ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГРАНИТООБРАЗОВАНИЯ ПО ПОРОДАМ ОСНОВНОГО СОСТАВА

ГЛАВА I. ЧАСТИЧНОЕ ПЛАВЛЕНИЕ АМФИБОЛИТОВ В ЗАКРЫТОЙ СИСТЕМЕ

Большие объемы расплавов тоналит-трондьемит-гранодиоритового состава, образовавшихся в докембрии при плавлении коры базитового типа, их преимущественно плагиогранитный состав, специфичность распределения РЗЭ и другие данные дают геологам обширный материал для интерпретации геодинамической обстановки, в которой происходило становление континентальной коры на раннем этапе ее развития. Среди различных гипотез генезиса TTG в 90-е годы ХХ века особую популярность приобрела гипотеза частичного плавления базитов, согласно которой вода, связанная в водосодержащих минералах океанической коры, таких как серпентин, амфибол, хлорит, эпидот, биотит и др., освобождается при  реакциях дегидратации и, понижая температуры  плавления пород, стимулирует образование расплава TTG состава с дальнейшим его отделением от тугоплавкого остатка и подъемом в верхние этажи коры в форме гранитных массивов, либо существованием in situ в виде лейкосомы мигматитов. Экспериментальная проверка дегидратационного плавления метабазитов в интервале температур от 900 до 1100^оС и давлений от 8 до 32 кбар проводилась многими исследователями (Beard, Lofgren, 1991, Wolf and Wyllie, 1991, 1993, Rushmer 1991, Winther and Newton, 1991, Sen and Dunn, 1994, Rapp and Watson, 1988, Rapp et al., 1991, Rapp, 1995, Rapp and Watson, 1995. В это же время нами также были проведены эксперименты (Жариков, Ходоревская 1993, 1995а, 1995б, 2006, Zharikov, Khodorevskaya 1997, Ходоревская, Жариков 1998) по плавлению оливин-нормативных амфиболитов Hbl-Pl-состава (символы минералов - по Kretz, 1983) с содержанием воды в амфиболе 1.8±0.2 мас. %, при температурах 800-1000^оС и давлениях 5-25 кбар, основные результаты которых представлены в этой главе.

Техника, методика и результаты экспериментов

Предварительно тонкоизмельченный (5-20 мкм) оливин-нормативный амфиболит помещался в золотую ампулу и выдерживался в режиме опыта до 4 суток при Т=800 - 1000^oС на установке высокого газового давления с внутренним нагревом (Иванов и др., 1978) при давлениях 5 и 14 кбар и на установке типа цилиндр - поршень (Ишбулатов, 1978) при давлениях 20 и 25 кбар. Фугитивность кислорода fO₂ в ампулах не контролировалась; принималось, что fO₂ в амфиболитах отвечает буферу QFM (Helz 1976; Patino Douce, Beard, 1994). Продолжительность опытов 3-4 суток, эксперименты большей длительности не проводились из-за аппаратурных ограничений. Продукты опытов исследовались с помощью электронного микрозонда "Camscan" с EDS Link AN10/85S в Лаборатории микроанализа кафедры петрологии МГУ и на микрозонде "Camebax" в ИЭМ РАН. Относительная погрешность определения состава минеральных фаз и расплава, близка к 10%, но для щелочей в расплаве может достигать 30%.

Результаты экспериментов показали, что в рассматриваемом интервале Т-Р параметров в амфиболитах образуется расплав, сохраняются исходные и возникают новые минеральные фазы. Их состав может отвечать природным ассоциациям от гранулитовой до эклогитовой фаций. При давлениях ниже 10-14 кбар (в зависимости от состава плавящегося амфиболита) и температурах ниже 1000^оС основная минеральная ассоциация в составе реститов - Hbl+Pl+Cpx+Opx. Выше 1000^оС - Pl+Cpx±Opx±Ol.

С ростом давления от 10 и приблизительно до 16 кбар в рестите появляется гранат, и основная ассоциация при температурах до 1000^оС -Hbl+Pl+Cpx+Grt±Opx. При давлениях выше 16-20 кбар и температурах до 1000^оС рестит представлен эклогитовым парагенезисом Cpx+Grt±Hbl.

Плагиоклаз из рестита с ростом температуры обогащается анортитовой составляющей в последовательности:

при Р  5 кбар: An₂₇(800^оС) → An₄₀(900^оС) → An₅₀(990^оС);

при Р  14 кбар: An₃₀(800^оС) → An₃₂(900^оС) → An₅₉(1000^оС).

Клино- и ортопироксены появляются в реститах за счет распада части амфиболов, по мере роста Т, начиная с 800^оС. Повышение давления сказывается на увеличении содержания в клинопироксене жадеитовой молекулы вплоть до 30 мас.% при 25 кбар; с ростом температуры от 800 до 1000^оС увеличивается магнезиальность минерала в среднем от 0.60 до 0.75 (рис.1). Ортопироксен отвечает En₂₈, и его состав практически не меняется при изменении Т-Р параметров.

Рис.1. Соотношение железистость - (f)-жадеитовый минал (Jd) в Cpx при различных Р и Т параметрах

Гранат появляется в реститах при давлении ≥ 14 кбар. С ростом температуры от 800 до 1000^оС в гранате возрастает содержание пироповой составляющей, и его минальный состав меняется от Gros₂₉Alm₆₀Py₁₁ до Gros₂₈Alm₂₉Py₄₃. Рост давления на нем почти не отражается. Во всех случаях гранат является наиболее железистой фазой, а клинопироксен - наиболее магнезиальной.

Амфиболы. Сложный изоморфизм Ca→ Na_b, Fe²⁺ → (Al^YI + Fe³⁺), Al^IY → Si в амфиболах наглядно проявлялся с ростом и температуры, и давления. При Р = 5 кбар близкие к исходным паргаситы, по терминологии  (Leake et al., 1997), в которых Na_b ≈ 0.1 (Schumacher, 1997), сохранялись во всех опытах, не сильно меняясь по составу; отмечалось лишь некоторое уменьшение железистости амфибола от 0.47 до 0.37 с ростом температуры (рис. 2а). При 990^оС среди указанных паргаситов появлялось заметное количество кристаллов с повышенным значением Na_b ≈ 0.2 (рис. 2б, цифры 1 и 2). Оптически амфиболы не различимы, а разделялись только на основании химических микрозондовых анализов.

При давлении 14 кбар и температурах 800-900^о С образуются в основном Са-амфиболы - паргасит с величиной Na_b < 0.1 (рис. 2б, 1) и Mg-горнбленд. С ростом температуры до 1000^оС возрастает количество паргасита со значением Na_b ≈ 0.3 (рис. 2б, 2).

При Р = 20 кбар Mg-горнбленд и паргасит с переменным содержанием Na отмечены при всех температурах, при 900^оС содержание Na_b в паргаситах достигает 0.6, т.е. образуется Mg-тарамит (Na-Ca-амфибол); (рис. 2б; пунктирная линия на рис. 2б отвечает границе между Ca  и Na-Ca амфиболами (Leake et al., 1997).

Железистость амфиболов практически не зависит от давления, но несколько снижается с ростом температуры (рис. 2а).

Рис. 2а. Зависимость отношения FeO/FeO+MgO в амфиболах от температуры	Рис. 2б. Содержание Na(b) (ф.ед.) при различных Р и Т

Оливин в виде изометричных, достигающих 40 мкм кристаллов, отмечен в единственном опыте при температуре 1010^оС и давлении 14 кбар.

Составы новообразованных расплавов варьируют с ростом температуры от  трондьемитов  (при 800^оС) до тоналитов (Т около 1000^оС). С ростом давления до 20-25 кбар образующийся расплав обогащается  калием, и поэтому состав выплавляемых магм будет соответствовать кварцевым монцонитам и гранитам при Т < 900^оС, а с повышением температуры до 1000^оС - гранодиоритам и тоналитам (рис. 3).

Количество расплава, образующегося из амфиболита при различных Т и Р,  рассчитанные на основании уравнений баланса масс основных петрогенных компонентов, показаны на рис. 4 красным цветом.

Рис.3. Составы расплавов, образовавшихся в опытах

Рис. 4. Количество расплава, выплавившееся из амфиболитов в зависимости от температуры, по данным исследователей: 1-Rapp et al., 1991; 2-Wolf, Wyllie, 1993; 3-Rushmer, 1991; 4-Beard and Lofgren, 1991; 5-Sen, Dunn, 1994.

Из рис. 4 видно, что при температурах менее 900^оС в широком интервале давлений амфиболит практически не плавится. Значимое увеличение плавления амфиболита начинается при температуре выше 900^оС, и только при 1000^оС (при этой температуре практически достигается верхний температурный предел устойчивости амфибола) количество выплавляемого расплава составляет от 10 до 30-40 % (зависит от минерального и химического состава амфиболита, содержания H₂O в нем и в образовавшемся расплаве). Приблизительно такие же оценки количеств расплава получены другими исследователями (Wolf and Wyllie, 1994, Rushmer, 1991, Beard and Lofgren 1991, Sen, Dunn, 1994, Rapp et al. 1991, рис 4).

Петрологическое значение проведенных экспериментов

На рис. 5 в координатах Т-Р толстой черной линией показано положение солидуса амфиболита при содержании H₂O >1.8%, который совпадает с водонасыщенным, толстый пунктир с точкой отражает линию солидуса при

Рис. 5. Соотношение солидуса базитов и основных метаморфических фаций в Т-Р координатах

содержании H₂O = 1.3% , тонкий пунктир- при содержании H₂O = 0.8% в породе (Vielzeuf, Schmidt, 2001). Точечными линиями показано количество расплава, образующееся в наших опытах. Тонкие сплошные линии на рис. 5 - границы метаморфических фаций - по Spear (1995), с некоторыми дополнениями (Кориковский, 2002). Вертикальная точечная линия разделяет поле эклогитовой фации на 2 половины: слева - область наиболее обычных Р-Т значений, чьи породы изучены и встречаются в современных срезах, справа - эклогитовая фация с параметрами, характерными для нижних частей коры, но почти неизвестных в современных срезах, поскольку эклогиты с Т > 750-800^оС при Р < 25 кбар крайне редки, встречаются чаще всего в ксенолитах из щелочных базальтов. Из экспериментальных данных, полученных как в настоящей работе, так и в других вышеперечисленных исследованиях, следует, что значимое плавление амфиболитов в закрытой системе (когда весь флюид, участвующий в плавлении, образуется лишь за счет гидроксильной воды, возникающей при разложении амфиболов), возможно только при Т > 900^оС, т.е. исключительно при параметрах гранулитовой фации. Выплавление тоналит-трондьемитов при этих условиях возможно только в очень ограниченной, высокобарической части амфиболитовой фации. В высокотемпературной эклогитовой фации (на рис. 5 - справа от вертикальной точечной линии, разделяющей эклогитовую фацию) на почти невскрытых на современных срезах частичное плавление базитов может иметь место и в закрытой системе. В таком случае расплавы будут поступать в верхние горизонты (в том числе в реальные эклогитовые комплексы) в виде интрузивных тел, штоков и даек.

Появление значимых объемов плагиогранитного расплава из амфиболитов и эклогитов при Т = 700-750^оС возможно, как следует из рис. 5, лишь в водонасыщенных условиях, т.е. при появлении в амфиболитах дополнительного количества Н₂О из внешнего источника. Такая ситуация представляет собой открытую систему. Поэтому на основании проведенных экспериментов можно утверждать, что частичное плавление in situ метабазитов в условиях большей части амфиболитовой и эклогитовой фаций, с возникновением полосчатых амфиболитов, для которых бесспорно доказана лейкосомная природа тоналит-трондьемитовых прослоев, наиболее вероятно лишь в рамках модели анатексиса в открытой системе. Это необходимо учитывать при интерпретации изотопно-геохимической информации, потому что в условиях открытой системы продолжительная инфильтрация флюидной фазы может искажать геохимические и изотопные характеристики пород.