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

Глава 7. Мантийный метасоматизм

Типичными обстановками проявления мантийного метасоматизма являются внутриплитная и надсубдукционная обстановки, где индикаторами модального метасоматизма являются флогопит и паргасит (керсутит) (Ernst, 1978; Bonatti et al., 1986; Arai, 1986; Wilkinson, Le Maitre, 1987; Abe et al., 1998; Parkinson, Pearce, 1998). Возможными агентами метасоматизма считаются водный или карбонатный флюид, а также силикатный или карбонатный расплав (Menzies et al., 1987; Eggler, 1987; Navon, Stolper, 1987; Bodinier et al., 1990; Yaxley et al., 1991; Hauri et al., 1993).

Проявления метасоматизма в шпинелевых перидотитах СОХ. "Скрытый" метасоматизм, связанный с магматическими прожилками и дайками, секущими шпинелевые перидотиты, исследован в последние годы в нормальных сегментах СОХ (Cannat et al., 1995), в аномальных сегментах СОХ (Cannat et al., 1992), а также быстро-спрединговых СОХ (Constantin et al., 1995). Однако, помимо скрытого метасоматизма, океаническим шпинелевым перидотитам оказывается свойственен и модальный метасоматизм, проявленный в кристаллизации в породах флогопита и роговой обманки (Bazylev et al., 1999; Базылев и др., 2001). В отличие от скрытого метасоматизма, модальный метасоматизм часто проявляется в породах, не содержащих магматических прожилков или даек. Метасоматический амфибол кристаллизуется либо в виде мелких рассеянных зерен, либо в виде почти мономинеральных амфиболовых прожилков. Флогопит кристаллизуется в форме редких рассеянных зерен, иногда достигающих 0.5 мм. Выделяются низко- и высокотитанистые метасоматические минеральные ассоциации.

Высокотитанистые ассоциации перидотитов (с содержаниями 1.6-2.3 масс. % TiO₂ во флогопитах и 1.3-2.7 масс. % TiO₂ в амфиболах) включают ортопироксен с содержаниями титана до 0.22-0.25 масс.% TiO₂ и изредка хромшпинелид с содержаниями титана порядка 1 масс.% TiO₂. Флогопиты отличаются высокой магнезиальностью Mg# 93.2-93.7 и умеренными содержаниями хрома (0.2-0.6 масс. % Cr₂O₃). Роговые обманки отличаются высокой магнезиальностью (Mg# 91.6-92.5), повышенными содержаниями хрома (0.5-2.0 масс. % Cr₂O₃) и довольно высокими содержаниями калия (0.36-0.54 масс. % K₂O). Ассоциирующие ортопироксены обеднены глиноземом (1.1-1.4 масс. % Al₂O₃), хромом (0.2-0.3 масс. % Cr₂O₃) и кальцием (0.5-0.8 масс. % CaO). В диоритовых прожилках, секущих перидотиты, также представлены высокотитанистые (2.6-4.3 масс. % TiO₂) биотиты, железистые (Mg# 56-82) и низкохромистые (0.0-0.10 масс. % Cr₂O₃), ассоциирующие с роговой обманкой, плагиоклазом, ильменитом, апатитом и цирконом. Первичная бурая магматическая роговая обманка диоритов отличается низкой магнезиальностью (Mg# 53-58), высоким содержанием титана (2.4 масс. % TiO₂) и повышенным содержанием калия (0.41-0.47 масс. % K₂O), а также отсутствием хрома.

Низкотитанистые ассоциации включают ортопироксен, клинопироксен и хромшпинелид. Флогопиты (0.03-0.62 масс. % TiO₂) характеризуются высокими содержаниями хрома (0.65-1.6 масс. % Cr₂O₃). Роговые обманки из рассеянных зерен (менее 0.7 масс. % TiO₂) - магнезиальные и высокохромистые, с сильно варьирующими и в целом пониженными содержаниями калия (0.05-0.96 масс. % K₂O). В сосуществующих ортопироксенах содержание глинозема понижается до 0.7-1.9 масс. %, хрома до 0.1-0.7 масс. %, кальция до 0.34-1.12 масс. %. В сосуществующих клинопироксенах содержание глинозема понижается до 0.8-2.0 масс. %, хрома до 0.15-1.1 масс. %. Ассоциирующие шпинелиды отличаются высокими содержаниями глинозема (более 20 масс. % Al₂O₃) и магния (более 11 масс. % MgO) и низкой степенью окисления железа (отношение (Fe³⁺/(Cr+Al+Fe³⁺) не превышает 0.060). Содержание титана в шпинелидах не превышает 0.35 масс. % TiO₂. Роговые обманки из амфиболовых прожилков варьируют по составам. Характерна зональность прожилков: от центров к их краям и далее к рассеянным зернам и ламеллям содержание титана в амфиболе резко понижается, содержания глинозема и калия понижаются менее резко, а содержания хрома и магнезиальность возрастают.

Параметры кристаллизации метасоматических слюд и роговых обманок в составе разных ассоциаций в шпинелевых перидотитах довольно близки: температура варьировала от 1000^oC до 870-950^oC, давление при кристаллизации не превышало 6 кбар. Фугитивность кислорода при метасоматизме не превышала величины на 1,2 лог. единицы большей, чем буфер QFM.

Показательность содержаний титана в минералах. Титан имеет довольно низкий коэффициент распределения между водным флюидом и силикатным расплавом (Keppler, 1996). Это означает, что лишь небольшое количество богатых титаном минералом может кристаллизоваться из флюида, тогда как последующие порции кристаллизующихся минералов должны быть резко обеднены титаном, а высокие и стабильные содержания титана в метасоматических минералах могут рассматриваться как индикатор расплавной природы метасоматизирующего агента.

Количественная оценка этого критерия была произведена с учетом вариаций содержаний TiO₂ в первичном клинопироксене шпинелевых перидотитах СОХ. Максимальное содержание титана в неметасоматической роговой обманке определяется максимальным содержанием титана в клинопироксене (при данной хромистости первичного хромшпинелида) и коэффициентом распределения Hbl/Cpx для титана (=4.7). На диаграмме рис.17 исследованные низкотитанистые роговые обманки попадают в метаморфическое поле, а высокотитанистые - ложатся вне его, свидетельствуя о значительном привносе титана в систему в ходе кристаллизации этих амфиболов. Аналогичная диаграмма, построенная для флогопитов из шпинелевых перидотитов на основе коэффициента распределения Phl-Hbl для титана 1.5 (La Tourrette et al., 1995; Ionov et al., 1997), свидетельствует о привносе титана в систему в ходе кристаллизации высокотитанистых флогопитов.

Рис.17. Вариации содержаний титана в амфиболах (роговых обманках) из океанических шпинелевых перидотитов. Линиями ограничено поле составов метаморфических амфиболов в перидотитах.

Геохимия метасоматических минералов. Содержания редких элементов и РЗЭ в исследованных роговых обманках сильно варьируют (Рис.18) и различаются более чем в 100 раз. Характеры спектров свидетельствуют о разных механизмах кристаллизации амфиболов в перидотитах.

Рис.18. Содержания редких и редкоземельных элементов в магматических и метамоматических роговых обманках. D - рассеянные зерна в гарцбургитах, М - магматическая роговая обманка из диоритового прожилка, V - амфиболовые прожилки в гарцбургитах.

Флогопиты обнаруживают высокие содержания LIL и HFS элементов при низких содержаниях редкоземельных элементов и близкие характеры спектров; по сравнению с биотитами из диоритовых прожилков, рассеянные флогопиты гарцбургитов отличаются пониженными содержаниями всех измеренных элементов.

Метасоматизм под воздействием расплавов. Наиболее надежно составы расплавов, имеющих отношение к метасоматизму, устанавливаются для перидотитов из драги 68: это последняя порция расплава, отделявшегося от перидотитов на заключительной стадии их плавления (расплав M68-1,(La/Sm)_N=10.1, оцененный по составам первичных клинопироксенов); просачивавшийся сквозь еще горячие, хотя и солидифицированные перидотиты расплав M68-2,(La/Sm)_N=4.7, состав которого оценен по составам рассеянных высокотитанистых роговых обманок; интрудировавший в перидотиты расплав M68-3,(La/Sm)_N=2.0, состав которого оценен по составу бурой роговой обманки из диоритового прожилка.

Численное моделирование процесса фракционной кристаллизации расплава M68-1 (по редким и редкоземельным элементам) свидетельствует о том, что просачивавшийся сквозь перидотиты расплав (M68-2) мог быть производным от него после его 96.0% кристаллизационного фракционирования при следующем соотношении кристаллизовавшихся фаз (в масс.%):

0.376 Ol + 0.396 Opx + 0.127 Pl + 0.082 Hbl + 0.052 Bi + 0.007 Ilm - 0.308 Cpx (14).

Расплав диоритовых прожилков (M68-3) мог быть производным от M68-1 после 97.7 % его кристаллизационной дифференциации при следующем соотношении кристаллизовавшихся фаз (в масс.%):

0.048 Ol + 0.713 Opx + 0.150 Pl + 0.068 Hbl + 0.062 Bi + 0.007 Ilm - 0.522 Cpx (15).

По результатам расчетов, фракционная кристаллизация расплава сопровождалась растворением клинопироксена. Кристаллизация высокотитанистых слюды и амфибола в исследованных перидотитах связаны с насыщением остаточных расплавов водой, калием и натрием вследствие высоких степеней их кристаллизационной дифференциации, т.е. с механизмом, предложенным ранее в работах (Arai, Matsukage, 1996; Arai et al., 1997).

Метасоматизм под воздействием ювенильного флюида. Составы прожилковых амфиболов из гарцбургитов значительно различаются между собой по уровню содержаний редких и редкоземельных элементов (Рис.18), однако характер спектров свидетельствует о когенетичности этих амфиболов. Значительные вариации содержаний титана в амфиболе в пределах одного прожилка, повышенное содержание хлора в амфиболах и негативная корреляция содержаний титана и хлора позволяют предполагать, что кристаллизация прожилковых роговых обманок происходила из ювенильного флюида, отделившегося от наиболее дифференцированного расплава. В качестве последнего принят расплав М68-3, равновесный с роговой обманкой и биотитом из диоритового прожилка в гарцбургите. Петрографические данные позволяют допустить, что роговая обманка была единственным минералом, кристаллизовавшимся из флюида при его эволюции. В простейшем случае эволюции флюида как закрытой системы кристаллизация из него роговой обманки обусловлена понижением температуры. Значения коэффициентов распределения роговая обманка/флюид для Ti, Sr и Ва были оценены по данным (Keppler, 1996), а для других элементов - экстраполированных до низких давлений данных из работ (Ayers, 1998; Stalder et al., 1998). Эти величины коэффициентов распределения были затем скорректированы до достижения наилучшего соответствия между измеренными составами прожилковых амфиболов и рассчитанными составами амфиболов, фракционно кристаллизовавшихся с понижением температуры из водного флюида, исходно (при 1000^oC) равновесного c магматической роговой обманкой диоритовых прожилков (Рис.19). Рассчитанные значения коэффициентов распределения флюид/Hbl (для примерно 900^оС, 5 кбар) составляют для РЗЭ и иттрия 0.0128-0.0147, для Nb 0.0167, для Zr 0.019, для Ti 0.021, для Ва 0.036, для Sr 0.12, для Li 0.0185. Содержание общего растворенного вещества во флюиде оценено как 5.8% при 1000^оС и 2.5% при 800^оС.

Рис.19. Сопоставление рассчитанных составов амфиболов, равновесных с ювенильным водным флюидом на разных стадиях его эволюции (F0-F5) в закрытой системе, с соcтавами прожилковых амфиболов из перидотитов.

Оцененные составы ювенильного флюида на разных стадиях его остывания были использованы для моделирования кристаллизации флогопита из флюида с применением коэффициентов распределения Phl/Hbl. При расчетах принималось, что кристаллизация амфибола из флюида сменяется кристаллизацией из него флогопита, о чем свидетельствуют стабильно высокие содержания бария в прожилковых амфиболах и сильно варьирующие содержания бария во флогопитах. Результаты расчетов подтверждают это допущение и свидетельствуют о кристаллизации рассеянных флогопитов из более дифференцированного и низкотемпературного флюида по сравнению с амфиболами.

Взаимодействие ювенильного флюида с перидотитами. Повышенные содержания хрома в рассеянных низкотитанистых роговых обманках свидетельствуют о химическом переуравновешении флюида с перидотитами. В рассчитанной модели взаимодействия перидотита с водным ювенильным флюидом было оценено влияние на состав амфибола разных составов флюида и различных соотношений перидотита и флюида. Последний параметр оценивался по величине X, представляющей собой стехиометрический коэффициент основанной на реальных составах минералов реакции

13.782Opx+7.683Cpx+XFl=1.000Hbl+12.804Opx₂+7.021Cpx₂+0.709Ol+YFl' (16),

где индексом 2 отмечены составы перекристаллизованных пироксенов, Fl - состав исходного флюида, а Fl' - состав флюида, равновесного с продуктами реакции. Наилучшее соответствие измеренного и рассчитанного составов амфиболов установлено для варианта реакции с гарцбургитом небольшого количества (X=5) умеренно дифференцированного флюида (около 900^oC), что отвечает величине параметра флюид/порода порядка 0.2 (Рис.20). После отделения от расплава и остывания флюид быстро обедняется растворенными компонентами, так что уже после его остывания на 70-100^о метасоматизирующий эффект при его взаимодействии с перидотитами практически не проявляется, и наиболее низкотемпературные метасоматические роговые обманки в перидотитах по составу аналогичны метаморфическим (Рис.20).

Проведенное моделирование позволило оценить для ряда элементов величины коэффициентов распределения ювенильный флюид/расплав при 1000^оС и 5 кбар. Они составляют 0.0018 для La, 0.0034 для Ce, 0.0063 для Nd, 0.0088 для Sm, 0.0123-0.0138 для более тяжелых РЗЭ, 0.004 для Ba, 0.0025 для Nb, 0.018 для Sr, 0.0133 для Zr, 0.0278 для Ti, 0.0035 для Li и 0.0171 для Y.

Рис.20. Сопоставление рассчитанных составов амфиболов, образующихся при реакции умеренно дифференцированного водного ювенильного флюида (F2) с перидотитом при разных относительных количествах флюида с измеренным составом рассеянного амфибола в перидотите 68-14D и модельным составом амфибола (isochem), равновесного с первичным клинопироксеном этого образца.

Кристаллизация слюды и амфибола приурочена к поздней стадии кристаллизационной дифференциации расплавов, когда перидотиты уже остыли до температуры ниже солидусной. Это не позволяет рассматривать слюду и роговую обманку в метасоматизированных шпинелевых перидотитах СОХ в качестве возможных источников воды и некогерентных элементов в процессе плавления мантийных источников: их кристаллизация фактически знаменует завершение магматизма. Источником воды и некогерентных элементов для исследованных проявлений мантийного метасоматизма являлись привносимые в систему расплавы, образованные при крайне низких степенях плавления мантийного источника, близкого по составу к РМ или обогащенному мантийному источнику, и сильно обогащенные водой, калием и другими сильно несовместимыми элементами.

Проведенное исследование убедительно доказывает, что метасоматическая стадия эволюции мантийного вещества проявлена не только во внутриплитной и надсубдукционной обстановках, но и в обстановке срединно-океанических хребтов.