температура - состав (см. ниже Рис. 9). Это осложняет интерпретацию результатов моделирования, требуя привлечения дополнительной и независимой от расчетов информации о составе первичных кристаллов Ol (см. выше), которые используются для конкретизации температуры внедрения исходной магмы.

Условия проведения вычислений. При проведении термодинамических расчетов по методу геохимической термометрии необходимо задать значения интенсивных параметров, приближающиеся к условиям внедрения расплавно-кристаллической смеси. Главные характеристики включают давление, окислительно-востановительные условия и содержание в системе воды.

Бураковско-Аганозёрский плутон целиком залегает среди архейских пород, поэтому оценить мощность перекрывающих отложений и литостатическое давление вблизи его кровли не представляется возможным. Однако нижний предел давления можно оценить из следующих соображений. В рамках гипотезы единого интрузивного тела правомочно предположить, что к началу эрозионных процессов объемные соотношения мафитов и ультрамафитов в разных блоках были близкими. По данным петрофизического моделирования [11] доля дунитов в Бураковско-Шалозёрском блоке составляет 44% от современного объема блока. Если учесть, что этот блок частично эродирован, то на основании модели строения плутона [1] можно сделать вывод, что доля зоны оливиновых кумулатов в первичном залегании составляла не более 35-40% первичного объёма. Если теперь допустить, что первоначальная форма Аганозёрского блока была близка к современной конусовидной, то это означает, что эрозией уничтожено не менее 1/2 его разреза, а максимальная первоначальная мощность блока (по высоте конуса) составляла 10-12 км. Столь значительная мощность интрузивной камеры обеспечивает гидростатический перепад давления 3-4 кбар. Кроме того, в породах плутона отсутствуют реакционные взаимоотношения Ol и Pl, поэтому верхний предел давления можно отнести к условиям устойчивости плагиоклаза, которые по данным [28] отвечают P 8 кбар. При моделировании фазовых равновесий в расплавах придонных пород, общее давление принято равным 6 кбар, как среднее между минимальной и максимальной оценками. Заметим, что небольшие погрешности в оценке общего давления (порядка 1-2 кбар) не должны значительно сказываться на результатах геохимической термометрии, поскольку увеличение давления на 1 кбар влечёт за собой повышение железистости Ol на 0.2 мол.% Fo [29]. Это практически не сказывается на положении траекторий эволюции состава расплава в координатах состав - температура.

Присутствие магнетита в верхних частях разреза позволяет предполагать "умеренно окислительные" условия формирования последовательности пород, которые отвечают небольшому окислению железа в расплаве (10-15 отн.%) и характеризуются интервалом буферных равновесий примерно от QFM-1 до QFM [30]. Такая неопределенность оценки летучести кислорода незначительно сказывается на составе модельного оливина и приводит к погрешностям не выше 0.5 мол.% Fo [2]. При проведении вычислений значения f_O2 задавались в соответствии с буферным равновесием вюстит-магнетит (WM), которое близко к нижнему пределу вероятного диапазона редокс-условий.

Отсутствие гидроксил-содержащих минералов даже в поздних кумулятивных парагензисах [1] указывает на то, что с ранних до заключительных стадий накопления кумулата исходный расплав был недосыщен по содержанию H₂O. Вместе с тем о наличии некоторого количества воды в системе свидетельствует присутствие магматических амфиболов и слюд в мезостазисе. Грубую оценку для максимально возможного содержания воды в исходной жидкости можно получить, если принять, что верхние наиболее дифференцированные породы разреза отвечают ~ 80% кристаллизации исходной магмы. Это отвечает пятикратному накоплению H₂O в продуктах поздних стадий дифференциации. В случае насыщения остаточной магмы водой при Р=6 кбар содержание H₂O в конечном (предположительно "андезито-базальтовом") расплаве составляло бы 8-10 мас.%. Это означает, при отсутствии признаков насыщения водой конечных продуктов содержание H₂O в исходном расплаве не могло превышать 1.6-2.0 мас.%. По нашим оценкам на основе экспериментальных данных такие содержания воды приводят к понижению ликвидусной температуры оливина примерно на 30-40С [31]. Таким образом, масштабы этого эффекта не сильно выходят за пределы точности ЭВМ-модели КОМАГМАТ, что оправдывает последующие расчеты ликвидусных полей для оливина в сухих условиях.

Рис.6

Выбор образцов. Краевая группа плутона характеризуется широким набором дифференциатов и, как следствие, большим диапазоном вариаций содержаний петрогенных компонентов. Распределение главных породообразующих элементов в породах Краевой группы приведено на Рис. 6. На серии графиков представлены составы пород группы, вскрытых как на Аганозёрском, так и на Шалозёрском блоках. Для целей геохимической -термометрии главный интерес представляют дуниты и пойкилитовые перидотиты как наименее дифференцированные. Эти породы содержат от 25 до 45 мас.% MgO и при близких значениях магнезиальности характеризуются значительным разбросом содержаний FeO, CaO и SiO₂. Вероятно это связано с неизохимичностью процессов серпентинизации. Поэтому для термометрических расчётов следует выбирать образцы с наименьшими вторичными изменениями: такие породы вскрыты глубокими скважинами 20 и 67. Для последующих вычислений были отобраны 9 составов (Табл.1, ан. 1-9), представляющих 4 образца из скв.20 и 5 образцов из скв. 67. Характерно, что на графиках (Рис. 6) фигуративные точки их составов "выстраиваются" в сублинейные тренды.

По нашему мнению, природа этих трендов не связана с кристаллизационным фракционированием Ol и обусловлена различиями первичных пропорций оливиновых кристаллов и магматической жидкости в кумулатах Краевой группы. Эта ситуация отвечает условиям применимости метода геохимической термометрии, когда валовый состав каждой породы можно выразить как комбинацию комплементарных количеств Ol и исходного расплава при одной и той же температуре (см. выше).

Контроль состава первичного оливина. Если принять, что составы оливина и интеркумулусной жидкости в "наименее дифференцированных" породах Краевой группы отвечают интрателлурическим кристаллам и исходному магматическому расплаву, то имеется возможность оценить (проконтролировать) состав первичного Ol, не привлекая данные микрозондовых анализов или результаты моделирования фазовых равновесий. Этот простой графический подход основан на условии сохранения баланса масс, которое позволяет рассматривать произвольные продукты смешения двух крайних компонентов вдоль линии, соединяющей их составы на вариационных диаграммах. Одним из компонентов является исходный расплав (состав которого заранее не известен), а другим - оливин, в отношении состава которого можно сделать реалистичный прогноз. Этот минерал более чем на 99% сложен MgO, FeO и SiO₂ [5], поэтому на графиках содержаний этих компонентов составы стехиометричных оливинов формируют линию, отвечающую переходу от крайнего магнезиального члена (Fo) к железистому (Fa). На Рис. 6 крестиками показан отрезок этой линии, включающий вероятный диапазон составов первичного оливина 80-90 мол.% Fo. Очевидно, что тренд "смешения" и "линия оливина" должны пересекаться в точке, которая отвечает исходному составу Ol, как одного из краевых компонентов.

Для 4-х образцов из скв. 20 (Аганозерский блок) это пересечение указывает на вероятный состав исходного оливина Fo86 0.3. В случае 5-ти образцов из скв. 67 (Шалозерский блок) такой подход дает чуть более магнезиальный состав Fo88 0.6 (погрешности указаны в равномерной метрике). Обе эти оценки близки исходному составу Fo87, который принят на основании микрозондовых данных (см. выше). В дальнейшем, интервал содержаний 87-88 мол.% Fo будет использован в качестве главного критерия поиска температуры и состава исходного магматического расплава по результатам моделирования первичных расплавно-кристаллических равновесий.

Результаты вычислений. Численное моделирование равновесной кристаллизации для 9 выбранных составов (Табл. 1) проводилось в безводных условиях (буферWM, Р=6 кбар) по мере последовательного увеличения закристаллизованности расплава с шагом в 1 мол.%. Расчеты прекращались при содержании 85-90% кристаллов (15-10% "интеркумулусной" жидкости). При этом установлено, что все исследуемые составы имеют сходную последовательность кристаллизации: Ol высоко-Са Px Pl низко-Са Px и близкие температуры "выхода" расплавов на Ol-CPx котектику (1236-1261 С). Изменение фазового состава модельных систем при понижении температуры показано на Рис. 7. По этим данным появление Ol на ликвидусе происходит при 1560-1590^оС; CPx начинает выделяться при степени кристаллизации 60-90%. Около 1200^оС после раскристаллизации 70-80% расплава к этим минералам "присоединяется" Pl - обр. 20/1627, 67/1050 и 67/1181. Появление низко-Са пироксена отмечено только для одного образца (67/1050).

Рис.7

Тот факт, что расчеты проводились до высоких значений степени закристаллизованности, позволяет проводить сравнение модельных соотношений Ol, CPx и Pl с реальными модальными пропорциями минералов в породах. Как видно из Рис. 7, в шести случаях расчеты дают близкие наблюдаемым соотношения минеральных фаз (прежде всего - Ol и авгита), а для образцов 67/1170, 67/1130 и 67/1181 количество оливина занижается на 10-20 мас.%, что сопоставимо с точностью петрографического анализа. В целом, эти сопоставления показывают, что модель COMAGMAT вполне удовлетворительно предсказывает минеральный состав пород Краевой группы. Заметим также, что стадия кристаллизации, отвечающая переходу системы на Ol-CPx котектику (1236-1261 С), может быть принята за нижнюю (минимальную) оценку вероятной температуры внедрения исходной магмы, которая не была насыщена в отношении клинопироксена.

Эволюция модельного состава оливина. Составы Ol для 9-ти выбранных образцов при модельных температурах ликвидуса 1560-1590^оС варьируют в диапазоне 94-95 мол.% Fo, что намного превышает диапазон составов первичного оливина интрателлурических вкрапленников (Fo87-88, см. выше). С другой стороны, появление клинопироксена в кристаллизационной последовательности по результатам расчетов происходит при содержаниях в Ol 86.7-88.2 мол.% Fo. Таким образом можно ожидать, что температура внедрения Бураковской магмы была близка или несколько превышала температуры выхода CPx на котектику с оливином. Более точные оценки могут быть получены при анализе расчетных зависимостей состава Ol от температуры (Рис. 8). На этом рисунке линии эволюции состава оливина приведены для всех 9-ти исходных образцов (Табл. 1), причем верхний предел искусственно ограничен температурой 1450^оС. Составы Ol в образцах Аганозёрского блока (залитые символы) дают широкий "веер" траекторий, тогда как образцы Шалозёрского блока (незалитые символы) образуют на графике серию субпараллельных линий. Такая структура модельных траекторий заслуживает специального обсуждения.

Рис.8

Во-первых, отметим, что линии составов "аганозерских" оливинов расположены левее "шалозерских". Это означает, что в условиях одинаковой или близкой температуры внедрения средний состав интрателлурических вкрапленников Ol при заполнении магмой Аганозерской части камеры был менее магнезиальный, чем в Шалозерском блоке. Однако эти различия не велики (порядка 1 мол.% Fo) и могут свидетельствовать о высокой "степени равновесности" исходного парагенезиса оливиновых кристаллов и расплава. В то же время, обращает внимание, что максимальные отклонения для линий 1 и 2 (Рис. 8) коррелируют с максимальными значениями потерь при прокаливании (обр. 20/1546 и 20/1590 в Табл. 1). Это подразумевает возможность вторичных изменений, последствия которых кажутся несущественными при анализе вариационных диаграмм (Рис. 6), но проявляются при попытках моделирования первичных фазовых равновесий. По этой причине результаты расчетов для двух данных образцов из последующего "термометрического" анализа были исключены.

Этот шаг оправдывается и тем обстоятельством, что линии эволюции обр. 20/1546 и 20/1590 демонстрируют крутые, практически вертикальные зависимости состава Ol от температуры. Такой тип трендов характерен для сильно уплотненных кумулатов низкой пористости, имеющих наиболее высокие содержания MgO (Табл. 1); использование подобных температурных зависимостей приводит к большим погрешностям оценки исходной температуры по результатам ЭВМ-моделирования. Расчеты для пород Шалозерского блока дают систему относительно "пологих" эволюционных линий (Рис. 8), которые отражают повышенную пористость первичных кумулатов (долю захваченного расплава - сравните содержания SiO₂, TiO₂, Al₂O₃, CaO и щелочей в Табл. 1). Такие траектории дают более надежные и реалистичные оценки температуры.

Таким образом, если принять, что для Аганозерского блока средний "равновесный" состав интрателлурических кристаллов отвечал Fo87, то температура исходного магматического расплава могла варьировать от 1285^oС (обр. 20/1627, линия 4 на Рис. 8) до 1321^oС (обр. 20/1603, линия 3 на Рис. 8). В этом случае получаем среднюю температуру внедрения "аганозерской" магмы T_AGL=1303 18 С. Для Шалозерского блока постулируем исходный состав оливина Fo88 и устанавливаем диапазон возможных температур от 1297^oС (обр. 67/1170, линия 8 на Рис. 8) до 1349^oС (обр. 67/1130, линия 6 на Рис. 8). Средняя температура внедрения "шалозерской" магмы (по 5-ти образцам) составляет T_SHL=1323 26 С. На основании этих оценок можно уверенно утверждать, что исходная магма Бураковско-Аганозерского массива поступала в общую камеру при температуре около или несколько выше 1300^оС. Это главный результат, на основании которого можно пытаться оценить общий для интрузива состав родоначального магматического расплава. Что касается различий температуры и среднего состава интрателлурических кристаллов в Аганозерской и Шалозерской части интрузивной камеры, то они могут свидетельствовать о небольших вариациях состава этой исходной жидкости. Результаты, представленные ниже, характеризуют масштабы этих предполагаемых вариаций.

Рис.9

Эволюция модельных расплавов и оценки состава исходной жидкости. Результаты расчета линий эволюции расплава при равновесной кристаллизации оставшихся 7 составов (Аганозерский блок - 2, Шалозерский блок - 5) приведены на Рис. 9. Эти модельные траектории составляют систему субпараллельных линий, которые отражают протяженное поле кристаллизации избыточного оливина и дают представление о погрешности последующих оценок. Мы уже отмечали, что для подобных совокупностей трендов не применима геохимическая термометрия в "классическом исполнении", когда температура первичного равновесия и состав родоначального расплава определяются по области пересечения эволюционных линий [2]. Тем не менее, наличие предварительных оценок температур первичного равновесия Ol - расплав позволяет получить реалистичные концентрационные характеристики исходной жидкости посредством соотнесения Т_AGL и Т_SHL с рассчитанными температурно-композиционными зависимостями.

Смысл этой операции очевиден из графиков Рис. 9, где присутствуют по две горизонтальные линии: сплошная отвечает вероятной температуре исходной магмы в аганозерской части камеры (Т_АGL=1303 C), а пунктирная - в шалозерской (Т_SHL=1323 C). При пересечении этих линий с траекториями эволюции состава расплава отсекается интервал концентраций, которые представляют вероятный диапазон содержаний петрогенных оксидов в исходной жидкости. Модельные составы родоначального расплава для каждого блока могут быть получены усреднением составов остаточных жидкостей в установленных концентрационных диапазонах. Рассчитанные таким образом составы исходных расплавов для Аганозёрского (AGL) и Шалозёрского (SHL) блоков приведены в Табл. 2. По большинству петрогенных компоненов полученные оценки практически совпадают.

Оба состава представляют несколько пересыщенные SiO₂ магматические расплавы, содержащие ~ 11 мас.% MgO - их можно характеризовать как высокомагнезиальный базальт (AGL) и/или бонинитоподобный андезито-базальт (SHL). Эти названия подчеркивают различия средней кремнеземистости модельных расплавов, которая составляет ~ 3 мас.% SiO₂. Другой компонент, для которого получены существенные отличия - СаО (разница около 2 мас.%). Различия концентраций этих компонентов в модельных составах заметно превышают аналитические погрешности силикатного анализа и неопределенности вычислений. Здесь допустимы два объяснения этих расхождений. Первое можно связать с неоднородностью состава родоначального расплава в пределах разных блоков Бураковско-Аганозерского интрузива. С другой стороны, нельзя исключать, что в этих отличиях мы наблюдаем последствия влияния на валовый состав породы процессов метаморфизма, поскольку породы из разных блоков изменены с разной интенсивностью.

В пользу второго предположения свидетельствует тот факт, что одна из двух траекторий пород Аганозеского блока (обр. 20/1627) фактически по всем компонентам примыкает к линиям эволюции для "шалозерских" расплавов (Рис. 9). Поэтому главный вклад в обсуждаемые различия дает присутствие сильно отклоняющейся от основной последовательности траектории обр. 20/1603 (табл. 1). В этом случае приходится признать, что наши попытки минимизировать проявления серпентинизации пород Аганозерского блока не имели успеха и в оценках состава исходного магматического расплава надо больше опираться на данные полученные для пород Шалозерского блока (состав SHL).

Рис.11

Для того, чтобы охарактеризовать родоначальный расплав Бураковско-Аганозёрского плутона по содержанию второстепенных и редкоземельных элементов было проведено дополнительное исследование. Три образца пород краевой группы Аганозёрского блока (20/1603.1, 20/1627 и 20/1627.5) были проанализированы рентгенофлюоресцентным и ICP MS методами. Результаты этих анализов приведены в Табл. 1 (ан. 10, 11), Табл. 3 и 4. При моделировании равновесной кристаллизации этих составов вместе с расчётом главных компонентов учитывалось распределение микропримесей. Их содержания в остаточных расплавах, равновесных с оливином Fo87, приняты за модельные оценки их содержаний в интеркумулятивных (исходных) расплавах исследованных образцов. Помимо состава интеркумулусного расплава эти расчёты позволяют оценить количество равновесной твёрдой фазы. Установлено, что доля этих первичных кумулятивных кристаллов в исследованных образцах варьирует от 77 до 92% (Табл. 1). Низкое содержание остаточного расплава влечет за собой увеличение как аналитических, так и вычислительных погрешностей, что сказывается на результатах моделирования. Это наглядно демонстрирует модельный спектр редкоземельных элементов состава 20/1603.1 (Рис. 11). В силу этого, характеристика AGL по второстепенным и редкоземельным элементам является усреднением модельных остаточных расплавов образцов 20/1627 и 20/1627.5 (Табл. 3 и 4).