Петрология и геохимия океанических и альпинотипных шпинелевых перидотитов в связи с проблемой эволюции мантийного вещества

Актуальность темы. Проблема степени геохимической неоднородности мантийных шпинелевых перидотитов и причин, обусловивших эту неоднородность, имеет принципиальное значение для установления процессов формирования земной коры и мантии. Ключевую роль в решении этой проблемы играет сравнительное геологическое, петрологическое, геохимическое и минералогическое исследование океанических и альпинотипных мантийных шпинелевых перидотитов. Не случайно многие ведущие исследователи мантийных пород пытались подойти к решению этой проблемы (Miyashiro, 1975; Дмитриев и др.,1976; Coleman, 1977; Dick, Fisher, 1984; Dick, Bullen, 1984; Савельева, 1987; Bonatti, Michael, 1989; Паланджян, 1992; Parkinson, Pearce, 1998). Как правило, предметом сопоставления были либо геохимия, либо первичная минералогия пород. Несмотря на некоторые выявленные черты различий между этими породами, охарактеризовать процессы, обусловившие эти различия, в этих работах не удалось.

Целью настоящей работы является выявление процессов, обусловивших вещественную эволюцию выведенного на поверхность мантийного вещества, и сравнительная характеристика этих процессов в океанических и альпинотипных шпинелевых перидотитах. Основной методический принцип работы заключается в принятии океанических перидотитов в качестве главного объекта сравнения.

Проблема вещественной эволюции мантийного вещества в литосфере в той ее части, которая сводится к сопоставлению океанических и альпинотипных шпинелевых перидотитов, имеет различные аспекты. Идентичны ли процессы магматической и метаморфической эволюции мантийного вещества, обусловившие формирование океанических и альпинотипных шпинелевых перидотитов? Совпадают ли физико-химические параметры этих процессов? Являются ли альпинотипные перидотиты в вещественном отношении аналогами океанических перидотитов? Можно ли считать разрезы литосферы, построенные по данным исследования офиолитовых комплексов, аналогами литосферы под Срединно-океаническими хребтами? В каких геодинамических обстановках происходила эволюция альпинотипных перидотитов и какие обстановки магматизма и метаморфизма могут быть установлены при исследовании шпинелевых перидотитов и по каким критериям и параметрам? Являются ли альпинотипные перидотиты индикаторами существования палеоокеанических бассейнов, и каких именно?

Научная новизна работы определяется следующими результатами:

1. Особенностями минералогии и геохимии перидотитов обоснована правомерность выделения в пределах СОХ трех обстановок магматизма: нормальных сегментов медленно-спрединговых СОХ, геохимически аномальных сегментов СОХ и быстро-спрединговых СОХ. Шпинелевые перидотиты из аномальных сегментов СОХ впервые представительно охарактеризованы.

2. Впервые количественно охарактеризована локальная неоднородность степени частичного плавления мантийного источника для океанических и альпинотипных перидотитов; установлена и количественно охарактеризована корреляция величины степени частичного плавления мантийного источника под СОХ с локальной скоростью спрединга, проявленная в перидотитах нормальных сегментов СОХ.

3. Установлено, что механизмы плавления мантийного источника и характер отделения расплавов в разных обстановках мантийного магматизма закономерно различаются. Различие между плавлением мантийного источника в надсубдукционной обстановке и в обстановке аномальных сегментов СОХ проявляется также в закономерных различиях составов расплавов, привносимых в систему при плавлении.

4. Разработана физическая и физико-химическая (диффузионная) модель остывания шпинелевых перидотитов после отделения от них расплава, позволяющая по температурам закрытия межминеральных обменных реакций в перидотитах оценивать скорость остывания пород и глубину отделения от них последних порций расплава. Показано, что характер остывания, скорость остывания и глубина отделения расплава закономерно различаются для шпинелевых перидотитов, образованных в различных обстановках. Численным моделированием обосновано, что термальная история части альпинотипных перидотитов связана с литосферой неокеанического типа.

5. Впервые установлены проявления модального мантийного метасоматизма в перидотитах СОХ, охарактеризованы равновесные минеральные ассоциации и составы метасоматических минералов, оценены физико-химические параметры метасоматизма. Обоснована кристаллизация части ассоциаций в процессе реакции перидотитов с сильно дифференцированным расплавом, а части - в процессе их реакции с ювенильным флюидом. Проведено петролого-геохимическое моделирование кристаллизации амфиболов и флогопитов в перидотитах СОХ при остывании ювенильного флюида в закрытой системе, а также при реакции флюид-порода. Для редких и редкоземельных элементов оценены величины коэффициентов распределения флюид/расплав, амфибол/флюид и флогопит/флюид для 1000^оС, 5 кбар. Оценены начальный состав флюида и характер его последующего изменения.

6. В перидотитах СОХ установлены высокотемпературные проявления метаморфизма, связанного с циркуляцией в литосфере морской воды. Разработаны критерии для разделения проявлений метасоматизма и высокотемпературного метаморфизма в океанических перидотитах. Исследовано фазовое соответствие между метаморфическими минералами перидотитов в интервале температур 400-800^оС, для этого интервала температур представлены калибровки хлорит-шпинелид-оливинового и амфибол-хлоритового геотермометров, а также приближенные зависимости составов амфибола и шпинелида от температуры их кристаллизации. Оценены средние составы основных петрографических разновидностей серпентинов в океанических перидотитах, установлены последовательность их кристаллизации в породах и особенности их кристаллохимии.

7. Результатами термодинамического моделирования взаимодействия "морская вода - перидотит" по модели проточного реактора характерные различия в составе метаморфических минеральных ассоциаций океанических и альпинотипных перидотитах объяснены как результат существенно более высоких отношений вода/порода (при равной температуре) при океаническом метаморфизме, по сравнению с метаморфизмом, проявленным в альпинотипных перидотитах.

8. Оценено влияние выветривания, серпентинизации и среднетемпературной перекристаллизации на валовые составы океанических перидотитов, установлена степень инертности отдельных элементов при океаническом метаморфизме.

Практическое значение. Представленный в работе комплексный методический подход позволяет устанавливать обстановку образования и эволюции мантийных шпинелевых перидотитов, что дает возможность на более высоком уровне решать задачи геологического картирования складчатых поясов и геодинамической реконструкции геологической истории конкрентых регионов. Результаты работы позволяют аттестовать проявления связанных с мантийными перидотитами рудных и нерудных полезных ископаемых с позиции геодинамической обстановки их формирования.

Фактическим материалом работы послужили океанические и альпинотипные шпинелевые перидотиты, полученные автором в ходе 12-го и 16-го рейсов НИС "Академик Борис Петров", 20-го рейса НИС "Профессор Логачев", в ходе полевых работ в пределах комплекса Мамония (Кипр) и массива Чаганузун (Алтай), а также предоставленные коллегами - Л.В.Дмитриевым, С.А.Силантьевым, Г.С.Закариадзе, Р.Магакяном, С.Д.Соколовым, А.В.Ганелиным, Г.Б.Удинцевым, И.С.Чащухиным, Г.Дж.Б.Диком, С.Караматой, Т.К.Беркелиевым, М.Д.Желязковой-Панайотовой, К.Колчевой. Аналитически охарактеризованы 75 местонахождений океанических шпинелевых перидотитов (драги, тралы, маршруты подводных аппаратов) и более 20 местонахождений альпинотипных перидотитов (массивы, комплексы, блоки). Выводы диссертации базируются на данных петрографического, минералогического и геохимического исследования более чем 400 образцов шпинелевых перидотитов, охватывающих практически весь интервал составов, свойственный этим породам, и отражающих весь спектр процессов образования и перекристаллизации пород при их выведении на поверхность.

Структура работы. Диссертация состоит из 8 глав, введения, заключения и приложения. Материал работы изложен на 381 странице, проиллюстрирован 140 рисунками и аргументирован 25 таблицами в основном тексте работы и таблицами аналитических данных в приложении. Список литературы содержит 530 ссылок.

Апробация работы. Материалы диссертации опубликованы в 68 печатных работах, в том числе в 21 статье в российских и международных журналах. Результаты докладывались на отечественных и международных конференциях, в том числе на 16-м Всесоюзном семинаре "Геохимия магматических пород" (1991г.), Гольдшмидтовской конференции (1992г.), сессии Американского Геофизического союза (1992г.), 5-ой, 6-ой и 7-й Международных конференциях по тектонике плит (1995, 1998, 2001гг.), Международной конференции "Проблемы генезиса магматических и метаморфических пород" (1998г.), ХXXII Всероссийском тектоническом совещании (1999г.), всех Рабочих совещаниях Российского отделения международного проекта InterRidge (1995, 1998, 2001, 2003 гг.), Международной конференции "Geosciences 2000", 2-й международной конференции "Orogenic lherzolites" (1999 г.) и др.

Работа выполнена в Лаборатории геохимии магматических и метаморфических пород ГЕОХИ РАН. Многие направления данной работы зародились в результате плодотворных дискуссий с Л.В.Дмитриевым, С.А.Силантьевым, Г.С.Закариадзе, М.В.Портнягиным, А.А.Гуренко, В.С.Каменецким, С.Д.Соколовым, Г.Диком. Выводы работы базируются на аналитических данных, получение которых в течение многих лет обеспечивали сотрудники Института Н.Н.Кононкова, К.И.Игнатенко, И.А.Рощина, Т.В.Ромашова, Л.П.Полосина, Н.А.Белова, С.В.Луткова.