Сейедмохсен Табатабаеиманеш
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук
|
содержание |
Актуальность исследований. Гранулитовый комплекс Лимпопо (Южная Африка) является общепризнанной природной лабораторией для изучения процессов метаморфизма и геодинамики в докембрийской коре. Комплекс залегает между мезоархейскими кратонами Каапвааль и Зимбабве и состоит из трех широтных Зон - Северной (СЗ), Южной (ЮЗ) и Центральной (ЦЗ), разделенных между собой тектоническими швами, образовавшимися 2 млрд. лет тому назад (van Reenen & Smit, 1996). Контакты с породами кратонов также тектонические и сложены зонами пластических деформаций, одновозрастных с гранулитами Лимпопо (~ 2,7 млрд. лет). СЗ и ЮЗ комплексы монохронные (неоархейские), тогда как ЦЗ полиметаморфическая. Эволюция термодинамических параметров (Р-Т-флюид) метаморфизма в ходе формирования комплекса Лимпопо (Южная Африка) обсуждается в литературе почти четверть века. Некоторые исследователи (Horrocks, 1983; Harris, & Holland, 1984; Droop, 1989; van Reenen et al., 1990; Hisada & Miyano, 1996) предполагают перемещение ЦЗ путем изотермической декомпрессии, что подразумевает очень высокую скорость эксгумации гранулитов, значительно превышающую скорость их остывания. К тому же никто из этих исследователей не сопоставлял детальные структурные данные с предлагаемыми Р-Т трендами. Напротив, структурно-геологическое и петрологическое изучение ЮЗ (Perchuk et al., 1996; Perchuk et al., 2000; Smit et al., 2001) и СЗ (Табатабеиманеш, 2005) указывает на преимущественную роль декомпрессионного охлаждения (DC) гранулитов этих двух зон с элементами субизобарического охлаждения вблизи их контактов с кратонами (Перчук и Геря, 2004). Численное моделирование этого процесса свидетельствует о сопоставимых скоростях эксгумации и сопутствующего остывания (Геря, Перчук, 2004; Gerya et al., 2000). Эти результаты подтвердили идею Л.Л.Перчука (Перчук, 1993; Рerchuk, 1989) о формировании гранулитов за счет пород картонов с последующей их эксгумацией по механизму гравитационного перераспределения под воздействием плюма. Причем все три зоны комплекса сформировались в неоархее одновременно, в период ~2,6-2,7 млрд. лет. Однако открытие в Центральной Зоне (например, Holzer et al., 1998; Kamber et al. et al., 1998) раннепротерозойских (~2,0 млрд. лет) гранулитов, с одной стороны поставило под сомнение эту модель, а с другой - послужило источником многочисленных спекулятивных моделей происхождения не только самой ЦЗ, но и всего комплекса Лимпопо (например, Schaller et al., 1999; Dorland et al., 2004). Вместе с тем, детальные геохронологические исследования показали, что среди гранулитов ЦЗ не менее широко распространены гнейсы с возрастом ~2,6-2,7 млрд. лет. Стало очевидно, что ЦЗ имеет полиметаморфическую природу (Kröner et al., 1999; Boshoff et al., 2004; van Reenen et al., 2004; Perchuk, 2005).
Цель и задачи исследований. Основной целью данного исследования является установление термодинамических (Р-Т-aflH2O) условий формировапния и эволюции гранулитов, слагающих Центральную Зону комплекса Лимпопо. Достижение этой цели осуществлялось посредством решения следующих задач:
(1) На основе петрографических исследований проследить последовательность структурных и метаморфических преобразований в породах из трех ключевых геологических структур (Баккликраал, Мусина и Булаи) ЦЗ комплекса Лимпопо.
(2) На основе детального парагенетического анализа минералов оценить физико-химические параметры локальных равновесий и вывести Р-Т тренды для гранулитов ЦЗ комплекса Лимпопо.
(3) На основе выведенных Р-Т трендов создать модель термальной и динамической истории ЦЗ комплекса Лимпопо и провести сравнение с близкими по минеральным ассоциациям и условиям образования гранулитами СЗ, а также Сутамского и Токского блоков Алданского щита.
Научная новизна работы.
(1) Впервые на основе детальных петрографических исследований установлена последовательность структурных и метаморфических преобразований в породах из трех ключевых геологических структур (Баккликраал, Мусина и Булаи) ЦЗ комплекса Лимпопо.
(2) Впервые на основе детального парагенетического анализа минералов дана оценка физико-химических параметров локальных равновесий и с использованием общепризнанного метода Перчука (например, Smit et al., 2001; van Reenen et al., 2004; Kramers et al., 2005) выведены Р-Т тренды для гранулитов ЦЗ комплекса Лимпопо.
(3) Впервые воссоздана термальная и динамическая история ЦЗ комплекса Лимпопо и доказана корректность модели Л.Л.Перчука (2005) об изобарическом нагреве гранулитов в полиметаморфических комплексах в условиях гранулитовой фации.
Практическая значимость. Результаты исследований позволят корректно проводить геологическое картирование полиметаморфических комплексов и ставят под сомнение уже созданные для них стратиграфические схемы (например, de Wit et al., 1992).
Основные защищаемые положения. Для Центральной Зоны комплекса Лимпопо доказано, что
(1) закономерная гетерогенность химического состава сосуществующих минералов и их локальные парагенетические взаимоотношения позволяют воссоздать термальный и динамический режим формирования и эволюции докембрийских пород в условиях гранулитовой фации метаморфизма, включая полиметаморфические комплексы;
(2) повторный высокотемпературный метаморфизм (НТ полиметаморфизм) осуществляется в пределах ширзон, т.е. зон многочисленных сдвиговых пластических деформаций, мощность которых варьирует от первых десятком микрон до сотен метров. Деформации приводят к притоку флюида и субизобарическому нагреву гранулитов, эксгумация и становление которых в средней части докембрийской коры могли происходить задолго (миллионы и даже сотни миллионов лет) до этого события;
(3) корректный вывод Р-Т тренда - единственный способ различить разновозрастные гранулиты в пределах одного полиметаморфического комплекса, одного обнажения и даже одного образца породы.
Фактическая основа и методы исследований. В основу работы положены образцы метапелитов, собранные проф. Л.Л. Перчуком в ходе полевых работ 1996-2004 гг. на гранулитовом комплексе Лимпопо (Южная Африка) и переданные автору диссертации для петрологических исследований. Кроме того, для сравнительного анализа были привлечены образцы гранулитов из коллекции Л.Л. Перчука, собранные им на Сутамском и Токском блоках Алданского щита и Лапландского комплекса на Кольском полуострове. Эти образцы были изучены с помощью оптического микроскопа. Химические анализы минералов выполнены с помощью электронных микроскопов Cameca (Rand Afrikaans University) and CamScan 4DV (кафедра петрологии МГУ им. М.В.Ломоносова) с приставкой Link N 10000 для энерго-дисперсионного микроанализа. В ходе обработки материалов использовался комплекс петрологических методов, т.е. детальное изучение структурно-текстурных особенностей пород, их парагенетический анализ, изучение зональности сосуществующих минералов на основе микрозондового профилирования, минеральную термобарометрию. Основное внимание уделялось парагенезисам граната, ортопироксена, кордиерита и биотита в присутствии кварца и +/- силлиманита как самым чувствительным к изменениям условий метаморфизма минеральным ансамблям. Вывод Р-Т трендов осуществлялся по методике, разработанной Л.Л.Перчуком и его научной школой, а их геодинамическая интерпретация - на основе структурно-геологических, геохимических, петрологических и численных тестов.
В общей сложности автором диссертации петрографически изучено более 80 образцов, а микрозондовые исследования проведены для 30 из них. При этом было выполнено более 2000 микроанализов преимущественно методом микрозондового профилирования порфиробластов и минералов из реакционных структур.
Личный вклад автора. Автором выполнено петрографическое описание шлифов из 80 гранулитов из комплекса Лимпопо, а также представительных образцов из Лапландского комплекса на Кольском п-ве, Сутамского и Токского блоков Алданского щита. В 30 из них сделаны микрозондовые анализы и построены соответствующие химические профили. Автором также проведен парагенетический анализ минералов, осуществлен вывод и дана геологическая интерпретация Р-Т трендов.
Апробация работы. Результаты исследований, положенные в основу диссертации, докладывались на Международной конференции студентов и аспирантов <Ломоносов> по фундаментальным наукам (МГУ, 2005 г.), на Международной конференции "ПЕТРОГРАФИЯ XXI ВЕКА" (г. Апатиты, 20 - 22 июня 2005 г.) , на конференции <12th Iranian researches conference in Europe (г.Mанчестер, 3-4 июля 2004 г.), на конференции <13th Iranian researches conference in Europe>. (г.Лондон, 1-2 июля 2005 г.) и на Международной конференции <Новые идеи в науках о Земле>, посвященной 85-летию Московского государственного геологоразведочного университета (г. Москва, 5-12 апреля 2005 г.). По теме диссертации опубликовано 2 статьи, 1 статья находится в печати.
Содержание и объем работы. Диссертация состоит из 4 глав, введения, заключения и приложение. Работа изложена на 184 страницах, включает 57 рисунков, 11 таблиц и список литературы, состоящий из 164 наименований.
Благодарности. Автор глубоко признателен научному руководителю профессору Л.Л.Перчуку, любезно предоставившему каменный материал для работы и принимавшему непосредственное участие в работе над всеми разделами диссертации. О.В.Парфенова оказала огромную помощь в редактировании текста; многие вопросы, затрагиваемые в диссертации, обсуждались с доктором геолого-минералогических наук доцентом В.И.Фельдманом. Всем им автор чрезвычайно благодарен. Помощь в переводах и в аналитической работе была оказана Ш. Ван Калом, др. Э. Хисада и К.Николаевой, доцентом В.О. Япаскуртом. Особую благодарность хочется выразить сотрудникам лаборатории локальных методов исследования вещества при кафедре петрологии геологического факультета МГУ Е.В. Гусевой и Н.Н. Коротаевой, без помощи которых не могла бы состояться аналитическая часть работы.
Условные обозначения, принятые в работе:
В работе использованы следующие условные обозначения и символы:
D2/M2 - неоархейский деформационно (D) - метаморфический (M) цикл (~2,6-2,7 млрд. лет), D3/М3 - раннепротерозойский деформационно-метаморфический цикл (~2 млрд. лет), изобарический нагрев (IH),изотермическая декомпрессия (ID), декомпрессия остывания (DC). And-андалузит, Ар - апатит; Bt - биотит, Cal - кальцит; Crd - кордиерит, Cum-куммингтонит, Grt - гранат, Ilm - ильменит, Kfs - калиевый полевой шпат, Ky - кианит, Ms - мусковит, OAm - ортоамфибол; Opx - ортопироксен,Or - ортоклаз, Phl - флогопит, Pl - плагиоклаз, Prp - пироп, Fo-форстерит E - энстатит, Qtz - кварц, Rut - рутил, San -санидин, Sil - силлиманит, Sph - cфен, Spl - шпинель, Spr-сапфирин, Zrn - циркон.( Bt- Mg, Bt- Fe),( Crd- Mg, Crd- Fe),( Gr- Mg, Gr- Fe),(Opx-Mg, Opx-Fe)-твердые растворы минералов, T - температура, K или oC; P - давление, бар или кбар; ΔGo - изменение свободной энергии Гиббса в ходе реакции; R = 1.987 кал/град (1 кал = 4,186 Дж) - газовая постоянная; Xi - мольная доля компонента i в данной фазе; XMg = Mg/(Mg+Fe), Ni =100Xi; NMg -100 XMg; XCa = Ca/(Ca+Fe+Mn+Mg), NCa -100 XCa; Xok = Al/(Al+2Mg+2Fe), Nok -100 Xok; μH2O=μoH2O+RTln aflH2O; μoH2O= RTlnƒoH2O - химический потенциал чистой воды, как функция Т и Р; ƒoH2O - летучесть воды; aflH2O=γflH2O*XflH2O - активность воды во флюиде; μflH2O - химический потенциал H2O во флюиде; Gim = RT lnai парциальная молярная свободная энергия смешения Гиббса для компонента i в твердом растворе; Gie - избыточная парциальная молярная свободная энергия Гиббса для компонента i в твердом растворе; Ge - избыточная интегральная молярная свободная энергия Гиббса для твердого раствора; H - энтальпия; S - энтропия; V - объем.
|
