Р-Т тренды и модель формирования гранулитовых комплексов докембрия

Цель данной диссертации предполагает использование комплекса как традиционных, так и нетрадиционных методов исследования, которые можно разбить на пять больших групп: структурно-геологические, микроструктурно-петрологические, геохимические, физико-химические и физико-математические. Первые три группы методов (структурно-геологические, микроструктурно-петрографические и геохимические) являются достаточно традиционными и поэтому здесь будут описаны очень кратко. Две последние группы методов (физико-химические и физико-математические) в силу их оригинальности будут отражены более подробно.
Структурно-геологические методы.
Эта группа методов лежит в основе любого геологического исследования, в особенности направленного на петрологические и геодинамические реконструкции. Главным ее содержанием является составление геологических и сруктурных карт различной степени детальности и представительное опробование исследуемых регионов. Работы проводились в пределах гранулитовых комплексов и сопряженных с ними зеленокаменных поясах и кратонах. В качестве базовых полигонов для детального изучения были выбраны хорошо закартированные области, для которых уже имелась достаточно надежная геологическая и структурная основа. Поэтому полевые работы сводились к детальным структурным исследованиям и опробованию известных эталонных разрезов и обнажений.
Методика полевых исследований состояла в определении основных этапов деформаций, в детальных замерах для них ориентировки структурных элементов, определении направлений относительного перемещения пород а также в отборе представительных коллекций образцов горных пород. В случае необходимости отбирались ориентированные образцы.
В структурном и вещественном плане особое внимание уделялось изучению крупных тектонических элементов - зон пластических деформаций, зон сочленения гранулитов с зеленокаменными комплексами и другими породами экзоконтактов. Детально опробовались наиболее информативные для физико-химических исследований разновидности пород (обычно гранат-содержащие).
Микроструктурно-петрологические методы.
Основным назначением этой группы методов было выявление последовательности образования различных генераций минералов и реакционных взаимоотношений между ними. Микроструктурный метод применялся в тесной связи с результатами структурно-геологических исследований, что позволяло устанавливать взаимосвязь между тектоническими и метаморфическими процессами, протекавшими на микро- и макроуровне.
Реакционные микроструктуры широко развиты в породах изученных гранулитовых комплексов. В сочетании с исследованиями состава и химической зональности минералов их анализ применяелся для определения характера и последовательности протекавших метаморфических реакций, выяснения параметров метаморфизма гранулитов. Такие исследования позволяют выяснить эволюцию составов минералов и произвести их корректную термодинамическую интерпретацию. При изучении реакционных структур использовался не только оптический, но и электронный микроскоп, позволяющий получать изображение в отраженных электронах. Даже для хорошо изученных комплексов это дало возможность обнаружить ранее не известные типы реакционных структур и по-новому взглянуть на протекание процессов метаморфизма и чарнокитизации.
При петрографическом анализе изучались также деформационные микроструктуры. Это особенно важно для пород зеленокаменных поясов и кратонов, где реакционные структуры практически не проявлены. Последовательность формирования различных генераций минералов может быть в таком случае установлена по их соотношениям с деформационными микроструктурами. Так например, если в породах проявлен только один этап деформаций, то по отношению к нему можно обнаружить до-, син- и постдеформационные генерации минералов. Изучение их зональности позволяет выяснить эволюцию составов сосуществующих фаз и параметров минералообразования.
При изучении образцов гранулитов из зон пластических деформаций также выяснялись соотношения деформационных структур с реакционными. Для анализа деформационных структур наиболее информативным является сечение пород в плоскости XZ (поперек сланцеватости и вдоль линейности). Поэтому шлифы для всех образцов с заметными деформационными структурами изготовлялись в таком сечении.
Геохимические методы.
Изучение образцов метаморфических горных пород геохимическими (петрохимическими) методами было направлено на выяснение их вещественных характеристик, и определение геохимической специализации протекавших в них процессов. Кроме того, петрохимические анализы пород использовались в термодинамических расчетах для представления валового состава минеральной системы и расчета плотностных характеристик метаморфического субстрата при различных Р-Т параметрах. Содержания радиоактивных элементов были использованы для расчета теплопродуктивности пород при геодинамических расчетах.
Для определения валового химического состава пород использовались химический и рентгено-флюоресцентный анализы.
Для анализа содержаний микрокомпонентов в породах использовались нейтронно-активационный, атомно-абсорбционный и гамма-спектрометрический методы.
Наиболее детальные геохимические и петрохимические исследования были предприняты при изучении процессов чарнокитизации.
Физико-химические методы
К физико-химическим методам, использованных в данной работе, следует отнести расчеты параметров метаморфизма пород и модельные физико-химические расчеты. Основным инструментом геотермобарометрии и физико-химического моделирования послужил созданный автором комплекс программ "ГеоПас" (Gerya & Perchuk, 1990a,b, 1992, 1994, 1997a,b, 1998; Gerya et al, 1997b, 1998). В него входят:
а) согласованная система геотермометров, геобарометров и уравнений для расчета активностей различных компонентов во флюиде;
б) взаимосогласованная дополняющаяся база термодинамических данных для минералов, флюидов и твердых растворов.
Создание и развитие данного програмного комплекса повысили эффективность и корректность минералогической геотермобарометрии, позволили разработать процедуру внутреннего контроля при построении Р-Т трендов (Геря, 1990, 1991; Gerya et al., 1997a; Perchuk et al., 1989, 1999a,b). Основное содержание этой процедуры составляет требование согласованности модельной направленности метаморфических реакций и эволюции составов фаз с данными изучения реакционных структур и зональности минералов. Модельные расчеты производились путем сопоставления полученных Р-Т трендов с изолиниями относительных количеств минералов а также с изоплетами их состава для конкретных образцов. Более подробно эта процедура рассматривается в Главе III.
При численном моделировании мантийной и коровой конвекции производились физико-химические расчеты плотностных характеристик пород при Р-Т параметрах коры и верхней мантии, основанные на базе взаимосогласованных термодинамических данных. Эта база создана на оригинальных уравнениях потенциала Гиббса твердых фаз и флюидов и обладает высокими экстраполяционными характеристиками по температуре и давлению (Gerya & Perchuk, 1997a; Gerya et al., 1998). При взаимосогласовании экспериментальных данных был использован нелинейный метод наименьших квадратов. В основу процесса взаимосогласования положено требование стабильной минимизации ошибки апроксимации экспериментально измеренных параметров с учетом их интервалов неопределенности и разного статистического веса экспериментальных точек. Этим примененный подход к расчету термодинамических констант отличается от линейных методик применяемых другими авторами (например, Holland & Powell 1990, 1998 Berman 1988). Термодинамическая обработка экспериментальных данных велась циклически, непрерывно контролировалось качество воспроизведения экспериментально измеренных параметров, в том числе составов равновесных фаз. Использованная процедура взаимосогласования позволила добиться описания в пределах экспериментальных погрешностей подавляющего большинства обработанного массива исходных данных.
Физико-математические методы
К физико-математическим методам исследования следует отнести аналитические расчеты и численные эксперименты, проведенные для выяснения генезиса гранулитов и эволюции сопряженных с ними зеленокаменных поясов. В основе этих методов лежит хорошо разработанный аппарат математической физики, касающийся механики сплошных сред. Для решения задачи численного эксперимента был создан комплекс программ "Диапир" (Gerya et al., 1999), позволяющий моделировать разнообразные геодинамические процессы, связанные с тепло- и массопереносом в земной коре и мантии. Комплекс "Диапир" тесно связан с системой "ГеоПас" и, в частности, дает возможность моделировать Р-Т тренды для выбранных фрагментов разреза. Это позволяет прямо использовать результаты минералогической геотермобарометрии для проверки корректности численных моделей применительно к конкретным геологическим объектам.