Петрология и минеральная хронометрия коровых эклогитов

В главе содержаться оригинальные данные по петрологии и минеральной хронометрии эклогитов. Приводятся также новые материалы по эволюции высокобарного метаморфического флюида в модельной тройной системе NaCl-H₂O-CO₂. На основе новых материалов и литературных данных по региону предлагается петротектонический сценарий подъема крупного континентального блока.

Комплекс Берген Аркс в западной Норвегии является аллохтоном, выведенным в средние горизонты земной коры в эпоху Каледонской коллизии (Boundy et al., 1996). Протолитом пород КБА являются метаморфизованные породы докембрийского анортозитового комплекса (Austrheim, Griffin, 1985). Внедрение анортозитового комплекса происходило при 1000 ^oC и максимальном давлении ~9 кбар (Austheim, Griffin, 1985) во время Гренвильского этапа орогении (Cohen et al., 1988; Austrheim, Mork, 1988). Изотопные датировки этого события приходятся на интервал 1300-870 млн. лет (Scharer, 1980). Комплекс имеет сложную полиметаморфическую историю:

(1) Самая ранняя и наиболее полная перекристаллизация пород комплекса произошла в протерозое (Cohen et al.,1988; Burton et al., 1995) в условиях гранулитовой фации метаморфизма (T=800-850^oC и P<10 кбар). В новообразованную минеральную ассоциацию вошли Pl+Di (богатый Al) + Grt Opx Sca Hbl Spl (Austrheim, Griffin, 1985; Cohen et al., 1988).

(2) Во время каледонской орогении гранулиты были частично перекристаллизованы в эклогиты (Austrheim, Griffin, 1985; Jamtveit et al. 1990; Erambert, Austrheim, 1993; Перчук, 2002). Минералообразование этого этапа (Grt+Omp+Qtz Prg Phn Am Czo Rut) проявлено лишь на участках проникновения флюида. Их мощность меняется от первых сантиметров до километра. Р-Т условия этого события находятся в пределах 670-800 ^o C и 15-21 кбар (Austrheim, Griffin, 1985; Boundy et al., 1992; Jamtveit et al., 1990). Последние радиометрические датировки дают возраста 442-460 млн. лет (U-Pb и Sm-Nd методы, Boundy et al., 1997; Bingen et al 2001).

Рис. 4.2. Р-Т эволюция метаморфизма эклогитов комплекса Берген Аркс. Линии: жирная со стрелкой - Р-Т тренд регрессивного метаморфизма; пунктирная - гипотетический Р-Т тренд для гранулитов (детали в тексте). Grt-Cpx - изо-Kd линии Grt-Cpx термометра.

(3) Регрессивный метаморфизм в условиях амфиболитовой фации затронул как гранулиты, так и эклогиты. Реконструкции Р-Т условий этого этапа не проводилось. Датировки Ar/Ar возраста для амфибола и мусковита находятся в интервалах - 448-455 и 429-463 млн. лет, соответственно (Boundy et al., 1996).

Замещение гранулита эклогитом можно наблюдать даже в пределах одного зерна граната: здесь высокомагнезиальное ядра гранулитового этапа обрастают тонкими каймами более железистого эклогитового граната, выполняющего также линейные участки (напоминающие стрингеры), в которых нередко встречаются цепочки мелких включений омфацита и кварца (рис. 4.1).

Изучение равновесий показывает, что минералообразование на пике метаморфизма отвечало Р-Т условиям 730^oC и 19 кбар, при активностях воды и углекислоты а^fl_Н2О ~ 0.4, а а^fl_СО2~ 0.5 (рис.4.2). Р-Т условия регрессивного метаморфизма прослеживаются до 500^oC и 6 кбар. Эволюция флюида вдоль Р-Т тренда метаморфизма восстанавливалась с помощью фазовых диаграмм, рассчитанных с помощью термодинамических данных (Clark, 1959; Robie 1978; Геря, Перчук 1997; Aranovich et al 1996, 2000) для модельной тройной системы H₂O-CO₂-NaCl.

Рис. 4.3. Изменение фазового состава флюида вдоль Р-Т тренда метаморфизма. (б-г) модельные фазовые диаграммы H2O-CO2-NaCl при Р-Т параметрах метаморфизма - 730оС/19 кбар (стабилен гомогенный флюид), 660оС/15 кбар (стабилен рассол с солью) и 500оС/6 кбар (стабилен двух-фазный флюид с солью). Кружок- состав флюида на пике метаморфизма.

Изучение модельной системы показывает, что флюид сохраняет гомогенное состояние лишь на начальной стадии декомпрессии. Впоследствии он разделяется на водно-солевую и существенно углекислую составляющие. Заметим, что в жильных синметаморфических породах комплекса были обнаружены 2 типа флюидных включений - водно-солевые и азотно-углекислые (Andersen et al, 1991).

Для определения скоростей температурной и барической истории эклогита мы моделировали сглаживание градиента концентрации Fe и Mg на границе стрингера с вмещающим гранатом. Учитывая морфологию стрингеров, решалась задача о диффузии в тонком слое (ур-е 1.14).

Результаты моделирования показывают, что период охлаждения и декомпрессии, в течение которого поддерживался эффективный массоперенос (730^o С/19 кбар 600^o С/ 12 кбар), продолжался около 0.8 млн. лет. В приближении линейной зависимости Р и Т от времени были получены средние скорости охлаждения и подъема 160 ^оС/млн. лет и 3 см/год, соответственно. Обратим внимание на то, что остановка минералогического хронометра в данном случае произошла задолго до того, как в породе прекратились минеральные реакции регрессивного этапа.

Геологическое положение комплекса Берген Аркс и петрологические особенности находящихся в нем пород можно объяснить в рамках тектонической модели А.

Шеменды (Chemenda et al., 1996; Chemenda et al, 2000), разработанной в аналоговых экспериментах и апробированной на природных объектах. В основу модели положен механизм отделения от плиты и "всплывания" в межплитной области крупного блока легких коровых пород в обстановке континентальной коллизии (Рис.4.4а-б).

Согласно палеотектоническим реконструкциям (Torswik et al., 1988) в ордовике и нижнем силуре Балтия двигалась на север, по направлению к Лаврентии со скоростью ~8-10 см/год. Коллизия континентов привела к погружению краевой части Балтии (Andersen et al 1990). Гранулиты комплекса Берген Аркс, по нашим представлениям, находились в основании погружающейся континентальной коры. Отделение фрагмента континентальной коры и его подъем переместило гранулиты на поверхность субдуцирующей континентальной плиты (рис. 4.4б), выполненной слабо метаморфизованными осадочными породами (van Wyck et al., 1996). Флюид в этой ситуации просачивался в сухие гранулиты, способствуя их быстрой перекристаллизации при Р-Т условиях эклогитовой фации метаморфизма (рис. 4.4б). Такой сценарий указывает на возможность парадоксальных соотношений между гранулитами и эклогитами: эклогиты являются наиболее глубинными по фациальной принадлежности метаморфическими породами, но их формирование происходило при подъеме гранулитов. В соответствии с этим сценарием индикаторы ультравысокобарных условий следует искать не в эклогитах, а в гранулитах.

Рис. 4.4. Петродинамическая эволюция комплекса Берген Аркс при коллизии континентов (Chemenda et al. 1996, с изменениями): (a) возникновение разлома на ранней стадии коллизии. Кружок- индикатор положения гранулитов. (б) "всплывание" блока относительно легких континентальных пород. Стрелки - движение флюида. Условные обозначения: 1- верхняя и нижняя кора; 2- литосферная мантия; 3 - эклогит; 4- нестратифицированная литосферная плита.