ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГРАНИТООБРАЗОВАНИЯ ПО ПОРОДАМ ОСНОВНОГО СОСТАВА

ВВЕДЕНИЕ

Гранитоидные магматические серии характерны для пород континентальной  коры различного возраста. Наибольшее распространение они получили в архее (преимущественно тоналит-трондьемит-гранодиоритовые серии - TTG), являясь преобладающими компонентами древних архейских щитов и краевых частей зеленокаменных поясов. Обычная ассоциация TTG с метаморфическими толщами основного состава, присутствие среди них блоков, ксенолитов и скиалитов слабо измененных либо мигматизированных и гранитизированных амфиболитов, двупироксеновых  кристаллосланцев и других типов метабазитов, свидетельствует о том, что именно основные породы амфиболитовой или гранулитовой фации преобладали среди метаморфических образований, которые замещались тоналит-трондьемит-гранитоидными расплавами или из которых последние выплавлялись в виде жильной лейкосомы. Формирование гранитоидов за счет пород основного состава, представляющее собой одно из наиболее типичных корообразующих явлений в древней континентальной литосфере, включает следующие процессы: а) частичное плавление (partial melting) пород (закрытая система); б) диффузионное взаимодействие кислых расплавов с базитами (гибридизация); в) гранитизация под влиянием потоков глубинных флюидов (открытая система). Опыт показывает, что в природных условиях частичное плавление, диффузионное взаимодействие и гранитизация нередко переплетаются, что затрудняет их генетическую интерпретацию. Поэтому сложность и дискуссионность проблемы формирования гранитоидных магм за счет метабазитов очевидна.

Актуальность экспериментального моделирования процессов гранитообразования по породам основного состава кажется важной потому, что позволяет выявить отдельно специфические особенности каждого их трех вышеназванных процессов и определить их возможные Р-Т параметры.

Цель и задачи исследования настоящей  работы состоят в экспериментальном изучении основных путей гранитообразования по породам основного состава, в частности по амфиболитам. Предусматривалось решение следующих задач: 1) исследовать процессы частичного плавления амфиболитов в широком интервале температур - от 800 до 1000^оС и давлений - от 5 до 25 кбар (анатексис в условиях закрытой системы); 2) провести экспериментальное моделирование диффузионного взаимодействия гранитов и амфиболитов (процессы гибридизации и ассимиляции); 3) экспериментально воспроизвести явления гранитизации пород основного состава; 4) для сопоставления результатов экспериментов с природными данными, изучить гранитизацию коронарных метагабброноритов в беломорском комплексе Карелии.

Фактический материал и методы исследований. Работа выполнена в Лаборатории флюидно-магматических процессов Института экспериментальной минералогии РАН (г. Черноголовка Московской обл.). В ее основу положены экспериментальные исследования автора, проведенные в период 1990-2003 гг. на установках цилиндр-поршень и установках высокого газового давления, а также полевые исследования в районе Кандалакшского залива Белого моря, совместно с ИГЕМ РАН в 2002-2004 гг. При изучении результатов экспериментов и полевых образцов было сделано более 400 шлифов и 2000 микрозондовых и рентгенофазовых анализов.

Личный вклад автора. Исследования проводились в рамках плановых тем ИЭМ РАН. Автор являлась также руководителем трех проектов РФФИ (96-05-64871, 00-05-64036, 03-05-64539), поддерживавших изучение рассматриваемых проблем, и ответственным исполнителем в программе ОНЗ (тема 10.3 "Исследование условий образования и свойств гранитных расплавов").

Научная новизна. Впервые в экспериментальных условиях воспроизведены три принципиально различных модели образования гранитоидов по породам основного состава. Частичное плавление в условиях закрытой системы в широком интервале Р-Т параметров, позволило изучить составы образующихся расплавов и фазовые равновесия в реститах, отвечающих условиям гранулитовой и высокотемпературной эклогитовой фаций.

Экспериментальные исследования в условиях открытой системы позволили, с одной стороны, изучить диффузионное взаимодействие амфиболитов с гранитным расплавом, отражающее процессы формирования диффузионных мигматитов наряду с образованием гибридных фаций гранитов. С другой стороны - впервые удалось воспроизвести процессы гранитизации пород основного состава, вызываемые фильтрацией флюидной фазы через породу. На основании большого количества экспериментальных данных показана важная роль летучих при выплавлении гранитоидов из метабазитов.

Практическая значимость работы. Выявление экспериментальными методами специфических особенностей, Р-Т параметров и роли флюидной фазы в выплавлении гранитоидов из метабазитов позволяет получить существенную информацию по различным моделям образования гранитов, с которыми, как известно, связаны многочисленные типы рудных местрождений.

Публикации и апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлялись и докладывались на  XIV и XV Российских совещаниях по экспериментальной минералогии (Черноголовка, 2001, Сыктывкар, 2005), Научной конференции РФФИ "Геодинамика и эволюция Земли" (Новосибирск, 1996), годичном собрании Минералогического общества "Минералогия России" (Санкт-Петербург, 2000), Втором Всероссийском петрографическом совещании "Петрография на рубеже ХХI века" (Сыктывкар, 2001), 32-м Международном геологическом конгрессе (Флоренция, 2004), Международном симпозиуме "Физико-химические аспекты эндогенных геологических процессов" (Москва, 1999), "Хитариадах" 2001-2003, Всероссийской научной конференции "Геология, Геохимия и Геофизика на рубеже ХХ и ХХI веков" (Москва, 2002), XXI Всероссийском  семинаре и школе "Щелочной магматизм Земли" (Апатиты, 2003), Научной конференции "Беломорский подвижный пояс и его аналоги: геология, геохронология, геодинамика, минерагения" (Петрозаводск, 2005), Международном (X Всероссийском) петрографическом совещании "Петрография XXI века" (Апатиты, 2005), Международной конференции "Ультрамафит-мафитовые комплексы складчатых областей докембрия" (Улан-Удэ, 2005).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5-ти глав и выводов. Текст изложен на 180 страницах, сопровождается 110 рисунками и 28 таблицами. Список цитируемой литературы включает 347 наименований.

Основные защищаемые положения:

• В результатов экспериментов по частичному плавлению оливин-нормативных амфиболитов при давлении  5-25 кбар и температуре 800-1000^оС установлено, что состав возникающих расплавов в интервале 5-14 кбар с ростом температуры меняется от трондьемитов к тоналитам и далее к породам среднего состава, а в интервале - 20-25 кбар -  от кварцевых монцонитов к гранодиоритам. Показано, что начало выплавления TTG - расплавов в закрытой системе (источник Н₂О - дегидратация амфибола) возможно только при Т > 800^оС (гранулитовая фация), и лишь в открытой системе, с притоком дополнительного флюида извне (Х_Н2О > 1.8 мас. %) температура солидуса может снижаться до 660-700^оС (амфиболитовая и эклогитовая фации).
• При моделированиии диффузионного взаимодействия амфиболитов с перегретым гранитным расплавом при Р = 7 кбар и Т = 800-950^оС, в амфиболите формируется диффузионная зональность, вызванная  диффузией щелочей и кремнезема со стороны расплава, а в эндоконтактовой зоне гранита, за счет диффузии Ca, Mg и Fe из амфиболита образуются эндоконтактовые фации повышенной основности:  при Т = 800^оС  кварц-монцонитовая, а при Т = 950^оС -  чарнокитоидная (Opx-содержащая).
• Впервые в эксперименте при температуре 700-750^оС и общем давлении 5 кбар, были смоделированы условия гранитизации метабазитов под влиянием однонаправленного потока кремнещелочных флюидов. Установлено, что на  передовом фронте процесса происходит метасоматическая дебазификация, фельдшпатизация и окварцевание  метабазитов (с повышением железистости амфибола и биотита),  в тыловой зоне сменяющееся магматическим замещением дебазифицированных метабазитов гранитным расплавом.
• На примере гранитизации коронарных метагаббро-норитов беломорского комплекса в условиях высокобарической амфиболитовой фации (Т - 660-700⁰С, Р - 9.5-10.5 кбар) установлено, что процесс происходит за счет инфильтрации Na - K - Si - Cl - CO₂ - H₂O-содержащих рассолов, с нарастающей метасоматической дебазификацией и ощелачиванием метагабброидов на передовом фронте, и с последующим превращением их в теневые мигматиты, и заключительным плавлением и замещением гнейсогранитным расплавом. Результаты полевого и экспериментального изучения гранитизации метабазитов оказались очень сходными.

Благодарности. Автор выражает огромную благодарность академику В.А. Жарикову за постановку задачи, поддержку, советы и консультации на протяжении всего периода многолетней работы по данной теме. Я благодарю сотрудников института В.П. Щербакова, А.И. Граненова, Н.И. Кузнецова, Е.Л. Рябину за помощь в постановке и проведении экспериментов, К.В. Вана, А.Н. Некрасова и Н.Н. Коротаеву (МГУ) за помощь при микрозондовых исследованиях. Особую благодарность автор выражает В.М. Шмонову, разработавшему оригинальную методику, сыгравшую определяющую роль в исследовании инфильтрационных флюидно-магматических процессов. Большое спасибо А.В. Костюк, Д.М. Султанову, Е.Н. Граменицкому, К.И. Шмуловичу, С.И. Турченко, А.А. Щипанскому за дружескую поддержку, ценные советы и консультации. Автор благодарит сотрудников ИГЕМ РАН Е.В. Шаркова и А.В. Чистякова за помощь в экспедиционных исследованиях, и С.П. Кориковского, чьей поддержкой, советами и консультациями автор пользовался на завершающей стадии работы.