Петрология полиметаморфических гранулитов центральной зоны комплекса Лимпопо, Южная Африка

Глава III. Термодинамические условия локальных равновесий минералов.

Р-Т режимы декомпрессии и остывания пород гранулитовой фации отражаются в их Р-Т трендах (Perchuk, 1973, 1977). Для их вывода использовались химические анализы локально равновесных минералов, что позволило выявить термальную и динамическую историю пород Центральной Зоны комплекса Лимпопо. Однако мы не первые, кто предпринимал такую попытку. Так в работах (Holzer et al., 1998, Schäller et al., 1999) на основании оценок изотопного возраста пород Центральной Зоны предлагалось два тренда: первый, отражающий позднеархейский (~2,6 - 2,55 млрд. лет) низкобарный метаморфизм гранулитовой фации, связанный с обширным гранитным и чарнокитовым магматизмом, и второй - раннепротерозойский (~2,0 млрд. лет) высокобарный ID тренд. Основанием для первого Р-Т тренда служили главным образом неопубликованные данные по тем же метапелитовым гнейсам вблизи плутона Булаи, которые описаны выше.

III.1. Методы расчета параметров равновесий

Для расчета термодинамических параметров мы использовали термодинамически взаимосогласованную базу данных, полученную исследовательской группой Л.Л.Перчука. Обменные равновесия (4) и (5) были использованы для расчета температур, тогда как реакции (1), (2) и (3) - для расчета давления и a^fl_H2O, соответственно.

III.1.1. Метод расчета a^fl_H2O и изоплет для дивариантных равновесий Fe-Mg минералов

Большинство изученных метапелитов Центральной Зоны комплекса Лимпопо содержат ассоциацию Bt+Sil+Qtz+Kfs+Grt. Именно поэтому реакцию Grt+Kfs+H2O = Bt+Sil₂+Qtz можно использовать для расчета активности воды во флюиде по уравнению

aflH2O = exp[ΔG(2)/RT]

где

ΔG(2)=ΔHo(2) - TΔSo(2) + PΔVo + RTlnƒflH2O - GmPhl + GmPrp + GmSan,

При равновесных условиях свободная энергия Гиббса для реакции (2) равна ΔG₍₁₎= ΔH^o(1) - TΔS^o₍₁₎ + PΔV^o₍₁₎ + (G^m_Mg)^Crd + G^m_Prp = 0. Изоплеты для минералов метапелитовых ассоциаций (Grt, Opx, Crd и Bt) были рассчитаны методом решения системы независимых термодинамических уравнений для сопряженных реакций с использованием полученных для каждого данного образца зависимостей a^fl_H2O от температуры.

III.2. Результаты расчета термодинамических параметров минеральных равновесий

III.2.1. Северная Краевая Зона

Образование Oрx-Crd реакционных структур вокруг зерен граната на контакте с кварцем из Северной Краевой Зоны Комплекса Лимпопо происходит по реакции (1). Она может смещаться вправо (i) при повышении температуры и постоянном давлении, (ii) при понижении давления, но при постоянной температуре, а также (iii) при снижении Р и Т (Smit et al., 2001; Walter et al., 1984).

По Bt-Opx термометру при Р = 8 кбар температура составляет всего 720^oС. Вместе с тем пиковые параметры метаморфизма пород ЮЗ комплекса Лимпопо (van Reenen, 1983) и ЦЗ определены как 900^oС и 9 кбар (Перчук и др., 1996). Для СЗ надежных оценок нет: опубликованы приблизительные сведения о Р-Т параметрах минеральных равновесий. В нашем распоряжении была коллекция метапелитов из ЦЗ. Наряду с Sil-Opx-Qtz ансамблями среди них обнаружены бескварцевые парагенезисы, Crd+Spl+Spr+Sil+Opx+Phl. На диаграмме Р-Т моновариантная линия равновесия Crd+Spl = Opx+Spr+Sil находится в области стабильности парагенезиса Sil+Opx+Qtz и почти параллельна оси температуры. При 900^oС этой линии соответствует давление 9 кбар, что совпадает с оценкой названных выше пиковых параметров метаморфизма.

III.2. 2. Южная Краевая Зона

По данным (Perchuk et al.,1996) гранулиты Южной Краевой Зоны характеризуются разнообразными реакционными структурами, которые отвечают разным стадиям термодинамической эволюции пород вдоль регрессивного Р-Т тренда. Реакция (1), приводящая к формированию Crd-Opx коронарных структур, смещается вправо при декомпрессионном охлаждении. Закономерные изменения составов сосуществующих минералов свидетельствуют о росте Crd-Opx корон на регрессивном этапе метаморфизма. Этот вывод подтверждается расчетами Р-Т параметров с использованием Grt-Crd-Opx-Qtz геотермобарометра (Aranovich, Podlesskii, 1989; Perchuk et al., 1985). Так, например, метаморфическая история метапелита DV101 из ЮЗ записана в последовательном росте различных минеральных ассоциаций вдоль Р-Т тренда. Этот тренд отражает соответствующие изменения в составе контактирующих минералов. Верхняя часть Р-Т тренда отвечает условиям пика метаморфизма (8 кбар и 850^oС), рассчитанным по составам ядер крупных зерен граната. Нижняя, субизобарическая часть Р-Т тренда соответствует всплыванию ЮЗ гранулитового комплекса Лимпопо в верхнюю часть континентальной земной коры в неоархее .

III.2.3. Центральная Зона

III.2.3.1. Гранулиты структуры Баккликраал

Р-Т тренд для деформированных гнейсов (D3/M3). Как отмечено при петрографическом описании деформированных (D3/M3) гнейсов, наряду с парагенезисом Crd+Grt+Sil+Qtz+Bt+Kfs, в них присутствует Ms. Встречается он исключительно редко и всегда как вторичный минерал, развитый по Kfs и Sil₂ (реакция Or+Sil+H₂O=> Ms+Qtz). Тем не менее, он определяет нижний температурный предел ретроградной стадии метаморфизма. Верхняя температурная граница при Р ~= 9 кбар не превышает ~900^oC (Spear et al., 1999). В общем случае частичное плавление не характерно для деформированных метапелитов. Отсутствует и Орх. Поэтому реакция (3) протекает в относительно узком диапазоне P-T-a^fl_H2O. Этот температурный интервал был использован для корректировки изоплет Crd и Grt и определения a^fl_H2O для каждого локального равновесия при Т, рассчитанной по Bt-Grt термометру. Расчет осуществлялся для трех представительных образцов (обр. Т73, Т18, Т20). Для обр. Т73 температурная зависимость a^fl_H2O аппроксимирована (van Reenen et al., 2004) линейной функцией a^fl_H2O = 0,5017-0,0002247∙T(^oC). Такая же операция проделана по расчету a^fl_H2O для образца Т20: a^fl_H2O = 0,4643-0,0002966∙T(^oC). В отличие от образцов Т73 и Т20, данные для образца Т18 не характеризуются систематическими изменениями a^fl_H2O (в пределах 0,294 - 0,260) как функции Т. Поэтому мы определили среднее значение a^fl_H2O = 0,282. На основе индивидуальных Р-Т оценок выведены Р-Т тренды для трех образцов. Для образцов Т20 и Т73 они оказались идентичными, а для обр. 18 тренд проходит чуть выше по давлению (рис.2).

В недеформированных метапелитах наблюдаются четыре типа реакционных структур:

(1) Opx-Crd симлектиты, которые широко развиты вокруг граната и окружены плагиоклазовыми и ортопироксеновыми каймами. Эта структура связана с повсеместным развитием симплектита Opx+Crd вокруг граната по реакции (1) (рис.3б). (2) Замещение биотита ортопироксеном. В этом образце Bt всегда блокирован Opx, что отражает виртуальную реакцию Bt+Qtz = > Opx+гранитный расплов, потому что Kfs в этих породах отсутствует. Более того, нет и лейкосомы. Экстрагированный гранитный расплав на этапе D2/M2 (~ 2,65 млрд. лет) привел к образованию больших масс синхронных лейкократовых гранитов Сингелелле, а недеформированные метапелиты типа обр. JС1 могут рассматриваться как реститы, которые были перекристаллизованны при высоких P-T параметрах. 3) Развитие куммингтонита между Opx и Qtz по реакции Opx+Qtz+H₂O = Cum (4) Наконец, в порфиробластах ортопироксена наряду с включениями кварца наблюдаются ламелли силлиманита, что предполагает равновесие Opx+Sil+Qtz = > Crd+Grt и, тем самым, подтверждает наше предварительное заключение, что метапелит JC1 на самых ранних стадиях метаморфического процесса был сформирован в условиях фации Opx+Sil+Qtz (Маракушев, 1964). Это заключение основано на присутствии включений Sil и Qtz в Орх.

P-T тренд для недеформированных гнейсов (D2/M2). В породах полиметаморфических комплексов всегда скрыта ранняя P-T история, так как каждый последующий этап метаморфизма стирает предыдущий. К счастью, в некоторых недеформированных образцах сохранились фазовые отношения этапа D2/M2 (~2,65 млрд. лет) и лишь реакционная структура (1) возможно была образована на этапе D3/M3 (~2 млрд. лет). Один из таких образцов (JC1) изучен очень детально. В нем установлены следующие основные ступени эволюции: (а) породой срезаны границы минералных фации; (б) систематическая химическая зональность Fe-Mg минералов (см. рис. 3) отражают снижение P-T параметров; (в) биотит замещается ортопироксеном, что предполагает частичное плавление и экстракцию гранитного расплава из породы (отсутствует лейкосома); (г) хорошо развита коронарная структура (1), отражающая последнюю стадию формирования породы. Все эти наблюдения должны быть отражены в P-T тренде, потому что они связаны с различными стадиями метаморфической эволюции породы JC1. Мы рассчитали P-T параметры для определения границы между Sil+Opx+Qtz и Crd+Grt фациями. Параметры изменяются в пределах: 800 < T^oC < 900 и 8,5 < P, кбар < 9. Эти оценки предполагают пик метаморфического события D2/M2.

Мы также рассчитали температуру и давление на основе изменения химических составов Fe-Mg минералов в дивариантной реакции (1). Вместе с данными по равновесию (1), использованы минералогические термометры (4) и (5), а также обменные равновесия Grt_Mg + Opx_Fe = Opx_Mg + Grt_Fe и Crd_Mg + Fo = Crd_Fe + En для расчета верхней части P-T тренда на рис. 3а. В нижней его части хорошо виден <разрыв> (отсутствуют точки) между температурами 675^oC и 740^oC. Этот <разрыв> предполагает отмеченное выше частичное плавление гнейса с образованием свиты лейкократовых гранитов Сингелеле. Это предположение основано на двух сингенетических событиях: (1) образование гранатовой каймы, не содержащей включений и (2) замещение биотита ортопироксеном. Используя составы всех трех минералов, показания Opx-Grt и Bt-Grt термометров, а также P-T тренды на рис. 3а, мы установили параметры, при которых могло произойти частичное плавление породы:

Термометр	ToC	P, kbar
Bt-Grt	680 - 712	6,3 - 6,6
Opx-Grt	715 - 730	6,6 - 6,8

Геологическое изучение Центральной Зоны комплекса Лимпопо показывает, что лейкократовые граниты Сингелеле действительно могли образоваться при анатексисе гнейсов типа Оллдайз, поскольку они интрудируют как частично расплавленные породы, так и другие чуть более древние неоархейские толщи (Söhnge, 1946; Bahnemann, 1973).

Положение включений Qtz и Sil в порфиробластах является одной из наиболее интересных особенностей породы JC1. Ориентировка силлиманита в порфиробластах граната и ортопироксена указывает на вляние диформации D2 при пиковых метаморфических условиях. С другой стороны, описанное выше присутствие Sil и Qtz в порфиробластах ортопироксена предполагает, что пик P-T параметров метаморфизма приходится на Opx-Sil-Qtz минеральную фацию (Маракушев, 1964), то есть изначально порода сформировалась вне поля стабильности Crd+Grt.

III.2.3.2. Гранулиты района г. Мусина

Пик метаморфических событий наиболее полно отражен в некоторых образцах метапелитов из района г. Мусина и, прежде всего, в образце TOV13. Зональностью гранатов практически зафиксированы все стадии метаморфизма. В изученных породах по реакции Grt+Kfs+H₂O = Bt+Sil₂+Qtz можно определить a^fl_H2O. Для образца TOV13 a^fl_H2O = 0,0004 T (^oC) - 0,1759, что справедливо в интервале 580 - 850^oC вне зависимости от давления. Для образца 06-19 a^fl_H2O = 0,0007 T (^oC) - 0,2955, что справедливо в интервале 580 - 750^oC вне зависимости от давления.

На рис. 4 видно, что тренд пересекает изоплеты N^Grt_Mg, но почти параллелен изоплете N^Crd_Mg. Рассчитанный диапазон давления для недеформированного обр. TOV13 (D2/M2) составил Р_max =8,24 кбар при Т_max= 856^oС и Р_min = 4,85 кбар при Т_min = 592^oС, а для деформированного метапелита 06-19 (D3/M3) Р_max = 4,99 кбар при Т_max = 697^oС и Р_min = 3,45 кбар при Т_min = 575^oС. Сравнение трендов на рис. 4 показывает, что при Р ~ 5 кбар максимальному значению температуры (Т_max) тренда для деформированного гнейса 06-19 соответствует минимальное значение (Т_min) для тренда недеформированного обр. TOV13. Переход от первого тренда (TOV13) ко второму (06-19) происходит путем изобарического нагрева (IH).

III.2.3.3. Гнейсы района Булаи

В породах района Булаи вообще нет пород с возрастом менее 2,5 млрд. лет (Barton et al, 1994). Следовательно, они образовались на этапе D2/М2 и их тренды должны быть близкими к Р-Т трендам, выведенным для образцов TOV13 и JC1 (см. рис. 3 и рис. 4). Действительно, по данным Т.В.Гери (1999) верхняя часть обобщенного Р-Т тренда для структуры Булаи имеет такие координаты: P_max ~= 8 кбар, Т_max ~= 850^oС, и Р_min ~= 5 кбар, Т_min ~= 600^oС.

III.2.3.4.Сравнение Р-Т трендов полиметаморфизма для изученных участков Центральной Зоны комплекса Лимпопо

Для метапелитов из геологических структур районов г. Олдейз (Бакликраал) и г. Мусина (Шанзи и Кэмпбелл) характерны два Р-Т тренда, отражающие метаморфическую эволюцию пород, сформировавшихся на стадии D2/M2 (недеформированные) и (деформированные) (D3/M3) пород на разных стадиях метаморфизма, что было показано на рис. 3 и рис. 4, соответственно. Легко заметить, что переход от деформационно-метаморфического цикла D2/M2 (~ 2,65 млрд. лет) к циклу D3/M3 (2 млрд. лет) осуществляется при изобарическом нагреве (горизонтальные участки на трендах рис. 5), т.е. без какого-либо геодинамического события. Этот вывод совпадает с результатами структурного и изотопно-геохронологического исследования этих пород (Kröner et al., 1999; Boshoff et al., 2004, 2006). Все породы с возрастом 2 млрд. лет обладают бластомилонитовыми структурами. Это предполагает, что повторный высокотемпературный метаморфизм гранулитов Центральной зоны явился следствием одноактного тектонического события, проявившегося в формировании зон пластических деформаций, мощность которых колеблется от микронных размеров до сотен метров. Предполагается также, что эффект вязкого трения в пределах этих зон явился источником термической энергии, вызвавшей повторный высокотемпературный метаморфизм 650 млн. лет спустя после первого метаморфизма гранулитовой фации.

III.3. Сравнение термодинамических условий метаморфизма пород ЦЗ с краевыми зонами комплекса Лимпопо и некоторыми другими гранулитовыми комплексами

III.3.1. Краевые зоны комплекса Лимпопо

Напомним, что как в Южной, так и Северной Зонах комплекса Лимпопо изотопно датируется лишь один этап гранулитового метаморфизма (D2/М2), ~ 2,68 млрд. лет (например, Kamber, Biino, 1995; Kreissig et al., 2001). По характеру Р-Т трендов среди метапелитов из Южной Зоны комплекса Лимпопо выделяются две группы (Perchuk et al., 1996, 2000): Р-Т тренды декомпрессионного остывания (все три Зоны) и Р-Т тренды субизобарического остывания (пока установлены только в Южной Зоне). Пик гранулитового метаморфизма в Южной Зоне характеризуется такими параметрами: Т = 850 - 870^oС и Р = 7,2 - 8,2 кбар, а пик метаморфизма пород Северной Краевой Зоны комплекса Лимпопо приходится приблизительно на Р = 8 кбар при Т = 720^oС (Табатабаиманеш, 2005). Как видно на рис. 3, наивысшие параметры пика метаморфизма пока установлены только в породах Центральной Зоны комплекса Лимпопо (стадия D2/М2): Т = 900^oС и Р = 9 кбар.

III.3.2. Токский блок Алданского щита

Ортопироксен-силлиманитовые гранулиты Алданского щита сложены ассоциацией Opx+ Sil+Grt+Bt+Pl+Kf+Qtz. Структурные взаимоотношения Opx и Sil свидетельствуют об их одновременной кристаллизации. Для определения Р-Т условий образования Opx-Sil гранулитов из Токского блока использован двуполевошпатовый термометр (Elkins et al., 1990). Поскольку отсутствуют надежные барометры для указанной выше ассоциации, использовалась Р-Т диаграмма минеральных фаций высокотемпературных и высокобарных метапелитов (Spear, 1993). Давление с ее помощью устанавливалось по нижнему пределу стабильности парагенезиса Opx-Sil-Qtz. Определено, что минимальное давление устойчивости парагенезиса этого парагенезиса при расчетной температуре 880 - 1040^oС (водонасыщенная система) составляет ~ 11-12 кбар (Табатабаиманеш, 2005). Это существенно выше пиковых Р-Т параметров, установленных для пород Центральной Зоны комплекса Лимпопо.

III.3.2.3. Лапландский гранулитовый комплекс

Лапландский комплекс представляет собой дугообразную структуру, вытянутую в северо-западном направлении более чем на 300 км - от скандинавских каледонид на северо-западе до Сальных тундр на юго-востоке. Мы изучили несколько образцов метапелитов из этого комплекса. Наиболее интересным и информативным оказался обр. 16-6. Ортопироксен-кордиерит-cиллиманит-гранат-кварцевый кристаллосланец 16-6 имеет нематолепидогранобластовую структуру с элементами пойкилобластовой и полосчатую текстуру. В ряде участков шлифа между гранатам и кварцем наблюдается Opx-Crd симплектит. Гранат имеет регрессивную зональность. Ортопироксен встречается в двух генерациях: Орх₁ образующий тонкие, вытянутые червеобразные выделения в симплектите, а изометричные кристаллы Орх₂ встречаются во внешней мономинеральной кайме реакционных структур. Ортопироксен каймы (Орх₂) всегда менее глиноземистый по сравнению с Орх₁. Для расчета Р-Т параметров использован гранат-кордиеритовый термометр и барометр Grt+Qtz = Crd + Opx (Perchuk, 1990). В Лапландском комплексе, где вокруг зерен граната на контакте с кварцем встречаются Crd-Opx симплектиты, пиковые параметры метаморфизма такие: Т = 670^oС и Р = 7,17 кбар.