Включения в высокобарных минеральных ассоциациях

Включения в минералах метаморфических комплексов и их интерпретация.

Изучение флюида в метаморфических процессах одна из самых актуальных задач современной петрологии. Его состав и количество может быть оценено с помощью различных подходов, например:

термодинамическое моделирование различных минеральных равновесий
оценка общего флюидного потока, проходящего через породу
анализ стабильных изотопов, дающих возможность восстанавливать отдельные эпизоды просачивания флюидов
обработка геофизических данных (таких как электропроводимость и т.д.)

Однако существует только один прямой метод изучения "ныне потерянного флюида" - изучение флюида, сохраненного в виде включений в минералах. Этот метод очень быстро развивается в последние годы благодаря

Появлению удобных в использовании, профессиональных микротермокамер как для нагрева включений, так и для криометрии. Эти камеры были разработаны для изучения рудных месторождений, но подходят для изучения флюида во многих типах пород.
Развитию равновесной термодинамики для метаморфических систем. От качественных представлений о метаморфических процессах, в последние годы наука перешла к точной реконструкции эволюции PT-условий метаморфических пород во времени.
Интерес к включениям был усилен "неожиданными открытиями" (фраза проф. Winkler, Геттинген) флюида в породах, в которых минеральный состав не дает возможности предположить такой флюид. Хорошо известный пример, CO2 включения в гранулитах, N2 включения в эклогитах и алмазах и т.д.

Очень удобно изучать флюидные включения в кварце, заключенном в другие минералы. С одной стороны, кварц всегда содержит большое количество включений и хорошо изучен как минерал-контейнер. С другой стороны, внутри других минералов (особенно граната) кварц имеет гораздо лучшую сохранность и не несет следы деформаций и перекристаллизации. Поэтому вероятность находки первичных флюидных включений в таких зернах кварца выше.

		Включения в кристалликах кварца, заключенных в различные минералы эклогита (a. гранат b. омфацит c. амфибол d. эпидот) из Dabie Shan, Китай. Образец 94М55 (отобран Бин Фу). Номерами показаны температуры гомогенизации. Для включений CO₂ в кварце из граната даны температуры гомогенизации, для остальных даны температуры полного плавления. Включения CO₂ встречены в образце только рядом с зоной пластической деформации, что наряду с залечиванием этими включениями трещин в гранате свидетельствует о наложенной природе CO₂, возможно из внешнего источника. Водные включения с низкой соленостью (T_m близкой к нулю) в основном расположены вдоль строго паралельных трещин, тогда как включения с высокой соленостью встречаются кластерами.
		Интересно, что соленость остается более-менее постоянной для включений одного минерала, но сильно варьирует для разных минералов: для омфацита T_m<-25 C , для амфибола и эпидота около -15, для граната около -10 (не показано). По мнению [Fu et al., в печати] это указывает на то, что состав некоторых включений контролируется локальным взаимодействием минерал-флюид во время кристаллизации вмещающего для кварца минерала. Рисунки взяты из [Touret,2001]

Fonarev, V.I., Touret, J.L.R., Kotelnikova, Z.A., 1998. Fluid inclusions in rocks from the Central Kola granulite area. Baltic Shield . Eur. J. Mineral. 10, 1181–1200.

Включения в мантийных ксенолитах. T. Andersen, E.-R. Neumann Fluid inclusions in mantle xenoliths. Lithos, 55, 2001, pp.301-320.

обобщенная PT-диаграмма для мантийных ксенолитов

Изучение минеральных ассоциаций мантийных ксенолитов позволяет восстанавливать PT-условия "последнего равновесия", т.е. условия, при которых порода ксенолита была в последний раз перекристаллизована и состав минералов был переуравновешен в соответствии с окружающими условиями. Поскольку большинство ультраосновных ксенолитов было захвачено поднимающейся магмой в литосферных условиях, то по ксенолитам можно легко восстановить геотермический градиент. Так, например, по этим данным, наибольший градиент среди геотектонических обстановок характерен для океанических островов, а наименьший для архейских кратонов.

Мантийные ксенолиты являются метаморфическими породами и флюидные включения в них могут образовываться на разных этапах существования этой породы вплоть до момента закалки вынесшей их на поверхность вулканической породы. Поэтому принятое для включений деление на "первичные", "вторичные", "псевдовторичные" и т.д. практически неприменимо для включений в ксенолитах. Как правило, в каждом образце присутствует несколько групп включений, образованных в различное время и требуется тщательное микроскопическое изучение взаимоотношений типов трещин в различных минералах, чтобы установить временные взаимоотношения групп включений.

История изучения началась с того, что Эдвин Реддер (Roedder, 1965) изучил образцы из 72 мест земного шара и показал, что в подавляющем большинстве флюидные включения представлены практически чистым CO2. За последующие 30 лет этот вывод был подтвержден с помощью различных методов (микротермии, раман-спектроскопии, валовой и индивидуальной декрепитации и др.). Кроме углекислоты во включениях могут присутствовать малые количества воды, азота, метана, CO, инертных газов.

случайно распределенные ("первичные") включения CO2 в оливине мантийного ксенолита, маар Гнотук, Виктория, Австралия (Griffin et. al., 1984). Эти включения не принадлежат зоне или трещине в кристалле и могли образоваться во время роста минерала-хозяина. Длина масштабной линейки 0.1 мм.

Гетерогенный захват включений. Включения CO2 и сульфидного расплава в пироксените из Сан-Карлос, Аризона, США (Andersen et al., 1987). Включения CO2 частично приурочены к трещине, а частично распределены случайно. Сульфидные включения распределены случайно и следуют зоне роста минерала-хозяина, что может говорить об их первичности. Включение, отмеченное стрелочкой состоит из включения CO2, прикрепленного к застывшей поверхности сульфидного расплава, что является примером гетерогенного захвата сульфидного расплава и карбонатного флюида. Ореолы более поздних, мелких включений окружающие первичные включения, могли образоваться за счет частичной декрепитации включений в процессе подъема на поверхность. Длина масштабной линейки 0.1 мм

Включения, залечивающие трещину в минерале-хозяине ("вторичные включения"). маар Буленмерри, Виктория, Австралия (Griffin et. al., 1984). На фотографии видны трещины, отходящие от наиболее крупных включений. Эти трещины были образованы природной декрепитацией исходных включений. Эти включения относятся ко "вторичным", но тем не менее они образованы в верхней мантии и вполне подходят для решения ряда петрологических задач. Длина масштабной линейки 0.1 мм.

Силикатные расплавные включения с углекислотными газовыми пузырьками в оливине, Ланцерот, Канарские острова Neumann et al., 1995. Все включения в поле зрения "вторичные", приуроченные к линейным трещинам. Длина масштабной линейки 0.1 мм

Внутри флюидных включений иногда отмечаются силикатное стекло, сульфидные глобули, кристаллики шпинели, карбоната. Силикатное стекло, присутствующее во включениях, варьирует от базальтового до кислого. При этом, составы стекла во включениях в целом соответствуют стеклам в интерстициальных микропленках между зернами ксенолита.

Ультраосновные ксенолиты, содержащие кислые стекла (SiO2 60-72%) имеют широкое распространение и представлены как безводными, так и водными, богатыми шпинелью гарцбургитами, лерцолитами и дунитами из континентальных, океанических и островодужных условий. Включения кислого стекла обычно образуют цепочки вторичных включений в минералах ксенолита, но могут образовывать первичные включения в перекристаллизованных зернах (необластах). Часть включений представлена только стеклом, другая часть стеклом,CO2-пузырьком и иногда дочерними фазами. В перекристаллизованных ксенолитах с о.Батан, Филиппинская островная дуга было найдено большое количество первичных включений силикатного стекла с водой и дочерними флогопитом и амфиболом или силикатного стекла с сульфидами. Эти включения были гомогенизированы при 920 С [Schiano et al., 1995].

Происхождение стекловатых включений в мантийных ксенолитах вызывает горячие споры. Известно, что эти включения образовывались на мантийном уровне, так как давление оцененное по сопряженным включениям CO2 дает значения до 1.25 GPa. Эксперименты показывают, что кислые расплавы могут быть в равновесии с гарбургитовым реститом при мантийных условиях как в присутствии CO2-H2O флюида, так и в безводных условиях [Drapper&Green, 1997].

Предложенные модели:

Разложение амфибола вследствие декомпрессии при транспорте ксенолита к поверхности и нагрева ксенолита вмещающей горячей магмой. Теоретически, стекла должны иметь 53-60% SiO2 [Fray&Green, 1974; Francis, 1987].
Ликвационное разделение одного расплава на кислый силикатный и карбонатный расплавы [Schiano et al., 1994]
Малые степени плавления субдуцированной коры и просачивание образованных расплавов в вышележащую обедненную мантию в вулканических дугах. [Schiano et al., 1994]
Инфильтрация мигрирующего метасоматизирующего расплава, в целом не относящегося к тем мантийным породам, в которых был обнаружен. [Edgar et al., 1989]
Реакция между просачивающимся базальтовым расплавом и перидотитовыми стенками канала с образованием остаточного кислого раплава [Zinngrebe&Foley,1995; Wulff-Pedersen et al., 1996]
Метасоматическая реакция между щелочно-карбонатным расплавом и мантийными минералами [Coltorti et al., 1999]
Плавление in-situ, включая разложение амфибола и флогопита [Amundsen et al., 1987]
Плавление in-situ клинопироксена и шпинели и возможно амфибола [Francis, 1987; Chazot et al.,1996]
Неравновесное плавление клинопироксена и шпинели, вызванное реакцией с мигрирующим флюидом [Ionov et al., 1994]
частичное плавление перидотита, который был предварительно метасоматизирован карбонатитовым расплавом [Hauri et al., 1993]

Также возможны механизмы образования этих включений за счет миграции и расшнуровывания первичных включений по минералам перидотитов, однако процессы происходящие при миграции пока изучены недостаточно, чтобы уверенно говорить об этих эффектах.

Напомним, что подавляющее большинство включений в мантийных ксенолитах состоит из чистой углекислоты без каких-либо определяемых примесей. Для однокомпонентного флюида температура гомогенизации включения является функцией от молярного объема (V, см3/моль) или от плотности флюида (d, г/см3), которые связаны друг с другом V=M/d, где M - молекулярная масса.

Сводка по плотностям включений CO2 в мантийных ксенолитах из различных геотектонических обстановок

Оценка давления и температуры захвата флюидных включений в мантийных ксенолитах. Изохоры (тонкие сплошные линии) были рассчитаны для чистой CO2 по уравнению состояния [Holloway,1981]. Границы между полями гранатовых, шпинелевых и плагиоклазовых перидотитов приведены по [Neumann et al., 1995]. Области условий были оценены по сводке данных в Andersen&Neumann, 2001. Буквами подписаны следующие линии: а) Устойчивая континентальная геотерма [Wyllie, 1981], b) геотерма, постоенная по мантийным ксенолитам для ЮВ Австралии [Griffin et al., 1984], c) геотерма для океанических плит и d) геотерма для срединно-океанических хркебтов (две последних из [Wyllie, 1981]), e) водный солидус перидотитов [Olafsson&Eggler,1983], f) сухой солидус перидотитов [Takahashi&Kushiro,1983].

Наибольшая плотность флюида CO2 1.18 г/см3 (Tg = -56.6) отмечена для ксенолитов гавайского вулкана Оаху (Oahu). В некоторых включениях отмечается даже еще большая плотность и метастабильная гомогенизация при температуре ниже, чем -56.6 С. Также, близкие по значению плотности флюида отмечены в ЮВ Австралии [Andersen et al., 1987].

Andersen&Neumann, 2001 предложили схемы, иллюстрирующие два различных сценария для послезахватного изменения флюидных включений в мантийных ксенолитах. Начальный захват высокоплотной углекислоты в пироксене или оливине мантийного перидотита происходил на пересечении соответствующей давлению изохоры с геотермальным градиентом. Частичка верхней мантии была захвачена как ксенолит при подъеме горячей магмы. При этом, начальный нагрев сопровождается быстрым сбросом давления во время подъема магмы, вызывающим декрепитацию/вскрытие флюидного включения. Поведение (PTt путь) системы показано жирным пунктиром. Изменение условий внутри включений показано черными стрелками.
На схеме a) показан сценарий, в котором включения выносятся магмой на поверхность. Вскрытые флюидные включения остывают до низких температур по вторичным низкоплотным изохорам, некоторые из которых показаны черными стрелками.
На схеме b) показан другой сценарий, по которому включения поднимаются не до поверхности, а в промежуточный магматический очаг.
c) показывает качественное соотношение между внутренним избыточным давлением флюидного включения и временем для обоих сценариев.
d) Гистограмма температур гомогенизации включений углекислоты для обоих сценариев

Экспериментально показано, что включения выдерживают перепад давления (избыточное давление внутри включения) в первые килобары (максимум до 5 кбар) [Bodnar, 1989]. После превышения этого лимита включения вскрываются. Однако, в природе хорошо известны высокоплотные включения, которые сохраняют очень высокие значения давлений. При оценке давления обычно используют максимальные значения давления полученные по включениям, считая эти оценки минимальной оценкой реального давления при захвате этих включений.

Компоненты-примеси во включениях CO2 определяются:

а) раман-спектроскопией, которая с одной стороны недеструктивна и может совмещаться с термометрическим экспериментом, но с другой имеет высокий порог обнаружения (десятые моля), определение воды связано с очень большими техническими трудностями и не определяются инертные газы (т.к. не имеют энергии связи молекулы).

б) валовой декрепитацией флюида с последующим анализом с помощью газовой хромотографии или масс-спектрометрии.

Воду во включениях CO2 сложно увидеть и померить, так как она образует тонкую пленку на стенках включения. Эта пленка может скрывать до 10% H2O. Однако, количество воды может быть оценено по количеству клатратов(кристаллогидратов), образующихся во включениях при низких температурах.

Углекисло-водные включения с большим количеством воды были описаны в ксенолитах вулкана Ичиномегата, Япония [Trial et al. 1984]. Комбинированные включения вода-силикатное стекло с дочерними флогопитом и амфиболом были описаны на вулкане Батан, Филиппины [Schiano et al., 1995].

Есть косвенные доказательства того, что в мантийных включениях было больше воды, чем в настоящий момент. Вода может вступать в реакцию с минералом-хозяином (оливином, пироксеном) с образованием амфибола и карбоната:

"Безводный минерал-хозяин" H2O CO2 = амфибол карбонат

Изучение под обычным и электронным микроскопом вскрытых включений показывает, что включения CO2 достаточно часто содержат дочерние кристаллы карбоната и амфибола, например такие включения были найдены в ксенолитах трубок Булленмери и Гнотюк, ЮВ Австралия [Andersen et al., 1984]. Амфибол может образовывать тонкие каймы по стенкам включения скрывая до 15 мол.% первоначальной воды.

Первичные (случайно распределенные по зерну) включения углекислоты в клинопироксене из трубки Гнотюк, Виктория, Австралия [Andersen et al., 1984]. На верхней врезке показана центральная группа включений в скрещенных николях (увеличение то же, что и на основной фотографии). Нижняя врезка это увеличенное изображение наиболее крупного включения в этой группе. На верхней грани крупного включения отчетливо виден прикрепленный кристалл кальцита, который образовался in-situ вследствие реакции между минералом-хозяином и сложным CO2-H2O-(CO) флюидом первичного включения.

Метан и более высокие углеводороды вполне могут быть устойчивы в мантийных условиях (восстановленная среда и высокие температуры). Определение доли метана и углеводорода в мантийном флюиде очень актуально, поскольку является основополагающим аргументом в споре между органической и неорганической теориями происхождения нефти. Решение этого спора в пользу неорганического происхождения может оказать огромное влияние на глобальную экономику.

Предполагалось, что метан и углеводороды могут высвобождаться из мантии (и образовывать нефтяные месторождения) по очень крупным тектоническим нарушениям, например вследствие импактных ударов метеоритов. Однако, бурение импактных структур с целью обнаружить углеводороды неорганического происхождения не принесли успеха.

В мантийных ксенолитах не было обнаружено CH4, хотя он мог разлагаться вследствие послезахватных реакций внутри включения (CH4 2H2O=CO2 4H2) и последующей диссипацией водорода. Возможно также, что метан не сохраняется в тех участках мантии, в которых продуцируются основные магмы, выносящие ксенолиты.

Азот долгое время оставался "за кадром" так как трудно определяется химическими методами. В 1987 году Пастерис (Pasteris, 1987) указал наличие малых количеств азота в мантийных ксенолитах, но без ссылки на оригинальную работу и описания образцов. В 1991 Хурайова сделала первые прямые определения малых количеств азота (0.14 - 0.38 мол.%) во включениях из ксенолитов Филаковске Соваце, Словакия. Практически чистые включения азота были описаны в ксенолитах шпинелевых дунитов о. Ланцарот, Канарские острова [Andersen et al., 1995]. В этих ксенолитах были описаны также и включения CO2-N2 с изменением доли N₂ от 0 до 100%.

Несмотря на то, что атмосфера состоит из азота более чем на 70%, основным резервуаром азота Земли является мантия со средним содержанием около 14 ppm (Baur&Wlotzka, 1974). Те участки мантии из которых выносятся ксенолиты огут быть обеднены азотом вследствие дегазации. Включения чистого азота о. Ланцарот могут быть представителями метасоматизирующего мантийного флюида, который поднимается с более глубоких недегазированных уровней мантии. Также возможен рециклинг биологического азота, захороненного в субдукционных процессах. Соединения аммиака, характерные для осадков, при фиксированном содержании воды и низкой фугитивности кислорода могут быть устойчивы до очень больших глубин и входить в состав богатых летучими мантийных минералов.

Количество азота в мантии зависит от фугитивности кислорода и воды, так как аммиак замещает калий в реакциях типа

2(NH₄)Mg₃AlSi₃O₁₀(OH)₂(Phl) Fo 3/2O₂ = Sp 7En N₂ 6H₂O

Эта реакция вовлекает основные мантийные минералы (флогопит, оливин, шпинель, ортопироксен) и кроме этой реакции может быть написана очень похожая для богатого аммиаком K-рихтерита. В присутствии богатого водой флюида, азот распределяется в твердую фазу. Высвобождение азота может быть следствием понижения активности воды.

Определение инертных газов во флюидных включениях из мантийных ксенолитов имеет большое значение для понимания общего баланса летучих компонентов Земли и динамики ее дегазации. Особенно информативными могут оказаться данные о изотопии He и Ar непосредственно во включениях из мантийных ксенолитов. Как известно, He³ является показателем происхождения из примитивных, недегазированных, возможно глубинных мантийных резервуаров. Однако, малые содержания инертных газов во включениях и аналитические сложности пока не позволяют получать надежные результаты.

Теоретически, присутствие в системе флюидного включения даже очень малых количеств инертных газов (с очень низкими температурами кипения) должно значительно влиять на плавление и гомогенизацию CO2. Однако, системы CO2-He(Ne, Ar) пока еще практически не изучены. Гелий был отмечен в декрепитированном флюиде из ксенолитов Оаху, Гавайи [Villa et al., 1991]. При этом (как говорилось ранее), включения из ксенолитов Оаху имеют очень низкие T_m, иногда даже ниже -56.6 С. Однако, такой же эффект понижения температур мог быть вызван небольшими (<0.1 мол.%) прмесями N2 или SO2.

Угарный газ (CO) может являться важным компонентом мантийных флюидов, однако во включениях из мантийных ксенолитов он был обнаружен только в амфиболовом прожилке в верлитовом ксенолите (8.5-12 мол.% по раман-спектроскопии), Лунный кратер, шт.Невада, США [Bergman&Dubessy, 1984] и в тех же включениях из Южной Словакии, в которых был отмечен азот [Huraiova et al., 1991].

Соединения серы и сульфидный расплав. Пока не было опубликовано ни одной работы с достоверно определенными соединениями серы во включениях углекислоты. М.Фрезотти в устном сообщении упоминала, что по данным раман-спектроскопии некоторые включения CO2 в ортопироксене из ксенолитов шпинелевых лерцолитов и гарцбургитов содержат 1-2 мол.% SO2.

Включения сульфидного расплава достаточно часто ассоциируют с высокоплотными углекислыми включениями. Андерсен с соавторами [Andersen et al.,1987] показал с помощью изучения морфологии полостей вскрытых включений на электронном микроскопе , что сульфидные включения из пироксенитовых ксенолитов Кильбурн Хол (Kilbourne Hole), Нью-Мексико, США были образованы сульфидным расплавом содержащем до 10 % мол. CO2, при этом CO2 отделялось от этого расплава уже после захвата включения.

Многочисленные сульфидные включения разнообразной морфологии зафиксированы в ксенолитах шпинелевых лерцолитов, гарцбургитов и дунитов Канарских островов. В литературе отмечено много случаев комбинированных включений сульфид -- "силикатное стекло". Возможно, это говорит о существовании сульфидных расплавов или богатых серой силикатных расплавов в верхней мантии.

Включения карбонатитового расплава были описаны в мантийных ксенолитах четвертичных вулканов СЗ Шпицбергена. Они фиксируются как кристаллические агрегаты доломита (иногда с магнезитом ), как закаленные расплавы и как жилки карбонатных и силикатных расплавов [Ионов и др., 1993]. Мантийные ксенолиты с о.Кергулен содержат в одних и тех же вторичных цепочках (в оливине, клинопироксене и ортопироксене) включения силикатного стекла, карбонатных включений и включений CO2. В ксенолитах Гомеры, Канарские о-ва Фрезотти [Frezotti et al., 1994] отмечали включения в оливинах, состоящие из девитрифицированного ультраосновного стекла и карбоната.

Включения в высокобарных минеральных ассоциациях.

Включения в пиропе. Wang, L. P.; Essene, E. J.; Zhang, Y. X.,1999E, Mineral inclusions in pyrope crystals from Garnet Ridge, Arizona, USA: implications for processes in the upper mantle, Contributions to Mineralogy & Petrology.135, 2-3, 164-178 (CD1)

Включения в алмазах. Wang, A., Pasteris, J. D., Meyer, H. O. A., Deleduboi, M. L. Magnesite-Bearing Inclusion Assemblage in Natural Diamond. Earth & Planetary Science Letters, 1996, 141, 1-4, pp. 293-306.

	Включение граната и сульфидов в октаэдрическом кристалле алмаза из трубки Удачная, Якутия. Фотография С.Тальниковой.
	Включения сульфидов в алмазе из трубки Удачная, Якутия. Фотография С.Тальниковой.
	Сложное внутреннее строение алмаза (катодолюминисценция) из трубки Удачная, Якутия. Фотография С.Тальниковой