Физико-химические условия образования алмазоносных парагенезисов эклогитов

Глава 2. Разработка методов оценки Р-Т параметров глубинных включений пород верхней мантии.

В настоящее время существует достаточное количество гранат-пироксеновых термометров, применимых как для коровых, так и для мантийных парагенезисов (например, Ellis and Green, 1979; Ai, 1990; Sengupta and Dasgupta, 1989). Оценка давления обычно осуществляется по ортопироксен-гранатовому или ортопироксен-шпинелевому барометрам (например, MacGregor, 1974, Perkins et al., 1981), которые основываются на зависимости содержания Al в ортопироксене. Брей с соавторами (1986) разработал версию гранат-пироксенового барометра, однако его применимость ограничивается только ультраосновными ассоциациями, в которых содержание пироповой составляющей в гранате превышает 75%. Существует также метод оценки давления для мантийных эклогитов (Nikitina, 2000). Однако он не является барометром в полном смысле этого слова, так как базируется не на экспериментальных данных, а на зависимости коэффициента распределения Fe-Mg между сосуществующими ортопироксеном, гранатом и клинопироксеном гипербазитов от давления, которое в свою очередь определяется по гранат-ортопироксеновому барометру. Тем более весьма проблематична его применимость к мантийным эклогитам. Поэтому одной из актуальных задач петрологии глубинных пород на сегодняшний день является разработка гранат-клинопироксенового барометра, откалиброванного на основе экспериментальных данных и применимого для эклогитовых и перидотитовых ассоциаций.

Эклогитовые гранат-клинопироксеновые равновесия экспериментально изучены в диапазоне 650-2000^o C и 20-100 kbar (Геншафт и др., 1986; Kato, 1989; Poli, 1993; Raheim and Green, 1974, Putirka, 1998; Yaxley and Green, 1994), эклогитоподобные породы (с плагиоклазом и без него) - в диапазоне 850-1320^o C и 10-34.5 kbar (Adam, 1990; Brey and Green, 1977; Green and Adam, 1991; Jonston, 1986; Skjerlie and Johnston, 1996; Rapp and Watson, 1995; Robinson and Wood, 1998; Robinson et al., 1998; Springer and Seck, 1997; Yaxley, 1999), перидотитовые ассоциации - в диапазоне 900-2040^o C и 20-140 kbar (Рябчиков и др., 1993; Brey and Kohler, 1990; Herzberg and Zhang, 1996; Sekine and Wyllie,1982; Sweeney, 1994; Taylor, 1998; Walter, 1998; Walter and Presnall, 1994; Zhang and Herzberg, 1994). Однако для последних эксперименты, превышающие 70 кбар, достаточно редки, поэтому в работе рассматривались равновесия при Р 70 кбар.

В современных исследованиях можно выделить следующие подходы по созданию гранат-клинопироксенового барометра для мантийных ассоциаций, использующие:

(1) эффект уменьшения содержания молекулы CaTs в клинопироксене как функции давления (Mukhopadhyay, 1991);

(2) изменение соотношения Ca/Mg в гранате и клинопироксене с изменением давления (Перчук, Рябчиков, 1976; Brey et al., 1986);

(3) увеличение содержания Na в гранате (Соболев, 1974) с возрастанием давления;

(4) изменение зависимости коэффициента распределения железа между гранатом и клинопироксеном от давления для перидотитов и пироксенитов (Никитина, 1993).

Наиболее приемлемым подходом является первый, основанный на изменении содержания молекулы Чермака. Этот вопрос рассматривался различными исследователями (Жариков и др., 1984; Малиновская и др., 1991; Gasparik, 1984; Herzberg, 1978; Mukhopadhyay, 1991). Показано, что при давлениях, соответствующих верхней мантии, при постоянной температуре происходит уменьшение содержания CaTs минала с ростом давления и его постепенное исчезновение при давлениях свыше 50 кбар. Однако проведенные позже эксперименты показали, что CaTs присутствует в Срх и при давлениях до 100 кбар (Kato et al., 1989). Особенности химического состава граната и клинопироксена из мантийных ксенолитов позволяют нам предложить в качестве барометра реакцию:

Ca3Al2Si3O12+	2Mg3Al2Si3O12		3CaAl2SiO6+	6MgSiO3
Gross	Pyr		CaTs	En

Давление в ней рассчитывается по общей формуле

Термодинамические данные для этой реакции взяты из базы данных Бермана (1988). Молярные объемы миналов в растворах клинопироксена и граната рассчитывались по моделям Мукхопадхиая (1991) и Арановича (1991) соответственно. Активности гроссуляра и пиропа рассчитывались по двухпозиционной модели с учетом "перекрестного взаимодействия". Для описания избыточной парциальной молярной энергии Гиббса для компонента в кубической позиции использовалась модель Бермана и др. (1995). Активности энстатитового и чермакового миналов рассчитываются по схеме, описанной выше, параметры взаимодействия на позициях М₁ и М_2, используемые для хромдиопсидов и омфацитов, приведены в Табл. 1 и 2.

Предложенная версия барометра позволяет оценивать давление для гранат-клинопироксеновых перидотитовых ассоциаций в диапазоне 1050^o T 1820^o C и 20 P 70 кбар (всего 61 анализ) с точностью 1 = 4.3 кбар и (среднее) = 3.6 кбар. Для эклогитовых ассоциаций в диапазоне 650^o T 1660^o C и 20 P 70 кбар (всего 33 анализa) точность составляет 1 = 5.8 кбар и = 5.2 кбар. Точность данной версии барометра для эклогитовых ассоциаций при давлениях 75 кбар и выше весьма мала и занижает давление на 30-40 %. При этом данная версия обладает высокой точностью для парагенезисов, синтезированных при давлениях не выше 40 кбар, (1 = 2.4 кбар и = 2.1 кбар для 20 анализов) и занижает давления для парагенезисов, синтезированных при давлениях 50 кбар и выше (Рис.2А). Метод оценки давления Никитиной (2000) не согласуется с перечисленными выше экспериментальными

Таблица 1. Параметры взаимодействия между элементами на позиции клинопироксена М₂ (в Дж/моль, T^o K, Р - кбар), используемые в наших моделях ( ⁽¹⁾Lindsley, 1981; ⁽²⁾Lindsley et al., 1981; ⁽³⁾Mukhopadhyay, 1991).

Таблица 2. Параметры взаимодействия между элементами на позиции клинопироксена М₁ (в Дж/моль, Р- кбар), используемые в наших расчетах ( ⁽³⁾ - то же, что и в Табл.1).

данными по эклогитам и перидотитам, его точность составляет 1 = 18-22 кбар и = 23-25 кбар (Р-Р_ехр достигает 30 кбар).

Для гранулитоподобных и эклогитоподобных ассоциаций, которые по составам граната и клинопироксена достаточно близки к перидотитовым (содержание жадеита в клинопироксене для большинства менее 20%), в диапазоне 850-1320^o C и 10-34.5 kbar (всего 30 анализов) точность перидотитовой версии составляет 1 = 3.3 кбар и = 2.7 кбар. Предложенная версия барометра точнее, чем упомянутый выше барометр Мукхопадхиая (1991), который дает более низкую точность для тех же опытов - 1 = 4.1 кбар и = 3.4 кбар.

Наибольший петрологический интерес представляет применимость разработанных барометров к мантийным эклогитам, поскольку надежные методы оценки давления для них отсутствуют. Некоторыми исследователями высказывалась точка зрения о неприменимости CaTs барометров к мантийным парагенезисам ввиду малой величины чермакового минала в мантийных клинопироксенах (Brеу et al., 1986). Тем не менее, проведенный анализ показал, что барометр может быть применим к большинству мантийных эклогитовых, перидотитовых и пироксенитовых ксенолитов и их включений в алмазах. Присутствие кианита, корунда а также свободного SiO₂ в парагенезисе с клинопироксеном может существенно влиять на оценку величины давления (Lappin, 1978; Wood and Henderson, 1978), поэтому применять CaTs барометры к данным типам эклогитов некорректно. Предложенная версия гранат-клинопироксенового барометра обладает высокой точностью для парагенезисов, синтезированных при давлениях не выше 40 кбар, и занижает давления для парагенезисов, синтезированных при давлениях 50 кбар и выше. Поэтому для высокобарных эклогитов предложена версия барометра, отличающаяся от исходной тем, что на позиции М1 в клинопироксене значения Mg(Fe)-Al и Al-Mg(Fe) приняты 0 и 17 кДж/моль соответственно, что достаточно близко к величинам, приведенным в (Mukhopadhyay, 1991). Данная версия значительно уменьшает отклонения в области давлений 50-70 кбар, завышая их в области до 40 кбар, точность для всех ассоциаций (33 образцов) составляет 1 = 6.1 кбар и = 5.3 кбар (Рис. 2Б). Поэтому наиболее оптимальным путем оценки давления для образцов эклогитов является сначала расчет их давлений по исходной версии, а затем выборка образцов со значениями давлений более 30 кбар и их пересчет по "глубинной эклогитовой" версии. По имеющимся на сегодняшний день геотермобарометрическим данным, большинство алмазов и мантийных парагенезисов образовались при давлениях менее 70 кбар (Haggerty, 1986; Harris, 1992; Sobolev et al., 2000), поэтому оценка давления этим типом барометров для мантийных ассоциаций является достоверной. Проведенный анализ показал, что барометр может быть применим к большинству мантийных эклогитовых ксенолитов и их включений в алмазах а также к некоторым коровым эклогитам.

Рис.1. Отклонение давлений, рассчитанных по гранат-клинопироксеновому барометру, от экспериментальных значений в зависимости от температуры и давления. Условные обозначения экспериментальных данных: * - Рябчиков и др., (1993); " > - Taylor (1998); - Brey and Kohler (1990); - Walter, 1998; + - Sekine and Wyllie,1982; Sweeney, 1994; - Jonston, 1986; - Robinson and Wood (1998).

А   Б

Рис.2. Отклонение давлений, рассчитанных по гранат-клинопироксеновому барометру (Б - "глубинная эклогитовая" версия) от экспериментальных значений для эклогитовых составов в зависимости от температуры и давления.Условные обозначения экспериментальных данных: * - Геншафт и др. (1986); x- Poly (1993); " > - Yaxley and Green (1994); - Putirka (1998); - Kato et al. (1989); Adam (1990), - Raheim and Green (1974), - Mitchell, 1995; Edgar and Mitchell, 1997.

На основе данного барометра были определены Р-Т параметры образования известных эклогитовых включений в алмазах и алмаз-, алмаз-графит-, графитсодержащих и безуглеродистых разновидностях эклогитов из известных трубок Южной Африки (Рис.3), Якутии, Австралии и Канады. Из проведенных расчетов следует, что образование включений внутри алмазов и образование алмазсодержащих ксенолитов происходило в основном в поле стабильности алмаза. Алмаз-графит-содержащие ксенолиты располагаются рядом с границей устойчивости графит-алмаз, в то время как графит-содержащие и безалмазоносные разновидности в основном соответствуют полю устойчивости графита. Наиболее высокие P-T параметры получены для включений из алмазов трубки Аргайл. Р-Т параметры, полученные для образцов из трубок Мир и Удачная, достаточно близки к Сибирской перидотитовой геотерме Бойда (1984). Среди канадских объектов рассчитаны эклогитовые ксенолиты кимберлитов района Джеричо, содержащие акцессорные алмазы (Kopylova et al., 1999). По нашим расчетам, высокотемпературные ксенолиты соответствуют области стабильности алмаза.

На основе полученных результатов для эклогитовых ассоциаций можно выделить 2 основных типа градиентов, которые в целом соответствуют полученным ранее перидотитовым палеогеотермам (Boyd, 1973). Первый тип палеогеотерм характерен для эклогитов из трубок Коиду и Лесото и, в основном, близок к континентальной геотерме (на щитах). Второй - характерен для трубок из центральных частей кратонов (сюда относятся трубки Премьер, Орапа, Мир и Удачная) и ближе к "инфлекционному" типу перидотитовых палеогеотерм.

Рис.4. Результаты расчета температуры и давления по двупироксеновому термометру Тейлора (1998) и нашему гранат-клинопироксеновому барометру ( ) и по гранат-клинопироксеновому термобарометру Никитиной (2000) (залитый ) для гранат-шпинелевых лерцолитовых ксенолитов из Австралии, Аргентины, Витимского плато, Монголии и Сицилии относительно линии перехода шпинелевых лерцолитов в гранатовые (O'Neil, 1981).

Версия барометра была использована также и для определения Р-Т параметров известных перидотитовых гранат-пироксеновых ассоциаций из кимберлитов Северного Лесото, Якутии и Северных территорий Канады, а также гранат-шпинелевых лерцолитовых включений из щелочных базальтов Пали Айк (Северная Аргентина), Монголии, Австралии, Сицилии и Витимского плато. Полученные давления составляют 16-23 кбар, что отвечает области перехода шпинели в гранат для лерцолитов (Рис.4). Это подтверждает петрологическую корректность данного барометра на природных объектах (вышеупомянутый метод Никитиной (2000) дает давления от 44 до 57 кбар). Полученные Р-Т параметры для Лесото в своей высокотемпературной области перекрываются с палеогеотермой Карсвелла (1991), реконструированной на основе гранат-ортопироксенового барометра, а при более низких температурах - чуть ниже нее. При этом наклон полученной геотермы в целом достаточно близок к палеореконструкциям Карсвелла (1991). Из якутских объектов были рассчитаны ксенолиты двух известных трубок - алмазоносной Удачной и безалмазоносной Обнаженной. Максимальные значения Р и Т имеют ксенолиты трубки Удачной, наиболее высокотемпературные из которых соответствуют полю устойчивости алмаза. Р-Т параметры для перидотитовых ксенолитов из северо-канадских кимберлитовых трубок района Джеричо (Копылова и др., 1999), по нашим расчетам, оказались чуть ниже кривой фазового перехода графит-алмаз.

Можно сделать вывод, что разработанные версии барометра достаточно хорошо определяют глубинность известных кимберлитовых и лампроитовых объектов Южной Африки, Якутии, Канады и Австралии и могут быть использованы при создании петрологических моделей верхней мантии.

Разработанный CaTs барометр позволяет оценивать давления для гранулитоподобных и эклогитоподобных ассоциаций по составам достаточно близким к перидотитовым. Однако наибольшей точностью для гранатовых пироксенитов и пироксеновых гранулитов обладает версия, отличающаяся от исходной тем, что на позиции М1 в клинопироксене значения Mg(Fe)-Al и Al-Mg(Fe) приняты и равными Al-Mg значению по Мукхопадхиаю (1991) (см Табл.2), а перераспределение элементов на позициях М1 и М2 в клинопироксене рассчитывается по модели Вуда и Бано (1973). Данная версия дает минимальные отклонения по давлению, не превышающие 2.5 кбар для гранатовых пироксенитов и гранулитов, синтезированных в дипазоне 10-27 кбар и 1000-1200^о С (Green and Adam, 1991; Irving, 1974). На основе данной версии барометра были оценены Р-Т параметры для метаморфических эклогитовых комплексов Полярного и Южного Урала, Казахстана, Тянь-Шаня и Средней Азии (по данным микрозондовых анализов, приведенных в монографии Н.Г.Удовкиной, 1985). Полученные давления в основном лежат в диапазоне 10-28 кбар, однако отдельные значения по Южному Уралу (Максютовский комплекс) попадают в более высокобарическую зону - 30-40 кбар. Высокие давления в породах Максютовского комплекса обсуждались в литературе (Карстен и Иванов, 1994; Leech, 1998; Бобров и Бутвина, 2000), а также подтверждены и нами (Симаков, 2002). Аналогичные расчеты были проведены и для метаморфических эклогитовых комплексов Европы: Альп западной и северной Италии, Швейцарcких Альп, Австрийских Альп (Тауэровское окно), Северной Норвегии, Родопских гор северной Греции, Польских Судет, Богемского массива Баварии и комплекса Кабо Ортегал северо-западной Испании. Для эклогитов Греции, Судет и Богемии полученные давления лежат в диапазоне 10-20 кбар, что согласуется с оценками предыдущих авторов, эклогиты из центральных Родопских гор Северной Греции соответствуют области стабильности коэсита. Для испанских парагенезисов полученные давления лежат в основном в диапазоне 10-25 кбар. Основная часть норвежских парагенезисов также лежит в диапазоне 10-25 кбар, некоторые, в том числе и алмазоносные гранулиты, попадают в область Р > 30 кбар. Существование здесь высоких давлений свыше 30 кбар подтверждается наличием коэситсодержащих эклогитов (Smith, 1984, 1988), микроалмазов (Larsen et al., 1998), а также предыдущими оценками давления на основе ортопироксенового барометра (Lapin and Smith, 1978). Для альпийских комплексов отмечается нарастание Р-Т параметров от 450-600^о С и 15-20 кбар к 800-900^о С и 30-40 кбар с юга на север - от Италии к Австрии. Существование высоких давлений (более 30 кбар) в ходе формирования альпийских комплексов подтверждается присутствием коэситсодержащих пород (Chopin, 1984) и высокими содержаниями натрия в гранатах из швейцарских эклогитов (Aurisicchio, 1985), что является признаком их формирования в условиях верхней мантии (Удовкина, 1985). Ранее Г.Эрнст (1977, 1978) и К.Шопен (1984) предположили возможность существования высоких давлений при формировании перидотитов и эклогитов в зоне метаморфизма Альпийских лерцолитовых массивов Альп Арами, Финеро, Бальмучия, Бальдиссеро и Ланцо, а также массива Дора Майра. Проведенные нами расчеты для данных объектов также показали наличие давлений около 30 кбар в ходе их формирования. Часть гранат-клинопироксеновых пород Кокчетавского месторождения (участок Кумдыколь) имеют высокие давления ~ 40 кбар, соответствующие области стабильности алмаза. Эклогиты других участков Кокчетавского массива (Энбек-Берлык, Чаглинка, Кулет) образовались при существенно меньших давлениях.

Из проведенных расчетов следует, что часть коровых эклогитов (Кокчетавский массив, Уральские эклогиты, Швейцарские и Австрийские Альпы, Норвежские и Родопские эклогиты) образовалась при высоких давлениях, более 30 кбар, и имеет мантийно-коровое (субдукционное) или мантийное происхождение.

Во многих кимберлитовых телах собственно ксенолиты отсутствуют или редки и ксеногенная ассоциация мантийных минералов представлена лишь ксенокристаллами. При поисково-оценочных работах на алмаз обнаруживают, как правило, лишь отдельные зерна минералов-спутников мантийного происхождения. Это обуславливает необходимость разработки "мономинеральных" термобарометров, использующих для расчета состав только одной фазы, но предполагающих наличие определенных фаз в парагенезисе.

В первую очередь, такой фазой является клинопироксен благодаря его сольвусным отношениям. К настоящему времени известен ряд одноминеральных клинопироксеновых термометров, использующих диопсидовую ветвь двупироксенового сольвуса (Finnerty and Boyd, 1986; Lindsley and Dixon, 1976; Mercier, 1980), и два клинопироксеновых барометра (Mercier, 1980; Taylor and Nimis, 2000).

Задача по построению клинопироксенового барометра сведена к приложению уже разработанных гранат-клинопироксеновых версий к ксенокристам природного клинопироксена. Соотношение составов граната и клинопироксена для основных типов эклогитов рассмотрено в работе Владимирова и др. (1990). Из нее следует, что отношение Ca/Mg в обоих минералах связано в виде экспоненциальной зависимости. Существует также зависимость содержания Fe в гранате от отношения Ca/Mg в клинопироксене. Это дает возможность рассчитывать кальциевость, железистость, магнезиальность и активность фиктивного граната, рассматривая его как однопозиционную модель (т.е. учитывать избыточные энергии только на додекаэдрической позиции). Точность данной моноверсии барометра на тех же экспериментальных данных эклогитовых составов для давлений менее 75 кбар сотавляет 1 = 5.0 кбар и = 4.0 кбар. Для экспериментальных перидотитовых гранат-клинопироксеновых равновесий прослеживаются близкие зависимости, как и для эклогитовых составов. Это также дает возможность рассчитывать активность фиктивных миналов граната (пиропа, гроссуляра, альмандина) по однопозиционной модели. Точность данной версии барометра для тех же экспериментальных данных перидотитового состава в диапазоне 900^o T1820^o C и 20 P 70 кбар (всего 69 анализов) оставляет 1 = 3.1 кбар и = 2.6 кбар. Данная моноверсия лучше по точности версии Нимиса и Тейлора (2000) 1 = 3.8 кбар и = 2.8 кбар (всего 61 анализ) и исходной гранат-клинопироксеновой.

Для разработки клинопироксеновой моноверсии термометра рассмотрены закономерности распределения Mg, Ca и Fe по позициям М₁ и М₂ в сосуществующих Срх и Орх и предложен способ расчета Mg на позициях М₁ и М₂ в Орх, исходя из состава Срх. Полученные зависимости были подставлены в уравнение константы двупироксеновой реакции. Точность данной моноверсии термометра по тем же экспериментальным данным, что и для моноверсии барометра, составила 1 = 56^о и = 44^о, что лучше версии Нимиса и Тэйлора (2000) (1 = 72^о и = 60^о). Точность пары моноклинного термометра и барометра составляет по давлению и по температуре 1 = 81^о и 4.9 кбар (72 анализа) и имеет наклон ошибки 1кбар/17^о, что также лучше версии Нимиса и Тэйлора (2000), которая на этих же экспериментах (56 анализов) имеет 1 =111^о и 8.2 кбар и наклон ошибки 1кбар/15^о. Для ксенокристаллов клинопироксена предлагаемый термобарометр может применяться уверенно, если вычисленное давление не ниже 30 кбар. В диапазоне 20-30 кбар необходимо обосновывать присутствие парагенного граната.

Перидотитовая моноверсия клинопироксенового термобарометра была использована для определения Р-Т параметров образования отдельных клинопироксенов из алмазов Ганы и Танзании, а также трубки Као из Лесото. Включения из алмазов по Р-Т параметрам соответствуют области стабильности алмаза, в то время как мегакристы из тр.Као находятся в поле графита. Были также оценеы Р-Т параметры для мегакрист из различных трубок Якутии - Сытыканской, Комсомольской, Иксовой, Дальней, Искорки, Геофизической и Загадочной. Эти значения соответствуют интервалу Р-Т параметров, определенных для якутских кимберлитов на основе гранат-ортопироксенового и гранат-клинопироксенового барометров. Таким образом, из приведенных выше результатов следует, что разработанные моноверсии перидотитового клинопироксенового термобарометра являются универсальными и достаточно хорошо определяют степень глубинности известных кимберлитовых объектов Африки и Якутии.

Эклогитовая моноверсия клинопироксенового барометра была использована при определении Р-Т параметров аллювиальных алмазов Венесуэллы и Гвинеи. При этом большинство Р-Т параметров соответствует области стабильности алмаза и достаточно близко к температурам и давлениям, определенным на основе гранат-клинопироксенового метода. Основная часть полученных результатов находится в интервале 50-60 кбар, что соответствует оценкам давления для этих объектов по коэситовому барометру (Sobolev et al., 2000).