Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Фазовые равновесия в мантии в связи с проблемой происхождения высокомагнезиальных магм

ВАК РФ 04.00.08, Петрография, вулканология

Текст научной работыДиссертация по геологии, доктора геолого-минералогических наук, Гирнис, Андрей Владиславович, Москва

.л ' >

а _ V.!

Российская Академия Наук

Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии

УДК 550.41 + 552.11 + 552.3 На правах рукописи

ГИРНИС АНДРЕЙ ВЛАДИСЛАВОВИЧ

ФАЗОВЫЕ РАВНОВЕСИЯ В МАНТИИ В СВЯЗИ С ПРОБЛЕМОЙ ПРОИСХОЖДЕНИЯ ВЫСОКОМАГНЕЗИАЛЬНЫХ МАГМ

Специальность 04.00.08 - Петрология, вулканология

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук

Президиум ВАК России |

1 фешешеог«±° ^ ''

присудил ученую степень ДОК 1 чЛ 'А-;

7^ ^АЬ^Л^-.....' - , •

Начальни/^правДекия ВАК Росск:;: ;

Оглавление

Условные обозначения 3

1. Введение 5

2. Краткая характеристика высокомагнезиальных пород и расплавов 18

Коматииты 24

Пикриты и высокомагнезиальные базальты 37

Кимберлиты 63

Лампроиты 67

Выводы 74

3. Минеральные равновесия в мантийном гарцбургите 77

Термодинамическая модель минеральных фаз 81

Фазовые равновесия 90

Калибровка модельных параметров 91

Уточнение модели с использованием составов фаз 132 из включений в алмазах

Термобарометрия минеральных равновесий 144

Выводы 154

4. Равновесие расплав-минералы в сухих системах. 156 Коматииты и пикриты.

Обзор экспериментальных работ 156

Эмпирическая модель составов котекгических расплавов и 160 согласование экспериментальных данных

Плавление мантийного перидотита и условия 200 образования первичных магм

Выводы 241

5. Плавление при высоких давлениях СО2. Кимберлиты. 244

Геологические и экспериментальные данные 244 по генезису кимберлитов

Растворимость СО2 в кимберлитовом расплаве 249

Экспериментальное изучение плавления кимберлита 256 группы 1А при высоком давлении

Ликвидусная ассоциация кимберлита во 264 флюидонасыщенных условиях

Модель образования кимберлитовых магм 270

6. Плавление при высоких давлениях воды. Лампроиты. 281

Экспериментальные работы по плалению лампроитов 281 \У

Близликвидусные фазовые соотношения лампроитов 285 Прери Крик

Полиминеральные ассоциации на ликвидусе 291 оливинового лампроигга

7. Общие закономерности развития высокомагнезиального магматизма. 301

Эволюция температуры мантии 301

Причины разнообразия в составах высокомагнезиальных магм 304

Эволюция механизмов образования высокомагнезиальных 319 расплавов

Выводы 326

8. Заключение. 328

Условные обозначения С; весовая концентрация компонента 1 в расплаве Ср теплоемкость при постоянном давлении

Ав0! свободная энергия Гиббса фазы 1 при стандартных температуре (298 К) и давлении (1 бар)

АгОТ'Р энергия Гиббса химической реакции при давлении Р и температуре Т Оех избыточная свободная энергия Н энтальпия

К концентрационная константа равновесия реакции

Кот = (М§и1/Реи<1):(М§т/Рет), коэффициент распределения Ре и М§ между расплавом и минералом т т®=Мв/(Щ + Бе) Р давление

Я = 8,3143 дж/моль К, универсальная газовая постоянная 8 энтропия Т темпреатура V объем

= \Уун - + (Р-1)\¥уУ параметр смешения твердого раствора Н и его зависимость от температуры и давления Х(1П мольная доля компонента { в фазе т т химический потенциал о(т) стандартное отклонение величины т

Индексы фаз и миналов Атр]г амфибол Срх клинопироксен Ол гранат

руг пироп, М8зАЬ81з012 а1т альмандин, РезА1281з012 кп кноррингиг, М§зСг251з012 Ыд расплав Мс магнезит 01 оливин

& форстерит, М§28Ю4 & фаялит, Ре28Ю4 Орх ортопироксен

еп энстатит, Мз28120б & чермакит, М§А1А!8Юб Гв ферросилит, Ре28ЬОб Сйв Сг-чермакит, М^СгАШОб РЫ флогопит Бр шпинель

ер шпинель, М8А1204 Ьс герцинит, РеА1204 рс пикрохромит, М§Сг204

1. ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Геологические, петрографические и минералогические исследования показывают широкое развитие и разнообразие высокомагнезиальных магматических горных пород. Как интрузивные, так и эффузивные высокомагнезиальные породы известны давно и привлекали внимание многих поколений геологов. Долгое время в геологии активно дебатировался вопрос о существовании высокомагнезиальных расплавов. Высокомагнезиальный состав большинства ультрамафических пород определяется высоким содержанием оливина и иногда пироксенов. Из геологических и экспериментальных наблюдений хорошо известна способность этих минералов образовывать кумуляционные зоны в магматических телах. Поэтому долгое время преобладали представления Боуэна (Bowen, 1928) о кумулусной природе всех высокомагнезиальных пород (напр. Соболев, 1936). Ранние экспериментальные работы по плавлению синтетических систем, имеющих отношение к генезису базальтов, также не способствовало признанию факта существования высокомагнезиальных расплавов, поскольку жидкости, образующиеся при котектическом плавлении модельных перидотитов имели основной состав, а высокомагнезиальные расплавы оказывались пересыщенными в отношении оливина. Только в 1950-60-е годы появляются первые данные о существовании пород, произошедших из расплавов более основных (магнезиальных), чем базальты (Bailey, McCallien, 1953; Gass, 1958; Clark, Fyfe, 1961; Drever, Johnston, 1966, 1967; Searle, Yokes, 1969; Clarke, 1970). Переломным в истории изучения

высокомагнезиальных расплавов оказался 1969 г., когда впервые были представлены геологической общественности ультрамафические лавы с признаками быстрой кристаллизации и отсутствия значительного накопления оливина, коматииты (Viljoen, Viljoen, 1969). С этого момента значение высокомагнезиальных магм в геологических и геотеконических моделях резко возрастает. Наряду с новыми находками коматиитов пересматриваются представления о генезисе других пород, существование высокомагнезиальных магм предполагается для магматических серий срединно-океанических хребтов (Stolper, 1980; Green et al., 1979; Dmitriev et al., 1985), офиолитов (Elthon, Scarfe, 1984; Duncan, Green, 1987), островных дуг (Ramsay et al., 1984), континентальных плато-базальтов (Krishnamurthy, Сох, 1977), океанических островов (BVSP, 1981), рифтогенных структур (Сох, Jamieson, 1974). Высокомагнезиальные расплавы предполагаются в качестве исходных магм кимберлитов и лампроитов (Eggler, 1989; Foley et al., 1987).

Относительный объем пород, образовавшихся непосредственно путем кристаллизации высокомагнезиальных магм сравнительно мал, но их значение для петрологии очень велико. Среди породообразующих окислов MgO - самый тугоплавкий. В железо-магнезиальных силикатах, слагающих мантию и в большой степени кору Земли, магнезиальные миналы всегда более тугоплавкие, чем железистые. Поэтому окись магния всегда накапливается в расплаве с увеличением степени плавления этих фаз и быстро удаляется из расплава в процессах фракционирования. Эта особенность плавления железо-магнезиальных

силикатов приводит к тому, что высокомагнезиальные магмы стоят в самом начале ряда дифференциации магматических серий, а в ряду частичного плавления являются наиболее продвинутыми в плане температур и степеней плавления.

Исходя из этих особенностей, высокомагнезиальные магмы с содержаниями М§0 больше, чем в базальтах (10-12 мае %) могут образовываться только при плавлении ультрамафического материала, т.е. главным образом мантийных перидотитов. При этом, представляя крайние члены в ряду частичного плавления, эти расплавы определяют экстремальные параметры термодинамических условий магмообразования. По сравнению с производными мантийных расплавов, высокомагнезиальные магмы являются наиболее достоверным источником информации о составе и условиях магмогенерирующих зон, поскольку они в наименьшей степени модифицированы процессами фракционирования и ассимиляции. Фракционирование высокомагнезиальных расплавов приводит к образованию очень широкого спектра пород - от ультраосновных до кислых, которые в большой степени наследуют характеристики материнских расплавов. Сопоставление высокомагнезиальных расплавов разных геологических эпох и геодинамических обстановок позволяет выявить существенные черты эволюции мантийных параметров.

Высокая температура магнезиальных магм обеспечивает растворение и вынос из мантии некоторых тугоплавких рудных компонентов. Это касается в первую очередь таких компонентов, как хром и никель, эффективно

связывающихся в силикатах и оксидных минералах. Поэтому с высокомагнезиальными расплавами связаны наиболее важные месторождения хрома, никеля и сопутствующих элементов (Arndt et al., 1997). Помимо этого несомненно участие высокомагнезиальных расплавов в транспорте других металлов из мантии - платиноидов, золота, кобальта, ванадия. Другой особенностью некоторых расплавов, определяющих их практическое значение, является большая глубина формирования. В результате, высокомагнезиальные породы являются главным источником алмазов в земной коре. Помимо кимберлитов, большие концентрации алмазов обнаружены в ультрамафических лампроитах (Atkinson et al, 1982) и щелочных базальтоидах (Каминский, 1984), некоторые из которых также могут быть производными высокомагнезиальных магм.

Задачей настоящего исследования является построение и согласование генетических моделей высокомагнезиального магматизма, выявление причин разнообразия и дискретности составов высокомагнезиальных магм, определение основных направлений эволюции высокомагнезиального магматизма и его геодинамического значения. В качестве основного метода получения количественной информации используется экспериментальное моделирование фазовых равновесий при параметрах, близких к условиям мантийного магмообразования. Одной из наиболее важных задач при этом является корректная экстраполяция экспериментальных результатов для их приложения к конкретным природным объектам. Эта одна из основных проблем

экспериментальной петрологии, пока не имеющая универсального решения. Для мантийного магмообразования наибольшее значение имеет изотермо-изобарическое химическое равновесия в системе расплав-минералы-(флюид). В рамках термодинамического (Ghiorso et al., 1983; Ghiorso, Sack, 1995) или эмпирического (напр. Stolper, 1980; Falloon et al., 1988) описания такой системы возможно определение условий генерации и дифференциации магматических расплавов.

Логика настоящей работы, из которой следует также ее структура представлена на схеме (рис. 1.1). В качестве исходной информации используются составы природных высокомагнезиальных расплавов, которые могут быть установлены на основании составов пород, минералов и включений в минералах. В первом разделе обсуждаются особенности высокомагнезиальных пород и определяется состав первичных расплавов, определение параметров образования которых и составляет одну из основных целей исследования. Условия определяются равновесием расплавов с мантийным реститом. Это равновесие рассматривается в двух направлениях. Во-первых, мы исследуем равновесия между минералами мантийных реститов, которые дают информацию о температуре и давлении мантийных парагенезисов независимо от состава расплава. В результате исследования имеющихся экспериментальных данных мы в этом разделе получаем систему взаимно согласованных термометров и барометров для мантийных гранатовых гарцбургитов. В следующем разделе исследуются экспериментальные данные по близликвидусным равновесиям

Рис. 1.1. Принципиальная схема подхода к изучению условий образования высокомагнезиальных расплавов.

высокомагнезиальных расплавов, состав которых определен в первом разделе. При этом мы исходим из предположения о том, что условия генерации расплавов соответствуют условиям стабильности полиминеральной ассоциации на ликвидусе (ВУБР, 1981). Прямое экспериментальное исследование, а также обобщение экспериментальных данных для конкретных составов на основании модели равновесий между минералами и расплавом позволяет определить условия генерации для широкого спектра составов и экстраполировать данные в области давления и температуры, не исследованные экспериментально. Наконец, в последнем разделе, мы обращаемся к некоторым общим вопросам происхождения и эволюции высокомагнезиальных расплавов. Мы рассмотрим вопрос о причинах разнообразия и дискретности высокомагнезиальных магм, об изменении высокомагнезиальных расплавов во времени и о той информации, которую несут эти расплавы о составе мантийных источников.

Фактический метериал и методы исследования. В основу работы положены результаты работы автора в 1981-1998 гг. в процессе комплексного изучения мантийных расплавов. Экспериментально при высоких давлениях были исследованы близликвидусные минеральные ассоциации расплавов коматиитов, кимберлитов и лампроитов, данные по которым до сих пор довольно немногочисленны и иногда противоречивы. Определение составов первичных расплавов проводилось на основании изучения петрографии и геохимии пород (коматииггы и базальты Балтийского щита, Воронежского кристаллического массива и Становой области), а также составов и условий гомогенизации

расплавных и флюидных включений в минералах магматических пород (лампроиты, толеитовые и щелочные базальты). Для согласования результатов с данными других исследователей была создана база данных по составам расплавов и равновесных минералов, включающая практически все опубликованные материалы. Исследования выполнялись в рамках работ, проводимых в ИГЕМ РАН, а также программ, поддерживаемых РФФИ, МНФ, Мин. Науки и Немецкого научного общества. За время работы было проведено более 200 экспериментов при высоких давлениях на установках типа цилиндр-поршень (ИГЕМ РАН и ИЭМ РАН) и "белт" (Институт Химии М. Планка, Майнц и Университет г. Франкфурт, Германия), выполнено более 500 микрозондовых анализов минеральных фаз, использовано около 200 оригинальных силикатных и микрокомпонентных анализов пород и 20 оригинальных изотопных Бт-Ис! анализов. Микрозондовые, химические и изотопные анализы выполнены в ИГЕМ РАН, ДВГИ РАН, ГЕОХИ РАН, ГИН РАН, Институте химии им М. Планка, Университете г. Майнц (Германия) и Имперском Колледже Лондонского Университета (Англия, аналитик П. Саддэби).

Научная новизна. 1. Получены новые экспериментальные результаты по близликвидусным фазовым соотношениям расплавов, моделирующих составы коматиитов, коматиитовых базальтов, лампроитов и кимберлитов. Определены возможные полиминеральные ассоциации на ликвидусе этих магм и условия их рвновесия с расплавом. 2. Впервые экспериментально определена растворимость углекислоты в кимберлитовом расплаве при давлении 45—55 кбар, что

подтвердило резкое повышение этой величины при давлении выше 40 кбар (до 20 и более мае. %), 3. Создана согласованная модель минеральных равновесий в системе РеО-М^О-А^Оз-БЮг-СггОз, основанная на опубликованных экспериментальных результатах и составах фаз из включений в алмазах. Предложена система взаимно согласованных минералогических термометров и барометров для низкокальциевых гранатовых гарцбургитов и включений в алмазах. 4. На основании геохимических данных разработаны модели эволюции магматизма Карелии, Воронежского кристаллического массива, Станового хребта. 5. Проведено согласование экспериментальных результатов, полученных разными методами по равновесию экспениментальных расплавов с оливином, ортопироксеном и клинопироксеном и определены эмпирические критерии соствов первичных мантийных магм. 6. На основании равновесий минеральных фаз во включениях определены условия кристаллизации минералов лампроитов Арканзаса, гавайитов о. Пантеллерия, щелочных базальтов Восточного Памира. Практическая значимость заключается в разработке новых методов определения температуры и давления равновесий в системе расплав-минералы, которые могут быть использованы для оценю! параметров образования и эволюции магм и поведения рудных компонентов, связанных с ультраосновными магмами (никель, хром, алмазы). Раскрытие характера эволюции магматизма во времени способствует развитию генетических моделей рудоносных структур докембрия, поскольку оно позволяет выявить генетически сходные объекты в более молодых комплексах.

Защищаемые положения.

1. На основании обобщения новых и опубликованных данных по составам сосуществующих синтетических фаз и минералов из включений в алмазах предложена внутренне согласованная термодинамическая модель минеральных равновесий в системе РеО-М^О-А^Оэ-БК^-С^Оз. Ее применение позволило разработать метод оценки условий стабильности гранат-содержащих минеральных ассоциаций на ликвидусе магматических расплавов. Термобарометрия природных гранат-ортопироксеновых парагенезисов, проведенная на основе этой модели, показала, что алмазы из кимберлитов кристаллизовались при 40-60 кбар и температурах, превышающих нормальную геотерму щитов на 100-400°С.

2. Статистическая обработка и сравнительный анализ собственных и опубликованных экспериментальных данных по составам основных и ультраосновных расплавов в равновесии с мантийными минералами использованы для определения области составов, которые могут образоваться при плавлении лерцолитовой ассоциации в условиях верхней м