ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГРАНИТООБРАЗОВАНИЯ ПО ПОРОДАМ ОСНОВНОГО СОСТАВА

ГЛАВА II. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИФФУЗИОННОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ АМФИБОЛИТОВ С ГРАНИТАМИ

Экспериментальное изучение диффузионного взаимодействия гранитоидов с основными породами дает возможность осветить специфику магматического замещения вмещающих пород гранитными расплавами. Петрографические наблюдения над процессами гибридизации или ассимиляции многократно приводились в литературе (Заварицкий, 1937; Белянкин, 1937; Коптев-Дворников 1952; Абдуллаев 1955; Коржинский, 1955; Katz, 1969; Auwera, 1993; Waters, 1988; Tobi et al., 1985; Schrijver, 1973; Рейф, 1976; Пономарева, 1992 и др.). Наиболее полно представления об этих процессах сформулированы Д.С. Коржинским (1955) и В.А. Жариковым (1960), согласно которым, диффузионный тип магматического замещения характерен для гранитов с незначительным током флюидов из магмы, вследствие чего компоненты расплавляемых в контакте основных пород не удаляются за пределы реакционной зоны, как при инфильтрационном процессе, а усваиваются гранитным расплавом с образованием гранодиоритовых и даже диоритовых краевых фаций.

Диффузионная метасоматическая зональность и мигматизация в экзоконтактовом ореоле имеют свою специфику, отличную от инфильтрационной зональности. Масштабы изменений на контактах, не зависящие от объема интрузивных тел, исчисляются сантиметрами, возможно до 1 м (Пономарева, 1990), поскольку для образования более мощных эндоконтактных зон время диффузии превышает время остывания интрузива (Шарапов, Голубев, 1976). Однако описано и образование мощных, от 10 м (напр., Пономарева, 1992) до 500 м, зон контактовых ореолов (Коптев-Дворников, 1952, 1953). Образование мощных зон контакта разнородных сред, как правило, объясняется исследователями не только чисто диффузионным механизмом, но и одновременным воздействием на породы также инфильтрационных флюидов, отделяющихся от гранитных интрузивов.

Другое необходимое условие гибридизации и ассимиляции - перегретый характер гранитов, соответствующий температурам существования по меньшей мере гранодиоритового или даже диоритового расплава (Шарапов, Голубев, 1976).

Экспериментальное моделирование диффузионного магматического замещения проведено в ряде работ (Хитаров и др., 1962; Овчинников 1961; Anderson, 1976; Sekine, Wyllie, 1982; Johnston, Wyllie 1988; Летников и др., 1978; Граменицкий, Лунин, 1996; Граменицкий и др., 2001; 2002; Щекина и др., 2000).

Изучение гибридизации амфиболитов гранитной магмой должно учитывать данные о диффузии петрогенных элементов в кислых расплавах. Значения коэффициентов диффузии петрогенных компонентов в расплавах определены для широкого интервала Т-Р параметров, при различной вязкости расплавов, и разном составе флюидов (H₂O, CO₂, HCl, HF ) (Jambon, Carron, 1976; Чехмир, 1984; Данилова, Эпельбаум, 1975; Эпельбаум, 1980; Watson et al., 1982; Watson, Jurewicz, 1984; Чехмир и др., 1979, 1991; и др.). Экспериментальных работ, прямо решающих вопросы замещения амфиболитов гранитным расплавом, практически не было.

Целью проведенных нами исследований было изучение диффузионного взаимодействия амфиболита с гаплогранитом при температурах 800 и 950^оС и давлении 7 кбар, в присутствии флюидной фазы различного состава. Такое изучение дает возможность понять, что происходит при взаимодействии амфиболитов с гранитными расплавами в условиях, близких к температурам амфиболитовой и гранулитовой фациям метаморфизма.

Техника, методика и результаты экспериментов

Экспериментально изучено взаимодействие амфиболита с предварительно синтезированным стеклом гаплогранитного состава при температурах 800^о-950^оС, давлении 7 кбар в присутствии флюидов Н₂О; Н₂О + 0.2 m HCl; Н₂О + 0.5 m KCl.

В состав исходного амфиболита (обр. 13/2, о. Каргониеми Таваярвинского комплекса Сев. Карелии) входили амфибол, биотит, плагиоклаз и акцессории; предварительно синтезированное стекло имело состав: SiO₂-74.65, Al₂O₃-12.16, Na₂O-6.32, K₂O-6.86 (масс. %). Отсутствие Ca, Mg, Fe в исходном гаплограните позволяло фиксировать их появление в новообразованном расплавном стекле  после опытов.

В нижнюю часть золотой ампулы плотно набивалась навеска измельченного амфиболита (200-300 мг), к которому добавлялось 40-50 мг Н₂О и навеска гранита (200-300 мг), которая также плотно утрамбовывалась. Между амфиболитом и гранитом по окружности ампулы помещалось тонкое кольцо из медной проволоки для того, чтобы фиксировать исходный контакт двух пород. Ампула запаивалась и выдерживалась в режиме опытов в течение 70-100 час. Эксперименты проводились на установке высокого газового давления с внутренним нагревом (Иванов и др., 1978) по закалочной методике. После опыта ампулы разрезалась вдоль образца, образец пропитывался циакрином (C₆H₇NP₂) и высушивался. Затем образец помещали в шашку из эпоксидной смолы, разрезали вдоль тонкой алмазной пилой и исследовали с помощью электронного микрозонда "Camscan" c "EDS Link AN100/85S" в Лаборатории микроанализа кафедры петрологии МГУ и  микрозонда "Camebax" в ИЭМ РАН. Наряду с минералами определяли и валовый состав пород с помощью расширенного электронного пучка с площади 0.10-0.25 мм² в каждой зоне.

Продукты экспериментов отражают влияние различных процессов. В удалении от прямого контакта с гранитом, где нет заметного привноса или выноса компонентов, идет частичное плавление амфиболита в присутствии флюидной фазы (Helz, 1976; Ходоревская, Жариков, 1998) с образованием расплава кислого состава и параллельного возникновения рестита, состоящего из амфибола, биотита, плагиоклаза, а при 950^оС - с добавлением  клинопироксена. В непосредственном контакте амфиболита с расплавом (рис. 6, а, б) наряду с частичным плавлением амфиболита, происходит диффузионное взаимодействие между двумя породами, вызванное различием химических потенциалов компонентов между ними. Диффузия щелочей и кремнезема в сторону амфиболита приводит к постепенному изменению его минерального состава (см. ниже) и повышению в нем количества новообразованного расплава, т.е. в нем возникает диффузионная зональность. Одновременно происходила миграция Ca, Mg и Fe из амфиболита в сторону расплава. Рис. 6 демонстрирует контактовую зону амфиболит-гранит после опытов, проведенных при 800 (а) и 950^оС (б). Образующиеся после опытов зоны обозначены цифрами от 1 до 4, исходный гранитный расплав - 0. Контакт амфиболита с гранитом до опыта показан широкой черной линией. Ширина контактовой зоны (рис. 6) около 3 мм. Противоположный контакту край амфиболита находится на расстоянии ≈ 7-10 мм, за пределами снимка.

Влияние температуры (флюид - H2O) на приконтактовые изменения гранита и амфиболита

В опытах при 800^оС, 7 кбар с H₂O в экзоконтакте (зона 1) зафиксировано появление 70-80% расплава с редкими мелкими кристаллами, в основном биотита. В зоне 2 количество расплава снижается с 70-80 до 30%, и наряду с биотитом появляется амфибол. В зоне 3 отмечены биотит, амфибол, плагиоклаз и 20-30% расплава. Расплав в образце меняется от трондьемитов до кварцевых монцонитов без закономерного изменения состава вдоль образца.

Биотит (в зонах 1, 2, 3 рис.6а) разделяется на две фракции. Большие кристаллы (>50 мкм), почти не отличаются от слюд из неизмененного амфиболита (магнезиальность mg=0.56, Al=1.44 ф.ед.). Биотиты второй  фракции  мелкие,  около 20 мкм, отличаются более высоким содержанием и Mg, и Al (mg=0.66, Al=1.59) по сравнению с исходным. Мелкие кристаллы биотита отмечены только в зоне 1 среди расплава.

а)	б)
Рис. 6. Контакт гранита и амфиболита: при 800 (а), 950оС (б) в опытах с водным флюидом.

В краевой части амфиболита, вне зоны контакта, исходный амфибол - эденит - после опыта трансформируется в более глиноземистый гастингсит, что объясняется ростом температуры. С приближением к контакту в амфиболах несколько увеличивается содержание (Na+K) и Al(YI), и они замещаются несколько более щелочным паргаситом, что отражает миграцию щелочей в сторону экзоконтакта. В зоне 2 амфиболы крупные, нередко до 100-150 мкм; однако по мере приближения к контакту с гранитом их размер уменьшается, хотя состав практически не меняется, и затем, в зоне 1, они почти полностью исчезают, растворяясь в новообразованном расплаве.

Исходный плагиоклаз (An₃₀), после опыта в зонах 1 и 2 исчезает, переходя в возникающий расплав, и появляется только в зоне 3, состав его - An_35. По мере удаления от зоны 3 в сторону неизмененного образца в плагиоклазе все больше увеличивается анортитовая составляющая, вплоть до An₄₈, (за счет того, что альбитовая молекула Pl концентрируется в образующемся расплаве, как при частичном плавлении амфиболита при высоких температурах - см. главу I). Эндоконтактовая часть  исходного гаплогранита (зона 0) обогащается Ca, Mg, Fe за счет диффузии их из амфиболита в расплав.

Увеличение температуры от 800 до 950^оС (рис. 6б) существенным образом образом влияет на тип изменений в контакте амфиболит-гранит. В эндоконтакте появляется микрополосчатое скопление мелких, " 20 мкм кристаллов ортопироксена с отношением Mg/(Mg+Fe²⁺) = mg = 0.74 вместе с  микролитами клинопироксена (зона 1). По направлению к амфиболиту эта зонка практически исчезает, сменяясь узкой полоской чистого закалочного стекла (зона 2), т.е. лейкократовой зоной. Появление пироксенов в эндоконтакте свидетельствует о явной и значительной диффузии Ca, Mg Fe в гранитный расплав.

В экзоконтакте амфиболы представлены резко зональными паргаситами:  краевая часть, по сравнению с центральной, обогащена Ti, Al, Fe³⁺, щелочами, отношение Mg/(Mg+Fe²⁺) увеличивается от 0.53 в центре до 0.63 к краю зерен. Вкрест контакта от гранита к амфиболиту точно так же, как и при 800^оС, паргасит сменяется гастингситом, при этом зональность амфиболов аналогична той, что была указана выше. Резкое увеличение отношения mg в амфиболах во всем образце вызвано не увеличением температуры опытов (с возрастанием Т отношение Mg/(Mg+Fe²⁺) в амфиболах почти не меняется - Helz, 1973, глава I настоящей работы), а связано очевидно с более высокой скоростью диффузии Fe относительно Mg в сторону расплава (Пономарева, 1990, Граменицкий и др., 2002).

Редкие зерна биотита отмечены во всех апоамфиболитовых зонах, однако его состав вдоль образца практически не меняется и остается идентичным составу при 800^оС.

Клинопироксены, появляющиеся в зоне 3, относятся к обычным авгитам, возникающим при высокотемпературном частичном разложении амфибола.

Резко зональные плагиоклазы появляются в зоне 4. Центральная часть зерен представлена Pl₃₀, что соответствует исходному составу, но к краям зерен основность резко повышается до Pl₅₄, что, как и при 800^оС, объясняется ростом температуры. В контакте с гранитом плагиоклазы любого состава не обнаруживаются - целиком переходят в расплав.

Обобщая данные опытов, характер преобразования амфиболита в контакте с гранитным расплавом можно изобразить следующей последовательностью:

при 800^оС:

при 950^оС:

Влияние состава флюида на приконтактовые изменения гранита и амфиболита

При 800^оС, как в присутствии чистой воды, так и подкисленного флюида (H₂O+0.2 m HCl) минеральные ассоциации и их состав в экзо- и в эндоконтакте идентичны.

При 950^оС в подкисленных условиях (H₂O+0.2 m HCl) в экзоконтакте появляется много как игольчатого, так и пластинчатого биотита с тонкими ( ≈ 20-мкм), длинными (до 100 мкм) "усами". Игольчатый биотит близок по железистости и глиноземистости к исходному и, по-видимому, является остаточным, не растворимшимся до конца. Центральная часть пластинчатого биотита сходна с магнезиальными (mg=0.66) биотитами, кристаллизующимися в экзконтакте, а краевая часть  - "усы" - это еще более магнезиальный  биотит с mg ≈ 0.72, явно кристаллизующийся из расплава. Поскольку кристаллизация биотита в экзоконтакте приводит к осаждению Fe, Mg из расплава, ортопироксены, стабильные в присутствии чисто водного флюида, в эндоконтакте не образуются, несмотря на то, что значительные количества Ca, Mg, Fe фиксируются в гранитном расплаве после опыта, состояние пересыщенности ими расплава не достигается.

Зональность при 950^оС, с исходным флюидом H₂O+0.2 m HCl, отображается как:

В продуктах опытов, проведенных при температуре 950^оС с раствором H₂O+0.5m КCl, в эндоконтакте присутствует клинопироксен, кристаллизующийся из расплава, о чем свидетельствуют его четкие идиоморфные формы. Появление пироксена в эндоконтактовой зоне, несомненно, связано со значительной ассимиляцией расплавами компонентов CaO, MgO, FeO, диффундирующих из амфиболита. Строение реакционной колонки можно представить схемой:

Составы новообразованных расплавов

Как отмечалось выше, появление расплава (закалочного стекла) в образцах амфиболита связано с двумя процессами - его парциальным плавлением, и взаимодействием с гранитом в зоне контакта. При температуре 800-950⁰С количество расплава, образовавшегося при парциальном плавлении в водонасыщенных условиях, составляет 25-35 об.%, а в зоне контакта с гранитом достигает 70-80 об.%. При Т = 800^оС в эндоконтакте образуется гибридная (кварц-монцонитовая), а при Т= 950^оС чарнокитоидная (мангеритовая) (Opx-содержащая) разновидность гранитоидов.

На рис. 7 в координатах (CaO+MgO+FeO) - 1/2Al₂O₃ - (Na₂O+K₂O) показан состав исходного гаплогранита; составы расплавов, образующихся при частичном плавлении амфиболита на удаленном от контакта краю образца; и лейкосома - состав расплава, образовавшегося при диффузионном взаимодействии гранита и амфиболита при 800^о (красные квадраты), и 950^оС (треугольники). Из рис. 7 видно, что при 800^оС расплав, образующийся как в эндо-, так и в экзоконтакте, комплементарен расплаву, образующемся при частичном плавлении амфиболита, и составу исходного гранита (пунктирная линия на рис. 7). Такой расплав отличается меньшей глиноземистостью, чем расплав, образующийся при частичном   плавлении   амфиболитов,   меньшей   щелочностью   или    большей основностью, чем исходный гранит. Как отмечалось в работе В.А. Жарикова (1960), образование в эндоконтактной зоне пород повышенной основности характерно именно для диффузионного магматического замещения. Комплементарность составов расплавов при 800^оС (рис. 7) не провоцирует образования новых минеральных фаз.

Рис.7. Состав исходного гаплогранита, составы расплавов, полученных при плавлении амфиболита на удаленном от контакта краю образца, и лейкосома - состав расплава, образовавшегося при диффузионном взаимодействии при 800 и 950оС

Расплав, образовавшийся при взаимодействии исходного гаплогранита и амфиболита при 950^оС, отличается резким увеличением содержания CaO+MgO+FeO, диффундирующих из амфиболита (треугольники на рис. 7, оконтуренные синей линией) при почти неизменном соотношении Al₂O₃ и щелочей. Отсутствие комплементарности расплавов приводит к тому, что в зоне контакта появляются новообразованные минералы - орто- и клинопироксен в близнейтральных условиях и более магнезиальный биотит в подкисленных.

Петрологическое значение проведенных экспериментов

Результаты экспериментального изучения взаимодействия метабазитов с гранитом совпадают с рядом полевых наблюдений. Например, в работах Пономаревой (1978, 1981) показано, что на контакте Bt-Hbl тоналитов (Бокалинский массив) и основных роговиков образуется эндоконтактовая фация тоналитов, при этом в экзо- и эндоконтакте возникает парагенезис Pl-Hbl±Qtz±Mt, с амфиболом той же или меньшей железистости. Для некоторых участков этого же массива описаны лейкократовые каймы с диопсидами магматического происхождения. Такие полевые данные совпадают с результатами наших опытов по взаимодействию гранит-амфиболит при 800^оС, согласно которым в эндоконтакте появляется гибридный, более основной расплав с амфиболом и биотитом большей магнезиальности, чем в первичном амфиболите. Граменицкий Е.Н. и др. (2002) при изучении взаимодействия гранитного расплава с долеритом при Т = 800^оС также наблюдали увеличение магнезиальности биотита и подчеркивали, что это характерно именно для диффузионных процессов.

В опытах при 950^оС, за счет более высокой скорости диффузии Fe относительно Mg в расплав, в экзоконтакте возникает зональность в остаточных амфиболах (с более  магнезиальной в краевой частью), а в эндоконтактовой фации расплава появляется магнезиальный орто- или клинопироксен. Как видно на рис. 6б, гибридная Рх-содержащая полоска (зона 1) отделена от амфиболита лейкократовой зоной (зона 2). Причины возникновения таких лейкократовых зон, неоднократно упоминаемых в публикациях (Пономарева, 1975, 1978; Сафонов, 1997; Perchuk et al., 1994) не вполне ясны. При 950^оС в экзоконтакте, за счет дегидратации части амфибола, появляются клинопироксен и паргасит (последний, как известно, является более высокотемпературной модификацией по сравнению с первичным эденитом и гастингситом). Колонки магматического замещения амфиболита гранитным расплавом при 950^оС существенно различаются в зависимости от состава флюида: если в нейтральной водной (или с примесью солей) среде в контакте отмечаются пироксены, то в подкисленной - только магнезиальные биотит и роговая обманка.

Таким образом, в опытах при 800 и 950^оС наблюдаются следующие общие закономерности: а) образующийся в зоне контакта расплав является более основным, чем исходный гаплогранит, что характерно именно для диффузионных процессов, и получило объяснение в работах Д.С. Коржинского (1955) и В.А. Жарикова (1960); б) составы биотита и роговой обманки при 800^о и особенно при 950^оС характеризуются зональным строением с увеличением отношения MgO/MgO+FeO к краям зерен; в) независимо от состава флюидной фазы, в экзоконтакте происходит общее осветление (дебазификация) амфиболита за счет нарастания содержания щелочей, диффундирующих из гранита, и выноса  фемических компонентов; при этом возникающий при одновременном частичном плавлении тугоплавкий остаток - меланосома - обогащается Mg и Fe, т.е. его меланократовость повышается; г) происходит образование зональности в замещаемом амфиболите, границы между зонами обозначаются последовательным исчезновением (растворением и переходом в расплав) по направлению к контакту с гранитом одного минерала за другим - сначала Pl, затем Hbl и, наконец, Bt; д) в контакте образуются эндоконтактовые фации  трондьемитового, кварц-монцонитового и гранодиоритового составов, замещающие амфиболит. Появление эндоконтактовых зон повышенной основности, повышение магнезиальности биотита и амфибола к краям зерен в контакте, дебазификация амфиболита и усиление меланократовости меланосомы свидетельствуют о том, что происходит диффузионное взаимодействие гранитов с основными породами - процессы гибридизации и ассимиляции.