Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Экспериментальное исследование сосуществующих клинопироксенов и гранатов в системе CaO-MgO-Al2O3-SiO2 как основа для геотермобарометрии эклогитов

ВАК РФ 25.00.05, Минералогия, кристаллография

Автореферат диссертации по теме "Экспериментальное исследование сосуществующих клинопироксенов и гранатов в системе CaO-MgO-Al2O3-SiO2 как основа для геотермобарометрии эклогитов"

На правах рукописи

ГАРТВИЧ Юлия Георгиевна

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СОСУЩЕСТВУЮЩИХ КЛИНОПИРОКСЕНОВ И ГРАНАТОВ В СИСТЕМЕ Са0-Мд0-А1203-8Ю2 КАК ОСНОВА ДЛЯ ГЕОТЕРМОБАРОМЕТРИИ ЭКЛОГИТОВ

25.00.05 - минералогия, кристаллография

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

НОВОСИБИРСК 2005

Работа выполнена в Институте минералогии и петрографии ОИГГМ СО РАН

Научный руководитель: доктор геолого - минералогических

наук, профессор, член.- корр. РАН Владислав Станиславович Шацкий

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических

наук, профессор, Похиленко Николай Петрович, кандидат химических наук Косяков Виктор Иванович

Ведущаяорганизация: Институт экспериментальной

минералогии РАН (п/о Черноголовка)

Защита состоится « 28 » июня 2005 г. в 15 час.

на заседании диссертационного совета Д 003.050.02 при Объединенном институте геологии, геофизики и минералогии им A.A. Трофимука СО РАН, в конференц-зале.

Адрес: 630090, Новосибирск, 90, пр. Ак. Коптюга, 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИГГМ СО РАН.

Автореферат разослан « 26 » мая 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

д.г.-м.н. У с в- Бортникова

СМ с/

&Р06

10! ¡0

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Значительная часть фундаментальных проблем геологии имеет физико-химическую основу и может быть решена с привлечением информации о фазовых диаграммах природных систем. Большое разнообразие геотермометрических зависимостей основано на вхождении катионов (кальция, магния, железа и т. д.) в различные структурные позиции в минералах, либо на распределении этих катионов между несколькими минералами. Однако основное количество разработанных геотермобарометров подходит для пород ультраосновного состава, к примеру, для гранатовых лерцолитов. Сложность в создании минералогического геотермобарометра для пород типа эклогитов, заключается в правильном подборе минералов и фазового объёма системы. Фазовая диаграмма Са0-Мд0-А1203-8Ю2 является удобным объектом исследования. Несмотря на отсутствие оксидов железа, щёлочей и летучих компонентов, она является удовлетворительной моделью для большого числа основных и ультраосновных пород, формирующихся на глубинах 40-150 км, то есть там, где протекают основные процессы магмообразования и поверхностные плагиоклазсодержащие породы сменяются глубинными гранатсодержащими породами.

Целью работы является создание геотермобарометра для эклогитового парагенезиса на основе экспериментальных исследований составов клинопироксенов и гранатов в модельной системе Са0-Мд0-А1203-ЗЮ2.

Защищаемые положения.

1. В системе Са0-Мд0-А1203-8Ю2 в ассоциации клинопироксен-гранат, в интервале давлений 15-30 кбар и температур 1200 - 1585 °С, составы клинопироксенов меняются в зависимости от температуры и давления, при этом вхождение катионов Са и Мд в пустоты каркаса структуры клинопироксенов испытывает влияние температурного фактора, а вхождение катионов алюминия на место катионов кремния по чермакитовой схеме мгс^уб^плаг^ар3 в алюмосиликатном каркасе зависит от давления.

2. В сечении пироп-гроссуляр при давлении 30 кбар биминеральная ассоциация пироповый гранат-клинопироксен

существует в интервале температур 1400-1540 °С; на ликвидусе присутствует шпинель и отсутствует корунд.

3. Статистическая модель геотермобарометрической зависимости имеет вид полиномиальных уравнений второй степени, в которых вычисление температуры и давления можно производить независимо друг от друга:

P=Z1 +Z2*(1 /X)+Z3* Y+Z4*(1 /X)2+Z5*Y2+Z6*(1 /Х)*У T=F1+F2*X+F3*Y+F4*X2+F5*Y2+F6*X*Y. В качестве параметров используются содержание CaTs и En в клинопироксене и содержание Gross в фанате.

Научная новизна. Проведено экспериментальное исследование составов сосуществующих клинопироксена и граната в ассоциации клинопироксен-гранат системы CaO-MgO-Al203-Si02 в интервале температуры 1200 - 1585 °С и давления 15-30 кбар. Показано, что на основе обмена катионов Са, Мд и AI между клинопироксеном и фанатом можно определить температуру и давление эклогитовой ассоциации. Установлено, что содержание энстатитового компонента в пироксене увеличивается с ростом температуры, а содержание кальцийчермакитового компонента возрастает с увеличением температуры и уменьшением давления. Содержание фоссул ярового компонента зависит главным образом от содержания кальция в системе.

Практическая значимость. Данные по экспериментальному изучению ассоциации Cpx+Gar при различных Р-Т условиях позволили создать основу для нового геотермобарометра, ранее не используемого исследователями. Предложена полиномиальная зависимость, позволяющая определять температуры и давления формирования некоторых типов пород эклогитового парагенезиса.

Фактический материал. В процессе исследований был проведен 81 опыт при температурах от 1210 до 1585 °С и давлении от 15 до 30 килобар по ассоциации клинопироксен-фанат и в сечении пироп-гроссуляр при температурах от 1210 до 1625 °С и давлении 30 килобар. Для всех образцов анализов расшифрованы рентгеновские дифрактофаммы, изготовлены двусторонне-полированные петрографические шлифы.

Апробация работы. Результаты работы представлены на следующих семинарах и конференциях:

1. "Ежегодный семинар по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии" (Хитариада, 2000),

2. "Петрография на рубеже XXI века, итоги и перспективы", материалы второго всероссийского петрографического совещания, (Сыктывкар, 2000),

3. "XIV российское совещание по экспериментальной минералогии" (Черноголовка, 2001),

4. "XII Annual Goldschmidt conference", (Davos, Switzerland, 2002).

Структура и объём работы. Работа состоит из введения, 5 глав и заключения. Диссертация изложена на 105 страницах и сопровождается 13 иллюстрациями и 8 таблицами. Список литературы включает 102 наименования.

Работа выполнена в лаборатории "Экспериментальной петрологии" ИМП СО РАН под руководством д.г.-м.н. В. С. Шацкого. Автор выражает свою благодарность за помощь в работе Суркову Н. В.

Глава 1. ПРОБЛЕМЫ ГЕОТЕРМОБАРОМЕТРИИ ЭКЛОГИТОВ И ЭКЛОГИТОПОДОБНЫХ ПОРОД

Вопрос генезиса эклогитов, в частности как производную от пород основного состава, экспериментально решался многими авторами, но чёткого решения так и не получил. Физико-химическим доказательством их образования при высоких давлениях в экспериментальной петрологии принято считать синтез магнезиального граната (Boyd, England, 1959), ввиду того, что природные образцы фанатов преимущественно пиропового ряда. Существование реакции Opx+An+Sp=Cpx+Gar (Kushiro I., Yoder H.S., 1966) в поле устойчивости Cpx-Gar ассоциации имеет фундаментальное значение, как граница, отделяющая глубинные пироп-гранатовые фации от фаций низкого давления. Выше по давлению устойчива коннода пиропо-вый Gar-Cpx, и, соответственно, устойчив целый ряд Gar-Cpx ассоциаций, соответствующих парагенезисам целой серии эклогитоподобных пород, собственно эклогитов, гранатовых пироксенитов и т.д. В работах Куширо и Йодера, а также Ито и Кеннеди (Kushiro I., Yoder H.S., 1966; Ito К., Kennedy G.C., 1967) были установлены P-T условия перехода и область фаз, соответствовавшая гранат-пироксеновому-гранулиту, подтвержденные экспериментальными исследованиями Грина и Рингвуда

(Грин Д., Рингвуд А.Э., 1968). Зона перехода измеряется широким диапазоном давлений, величина которого зависит от химического состава исходной ассоциации. В форстеритнормативной части системы CMAS Дэвисом (Davis В.Т., 1964) на системе форстерит-диопсид-пироп было показано, что гранат-пироксеновые породы могут быть глубинными производными от состава гранатового перидотита. При 40 кбар в точке эвтектики (Fo, Diop, Enst, Руг) вначале кристаллизации, после отделения оливина могут образовываться биминеральные гранат-пироксеновые ассоциации в виде куммулятов. По предположению Йодера (Йодер Г. С., 1979) отсутствие оливина в эклогитах можно объяснить удалением фаз из расплава во время подъема к поверхности и поочередных реакционных соотношений оливина и ортопироксена с расплавом. В свое время Йодер и Тилли (Йодер Г. С., Тилли К. Э., 1965) экспериментально показали превращение ряда базальтов в гранат-кпинопироксеновую ассоциацию и возможность образования толеитов (в случае первичного выплавления граната) и щелочных магм при плавлении собственно эклогитов. Они также указали на то, что прямого перехода в эклогит не существует, так как он должен происходить через ассоциации фаз, не соответсвующие ни габброидному, ни эклогитовому парагенезисам (шпинель-плагиоклазовые породы). Моновариантные реакции в кварцнормативной части системы исследованы Хенсеном и Перкинсом (Hensen В., 1976, 1981; Perkins D., 1983). Фазовые взаимоотношения в кварцевой и глинозёмистой частях системы описаны в более ранней работе (Сурков Н.В., Гартвич Ю.Г., 2000); непрерывный переход между аналогами коэситовых и кианитовых эклогитов и гросспидитами очевиден из фазовых отношений при давлениях выше 25-32 кбар.

Зависимость содержания молекулы кальций-чермака в клинопироксене от условий экспериментально исследовалась разными авторами (Akella J., 1976; Boyd F.R., 1970; Brey G.P., Nickel K.G., Kogarko L., 1986; Nickel K.G., Brey G., 1984; Perkins D., Newton R.C., 1980; Yamada H., Takahashi E„ 1982; Сурков H.B., Кузнецов Г.Н., 1996). Существовало мнение, что применение CaTs для геотермобарометрии эклогитов малопригодно из-за частого присутствия в них кианита и корунда (Lappin, 1978), из-за малого содержания самого кальций-чермакитового минала в мантийных клинопироксенах (Brey etal., 1986), и из-за высокого

содержания в клинопироксенах молекулы Эскола (Wood B.J., Henderson С.M., 1978). В действительности, до настоящего времени четкой зависимости CaTs от изменения Р-Т параметров обнаружено не было. Ряд авторов (Mukhopadhyay, 1991; Simakov, Taylor, 2000) предлагали свои варианты геотермобарометров на основе неких эмпирических реакций. В версии других барометров (Brey et al., 1986; Уханов и др., 1988; Перчук Л. Л., Рябчиков И. Д., 1976) использовалось изменение соотношения Ca/Mg в Gar и Срх по мере роста давления. Однако они либо ограничиваются ультраосновными ассоциациями, либо подходят для давлений не выше 15 кбар, либо не подтверждены экспериментальными данными. Много экспериментальных работ было сделано по определению Т при постоянном давлении на основе коэффициента: (FeO/MgO)gar/(FeO/MgO)cpx, с различными вариациями, из которых наиболее популярные, это термометр Рахейма и Грина, и термометр Эллиса и Грина (Raheim A., Green D.H., 1974; Ellis D.J., Green D.H., 1979; Powell, 1985; Krogh, 1988; Pâtisson & Newton, 1989; Ai Y., 1994; Ravna, 2000). Помимо этих классических термометров, есть ряд геотермобарометров, в основе которых лежит ошибочное предположение, что коэффициент распределения железа между Gar и Срх четко зависит от давления (Никитина, 1993). Из мономинеральных геотермобарометров к настоящему времени известен только действующий клинопироксеновый геотермометр Дэвиса и Бойда (Davis, Boyd, 1966), а также его дополненная форма (Lindsley, Dixon, 1976). В качестве барометрической зависимости необходимо также выделить правильно обоснованный ортопироксеновый барометр Макгрегора (MacGregor I.D., 1974), исследованный в системе Mg0-Al203-Si02.

Глава 2. МЕТОДИКА Исходные вещества для опытов были приготовлены весовым методом из прокаленных оксидов марки ОСЧ. Экспериментальная часть исследований проводилась на аппарате типа поршень-цилиндр по стандартной методике (Годовиков и др., 1971; Boyd F.R., England J.L., 1960). Для всех образцов анализов расшифрованы рентгеновские дифракгограммы, изготовлены двусторонне-полированные петрографические шлифы. Определены составы гранатов и

клинопироксенов на рентгеноспектральном анализаторе Comebax-Micro.

Глава 3. ФАЗОВЫЕ ВЗАИМООТНОШЕНИЯ В СИСТЕМЕ Ca0-Mg0-Al203-Si02 Фазовую диаграмму системы Ca0-Mg0-Al203-Si02 (рис.1 а) можно разделить на три фазовых объёма: форстеритнормативный, кварцнормативный и корунднор-мативный. Форстеритнормативный фазовый объём исследован более подробно, нежели кварцнормативный и корунднор-мативный, что связано с определенной аналогией между минералогическим составом глубинных пород и ассоциациями фаз в системе. Для кварцнормативного фазового объёма подобные аналогии проводить гораздо сложнее. Связано это со значительным отличием состава, в частности по содержанию щелочей. Для корунднормативного фазового объёма системы при высоких давлениях характерны фазовые взаимоотношения между следующими фазами: An, Sp, Срх, Gar и Cor.

Рис.1, а) Фазовые взаимоотношения в системе Ca0-Mg0-Al203-Si02 при 30 кбар и 1200 0 С, 6) Фазовые взаимоотношения в сечении Mg2Si20e-AI203-Ca2Si20e (Еп-Wol I- Cor) при 30 кбар и 1200 ° С. Кружками обозначаются точки составов.

Известно, что ассоциация гранат-клинопироксен устойчива по давлению до 100 килобар. На солидусе, по давлению устойчивость ассоциации ограничена реакцией Opx+An+Sp= Cpx+Gar (Kushiro, Yoder, 1966; Сурков, 1986). Существование реакции Opx+An+Sp=Cpx+Gar имеет фундаментальное значение для петрологии как граница, отделяющая глубинные фации с пироповым гранатом от фаций низкого давления. Реакция

образования первого граната реализуется в области более магнезиальных составов и, по-видимому, её луч очень близко проходит от луча реакции Орх+Ап+8р=Срх+6аг. Выше по давлению на Р-Т диаграмме от луча этой реакции стабильна коннода пироповый гранат-диопсидовый клинопироксен, и, соответственно, устойчив ряд клинопироксен-гранатовых ассоциаций, что соответствует парагенезисам серии эклогито-подобных пород, собственно эклогитов, гранатовых пироксенитов и т.д. Из нонвариантной точки [Орх.Ап.вр.Срх.Саг.Ц в сторону высоких температур и давлений выходит луч моновариантной реакции, по которой плавление ассоциации гранат-клинопироксен происходит с появлением ассоциации вр+Ь+Орх. Ассоциация на ликвидусе также ограничена следующими реакциями: Срх+Саг= Ро+Орх+1_, Срх+Оаг=Орх+1_. Выше по температуре и давлению, на ликвидусе поле ограничено лучами реакций Орх+8р+1= Срх+ваг, Ро+Орх+Ь=Саг+Срх и Орх+1_= ваг+Срх. С повышением температуры реакция Орх+8р+1-= Срх+ваг переходит в реакцию Орх+1_=Срх+Саг. Анализ фазовой диаграммы системы СаО-МдО-А!20з-8Ю2 показывает, что определяющее значение для понимания её строения имеет сечение Мд281206-А120з-Са281206 (Еп-\Л/о11-Сог), где находятся все исследуемые нами многокомпонентные растворы (рис.1 б)). При высоких давления и температурах сечение делит систему СМА8 на 2 независимые подсистемы, форстеритнормативную и кварцнормативную. В самом сечении фазовые отношения определяются, главным образом, размерами и соотношениями твёрдых растворов клинопироксенов ряда диопсид-кальцийчермакит и твёрдых растворов гранатов ряда пироп-гроссуляр.

Глава 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ Эксперименты по исследованию гранат-клинопироксе-новых ассоциаций системы Са0-Мд0-А1203-8Ю2 проводились в интервале температур от 1200 до 1585 °С и давлений от 15 до 30 кбар. Поле биминеральной ассоциации Срх+Саг в данной области давлений разделено на две части магнезиальную и кальциевую. В магнезиальной части глинозёмистые клинопироксены сосуществуют с магнезиальным гранатом, эта часть предположительно соответствует эклогитовому парагенезису. В кальци-

евой части, глинозёмистые клинопироксены сосуществуют с гроссуляровым гранатом, эта часть может соответствовать гросс-пидитовому парагенезису. При давлениях выше 30-32 кбар поле твёрдых растворов глинозёмитых клинопироксенов уменьшается, а твёрдые растворы фанатов в ряду пироп-гроссуляр становятся непрерывными и конноды Cpx+Gar простираются веером от составов где клинопироксен сосуществует с пироповым фанатом j

(12-16 мол. % грос-сулярового компонента) до области составов с практически чистым гроссуляром. С ростом давления содержание фоссулярового компонента в гранате в ассоциации Cpx+Gar испытывает незначительные изменения с учетом оценки ошибки электронного микроанализатора. Наиболее кальциевые гранаты образуются, когда состав исходной смеси обогащён кальцием (состав Die5Cor35). Гранаты, промежуточного по содержанию кальция состава, наблюдаются в опытах с исходными составами промежуточной магнезиальное™ (En35CaTs35Di3o), и наиболее магнезиальные фанаты получены в опытах, состав исходной смеси которых был наименее кальциевым (En^CaTs^Diao). При высоких давлениях и температурах (в интервале давлений 25-30 кбар и при температурах 1300°С и выше) в гранате наблюдается дефицит по содержанию глинозёма в пересчёте состава граната на En, Woll и Cor в среднем до 2-3 мол.%. Состав клинопироксена изменяется и с температурой, и с давлением. Содержание энстатитового компонента растёт с температурой, достигая при температуре, равной 1585 С, 37 моль. % (опыт Р-333) и мало зависит от давления. Содержание кальций-чермакитового компонента возрастает с ростом температуры и падает с увеличением давления. Максимальное содержание CaAI2Si06, порядка 45 мольных %, достигается в интервале давлений 15 -18 кбар при температуре 1400 °С (опыты Р-389, Р-411), где расположена нонвариантная точка (Срх, Орх, Gar, An, Sp, L). Как следует из наших экспериментальных исследований, составы сосуществующих клинопироксенов и фанатов зависят от

Рис. 2. Точки опытов по исследованию ассоциации гранат-клинопироксен. Примечание. Жирной линией обозначается ограничение поля устойчивости гранат-клинолирксеновых ассоциаций.

давления, температуры и валового состава системы. С ростом температуры в клинопироксене повышается содержание энстатитового компонента и понижается содержание глинозёма. В гранате с ростом температуры повышается содержание гроссулярового компонента. С ростом давления в клинопироксене растет содержание глинозёма и падает содержание энстатитового компонента. В гранате с ростом давления падает содержание гроссулярового компонента. При понижении температуры и росте давления происходит своего рода вращение конноды Срх-ваг против часовой стрелки. В ходе экспериментальных исследований возникла необходимость полной ревизии экспериментальных данных в сечении пироп-гроссуляр системы Са0-Мд0-А1203-8Ю2 при Р=30 кбар, на основе усовершенствованных методик проведения экспериментов и анализа продуктов опыта. Основным моментом в ходе экспериментов стала проверка области устойчивости

ассоциации Срх+Оаг+Сог в пироповой области составов. Опыты проводились при давлении 30 килобар и в интервале температур 1000-1700 °С. Фазовые взаимоотношения и точки проведения

О 20 <0 60 80 100

мол. % Са/11£|£>0

Рис.З.Фазовая диаграмма сечения пироп-гроссуляр при Р=30 кбар.

опытов представлены на рисунке 3. В области низких температур при давлении 30 кбар гранаты ряда пироп-гроссуляр образуют непрерывный ряд твёрдых растворов. В области высоких температур твёрдые растворы гранатов ограничены, что связано с появлением в сечении пироп-гроссуляр области устойчивости твёрдых растворов клинопироксенов. В гроссуляровой части фазовой диаграммы, при температурах ниже 1100 °С, между

полем твёрдых растворов клинопироксенов и полем твёрдого раствора гроссулярового граната устойчива ассоциация Оаг+Срх+Сог. При более высоких температурах её сменяет ассоциация ваг+Срх. В пироповой части сечения при низких температурах гранаты сосуществуют с клинопироксенами и корундом. Поле этой ассоциации расположено от температуры 1100 °С до 1350-1400 °С. При температурах выше 1350-1400 ЬС расположено поле ассоциации гранат-клинопироксен. При температурах ниже ликвидуса составы клинопироксенов в пироповой части сечения содержат небольшое количество избыточного БЮг, и под ликвидусом появляются поля ассоциаций (см. рис. 3) Срх+Саг+вр и Срх+Эр. При температурах выше 1543 С расположены поля Срх+Саг+Зр+Ц баг+Бр+Ц Эр+Ь и Срх+8р+1.. Плавление происходит по реакции Срх+Саг=8р+1.. Точка состава жидкости, соответствующая пересечению этих коннод, смещена в сторону кремнезёма от сечения пироп-фоссуляр. В магнезиальной части сечения пироп-гроссуляр, согласно нашим данным, температура появления жидкости находится выше 1543 °С. В опытах непосредственно под ликвидусом при температурах 1543 и 1539 °С помимо клинопироксена и граната присутствует шпинель (3-5 %).

Глава 5. РАЗРАБОТКА ГЕОТЕРМОБАРОМЕТРИЧЕСКОЙ ЗАВИСИМОСТИ

В настоящее время, для эклогитов практически не существует корректно обоснованных с точки зрения физической химии геотермобарометров, за исключением нескольких попыток использовать обмен катионов железа и магния между клинопироксеном и гранатом. Недостатки экспериментального обоснования подобного обмена пытались скорректировать разработкой термодинамических моделей. Поскольку замещение катионов магния и железа в октаэдрических позициях структуры алюмосиликатов связано в основном с изменением энтропии, барическая чувствительность подобной зависимости не может быть велика. Для построения геотермобарометра необходимы чётко выраженные и термическая и барическая зависимость от обмена катионов. Тем не менее, во многих предложенных в научной литературе геотермобарометрах, барическая

Анализы гранатов пересчитаны на: МдэА12813012 (пироп), СазА^зО^ (гроссуляр), Са3Сг2813012 (уваровит), Мд3Ре2313012 (скианит), Са2Ре2313012 (андрадит), РезА12313012 (альмандин), МпэА1|23!3012 (спессартин), Ма2А1281813012 (мейджоритовый компонент), Ре2"П2313012 (шерломитовый компонент). Анализы клинопироксенов были пересчитаны на компоненты: Мд2812Ов (энстатит), СаА12ЗЮ6 (кальцийчермакит), СаМд81206 (диопсид), б (жадеит), МаРеЭ^Ое (акмит), №Сг8120б (юреит), Мп231206 (каноит (сапоКе)), Ре231206 (ферросилит). Подходящие для апробирования анализы из научной литературы были отобраны по следующим критериям: положительные значения в пересчитанных компонентах энстатита и кальцийчермакита, а также проанализированное содержание Ре203. В конечном счёте, были отобраны 25 образцов. После пересчёта на компоненты и отбора по вышеуказанным критериям через полиномиальную зависимость рассчитывались значения температуры и давления. По расположению коннод гранат-клинопироксен в координатах содержания А1203 и соотношения СаО/(СаО+МдО) можно предположительно выделить несколько групп. Первую группу, образцы с низким содержанием СаО/(СаО+МдО) можно отнести к гранатовым вебстеритам и к гранатовым пироксенитам, по содержанию оксида кальция в гранатах и наклонам коннод эти образцы близки, скорее, к гранатовым лерцолитам нежели к эклогитам. В области более кальциевых составов расположены конноды, соответствующие типичным эклогитам. Положение отдельно стоящей группы образцов эклогитов вероятно объясняется их метаморфическим происхождением, крутой наклон коннод вызван, скорее всего, неравновесностью исходной пары гранат-клинопироксен, либо высоким содержанием глинозема.

В координатах температура - глубина (давление) условия их образования (см. рис. 4) образуют тренд в интервале давлений 20-80 кбар и температур 850-1300 °С. Температура образцов повышается с увеличением глубины (давления) их образования. Полученный тренд имеет более пологий наклон, чем щитовая геотерма и "40 т\Д/т-геотерма". Первую группу (рис. 4 образцов (давление до 30 кбар) предположительно можно отнести к образцам метаморфического происхождения. Достаточно низкие температуры формирования наиболее глубинных образцов

Ассоциация гранат-клинопироксен не является дивариантной, и, согласно закону Нернста-Шилова, содержание изоморфных примесей в фазах пропорционально содержанию их в валовом составе системы. Структура граната представляет каркас из связанных между собой кремнекислородных тетраэдров и алюмокислородных октаэдров (в которых располагаются атомы кальция, магния, железа и т. д.). Поскольку катионы кальция и магния входят в одни и те же позиции в структуре граната, то содержание пиропового и гроссулярового компонентов в нём для биминеральной ассоциации клинопироксен-гранат связано с общим составом системы. Поэтому содержание в гранате кальция даёт возможность использовать его в качестве параметра, учитывающего валовый состав системы. На основе полученных экспериментальных данных был применён расчет полиномиальных функций второй степени с тремя неизвестными, с оценкой среднеквадратичного отклонения для функции.

Таблица 1. Коэффициенты полиномов Р=21+22 *(1 /Х)+23*У+г4*(1 /Х)2+г5*Уг+ 2в*(1/Х)*У и Т=Р1+Р2*Х+Рз*У+р4*Х2+Р5*У2+Рв*Х*У, которые аппроксимируют зависимость состава клинопироксенов от Т и Р._

Коэффициенты полиномов Температура Давление

г, 1020,805 17,02343

гг -11,26782 81,44894

г% 18,74313 -0,2435671

1А 6.106504Е-02 -23,90999

г5 -0,1506962 5.635666Е-03

2* 0,1641314 2,468419

Примечание. Х= А*(1+а*(Саг-14,25)), где А - содержание СаТз, а среднее = -0,03532; У=В*(1+р*(Ого88-14,25)), где В - содержание Еп, р среднее = 0,03132.

Коэффициенты полиномов и сама полиномиальная зависимость приведены в таблице 1. Следует отметить, что в предлагаемой зависимости давление и температура определяются независимо друг от друга.

Для апробирования полиномиальной зависимости на природных данных, из научной литературы было взято 348 анализов сосуществующих гранатов и клинопироксенов эклогитовых и эклогитоподобных ассоциаций различных авторов. Составы фанатов и клинопироксенов были пересчитаны на молекулярные проценты и выражены в следующих компонентах.

гранатов пересчитаны на: МдзА^зО^ (пироп), СазА128Ь012 (гроссуляр), Са3Сг2813012 (уваровит), Мд3Ре2813012 (скианит), Са2Ре2813012 (андрадит), Ре3А12313012 (альмандин), МпэА1|2813012 (спессартин), Ма2А1281813012 (мейджоритовый компонент), Ре2"П2813012 (шерломитовый компонент). Анализы клинопироксенов были пересчитаны на компоненты: Мд281206 (энстатит), СаА128Ю6 (кальцийчермакит), СаМд81206 (диопсид), ЫаАОДОе (жадеит), МаРеЭ^Ое (акмит), №Сг8Ь>06 (юреит), Мп28Ь06 (каноит (сапоге)), Ре231206 (ферросилит). Подходящие для апробирования анализы из научной литературы были отобраны по следующим критериям: положительные значения в пересчитанных компонентах энстатита и кальцийчермакита, а также проанализированное содержание Ре203. В конечном счёте, были отобраны 25 образцов. После пересчёта на компоненты и отбора по вышеуказанным критериям через полиномиальную зависимость рассчитывались значения температуры и давления. По расположению коннод гранат-клинопироксен в координатах содержания А1203 и соотношения СаО/(СаО+МдО) можно предположительно выделить несколько групп. Первую группу, образцы с низким содержанием СаО/(СаО+МдО) можно отнести к гранатовым вебстеритам и к гранатовым пироксенитам, по содержанию оксида кальция в гранатах и наклонам коннод эти образцы близки, скорее, к гранатовым лерцолитам нежели к эклогитам. В области более кальциевых составов расположены конноды, соответствующие типичным эклогитам. Положение отдельно стоящей группы образцов эклогитов вероятно объясняется их метаморфическим происхождением, крутой наклон коннод вызван, скорее всего, неравновесностью исходной пары гранат-клинопироксен, либо высоким содержанием глинозема.

В координатах температура - глубина (давление) условия их образования (см. рис. 4) образуют тренд в интервале давлений 20-80 кбар и температур 850-1300 С. Температура образцов повышается с увеличением глубины (давления) их образования. Полученный тренд имеет более пологий наклон, чем щитовая геотерма и "40 т\Л/т-геотерма". Первую группу (рис. 4 образцов (давление до 30 кбар) предположительно можно отнести к образцам метаморфического происхождения. Достаточно низкие температуры формирования наиболее глубинных образцов

эклогитов косвенно подтверждают возможность их формирования в качестве куммулятов при кристаллизации расплава сухого перидотита или карбонатизированного перидотита.

100 ISO ZOO глувим • мломегрм

1 Сплошная линия - граница графит- алмаз (Kennedy С S„ Kennedy G С, 1976)

2 Точечная линия • положение геогермы (Boyd F.R., 1973).

3 Пунюирная линия - положение щитовой геотермы (Clark S Р., Ringwood А.Е., 1964).

4 Штрихпунктмрная линия "40 mW m'2" геогерма (Pollack Н N., Chapman D S, 1977) 5. Образцы с проанализированным FesOi.

6 Образцы с непроанализированным ГвгОг

Рис. 4. Результаты расчета P-T условий образования природных образцов.

Подводя итог, относительно сопоставления с природными эклогитами, можно заявить, что для нашего геотермобарометра, к сожалению, не подходят образцы анализов с высоким содержанием FeO (что в природе наблюдается у большинства эклогитов, особенно метаморфического происхождения), а также с высоким содержанием щелочей. Использование разработанной на данном этапе статистической модели, ограничено также давлениями от 20 до 100 кбар из-за слабой пригодности подобных полиномиальных уравнений для экстраполяции.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основании полученных экспериментальных данных, уточнена фазовая диаграмма сечения пироп-гроссуляр при давлении 30 кбар и в интервале температур 1000-1700 С. Установлено, что при температурах выше 1350-1400 °С в

магнезиальной части сечения устойчива ассоциация Gar(Pyr)+Cpx, в кальциевой части сечения плавление ассоциации Gar (Gross)+Cpx происходит при температурах 1550-1600 С. Непосредственно под ликвидусом установлено существование ассоциации Cpx+Gar+Sp. Точка состава на пересечении коннод Cpx+Gar и L+Sp реакции Cpx+Gar=Sp+L смещена в сторону кремнезёма от сечения пироп-гроссуляр. Корунд на ликвидусе отсутствует.

2. В результате экспериментального исследования составов сосуществующих клинопироксенов и гранатов системы Ca0-Mg0-Al203-Si02 в интервале температур 1200 - 1585 °С и давлений 15-30 кбар, выявлено, что распределение катионов Са, Мд и AI между сосуществующими клинопироксенами и гранатами позволяет создать основу для геотермобарометрии эклогитового парагенезиса. Установлено, что содержание энстатитового компонента в пироксене изменяется, в основном, с температурой, а содержание CaAI2Si06 растёт с увеличением температуры и уменьшением давления. Состав граната в основном зависит от валового состава системы.

3. Рассчитаны коэффициенты полиномов, аппроксимирующих зависимость состава клинопироксена и граната от температуры и давления. Полиномы представляют собой два уравнения, по одному из которых, независимо от другого, определяется величина давления, а по другому -значение температуры. В качестве исходных данных используются содержания кальцийчермакитового и энстатитового компонентов в пироксене и содержание гроссул ярового компонента в гранате.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Сурков Н. В., Гартвич Ю. Г. Минералогический состав глубинных парагенезисов и фазовые диаграммы модельных алюмосиликатных систем // Петрография на рубеже XXI века, итоги и перспективы:Тез.докл.- II Всерос. петрограф, совещ., 27 - 30 июня 2000 г. - Сыктывкар, 2000, т. 3, с. 98-99.

2, Сурков Н. В., Гартвич Ю. Г., Дребущак В.А. Минералогический геотермобарометр для эклогитов. Результаты экспериментального исследования //

Петрография на рубеже XXI века, итоги и перспективы:Тез.докл,- II Всерос. петрограф, совещ., 27 -30 июня 2000 г. - Сыктывкар, 2000, т. 3, с. 38-39.

3. Сурков Н. В., Гартвич Ю. Г., Дребущак В.А. Клинопироксеновый геотермометр для эклогитов // XIV Росс, совещ. по экспер. минерал.: Тез.докл,- 2-4 октября 2001 г., Черноголовка, с. 37.

4. Сурков Н. В., Гартвич Ю. Г. Условия формирования главных типов глубинных парагенезисов // Геология, геохимия и геофизика на рубеже XX и XXI веков / Всерос. науч. конф.: Тез.докл. - 1-4 октября 2002 г., Иркутск, с. 433-435.

5. Сурков Н. В., Гартвич Ю. Г. Экспериментальное исследование фазовых равновесий в сечения пироп-гроссуляр при давлении 30 кбар // Петрология, 2000, т. 8, №1, с. 86-98.

6. Surkov N.V., Gartvich J. Experimental examination of the join pyrope-grossularite at pressure 30 kbar// Experiment in Geosciences, 1997, v. 6, N 2, p. 65-66.

7. Surkov N.V., Gartvich J. Experimental study of phase interrelations in the enstatite-anortite fades in the CaO-MgO-AI203Si02 system // Experiment in Geosciences, 1998, v. 7, N 2, p. 24-25.

8. Surkov N.V., Gartvich J. Clinopyroxene geothermobarometer for eclogites // Geochimica et Cosmochimica Acta, 2002, v. 66, N15 A, p. 263.

9. Surkov N.V., Drebushchak V.A., Gartvich J. Clinopyroxen geobarometer for eclogites // Experiment in Geosciences, 2002, v. 10, N 1, p. 9-11.

Технический редактор О. M. Вараксина

Подписано к печати 16. 05. 05 Формат 60x84/16 Бумага офсет № 1. Гарнитура Тайме Офсетная печать Печ. Л. 0,9. Тираж 100. Заказ 129.

Издательство СО РАН. 630090, Новосибирск, Морской проспект ,2 Филиал Тео" 630090, Новосибирск, пр. Ак. Коптюга, 3

»11524

РНБ Русский фонд

2006-4 10110

Содержание диссертации, кандидата геолого-минералогических наук, Гартвич, Юлия Георгиевна

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ПРОБЛЕМЫ ГЕОТЕРМОБАРОМЕТРИИ ЭКЛОГИТОВ И ЭКЛОГИТОПОДОБНЫХ ПОРОД

1.1. Устойчивость эклогитов и эклогитоподобных пород согласно экспериментальным исследованиям

1.2. Возможности минералогической геотермобарометрии эклогитов и эклогитоподобных пород 17 1.3. Составы сосуществующих клинопироксенов и гранатов как индикаторы температуры и давления

Глава 2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. Приготовление исходных веществ

2.2. Аппаратура и особенности проведения экспериментов

2.3. Анализ продуктов экспериментов

Глава 3. УСТОЙЧИВОСТЬ ГРАНАТ-КЛИНОПИРОКСЕНОВЫХ АССОЦИАЦИЙ В СИСТЕМЕ Ca0-Mg0-Al203-Si

3.1. Основные фазовые взаимоотношения в системе 32 Ca0-Mg0-Al203-Si

3.2. Устойчивость твёрдых растворов гранатов и клинопироксенов

Глава 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1. Результаты исследования ассоциации клинопироксен--гранат в интервале давлений 15-30 кбар

4.2. Особенности ассоциаций клинопироксен-гранат в сечении пироп-гроссуляр при давлении 30 кбар

Глава 5. ПРАКТИЧЕСКАЯ ГЕОТЕРМОБАРОМЕТРИЯ ЭКЛОГИТОВ И ЭКЛОГИТОПОДОБНЫХ ПОРОД НА ОСНОВЕ СОСТАВОВ КЛИНОПИРОКСЕНОВ И ГРАНАТОВ

5.1. Особенности изоморфизма катионов в структурах гранатов и клинопироксенов системы

Ca0-Mg0-Al203-Si

5.2. Статистическая модель зависимости составов гранатов и клинопироксенов от температуры и давления

5.3. Некоторые особенности геотермобарометрии природных эклогитов на основе статистической модели

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Экспериментальное исследование сосуществующих клинопироксенов и гранатов в системе CaO-MgO-Al2O3-SiO2 как основа для геотермобарометрии эклогитов"

Актуальность работы. Значительная часть фундаментальных проблем геологии имеет физико-химическую основу и может быть решена с привлечением информации о фазовых диаграммах природных систем. Именно таким образом были решены некоторые фундаментальные вопросы, такие как минералогический состав нижних слоев земной коры, разработка схемы фаций метаморфизма, процессы формирования базитов и гранитов.

• Палеогеотермобарометрические построения для ультраосновных пород и стратификация глубинных ксенолитов стали достаточно обычными методами для теоретических реконструкций строения верхней мантии, глобальных тектонических построений и при поиске новых месторождений алмазов. Для этих целей разрабатываются разнообразные методы определения температур и давлений образования горной породы, которые получили названия - геотермометры и геобарометры.

Методы минералогической геотермобарометрии основаны на

• зависимости состава минералов переменного состава от условий их образования. Большое разнообразие геотермометрических зависимостей основано на вхождении катионов (кальция, магния, железа и т. д.) в различные структурные позиции в минералах, либо на распределении этих катионов между несколькими минералами. Однако основное количество разработанных геобарометров подходит для пород ультраосновного состава, к примеру, для гранатовых лерцолитов. Сложность в создании

• минералогического геотермобарометра, в частности для пород типа эклогитов, заключается в правильном подборе минералов и фазового объёма всей системы.

Оксиды Са, Mg, Al, Si составляют 80-90 % от валового состава таких пород как лерцолиты, дуниты, гранатовые лерцолиты, эклогиты, гарцбургиты и т. д. В системе СаО-МдО-АЬОз-ЭЮг (CMAS) образуются практически все фазы, соответствующие минералам глубинных пород. Остальные компоненты (FeO, РегОз, Na20, СГ2О3, ТЮ2, КгО и т. д.) большей частью входят в качестве изоморфных примесей в фазы, уже имеющиеся в системе CMAS. Фазовая диаграмма СаО-МдО-АЬОз-вЮг (рис. 1) является наиболее удобным объектом исследования в качестве модели для глубинных пород. На её основе построена практически вся глубинная петрология нижних слоев земной коры и верхней мантии. Несмотря на отсутствие в системе CaO-MgO-АЬОз-БЮг таких важных компонентов, как оксиды железа, щелочей и летучих компонентов, она является удовлетворительной моделью для большого числа основных и ультраосновных пород, формирующихся на глубинах 40150 км, то есть там, где протекают основные процессы магмообразования и низкоглубинные плагиоклазсодержащие породы сменяются глубинными гранатсодержащими породами.

Цель работы. Вопросы геотермобарометрии эклогитов и эклогитоподобных пород до сих пор остаются открытыми. В современной научной литературе известно несколько попыток использовать обмен катионов железа и магния между клинопироксеном и гранатом. Целью данной работы является создание геотермобарометра для эклогитового парагенезиса на основе экспериментальных исследований составов клинопироксенов и гранатов в модельной системе СаО-МдО-АЬОз-БЮг.

1/2а120з

MgO

CaO

Рис.1. Фазовые взаимоотношения в системе Ca0-Mg0-Al203-Si02 при 30 кбар и 1200°С. Щ

Защищаемые положения.

1. В системе СаО-МдО-АЬОз-вЮг в ассоциации клинопироксен-гранат, в интервале давлений 15-30 кбар и температур 1200 - 1585 °С, составы клинопироксенов меняются в зависимости от температуры и давления, при этом вхождение катионов Са и Мд в пустоты каркаса структуры клинопироксенов испытывает влияние температурного фактора, а вхождение катионов алюминия на место катионов кремния по чермакитовой схеме viR+2ivSi+4=viAr3ivAr3 в алюмосиликатном каркасе зависит от давления.

2. В сечении пироп-гроссуляр при давлении 30 кбар биминеральная ассоциация пироповый гранат-кпинопироксен существует в интервале температур 1400-1540 °С; на ликвидусе присутствует шпинель и отсутствует корунд.

3. Статистическая модель геотермобарометрической зависимости имеет вид полиномиальных уравнений второй степени, в которых вычисление температуры и давления можно производить независимо друг от друга:

P=Z1 +22*(1 /X)+Z3*Y+Z4*(1 /X)2+Z5*Y2+Z6*(1/X)*Y T=F1+F2*X+F3*Y+ F4*X2+F5*Y2+F6*X*Y.

В качестве параметров используются содержание CaTs и En в клинопироксене и содержание Gross в фанате.

Научная новизна. Проведено экспериментальное исследование составов сосуществующих клинопироксена и граната в ассоциации клинопироксен-гранат системы СаО-МдО-АЬОз-БЮг в интервале температуры 1200 - 1585 °С и давления 15-30 кбар. Показано, что на основе обмена катионов Са, Мд и AI между клинопироксеном и гранатом можно определить температуру и давление экпогитовой ассоциации.

Установлено, что содержание энстатитового компонента в пироксене увеличивается с ростом температуры, а содержание кальцийчермакитового компонента возрастает с увеличением температуры и уменьшением давления. Содержание гроссулярового компонента зависит главным образом от содержания кальция в системе.

При проведении экспериментальной ревизии сечения пироп-гроссуляр при давлении 30 кбар в интервале температуры 1210-1625 °С выявлены следующие особенности. В магнезиальной части сечения поле клинопироксен+гранат+корунд существует до температур 1350-1400 °С, поле клинопироксен+гранат существует в интервале температур 1400-1540 °С, на ликвидусе корунд отсутствует. Выявлено присутствие на ликвидусе шпинели.

Практическая значимость. Предложена геотермобарометрическая зависимость позволяющая определять температуры и давления формирования некоторых типов пород эклогитового парагенезиса, что в частности, позволяет судить об их возможной алмазоносности.

Данные по экспериментальному изучению ассоциации клинопироксен+гранат при различных Р-Т условиях позволили создать основу для нового геотермобарометра, ранее не используемого исследователями, на основе содержания энстатитового и кальцийчермакитового компонента в клинопироксене и гроссулярового компонента в гранате. Рассчитаны коэффициенты полиномов, аппроксимирующих зависимость состава клинопироксена и граната от температуры и давления. Полиномы представляют собой два уравнения, по одному из которых, независимо от другого, определяется величина давления, а по другому - значение температуры.

Фактический материал. В процессе исследований был проведен 81 опыт при температурах от 1210 до 1585 °С и давлении от 15 до 30 килобар по ассоциации клинопироксен-гранат и в сечении пироп-гроссуляр при температурах от 1210 до 1625 °С и давлении 30 килобар. Для всех образцов анализов расшифрованы рентгеновские дифрактограммы, изготовлены двусторонне-полированные петрографические шлифы. Составы гранатов и клинопироксенов по результатам анализов на рентгеноспектральном анализаторе приведены в таблице 2 и в таблице 3.

Апробация работы. Результаты работы представлены на следующих семинарах и конференциях:

1. "Ежегодный семинар по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии" (Хитариада, 2000),

2. "Петрография на рубеже XXI века, итоги и перспективы", материалы второго всероссийского петрографического совещания, (27-30 июня 2000 г., Сыктывкар 2000),

3. "XIV российское совещание по экспериментальной минералогии" (2-4 октября 2001 года, Тезисы докладов, Черноголовка, 2001),

4. "XII Annual Goldschmidt conference", (Davos, Switzerland, August 18-23, 2002).

Экспериментальные исследования проводились при поддержке следующих фантов:

1. Грант РФФИ № 02-05-65394 " Устойчивость кварцнормативных глубинных парагенезисов и их минералогическая геотермобарометрия на основе исследования гранат-клинопироксеновых ассоциаций в базовых геологических системах при параметрах, соответствующих условиям верхней мантии Земли".

2. Грант "Университеты России - фундаментальные исследования" проект № УР.09.01.142 "Фациальная принадлежность и номенклатура парагенезисов основных и ультраосновных глубинных ксенолитов и связь их с сопровождающими магматическими расплавами".

3. Грант РФФИ № 99-05-64788 "Пироксен-гранатовая геотермобарометрия гранатсодержащих глубинных парагенезисов".

4. Грант РФФИ MAC № 01-05-06029 - поддержка аспирантов.

5. Грант РФФИ MAC № 02-05-06352 - поддержка аспирантов

6. Грант РФФИ MAC № 03-05-06133 - поддержка аспирантов

7. Грант "Университеты России - фундаментальные исследования", проект "Минералогическая геотермобарометрия пород эклогитовой фации". Работа выполнена в лаборатории "Экспериментальной петрологии" ИМП СО РАН под руководством член. корр. РАН, профессора, д. г. - м. н. В. С. Шацкого, при непосредственном участии к. г.-м. н. Н. В. Суркова, которому автор выражает искреннюю признательность.

Работа состоит из 105 страниц, включая 8 таблиц и 13 рисунков. Список литературы состоит из 102 наименований.

Список условных обозначений принятых в данной работе:

Р давление кбар т температура °С

Срх твёрдые растворы клинопироксенов

Орх твёрдые растворы ортопироксенов

L жидкость

Gar твёрдые растворы фанатов

CaTs кальцийчермакит CaAI2SiOe

MgTs магниевая молекула Чермака MgAI2Si06

CaEs кальциевая молекула Эскола Ca0.5AISi2O6

Di диопсид CaMgSi206

En энстатит Mg2Si206

Fs ферросилит Fe2Si206

Can каноит Mn2Si20e

Jd жадеит NaAISi206

Hd геденбергит CaFeSi206

Jh иогансенит CaMnSi2Oe

Акт а км ит NaFeSi2Oe

Yur юриит NaCrSi206

Ti-cpx титанистый ми нал срх TiSi2Oe

Gel геленит Ca2AISiAI07

Ok окерманит Ca2MgSi207

Sill силлиманит AI2Si05

Ky кианит AI2Si05

Cd кордиерит Mg2AI3Si5AIOi8

Qz кварц Si02

Mon монтичеллит CaMgSi04

Mer мервинит CaMg(Si04)2

Lar ларнит 0-Ca2SiO4

Sap сапфирин Mg4AI10Si2O23

Gross гроссуляр Ca3AI2Si30i2

Pyr пироп Mg3AI2Si3Oi2

Uvar уваровит СазСгг81з012

Sk скиагит Mg3Fe2SI30i2

And андрадит Ca2Fe2Si30i2

Aim альмандин Fe3AI2Si30i2

Spes спессартин Mn3AI2Si30i2

Mj-gar мэйджеритовый минал gar Na2AI2SiSi30i2

Sher шерломитовый минал gar Fe2Ti2Si3Oi2

An анортит CaAI2Si208

Sp шпинель MgAI204

Cor корунд Al203

Fo форстерит Mg2Si04

Глава Л. ПРОБЛЕМЫ ГЕОТЕРМОБАРОМЕТРИИ ЭКЛОГИТОВ И ЭКЛОГИТОПОДОБНЫХ ПОРОД

Заключение Диссертация по теме "Минералогия, кристаллография", Гартвич, Юлия Георгиевна

ВЫВОДЫ

1. На основании полученных экспериментальных данных, уточнена фазовая диаграмма сечения пироп-гроссуляр при давлении 30 кбар и в интервале температур 1000-1700 °С. Установлено, что при температурах выше 1350-1400 °С в магнезиальной части сечения устойчива ассоциация Gar(Pyr)+Cpx, в кальциевой части сечения плавление ассоциации Gar (Gross)+Cpx происходит при температурах 1550-1600 °С. Непосредственно под ликвидусом установлено существование ассоциации Cpx+Gar+Sp. Точка состава на пересечении коннод Cpx+Gar и L+Sp реакции Cpx+Gar=Sp+L смещена в сторону кремнезёма от сечения пироп-гроссуляр. Корунд на ликвидусе отсутствует.

2. В результате экспериментального исследования составов сосуществующих клинопироксенов и гранатов системы СаО-МдО-А^Оз-БЮг в интервале температур 1200 - 1585 °С и давлений 15-30 кбар, выявлено, что распределение катионов Са, Мд и AI между сосуществующими клинопироксенами и гранатами позволяет создать основу для геотермобарометрии эклогитового парагенезиса. Установлено, что содержание энстатитового компонента в пироксене изменяется, в основном, с температурой, а содержание CaAfeSiOe растёт с увеличением температуры и уменьшением давления. Состав граната в основном зависит от валового состава системы.

3. Рассчитаны коэффициенты полиномов, аппроксимирующих зависимость состава клинопироксена и граната от температуры и давления. Полиномы представляют собой два уравнения, по одному из которых, независимо от другого, определяется величина давления, а по другому значение температуры. В качестве исходных данных используются содержания кальцийчермакитового и энстатитового компонентов в пироксене и содержание гроссулярового компонента в гранате.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Для решения проблем генезиса гранатсодержащих пород, изучение фазовых взаимоотношений между клинопироксенами и фанатами имеют первостепенное значение. В системе Ca0-Mg0-AI203-Si02 (CMAS) образуются практически все фазы, соответствующие минералам глубинных пород. Остальные компоненты (FeO, Fe203, Na20, Cr203, Ti02, K20 и т. д.) большей частью входят в качестве изоморфных примесей в фазы, уже имеющиеся в системе CMAS. Несмотря на то, что в системе СаО-МдО-А12Оз-Si02 присутствует значительно меньше компонентов, чем в составе глубинных ксенолитов, фазовые взаимоотношения в сечении пироп-фоссуляр являются достаточно адекватной моделью для иллюстрации некоторых вопросов происхождения эклогитов и родственных им парагенезисов.

Поле биминеральной ассоциации клинопироксен+фанат в интервале температур от 1200 до 1585 °С и давлений от 15 до 30 кбар как бы разделено на две части, магнезиальную и кальциевую. В магнезиальной части глинозёмистые клинопироксены сосуществуют с пироповым фанатом. Эта часть предположительно соответствует эклогитовому парагенезису. В кальциевой части, глинозёмистые клинопироксены сосуществуют с гроссуляровым гранатом, эта часть может соответствовать фосспидитовому парагенезису. При давлениях выше 30-32 кбар поле твёрдых растворов глинозёмитых клинопироксенов уменьшается, и конноды Cpx+Gar простираются веером от составов где клинопироксен сосуществует с пироповым фанатом (12-16 мол. % фоссулярового компонента) до области составов с практически чистым фоссуляром. Отсутствие корунда на ликвидусе сечения в сечении пироп-гроссуляр указывает на то, что состав жидкости на эвтектике L=Cpx+Gar+Cor смещён в сторону корунда от сечения пироп-гроссуляр, и данное равновесие реализуется только в корунднормативных областях. Для менее глинозёмистых составов, чем составы в сечении пироп-гроссуляр, ассоциация Cpx+Gar+Cor устойчива только при температурах солидуса, что свидетельствует в пользу метаморфического происхождения корундовых эклогитов, за счёт распада глинозёмистых клинопироксенов с выделением свободного корунда.

Как следует из наших экспериментальных исследований, составы сосуществующих клинопироксенов и фанатов зависят от давления, температуры и валового состава системы. С ростом температуры в клинопироксене повышается содержание энстатитового компонента и понижается содержание глинозёма. С ростом давления в клинопироксене растет содержание глинозёма и падает содержание энстатитового компонента. Состав граната в основном зависит от валового состава системы. При понижении температуры и росте давления происходит своего рода вращение конноды клинопироксен-фанат (рис. 10) против часовой стрелки в координатах содержания волластонит-корунд.

На основе полученных экспериментальных данных был применён расчет полиномиальных функций второй степени с тремя неизвестными, с оценкой среднеквадратичного отклонения для функции. В предлагаемой зависимости давление и температура определяются независимо друг от друга. Для данного геотермобарометра не подходят образцы анализов с непроанализированным РегОз, с высоким содержанием FeO, а также образцы с высоким содержанием щелочей. Можно заключить, что использование разработанной зависимости офаничено давлениями от 20 до

100 кбар (из-за слабой пригодности подобных полиномиальных уравнений для экстраполяции).

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Гартвич, Юлия Георгиевна, Новосибирск

1. Акимов А. П., Екимов Т. Е. Железо-титанистые эклогиты - новый тип ксенолитов из трубок взрыва Якутии // Вестник моек, университета, геология, 1978, N 3, с. 117-123.

2. Ваганов В.И., Соколов С.В. Термобарометрия ультраосновных парагенезисов. М.: Недра, 1988. - с. 149.

3. Владимиров Б.М., Волянок Н. Я., Пономаренко А. И. Глубинные включения из кимберлитов, базальтов и кимберлитоподобных пород. -М.: Недра, 1976.

4. Гаранин В.К., Кудрявцева Г. П., Черенков В. Г., Черенкова А. Ф. Цирконсодержащие эклогиты из ксенолитов в кимберлитах // Зап. всес. минерал, общества, 1987, 116, N 6, с. 721-732.

5. Гаранин В.К., Кудрявцева Г. П., Серенко В. П., Харькив А. Д. Ильменитовый эклогит из кимберлитовой трубки "Мир" // Докл. АН СССР, 1981, 260, N 4, с. 981-985.

6. Годовиков А.А., Смирнов С.А., Малиновский И.Ю., Ран Э.Н., Паньков М.С., Росинский Г.А., Токмин Б.П. Аппарат для создания давления до 40 кбар при температуре до 1700 °С//ПТЭ, 1971, N 6, с. 159-160.

7. Грин Д., Рингвуд А.Э. Петрология верхней мантии. М.: Мир, 1968, с. 9.

8. Дмитриев Э. А. Памир // Глубинные ксенолиты и верхняя мантия/ Новосибирск, изд. Наука, сиб.отдел., 1975.

9. Добрецов Н.Л., Кочкин Ю.Н., Кривенко А. П., Кутолин В. А. Породообразующие пироксены. М.:Наука, 1971.

10. Добрецов Н.Л., Соболев Н.В. Эклогиты в метаморфических комплексах Казахстана, Тянь-Шаня, Южного Урала и их генезис // Проблемы петрологии и генетической минералогии / М.:Наука, 1970, т. 2, с. 54-77.

11. Добрецов Н.Л., Соболев Н.В., Шацкий B.C., Ащепков И.В., Бакиров А.Б., Габов Н.Ф., Гильберт А.Э., Добрецова Л.В., Козырева Н.В., Колчева К., Скляров Е.В. Эклогиты и глаукофановые сланцы в складчатых областях. Новосибирск, изд. Наука, 1989.

12. Дорошев A.M., Галкин В.М., Туркин А.И., Калинин А.А. Термическое расширение гранатов серии пироп-гроссуляр и пироп-кноррингит // Геохимия, 1990, N 1, с. 152-155.

13. Дорошев A.M., Сурков Н.В., Калинин А.А., Туркин А.И. Исследование устойчивости фанатов и пироксенов системы МдО-СаО-АЬОз-БЮг в диапазоне давлений до 4 ГПа (40 кбар) // Экспериментальная петрология высоких давлений, Новосибирск, 1981, с. 32-50.

14. Доусон Дж. Кимберлиты и ксенолиты в них. М.: Мир, 1983.

15. Дэвис Б. Т. Экспериментальная петрология и минералогия. М.: Недра, 1971.

16. Илупин И. П., Ваганов В. И., Прокопчук Б. И. Кимберлиты. М.: Недра, 1990.

17. Ишбулатов Р. А. Очерки физико-химической петрологии. М.: Наука, 1977.

18. Йодер Г. С. Образование базальтовой магмы. М.: Мир, 1979, с. 237.

19. Йодер Г. С., Тилли К. Э. Происхождение базальтовых магм. М.: Мир, 1965, с. 247.

20. Карякин Н. В. Химическая термодинамика // Н. Новгород, 1992, N 2, стр. 25.

21. Лутц Б.Г. Петрология глубинных зон континентальной коры и верхней мантии. М.:Наука, 1974, с. 304.

22. Малиновская Е.К., Дорошев A.M., Булатов В.К., Брай Г. Клинопироксены серии CaMgSi206-CaAI2Si06-Cao.5AISi206 в ассоциации с анортитом, кварцем, коэситом и фанатом // Геохимия, 1991, N 2, с. 216-226.

23. Малиновский И.Ю., Дорошев A.M., Калинин А.А. Исследование устойчивости фанатов ряда пироп-гроссуляр при Р=30 кбар // Докл. АН СССР, 1982, т. 268, N 1, с. 189-194.

24. Маракушев А.А. О петрохимических типах эклогитов // Геология и геофизика, 1976, N 8, с. 145-150.

25. Менакер И.Г. Геотермобарометрия ультраосновных пород. Новосибирск: Наука, 1993, с. 121.

26. Никитина Л.П., Иванов М.В. Гранат-клинопироксеновый геотермобарометр для мантийных эклогитов // Докл. Акад. Наук РАН, 1993, т. 331, N 2, стр. 214-216.

27. Перчук Л.Л., Рябчиков И.Д. Фазовое соответствие в минеральных системах. М : Наука, 1976.

28. Пономаренко А. И. Частичное плавление эклогитов (природные процессы) // Докл. АН ССОР, 1977, 235, N 6, с. 1416-1418.

29. Пономаренко А. И. Происхождение ильменит-клинопироксеновых сростков (ксенолиты из кимберлитовых трубок) // Докл. АН СССР, 1977, 235, N5, с. 1162-1165.

30. Пономаренко А. И., Малов В. С. Муассанитовый эклогит (ксенолит из кимберлитовой трубки Удачная) // Зап. всес. мин. общества, 1991, т. 120, N 5, с. 61-66.

31. Пономаренко А. И., Соболев Н. В., Похиленко Н. П., Лаврентьев Ю.Г., Соболев В. С. Алмазоносный гроспидит и алмазоносные дистеновые эклогиты из кимберлитовой трубки "Удачная", Якутия // Докл. АН СССР, 1976, 226, N 4, с. 927-930.

32. Пономаренко А. И., Специус 3. В., Соболев Н. В. Новый тип алмазоносных пород- гранатовые пироксениты // Докл. АН СССР, 1980, т.251, N 2, с. 438-441.

33. Похиленко Н. П., Соболев Н.В., Ефимова Э.С. Ксенолит катаклазированного алмазоносного дистенового эклогита из трубки "Удачная"// Докл. АН СССР, 1982, 266, N 1,с. 212-216.

34. Пугин В. А., Хитаров Н. И. Эклогиты как источник кварц-нормативных магм И Геохимия, 1978, N 10, с. 1506.

35. Пугин В. А. Эклогиты в мантии // Геохимия, 1986, N 7, с.921.

36. Симаков С.К. Гранат-пироксеновая барометрия мантийных эклогитов //Докл. АН СССР, 1999, т. 367, №6, с. 807-809.

37. Соболев Н.В. Глубинные включения в кимберлитах и проблема состава верхней мантии. Новосибирск: Наука, 1974, стр.49.

38. Соболев Н.В. Кристаллические включения в алмазах // Глубинные ксенолиты и верхняя мантия / Новосибирск: Наука, 1975.

39. Соболев В. С. Проблема синтеза минералов на сессии международной минералогической ассоциации // Проблема геологии на XXI сессии МГК, 1963, с. 346-347.

40. Соболев Н.В., Боткунов А.И., Кузнецова И.К., Харькив А.Д. Новая находка алмазоносного эклогита в трубке "Мир" (Якутия) // Геология и геофизика, 1966, с. 114-116.

41. Соболев B.C., Добрецов Н.Л., Соболев Н.В. Глубинные ксенолиты и верхняя мантия // Новосибирск: Наука, 1975.

42. Соболев Н.В., Ефимова Э.С., Усова Л.В. Эклогитовый парагенезис алмазов кимберлитовой трубки Мир // Мантийные ксенолиты и проблема ультраосновных магм / Под ред. ак. B.C. Соболева, Ю.Р. Васильева, В.В. Кепежинскас. Новосибирск: Наука, 1983, стр. 4-16.

43. Соболев Н.В., Кузнецова И. К. Новые данные по минералогии эклогитов из кимберлитовых трубок Якутии // Докл. АН СССР, 1965, т.163, N 2, с. 471-474.

44. Соболев Н.В., Харькив А.Д. Глубинные ксенолиты в кимберлитах Якутии // Глубинные ксенолиты и верхняя мантия / Новосибирск: Наука, 1975, стр. 38.

45. Специус 3. В. Мегаксенолит коэситового эклогита из кимберлитовой трубки "Удачная"//Доклады АН СССР, 1990, т. 313, N1.

46. Специус 3. В. Петрохимические особенности включений гранат-клинопироксеновых пород с плагиоклазом из кимберлитовой трубки "Удачная" // Вестн. Моск. Уни-та, 1979, Сер. 4 геол., N 2, с. 79-84.

47. Специус 3. В., Безбородое С. М. Минералогия алмазоносных эклогитов из кимберлитовой трубки "Удачная" (новые находки) // Докл. АН СССР, 1992, т. 326, N4, с.717-721.

48. Специус 3. В., Буланова Г. П., Гриффин В. Л. Алмазоносный эклогит с включением граната в алмазе из трубки "Мир" //Докл. АН СССР, 1992, т.322, N 1, с.134-137.

49. Специус 3. В., Никишов К. Н., Махотко В. Ф. Кианитовый эклогит с санидином из кимберлитовой трубки "Удачная" // Докл. АН СССР, 1984, 279, N 1, с. 177-180.

50. Специус 3. В.,Серенко В.П. "Состав континентальной верхней мантии и низов коры под сибирской платформой". М.: Наука, 1990.

51. Сурков Н.В. Устойчивость глинозёмсодержащих клинопироксенов серии CaMgSi206-CaAI2Si06 при высоких давлениях // Экспериментальные исследования в связи с проблемой верхней мантии / Новосибирск, 1982, стр. 51-62.

52. Сурков Н.В. Экспериментальное исследование плавления ассоциации Cpxss+Grss+Opxss и Cpxss+Grss+Opxss+Fo в системе СаО-МдО-А^Оз-SiC>2 // XI Всесоюзное совещание по экспериментальной минералогии/ Тез. док, 26-30 октября 1986 г, Черноголовка, с. 198.

53. Сурков Н.В., Гартвич Ю.Г. Экспериментальное исследование фазовых равновесий в сечения пироп-гроссуляр при давлении 30 кбар // Петрология, 2000, т 8, № 1, с. 86-98.

54. Сурков Н.В., Дорошев А.М. Фазовая диаграмма системы Ca0-AI203-Si02 при давлениях до 40 кбар // Геология и геофизика, 1998, т. 39, N 9, с. 1254-1268.

55. Сурков Н.В., Кузнецов Г.Н. Экспериментальное исследование устойчивости твёрдых растворов клинопироксенов в ассоциации Cpx+Opx+Gar системы СаО-МдО-А^Оз-вЮг // Геология и геофизика, 1996, т. 37, N 12, с. 18-25.

56. Удовкина Н. Г. Эклогиты СССР // М.: Наука, 1985, с. 285.

57. Уханов А. В., Рябчиков И. Д., Харькив А. Д. Литосферная мантия Якутской кимберлитовой провинции. М.: Наука, 1988, с. 286.

58. Филимонова Л.Г., Удовкина Н. Г., Тронева Н. В., Лапутина И.П. Минералы эклогитового парагенезиса в кислых вулканитах южного Сихотэ-Алиня // Изв. АН СССР, серия геол., 1985, N 9, с. 114-117.

59. Францессон Е.В. Петрология кимберлитов. М.: Недра, 1968.

60. Харькив А. Д., Най Б. Д. Включение эклогита из кимберлитовой трубки Айхал // Изв. академии наук СССР, 1973, N2, с. 49-55.

61. Шарков Е.В., Пухтель И.С. Петрология эклогитов (гранатовых вебстеритов) и эклогитоподобных пород из трубки взрыва о-ва Елового

62. Кольский полуостров) // Изв. АН СССР. Сер. геолог., 1986, N 8, с. 3245.

63. Ai Y. A revision of the garnet-clinopyroxene Fe2+ Mg exchange geothermometer// Contrib. Mineral Petrol, 1994, N 115, p. 467-473.

64. Akella J. Garnet pyroxene equilibria in the system СаЗЮз-МдБЮз-АЬОз and in a natural mineral mixture //American Mineralogist, 1976, т. 61, N 78, с. 589-598.

65. Аоуа M. P-T-D Path of Eclogite from the Sambagawa (SW Japan) belt deduced from combination of penological and microstructural analyses // J. of petrology, V. 42, N. 7, c.1225-1248.

66. Au!bach S.,Stachel T.,Viljoen K. S.,Brey G. P.,Harris J. W. Eclogitic and websteritic diamond sources beneath the Limpopo Belt is slab-melting the link? // Contrib. Mineral Petrol, 2002, т. 143, c.56-70.

67. Bishop F.C., Smith J. V.,Dawson J.B. Na, К, P and Ti in garnet, pyroxene and olivine from peridotite and eclogite xenoliths from African kimberlites // Lithos., 1978, т. 11, N 2, с. 155-173.

68. Boyd F.R. Garnet peridotites and the system CaSi03-MgSi03-AI203 // Mineral Soc. Amer.Spec., 1970, т. 3, с. 63-75.

69. Boyd F.R. A pyroxene geotherm // Geochimica et Cosmochimica Acta, 1973, т. 37, N 12, c. 2533-2546.

70. Boyd F.R., England J.L. Pyrope // Carnegie Inst. Wash., Yearbook, 1959, v. 58, p. 83-87.

71. Boyd F.R., England J.L. Apparatus for phase-equilibrium measurements at pressures up to 50 kilo bars and temperatures up to 1750 °C // J. of Geoph. Res., 1960, т. 65, N 2, c. 741-748.

72. Caporuscio F.A., Smyth J. R. Trace element crystal chemistry of mantle eclogites // Contrib. to Min. and Petrology, 1990, N 5, c.550-561.

73. Clark S.P., Ringwood A.E. Density distribution and constitution of the mantle // Reviews of Geophysics, 1964, т. 2, N 1, с. 35-88.

74. Coleman R. G., Lee D. E., Beatty L. В., Brannock W. W. Eclogites and eologites: Their Differences and Similarities // Geological Society of America Bulletin, 1965, т. 76, с. 483-508.

75. Davis В.Т., Boyd F.R. The join Mg2Si206-CaMgSi206 at 30 kilo bars pressure and its application to pyroxenes from kimberlites // Jour. Geoph. Res., 1966, т. 77, N 14, c. 3567-3576.

76. Ellis D.J., Green D.H. Experimental study of the effect of Ca upon garnet-clinopyroxene Fe-Mg exchange equilibria // Contrib. Miner. Petrol., 1979, т. 71, N 1, с. 13-22.

77. Hensen B.J. The stability of pyrope-grossular garnet with excess silica // Contr. Miner. Petrol., 1976, т. 55, N 3, c.279-292.

78. Jagoutz E. Nd and Sr systematics in an eclogite xenoliths from Tanzania: Evidence for frozen mineral equilibria in the continental lithosphere // Geoch et Cosmochimica Acta, 1988, т.52, c.1285-1293.

79. Johnson C.A., Bohlen S.R., Essene E.J. A evaluation of garnet-clinopyroxene geothermometry in granulites // Contr. Miner. Petrol., 1983, т. 84, N2-3, с. 191-198.

80. Kennedy C.S., Kennedy G.C. The equilibrium boundary between graphite and diamond // Journal of Geophysical Research,1976, т. 81, N 14, с. 2467-2470.

81. Krogh E. J. The garnet-clinopyroxene Fe-Mg geothermometer a reinterpretation of existing experimental data // Contr. Miner.Petrol., 1988, N 99, p. 44-48.

82. Kushiro I., Aoki Ki. Origin of some eclogite inclusions in kimberlite // American Mineralogist, 1968, т. 53, N 7-8, с.1347-1367.

83. Kushiro I., Yoder H.S. Anorthite-forsterite and anorthite-enstatite reactions and their bearing on the basalt-eclogite transformation // Journal of Petrology, 1966, т. 7, N 3, с. 337-362.

84. Maaloe S., Wyllie P.J. The join grossularite-pyrope at 30 kb and its penological significance //American journal of Science, 1979, v. 279, N 3, p. 288-301.

85. MacGregor I.D. The system Mg0-AI203-SiC>2 solubility of Al203 in enstatite for spinel and garnet peridotite compositions // Amer. Miner., 1974, V. 59, N 1-2, pp. 110-119.

86. Mirwald P.W., Getting I.C., Kennedy G.C. Low-friction cell for piston-cylinder high-pressure apparatus // Journal of Geophysical Research, 1975, v. 80, N 11, p. 1519-1525.

87. Mysen В. O. & Heier K. S. Petrogenesis of eclogites in high grade metamorphic gneisses exemplified by the Hareidland eclogite, Western Norway// Contr. Miner.Petrol., 1972, N 36, 73-94.

88. Pattison D.R.M., Newton R.C. Reversed experimental calibration of the garnet-clinopyroxene Fe-Mg exchange thermometer // Contr. Miner.Petrol., 1989, v. 101, N1, p. 87-103.

89. Perkins D., Newton R.C. The compositions of coexisting pyroxenes and garnet in the system Ca0-Mg0-Al203-Si02 at 900 -1, 100 С and high pressures // Contributions to Mineralogy and Petrology, 1980, v. 75, N 3, p. 291-300.

90. Powell R. Regression diagnostics and robust regression in geothermometer/geobarometer calibration: the garnet-clinopyroxene geothermometer revisited // J. Metamorph. Geol., 1985, N 2, p. 33-42.

91. Raheim A., Green D. H. Experimental determination of the temperature and pressure dependence of the Fe-Mg partition coefficient for coexisting garnet and clinopyroxene // Contrib. Miner. Petrol., 1974, v. 48, N 3, p. 179-203.

92. Ravna E.K. The garnet-clinopyroxene geothermometer: an updated calibration // J. Metamorph. Geol., 2000, N 18, p. 211-219.

93. Sekine Т., Wyllie P.J., Baker Don R. Phase relationships at 30 kbarfor quartz eclogite composition in СаО-МдО-АЬОз-ЭЮг-НгО with implications for subduction zone magmas. //American Mineralogist, 1981, V. 66, N9-10, pp. 938-950.

94. Wood B.J Henderson C.M.B. Composition and unit cell parameters of synthetic non-stoichiometric tschermakitic clinopyroxenes // Am. Miner., 1978, т. 63, N 1/2, c. 66-72.

95. Yamada H., Takahashi E. Subsolidus phase relations between coexisting garnet and pyroxenes at 50 to 100 kbar in the system CaO-MgO-Al203-Si02 //Terra Cognita, 1982, v. 2, N 3, p. 260-261.tt