ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГРАНИТООБРАЗОВАНИЯ ПО ПОРОДАМ ОСНОВНОГО СОСТАВА

ГЛАВА V. СРАВНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТОВ С ЗАКОНОМЕРНОСТЯМИ ПРИРОДНОГО ГРАНИТООБРАЗОВАНИЯ ЗА СЧЕТ МЕТАБАЗИТОВ

Исследования трех основных типов взаимодействия гранитоидов и метабазитов, позволяют экспериментальным путем уточнить ряд характерных черт следующих процессов: 1) частичного плавления основных пород с образованием плагиогранитных магм, 2) диффузионного взаимодействия гранитных расплавов с метабазитами, и  3) гранитизации при инфильтрационном воздействии на них минерализованных флюидов.

Частичное плавление метабазитов в условиях закрытой и открытой системы.

Этот процесс многими исследователями считается основной причиной формирования тоналит-трондьемит-гранодиоритовых (TTG) магматических серий, составляющих значительные объемы архейской континентальной коры.

Наши экспериментальные данные, дополняющие  предшествующие работы (Beard, Lofgren, 1991, Wolf and Wyllie, 1986, 1991, 1993, Rushmer 1991, Sen and Dunn, 1994, Rapp et al., 1991, Rapp, 1995, Rapp and Watson, 1995), установили следующие основные закономерности частичного плавления амфиболитов по мере  повышения температуры в закрытой системе:

1). В породах основного состава с ростом температуры от 800^о до 1000^оС при давлениях от 5 до 25 кбар образуются выплавки, состав которых меняется от кислого до среднего. Нарастающее частичное плавление пород приводит к тому, что в меланосоме увеличивается основность плагиоклазов, возрастает содержание пиропового минала в гранатах, растет магнезиальность клинопироксена, при слабо возрастающей магнезиальности амфибола.

В природных условиях такой тип анатексиса должен начинаться с образования локальных, "капельных" гранитных микровыплавок внутри метабазитового субстрата, и должны обнаруживаться микропрожилковые каналы, по которым этот расплав выводится наружу, поэтому кислые выплавки будут иметь пассивные отношения с реститом. Однако гораздо чаще в природных мигматитах, особенно в условиях амфиболитовой фации, наблюдается обратная  картина - активное воздействие лейкосомы на меланосому, узкие оторочки биотитизации и фельдшпатизации (ощелачивание) меланосомы в их контакте, признаки разъедания меланосомы кислым расплавом или кремне-щелочным раствором, с постоянной тенденцией превращения меланосомы в фельдшпатизированный скиалит (Коржинский, 1952, 1976; Engel and Engel, 1958; Кузнецов, Изох, 1969;  Крылова и др., 1972; Кориковский, 1976; Беус и др., 1993; Глебовицкий и др., 2003; Гаврикова, 1987; Гаврикова, Жариков, 1984; Летников и др., 1975, 1988; Щербакова, 1988, 1994; Миловский и др, 1985; Перчук и др., 2002; Olsen, 1982, 1984; Perchuk et al., 2000 и др.). Тенденцию, противоположную той, что проявляется в закрытой системе, демонстрируют и изменения составов минералов: происходит покисление краевых частей плагиоклазов, возрастание железистости пироксенов и амфиболов, увеличение их щелочности (Кориковский, 1967; Жариков, Гаврикова, 1987; Гаврикова, Жариков, 1984; Гаврикова, 1987; Беус и др., 1993; Щербакова, 1988), тогда как при плавлении амфиболитов в закрытой системе магнезиальность минералов и основность плагиоклазов в реститах возрастают. Все это указывает на то, что процессы плавления метабазитов в открытой системе (во всяком случае в амфиболитовой фации) гораздо более обычны, чем анатексис в закрытой системе, что подтверждается многочисленными работами по изучению мигматитов (напр., Olsen, 1982, 1984; Sawyer, 1987; Vernon, Collins, 1988; Kriegsman, 2001 и др.) и исследованиями флюидных включений в лейкосоме (Touret, 1969; Мигматизация и гранитообразование..., 1985; Седова и др. 1996, 2001; Prouteau, Scaillet, 1999 и др.).

2). Почти все представления о частичном выплавлении TTG-магм основаны на модели закрытого анатексиса в условиях амфиболитовой или эклогитовой фаций (напр., Rapp, 2003; Foley et al., 2002). Наши эксперименты показали, что в закрытой системе, когда вода при плавлении поступает только за счет дегидратации амфибола и биотита, сколько-нибудь значимое выплавление тоналит-трондьемитовых магм происходит при T более 800^oC, т.е., при параметрах гранулитовой фации. Снижение температуры солидуса амфиболитов до 650-700^оС (до уровня амфиболитовой фации) возможно только при более высоком содержании водного флюида в сравнении с закрытой моделью (Vielzeuf, Schmidt, 2001). В природных условиях такой избыточный флюид может поступать в метабазиты только извне, в рамках открытой системы.

3). При параметрах гранулитовой фации амфиболиты превращаются в двупироксеновые гранулиты, и лишь при температуре - 950^оС количество выплавляющегося расплава достигает приблизительно 20-30 %, и  становится возможным его отделение согласно (Stolper et al., 1981; Clemens and Vielzeuf, 1987; Wickham, 1987)). В результате  должно оставаться 80% безводного твердого остатка, однако концентрации больших объемов подобного тугоплавкого остаточного материала нигде не фиксируются. Можно было бы предположить, что этот материал каким-то образом погружался в верхнюю мантию, однако прямые доказательства реальности такого процесса также отсутствуют (Попов, 1997). Кроме того, если бы действительно проходило нарастающее изохимическое парциальное плавление метабазитов с удалением плагиогранитных расплавов в более верхние этажи коры, то следствием этого должна стать "дегранитизация"  древних щитов. Это расходится с геохимическими трендами реальных докембрийских высокотемпературных комплексов любой глубинности, которые, напротив, всегда эволюционируют в сторону нарастания степени их гранитизации и дебазификации. Это в свою очередь говорит в пользу гранитообразования в открытой системе.

В пределах большей части амфиболитовой и эклогитовой фаций, при частичном плавлении амфиболитов и других близких типов метабазитов в закрытой системе, количество новообразованного расплава, как показывает расчет, будет составлять не более 1-5% объема породы. Поэтому кажется более вероятным, что лейкократовые полосы, характерные для амфиболитов из метаморфических комплексов амфиболитовой фации, скорее всего являются не выплавками, появившимися in situ (если система была закрыта), а инъекциями расплава, возникающего на более низких и более высокотемпературных уровнях коры, либо (если жильная природа лейкократовых полос не ясна) могут оказаться дометаморфическими образованиями.

Диффузионное взаимодействие гранитных расплавов с метабазитами

В результате экспериментального моделирования диффузионного взаимодействия гранитного расплава с метабазитами установлены следующие закономерности:

1). В экзоконтакте происходит осветление и частичное плавление амфиболита, вызванные диффузией щелочей и кремнезема из гранитного расплава. При диффузионных процессах, в отличие от инфильтрационных,  образуются более магнезиальные биотит и роговая обманка (при 950⁰С - также магнезиальный клинопироксен. Мигматизированные амфиболиты весьма неоднородны: гранитные выплавки (лейкосома), перемежаются с участками меланосомы, которая по сравнению c исходными амфиболитами всегда более меланократовая. Это существенно отличает диффузионный тип мигматитов от инфильтрационного, в котором наблюдается дебазификация (осветление) первичных амфиболитов.

2). При диффузионном взаимодействии в эндоконтакте гранитоидов появляется гибридная, более основная передовая зона кварц-монцонитового, гранодиоритового или чарнокитового состава, вызванная миграцией Са, Мg и Fe из амфиболита в контактирующий гранитный расплав. Подобные процессы типичны для контактов сравнительно бедных флюидами, но "горячих" магматических гранитов с метабазитами и карбонатами. Этим диффузионный тип мигматитов отличается от инфильтрационного, при котором миграция Са, Мg и Fe происходит не в гранитный расплав, а в противоположном направлении, за пределы самой реакционной зоны.

Инфильтрационное взаимодействие метабазитов с кремне-щелочными флюидами

На основании полевых и экспериментальных исследований было показано, что при гранитизации метабазитов, вследствие инфильтрации в них кремне-щелочных флюидов, на передовом фронте их просачивания происходит замещение пироксенов, граната и магнезиальных амфиболов все более железистыми амфиболами и биотитами, ортопироксена - Mg-антофиллитом, основных плагиоклазов и части темноцветных - щелочными Na-Ca- и К-полевыми шпатами, скаполитом и кварцем. За счет дебазификации - выноса Mg, Fe и Са - меланократовые метабазиты трансформируются в более лейкократовые породы, обогащенные Na, K и  Si, содержащие сначала межгранулярные новообразования и микропрожилки, а затем порфиробласты кислого плагиоклаза, калишпата, скаполита и кварца.

В тыловой зоне гранитизации метасоматически измененные, осветленные метабазиты начинают приближаться по составу к гнейсам или теневым скиалитам, в них усиливается плавление, и через состояние "мигмы" они замещаются кислым расплавом, а скиалиты метабазитов частично или полностью растворяются в контактирующем гнейсограните.

Инфильтрационные колонки, баланс вещества при гранитизации и возможная продолжительность процесса

Изучение трансформации метабазитов в гранитоиды в полевых условиях позволяет объединить метасоматические изменения метабазитов беломорского комплекса в единую колонку гранитизации: 

Направление инфильтрации флюидов

Значительная часть этих замещений была зафиксирована и в эксперименте: фрагментация метабазитов с постепенным их замещением расплавом, покисление краевых частей плагиоклазов и окварцевание, повышение железистости роговых обманок в краевых частях зерен за счет более быстрого выноса магния по сравнению с железом, и замещение ортопироксена антофиллитом за счет реакций гидратации и привноса Si на передовом фронте метасоматического процесса. Эта направленность изменения минерального состава породы и химического состава минералов характеризует основные видимые признаки отличия инфильтрационных и диффузионных процессов.

Колонку гранитизации амфиболитов, полученную в экспериментальных условиях (естественно, с последующей кристаллизацией расплава, полученного в обращенной к флюидному потоку части образцов) можно представить как локально-равновесную. Эта колонка имеет вид:

Направление инфильтрации флюидов

Как следует из приведенных колонок, возникающих в ходе  гранитизации  метабазитов как в полевых, так и в экспериментальных условиях, они могут отличаться деталями строения, но во всех случаях четко видна главная тенденция: привнос SiO₂, Na₂O, K₂O и вынос FeO, MgO, CaO, фельдшпатизация и дебазификация исходных метабазитов, превращение их в интенсивно осветленные породы с выплавками, гнездами и жилками гранитного расплава, которые затем полностью замещаются гомогенным гранитом, образованным путем неизохимического замещения измененных вмещающих пород.

Гранитизация - неизохимический процесс, сопровождающийся огромным привносом и выносом вещества. Как видно из рис. 15, при инфильтрации существенно водного флюида через амфиболиты в экспериментальных условиях, на 1 м³ вмещающих основных пород привносится в среднем 420-460 кг SiO₂ , и выносится в среднем 80 кг CaO, 200 кг FeO+Fe₂O₃, 170 кг MgO, 120 кг Al₂O₃. Учитывая, что средняя минерализация при 750^оС и давлении 5 кбар (параметры экспериментов) составляет " 110 г/ кг H₂O (Чевычелов и др., 1994), из результатов экспериментов следует, что для гранитизации амфиболита требуется около 4500 кг существенно водного флюида. Видимо, эта величина является предельной при оценке количества флюидной фазы, поскольку гранитизация всегда происходит при участии не существенно водного флюида, а высокоминерализованных растворов. Например, Жариков В.А. (1987), показал, что при замещении 1м³ вмещающих пород на 1м³ лейкократовых гранитов необходимо, чтобы через породы профильтровалось 2000 кг флюидной фазы  при средней ее минерализации около 30% , т.е. практически, рассола.

Рис.15. Диаграмма изменения количества компонентов (Δm, мг/см3) в экспериментальной колонке гранитизации	Рис.16. Диаграмма изменения количества компонентов (Δm, мг/см3) по природной колонке гранитизации метагаббро-норитов

На рис. 16, представляющем расчет изменения количества петрогенных компонентов, проведенный по результатам полевого изучения гранитизации метагаббро-норита, видно, что при гранитизации 1 м³ габбро-норитов при температуре 640-700^оС и давлении около 10 кбар происходит привнос 140-200 кг SiO₂, 20-30 кг Al₂O₃, 30-40 кг K₂O, 5-30 кг Na₂O, и вынос 150-200 кг CaO,  200 кг FeO+Fe₂O₃, 120-170 кг MgO. Солевая составляющая флюидной фазы X_NaCl, определенная на основании химического состава скаполита, составляет приблизительно 0.2-0.3 (глава IY), что соответствует 40-50% концентрации соли. Полагая, что средняя минерализация флюида близка к этой величине, можно считать, что привнос-вынос приблизительно 300 кг габбро-норита обеспечивается фильтрацией 300 - 500 кг высококонцентрированного рассола.

Таким образом, можно допускать, что в общем случае, при преобразовании 1 м³ метабазитов в 1 м³ гранитоидов интервал изменения количества фильтрующейся флюидной фазы, просачивающейся через метабазиты, составляет от 300 и менее, чем 4500 кг.

Christensen et al. (1989), England and Thompson (1984) на основании изотопных данных и термальных моделей показали, что длительность термального пика при региональном метаморфизме составляет " 10⁷ лет. На основании этих данных можно предположить, что временной интервал гранитизации в среднем отвечает интервалу в 10⁶ - 10⁷ лет (1-10 млн лет). В таком случае расход флюида (W), профильтровавшегося  через породу за 1 млн лет (t), будет оцениваться  в среднем как   W = m/t " n х 10^-8  г/с, где m -  количество фильтровавшейся флюидной фазы. В случае, если продолжительность гранитизации увеличивается до 10 млн лет, расход флюида соответственно уменьшается на порядок. Эти оценки расхода флюида при гранитизации нерассланцованных, неразгнейсованных массивных метабазитов в природных условиях, в пределах порядка согласуются с оценками расхода флюида при его фильтрации, полученными в экспериментальных условиях.