Автореферат на тему: "Петрология обыкновенных хондритов"

Зиновьева Н.Г.

Кафедра Петрологии МГУ

4. Формирование и эволюция матрицы.

Сульфидно-металло-силикатная матрица обыкновенных хондритов представлена несколькими типами вещества: железо-троилитовым, грубозернистым силикатным и непрозрачным тонкозернистым богатым закисным железом силикатным [Huss, 1979; Huss et al., 1981; Scott et al., 1981, 1984; Rubin et al.,1982; Rubin, 1984, 1990; Matsunami, 1984; Hutchison et al., 1987; Rubin and Wasson , 1987; Alexander et al., 1989; Alexander, 1994; 1995; Bridges et al., 1997; Krot and Rubin, 1995; Krot et al., 1997a; Krot and Wasson, 1995; Weisberg et al., 1997 и многие другие]. Соотношения разных типов матричного вещества существенно варьируют в различных хондритах. В обыкновенных хондритах I типа, характеризующихся переменными составами хондровых и матричных силикатов, сцементированных полевошпатовым стеклом, преобладает тонкозернистая, богатая закисным железом, силикатная матрица с незначительным количеством сульфидно-металлического материала, как правило представленного троилитом, и, в меньшей степени, обогащенными никелем металлическими фазами.Грубозернистая силикатная матрица, лишь иногда встречающаяся в хондритах I типа, во многом аналогична грубозернистой матрице, крайне типичной для хондритов II и III типов, различающихся, главным образом, присутствием стекла или плагиоклаза и соотношением сульфидно-металлического и силикатного материала. В хондритах II типа сульфидно-металлическая матрица преобладает над силикатной, силикаты постоянного состава которой цементируются полевошпатовым стеклом, а в III - оливин-пироксен-плагиоклазовая матрица с постоянными составами силикатов, как правило, доминирует над сульфидно-металлической.

Фиг. 14. Типы грубозернистой силикатной матрицы обыкновенных хондритов I типа.

Грубозернистое силикатное матричное вещество. Поскольку размеры его зерен составляют ~5-30 мкм, понятие "грубозернистого" вещества используется только по сравнению с тонкозернистой силикатной матрицей, в которой размеры зерен обычно <5 мкм. В хондритах I типа (Yamato 74417 LI(3) и Yamato 82133 НI(3)) грубозернистое матричное вещество представлено: 1) интерстиционным межхондровым материалом; 2) каймами, частично окружающими хондры и их фрагменты; 3) жилами, пересекающими хондры и, наконец, 4) хондрообразными выделениями. Характерной особенностью грубозернистой матрицы является присутствие в некоторых хондритах почти полнокристаллических участков, цементирующих хондры и их обломки, с крайне незначительным содержанием стекла, и областей, в которых стекло развито довольно значительно и приурочено к центральным частям межхондровых интерстиций, зернистость которых уменьшается от границ хондр внутрь матрицы. Более раскристаллизованные участки явно брекчированы, обломки магнезиальных пироксенов и оливинов ориентированы в одном направлении (фиг. 14а) и сцементированы стеклом и оливином, более железистым (Fa_32-35 - Yamato 74417 LI(3); Fa_26-27 - Yamato 82133 НI(3)), чем оливины хондр соответствующего хондрита. Интерстиционные участки матрицы, имеющие порфировую структуру (фиг. 14б), сложены преимущественно железистым оливином и стеклом, часто в них присутствует большое количество, в разной степени переработанных, фрагментов хондр. Железистость порфировых зерен матричного оливина (Fa_32-36 - Yamato 74417 LI(3)), нарастающего на хондры довольно постоянна, при этом она всегда выше, чем железистость оливина в хондрах данного хондрита, независимо от их химического состава и структуры, и незначительно выше, чем в более раскристаллизованной матрице. Сравнение составов хондровых и матричных силикатов (хондры: Yamato 74417 LI(3) - Fa_1-33, Fs_1.9-24Wol_0-11; Yamato 82133 HI(3) - Fa_1.2-28, Fs_1.5-22Wol_0-11; грубозернистая матрица: Yamato 74417 LI(3) - Fa_28-36, Fs_20-28Wol_1-10, Yamato 82133 HI(3) - Fa_26-28, Fs_11-14Wol_5-8) и стекол (фиг. 10) показывает, что хондровый парагенезис магнезиальных силикатов с менее кислым стеклом сменяется парагенезисом грубозернистой матрицы, представленным более железистыми силикатами, которые ассоциируют со стеклами существенно более кислыми, чем в магнезиальных хондрах, и близкими по составу или несколько более кислыми, чем стекла железистых хондр. Та же тенденция смены хондрового парагенезиса магнезиального оливина и более основного интерстиционного стекла близкого к плагиоклазу состава на характерный для грубозернистой матрицы парагенезис более железистого оливина и более кислого стекла или плагиоклаза (в тех случаях, когда он присутствует) установлена и для углистых хондритов Allende [Rubin and Wasson, 1987; Kring, 1991] и Каинзас [57]. Факт кристаллизации железистых силикатов, завершающейся образованием стекла, интерстиционный характер матричного материала (фиг. 14а,б,г) и наличие жилообразных тел, замещающих хондры или отсекающих и перемещающих на незначительное расстояние фрагменты хондр (фиг. 14в,г), свидетельствуют о том, что матричное вещество находилось к моменту переохлаждения еще в жидком состоянии.

Кристаллизация железистого оливина из расплава грубозернистой силикатной матрицы, вносит главный вклад в кристаллизационное фракционирование компонентов в богатом железом матричном расплаве. В результате образуется тренд изменения состава фаз от оливина (железистого) до стекла (богатого кремнием и алюминием). Наряду с этим прослеживается отделение троилита и крайне редко тэнита (при полном отсутствии камасита) от остаточной силикатной жидкости в ходе кристаллизации оливина, что выражается наличием сульфидных капель в интерстициях между кристаллами оливина, или неправильной формы агрегата троилитовых зерен заполняющих интерстиции. Взаимосвязь железистости матричного оливина, содержания никеля в железоникелевых фазах с количеством троилита наиболее ярко проявляется в реакционных каймах, образующихся на границе магнезиальных хондр и железосиликатной матрицы.

Хотя для разных химических групп хондритов составы силикатов и стекол грубозернистой матрицы варьируют в широких пределах, для каждого конкретного хондрита прослеживается устойчивая тенденция: матричный оливин более железистый, а интерстиционное матричное стекло несколько более кислое, чем в подавляющем большинстве хондр данного хондрита, независимо от их структуры и химического состава. Выявляется близость валовых составов и идентичность парагенезисов и состава, слагающих их силикатов, для грубозернистого матричного вещества каждого хондрита, независимо от занимаемой им структурной позиции (жилы, пересекающие хондры; интерстиционный материал, их цементирующий; и, наконец, каймы, окружающие хондры).

Фиг. 15. Тонкозернистое силикатное и сульфидно-металлическое матричное вещество.

Тонкозернистое силикатное матричное вещество (фиг. 15а), встречается исключительно в обыкновенных хондритах I типа и представлено материалом, практически не содержащим фрагменты хондр и минералов, и материалом, ими богатым. Первый образует каймы, окружающие некоторые хондры (и обломки хондр) различного состава и структуры, последний все это цементирует. Часто хондры лишь частично окружены каймами, которые иногда образуют заливы внутрь хондр. Главным минералом тонкозернистой силикатной матрицы является железистый оливин, состав которого варьирует в узких пределах (Yamato-74417 LI(3) - Fa_29-36, Yamato-82133 HI(3) - Fa_25-33), причем железистость зерен оливина обратно пропорциональна их размерам. Состав наиболее мелкозернистого оливина для каждого хондрита довольно постоянен и всегда наиболее железистый. Железистый оливин часто образует каймы (фиг. 15б) на магнезиальных зернах, границах хондр и их обломков, а также на металл-сульфидных обособлениях. В некоторых хондритах на границах с пироксеновыми зернами образуются клинопироксеновые (фиг. 15в) или пироксен-троилитовые оторочки. Валовые составы тонкозернистого матричного вещества обыкновенных хондритов Yamato-74417 L и Yamato-82133 H, помимо Si, Fe, Mg и Mn, входящих в состав оливина, содержат S, Ni и Fe, слагающие троилит и металлическое железо, P, постоянно присутствующий в валовых анализах тонкозернистой матрицы, а также Al, Ca, Na, K, которые свидетельствуют о наличии незначительного количества полевошпатового компонента, по-видимому, представленного стеклом, что подтверждается находками аморфного вещества полевошпатового состава, выполняющего интерстиции между мельчайшими (доли мкм) зернами железистого оливина хондрита Tieschitz, и наличием аморфного полевошпатового материала в хондритах Sharps, Krymka и Bishunpur [Alexander et al., 1989].

Сульфидно-металлическая составляющая матрицы обыкновенных хондритов представлена мелкими (доли мкм или первые мкм) округлыми включениями в тонкозернистом силикатном материале или более крупными (до первых сотен мкм) округлыми или изометричными выделениями, приуроченными к границам хондр и силикатной матрицы. В грубозернистой матрице троилит, тэнит и менее распространенный камасит либо цементируют силикаты, либо образуют каплевидные или неправильной формы удлиненные обособления, ориентированные в том же направлении, что и обломки магнезиальных силикатов. В тонкозернистой силикатной матрице сульфидно-металлические выделения имеют неправильную удлиненную форму, их количество и размеры незначительны, они вытянуты в направлении общей флюидальности и представлены преимущественно троилитом и тэнитом. Наиболее крупные обособления (до сотен мкм), иногда имеющие зональное строение (камаситовое ядро и троилитовая кайма и наоборот), приурочены к границам хондр и матрицы. В отличие от хондр, для которых более характерно присутствие камасита, в матрице более широко развиты троилит и тэнит.

Особенно интересны впервые обнаруженные нами в обыкновенных хондритах (метеорит Yamato-82133 НI(3)) герцинит-камаситовые образования, наиболее широко развитые в матрице хондрита (фиг. 8а, 15г), но встречающиеся также и в порфировых пироксен-оливиновых и оливиновых хондрах (фиг. 15д,е). Общая структурная позиция герцинит-камаситовых образований, а также анализ структурных взаимоотношений фаз внутри них и изменения минерального состава герцинит-камаситовых образований убедительно доказывают их расплавную природу. Об этом свидетельствуют, в первую очередь, морфологические особенности внутрихондровых герцинит-камаситовых выделений, которые имеют форму каплевидных включений, слипающихся в гантелевидные тела (фиг. 15д), что свойственно исключительно жидким фазам. При этом расплав герцинит-камаситовых образований затвердевает позже хондрового и частично выдавливается в интерстиции силикатных хондp. Расплавная природа внутрихондровых герцинит-камаситовых образований доказывается также развитием порфировой структуры в некоторых из них (фиг. 15е), когда интерстиции между идиоморфными кристаллами камасита выполняются мелкозернистым герцинит-камаситовым агрегатом остаточного расплава, и подтверждается более никелистым, а следовательно более низкотемпературным, составом камасита из этого агрегата. Об особенностях состава расплава, из которого формировались герцинит-камаситовые обособления можно судить по их минеральному составу: наличие хромшпинелида свидетельствует о хромовой специфике расплава, постоянное присутствие фосфатов - об обогащенности фосфором, а образование необычного для матричного парагенезиса обыкновенных хондритов Na-K фосфата (впервые описанного нами [48; 54]) - о присутствии щелочей.

Структуры расслоения магнезиально-силикатного и глиноземисто-железистого вещества внутри хондр явно свидетельствуют о расщеплении хондрового расплава на два первоначально равновесных расплава - силикатный и существенно металлический (с Al и редко с S). Учитывая, что структура, минеральная ассоциация и составы фаз как внутрихондровых так и матричных герцинит-камаситовых образований идентичны, трудно предположить, что аналогичные по минеральному составу и структуре объекты внутри хондр и в матрице единого хондрита имеют принципиально различный генезис. Интерстиционный характер матричных герцинит-камаситовых образований и наличие структур затекания их в силикатные хондры, а также метасоматические изменения уже раскристаллизованного силикатного материала, свидетельствуют об относительно более низких солидусных температурах по сравнению с силикатным расплавом хондр.

Агрессивными по отношению к хондровому материалу являются также расплавы тонко- и грубозернистой силикатных матриц, это выражается в замещении хондр с превращением их в амебовидные включения и переработкой магнезиального оливина и пироксена хондр и их фрагментов в более железистый оливин и клинопироксен как по сети тончайших прожилков, так и в краевых частях хондр. Граница между тонко- и грубозернистой матрицей, как правило, резкая, но иногда границу между ними установить трудно, происходит лишь постепенное укрупнение зерен от границ с хондрами вглубь матрицы. Характер границы, по-видимому, определяется обогащенностью грубозернистой матрицы глиноземом. Для углистого хондрита Каинзас нами было показано [56], что более глиноземистые парагенезисы, как правило, имеют хондровый или хондроподобный облик, обладают более грубозернистой текстурой и резче обособлены. Граница таких обособлений с тонкозернистой матрицей резкая на контакте с ней интерстиционного материала и почти неразличима на контакте с оливином, внешние зоны которого имеют состав приближающийся к составу тонкозернистой матрицы, а валовый состав хондроподобных обособлений близок валовому составу метеорита. Те же закономерности проявляются и в матричном веществе обыкновенного хондрита Yamato-74417 LI(3). Валовые составы различных типов грубозернистой матрицы близки к валовому составу хондрита в целом, причем по мере уменьшения в матричном веществе количества полевошпатовой составляющей его состав сдвигается в сторону тонкозернистой богатой закисным железом матрицы. Силикаты грубозернистой и тонкозернистой матрицы имеют однородный состав, часто величина фаялитовой составляющей оливина из грубозернистых кайм занимает промежуточное значение между хондровым оливином и оливином тонкозернистой матрицы. Тонкозернистая матрица цементирует не только хондры и фрагменты хондр, но и хондроподобные обособления грубозернистого матричного вещества, а также хондры, пересеченные жилами грубозернистой матрицы.

Фиг. 16. Валовые составы   силикатных матриц,

Сравнение составов грубозернистых матриц целого ряда обыкновенных хондритов I типа показывает (фиг. 16а,б,в), что все разновидности грубозернистого матричного вещества, независимо от того какому хондриту они принадлежат, образуют довольно компактную область по соотношению главных петрогенных элементов (соотношение главных петрогенных элементов близки для грубозернистых матриц и валовых составов соответствующих хондритов), этим они отличаются от тонкозернистого матричного вещества, вариации составов которого весьма широки и определяются количеством грубозернистой матрицы в каждом хондрите. Факт зависимости состава тонкозернистой матрицы от количества грубозернистой был установлен Дж.Р.Хассом с соавторами в 1981г. [Huss et al., 1981], но не были объяснены ее причины. В действительности данная закономерность связывает воедино оба вида матричного вещества - чем дальше зашел процесс дифференциации матричного расплава, тем меньше в хондрите грубозернистой матрицы и тем сильнее тонкозернистая матрица отличается как от грубозернистой матрицы, так и от хондрита в целом. И, хотя составы тонкозернистых матриц различных обыкновенных хондритов сильно различаются между собой, существуют общие тенденции [Huss et al., 1981; Rubin, 1984] для большинства обыкновенных хондритов: по сравнению с грубозернистым матричным веществом остаточный железосиликатный расплав, формирующий тонкозернистую матрицу, обогащается FeO, NiO и S и обедняется MgO, CaO и Cr₂O₃ и, соответственно, характеризуется более высоким отношением FeO/(FeO+MgO), чем грубозернистая матрица того же метеорита. По содержанию других компонентов существует отличие для различных метеоритов, так в хондрите Semarkona [Rubin, 1984] тонкозернистая матрица обогащена FeO, NiO, P₂O₅, S, Na₂O и K₂O и обеднена TiO₂ относительно грубозернистых кайм, в обыкновенном хондрите Yamato-74417 LI(3) она обогащена FeO, NiO, P₂O₅ и незначительно MgO и обеднена SiO₂, Al₂O₃, CaO и щелочами, что проявляется в большем количестве железистого оливина и крайне незначительном содержании стекла, а тонкозернистая матрица обыкновенного хондрита Yamato-82133 HI(3) резко обогащена закисным железом и никелем, незначительно фосфором и обеднена SiO₂, MgO, Al₂O₃, CaO и щелочами. Тонкозернистая матрица Yamato-82133 HI(3) аномально богата закисным железом и никелем и бедна кремнеземом по сравнению не только с грубозернистой матрицей, но и с тонкозернистыми матрицами других обыкновенных хондритов. Несмотря на то, что тонкозернистая матрица обыкновенного хондрита Yamato-74417 отличается более высоким содержанием магния по сравнению с другими обыкновенными хондритами, отношение FeO/(FeO+MgO) в ней также как и в других обыкновенных хондритах выше, чем в грубозернистой матрице (0.49 и 0.45, соответственно).

Фиг. 17. Петрохимическая схема дифференциации хондритовых расплавов обыкновенных хондритов

Сопоставление валовых составов грубо- и тонкозернистого матричного вещества ряда обыкновенных хондритов выявляет два тренда эволюции матричного вещества (А и В, показанные тонкими стрелками на фиг. 17) в различных обыкновенных хондритах: А - увеличение железистости и уменьшение кремнекислотности при практически постоянном содержании MgO (примером может служить тонкозернистая железосиликатная матрица хондрита Yamato-74417) и В - увеличение железистости, сопровождающееся уменьшением содержания как SiO₂, так и MgO (крайним проявлением данного процесса является тонкозернистая железосиликатная матрица хондрита Yamato-82133). Два тренда изменения состава матричного вещества обусловлены интенсивностью хондроотделения, средним валовым составом, отделившихся хондр, и отличием окислительно-восстановительной обстановки формирования различных хондритов. Тонкозернистое матричное вещество, обедненное MgO, по-видимому, образовалось в условиях более интенсивного хондроотделения, а повышение железистости силикатной матрицы некоторых хондритов могло быть связано с более высоким потенциалом кислорода, вызывающим интенсивное окисление никелистого железа. Данное предположение находит подтверждение при сопоставлении структур и составов тонкозернистой матрицы хондритов Yamato -82133 HI(3) и Yamato -74417 LI(3). Тонкозернистая силикатная матрица Yamato-82133 HI(3) гораздо сильнее обогащена FeO и NiO и обеднена SiO₂ и MgO относительно валового состава хондрита по сравнению с Yamato -74417 LI(3), наряду с этим тонкозернистая силикатная матрица Н-хондрита является агрессивной по отношению к железоникелевым фазам, которые интенсивно ею замещается, тогда как в L-хондрите, очевидных признаков замещения тэнита тонкозернистым матричным веществом не наблюдается.

Изучение матричного вещества различных обыкновенных хондритов показало, что последовательное хондроотделение приводит к формированию ряда матричных составов, значительно обедняющихся кремнием, магнием, алюминием и щелочами и обогащающихся закисным железом. Дальнейшее обособление из матричного расплава силикатных парагенезисов грубозернистой матрицы, наряду с интенсивным окислением металлической фазы, приводит к образованию обогащенного закисным железом остаточного существенно силикатного матричного расплава, формирующего тонкозернистую матрицу. Тонкозернистая силикатная матрица хондрита Yamato-74417 LI(3), приближающаяся по своему валовому составу к железистому оливину, обрамляет раскристаллизованные участки матрицы, заполняет все интерстиции между магнезиальными хондрами, активно пронизывает и дробит их. Этот остаточный расплав находится в равновесии с раскристаллизованными зонами матрицы, но резко агрессивен по отношению к ранним парагенезисам метеорита, особенно к магнезиальным хондрам восстановительного этапа, вызывая их интенсивные метасоматические изменения. По мере усиления окислительной обстановки сульфидно-железо-силикатный матричный расплав становится агрессивным и по отношению к железоникелевым фазам, что проявляется в интенсивном замещении герцинит-камаситовых образований железосиликатным матричным веществом (Yamato-82133) с сохранением в нем мелких неправильной формы зерен железоникелевых фаз лишь в виде реликтов. При этом силикатный матричный расплав еще интенсивнее обогащается FeO, NiO и, отчасти фосфором и серой, и обедняется SiO₂, MgO, CaO и щелочами.

В отличие от хондрового вещества, характеризующегося высокой восстановленностью (парагенезисы хондр: магнезиальные составы силикатов, преобладание камасита над троилитом, слабо развитым в хондрах, крайне незначительное количество тэнита и более основное стекло), матричное вещество (как грубо-, так и тонкозернистое) является более окисленным (парагенезисы матрицы: железистые составы силикатов, преобладание троилита и тэнита над камаситом, вплоть до его полного исчезновения, и более кислое стекло). Это доказывает, что восстановительный режим не сохранялся до конца кристаллизации тел различных типов обыкновенных хондритов. Магнезиальные оливины и пироксены вытеснялись железистыми оливинами еще на магматической стадии при кристаллизации последних из богатых закисным железом матричных расплавов. Установленное по хондрам двухстадийное развитие хондритового магматизма прослеживается и в матрице обыкновенных хондритов, восстановительная стадия развития которой сменяется окислительной, что фиксируется сокращением объема металлической фазы и образованием серии устойчивых силикатных парагенезисов, свидетельствующих об общем обогащении матричного расплава закисным железом.