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

Глава 1. Результаты предшествующих исследований

Мантийные породы, обнажающиеся на поверхности, являются единственным прямым источником информации о вещественном составе земной мантии и существенным источником информации о процессах в нижних горизонтах литосферы. Они представлены тремя группами пород - ксенолитами в щелочных базальтоидах и кимберлитах, альпинотипными перидотитами складчатых поясов и шпинелевыми перидотитами, обнажающимися в структурах СОХ. Определенное петрографическое, минералогическое и геохимическое сходство океанических и альпинотипных шпинелевых перидотитов (Bonatti et al., 1970; Дмитриев, 1973; Coleman, 1977; Sinton, 1978) дало толчок широкому развитию представлений об их идентичности, а также о сходстве процессов петролого-геохимической эволюции мантийного вещества альпинотипных и океанических перидотитов в литосфере при его выведении на поверхность.

Развитие представлений о тектонической и вещественной эволюции мантийного вещества в литосфере. К перидотитам альпинотипных комплексов (Thayer, 1960), или альпинотипным перидотитам, были отнесены дуниты, гарцбургиты и лерцолиты, обладающие тектоническими текстурами (метаморфические перидотиты, или тектониты) (Nicolas, Jackson, 1972) и тесно ассоциирующие с габбро и кумулятивными перидотитами (кумулатами). Термин "офиолитовые перидотиты" было принято использовать применительно к перидотитам в составе офиолитовой ассоциации пород (шпинелевые перидотиты - дайковый комплекс и пиллоу-базальты - глубоководные кремнистые осадки) (Anonymous, 1972), в отличие от "орогенных лерцолитов" ("субконтинентальных"), формирующих практически чисто перидотитовые блоки. К настоящему времени утвердилась практика распространять термин "офиолиты" или "фрагменты офиолитового комплекса" и на отдельные типы пород, в связи с чем граница между терминами "офиолитовые шпинелевые перидотиты" и "альпинотипные шпинелевые перидотиты" оказалась довольно размытой. После становления тектоники плит утвердился взгляд на офиолиты как фрагменты литосферы, сформированные в СОХ (Coleman, 1977).

На основе экспериментальных работ шпинелевые перидотиты стали интерпретироваться как реститы от выплавления основных расплавов из вещества примитивной верхней мантии - пиролита (Ringwood, 1975). Механизм плавления мантийного источника принимался равновесным, основным его фактором был принят перегрев глубинного мантийного вещества при его воздымании (адиабатическая декомпрессия), а разнообразие мантийных расплавов объяснялось разными глубинами начала воздымания мантийных диапиров и отделения от них расплавов. Для магматизма в надсубдукционной обстановке отмечалась важная роль флюидов и расплавов, отделявшихся от субдуцируемой пластины.

Хотя интерпретация офиолитов как фрагментов океанической литосферы не была однозначно принята петрологами и геохимиками, обращавшими внимание на вещественное несоответствие океанических и офиолитовых пород (Miyashiro, 1973; 1975; Дмитриев, 1972; 1973; Дмитриев и др., 1972), к тому времени еще не были выявлены надежные геохимические и геологические критерии для разграничения различных тектонических обстановок формирования литосферы океанического типа (Coleman, 1977). Разработка таких критериев выразилась в эмпирических обобщениях особенностей геохимии базальтов, выплавленнных в различных геодинамической обстановках. Практика установления обстановки формирования офиолитов по составам базальтов стала общепринятой, но обнаружились ее принципиальные недостатки: она неприложима к перидотитам, не ассоциирующим с базальтами; кроме того, ассоциирующие перидотиты и базальты могут быть сформированы в различных обстановках.

Исследование особенностей составов первичных минералов шпинелевых перидотитов позволило эмпирически разделять "субконтинентальные" и "субокеанические" шпинелевые перидотиты по составам клинопироксенов (Kornprobst et al., 1981). Было предположено, что различным обстановкам магматизма свойственен характерный интервал степени частичного плавления мантийного вещества, отраженной в хромистости первичных шпинелидов (Dick, Bullen, 1984). Применение методики ионного зонда в исследовании геохимии первичных минералов перидотитов позволило обосновать механизм непрерывного, или критического плавления мантийного вещества (Langmuir et al., 1977; Johnson, Dick, 1992; Соболев, Шимизу, 1992), а содержание критического расплава для геодинамической обстановки СОХ оценить как 1-3% (Соболев, Шимизу, 1992). Этот же механизм был предположен в качестве доминирующего и для магматизма в надсубдукционной и внутриплитной обстановках (Соболев, 1997). Было установлено, что составы пород и клинопироксенов из альпинотипных шпинелевых перидотитов сильно варьируют по содержаниям и характеру распределения редких и редкоземельных элементов (Vannucci et al., 1991; Piccardo et al., 1993; Rampone et al., 1993; 1995; Rivalenti et al., 1995; Ozawa, Shimizu, 1995; Batanova et al., 1998; 2003; Соболев, Батанова, 1995; Bizimis et al., 2000; Batanova, Sobolev, 2000). Обогащение перидотитов легкими РЗЭ связывается в одних случаях с проработкой вещества субконтинентальной мантии ювенильными флюидами и расплавами в процессе мантийного метасоматизма (Rivalenti et al., 1996), а в других - с участием в процессе магмогенерации флюидов или расплавов, отделяющихся от пород субдуцируемой океанической литосферы (Parkinson, Pearce, 1998).

Современное состояние исследований. В настоящее время допускается формирование альпинотипных перидотитов в различных обстановках - континентального рифтогенеза, начальной стадии океанического спрединга, СОХ, задугового спрединга, а также преддугового (или междугового) спрединга над зоной субдукции (Bonatti, Michael, 1989; Shervais, 2001), однако отмечается, что установление конкретной обстановки формирования на основании только геохимических дискриминантов пока представляется невозможным (Shervais, 2001). Намечена последовательность геодинамических обстановок магматизма, отвечающая разным стадиям образования океанических бассейнов, и в общих чертах охарактеризованы особенности перидотитов, образующихся на разных стадиях (Bonatti, Michael, 1989). Эволюция мантийного магматизма при заложении и развитии зоны субдукции пока промоделирована лишь в общих чертах и не базируется на минералого-геохимических особенностях шпинелевых перидотитов (Shervais, 2001).

Установлено, что минералогически и геохимически шпинелевые перидотиты из массивов орогенных лерцолитов ("субконтинентальные") аналогичны шпинелевым перидотитам из ксенолитов в щелочных базальтах и базальтоидах - как континентальных, так и океанических островов (Rivalenti et al., 1996). В связи с этим применять к данным породам термин "субконтинентальные перидотиты" представляется неоправданным. Поскольку формирование этих пород связано с проявлениями внутриплитного магматизма, корректнее обозначать эти породы как "внутриплитные перидотиты".

Определенные минералогические отличия шпинелевых перидотитов из Восточно-Тихоокеанского поднятия (ВТП) от аналогичных пород из хребтов Атлантического и Индийского океанов (Constantin et al., 1995; Dick, Natland, 1996; Niu, Hekinian, 1997b) позволили разделить геодинамические обстановки быстро- и медленно-спрединговых СОХ. Перидотиты задуговых центров спрединга не обнаруживают петролого-геохимических отличий от перидотитов нормальных сегментов медленно-спрединговых СОХ (Савельева, 1987; Ohara et al., 2002), однако находки этих перидотитов немногочисленны, и изучены они пока недостаточно.

В качестве основных вероятных факторов магматизма, обуславливающих петролого-геохимическую специфику шпинелевых перидотитов, сформированных в различных обстановках, в настоящее время принимаются неоднородность мантийного источника, различная потенциальная температура мантийного вещества и различные механизмы его плавления (декомпрессионное и индуцированное) (Langmuir et al., 1992; Соболев, 1997; Parkinson, Pearce, 1998), однако систематического сопоставления этих факторов для океанических и альпинотипных перидотитов не проводилось. Данные по петрологии и геохимии постмагматических процессов в океанических и альпинотипных перидотитов весьма скудны, особенно в сравнительном аспекте. Разделы, отражающие историю исследования этих процессов, предваряют соответствующие главы работы.