Петрология и минеральная хронометрия коровых эклогитов

Глава 3. Эклогиты комплекса Юкон-Танана, Канада

В главе содержатся результаты петрологических и геохронологических исследований эклогитов из района Фаро, комплекс Юкон-Танана, Канада (Perchuk et al., 1999; Перчук, Филипо, 2000; Philippot et al., 2002), залегающих среди глаукофановых сланцев, слюдистых гнейсов и кварцитов. Приводиться необычный для высокобарных пород Р-Т тренд метаморфизма, направленный против движения часовой стрелки. Показываются разные типы химической зональности в гранатах и методика получения по ним (с помощью минеральной хронометрии) дискретных оценок скоростей изменения давления и/или температуры на прогрессивном и регрессивном этапах метаморфизма. Особенности метаморфической эволюции эклогитов Фаро сопоставляются с результатами численного моделирования вязкого течения вещества в саморазвивающемся субдукционном канале на стадии зарождения субдукции (Перчук, Геря, 2004).

Эклогиты Центрального Юкона, впервые описанные (Тempleman-Kluit, 1970), залегают в пределах полиметаморфического комплекса Юкон-Танана, расположенного в западном обрамлении Северо-Американской платформы (Erdmer, 1986). Считается (Тempleman-Kluit, 1979; Erdmer 1986), что комплекс был надвинут на окраинную часть платформы во время мезозойской коллизии островной дуги с континентом. В составе комплекса выделяются три аллохтона. Эклогиты Фаро вместе с вмещающими породами относятся к аллохтону, сложенному вулканогенно-осадочными породами и рассматриваются как часть тектонического меланжа в зоне субдукции (Erdmer, 1986). Протолитом эклогитов являются породы основного состава океанической плиты, вовлеченные в субдукцию (Erdmer, Helmstaedt, 1983; Hansen, 1991). Датирование фенгитов из эклогитов дает хорошую сходимость K/Ar и ⁴⁰Ar/³⁹Ar возрастов - 25513 (Wanless et al., 1978) и 2603 млн. лет (Erdmer et al., 1998).

В районе Фаро обнаружены линзовидные тела эклогитов мощностью от 1 до 4 м (Erdmer, Helmstaedt, 1983; Erdmer et al., 1998). Вмещающими породами для эклогитов являются графитсодержащие кварциты, слюдистые гнейсы и бластомилонитизированные кварц-слюдяные сланцы с глаукофаном, гранатом, хлоритом и альбитом. Полевые взаимоотношения между эклогитами и вмещающими породами остаются невыясненными ввиду плохой обнаженности.

Изученные образцы эклогитов отличаются хорошей сохранностью высокобарного парагенезиса (Gtr+Omp+Qtz). Структура породы порфиробластовая, текстура сланцеватая. В ядерной части граната содержатся многочисленные включения кварца, омфацита, клиноцоизита, парагонита, фенгита и рутила. Среди включений иногда встречаются мельчайшие реликты граната ранней генерации (рис.3.1). В некоторых зернах граната обнаруживаются стрингеры прогрессивного этапа метаморфизма.

Рис 3.1 Субидиоморфный гранат-включение (показан стрелкой) в ядре порфиробласта граната. Изображение в отраженных электронах.

Ретроградные изменения породы отчетливо проявлены на локальных участках, где омфацит и кварц замещены сегрегацией Phn+Prg+Am+Chl+Czo. Реликтовый гранат в сегрегации резорбирован и окружен тонкими каймами хлорита и/или фенгита. Для регрессивной стадии характерны и другие реакции гидратации. Однако замещение омфацита и кварца Cpx-Pl симплектитами, вызванное декомпрессией и характерное для подавляющего большинства коровых эклогитов (Перчук, 1993; Arenas et al., 1997) в эклогитах Фаро не обнаружено. Заметим, что отсутствие симплектитов в данном случае не может быть связано с кинетикой, так как омфацит и кварц не реагировали друг с другом на регрессивной стадии даже в присутствии водного флюида (катализатора).

В идиобластах граната отчетливо выражена концентрическая ростовая зональность, проявленная в виде замещения Fe Mg в краевой части

граната (рис. 3.2). Реликтам граната ранней генерации присуще повышенное содержание Са (рис.3.2); переход к "вмещающему" гранату осуществляется достаточно резко, с сохранением высокого градиента концентрации. Стрингеры, находящиеся в ядерной части граната, обладают повышенной магнезиальностью. Омфацит составляет основную ткань матрицы эклогита, а также образует включения в гранате. Для включений характерно закономерное изменение состава: те, что расположенны в краевой части граната, имеют более высокие содержания жадеитовой молекулы, чем включения в ядре.

Термобарометрические оценки по составам сосуществующих минералов во включениях и в матриксе показывают возрастание Р-Т условий метаморфизма от ~520^oС / 11 кбар до 660^oС / 15 кбар. Отсутствие Cpх-Pl симплектитов указывает на то, что омфацит и кварц находились на регрессивной стадии метаморфизма в поле своей стабильности. Следовательно, Р-Т тренд метаморфизма имел очень редкое для высокобарных пород направление против движения часовой стрелки (рис. 3.3). Соответствующая траектория Р-Т тренда свойственна породам, образованным на стадии зарождения зоны субдукции (Cloos, 1982; Gerya et al., 2002).

Рис. 3.3. Р-Т эволюция метаморфизма эклогитов из района Фаро и стадии образования различных типов гетерогенности граната. Абсолютные возраста в млн. лет. (б) Схема изменения давления и температуры во времени в связи с показаниями минералогических хронометров. Серым цветом показано время предполагаемого образования стрингеров.

Методика определения продолжительности прогрессивного и регрессивного этапов метаморфизма схематично представлена на рис. 3.3. Согласно ней общее время метаморфизма (t₁) оценивается по частичной гомогенизации включений граната в гранате. Регрессивная составляющая времени (t₂) рассчитывается с помощью стрингеров. Продолжительность прогрессивного этапа есть разница между (t₁) и (t₂) (рис. 3.3б). Моделирование диффузионной модификации высокоградиентных участков осуществлялось с помощью программы XXL. Частичная гомогенизации стрингера моделировалась с помощью уравнения (1.14) в отношении Fe и Mg - главных изоморфных компонентов. Соответствующий расчетный профиль равномерного охлаждения породы от 660 до 540^оС при Р=15 кбар в течение ~0.36 млн. лет показывает хорошую сходимость c распределением компонентов на микрозондовом профиле (рис. 3.4а). Частичная гомогенизация включения граната в гранате моделировалась с помощью уравнения диффузии в сфере (1.12) для неизотермического случая с потоками трех компонентов - Ca, Fe и (Mg+Mn).

Соответствующие коэффициенты самодиффузии брались из работ Schwandt et al (1996), Ganguly et al (1998). Моделируемая постростовая история включения граната в гранате охватывает два метаморфических эпизода - прогрессивный (540^оС/11 кбар 660^оС/15 кбар) и регрессивный (660/15кбар 570^оС/15 кбар). Длительность регрессивного этапа, как было установлено выше, составляет ~0.36 млн. лет. Поэтому задача заключалась в определении времени прогрессивного этапа, при котором воспроизводился бы микрозондовый профиль через включение граната. Искомый профиль отвечает времени прогрессивного метаморфизма 0.08 млн. лет и продолжительности субизобарического охлаждения - 0.36 млн. лет (рис.3.4 б). Таким образом, цикл метаморфизма при эффективном массопереносе длился ~0.44 млн. лет. Заметим, что при использовании метода изотермического приближения (T_х =0.97*Т _max, Chakraborty, Ganguly, 1991), общее время метаморфизма сокращается до ~0.24 млн. лет.

По непродолжительному эпизоду (0.08 млн.лет) возрастания давления (~4 кбар) и температуры (~120^o С) на прогрессивном этапе метаморфизма устанавливаются крайне высокие скорости погружения и нагревания эклогита - 15 см/год лет и 1500^oС/ млн. лет, соответственно. Аналогичные вычисления, выполненные для регрессивного этапа, дают скорость субизобарического охлаждения - 250^oС/ млн. лет.

Рис. 3.4. Моделирование диффузионной гомогенизации стрингера (а) и включения граната в гранате (б). Пунктирные линии - исходные профили. Сплошные линии - результаты моделирования. Точки и квадраты - микрозондовые анализы. Цифры - время (млн. лет).

Для определения Lu-Hf возраста эклогитового метаморфизма использовались два свежих образца эклогита. Изохроны строились по двум (гранат-омфацит) и трем точкам (гранат-омфацит-валовая проба). Абсолютные возраста укладываются в относительно узкий диапазон значений от 252 7 до 264 6 млн. лет, перекрываясь с известными ранее Ar-Ar возрастами фенгитов (Erdmer et al. 1998). Фенгиты (из того же эклогитового тела) датировались с помощью метода ступенчатого отжига (256 3 млн. лет) и с помощью лазерного метода (интегральный возраст 261 2 млн. лет) (Erdmer et al., 1998). Таким образом, разные радиометрические методы дают довольно близкие значения возраста. Если учесть, что температуры закрытия соответствующих изотопных систем в минералах различаются (рис.3.3а), можно прийти к заключению, что результаты изотопных исследований подтверждают высокие скорости остывания эклогитов.

Необычный для высокобарных пород Р-Т тренд метаморфизма, направленный против движения часовой стрелки (рис.3.3а), удалось воспроизвести с помощью разработанной нами модели вязкого течения в саморазвивающемся субдукционном канале (Глава 6). При этом форма канала не задавалась, а менялась в соответствии с эволюцией термальной и петрологической структур зоны субдукции. Предполагалось, что образование субдукционного канала происходит преимущественно за счет гидратации и серпентинизации вышележащих мантийных пород. Моделирование погружения плиты с возрастом 40 млн. лет под углом 60^о при скорости конвергенции 15 см/год показывает (рис. 3.5а), что Р-Т тренд, направленный против движения часовой стрелки, характерен для пород, попавших в передовую (глубинную) часть субдукционного канала на ранней стадии субдукции. Канал здесь настолько узок, что в нем отсутствует возвратное течение. Охлаждение эклогитов (и ассоциирующих с ними пород) на этой стадии происходит за счет депрессии изотерм. По мере расширения субдукционного канала возвратное течение достигает рассматриваемых эклогитов и уносит их обратно к земной поверхности (рис.3.5). Таким образом, специфическая траектория, направленная против движения часовой стрелки, связана не только с перемещением пород, но и с изменением термальной структуры зоны субдукции.

Рис.3.5. Последовательные стадии развития субдукционного канала (клиновидная область над субдуцирующей плитой) и течение в нем маловязкого вещества. Для каждой стадии приводится Р-Т тренд, соответствующий квадратному маркеру. На последней Р-Т диаграмме показан также Р-Т тренд метаморфизма эклогитов Фаро, Юкон (серая стрелка). Условные обозначения: 1- сухая мантия; 2 - серпентинизированная мантия; 3 - (мета)базальты; 4 - (мета)габбро; 5- (мета)осадки. Детали в главе 6, а также в работе (Gerya et al., 2002).

Численные эксперименты показывают, что температура и давление в ходе эволюции породы (маркеры) меняются почти линейно. При этом отмечаются крайне высокие скорости нагревания и погружения - 1500^оС/млн. лет и 14 см/год, соответственно, за которыми следует субизобарическое охлаждение со скоростью ~250 ^оС/млн. лет. Таким образом, сопоставление результатов численного эксперимента с Р-Т-t данными по эклогитам Фаро показывает неплохую сходимость как на качественном, так и на количественном уровне.