Петрология и минеральная хронометрия коровых эклогитов

Актуальность. Высокобарные и ультравысокобарные метаморфические породы являются уникальными свидетелями и активными участниками глубинных геологических процессов, протекающих в зонах конвергенции литосферных плит. Несмотря на возрастающую интенсивность исследований и стремительный рост числа публикаций (Godard, 2000, Fig. 7), многие тектоно-метаморфические процессы в зонах конвергенции плит продолжают оставаться загадочными. К их числу относятся механизмы вывода глубинных (50-120 км) метаморфических пород в средние и верхние горизонты земной коры ("Эклогиты и глаукофановые сланцы ", 1989; Ernst et al 1997; Ревердатто, Шеплев, 1998; Добрецов, 2000; Gerya et al 2002). Немало дискуссий связано с фазовыми превращениями и изменением состава фаз в эклогитах, а также с ролью, составом и миграцией флюида в зонах субдукции (Poli, Sсhmidt, 1997; Scambelluri, Philippot, 2000; Jamtveit, 2000; Hacker et al, 2003). Все более пристальное внимание уделяется деформациям, установлению реологических свойств высокобарных пород и распределению напряжений в плите (Kirby et al, 1996; Stoeckhert, Renner, 1998).

В последние годы расширяются возможности тестирования различных геотектонических моделей посредством численных экспериментов. Данные по эволюции термодинамических параметров метаморфизма и скоростям их изменения, восстановленные с помощью петрологических и геохронологических методов, служат важным критерием адекватности модели моделируемому геологическому процессу. Благодаря прогрессу в геотермобарометрии за последние годы был накоплен значительный объем фактического материала по Р-Т трендам метаморфизма пород эклогитовых комплексов (например, Перчук, 1973; Schertl et al. 1991; Spear, 1993; Кориковский, 1995; Zhang et al., 1997; Perchuk et al., 1999). На этом фоне сведения о скоростях протекания геодинамических процессов и изменении термальной структуры зон субдукции, т.е. о временной составляющей Р-Т трендов, весьма скудны. Защищаемая работа призвана, в значительной степени, ликвидировать этот пробел.

Цель и задачи исследований. Основная цель исследований - определить количественные характеристики термодинамического режима метаморфизма и скорости термальной и барической истории коровых эклогитов в различных палеотектонических обстановках. Для ее реализации были сформулированы следующие основные задачи:

• Анализ и обобщение экспериментальных и термодинамических данных по минеральным равновесиям - индикаторам физико-химических условий образования и высокобарных пород.
• Выявление минералогических и петрологических особенностей высокобарных пород, закономерностей смены минеральных парагенезисов и реконструкция эволюции главнейших параметров метаморфизма.
• Выяснение состава метаморфического флюида в эклогитах путем изучения флюидных включений в минералах и термодинамического расчета минеральных реакций с участием летучих.
• Изучение типов химической неоднородности граната и установление ее природы.
• Разработка и развитие метода минеральной хронометрии для определения скоростей термальной и барической истории пород.
• Установление абсолютных возрастов метаморфических событий с использованием геохронологических методов с разными температурами закрытия изотопных систем. Интерпретация полученных данных с учетом результатов минеральной хронометрии.
• Обобщение данных по скоростям термальной и барической эволюции пород, полученных на основе петрологического и геохронологического изучения коровых эклогитов из разных метаморфических комплексов.
• Анализ геодинамических моделей вывода высокобарных и ультравысокобарных пород в средние и верхние горизонты земной коры и создание модели, согласующейся с оригинальными петрологическими данными.

В основе работы лежат результаты экспериментальных, теоретических и полевых исследований автора, полученные в течение 16 лет. Экспериментальные работы проводились на установке цилиндр-поршень в ИЭМ РАН. Образцы для петрологических и изотопных исследований высокобарных пород Большого Кавказа были собраны автором во время полевых работ 1987-1990 гг. Для изучения эклогитов Кокчетавского массива (Сев. Казахстан) и комплекса Юкон-Танана (Канада) использовались коллекции образцов В.О. Япаскурта и П. Филипо, соответственно. Образцы эклогитов из комплекса Берген Аркс (Норвегия) были любезно предоставлены Х. Астрхаймом и М. Эрамбер. Микрозондовые анализы (более 12000) и исследования на сканирующем электронном микроскопе в разные годы выполнялись в ИГЕМ РАН, в ИЭМ РАН, на кафедрах петрологии и минералогии МГУ им. Ломоносова, в Центре CAMPARIS университета Париж-7 (Франция), в университете г. Клермон-Ферана и в Рурском Университете (Бохум, Германия). Геохронологические исследования выполняли: В.Ю. Герасимов в ИГЕМ РАН (Ar-Ar метод), Я. Бличер-Тофт (Blichert-Toft) в Высшей Школе Леона, Франция (Lu-Hf метод) и С. Коста (Costa) в институте Макса- Планка, Майнц, Германия (Sm-Nd метод). При изучении флюидных включений использовалось крио- и термоустановки лаборатории геохимии ИГЕМ РАН. Численное моделирование процессов в зоне субдукции выполнялось Т.В. Герей. Математическое моделирование диффузионных процессов и определение Р-Т параметров метаморфизма производились с помощью собственных оригинальных программ.

• Получены первые и единственные на сегодняшний день экспериментальные данные по системе альбит-геденбергит-кварц. С использованием этих и известных в литературе данных по системе альбит-диопсид-кварц создан клинопироксен-плагиоклаз-кварцевый геобарометр для высокобарных пород, в аналитическом выражении которого учитываются фазовые переходы в структурах омфацита и альбита.
• Впервые показано, что метод минеральной хронометрии (геоспидометрия) может использоваться в целях восстановления скоростей вертикального перемещения пород в земной коре и мантии.
• Разработан новый подход в минеральной хронометрии, позволяющий восстанавливать продолжительность прогрессивного и регрессивного этапов метаморфизма дискретно, а также фиксировать момент остановки минералогического хронометра.
• Всесторонне изучен новый тип гетерогенности граната - стрингеры. С использованием микрозондового анализа и модели диффузии по границам зерен предложен механизм образования стрингеров и на их основе создан высоко эффективный минеральный хронометр.
• Впервые методами изотопной геохронологии и минералогической хронометрии проведено сравнительное изучение скоростей изменения Р-Т параметров метаморфизма в одних и тех же образцах эклогитов и показано хорошее согласование полученных результатов.
• Предложена новая модель формирования и подъема эклогитов в субдукционном канале, образование и развитие которого происходило за счет гидратации и серпентинизации пород в мантийном клине. На примере эклогитов Юкона доказано, что численный эксперимент по зарождению субдукции хорошо согласуется с результатами петрологического исследования.
• Впервые экспериментально воспроизведены "пятнисто-блоковые" микроструктуры, возникающие при частичном плавлении включений водосодержащих минералов в гранатах. Аналогичные микроструктуры можно встретить в эклогитовых комплексах Норвегии и Кокчетавского массива.

Практическое значение. Основные результаты исследований связаны с фундаментальными проблемами петрологии и геодинамики глубинных процессов в зонах конвергенции литосферных плит. Важное практическое следствие этих процессов - образование и вывод на поверхность алмазоносных метаморфических комплексов, а также катастрофические явления (островодужный вулканизм и землетрясения). Разработанный подход к реконструкции динамических аспектов метаморфизма может использоваться в практике фундаментальных и прикладных исследований.

1) Впервые выполнено экспериментальное исследование реакции NaAlSi₃O₈=NaAlSi₂O₆+SiO₂ в системе альбит-геденбергит-кварц и на основе ее совместной термодинамической обработки с экспериментальными данными по системе альбит-диопсид-кварц создана новая версия клинопироксен-плагиоклаз-кварцевого геобарометра, в которой учитываются эффекты упорядочения структур клинопироксена и плагиоклаза.

2) Разработаны новые методы минеральной хронометрии, позволяющие проводить реконструкцию скоростей термальной и барической эволюции пород на прогрессивном и регрессивном этапах метаморфизма с оценкой температуры (давления, времени) прекращения эффективного массопереноса и "остановки" минерального хронометра.

3) На примере высокобарных метаморфических комплексов Большого Кавказа, Канадских Кордильер, Кокчетавского массива и Западной Норвегии показано, что скорости подъема эклогитов (1-6 см/год) из разных геодинамических обстановок сопоставимы со скоростями конвергенции литосферных плит, а декомпрессия сопровождается очень быстрым охлаждением (70-470 ^град/_{млн. лет}). Прямой изотопно-геохронологический контроль подтверждает возможность высоких скоростей изменения Р-Т параметров, установленных с помощью минеральной хронометрии.

4) Впервые создана численная модель саморазвивающегося субдукционного канала и возникновения в нем вязкого течения вещества, приводящего к формированию и эксгумации высокобарных пород (эклогитов и глаукофановых сланцев). На примере эклогитов Юкона (Канада) продемонстрирован высокий уровень согласования эволюции P-T параметров метаморфизма и динамики их изменения с результатами численных экспериментов.

Апробация работы. Результаты проведенных исследований изложены в 47 научных статьях и тезисах докладов, а также в отчетах по возглавляемым автором инициативным проектам РФФИ, Международного Научного Фонда и Правительства России. Основные результаты докладывались на научных конференциях и симпозиумах, в числе которых Congress of European Union of Geosciences (Страсбург, Франция, 1995, 1997, 1999), International Eclogite Conference (Aскoнa, Швейцария, 1997), "Проблемы генезиса магматических и метаморфических пород" (Санкт-Петербург, 1998), International Workshop "UHP Metamorphism and Exhumation" (Стэнфордский Университет, США, 1998), AGU Meeting Fall (Сан-Франциско, США, 1998), Krauskopf symposium "Frontiers of geochemistry" (Стэнфордский Университет, США, 1999), Международная конференция посвященная 100-летию со дня рождения Д.С. Коржинского "Физико-химические проблемы эндогенных процессов" (ИГЕМ РАН, Москва, 1999), 2-е Всероссийское Петрографическое совещание (Сыктывкар, 2000), международная конференция "Deformation Mechanisms Rheology and Tectonics" (Утрехт, Голландия, 2001), 11^th Goldschmidt Conference (Хот Спрингс, CША, 2001), международная конференция по Тектонике Плит (Москва, 2001), Международная конференция "Margins" (Киль, Германия, 2002), EGS - AGU - EUG Joint Assembly (Ницца, Франция, 2003), Jahrestagung der Deutschen Mineralogischen Geselschaft (Бохум, Германия, 2003), Alice Wain Memorial Western Norway Field Eclogite Symposium (Салье, Норвегия, 2003).

Структура работы. Диссертация объемом 333 страницы состоит из введения, 6 глав, заключения и приложения; содержит 35 таблиц, 116 рисунков и список литературы из 542 наименований.

Благодарности. Особую благодарность и признательность автор выражает своему учителю Л.Л. Перчуку за постоянный интерес к работе, консультации и ценные советы. Автор считает приятным долгом поблагодарить И.Д. Рябчикова, С.П. Кориковского и А.В. Гирниса за поддержку и конструктивные замечания. Выполнению работы во многом способствовало тесное сотрудничество на разных этапах исследований с Л.Я. Арановичем, Я. Бличер-Тофт, М. Бурхардом, Д.В. Варламовым, С. Коста, В. Марешем, С.К. Подлесским, Х-П. Шертлом, Б. Штокертом, В.О. Япаскуртом и особенно с В.Ю. Герасимовым, Т.В. Герей и П. Филипо. Пользуюсь случаем, чтобы выразить им свою искреннюю благодарность. Автор глубоко признателен А.Д. Бабанскому, А.А. Борисову, Е.Н. Бурову, Г. Годару, Д. Вилзёфу, Н.Б. Кузнецову, В.Б. Наумову, Ю.Ю. Подладчикову, А.Н.Б. Полякову, И.П. Солововой, Ш. Чакраборти и В. Шрайеру за помощь, консультации и конструктивные замечания на разных этапах исследований, а также всем сотрудникам, оказавшим большую помощь в аналитических исследованиях. Исследования выполнялись при финансовой поддержке Российского Фонда Фундаментальных исследований (инициативные проекты автора N 95-05-14107, 97-05-64418, 01-05-64585, и Л.Л. Перчука "Ведущие научные школы России" - гранты NN 98-15-470, 00-15-98519 и 1645.2003.5), Фонда им. Александра Гумбольдта (Германия), Международного Научного Фонда и Правительства России (грант N JDJ100), проектов по сотрудничеству РАН и CNRS (N 2632 и 7768).