Локальные преобразования вещества при метаморфизме высокого давления

Введение.

Актуальность исследований. Породы метаморфических комплексов, сформированные в глубинных участках зон субдукции/ коллизии, нередко являются продуктами полистадийной перекристаллизации под воздействием меняющихся давления, температуры, флюида и/или деформаций. Перекристаллизация может носить масштабный характер. В результате ранние минеральные парагенезисы сохраняются лишь фрагментарно в виде включений в минералах. Поэтому реликтовые включения широко используются в метаморфической петрологии для восстановления метаморфической эволюции пород (Авченко, 1990; Аранович, 1991; Перчук и др., 1997; Шацкий и др., 2006; Кориковский, 2006; Корсаков и др., 2006; Tracy, 1982; Chopin, 1984; Thompson, 1984; Perchuk et al., 1985; Sobolev, Shatsky, 1990; Schertl, Schreyer, 1991; Elvevold, Gilotti, 2000; Rubatto, Hermann, 2001; Compagnoni, Hirajima, 2001; Krebs et al., 2008; Zheng, 2008; Katayama & Maruyama, 2009; Mints et al., 2010). Исследования микро - и даже нановключений особенно актуальны для комплексов высокого и сверхвысокого давления, так как в них сохраняется информация о наиболее глубинных условиях образования пород (Dobrzhinetskaya et al., 2007).

Включения играют важную роль не только в геотермобарометрических исследованиях, но также в минеральной хронометрии (Перчук, Геря, 2005; Perchuk et al., 1999), в изотопном датировании (DeWolf et al., 1996; Scherer et al., 2000; Philippot et 2001; Rubatto et al 2003) и в диагностике плавления пород (Korsakov, Hermann, 2006). Для установления основных эффектов преобразования включений и их взаимодействия с минералом-хозяином в дополнении к известным эмпирическим данным необходимы систематические экспериментальные исследования при Р-Т условиях соответствующих метаморфическим комплексам. Важность исследования плавления во включениях определяется еще и тем, что процессы частичного плавления относятся к числу наименее изученных явлений в субдукционных и коллизионных метаморфических комплексах.

Цель и задачи исследований. Целью исследования являлось выявление на основе экспериментальных, термодинамических и природных данных общих закономерностей локального преобразования минеральных включений и минеральных агрегатов для корректной реконструкции тектоно-метаморфической эволюции пород высокобарных комплексов. Для ее реализации были сформулированы следующие основные задачи:
1. Исследовать фазовые превращения, закономерности изменения составов минералов и расплавов при плавлении включений.
2. Установить диагностические признаки дегидратационного плавления включений в гранате.
3. Рассчитать отклонение давления во включениях разного минерального и фазового состава от литостатического, используя модель эластичного включения.
4. Исследовать петрологические особенности пород и признаки плавления включений в гранатах из высокобарных комплексов Фаро (канадские Кордильеры), Берген Аркс (Западная Норвегия), Кокчетавского массива (Казахстан).

Научная новизна работы.

На основе аналоговых экспериментов установлены морфологические и минералогические признаки дегидратационного плавления пойкилобластовых включений в метаморфических гранатах. Таким образом, открываются возможности для диагностики минеральных включений, испытавших плавление в ходе эволюции породы.

Полиминеральные включения в ядрах гранатов из эклогитов комплекса Фаро, Канадские Кордильеры являются продуктами кристаллизации из расплава. Таким образом, полученные ранее скорости термальной и барической эволюции пород нуждаются в ревизии в свете новых данных.

Некоторые типы минеральных включений в гранатах из алмазоносных и безалмазных карбонатно-силикатных пород Кокчетавского массива соответствуют экспериментально установленным диагностическим признакам, свидетельствуя о плавлении включений при Р-Т условиях пика метаморфизма.

Количественно оценены эффекты увеличения давления во включениях в гранате при погружении вдоль модельной геотермы в зоне субдукции, а также увеличения давления при частичном плавлении включений. Моделирование показало, что давление во включении при плавлении может превышать литостатическое более чем в два раза. Это указывает на возможность кристаллизации коэсита и алмаза в породах, сформированных за пределами термодинамической стабильности этих минералов.

Корониты комплекса Берген-Аркс по Р-Т условиям формирования относятся к ультравысокотемпературным гранулитам (классификация Harley, 2008). При этом даже в свежих образцах гранулитов, удаленных от зон сдвиговых деформаций на расстояние более чем на 100 м, наблюдаются локальные минеральные превращения, связанные с каледонским эклогитовым метаморфизмом

Практическое значение. Критерии дегидратационного плавления реликтовых минеральных включений в метаморфических гранатах позволяют диагностировать минеральные включения, образованные в результате раскристаллизации расплава, отделяя их от первичных минеральных включений, захваченных минералом-хозяином в ходе его роста. Эти сведения, как и изучение других локальных преобразований в породах, исключительно важны для корректного восстановления эволюционных Р-Т-t трендов метаморфизма и правильной геодинамической интерпретации данных минералогической термобарометрии.

Основные защищаемые положения

1. Реликтовые включения амфибола, эпидота и карбонатов в порфиробластах граната в экспериментах при температуре Т= 700-1100^oС и давлении Р=3-4 ГПа, отвечающих термодинамическим условиям образования метаморфических комплексов высокого давления, подвергаются преобразованию и дегидратационному плавлению, формируя морфологические, структурные и кристаллохимические признаки, позволяющие диагностировать плавление включений в природных процессах.

2. Минеральные включения в гранатах из эклогитов комплекса Фаро, канадские Кордильеры, а также из карбонатно-силикатных пород месторождения алмазов Кумды-Коль Кокчетавского массива, отвечающие экспериментально установленным критериям частичного плавления, являются продуктом плавления и последующей кристаллизации минеральных включений, захваченных на прогрессивной стадии метаморфизма.

3. Каледонский эклогитовый метаморфизм в комплексе Берген Аркс, Норвегия, сопровождаемый привносом водного флюида, проявлен не только в зонах сдвиговых деформаций, но и на микроуровне во вмещающих гранулитах, находящихся на большом удалении (более 100 м) от зон сдвиговых деформаций.

Фактический материал и методы исследования. Эксперименты с пойкилитовыми гранатами, выделенным из эклогитов трех метаморфических комплексов высокого давления (Эскамбрай, Куба; Максютовский, Ю. Урал и Самбагава, Япония), проводились на установке цилиндр-поршень в Рурском Университете (Бохум, Германия) А.Л. Перчуком. Для изучения эклогитов комплекса Юкон-Танана (Канада) использовались коллекции образцов А.Л. Перчука и П. Филипо. Образцы из комплекса Берген Аркс (Норвегия) были любезно предоставлены Б. Штоккертом и М. Эрамбер. Коллекция образцов ультравысокобарных пород из Кокчетавского массива (Сев. Казахстан) была собрана автором во время полевых работ в 2007 г.

Автором были детально изучены продукты 8 экспериментов и 22 образца пород из метаморфических комплексов высокого давления. Структурно-текстурные особенности высокобарных пород исследовались с помощью оптического микроскопа. Составы фаз, микроструктурные особенности пород и химическая гетерогенность минералов изучались в лаборатории локальных методов исследования вещества кафедры петрологии геологического факультета МГУ им. Ломоносова. Для обнаружения коэсита во включениях в гранате использовался метод рамановской спектроскопии.

Термодинамические расчеты и моделирование сверхдавления во включениях выполнялись с помощью оригинальных компьютерных программ, созданных как в электронных таблицах Microsoft Office Excel, так и в программе Visual Basic, встроенной в Microsoft Office Excel. Минеральные реакции и Р-Т параметры эволюции пород комплекса Берген Аркс рассчитывались с помощью программы TWQ (Berman, 1991) с обновленной базой взаимосогласованных термодинамической данных, представленной на официальном сайте Геологической службы Канады (www. http://gsc.nrcan.gc.ca/index_e.php).

Апробация работы. По теме диссертации опубликовано 9 работ: 4 статьи, 3 из которых в рецензируемых журналах и 5 тезисов в трудах российских и международных конференций.

Основные результаты исследований докладывались на научной конференции студентов и аспирантов "Ломоносовские чтения" (МГУ, 2007); Международной Школе по Наукам о Земле имени профессора Л.Л. Перчука (Одесса, 2007; 2008); Международном симпозиуме, посвященном 100-летию со дня рождения академика В.С. Соболева (Новосибирск 2008); Генеральная Ассамблея Европейского Союза Геонаук (Вена, Австрия 2008); Российской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Планета Земля" (МГУ, 2009).

Структура работы. Диссертация объемом 199 страниц состоит из введения, 4 глав и заключения; содержит 16 таблиц, 63 рисунка и список литературы из 325 наименований.

Благодарности. Автор выражает благодарность научному руководителю А. Л. Перчуку за постановку задач, ценные советы, внимание, поддержку и терпение. В.О. Япаскурту (МГУ им. Ломоносова) за помощь в проведении микрозондовых исследований, обсуждение и ценные советы, А.А. Заячковскому за помощь в проведении полевых работ на Кокчетавском массиве, Г. В. Бондаренко (ИЭМ РАН) за содействие в исследованиях на Раман-спектрометре, А. Н. Некрасову (ИЭМ РАН) за помощь в проведении микрозондовых исследований.

В работе приняты следующие условные обозначения: Grt - гранат, Pl - плагиоклаз, Ab - альбит, Cpx- клинопироксен, Opx - ортопироксен, Ne - нефелин, Omp - омфацит, Jd - жадеит, Di - диопсид, Hd - геденбергит, En - энстатит, Fs - ферросилит, An - анортит, Qtz- кварц, Ep - эпидот, Coes - коэсит, Crb - карбонат, Hbl - роговая обманка, Ann - аннит, Bt - биотит, Czo - клиноцоизит, Ap - апатит, Crn - корунд, Rut - рутил, Tit - титанит, Dol - доломит, Сс - калицит, Phn - фенгит, Gr - графит, Dia - алмаз, Ky - кианит, Spl - шпинель, Hc - герценит, Sill - силлиманит, And - андалузит, For - форстерит, Par - парагонит, Law - лавсонит, Gln - глаукофан, Alm - альмандин, Grs - гроссуляр, Prp - пироп, Adr - андрадит, Sps - спессартин, L - расплав.