Глава 6. Условия формирования и динамика подъема эклогитов первого структурного типа Кокчетавского комплекса

Для решения проблемы сохранности высокобарных и ультравысокобарных парагенезисов и механизма подъема пород из глубин, значительно превышающих среднюю мощность земной коры, необходимо располагать наиболее полной информацией о Р -Т-t эволюции различных типов пород. С этой целью мы исследовали будинированные эклогиты первого структурного типа из зоны меланжа в районе горы Сулу-Тюбе.

Рис. 6

В условиях высококонтрастного изображения в отраженных электронах хорошо различимы ядро и кайма граната (рис. 6), отличные по составу. Видна редкая для высокобарных минералов сохранность четких кристаллогра-фических очертаний ядра граната, подчеркивающих идиоморфизм раннего (доэклогитового) кристалла. Топохимическое профилирование показало, что высокая контрастность границы между ядром и каймой создается практически скачкообразным увеличением содержания Ca и снижением Fe²⁺ (рис. 7). Этот скачок также маркируется некоторым повышением содержания Mg.

Рис. 7

В пределах выделенных зон роста наблюдается закономерное изменение минеральных включений, отвечающее смене парагенезисов на прогрессивной стадии метаморфизма (переход от эпидот-амфиболитовой к эклогитовой фации). Минеральный парагенезис эпидот-амфиболитовой фации метаморфизма был представлен идиоморфным гранатом, ныне слагающим ядра порфиробластов, а также Czo, Hbl и Qtz, находящимися во включениях в кайме граната. Включения (Ep, Pl) в ядрах граната не относятся к эпидот-амфиболитовому парагенезису, так как они являлись веществом для роста самого идиобласта. Это подтверждается закономерной сменой составов минералов включений от центра к краю ядра граната.

Образование высокобарного парагенезиса граната внешней части каймы с омфацитом происходило исключительно за счет взаимодействия клиноцоизита с амфиболом:

Hbl +Ep ==> (Ca-Mg) Grt +Omp + H₂O

эпидотовый амфиболит==> эклогит

Fe-Mn гранат ядра в реакции не участвовал. Гранат нового (Ca-Mg) состава просто нарастал на его грани, не изменяя ни состава, ни идиоморфных очертаний более раннего граната. Фактически это означает полную изоляцию раннего идиобласта граната при эклогитизации эпидотового амфиболита.

Мы предположили, что исходный переход между ядром и каймой граната был скачкообразным. Соответственно, фиксируемый в настоящий момент микрозондом высокоградиентный участок является результатом частичной гомогенизации, которая имела место в постростовой период, т.е. на стадии регрессивного метаморфизма при подъеме породы. Чтобы охарактеризовать гомогенизацию в гранате количественно, обратимся к теории.

Объемная диффузия в гранате хорошо описывается моделью диффузии в сфере (Jiang & Lassaga, 1990; Muncill & Chamberlain, 1988; Perchuk A.L. & Philippot, 1995). Дифференциальное уравнение в частных производных для диффузии компонента i, обладающего концентрацией С, в сфере (гранате) радиусом 0<r<a имеет вид (Crank, 1975):

,

где D(t) - коэффициент диффузии компонента i, задаваемый как функция времени t=j (Т). Граничные условия этой задачи:

, .

На профиле граната (рис. 7) видно, что резкий переход между ядром и каймой создается прежде всего изменением концентраций Ca и Fe²⁺. Коэффициент диффузии Са в гранате (Schwandt et al., 1996) более чем на порядок ниже аналогичных коэффициентов Fe²⁺, Mg и Mn (Chakraborty & Ganguli, 1992). Следовательно, перемещение компонентов в высокоградиентной зоне граната, согласно теории многокомпонетной диффузии (Perchuk A.L. & Philippot, 1997; Chakraborty & Ganguli, 1992), будет практически полностью определяться диффузией Са.

Поскольку исходный переход между ядром и каймой граната был скачкообразным, математическая форма записи начального условия для нашей задачи имеет вид:

C (0 < r < h, t=0 ) = C₁ ;

C (h < r < a, t=0 ) = C₂ ,

где h - расстояние от центра зерна до перехода ядро-кайма, с соответствующим изменением концентрации Са от С₁ к С₂. Подразумевается гомогенность как ядра, так и каймы. Это, конечно, является приближением. Но в рамках проводимого исследования такое допущение полностью оправдано, поскольку нас интересуют условия сохранения высокого градиента на локальном (шириной около 15 мкм) участке граната.

Для решения диффузионной задачи (изменения концентрации от времени) требуется введение новой безразмерной переменной:

,

где t - параметр интегрирования. Окончательное частное решение дифференциального уравнения, описывающее гомогенизацию граната с первично скачкообразным переходом между ядром и каймой, имеет следующий вид:

где ,

b n - корни уравнения b ncot(b n)=1; r' =r/a и b=h/a.

Согласно этому выражению были рассчитаны кривые последовательной релаксации высокоградиентного участка при t' =10^-5, 10^-4 и 10^-3. При их сопоставлении с реальным профилем граната получено прекрасное воспроизведение профиля кривой, отвечающей t' =10^-5=t' s. Это значение безразмерного времени и следует считать количественной характеристикой гомогенизации граната (Перчук А.Л. и др., 1996), которую можно использовать в качестве чувствительного индикатора скоростей термальной и барической эволюции эклогита.

PT-параметры эклогитового этапа были оценены по составам сосуществующих омфацита и внешней зоны каймы граната. При отсутствии диффузионной обменной зональности на контактах этих минералов, температура 680+ 50^оС была принята как температура пика метаморфизма. Значение минимального давления на пике метаморфизма устанавливалось по максимальному содержанию жадеита в омфаците. Таким образом, параметры равновесия в эклогите составили T=680^оС и P> 14 кбар, что хорошо согласуется с данными В.С.Шацкого и др. (1989) для эклогитов участка Сулу-Тюбе.

Давление регрессивного этапа 4 кбар оценено по составам пироксена и плагиоклаза в клинопироксен-плагиоклазовых симплектитах по омфациту. Соответствующая температура, в отсутствии надежного минералогического термометра в самом эклогите, оценена по вмещающим гранат-андалузит-биотитовым сланцам. Обоснованность такого способа (Перчук А.Л., 1993; Dun & Medaris, 1989) не вызывает сомнений, ибо время термальной релаксации эклогитовых тел существенно ниже времени изменения Р-Т параметров во вмещающей матрице зоны меланжа. Поэтому в данном случае мы использовали температуру 500^оС вмещающих пород (Dobrzhinetskaya et al., 1994). Давление ~4 кбар находится в полном соответствии со стабильностью андалузита во вмещающих породах матрицы меданжа (Salje, 1986).

Итак, пик эклогитового метаморфизма соответствовал параметрам T 680^оС и P> 14 кбар. Минеральными равновесиями фиксируется подъем на дистанцию около 35 км и снижение температуры и давления до 500^оС и 4 кбар соответственно.

Приведенные выше уравнения позволяют оценивать Р-Т-t тренды метаморфизма в терминах безразмерного времени, t' , и сопоставлять их со степенью гомогенизации конкретных зерен граната (Perchuk A.L. & Philippot, 1995; Jiang & Lasaga, 1990). Помимо времени в уравнении используются коэффициент диффузии кальция и радиус граната. Зависимость коэффициента диффузии от температуры выражается экспоненциальным уравнением Аррениуса:

,

где D_o - предэкспоненциальный множитель; E_a - энергия активации диффузии Са; R - универсальная газовая постоянная; T(t) - температура как функция времени. D_o = 7.2*10^-16 м²/сек и E_a = 15 кДж/моль (Schwandt et al., 1996). В силу того, что моделируемый нами процесс имел локальный характер и был значительно удален от края зерна, в наших оценках t? радиус зерна принимался равным 1000 мкм. Для степени гомогенизации нашего граната t' =10^-5 устанавливается средняя скорость подъема эклогита 6.2 см/год. Это означает, что породы преодолели 35-километровый подъем за относительно короткое время - 0.6 млн. лет, чему соответствует высокая скорость охлаждения - 319 ^оС/млн.лет.

При анализе геологической ситуации в зоне мега-меланжа Кокчетавского комплекса многие исследователи полагают, что вывод высокобарных пород из околомантийных глубин мог обеспечиваться возвратным течением вещества в аккреционном клине над субдуцирующей плитой (Dobretsov et al., 1995). При геодинамическом моделировании этого процесса, скорость возвратного течения может достигать скорости субдукции (Cloos, 1982) или даже превышать таковую (Добрецов, Кудряшкин, 1994). Именно при таких скоростях (6.2 см/год) осуществлялся подъем высокоплотных эклогитов Сулу-Тюбе.