Модели эволюции глубинных щелочных жидкостей

Часть 1. Аналитический обзор сведений о мантийных щелочных жидкостях и минералогических индикаторах этих жидкостей в мантии.

Глава 1.1. Аналитический обзор сведений о мантийных щелочных жидкостях.

В главе приводится обзор опубликованных данных о реликтах щелочных жидкостей в минералах пород верхней мантии. Он включает сведения о включениях кремнекислых щелочных расплавов в минералах перидотитовых нодулей из океанических и континентальных базальтов (Schiano et al., 1994; Schiano, Clocchiatti, 1994; Wulff-Pedersen et al., 1996; Coltori et al., 2000; Andersen, Neumann, 2001; Frezzotti et al., 2001, 2002; Kogarko et al., 1995, 2001); о продуктах частичного плавления эклогитовых нодулей в кимберлитах (Sobolev et al., 1999; Spetsius, Taylor, 2002; Misra et al., 2004; Шацкий и др., 2005); о включениях хлоридно-карбонатных жидкостей в минералах связующей массы алмазоносных кимберлитов трубки <Удачная-Восточная> (Головин и др., 2003; Kamenetsky, 2005; Kamenetsky et al., 2004; Maas et al., 2005). Особое внимание уделено включениям щелочных жидкостей в алмазах из кимберлитов, среди которых выделяются четыре основных типа (Рис. 1).

1) Силикатные расплавы, содержащие SiO₂ > 55 мас. %, Al₂O₃ > 10 мас. % и K₂O 6-18 мас. % (Prinz et al., 1975; Буланова, Аргунов, 1985; Буланова и др., 1988, 1993; Новгородов и др., 1990; Leung, 1990; Lee et al., 1991; Гаранин и др., 1991; Bulanova et al., 1998; Wang et al., 2003).
2) Карбонатно-силикатные расплавы с высокой суммарной концентрацией CaO+MgO+FeO+BaO+SrO (15-45 мас. %) при концентрации SiO₂ 15-50 мас. % и K₂O 12-30 мас. % и относительно низкой концентрации Al₂O₃ (2 - 6 мас. %) (Navon et al., 1988; Schrauder, Navon, 1994; Schrauder et al., 1994, 1996; Izraeli et al., 2003; Ширяев и др., 2005).
3) Карбонатные расплавы с высокой суммарной концентрацией CaO+MgO+FeO+BaO+SrO (35-45 мас. %) при концентрации SiO₂ < 15 мас. % (Schrauder et al., 1994; Logvinova et al., 2003; Klein-BenDavid et al., 2004, 2006; Ширяев и др., 2005).
4) Хлоридно-карбонатные жидкости с концентрацией хлора 20 - 40 мас. % при суммарном содержании K₂O+Na₂O 30 - 40 мас. % (Chen et al., 1992; Izraeli et al., 2001, 2004; Klien-BenDavid et al., 2004, 2006).

Составы включений в минералах ультраосновных нодулей близки к включениям силикатных расплавов в алмазах. Состав хлоридно-карбонатных включений в оливинах из кимберлитов трубки <Удачная-Восточная> похож на состав хлоридно-карбонатных включений в алмазах. Щелочные жидкости в алмазах сосуществуют с включениями минералов эклогитового и перидотитового парагенезисов, кристаллизующихся при 4-7 ГПа и 1100-1250^o С (Буланова и др., 1988, 1993; Navon, 1991; Izraeli et al., 2004). Эти данные свидетельствует о широком распространении в мантии щелочных жидкостей, составы которых определяются тремя главными генетически связанными составляющими (Рис. 1): силикатным, карбонатным и хлоридным расплавами (Navon et al., 2003). Составы силикатных и карбонатных жидкостей связаны между собой непрерывными переходами через карбонатно-силикатные расплавы (Рис. 1). Составы карбонатных включений и хлоридно-карбонатных включений также взаимосвязаны (Рис. 1). Непрерывные переходы между силикатными (карбонатно-силикатными) и хлоридно- карбонатными расплавами отсутствуют (Рис. 1). Однако генетическая связь этих жидкостей отражается в общих для них карбонатном и хлоридном компонентах.

Далее в главе рассматриваются модели, описывающие взаимосвязи щелочных жидкостей в мантии. В моделях (1) парциального плавления карбонатизированных мантийных пород и (2) фракционной кристаллизации первичной карбонатно-силикатной жидкости, близкой по составу к кимберлитовому расплаву предпринята попытка объяснить взаимные переходы между карбонатно-силикатными и карбонатитовыми жидкостями (Schrauder, Navon, 1994; Schrauder et al., 1996; Navon et al., 2003). Но эти модели не способны объяснить разнообразие состава этих жидкостей. Не отвечает она и на вопросы об источниках высоких концентраций щелочей и летучих, низких отношениях Mg/Fe в мантийных щелочных жидкостях, а также о природе хлоридно-карбонатных жидкостей.

Модель жидкостной несмесимости (Perchuk et al., 2002) отводит ведущую роль первичным хлоридным и хлоридно-карбонатным жидкостям. Они, существуя автономно в мантии, способны задавать высокие концентрации щелочей и хлора в сосуществующих силикатных и карбонатно- силикатных расплавах. Эта модель основывается на закономерном распределении точек составов расплавных включений в алмазах на рисунке 2. Непрерывное поле составов между силикатными и карбонатными включениями отражает полную смесимость соответствующих жидкостей в условиях стабильности алмаза. Аналогичный вывод справедлив и для хлоридно-карбонатных жидкостей. Непрерывные тренды эволюции между включениями карбонатно-силикатных и карбонатных расплавов, а также между включениями хлоридно-карбонатных и карбонатных расплавов описаны в отдельных кристаллах алмаза (Schrauder, Navon, 1994; Ширяев и др., 2005; Klein-BenDavid et al., 2004, 2006).

Отсутствие на рисунке 2 точек составов между силикатными (и карбонатно-силикатными) и карбонатно-хлоридными расплавами свидетельствует о широкой области несмесимости между этими жидкостями в условиях верхней мантии. Жидкостная несмесимость мантийных карбонатно- силикатных и хлоридно-карбонатных расплавов выражена в хлоридно-карбонатных сегрегациях в кимберлитах трубки <Удачная-Восточная> (Kamenetsky, 2005; Kamenetsky et al., 2004, 2006). Модель жидкостной несмесимости, основанная на природных данных и подкрепленная экспериментами по фазовым равновесиям в щелочных силикатных, карбонатно-силикатных, хлоридно-силикатных и хлоридно-карбонатно-силикатных системах в условиях стабильности алмаза, способна объяснить композиционные характеристики мантийных щелочных жидкостей и тренды их эволюции.

Глава 1.2. Минералогические индикаторы глубинных щелочных жидкостей.

В главе рассматриваются ассоциации и условия образования разнообразных минералов - концентраторов калия в мантийных условиях. Такие минералы чрезвычайно редки в мантийных ассоциациях. Образование большинства из них (калиевого рихтерита, К-содержащих титанатов, джерфишерита) связано с поздними метасоматическими процессами в верхах мантии (Буланова и др., 1980; Zhou, 1986; Гаранин и др., 1988; Sobolev et al., 1997; Копылова и др., 1997; Leost et al., 2003; Bulanova et al., 2003; Зедгенизов и др., 1998). Включения флогопита (Prinz et al., 1975; Gurney et al., 1979; Meyer, McCallum, 1985; Sobolev et al., 1997, 1998; Leost et al., 2003) в алмазах являются индикаторами поздних процессов кристаллизации магм или метасоматоза на глубинах не более 120 км. и, по-видимому, также не связаны с ранними высокотемпературными процессами кристаллизации. Лишь включения санидина в алмазах (Prinz et al., 1975; Буланова, Аргунов, 1985; Meyer, McCallum, 1985; Новгородов и др., 1990; Буланова и др., 1993; Wang, 1998; Sobolev et al., 1998; Davies et al., 1999; Anand et al., 2004), вероятно, отвечают относительно <сухим> условиям кристаллизации из богатых калием силикатных расплавов. Однако включения этого минерала в алмазах довольно редки. Иначе говоря, ни один из выше упомянутых минералов не может служить ключевым индикатором глубинной эволюции мантийных ультракалиевых жидкостей.

На место потенциального индикатора активности калия в мантийных парагенезисах, равновесных со щелочными жидкостями, претендует клинопироксен (KCpx), содержащий в природных высокобарных парагенезисах до 1.5 мас. % K₂O. Этот минерал распространен в виде включений в алмазах (Соболев, 1974; Prinz et al., 1975; Meyer, 1987; Jaques et al., 1989; Соболев и др., 1989а; Ricard et al., 1989; McCandless, Gurney, 1989; Harlow, Veblen, 1991; Гаранин и др., 1991; Соболев и др., 1997; Harlow, 1999; Stachel et al., 2000а). Породообразующий KCpx присутствует в эклогитовых и перидотитовых нодулях из кимберлитов (Соболев, 1974; McGregor, Carter, 1970; Reid et al., 1976; Bishop et al., 1978; Jaques et al., 1990). Мегакристы KCpx известны в эруптивных лампроитах (Богатиков и др., 1991) и щелочных вулканических породах (Ghorbani, Middlemost, 2000). Этот минерал обнаружен в виде включений в гранатах из гранат-клинопироксен- карбонатных пород Кокчетавского комплекса, Сев. Казахстан (Sobolev, Shatsky, 1990; Шацкий, 1990; Вавилов, 1995; Перчук и др., 1995, 1996; Перчук, Япаскурт, 1998; Liou et al., 1999; Perchuk et al., 2002, 2003; Bindi et al., 2003; Shatsky, Sobolev, 2003). В главе детально рассмотрены особенности состава KCpx в этих ассоциациях. Присутствие K в этих клинопироксенах является единственным свидетельством их формирования в равновесии с богатыми калием расплавами (Edgar, Vukadinovic, 1993; Harlow, 1997; Перчук, Япаскурт, 1998; Perchuk et al., 2002). В отдельных случаях это подтверждается прямыми находками включений щелочных жидкостей в ассоциации с KCpx в алмазах (Буланова, Аргунов, 1985; Буланова и др., 1988; Новгородов и др., 1990; Izraeli et al., 2004). Вариации состава природного KCpx в зависимости от Т и Р выражаются не только в содержании его калиевых миналов (например, KJd), но и на Ca-Esk, Ca-Ts, CEn+CFs в его твердом растворе. Чтобы использовать наиболее эффективно состав KCpx и его равновесия для расшифровки физико-химических условий глубинного петрогенеза, необходимы экспериментальные и термодинамические данные для этого сложного твердого раствора.