Петрология и минеральная хронометрия коровых эклогитов

Глава 6. Механизмы подъема эклогитов

В начале главы дается краткий обзор основных моделей эксгумации эклогитов. Рассматриваются модели углового потока (Hsu, 1973; Hamilton, 1977; Dobretsov, Kirsiashkin, 1991), потока в канале (Cloos, Shreve, 1988a, 1988b; Schreve, Cloos, 1986), аккреции (Oxburg, 1972; Mattauer, Tapponnier, 1978; Davy, Gillet, 1986; Cuthbert, Carswell, 1990), всплывания (диапиризма) (Ernst, 1976; England, Holland, 1979; Feininger, 1980; Coleman, 1980, Perchuk et al., 1992, Chemenda et al., 1995, 1996, 1997, Burov, 2003), раскола плиты ("slab break-off", Davies, Blanckenburg, 1995, 1998;

Maruyama et al., 1996; Liou et al., 1997), изостатической компенсации (Andersen et al., 1991; Le Pichon et al 1997; Stuwe, Barr, 1998) и пластичного шарнира (Burov et al., 2001).

За последние два десятилетия опубликовано немало теоретических, численных и аналоговых исследований физических, геотектонических и петрологических свойств зон субдукции и возможных механизмов их образования (например, Hsu, 1971, Cloos, 1982, 1985, 1993; Cloos, Schreve, 1986; Platt 1986, 1993; Соболев и др. 1989; Добрецов, Кирдяшкин, 1993; Maruyama et al. 1996; Добрецов, 2000, Gerya et al., 2002 и ссылки в них). В этих исследованиях показывается, что Р-Т условия, необходимые для формирования высокобарных пород, создаются при субдукции (в том числе континентальной) литосферных плит. Тем не менее, остается открытым вопрос, каким образом эти породы возвращаются на земную поверхность. В главе предлагается модель саморазвивающихся аккреционной призмы и субдукционного канала, форма которых не задавалась, но менялась в соответствии с эволюцией термальной и петрологической структур зоны субдукции и зависела от миграции флюида из субдуцирующей плиты в вышележащую мантию, вызывая гидратацию последней. Эта модель позволяет восстановить этапы зарождения аккреционной призмы и субдукционного канала, а также проследить развитие в них тектонического меланжа и связанных с ним процессов формирования и эксгумации высокобарных пород.

При моделировании использовались три дифференциальных уравнения - Стокса, непрерывности и теплопереноса, справедливые для течения несжимаемой теплопроводящей вязкой среды в гравитационном поле. Для описания вязкости использовались калибровки реологических уравнений (Ranalli, 1995). Переход породы из хрупкого состояния в вязкое задавался Мор-Колумбовской вязкостью (Schott, Schmeling, 1998), рассчитываемой по закону Баэрли (Brace, 1980). При решении дифференциальных уравнений использовался метод конечных разностей на прямоугольной неподвижной регулярной сетке. Изменение геометрии счетной области рассчитывалось по методу маркеров (Weinberg, Schmeling, 1992). Описание методики численных экспериментов приводится в работе Gerya et al. (2002).

Рис 6.1 Модель гидратации мантийного клина

Нами предполагалось, что субдукция зарождается вдоль ослабленной зоны (зона тектонических нарушений с высоким флюидным давлением), мощностью в 4 км, имеющей постоянный наклон, отвечающий углу погружения плиты. Реология этой зоны соответствует свойствам оливина в присутствии водного флюида при P_fl/P_s=0.99. Наличие такой зоны создает слабое сцепление висячего и лежачего крыльев, обеспечивая зарождение зоны субдукции (Kincaid, Sacks, 1997; Schmeling et al., 1999). Начальное распределение температуры в пределах счетной области соответствовало океанической геотерме заданного возраста, который в численных экспериментах колебался от 20 до 80 млн. лет.

Граничные условия задавались в соответствии с моделью углового течения (Cloos, 1982; Guichi, Ricard, 1999) с учетом циркуляции астеносферы в висячем крыле. Поле скоростей в астеносфере висячего крыла поддерживалось равным аналитическому решению для углового потока в бесконечном клине. Тестирование данного граничного условия показало, что оно обеспечивает хорошее соответствие численного и аналитического решений для процесса релаксации бесконечного термального профиля (Turcotte, Schubert, 1982).

Баланс воды. В модели использовались концептуальные схемы дегидратации субдуцирующей плиты и соответствующей гидратации мантийного клина (рис. 6.1). В расчетах учитывалось количество водного флюида в плите и динамика его выделения (Peacock, 1985; Schmidt, Poli, 1998), скорость его миграции через мантийный клин и скорость гидратации клина (Gerya et al., 2002).

Реология пород. Гидратация мантийного клина оказывает существенное влияние на реологические свойства пород. Снижение прочности пород в основном контролируется сменой минеральной ассоциации - от безводной (Ol+Cpx) к существенно водной (5-6 вес % воды, Schmidt, Poli, 1998), серпентин-содержащей. Так что поле стабильности антигорита использовалось как петролого-реологическая граница, на которой относительно прочная перидотитовая мантия (Schmidt, Poli, 1998) переходит в

Рис. 6.2 Циркуляция вещества в канале клиновидной формы при зарождении субдукции (Gerya et al., 2002, model A). Левая колонка - эволюция термального поля и распределение пород: 1-осадки; 2- океаническая кора (базальт); 3 - океаническая кора (габбро); 4 - негидратированная мантия; 5 - серпентинезированная мантия; 6 - гидратированная мантия без серпентинитов. Правая колонка - эволюция вязкости (шкала помещена внизу). Поля скоростей показаны стрелками. Модельная область 100 км * 140 км.

ослабленную серпентинизированную (рис. 6.1). Реология негидратированной мантии описывалась ползучестью оливина в сухой системе. Реология прочной гидратированной мантии задавалась ползучестью оливина при высоком давлении порового флюида (P_fl/P_s=0.99) и пределом прочности 50 МПа. Реология ослабленной серпентинизированной мантии, осадочного и базальтового слоев океанической плиты определялись Ньютоновской ползучестью. Для габброидного слоя использовалась ползучесть плагиоклаза (An₇₅ , Ranally, 1995) при P_fl/P_s=0.99.

На самой ранней стадии субдукции возникает малоглубинное (<20 км) вязкое течение метаосадочных пород в пределах аккреционной призмы. По мере прогрессирующей гидратации и серпентинизации мантийного клина начинает формироваться субдукционный канал, в котором зарождаются глубинные (30-70 км) области циркуляции вещества (рис. 6.2). Маловязкая среда в глубинных условиях создается за счет серпентинизированных пород мантийного клина. Именно здесь реализуются Р-Т условия, необходимые для формирования и эксгумации эклогитов. Максимальная глубина развития субдукционного канала ограничена воздействием крупной конвективной ячейки в астеносфере висячего крыла (рис. 6.2).

Влияние основных параметров. Из числа основных параметров, задействованных в численных экспериментах, наибольшее влияние на развитие субдукционного канала и термальную структуру зоны субдукции в целом оказывает скорость конвергенции: при медленном процессе создается более широкая область гидратации, в которую увлекается больше материала океанской плиты, чем в случае быстрой субдукции. Скорость гидратации практически не влияет на количество корового материала, вовлеченного в циркуляцию, но во многом сказывается на пропорции корового материала и серпентинизированного перидотита в субдукционном канале. Угол погружения плиты оказывает существенное влияние на термальную структуру висячего крыла, а также сказывается на положении тектонического окна в приповерхностной области. Значительным оказалось влияние реологии субдукционного канала на внутреннюю структуру тектонического меланжа: снижение эффективной вязкости серпентинизированной мантии способствует дезинтеграции и перемешиванию различных типов пород (рис.6.3).

Рис. 6.3. Влияние реологии серпентинизированной ман-тии на изменение внутренней структуры субдукционного канала (100 км конвергенции). Рисунки представляют собой секции 110*100 км модельной области (Gerya et al., 2002). Условные обозначения те же, что на рис. 6.2.

P-T-t тренды. Многообразие Р-Т трендов метаморфизма высокобарных пород создается изменением термальной структуры и траекториями перемещения пород в субдуккционном канале (рис. 6.4). Скорости изменения Р-Т условий метаморфизма зависят от многих факторов и могут меняться в широком диапазоне значений.

Рис 6.4 Разнообразие Р-Т траекторий для высокобарных пород образованных при клиновидной геометрии субдукционного канала (Gerya et al, 2002). Размер модельной области 140*100 км (а) и место отбора образцов (белый квадрат) , из траектории (б) и Р-Т тренды (в). Условные обозначения те же, что на рис. 6.2.

1) Погружение и эксгумация высокобарных пород в зонах субдукции может быть связано с прогрессивной гидратацией мантийного клина. Этот процесс контролирует форму и характер внутренней циркуляции вещества с субдукционном канале. Гидратация висячего крыла и расширение субдукционного канала способствуют возникновению возвратного потока маловязкого вещества с субдукционном канале. Это объясняет частые находки высокобарных метаморфических пород в ассоциации с серпентинизированными мантийными перидотитами.

2) Форма Р-Т тренда и максимальные значения температуры и давления, которые может достигнуть высокобарная порода, зависят от характера циркуляции вещества в субдукционном канале. Блоки океанической коры, вовлеченные в этот процесс, могут иметь разнообразные Р-Т-t тренды. Тренды, направленные против движения часовой стрелки, возникают в телах, удерживаемых некоторое время без движения в нижней части субдукционного канала. Этот процесс возможен лишь на ранней стадии субдукции, когда происходит изменение термальной структуры. Породы, вовлеченные в непрерывную циркуляцию, обладают Р-Т трендами метаморфизма, направленными исключительно по часовой стрелке.

3) Характерной особенностью метаморфических комплексов, образованных в обстановке субдукции, является многообразие Р-Т траекторий, а не единый Р-Т тренд. При этом размер и форма тел высокобарных пород определяется в основном реологией материала, который слагает субдукционный канал. Моделирование показывает, что низкая вязкость вещества в субдукционном канале ведет к дезинтеграции коровых пород, создавая множество мелких тел разного состава, т.е. то, что принято называть меланжем. И, наоборот, при высокой вязкости возникают вытянутые пластовые тела.