Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Состав и эволюция верхней мантии под Сибирской платформой и проблема алмазообразования

ВАК РФ 04.00.08, Петрография, вулканология

Текст научной работыДиссертация по геологии, доктора геолого-минералогических наук, Соловьева, Лидия Васильевна, Иркутск

*//¿Г-

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ЗЕМНОЙ КОРЫ

На правах рукописи

—' • /

СОЛОВЬЕВА Лидия Васильевна

СОСТАВ И ЭВОЛЮЦИЯ ВЕРХНЕЙ МАНТИИ ПОД СИБИРСКОЙ ПЛАТФОРМОЙ И ПРОБЛЕМА АЛМАЗООБРАЗОВАНИЯ

04.00.08 - Петрология, вулканология

Диссертация на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук

Иркутск - 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...............................................................................................................4

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ.............................................................................12

Глава 1. ПЕТРОГРАФИЧЕСКИЕ СЕРИИ И ГРУППЫ ГЛУБИННЫХ КСЕНОЛИТОВ УЛЬТРАОСНОВНОГО СЕМЕЙСТВА...........13

1.1. Вопросы классификации и номенклатуры. Принципы выделения петрографических серий среди глубинных ксенолитов ультраосновного семейства..............................................................13

1.2. Метаморфические, шпинель-гранатовые, гранатовые гарцбур-гиты, лерцолиты (серия ГЛ)...........................................................19

1.3. Метаморфические пироксенитовые серии....................................31

1.4. Серия гранатовых клинопироксенитов - оливиновых вебстери-тов - лерцолитов (КВЛ). Трубка Удачная...................................50

1.5. Деформированные гранатовые перидотиты.................................54

.V

1.6. Ильменитовые гипербазиты............................................................65

1.7. Дуниты................................................................................................76

1.8. Серии пород "тапс1"-типа...............................................................84

1.9. Валовый химизм перидотитов и пироксенитов...........................87

Глава 2. АССОЦИАЦИИ МЕГАРИСТ...........................................................100

Глава 3. ПРОЦЕССЫ МАНТИЙНОГО МЕТАСОМАТИЗМА И ПЛАВЛЕНИЯ В ГЛУБИННЫХ КСЕНОЛИТАХ И МЕГАКРИСТАХ......118

3.1. Группы А и В (породы со структурно равновесной слюдой)... 121

3.2. Группа С {метасоматиты с реакционной ассоциацией

РМ + Сг-Ш + Сг-Яр).......................................................................125

3.3. Химизм минералов..........................................................................128

3.4. Метасоматиты позднего этапа.....................................................134

3.5. Явления плавления в глубинных ксенолитах и мегакристах.141

3.6. Обсуждение......................................................................................144

Глава 4. КСЕНОЛИТЫ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ КОРЫ.............................152

4.1. Ксенолиты гранулитового комплекса из трубки Удачная.....153

4.2. Ксенолиты гранулитового комплекса из трубок Обнаженная и Слюдянка.........................................................................................163

Глава 5. ЭВОЛЮЦИЯ ВЕЩЕСТВА КОНТИНЕНТАЛЬНОЙ ВЕРХНЕЙ МАНТИИ........................................................................................170

5.1. Состав и структура верхней мантии на основе разрезов по геотермам.............................................................................................170

5.2. Возможная природа слоистого строения мантийной части континентальной литосферы. Эволюция древних континен тальных плит..................................................................................178

5.3. Граница континентальной литосферы - астеносферы. Природа континентальной астеносферы................................................194

Глава 6. ОБЛАСТЬ АЛМАЗООБРАЗОВАНИЯ В ВЕРХНЕЙ МАНТИИ.

МОДЕЛЬ АЛМАЗООБРАЗОВАНИЯ.............................................206

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................................230

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.................................................................................232

з

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Настоящая работа посвящена исследованию вещества верхней мантии под древними платформами на основании данных по глубинным ксенолитам и мегакристам из кимберлитов. Интерес исследователей к проблеме состава и строения верхней мантии Земли не случаен и вызван той исключительно ценной информацией, которую можно получить, изучая фрагменты мантийного вещества. Химический состав глубинных ксенолитов, химизм минералов в ксенолитах и мегакристах, их структурные и морфологические особенности представляют собой богатейшую информацию о составе и строении Земли до глубин 250 км и более. Данные по редкоэлементной и изотопной геохимии позволяют судить об источниках мантийных расплавов и датировать главные этапы развития континентальной литосферы.

Информация, полученная на основании исследования глубинных ксенолитов и мегакрист из кимберлитов, широко использутся петрологами и геофизиками в качестве базовых ограничений при построении моделей глубинного строения Земли. Важным аспектом является выявление вещественной природы глубинных геофизических аномалий, влияние которых постоянно сказывается на состоянии жизнедеятельности человека, в том числе, в такой сфере, как движение и коррекция космических аппаратов. Особый интерес к глубинным ксенолитам вызван тем, что в них встречаются алмазы, парагенные первичным минералам. Современные исследования минералов из алмазоносных эклогитов, перидотитов, пироксенитов, а также минералов-узников в самих алмазах позволяют сделать вывод о том, что выносящие их к поверхности земли кимберлиты и лампроиты вряд ли можно рассматривать как родительские магмы для самого алмаза.О неиссякающем внимании исследователей к проблеме состава и строения глубин Земли свидетельствует постоянно увеличивающийся поток научной литературы в этой области. На фрагментах мантийного вещества опробуются

новые аналитические методы и результаты иследований постоянно сравниваются с геофизическими данными, а также с данными по высокобарному эксперименту и космической геологии.

В связи с обширностью проблематики, связанной с глубинным веществом, выносимым кимберлитами, мы не даем ее общего обзора, так как по специальным проблемам это делается в каждой главе.

Цель и задачи. Основной целью проведенных исследований являлось детальное петролого-минералогическое изучение глубинных ксенолитов, мега-крист и ксенолитов низов коры из кимберлитов Якутской провинции, выявление родственных генетических связей между породами разной литологии в ультраосновном семействе ксенолитов и построение на этой основе согласующихся моделей эволюции континентальной верхней мантии и процессов магмо-образования и флюидопереноса. В соответствии с целью исследований были поставлены и решались следующие главные задачи:

Первая из них связана с разделением всего разнообразия фрагментов ультраосновного вещества, выносимого кимберлитами, на петрогенетические сообщества, серии, связанные первородстом своего происхождения. Нами специально не рассматриваются ксенолиты эклогитов, достаточно полно описанные и классифицированные Б.Владимировым и др. [1990], а также З.Специусом, В.Се-ренко [1990]. Необходимые сведения об эклогитах приводятся в главах, посвященных процессам мантийного метасоматизма и плавления, а также процессам алмазообразования.

Следующая задача связана с попыткой уложить выделенные родственные серии и группы высокобарных пород и минералов в архитектонику древней и современной (фанерозойской) верхней мантии и по возможности ответить на вопрос о процессах, сформировавших древние континентальные плиты, а также оценить природу вещества верхней части астеносферы. В объем этой задачи входит сопоставление структуры континентальной литосферы, полученной пет-

рологическими методами, с современными геофизическими данными по глубинному строению континентов.

Исследование единых условных корово-мантийных разрезов в двух ким-берлитовых трубках (Удачная и Обнаженная), в которых содержится широкий набор как мантийных, так и нижнекоровых ксенолитов, с целью прослеживания генетических связей между протолитами коры и континентальной литосферы.

Изучение мантийных метасоматических преобразований глубинного вещества, их физико-химического режима и возможных источников метасоматизи-рующих агентов, выделение главных этапов этих процессов. Эта задача непосредственно касается генезиса алмазов в континентальной литосфере и требует объединения вещественного, геодинамического и геофизического подходов.

Фактический материал и методика исследований. Основой настоящей диссертационной работы являются личные исследования автора на карьерах трубок Мир, Интернациональная, Удачная в период с 1976 по 1988 г.г. Автор совместно с сотрудниками Института земной коры СО РАН СССР выполняла геолого-геохимические тематические исследования (по договорам с объединением Якуталмаз) по изучению петрографо-минералогических типов продуктивных кимберлитовых тел. В этот период была собрана наиболее представительная коллекция глубинных ксенолитов, ксенолитов пород коры и мегакрист из трубки Удачная, на базе которой произведены детальные петрографические и микрозондовые исследования. Кроме того, в распоряжение автора заведующим лаборатории Б.М.Владимировым была отдана для исследований лабораторная коллекция глубинных и коровых включений из трубок Обнаженная и Слюдян-ка.

Главными методиками исследований были детальное петрографическое изучение пород под микроскопом (на базе 800 шлифов) и микрозондовые определения состава минералов (около 750 определений). Микрозондовые исследо-

вания выполнены в ИРГИРЕДМЕТе, г. Иркутск, на микроанализаторах Сатека-46 и СатеЬах-тюго. Все микрозондовые исследования проводились по принципу состав - парагенезис, а именно - с определением всех минералов главного парагенезиса и по возможности - минералов метасоматических парагенезисов глубинного типа в одном образце. При этом особое внимание обращалось на изучение под микрозондом реакционных структур, метасоматических продуктов и субмикроскопических закалочных фаз в бывших участках плавления ксенолитов. В основу изучения валового химизма положены около 400 химических анализов, произведенных в химической лаборатории ИЗК СО РАН. Изотопные исследования углерода в мантийном графите из глубинных ксенолитов, а также углерода рассеянной формы и углерода СО2 измерены в лаборатории стабильных изотопов ГЕОХИ им. В.И.Вернадского. Исследование изотопов карбонатного углерода проведено в лаборатории физических методов исследований ИЗК

Л I

СО РАН. Прецизионные измерения Бе в гранатах из гранатовых лерцолитов, пироксенитов и мегакрист выполнены в Институте физики СО РАН, г. Красноярск.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Детальные петрографические и минералогические исследования глубинных ксенолитов ультраосновного семейства из кимберлитов Якутии позволяют выделить среди них следующие петрографические серии и группы, как правило, объединенные целым рядом вещественных признаков общего происхождения: 1) метаморфическая серия шпинелевых, шпинель-гранатовых, гранатовых гарц-бургитов, лерцолитов (ГЛ); 2) метаморфические пироксенитовые серии; 3) серия гранатовых клинопироксенитов - оливиновых вебстеритов - лерцолитов (КВЛ); 4) деформированные гранатовые перидотиты; 5) ильменитовые гиперба-зиты; 6) дуниты; 7) породы "тап¿Г - типа.

2. Выделяются два крупных этапа метасоматического преобразования континентальной мантийной литосферы: древний - внутриметаморфический и мо-

лодой - предкимберлитовый. Развитие мантийного метасоматизма первого этапа связано с массовым образованием СО2 при окислении углерода, выпадавшего из твердых растворов силикатов при охлаждении и перекристаллизации пород на этапе их общего метаморфизма. Предкимберлитовый метасоматизм развивается в условиях инверсии окислительно-восстановительного режима асте-носферных флюидов, высоковосстановленных в начале процесса и высокоокис-ленных в конце, когда к продуктам позднего метасоматизма присоединяется частичное плавление пород.

3. Петрологические РТ - геотермы свидетельствуют о литологической рас-слоенности верхней мантии на глубину 220-250 км, что согласуется с геофизическими разрезами. Предлагается решение, согласно которому древние кратон-ные ядра (литосферные протолиты) возникли как слоистые постройки, подобно расслоенным интрузиям, при кристаллизации на поверхности Земли обширных магматических бассейнов коматиитовых расплавов, а древняя базитовая прото-кора образовалась при застывании остаточных расплавов основного состава.

4. Алмазообразование в нижних частях древних кратонов (> 150 км) можно отнести к двум разным этапам. Первый этап связывается с массовым выделением экссолюционного углерода на этапе общего метаморфизма пород. Второй этап алмазообразования происходит в едином алмазо- и кимберлитообразую-щем тектономагматическом цикле и, согласно предложенной модели, является следствием прохождения через континентальную литосферу восстановленных флюидов, отделяющихся от астеносферных расплавов. Эти флюиды производят серию реакций с захороненными в литосфере флюидами с образованием алмаза и графита. Следующей стадии цикла отвечают метасоматизм окисленного типа, частичное плавление и развитие кимберлитовых очагов.

Научная новизна. Новизна представленной работы складывается из новых методологических подходов, новых полученных фактов и из новизны научных

результатов. К ним, по мнению автора, в существенной мере можно отнести следующее:

1. В процессе исследований реализовывался подход к глубинным ксенолитам и мегакристам, как к фрагментам, обломкам сложной, но закономерно построенной континентальной конструкции, в которой все они находятся во взаимоотношениях, позволяющих восстановить как строение континентальной литосферы, так и ее направляющую эволюцию.

2. Одним из результатов такого подхода явилась предложенная оригинальная систематика глубинных ксенолитов ультраосновного семейства в виде выделенных родственных серий и групп пород, включающих разные литологиче-ские типы, связанные родственными причинно-следственными связями.

3. Впервые на примере условных глубинных разрезов в виде представительных выборок ксенолитов из метабазитовых гранулитов низов коры и глубинных ксенолитов, представляющих континентальную метаморфическую литосферу из трубок Удачная и Обнаженная, исследованы петрологические признаки, свидетельствующие о единой первоначальной истории протолитов бази-товой коры и континентальной мантийной литосферы.

4. Систематические исследования проявлений мантийного метасоматизма в глубинных ксенолитах с детальным массовым изучением на микрозонде субмикроскопических зерен и сростков метасоматических продуктов и фаз закалки в участках бывшего плавления позволили впервые выделить два крупных этапа флюидного массопереноса под Сибирской платформой: древний, совпадающий с общим метаморфизмом литосферной плиты, и молодой - предкимберлитовый.

5. Впервые определен изотопный состав углерода в графитах из метасома-тизированных пироксенитов и показано, что источником графита и алмаза на этапе метаморфической перестройки литосферы кратонов мог быть углерод, растворенный в решетке силикатов и особенно пироксенов. Массовое образова-

ние углекислоты при окислении экссолюционного углерода связывается с развитием древнего этапа мантийного метасоматизма и гранитизацией протокоры.

6. На достаточно фактически обоснованном уровне доказывается предположение о том, что термально возбужденная астеносфера на этапе тектономаг-матического цикла является инверсионно-окисленной.

7. Впервые произведено достаточно корректное сопоставление серий ме-гакрист из кимберлитов Сибирской платформы и из щелочных базальтоидов ее юго-восточного обрамления, а также из основных щелочных вулканитов мира и сделан вывод о единстве их происхождения.

8. На основе полученных результатов и их интерпретации предложены две оригинальные генетические модели: а) происхождение кратонных протолитов вследствие кристаллизации на поверхности Земли крупных магматических бассейнов коматиитового состава; б) развитие процессов алмазо- и кимберлитооб-разования как следствие инверсии окислительно-восстановительного режима астеносферных флюидов на этапе термального возбуждения астеносферы.

Апробация работы. Основные положения работы опубликованы в 75 печатных работах, в том числе в 4 монографиях (в соавторстве) и были доложены на: 27 Международном Геологическом Конгрессе (Москва, 1984); 4, 5, 6 Международных кимберлитовых конференциях (Перт, Австралия, 1986; Бразилия, 1990; Новосибирск, 1995); Международном симпозиуме "Внут-риконтинентальные горные области" (Иркутск, 1987); Международном симпозиуме "Состав и процессы глубинных зон континентальной литосферы" (Новосибирск, 1988); XIV Конгрессе КГБА (Варна, 1982); Международном симпозиуме "Термальная эволюция литосферы и процессы в земных недрах" (Москва, 1991); Всесоюзных и региональных петрологических совещаниях (Ленинград, 1981; Новосибирск, 1986; Иркутск, 1974, 1985, 1989, 1994); Всесоюзном симпозиуме "Мантийные ксенолиты и проблемы ультраосновных магм" (Новосибирск, 1980); Всесоюзном совещании по магматизму, геохимии и рудоносности

ультраосновных пород (Владивосток, 1983; Иркутск, 1989); Всесоюзном совещании по программе "Ксенолит" (Черноголовка, 1988); Всесоюзной конференции "Метасоматизм и рудообразование" (Ленинград, 1982, 1987); Всесоюзном симпозиуме "Петролого-геофизические исследования рег�