ПРОИСХОЖДЕНИЕ МАНТИЙНЫХ МАГМ НАД ЗОНАМИ СУБДУКЦИИ НА ПРИМЕРЕ ОФИОЛИТОВОГО КОМПЛЕКСА ТРОДОС, О.КИПР

Автор: Портнягин Максим Владимирович

Введение.

     Актуальность темы исследования.
     Согласно современным петролого-геохимическим моделям эволюции мантии Земли в ее истории происходило существенное взаимодействие корового и мантийного вещества. Исключительное значение в этом взаимодействии имеет геодинамическая обстановка деструктивных окраин литосферных плит, в которой происходят взаимосвязанные процессы субдукции корового вещества в мантию и процессы частичного плавления, приводящие к образованию новой коры. В последние годы был достигнут значительный прогресс в понимании этих сложных процессов и для их описания предложен ряд количественных моделей, опирающихся на определенные представления о происхождении надсубдукционных магм [McCulloch, Gamble, 1991; Davies, Stevenson, 1992; Tatsumi, Kogiso, 1997; Sobolev, Chaussidon, 1996].
     Все это делает особенно актуальным вопрос о количественной характеристике физико-химических условий образования и эволюции мантийных магм над зонами субдукции. Важнейшими задачами в этом направлении исследования в настоящее время являются: (1) определение состава и условий образования первичных магм надсубдукционных зон и (2) количественная оценка вклада мантии и субдуцированной плиты в состав источника первичных магм. В решении этих задач на основе комплексного петролого-геохимического подхода заключается актуальность и обоснование цели данной работы.
     Объектом исследования стал офиолитовый комплекс Тродос на о.Кипр. Этот массив является классическим примером офиолитов надсубдукционного типа [Pearce et al., 1984] и представляет уникальный практически ненарушенный полный разрез палеоокеанической коры, сложенной геохимически разнообразными производными мантийных магм надсубдукционного происхождения.
     Цель работы.
     Цель настоящей работы состоит в решении следующих вопросов петрологии и геохимии пород эффузивного и дайкового комплексов массива Тродос:
     1. Выделение геохимических типов пород, характеристика их возрастных взаимотношений, пространственного распределения и объемных соотношений;
     2. Определение условий кристаллизации примитивных магм;
     3. Определение составов первичных магм и их мантийных источников;
     4. Определение физико-химических условий образования первичных магм.
     Научная новизна
1. На примере комплекса Тродос впервые на количественном уровне определены составы первичных магм полного разреза эффузивных пород палеоокеанической коры надсубдукционного типа, включая содержание редких и летучих компонентов, составы минералов ликвидусной ассоциации и физико-химические условия кристаллизации.
2. Установлено, что в процессы магмобразования над зонами субдукции в узком временном интервале могут быть вовлечены контрастные по температуре и глубинности мантийные источники. Это может приводить к образованию ассоциации высококальциевых бонинитов и островодужных толеитов, характерной для массива Тродос, многих офиолитовых комплексов и современных надсубдукционных зон.
3. Количественно оценен состав H₂О-содержащего флюида/расплава, привнесенного в мантийные источники магм Тродоса. На основании полученной зависимости между количеством H₂О-содержащего флюида/расплава в источнике и степенью его плавления показано, что плавление мантийных источников надсубдукционных магм может происходить главным образом вследствие понижающего влияния H₂О на температуру солидуса перидотита.
 4. В виде включений во вкрапленниках магнезиального оливина и хромистой шпинели установлены расплавы с экстремальным фракционированием несовместимых элементов. Присутствие таких расплавов в надсубдукционных зонах определяется комплексным влиянием двух факторов: плавлением мантии в режиме открытой системы, проницаемой для расплавов при их низком содержании, и сильными вариациями содержаний несовместимых элементов в составе H₂О-содержащего флюида/расплава, инициирующего плавление.
     Практическая ценность
    1. Полученные фактические данные об условиях образования первичных расплавов массива Тродос представляют собой количественную основу для разработки геодинамических моделей островодужных систем;
    2. Определение состава H₂О-содержащего компонента в источнике надсубдукционных магм и его роли в образовании первичных магм является основой для количественной оценки баланса масс несовместимых элементов и H₂О между различными вещественными резервуарами Земли;
     3. Применение предложенных методических разработок существенно повышает надежность и эффективность петролого-геохимических исследований, направленных на выяснение состава и условий образования первичных мантийных магм и их мантийных источников.
     Фактический материал
     В основу работы положен фактический материал, полученный в результате исследования коллекции примитивных вулканических и дайковых пород офиолитового комплекса Тродос (около 300 образцов), собранных автором совместно с А.В.Соболевым, Л.В.Дмитриевым и В.Г.Батановой в полевых сезонах на Кипре 1993-1994 годов, в рамках проекта, поддержанного фондом Volkswagen Stiftung, а также собранных Л.В.Данюшевским, Л.В.Дмитриевым и В.С.Каменецким в 1989 году в ходе 12-го рейса нис "Академик Борис Петров" и в полевом сезоне 1990 года, проводившихся в рамках проекта "Тетис".
     Были исследованы шлифы и прозрачно-полированные пластинки для всех образцов, также было приготовлено около 50 препаратов для оптического и аналитического исследования минералов и вулканических стекол. В ходе работы было проведено около 300 термометрических экспериментов с оптическим контролем с расплавными включениями в минералах.
     В работе использовались следующие методы валового и локального количественного химического анализа: рентгено-флюоресцентный анализ (петрогенные и редкие элементы в породах - около 300 анализов); инструментальный нейтронно-активационный анализ (редкие элементы в породах - 40 анализов), электронно-зондовый анализ (частичный и полный силикатный анализ, Cl и S в вулканических стеклах, расплавных включениях и минералах - около 3000 анализов), вторично-ионная масс-спектрометрия (редкие элементы и H₂О в вулканических стеклах и расплавных включениях - около 100 анализов), масс-спектрометрия индукционно-связанной плазмы с лазерной экстракцией (редкие элементы в вулканических стеклах - 15 анализов), ИК Фурье-спектроскопия (H₂О в вулканических стеклах - около 30 анализов).
     При обработке и систематизации фактического материала использовались все доступные литературные данные и неопубликованные материалы из фондов Геологической Службы Кипра по исследуемой проблеме. В ходе работы был создан компьютерный банк данных по составу пород и минералов офиолитового комплекса Тродос и прилегающих районов, насчитывающий около 10 000 анализов петрогенных и редких элементов.
     Личный вклад автора
     1) Картирование и геологическое описание разрезов лавового и дайкового комплексов Тродоса, отбор представительных образцов пород и стекол. 2) Подготовка каменного материала для изготовления шлифов, пластинок, проведения различного вида анализов, отбор мономинеральных фракций, изготовление прозрачно-полированных препаратов для микрозондового и экспериментального изучения. 3) Оптические исследования петрографии и минералогии объектов исследования, диагностика и классификация магматических включений. 4) Разработка методики и проведение экспериментальных исследований расплавных включений в минералах. 5) Проведение электронно-зондовых анализов расплавных включений и минералов. 6) Совершенствование методики количественного микроанализа элементов-примесей и H₂О методом вторично-ионной масс-спектрометрии. 7) Разработка методов численного моделирования магматических процессов. 8) Создание базы данных составов пород и минералов Тродоса. 9) Систематизация и обобщение полученных результатов, сравнение их с литературными данными.
     Апробация работы
     Непосредственно по теме работы автором опубликовано 7 статей в рецензируемых российских и международных журналах (Contributions to Mineralogy and Petrology, Петрология, Геохимия, Доклады РАН).
     Результаты исследований по теме диссертации представлены в 12 опубликованных тезисах докладов и докладывались на Рабочем Совещании по изучению расплавных включений (1992 г., ГЕОМАР, ФРГ), на 10-й Международной школе по морской геологии (Геленджик, 1992 г.), на 7-м Конгрессе европейского геофизического союза (Страсбург, Франция, 1993 г.), на 5-ой Панамериканской конференции по исследованию флюидных включений (Куэрнавака, Мексика, 1994), на 16-м Конгрессе Международной минералогической ассоциации (Пиза, Италия, 1994 г.), на сессиях Американского Геофизического Союза (Балтимор, США, 1995 г., Сан-Франциско, США, 1997г.), на Международном Офиолитовом симпозиуме (Павиа, Италия, 1995), на 5-й Международной конференции памяти Л.П.Зоненшайна (Москва, 1995 г.), на Юбилейной сессии Ученого Совета ГЕОХИ РАН "ГЕОХИ-50 лет" (Москва, ГЕОХИ РАН, 1997 г.), на "Семинаре по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии" (Москва, ГЕОХИ РАН, 1997 г.).
     Структура и объем работы
     Работа состоит из 4 разделов, введения, заключения, списка литературы и приложения. В первом разделе (Глава 2) приводится литературный обзор и ставится задача исследования. Второй раздел (Глава 3) посвящен методическим вопросам. В третьем разделе (Главы 4-8) описывается объект исследования, экспериментальные и аналитические данные. Четвертый раздел (Главы 9-11) посвящен обсуждению полученных результатов. Главы 1-9 завершаются краткими выводами.
     Текстовой и иллюстративный материал изложен на 320 страницах и включает 96 рисунков, 13 таблиц в тексте и 20 таблиц в приложении, список литературы включает 260 наименований.

Автор выражает благодарность научному руководителю член-корреспонденту РАН А.В.Соболеву за руководство работой, создание условий для ее проведения, поддержку и внимание. Главные выводы этой работы были бы невозможны без уникального каменного материала, собранного В.С.Каменецким, Л.В.Данюшевским и Л.В.Дмитриевым, которым автор также искренне признателен за постоянную поддержку, хорошие советы и критические замечания. При работе над диссертацией автор постоянно чувствовал заботу и внимание коллег по лаборатории геохимии магматических и метаморфических пород, а также других сотрудников ГЕОХИ РАН В.Б.Наумова, Э.Н.Баранова, А.А.Мигдисова, А.А.Арискина, которым автор приносит свою искреннюю благодарность. Большую помощь в работе оказала Н.Н.Кононкова, выполнившая сотни высококачественных микрозондовых анализов, С.Эггинс проанализировал коллекцию стекол методом индукционно-связанной плазмы, Т.Ханстин проанализировал содержания летучих компонентов в стеклах и расплавных включениях.
    Считая приятным долгом выразить благодарность Геологической Службе Кипра в лице ее директора Г.Константину и Hellenic Mining Company в лице ее директора Г.Малиотиса, оказавшим помощь в получении фондовых материалов и в проведении полевых работ.