Петрология и геохимия пород мантийного разреза Войкаро-Сыньинского массива, Полярный Урал

Белоусов, Иван Александрович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Петрология и геохимия пород мантийного разреза Войкаро-Сыньинского массива, Полярный Урал
ВАК РФ 25.00.09, Геохимия, геохимические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Петрология и геохимия пород мантийного разреза Войкаро-Сыньинского массива, Полярный Урал"

На правах рукописи

005018877

БЕЛОУСОВ Иван Александрович

ПЕТРОЛОГИЯ И ГЕОХИМИЯ ПОРОД МАНТИЙНОГО РАЗРЕЗА ВОЙКАРО-СЫНЬИНСКОГО МАССИВА (ПОЛЯРНЫЙ УРАЛ)

Специальность 25.00.09 - геохимия, геохимические методы поисков полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-мннералогических наук

з май т

Москва - 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении пауки Ордена Ленина и Ордена Октябрьской Революции Институте геохимии и аналитической химии им.В.И.Вернадского Российской Академии Наук (ГЕОХИ РАН)

Научные руководители:

доктор геол.-мин.наук, член-корр. РАН Соболев Александр Владимирович (ГЕОХИ РАН)

канд. геол.-мин. наук

Батанова Валентина Германовна (ГЕОХИ РАН) Официальные оппоненты:

доктор геол.-мин. наук Перцев Алексей Николаевич (ИГЕМ РАН) доктор геол.-мин. наук Пейве Александр Александрович (ГИН РАН)

Ведущая организация:

Московский Государственный Университет им.М.В.Ломоносова, Геологический факультет

Защита состоится 16 мая 2012 года в 11 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 002.109.02 при Институте геохимии и аналитической химии им. В.И.Вернадского РАН по адресу: 119991, ГСП-1, Москва, ул.Косыгина, д. 19

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГЕОХИ РАН по адресу 119991, ГСП-1, Москва, ул.Косыгина, д.19

Автореферат разослан 16 апреля 2012 года

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять ученому секретарю диссертационного совета (dissovetal@geokhi.ru)

Ученый секретарь

диссертационного совета канд. геол.-мин. наук

1. ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования

Определение состава мантийного вещества является одной из главных задач мантийной геохимии, поскольку появляющиеся на поверхности расплавы происходят в основном из мантийных источников. Составы мантийных образцов, обнаруживаемых на поверхности, могут быть в значительной степени изменены наложенными процессами. Понимание процессов плавления мантийного вещества, миграции расплавов из мантийных источников к поверхности и реакций перидотит-расплав являются ключевыми в расшифровке состава мантийного вещества и геохимии магматических пород. Модели, описывающие декомпрессионное плавление под срединно-океаническими хребтами (СОХ), опираются на эксперименты по частичному плавлению перидотитов и кристаллизации расплавов (Takahashi, 1986; Falloon and Danyushevsky, 2000), a также на данные экспериментов по установлению коэффициентов распределения минерал - расплав (Hart and Dunn, 1993; Hauri et al., 1994), на основании которых была произведена интерпретация составов клинопироксепов из абиссальных перидотитов (Johnson et al., 1990; Johnson and Dick, 1992) и составов ультра-деплетированных расплавных включений (Соболев, Шимизу, 1992). Наиболее правдоподобные модели миграции расплавов в областях СОХ подразумевают их инфильтрацию по сетке дунитовых каналов, обладающих повышенной проницаемостью для расплавов (Kelemen et al., 1997, Kelemen et al., 1995). Плавление в надсубдукционных обстановках происходит в значительной степени благодаря воздействию флюидов, которые отделяются от погружающейся плиты, понижают температуру плавления мантийных перидотитов и привносят значительное количество растворимых в них компонентов, большая часть которых выносится с расплавами. Кроме того, содержание водного компонента оказывает существенное влияние на коэффициенты распределения минерал-расплав (Gaetani et al., 2003, Wood & Blundy, 2002) и пропорции плавящихся фаз (Gaetani et al„ 1998), изменяя состав выплавляющихся расплавов. Помимо этого, в надсубдукционных условиях часто большое значение имеют компоненты, связанные с продуктами плавления субдуцируемых осадков (Hermann and Spandler, 2008) и метабазальтов погружающейся плиты (Kepezhinskas et al., 1996). Если в обстановке СОХ реакция перидотит-расплав может приводить к образованию гарцбургитов (Kelemen et al., 1992) и дунитов (Kelemen, 1990), то в надсубдукционных обстановках в связи с большим разнообразием расплавов подобные реакции имеют еще большее значение и могут значительно менять состав мантийного субстрата.

разрезов офиолитовых комплексов, сформировавшихся в надсубдукционных условиях. Выбранный объект предоставляет не только возможность детального опробования, но и возможность изучить геологические соотношения между разными типами пород.

Объектом исследования является Войкаро-Сыньинский массив, расположенный на Полярном Урале. Большую часть разреза этого массива занимают хорошо сохранившиеся мантийные породы, обнаженные в результате воздействия ледников и отсутствия растительности из-за сурового климата. Этот массив является примером офиолитов надсубдукционного типа (Савельева, 1987), хотя некоторые исследователи (БЬагта ег а1„ 1995) также предполагали образование некоторых его частей в обстановке СОХ. Таким образом, в ходе изучения пород этого массива представляется уникальный шанс для определения обстановки формирования мантийных пород, а также изучения процессов, происходивших в мантии. Цель работы

Цели настоящей работы состоят в определении вещественных характеристик пород мантийного разреза Войкаро-Сыньинского массива и определении особенностей процессов плавления и миграции расплавов различного состава в надсубдукционной мантии.

Для достижения этих целей решались следующие задачи:

1. Оценка состава мантийных перидотитов и путей эволюции их состава.

2. Определение обстановки и условий образования пород мантийного разреза.

3. Определение составов расплавов, участвовавших в формировании дунитовых и пироксенитовых жил.

4. Разделение пироксенитовых жил на типы и определение особенностей формирования каждого из них.

Научная новизна

1. Впервые мантийный разрез Войкаро-Сыньинского массива детально охарактеризован не только по главным, но и по редким элементам и их распределению между минералами.

2. Определена и обоснована надсубдукционная обстановка формирования мантийного разреза.

3. Установлено, что состав мантийных перидотитов менялся в 2 стадии - этапа древнего плавления в обстановке близкой к СОХ и более молодого этапа плавления в надсубдукционной обстановке.

4. Оценены составы расплавов, участвовавших в образовании дунитовых и пироксенитовых жил.

5. Впервые показаны вариации составов пироксенитов и минералов из них в зависимости от их формирования из расплава, либо из флюида. Практическая ценность

Полученные данные о составе пород и минералов из мантийного разреза Войкаро-Сыньинского массива позволяют определить обстановку ее формирования и металлогеническую специализацию массива, а также произвести научное обоснование хромититоносности мантийных разрезов офиолитов.

Фактический материал

В основу работы положены образцы, отобранные автором совместно с А.В.Соболевым, В.Г.Батановой и Г.Н.Савельевой в полевых сезонах 2006-2007 годов на Полярном Урале (всего около 270 образцов). Личный вклад автора

1) Картирование, геологическое описание и опробование пород мантийного разреза Войкаро-Сыньинского массива; 2) Подготовка каменного материала для изготовления шлифов и пластинок; 3) Отбор мономинеральных фракций и изготовление шашек; 4) Оптические исследования петрографии и минералогии объектов исследования; 5) Проведение анализов составов пород и минералов; 5) Использование методов численного моделирования магматических процессов для воспроизведения составов минералов из различных пород; 6) Создание баз данных составов пород и минералов для абиссальных и надсубдукционных перидотитов; 7) Систематизация и обобщение полученных результатов, сравнение их с литературными данными. Апробация работы

Непосредственно по теме работы автором подготовлены к публикации 2 статьи в рецензируемых российских и международных журналах (1 статья опубликована в Докладах РАН, одна в Journal of Petrology). Одна статья в Lithos находится на финальной стадии подготовки. Результаты исследований по теме диссертации представлены в 10 опубликованных тезисах докладов и докладывались на Генеральных Ассамблеях Европейского Геологического Общества в Вене в 2008 и 2010 годах, геохимической конференции им.Гольдшмидта в 2007 и 2008 годах, конференции «Альпийские офиолиты и современные аналоги» в 2009, международной конференции «Геохимия магматических пород» в 2010 и конференции, посвященной 80-летию ИГЕМ РАН "Новые горизонты в изучении процессов магмо- и рудообразования" в 2010 году. Структура и объем работы

Работа состоит из 4 разделов, введения, заключения, списка литературы и приложения. В первом разделе (Глава 2,3) приводится краткий обзор истории изучения массива, истории изучения офиолитовых комплексов, мантийного вещества и процессов в мантии, в котором оцениваются нерешенные проблемы и ставится задача исследования. Второй раздел (Глава 4) посвящен методическим вопросам. В третьем разделе (Главы 5 и 6) описываются петрография, минералогия и геохимия объекта исследования. Четвертый раздел (Главы 7, 8, 9 и 10) посвящен обсуждению полученных результатов. Главы 1-10 завершаются краткими выводами. Текстовой и иллюстративный материал изложен на 200 страницах и включает 50 рисунков, 3 таблицы в тексте и 9 таблиц в приложении, список литературы включает 170 наименований. Благодарности

Автор выражает благодарность научному руководителю член-корреспонденту РАН А.В.Соболеву за руководство работой и создание условий для ее проведения, со-руководителю В.Г.Батановой, а также Г.Н.Савельевой и Б.Базылеву за помощь в интерпретации результатов, постоянную поддержку, хорошие советы и

критические замечания. Главные выводы этой работы были бы невозможны без уникального каменного материала, собранного вместе с А.В.Соболевым, В.Г.Батановой, Г.Н.Савельевой, П.В.Сусловым, Н.Л.Мироновым и З.Е.Лясковской, которым автор также искренне признателен. При работе над диссертацией автор постоянно чувствовал заботу и внимание коллег по лаборатории геохимии магматических и метаморфических пород, а также других сотрудников ГЕОХИ РАН, которым автор приносит свою искреннюю благодарность. Большую помощь в работе оказал Д.Кузьмин, обучавший и всячески помогавший при проведении микрозондовых анализов, а также Б.Столл, помогавшая при проведении анализов минералов методом индукционно-связанной плазмы.

Полевые работы проводились в рамках проекта РФФИ 06-05-65227. Дальнейшее исследование образцов производилось в рамках проектов РФФИ 0805-00151, 09-05-01165, 09-05-01193, 11-05-00011.

2. ВОЙКАРО-СЫНЬИНСКИЙ МАССИВ: РЕЗУЛЬТАТЫ ПРЕДЫДУЩИХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ДАННОЙ РАБОТЫ.

Офиолиты Войкаро-Сыньинского массива входят в систему аллохтонов, которые вместе с комплексами Тагило-Щучышской (03-S|) и Войкарской (S2-D3) островных дуг надвинуты на континентальную окраину Восточно-Европейской платформы. Породы офиолитовой ассоциации представляют собой гигантские фрагменты мантии и коры океанического типа, сформированной в задуговых и междуговых окраинных бассейнах, в том числе, и в надсубдукционной обстановке в ранне- и средне-палеозойское время (Савельев и др., 1980, Савельева, 1987, Savelieva et al., 2002). Уникальность данного объекта заключается в хорошей обнаженности мантийного разреза и малой степени измененности пород, что позволяет использовать как составы минералов, так и составы самих пород для расшифровки процессов, принимавших участие в их формировании.

Габбро-ультрабазитовые массивы Полярного Урала изучались такими исследователями как Ю.Е.Молдованцев, В.Ф.Морковкина, Н.Л.Добрецов, В.Р.Шмелев, А.Б.Макеев, A.A. Савельев и Г.Н.Савельева, которые дали подробное описание состава и строения офиолитов и ассоциирующих с ними метаморфических пород Полярного Урала. К офиолитовой ассоциации Войкаро-Сыньинского массива принадлежат только породы Пайерского покрова (Савельева, 1987), поэтому далее будут рассматриваться только породы из данного участка.

Коровая часть разреза представлена породами дунит-верлит-пироксенит-габбровой ассоциации, изотропными габбро, диабазами и плагиогранитами, которые несут геохимические характеристики формирования в супра-субдукционной обстановке (Савельев, 1996, Савельева, 1987). Датировки возраста коровой части имеют различные значения, отражающие полихронность формирования офиолитовой ассоциации. Так, оценка возраста плагиогранитов офиолитовой ассоциации Войкаро-Сынинского массива (490±7 млн.лет) (Хаин и др., 2008) должна соответствовать завершающей стадии формирования рассматриваемых офиолитов. Однако также описаны более молодые возраста

тоналитов (400±10 млн. лет - под ред. Пейве) и габбро (387±34 млн. лет - Sharma et al, 1995), соответствующие ранне-девонскому возрасту.

Наибольшая часть разреза офиолитового комплекса сложена породами мантийной секции. Она имеет мощность до 8 километров, и почти полностью состоит из шпинелевых гарцбургитов, которые содержат многочисленные дунитовые тела и пироксенитовые жилы. Дуниты могут образовывать как мелкие (от 1 см.), так и крупные (до сотен метров) тела. С дунитовыми телами ассоциируют хромитовые рудопроявления. Образование хромититов связывается с магматическим событием вендского (585.3±6 млн. лет) возраста (Савельева и др., 2006). Близкие оценки возраста получены на основе Re-Os изотопной системы для пироксенитовых жил внутри мантийной секции (Batanova et al, 2007). В этой работе также описаны Re-Os изотопные данные для некоторых гарцбургитов, которые свидетельствуют о более древнем этапе обеднения мантийного вещества базальтовым расплавом в ходе частичного плавления около 2.1 млрд. лет назад.

Несмотря на достаточно хорошую изучешюсть геологических соотношений и структур пластических деформаций в породах мантийного разреза Войкаро-Сыньинского массива (Савельева и др., 1980, Савельева, 1987 и др.), состав пород и минералов из мантийного разреза не был в достаточной степени охарактеризован с использованием современных методов исследования состава вещества и ограничивался тремя публикациями (Sharma & Wasserburg, 1996, Sharma et al., 1995, Шмелев, 2011).

В настоящей работе поставлена задача детального изучения вещественного состава пород и минералов мантийного разреза Войкаро-Сыньинского массива с целью определения условий их образования и эволюции. Опробование проводилось в нескольких участках (рис.1), охватывающих значительную часть мантийного разреза северной части массива, причем отбор образцов производился как вдалеке от контактов, так и в непосредственной близости от них. Кроме того, были сделаны несколько профилей через контакты гарцбургит-дунит и гарцбургит-пироксенит. Исследования этих образцов могут дополнить знания о структуре массива, а также внести существенный вклад в решение проблем изучения офиолитовых комплексов, процессов плавления мантийного вещества и транспорта расплавов в мантийных условиях.

3. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 3.1 АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

Поскольку изученные образцы обеднены несовместимыми элементами и поэтому крайне уязвимы для контаминации, дробление образцов и подготовка порошков для анализа валового состава пород производилась в Институте Химии им, М Планка, Майнц, Германия с соблюдением специальных мер. Образцы раздавливались гидравлическим прессом и после удаления выветрелых корок размалывались в вибрационной мельнице с специально очищенной агатовой ступкой. Анализ валового состава пород производился рентгено-флюоресцентным методом (XRF) на приборах Philips MagiXPRO в Университете г. Майнц (Германия) и Philips PW-1600 в ГЕОХИ РАН. Результаты измерений приводились

к 100% без учета потерь при прокаливании. Общее количество составляет около 70 анализов.

Анализ состава минералов производился на рентгеновском микроанализаторе с электронным зондом Jeol Jxa 8200 в Институте Химии им. М.Планка (Майнц, Германия). Были проанализированы составы минералов в 34 образцах гарцбургитов, 33 образцах дунитов и 40 образцах пироксенитов. Для большинства из них бьши исследованы шлифы, а также приготовлено около 30 шашек с отобранными монофракциями минералов. Оливин анализировался с повышенной точностью (для Ni, Ca, Мл, Cr, Со и AI - предел обнаружения 6-15 ррш, ошибка - 15-30 ррт) при ускоряющем напряжении 20 kV и силе тока 300 пА (Sobolev et ai, 2007). Измерение составов остальных минералов производилось при ускоряющем напряжении 20 kV и силе тока 20-80 пА. Анализ стандартов производился через каждые 30-35 анализов. Это позволяло осуществлять контроль приборного дрифта в течение длинных аналитических сессий. Общее количество анализов составляет около 1100 анализов оливина, 1200 анализов клинопироксена, 900 анализов ортопироксена, 1200 анализов состава шпинели и 200 анализов амфибола.

Определение содержаний редких и редкоземельных элементов в клинопироксенах, ортопироксенах, оливинах и амфиболах, а также в сплавленных пудрах некоторых пироксенитов производилось в Институте Химии им. М.Планка методом масс-спектрометрии с ионизацией в индуктивно-связанной плазме с лазерным пробоотбором вещества (LA ICP-MS) на приборе Thermo Finnigan Element 2 с лазерной приставкой New Wave UP213 (длина волны 213 цм). Диаметр лазерного пучка составлял 80 jim. Смесь гелия и аргона использовалась в качестве газа-переносчика из лазерной приставки в масс-спектрометр. В случае анализа валового состава пород, предварительно производилось сплавление пудры на иридиевой спирали при 1700С, при котором терялось большинство летучих компонентов. Анализ фона длился 20 секунд, а самого образца - 80-100 секунд. Стекла KL2-G и NIST 612 использовались в качестве стандартов. В качестве внутреннего стандарта при пересчете интенсивностей использовались измеренные на микрозонде содержания кальция для клинопироксенов и амфиболов и кремния для ортопироксенов и оливинов. Общее количество анализов содержаний редких элементов в минералах и породах составило более 1000 анализов.

3.2 МОДЕЛИРОВАНИЕ

Целью моделирования было выбрать из нескольких возможных вариантов механизмов формирования наиболее соответствующий фактическим данным, а также выбрать из нескольких вариантов состава привносимого расплава наиболее вероятный. Для этого мы рассчитали состав расплавов равновесных с клинопироксенами и амфиболами из дунитов и пироксенитов, а также попытались воспроизвести составы клинопироксенов из гарцбургитов мантийной секции Войкаро-Сынинского массива, поскольку этот метод доказал свою состоятельность для различных обстановок (Batanova et al., 1998, Johnson et al., 1990, Ozawa & Shimizu, 1995).

Для дунитов оценка составов равновесных расплавов проводилась только на основании составов клинопироксенов, в то время как для пироксенитов использовался еще и состав высокоглиноземистого амфибола. Для Срх использовались Kd, полученные для расплавных включений в клинопироксенах из бонинитов массива Троодос (Соболев и др., 1996) и учитывающие влияние содержания алюминия в клинопироксене. Большинство коэффициентов из других публикаций определялись для клинопироксенов с более высокими содержаниями алюминия. Для расчета составов расплавов, равновесных с амфиболами, использовались Kd Amf/расплав для зеленых амфиболов из работы Tiepolo et al., 2008, поскольку они имеют близкие значения титана и отвечают расплавам с повышенным содержаниям Si02. Большинство коэффициентов из других публикаций (например, Tiepolo et al., 2007) были определены для амфиболов с намного более высокими содержаниями титана.

Моделирование состава клинопироксена из гарцбургитов производилось в две стадии - древний этап плавления и последующее плавление/изменение в иадсубдукционных условиях. Это обусловлено, во-первых, намного более обедненными ЛРЗЭ составами клинопироксенов из образцов, удаленных от сетки дунитовых и пироксенитовых жил, и во-вторых, подтверждается данными изучения изотопов Re-Os системы (Batanova et al., 2007), из которых следует, что удаленные от сетки дунитовых и пироксенитовых жил образцы гарцбургитов имеют модельный возраст до 2.1 млрд.лет, в то время как большинство составов остальных образцов гарцбургитов лежат на линии смешения с возрастом около 600 млн.лет, характерным для пироксенитов. В ходе первой стадии моделировался состав клинопироксена из нескольких образцов с наибольшими содержаниями ТРЗЭ, наименьшими содержаниям ЛРЗЭ и Sr, а также отношениями ЛРЗЭ/ТРЗЭ, которые по нашему мнению наименее затронуты надсубдукционными процессами и процессами поровой инфильтрации расплавов. В качестве источника использовался состав примитивной мантии (Hofmann, 1988). Степень плавления гарцбургитов определялась, используя содержания элементов наименее чувствительных к возможному обогащению в надсубдукционной обстановке, таких как тяжелые РЗЭ и титан. Оптимальная степень плавления находилась с использованием метода наименьших квадратов. При моделировании плавления на первой стадии использовалась модель критического плавления (Соболев и Шимизу, 1992), которая представляет собой разновидность динамического плавления, когда расплав начинает эффективно удаляться из источника только после достижения некоторой критической доли и образования системы соединяющихся каналов, отводящих расплав. При моделировании критическая доля пористости составляла 0.1-1.0 %, что соответствует средним значениям для абиссальных перидотитов (Johnson & Dick, 1992). Для моделирования плавления в первой стадии использовались коэффициенты распределения минерал-расплав (Hart & Dunn, 1993, Suhr et al., 1998) и соотношения минералов при плавлении (Walter, 2003; Kinzler, 1997) характерные для плавления в области СОХ. Моделирование плавления производилось сначала в гранатовой фации, а потом в

шпинелевой. Пересчет составов при переходе из шпинелевой в гранатовую фацию производился на основании реакции (Johnson et al., 1990):

Mg2Si04(01)+Cao.7sMg2.25Al2SbOi2(Gt)=2.5MgSi03(En)+MgAl204(Sp)+0.75CaMgSi206(Di)

Принято считать, что повышенные содержания ЛРЗЭ в абиссальных перидотитах отражают степень взаимодействия с просачивающимися расплавами (Bruneiii et al., 2006, Hellebrand et al., 2002). В островодужных обстановках большое значение имеет и состав привносимого расплава (или флюида), который может в отдельных случаях содержать значительные концентрации несовместимых элементов из субдуцирующей плиты. Поэтому в ходе второй стадии моделировалось обогащение ЛРЗЭ. Этот эффект возможно смоделировать как путем моделирования плавления с привносом расплавного/флюидного компонента (Ozawa, 2001, Ozawa & Shimizu, 1995, Zou, 1998), так и путем моделирования хроматографического эффекта при поровом просачивании флюидов и расплавов (Bodinier et al., 1990). В нашем случае амфиболы, которые могут использоваться для определения состава расплавов, имеют широкий спектр составов, поэтому в качестве привносимого материала были протестированы расплавы различного состава: от достаточно обедненных несовместимыми элементами бонинитов Троодоса, составы клинопироксенов из которого хорошо соответствуют среднему составу клинопироксенов из пироксенитов Войкара, до примитивных базальтов океанических островных дуг. Кроме того, использовался состав расплавного/флюидного компонента, рассчитанный в равновесии с наиболее обедненными несовместимыми элементами составами амфиболов из пироксенитов Войкаро-Сынинского массива. В качестве исходного состава мантийного вещества использов&тся состав, полученный путем плавления примитивной мантии па 8% в области стабильности граната и 8% в области стабильности шпинели, полученный при моделировании древнего этапа плавления. В ходе этой стадии мы использовали коэффициенты распределения клинопироксен-расплав (Соболев и др., 1996), определенные дая водосодержащих условий и расплавов бонинитового состава. Выбор этих коэффициентов распределения является оптимальным, поскольку клинопироксены из пироксенитов Войкара очень близки клинопироксенам из бонинитов Троодоса как по содержанию несовместимых элементов, так и по содержанию алюминия. Эти коэффициенты являются одними из самых низких измеренных экспериментально, что находится в хорошем соответствии с понижением коэффициентов распределения клинопироксен-расплав при понижении содержания алюминия. При моделировании плавлепия с привносом варьировалась степень плавления и интенсивность привноса, равная отношению доли начальной твердой фазы затронутой привносом к степени плавления. Моделирование диффузионно-порового просачивания производилось в соответствии с уравнениями мантийного метасоматоза (Bodinier et al., 1990), а значения многих параметров, таких как коэффициент диффузии, скорость просачивания и геометрический коэффициент, использовались из работы по массиву Троодос (Batanova & Sobolev, 2000).

4. ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Основу исследования составили образцы, отобранные в ходе полевых работ на Полярном Урале в 2006-2007 г. Главными объектами исследования стали породы мантийного разреза (гарцбургиты, дуниты и пироксениты) северной части Войкаро-Сыньинского массива и минералы из них. Изученные образцы были отобраны из нескольких районов, отмеченных на Рис.1, которые относятся к одному блоку и были сформированы в одной геодинамической обстановке. Собранная коллекция включала более 270 образцов пород, в том числе 80 образцов гарцбургитов, 70 образцов дунитов и 100 образцов пироксенитов.

№ '20'

Офиолп 11.1

Майпшлыс псряло!ты ( в основном гарибурппы) 0.чп!Ш1кш1М1орш'пкые поролы по rapitovpi там Крупные дуиитоные ic.ia I aöopo с cyöcoi.чаемыми нерлигами, иироксеиитамн Долери юные лайки

Метаморфическая полопан) (амфиочлшм. Щ лпвсо1шт-гла\шфа' „ ..

Liiil^j 1 l'illlllw'-i po.T.k' lliLkli-

HOBhic сланцы) .■>■..... .............

Тоналнты и

8 12 16 20 km ™1р11СВЫС

ч.иорп гы

Рис.1. Геологическая карта северной части Войкаро-Сыньинского массива, составленная А.А.Савельевым и Г.Н.Савельевой (Савельва и др.. 2008), с отмеченными местами отбора образцов.

Пироксениты образуют сетку жил, либо рои жил в мантийной части офиолитового разреза и варьируют по своему минеральному составу от клинопироксенитов до ортопироксенитов (рис.2). В соответствии с модальными соотношениями и морфологическими особенностями пироксениты были разделены на несколько групп; 1) ортопироксениты (орх>80%); 2) вебстериты (20%<Срх<80%, 20%<0рх<80%); 3) клинопироксениты (срх>80%); 4) амфиболовые пироксениты (Amf>60%).

Пироксенитовые жилы с различными модальными соотношениями часто встречаются в пределах одного района. По данным полевых наблюдений наиболее ранние жилы

представлены орто-пироксенитами, в то время как формирование клино-пироксенитов и вебстеритов происходило позже. Наиболее распространенным типом пироксенитов являются вебстериты, в то время как ортопироксениты встречаются реже всего. Некоторые вебстериты имеют реакционные

контакты с вмещающими перидотитами, которые выражаются в существенном увеличении количества ортопироксена. Структура пород меняется от мелкозернистой или порфировидной до пегматоидной. Мощность пироксенитовых жил варьирует от 1 см до нескольких метров (рис.2).

5. ГЕОХИМИЯ И МИНЕРАЛОГИЯ

Гарцбургиты содержат 65-85 вес.% оливина. 10-25 вес.% ортопироксена и менее 2 вес. % шпинели. Количество клинопироксена в гарцбургитах составляет не более 5 вес.%. В некоторых гарцбургитах присутствует амфибол. Дуниты более чем на 95% состоят из оливина. Кроме него в них присутствует шпинель (менее 3%) и в некоторых образцах были найдены клинопироксены. Пироксениты весьма разнообразны по модальному составу - от практически чистых ортопироксенитов до клинопироксенитов. Вместе с клино- и ортопироксенами (Срх, Орх) во многих пироксенитах присутствует высокоглиноземистый амфибол (Ami), который, как правило, занимает межзерновое пространство, однако также может формировать и более крупные зерна. Некоторые клинопироксениты и вебстериты являются оливин-содержащими, причем оливин, как правило, формирует включения в ортопироксене, либо располагается в межзерновом пространстве. Часто в пироксенитах присутствует шпинель, и, в некоторых случаях, сульфиды. Импрегнации плагиоклаза в гарцбургитах были обнаружены только в районе р.Пр.Пайера (№3 на рис.1). Плагиоклаз и гранат в пироксенитах обнаружены не были.

Рис.2. Фото пироксенитов мантийного разреза Войкаро-Сынъинского массива в обнажении и в шлифах

5.1.СОСТАВЫ ПОРОД

Срх

я 15 О

л пироксениты £а гарцбургиты ♦ дуниты

НЫ

Срх

Орх

»а О!

МдО

35 МдО

Рис. 3. Содержания главных элементов в породах мантийного разреза Войкаро-Сынъинского массива.

Составы гарцбургитов образуют компактную группу по содержаниям главных и примесных элементов, занимая промежуточное положение между составами дунитов и пироксенитов (рис.3). Содержания А1203 (0.7-1.6 вес. %) и СаО (0.5-1.2 вес.%), а также значения магнезиальное™ Mg# (100*Mg/(Mg+Fe )) (90-91.2) являются типичными как для абиссальных, так и для надсубдукционных перидотитов (Kelemen, 2003). Содержания кальция, кремнезема и алюминия обнаруживают зависимости от содержаний MgO (рис.3). Наилучшую корреляцию среди редких элементов обнаруживают между собой содержания скандия, ванадия и хрома, которые также коррелируют с содержаниями MgO и А120з. Большинство других элементов демонстрируют очень слабую корреляцию с такими типичными показателями обедненности перидотитов, как содержания А12Оз, MgO и магнезиальность.

Дуниты характеризуются наибольшими содержаниями магния (45.8-50.5 вес.% MgO), кобальта (128-153 г/т) и наименьшими кремнезема (38.7-43.7 вес.% Si02), алюминия (0.24-0.93 вес.% А1203), кальция (0.08-0.57 вес.% СаО) (рис.3). Магнезиальность дунитов варьирует от 87.8 до 92.3. Дуниты, относящиеся к расслоенному комплексу, имеют наименьшие содержания магния и наибольшие кальция и цинка.

Пироксениты значительно выше гарцбургитов по содержаниям кремнезема, кальция, титана, скандия и ванадия (рис.3). Содержания MgO более низкие, чем в гарцбургитах, и варьируют от 18 до 35 вес.% от клино- к ортопироксенитам. Все пироксениты Войкара характеризуются высокими и довольно близкими значениями магнезиальности (87.1-91.5), высокой хромистостью ([ЮО*Сг2Оз/(Сг2Оз + АЮ3)] mol.% = 11-29) и низкой титанистостью ([200*ТЮ2/(2ТЮ2 + А1203)] mol.% = 6-11). Содержания кальция и скандия демонстрируют отрицательную корреляцию со значениями MgO, в то время как Si02, Со и Zn, напротив, демонстрируют положительную корреляцию. Другие элементы не имеют четко выраженной корреляции с MgO или магнезиальностью. Содержания натрия и калия в пироксенитах в основном ниже пределов обнаружения. Образец амфиболового пироксенита имеет высокие содержания алюминия, натрия, титана и низкие хрома.

5.2.СОСТАВЫ МИНЕРАЛОВ

Клинопироксены. Клинопироксены из всех трех типов пород мантийного разреза представляют собой высоко-кальциевые (23-24.5 вес.% СаО) диопсиды. Клинопироксен с наибольшей магнезиальностыо (96.2) был обнаружен в хромититовой сегрегации в дуните. Магнезиальность клинопироксенов из дунитов в основном выше (91.1-95.6 (средняя 94.1)), чем в гарцбургитах (92.5-95.2 (средняя 93.1)), причем клинопироксены с магнезиальностыо менее 93 были обнаружены только в дунитах из районов руч.Кэршор и Изшор (номер 9 и 10 на рис.1). Клинопироксены из этих образцов обогащены №20 (до 0.5 вес.%), ТЮ2 (до 0.36 вес.%) и имеют самые высокие содержания ТРЗЭ, и их можно отнести к ряду фракционирования БСОХ, в то время как Срх из пироксенитов попадает в поле фракционирования бонинитовых магм. Клинопироксены из пироксенитов характеризуются еще меньшими значениями #М§ 88.4-94.4 (в среднем 91.7).

Клинопироксены из гарцбургитов и дунитов характеризуются близкими вариациями содержаний алюминия: 1.30-3.90 вес.% А1203 (среднее 2.8 и 2.5 вес.%, соответственно). Содержания хрома в Срх из дунитов простираются до немного более высоких значений: 0.66-1.17 (среднее 0.87) вес.% Сг203 против 0.55-1.00 (среднее 0.8) вес.% Сг203 в гарцбургитах. Содержания натрия также немного ниже в Срх из гарцбургитов: 0.06-0.26 (среднее 0.16) вес.% №20 против 0.1-0.35 вес.% Ка20 (среднее 0.21 вес.%) в дунитах (выше 0.35 вес.% содержания только в Срх из дунитов из южных районов (номер 4, 5, 9 и 10 на рис.1) и ассоциирующих с хромититами). В то же время дуниты из южных районов имеют контрастный состав по содержаниям алюминия и титана - клинопироксены в дунитах из района р.Лагорта-Ю (№ 4 и 5 на рис.1) содержат всего 0.75 вес.% А1203 и 130 г/т Т1, в то время как клинопироксены из районов руч.Кэршор и руч.Изшор (№9 и 10 на рис.1) содержат более 3.5 вес.% А1203 и около 2000 г/т П. Клинопироксены из пироксенитов имеют содержания А1203 сопоставимые с содержаниями в клинопироксенах из гарцбургитов и дунитов (1-3.9 (в среднем 2.5) вес.%). Содержания хрома в клинопироксенах из пироксенитов достигают намного меньших значений 0.08-1.1 вес.% (в среднем 0.7 вес.%) Сг2Оэ. Содержания титана в клинопироксенах из пироксенитов достаточно низкие (менее 0.23 вес.% ТЮ2), также как и содержания натрия (менее 0.4 вес.% Ыа20), причем содержания более 0.3 вес.% Ка20 были отмечены только в клинопироксенах из пироксенитов из района р.Лагорта-Ю (№4 и 5 на рис.1). Клинопироксены из хромититовых выделений в дуните помимо высокой магнезиальное™ характеризуются достаточно низкими содержаниями алюминия и хрома и высокими содержаниями никеля и натрия.

Содержания тяжелых РЗЭ в клинопироксенах из гарцбургитов Войкаро-Сынинского массива соответствуют обедненной части спектра составов клинопироксенов из абиссальных перидотитов, но в то же время не настолько обеднены тяжелыми РЗЭ, как клинопироксены из перидотитов зон субдукции (рис.4). В отличие от клинопироксенов из абиссальных перидотитов с близкими

содержаниями тяжелых и средних РЗЭ, клинопироксены из мантийных

перидотитов Войкаро-Сыньинского массива демонстрируют более высокие содержания легких РЗЭ (рис.4), что является отличительной особенностью для перидотитов зон субдукции. Хотя

растворимость ЛРЗЭ во флюиде и выше растворимости ТРЗЭ, все же считается, что ЛРЗЭ предпочтительнее переносятся в расплаве, чем во флюиде (Hermann et al., 2006). Таким образом, по отношению ЛРЗЭ к ТРЗЭ можно судить о степени обогащения перидотита просачивающимися расплавами. Клинопироксены из удаленных от контактов гарцбургитов имеют низкие отношения Ce/Yb и Sr/Y, что свидетельствует о низких степенях их изменения просачивающимися расплавами/флюидами.

По содержаниям несовместимых элементов область составов клинопироксенов из дунитов простирается до более высоких значений, чем область составов клинопирокенов из гарцбургитов. Наибольшие значения ЛРЗЭ были померяны в клинопироксене из образца дунитов, отобранного недалеко от хромититовых выделений, причем клинопироксен из этих хромититов имеет еще более высокие содержания ЛРЗЭ и характеризуется наибольшими отношениями ЛРЗЭ/ТРЗЭ и Sr/Y. Клинопироксены из крупных тел дунитов тяготеют к более высоким содержаниям ТРЗЭ, чем клинопироксены из мелких дунитовых жил. Самые высокие содержания ТРЗЭ в клинопироксенах из образцов дунитов из южных районов массива (№9 и 10 на рис.1), в то время как самые низкие содержания были отмечены сравнительно недалеко в дунитах расслоенного комплекса (между №5 и 2 на рис.1).

La Се Sr Рг Nd Zr Sm Eu Gd Ti Tb Dy Ho Y Er Tm Yb Lu i

Рис. 4. Нормализованные к составу хондрита содержания примесных элементов в клинопироксенах из гарцбургитов мантийной секции Войкаро-Сынинского массива. Для сравнения приведены области составов клинопироксенов из абиссальных перидотитов (Bruneiii et al., 2006, Johnson & Dick, 1992, Johnson et al, 1990) и надсубдукционных перидотитов (Bizimis et al., 2000, Parkinson & Pearce, 1998).

Клинопироксены из мантийных пироксенитов Войкаро-Сыньинского массива имеют обедненные ТРЗЭ составы по сравнению с пироксенитами из

обстановок, отличающихся от надсубдук-дионных (рис.5), в то время как клинопироксены из пироксенитов из надсубдукционных обстановок часто имеют составы более обедненные ТРЗЭ (рис.5). Спектры распределения редких элементов в клино-пироксенах из различных жил, в основном, параллельны друг другу и соответствуют спектрам клико-

пироксенов из

бонинитов верхних подушечных лав массива Троодос (рис.5), но имеют более высокие содержания Бг. Все они демонстрируют надсубдукционные характеристики: обогащение КШ1Э (вг) и обеднение ВЗЭ (2г).

Ортопироксен. Магнезиальность ортопироксена из гарцбургитов колеблется в пределах 89.9-92.2 (в среднем 91.1), содержания алюминия 1.2-3.8 (в среднем 2.7) вес.% А1203, содержания хрома 0.24-0.63 (в среднем 0.47) вес.% Сг203> содержания кальция 0.43-0.98 (в среднем 0.66) вес.% СаО. При этом в образцах удаленных от контакта с пироксенитами содержания А1203 выше 1.8 вес.%, а Сг203 выше 0,38 вес.%. Магнезиальность ортопироксена в гарцбургитах образует слабую корреляцию с магнезиальностью клинопироксена, в то время как в пироксенитах корреляция намного лучше. Ортопироксены из пироксенитов, в основном, имеют более низкую магнезиальность (82.2 -91.1 (в среднем 88.1)), а содержания алюминия в них находятся приблизительно в том же диапазоне, что и в гарцбургитах. Содержания СаО находятся в диапазоне от 0,34 до 0.92 вес.% (в среднем 0.59 вес.%). Содержания Сг2Оэ колеблются от 0.1 до 0.77 вес.% (в среднем 0.44 вес.%). Отсутствует корреляция для данных элементов и #М£. Оливин. Оливины из гарцбургитов Войкаро-Сынинского массива имеют магнезиальность в пределах 89.7-92.2, понижающуюся на контакте с пироксенитами и дунитами из дунит-пироксенитовых жил. Удаленные от контактов образцы имеют более узкие интервалы магнезиальности оливина (90.791.4). Содержания N¡0 (0.34-0.42 вес.%) образуют слабую положительную корреляцию с магнезиальностью, а содержания МпО (0.11-0.16 вес.%) -

Рис.5. Нормализованные к составу хондрита содержания примесных элементов в клинопироксенах из пироксенитов мантийной секции Войкаро-Сынинского массива по сравнению с клинопироксенами из пироксенитов Патагонии (Dantas et al., 2009), бонинитов и пироксенитов массива Троодос, ортопироксенитов Омана (Tamura еI al, 2006) и вебстеритов из ксенолитов Авачинского вулкана (Halama et al., 2009, Benard et al, in press).

отрицательную. Содержания СаО (менее 0.023 вес.%) не коррелируют с магнезиальностью и соответствуют низким температурам, по-видимому, из-за переуравновешивания с клинопироксенами при остывании. Содержания Тл (до 13 г/т), А1 (до 10 г/т), Бс (1.2-3 г/т), V (менее 0.2 г/т), 1п (20-47 г/т), 1л (0.5-1.6 г/т) также не коррелируют с магнезиальностью.

Оливин из дунитов обогащен кальцием, титаном, скандием и обеднен никелем по сравнению с оливином из гарцбургитов. Магнезиальность оливина из дунитов соответствует магнезиальное™ оливина из гарцбургитов. Дуниты из сложных дунит-пироксенитовых жил содержат оливины с магнезиальностью близкой к магнезиальности оливина из пироксенитов, однако, с меньшими содержаниями никеля и большими содержаниями титана, марганца и скандия. Оливин из пироксенитов имеет низкие значения магнезиальности (83-90.6) и смещен в область более высоких содержаний никеля относительно оливина из гарцбургитов. Содержания N10 в оливинах из большинства изученных пироксенитов попадают в область высоко-М составов, характерных для внутриплитных магм (5оЬо1еу ег а1., 2007), однако их высоко-№ природа отчасти обусловлена переуравновешиванием с клинопироксенами при низких температурах.

дсрх& дорх» апеь «#4,5 ' • #8 О #9,10

опем

Дуниты

Гарцбургиты

0.3 0,4 0.5 0.6 0.7 0.I #Mg sp

Рис.6. Зависимость хромистости шпинели из пород мантийного разреза Войкаро-Сыньинского массива от магнезиальности оливина (а) и магнезиальности шпинели (б). На (а) показано оливин-гипинелевое мантийное поле (OSMA) (Arai, 1994), а на (б) пироксениты разделены на группы в соответствии с модальным составом и их расположением (цифры отражают номера участков на рис.1).

Шпинель. Хромистость шпинели Cr# (=Сг/(Сг+А1)) из гарцбургитов колеблется в пределах от 0.24 до 0.63 (среднее 0.39) (рис.6). Хромистость шпинели коррелирует с содержаниями тяжелых РЗЭ в клинопироксенах. Значительно удаленные от контактов с дунитами и пироксенитами образцы содержат шпинель с хромистостью менее 0.35. Содержания никеля, марганца и значения магнезиальности коррелируют с хромистостью. Содержания цинка и ванадия не зависят от хромистости шпинели. В образцах, содержащих шпинели с хромистостью менее 0.35, содержания титана обнаруживают отрицательную корреляцию с хромистостью, характерную для процессов плавления. Образцы с хромистостью больше 0.5 демонстрируют положительную корреляцию содержаний титана с хромистостью, по-видимому, отражая процесс

взаимодействия с расплавами. Все образцы гарцбургитов попадают в область мантийного тренда (Аш, 1994) на диаграмме хромистость шпинели -магнезиальность оливина (рис.6).

По сравнению с составами шпинели из гарцбургитов, шпинели из дунитов, как правило, имеют повышенную хромистость (0.34-0.82) при более низких значениях магнезиальности и располагаются на продолжении тренда гарцбургитов (рис.6). Максимальные значения хромистости характерны для дунитов (0.8-0.82), а также пироксенитов (0.75-0.8) из района р.Лагорта-Ю. Шпинели из большинства дунитов имеют более высокие содержания титана, которые не обнаруживают зависимости от содержаний А1203 и #Сг. Шпинели из дунитов из сложных дунит-пироксенитовых жил имеют наибольшие из всех слагающих эти жилы пород значения хромистости и содержания титана и минимальные значения магнезиальности.

Шпинель из пироксенитов имеет широкие вариации хромистости (0.22-0.8 (в среднем 0.5)). Шпинели из ортопироксенитов, пироксенитов из района р.Лагорта-Ю, а также из тонких (сантиметрового масштаба) жил пироксенитов во всех районах попадают в единый тренд по соотношению магнезиальности и хромистости со шпинелями из гарцбургитов и дунитов, в то время как шпинель из более крупных вебстеритов и клинопироксенитов смещена в сторону пониженных значений магнезиальности.

Амфибол. Породы Войкаро-Сыньинского массива часто содержат амфибол. Наиболее распространен

он в пироксенитах. В шлифах амфиболы, как правило, располагаются в межзерновом пространстве между зернами пироксенов, хотя в некоторых образцах пироксенитов могут замещать целиком зерна пироксенов. Большинство высокоглиноземистых амфиболов из пироксенитов по составу отвечают высокомагнезиальной роговой обманке, хотя также

0.7 0.6 0.5

5" 0.4 | 0.3 0.2 0.1 0.0

в Гарцбургиты

Эденит 4 Хромититы

д Пироксенить

ЛГ д п Низко-AI

& я i *Дуниты

Чермакит Тремолит

а А а ^ □

i р [ □

Магнезиальная с □

роговая обманка □ -д- Да. -3-D ..... 1 Р°о -E3S®——¡3-

6.0

6.5

7.0 Si

7.5

8.0

Рис.7. Классификационная диаграмма (Leake et al., 1997) для составов амфиболов из пород мантийного разреза Войкаро-Сыньинского массива.

были найдены несколько зерен чермакита и зденита (Esawi, 2004, Leake el al., 1997) (рис.7). Среди низко-глиноземистого амфибола преобладает тремолит, однако более интересен с точки зрения мантийных процессов высоко-глиноземистый высоко-температурный амфибол (8-12% АЬСЬ). Его присутствие свидетельствует о повышенном содержании воды в мантийных условиях. Роговые обманки из пироксенитов имеют более низкую магнезиальность по сравнению с

гарцбургитами, в то время как самая высокая магнезиалыюсть в высокоглиноземистых амфиболах из хромититов, которые имеют повышенные содержания натрия и калия и попадают в поле эденита на классификационных диаграммах. Все изученные амфиболы содержат мало хлора (менее 0.02 вес.%).

6. УСЛОВИЯ И ОБСТАНОВКА ОБРАЗОВАНИЯ

Низкие температуры (800-1100°С), определенные для пород мантийного разреза на основании различных минеральных равновесий, свидетельствуют о переуравновешивании минералов в присутствии флюида, что подтверждается тем, что минимальные температуры наблюдаются в амфиболовых пироксенитах. Более высокие исходные температуры образования подтверждаются, в том числе, и наличием структур распада в крупных зернах пироксенов. Наибольшие температуры определяются на основании равновесия иттрия и ТРЗЭ между клино-и ортопироксеном (Witt-Eickschen et al., 2005), что свидетельствует о малых степенях изменения содержаний ТРЗЭ при переуравновешивании при остывании и подтверждает правомерность использования содержаний ТРЗЭ в клинопироксенах для моделирования плавления и при расчете составов равновесных расплавов. Так, например, на основании распределения Yb между клино- и ортопироксеном интервал температур составляет 890-1100°С (в среднем 980°С) для гарцбургитов и 880-1140°С (в среднем 1000°С) для пироксенитов. Присутствие флюидного компонента подтверждается присутствием высокоглиноземистого амфибола во всех типах пород мантийного разреза. На основании поля стабильности магматического амфибола при плавлении перидотита в присутствии водного флюида (Grove et al., 2006) могут быть сделаны независимые оценки температур и давлений: 900-Ю10°С и 0.7-1.7 ГПа. Подобные оценки давления подтверждаются отсутствием плагиоклаза и граната и присутствием шпинели.

Окислительно-восстановительные условия, посчитанные на основании сосуществующих оливина, шпинели и ортопироксена (Ballhaus et al., 1991) для температур 1000°С и давлений 1,4 ГПа соответствуют -0.9 - +1.2 (в среднем 0) логарифмических единицы выше буфера FMQ для гарцбургитов, 0.2 - +2.5 (в среднем +1.2) для дунитов (0.2 - +1.3 для дунитов с ортопироксеном) и -0.4 - +2.3 (в среднем +0.6) для пироксенитов. Таким образом, в дунитах и пироксенитах наблюдаются значения характерные для надсубдукционных обстановок (Parkinson, Arculus, 1999), в то время как значения фугитивности в гарцбургитах соответствуют значениям в абиссальных перидотитах (Frost, McCammon, 2008) и повышаются при приближении к контактам с дунитами и пироксенитами.

Надсубдукционная обстановка последних стадий формирования мантийного разреза Войкаро-Сыньинского массива проявляется в повышенных содержаниях КИЛЭ (Sr, Pb, Rb, Ва) относительно ВЗЭ (2r, Ti) в валовых составах пироксенитов (рис.13), а также составах клинопироксенов (рис.4,5) и высокоглиноземистых амфиболов (рис.16) из всех трех типов пород. Подобное поведение связано с различной подвижностью групп этих элементов во флюиде. Наибольшие пики КИЛЭ наблюдаются в пироксенитах и минералах из них. Таким образом, на основании оценок температур и давлений и данных о распределении температур в

области мантийного клина предполагается, что на заключительных стадиях данный сегмент располагался в преддуговом бассейне вне зоны основной магмогенерации.

7. ЭВОЛЮЦИЯ СОСТАВА МАНТИЙНЫХ ПЕРИДОТИТОВ

В результате сравнения составов клинопироксенов из образцов гарцбургитов, относящихся к различным районам массива можно сделать следующие выводы: а) клинопироксены даже из одного небольшого по площади участка могут значительно различаться по составу, отражая зависимость от расстояния до сетки дунит-пироксенитовых тел; б) клинопироксены гарцбургитов из удаленных от контактов с пироксенитами образцов обеднены легкими РЗЭ, Sr и Zr, в то время как клинопироксены из приконтактовых частей ими обогащены. Таким образом, составы клинопироксенов из удаленных от контакта образцов хорошо соответствуют составам клинопироксенов из абиссальных перидотитов, а приконтактовые образцы содержат клинопироксены, в которых присутствуют аномалии типичные для надсубдукционных обстановок. Возраста, определенные на основании Re-Os изотопной системы также обнаруживают зависимость от расстояния до сетки дунитовых и пироксенитовых жил: удаленные образцы гарцбургитов имеют возраст 2.1 млрд. лет, в то время образцы, располагающиеся вблизи контактов лежат на линии смешения с возрастом 600 млн. лет, характерном для пироксенитов (Batanova et al., 2007). В соответствии с этим, составы клинопироксенов из образцов воспроизводились моделированием в две стадии (см.главу 3.2).

Клинопироксены из образцов гарцбургитов, которые по нашему мнению были меньше всего затронуты надсубдукционными процессами (самые низкие ЛРЗЭ/ТРЗЭ при высоких ТРЗЭ, низкие Sr/ЛРЗЭ) соответствуют 6-8 % плавления примитивной мантии в гранатовой фации с последующими 8-10 % плавления в шпинелевой фации. Все остальные образцы были в различной степени изменены процессами просачивания надсубдукционных расплавов и флюидов, что подтверждается зависимостью их состава от расстояния до дунитовых и пироксенитовых жил.

При использовании модели плавления с привносом вещества составы клинопироксенов из большинства образцов хорошо воспроизводятся при использовании в качестве привносимого вещества бонинитового расплава. При этом степени дополнительного плавления во втором этапе составляют до 4 %. При использовании данной модели происходит более эффективное обеднение ТРЗЭ, чем при диффузионно-поровом просачивании. При моделировании диффузионно-порового просачивания требуются, либо более высокие начальные степени плавления, либо высокие отношения расплав/порода и чрезвычайно обедненные ТРЗЭ составы просачивающихся расплавов. Кроме того, модель диффузионно-порового просачивания плохо объясняет составы приконтактовых образцов.

8. СОСТАВЫ РАСПЛАВОВ, УЧАСТВОВАВШИХ В ОБРАЗОВАНИИ

ДУНИТОВ И ПИРОКСЕНИТОВ.

8.1. СОСТАВ РАВНОВЕСНЫХ РАСПЛАВОВ

Дуниты. Составы расплавов, равновесных с клинопироксенами из дунитов имеют широкий спектр содержаний РЗЭ (рис.8). Наиболее обогащенные составы

хромититовых выделений, которые по составам равновесных расплавов приближаются к базальтам СОХ. однако имеют 8г максимум и в этом отношении тяготеют к базальтам океанических островных дуг (БООД). Наиболее обедненные ТРЗЭ расплавы относятся к дунитам расслоенного комплекса и близки по составу к бонинитам. Все остальные составы по содержаниям ТРЗЭ

располагаются между бонинитами и надсубдукционными базальтами и отражают значительные степени плавления источника. Содержания ЛРЗЭ в расплавах, равновесных с клинопироксенами из дунитов, в основном изменяются от составов бонинитов, посчитанных на основании составов клинопироксена из верхних подушечных лав массива Троодос до состава среднестатистических бонинитов (Ке1етеп ег а1., 2003). Содержания Бг могут достигать содержаний типичных для БООД, в то время как содержания СРЗЭ в некоторых образцах опускаются ниже содержании в бонинитах.

Пироксениты. Расплавы, рассчитанные на основе Срх (рис.8), образуют широкое поле параллельных спектров, наиболее обогащенные из которых близки по содержаниям ТРЗЭ к базальтам океанических островных дуг (БООД). однако немного обеднены ЛРЗЭ относительно них. Два образца, располагающиеся в наиболее обедненной части поля, обеднены средними и тяжелыми РЗЭ и немного обогащены легкими РЗЭ и Бг, по сравнению с ультра-обедненными расплавными включениями (УОРВ), которые образуются при 17% плавления мантийного источника СОХ (Соболев и Шимизу, 1992). В целом, расплавы в равновесии с клинопироксенами из большинства пироксенитов смещены в область более обедненных ТРЗЭ составов по сравнению с расплавами в равновесии с клинопироксенами из дунитов (рис.8).

наблюдаются в дунитах, отобранных недалеко от

1 1 в равновесии с АпИ из пироксенитов

{_в равновесии с Срх из дунигов

- в равновесии с Срх из пироксенитов

ьа

- БСОХ —УОРВ —бониниты о бон.Троодоса

— БООД

Т| Оу

Рис.8. Спектры распределения содержаний редких элементов в расплавах, равновесных с клинопироксенами из дунитов и пироксенитов, а также с высокоглиноземистыми амфиболами из пироксенитов.

Расплавы, рассчитанные на основании составов Ат1~ из пироксенитов, также образуют широкое поле составов (рис.8). Нормализованные к составу примитивной мантии спектры распределения элементов-примесей в них имеют четко-

выраженные №>-мини-мум и РЬ-максимум (Белоусов и др., 2009). Наиболее обогащенные составы (рис.9)

соответствуют расплавам бонинитового состава (Ке1етеп й а1., 2003). Наиболее обедненная группа является сверх-обедненной по содержанию легких и средних РЗЭ, но характеризуется значительным обогащением ЯЬ, Ва, вг и РЬ. По характеру спектров распределения эти расплавы близки к группе наиболее обедненных из примитивных расплавов высококальциевых бонинитов Троодоса (Соболев и др., 1996), однако сильно обеднены РЗЭ по сравнению с ними. Подобное изменение состава может отражать смену материала, из которого происходило формирование пироксенитов, с расплаво-подобного на флюидо-подобный.

8.2. ИЗМЕНЕНИЕ СОСТАВОВ МИНЕРАЛОВ НА КОНТАКТАХ Контакты гарцбургит/дунит. В

клинопироксенах из удаленных от контакта с дунитовыми телами образцах гарцбургитов часто отсутствует 8г максимум, а Ъг минимум слабо выражен. На контакте с дунитовым каналом в Срх наблюдается увеличение концентраций ТРЗЭ и 8г (рис.10), В клинопироксенах из дунита наибольшие концентрации всех РЗЭ наблюдаются в образце непосред- Рис.10. Изменение содержаний ТРЗЭ в ственно с контакта, что может говорить о клинопироксенах из образцов с контакта наибольшей интенсивности миграции гарцбургитов с дунитовым телом расплавов вдоль стенок канала, мощностью 30 см.

V Г""1 наиболее обедненные примитивные расплазы бонинитов Троодоса | | расплавы, равновесные с амфиболом

% 1 ? * Нуд -о-БООД -о-бониниты -•-УОРВ

14) 8а № [_а РЬ Се Эг Рг N<1 Ъ № Бт Ей И И ТЬ Оу Но У Ег Тт УЬ и

Рис.9. Спектры распределения содержаний редких элементов в расплавах, равновесных с амфиболами из пироксенитов. Показаны две крайних группы расплавов. Для сравнения показаны составы базальтов океанических островных дуг и бонинитов (Ке1етеп ега1., 2003), а также ультраобедненных расплавных включений (Соболев и Шимизу, 1992) и наиболее обедненных примитивных расплавов бонинитов Троодоса (Соболев и др., 1993).

♦

УЬМ Гарцбургит

♦

Дунит а

♦ ♦ *

2 а а

-20 0 20 Расстояние до контакта, см

Содержания 8 г в клинопироксенах из одного дунитового тела примерно одинаковые.

Шпинель из дунитов имеет более высокую хромистость и содержания хрома, титана и марганца, а также более низкую магнези&иьность и содержания алюминия, никеля, ванадия. Оливин в дунитовой и гарцбургитовой частях могут иметь одинаковую магнезиальность, однако, при этом оливин из гарцбургита имеет более высокие содержания никеля, кобальта, ванадия и низкие титана, марганца, скандия. Оливин из приконгактовых частей как дунита, так и гарцбургита может иметь немного пониженную магнезиальность.

Контакты гарцбургит/пироксенит. В клинопироксенах из гарцбургита, как правило, выше содержания ТРЗЭ и ниже ЛРЗЭ, а 2г минимум практически

отсутствует(рис.11). Клинопироксен из образца непосредственно с контакта с пироксенитами демонстрирует понижение концентраций ТРЗЭ, повышение ЛРЗЭ, увеличение Ъх минимума. Самые низкие содержания ТРЗЭ наблюдаются в клинопироксене из образца пироксе-нита удаленного от контакта. Таким

образом, в клинопироксенах на контакте гарцбургит/пироксенит происходит постепенное увеличение концентраций ЛРЗЭ и Бг и понижение концентраций ТРЗЭ и Ъс, соответственно значительно увеличиваются отношения ЛРЗЭ/ТРЗЭ и КИЛЭ/ВЗЭ (например, ЪтИх) (рис.11). Подобные изменения наблюдаются как на контактах с жилами нироксенитов сантиметрового масштаба (ПСМ), так и на контактах с более крупными пироксенитами. Шпинель из гшроксенитовой части может иметь сходные или немного пониженные хромистость и содержания титана по сравнению со шпинелью из вмещающих гарцбургитов. Оливин и шпинель из пироксенитов (за исключением ПСМ и ортопироксенитов) отличаются от составов из вмещающих гарцбургитов пониженной магнезиальностью.

Рис. П. Изменение содержаний несовместимых элементов в клинопироксенах на границе гарцбургита и небольшой пироксенитовой жилы (ри07 55/11).

Контакты гарцбургит/сложная дунит-пироксенитовая жила

ь." 5

I 4

I 3

2 1 О

♦Г

*<* ♦

ДД д

Д6_11/3 срл ♦ 6_11/3 (Зип ®6 11/4 Иг

Д Бс

8.6 89.8

90.2 Ро

Т1

вс

Д6_33/1 VI Д 6_33/2 му » б_33/3 Йип | 1;.6_33/4 (12/(1 а б 33/5 Иг

90.5 Ро

Рис.12. Изменение содержаний титана и скандия в оливинах на границе гарцбургита со сложными пироксенит-дунитовыми жилами.

Составы клинопироксенов из дунитовой и пироксенитовой частей очень близки и, как правило, отличаются от состава клинопироксена из вмещающих гарцбургитов в сторону понижения ТРЗЭ. При этом шпинель из пироксенитовой части имеет такую же или немного повышенную хромистость, по сравнению со шпинелью из вмещающих гарцбургитов, а в дунитовой части хромистость шпинели еще более высокая. Оливины из дунитовой и пироксенитовой частей смещены в сторону пониженной магнезиальное™ относительно оливина из гарцбургитов, однако по никелю, скандию, титану направления изменений различны (рис.12).

Таким образом, из приведенных данных следует, что и пироксениты, и преобладающая часть дунитов формировались в равновесии с расплавами определенно надсубдукционной природы. Однако, уровни содержаний РЗЭ в равновесных расплавах, также как и контрастные изменения содержаний ТРЗЭ в Срх на контакте гарцбургит-дунит и гарцбургит-пироксенит свидетельствуют о более обогащенных составах расплавов, принимавших участие в формировании дунитовых жил. Составы равновесных расплавов для пироксенитов Войкара вместе с повышением ЛРЗЭ и понижением ТРЗЭ на границе гарцбургит-пироксенит подтверждают высокообедненную ТРЗЭ и относительно обогащенную ЛРЗЭ природу расплава. Таким образом, данные по пироксенитам Войкаро-Сыньинского массива согласуются со многими другими публикациями (Татига & Ага1, 2006, ТпЫшо й а\., 2008, УагГа1уу е1 а1., 1997), связывающими образование пироксенитов с расплавами, имеющими бонинито-подобные спектры распределения несовместимых элементов. Кроме того, если в пироксенитах наибольшие степени изменения состава относительно гарцбургита наблюдаются в клинопироксене из центральных частей жилы, то в дунитах наиболее обогащенный состав был отмечен в краевой части жилы. Это может указывать на то, что формирование дунитовых жил происходило путем их разрастания, в то время как формирование пироксенитовых жил, напротив, путем реакции и кристаллизации на

9. ОСОБЕННОСТИ РАЗЛИЧНЫХ ГРУПП ПИРОКСЕНИТОВ

Помимо описанного ранее различия в модальных соотношениях (ортопироксениты, вебстериты, клинопироксениты, амфиболовые пироксениты), существуют различия в морфологии пироксенитов. В связи с этим, помимо групп, выделенных на основании модального состава, дополнительно обсуждаются составы минералов из пироксенитов сантиметровой мощности (ПСМ) и сложных дунит-пироксенитовых жил, минералы из которых отличаются от минералов из более крупных пироксенитов повышенной магнезиальностью и тяготеют в этом отношении к составам минералов из гарцбургитов. Кроме того, отдельно обсуждаются составы минералов из пироксенитов из района Морковкинского месторождения хромититов, наиболее южных районов массива (руч.Кэршср и Изшор - №9 и 10 на рис.1), а также из района р.Лагорта-Ю (№4, 5 на рис.1) -единственного места, где пироксениты залегают субсогласно с полосчатостью в гарцбургитах.

В соответствии с модальным составом, ортопироксениты имеют самые высокие содержания 8Ю2, М^О, БеО и низкие СаО, А1203, ТЮ2. Кроме того, их составы характеризуются низкими содержаниями РЗЭ, в то время как РЬ, Т1, Ъг и Ш максимумы наиболее четко проявлены (рис.13). В вебстеритах и клинопироксенитах наблюдаются более высокие содержания РЗЭ и наиболее

проявлены Хт, Ш и ГП минимумы и небольшой Ей максимум. Содержания РЬ практически постоянны. В амфиболовых пироксенитах наблюдаются наибольшие содержания ТРЗЭ и КИЛЭ (ЯЬ, Ва), а также 'П, 8г и РЬ максимумы и Zr-НГ минимумы. Пироксениты из

района р.Лагорта-Ю (№4, 5 на рис.1) имеют наиболее обедненные ТРЗЭ составы для соответствующих групп.

ортопироксениты вебстернты и к.!ниопнрокссниты -*- амф.пироксениты

ЕЬ Ва РЬ Се Эг Рг N(1 Зш 71 НГ Ей Т1 йд ТЪ Оу Но Ег Тш УЬ 1л

Рис.13. Нормализованные к составу примитивной мантии содержания редких элементов в различных типах пироксенитов Войкаро-Сыньинского массива.

4.5 4 3.5 3

¡2.5 ! 2 1.5 1

0.5 0

□ □ Л зп.. ЦЧ гарцбургиты 'V

— \ \

' — /Д & 1 .; .••', ' \

( 9

дк-ты ПСМ ""•амф.п-т □вебст о #9,10 »#4,6 А о-ты \ • #8 □ хр-т □

Шд

Рис. 14. А12Оз-#М$ в клипопироксенах из различных типов пироксенитов Войкаро-Сыньинского массива. Также показаны поля составов Срх из удаленных от контактов гарцбургитов. Номера соответствуют положению на рис. 1.

Минералы из крупных (>10 см) вебстериггов и клинопироксенитов имеют пониженные значения магнезиальности, в то время как, для ортопироксенитов,

пироксенитов сантиметровой мощности (ПСМ) (<5см) и всех пироксенитов из района р.Лагорта-Ю характерны более высокие значения магнезиальности минералов, которые часто попадают в область составов из гарцбургитов. Кроме того, клинопироксе-ны, а также ортопироксены из ортопироксенитов имеют более низкие А1203, И и 8с и более высокие значения Сг20з и Ыа20 по сравнению с минералами из клинопироксенитов и вебстеритов из одного района (рис.14). Шпинели редко встречаются в ортопироксенитах, однако, если присутствуют, то обладают повышенной хромистостью (#Сг >0.6) (рис.6) и достаточно высокими содержаниями титана. Шпинели из клинопироксенитов и вебстеритов имеют более низкую #Сг, подобную шпинели из гарцбургитов, однако их составы в крупных жилах смещены в сторону пониженной магнезиальности относительно гарцбургит-дунитового тренда. Клинопироксены из пироксенитов сантиметровой мощности (ПСМ) имеют более высокие содержания А1203, Т1, Тх, V и более низкие Со и Мп, а также вг/У и Ъх!Ъх отношения по сравнению с клинопироксенами из ортопироксенитов и помимо повышенной магнезиальности составы минералов из них практически ничем не отличаются от более крупных вебстеритов и клинопироксенитов (рис. 66, 9). Клинопироксены из пироксенитов из района р.Лагорта-Ю (№4, 5 на рис.1) имеют еще более низкие содержания А1203, "П, V и более высокие Иа20, Бг, №, Со, '¿п. Мп, а также Яг/У и отношения по сравнению с клинопироксенами из ортопироксенитов при близких значениях #Mg (рис.14). Шпинели из пироксенитов из района р.Лагорта-Ю имеют самые высокие значения хромистости (#Сг>0.75) и достаточно высокие концентрации титана. Пироксениты из района Морковкинского месторождения хромититов (№8 на рис.1) содержат клинопироксены и оливины с достаточно низкими значениями магнезиальности, а шпинели из них содержат наибольшие концентрации титана.

В то время как содержания главных элементов в минералах из пироксенитов в значительной степени зависят от модального состава, содержания редкоземельных элементов в клинопироксенах, напротив, практически не зависят от модального состава, а определяются положением в разрезе. Сравнение составов

клинопироксенов из пироксенитов из различных районов (рис.15) массива позволяет предположить их относительное положение от границы кора-мантия. На основании содержаний ТРЗЭ в клино-пироксенах преобладающего типа пироксенитов, разные районы могут быть выстроены в порядке убывания этого расстояния (номера приведены на рис.1): р.Лагорта (№4, 5), г.Пайты (№6), р.Хойла (№1, 2), р.Лев.Пайера (№6), р.Пр.Пайера (№3). Наиболее близкое к переходной зоне мантия-кора положение района р.Пр.Пайера подтверждается появлением даек габбро и, в некоторых местах, импрегнациями плагиоклаза в перидотитах. Пироксениты из сложных дунит-пироксенитовых жил не укладываются в эти зависимости, поскольку имеют значительно более обогащенные РЗЭ составы клинопироксенов, которые попадают в область составов из района р.Пр.Пайера.

Составы роговых обманок из пироксенитов обогащены крупноионными литофильными элементами (КИЛЭ), такими как ЯЬ, Ва, Бг и РЬ. По содержанию несовместимых элементов-примесей роговые обманки из пироксенитов образуют широкий спектр, изменяясь от весьма обедненных РЗЭ и обогащенных КИЛЭ до более обогащенных РЗЭ, хотя все из них можно отнести к обедненным РЗЭ составам (рис.16). Сосуществующие клинопироксен и высокоглиноземистый амфибол имеют параллельный характер спектров распределения содержаний несовместимых элементов (за исключением амфиболовых пироксенитов, где Срх еще и более обогащен РЗЭ), что свидетельствует о том, что эти минералы являются равновесными. Наиболее обедненная РЗЭ группа амфиболов имеет положительную титановую аномалию и наибольший РЬ максимум, в то время как все остальные составы имеют отрицательную "Л аномалию, а в наиболее обогащенных составах отсутствует РЬ максимум (рис.16). Эти особенности состава также находят отражение в составах клинопироксенов. Таким образом, аномалии Т1 и РЬ могут отражать формирование соответствующих пироксенитов из водосодержащего флюида, либо расплава надсубдукционного происхождения.

0.01 ---1-,-.-1-■--:-I-I-1-т-I-1-I-1-I-(

1_а Се вг Рг № 2г Эш Ей Ос| Т1 ТЬ Оу Но V Ег Тт УЬ 1ч

Рис.15. Содержания несовместимых элементов, нормализованные к составу хопдрита, в клинопироксенах из преобладающих пироксенитов из различных районов Войкаро-Сыньинского массива. Номера соответствуют расположению районов на рис. 1.

0.1

0,01 H-T--'-XJ-I-¥-I->-I----

Rb Ba Nb La Pb Ce Sr Pr Nd Zr Hf Sm Eu Gd Ti Tb Dy Но У Er Tm Yb Lu

Рис.16. Нормализованные к составу примитивной мантии содержания примесных элементов в высокоглиноземистых амфиболах из пироксенитов. Различными цветами показаны различные группы амфиболов - от обедненных до обогащенных. Для сравнения показано поле составов амфиболов из вебстеритов из ксенолитов Авачинского вулкана (Halama et al., 2009, Benard et al, in press).

Спектры распределения несовместимых элементов в Срх, равновесных расплавах, а также характер их изменения на границе гарцбургит-пироксенит лучше всего соответствуют расплавам бонинитового состава. Однако, бонинитовые магмы на поверхности насыщены оливином и должны образовывать дунитовые каналы при миграции в мантийных условиях. Кроме того, температуры образования бонинитовых магм намного выше предполагаемых температур образования пироксенитов. Это может говорить о том, что данные расплавы имеют составы с бонинито-подобными спектрами распределения редких элементов, однако значительно отличающиеся от бонинитов по главным элементам. При образовании пироксенитов предполагается реакция, что подтверждается обогащением ортопироксеном у некоторых пироксенитов на контактах с вмещающими перидотитами, а также соотношениями минералов в шлифах.

Минералы из большинства клинопироксенитов и вебстеритов смещены в область более низких значений магнезиальное™, поэтому для них предполагается большее значение процессов кристаллизационной дифференциации. Более высокие значения магнезиальности в минералах из сантиметровых жил свидетельствуют об их частичном переуравновешивании с вмещающими перидотитами, что подтверждается более высокими коэффициентами диффузии для железа и магния по сравнению с РЗЭ. Минералы из ортопироксенитов имеют высокие значения магнезиальности и хромистости, а также низкие содержания алюминия и несовместимых элементов, что говорит о более обедненном составе родоначального расплава/флюида, вступавшего в реакцию с вмещающими

перидотитами. Для 5 образцов вебстеритов, а также образца амфиболового пироксенита, спектры распределения элементов-примесей в клинопироксенах и высокоглиноземистых амфиболах позволяют говорить об их формировании из флюида.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1) Заключительные стадии формирования пород мантийного разреза Войкаро-Сыньинского массива происходили в надсубдукционной обстановке. Об этом свидетельствуют повышенные содержания крупно-ионных литофильпых элементов относительно редкоземельных элементов в клинопироксенах, а также присутствие высокоглиноземистого амфибола в породах мантийного разреза и его состав.

2) Мантийные перидотиты, вовлеченные в магматическую активность над зоной субдукции и претерпевшие рефертилизацию в результате процессов миграции расплавов, образовались при более древнем этапе плавления (до 16%) и по составу были близки к умеренно-обедненным абиссальным перидотитам.

3) Расплавы, участвовавшие в образовании пироксенитов, имеют надсубдукционную природу и обнаруживают сходство с высококальциевыми бонинитами по содержанию несовместимых литофильных элементов в клинопироксенах.

4) Формирование пироксенитовых жил происходило в результате реакции проходящего расплава/флюида с вмещающими перидотитами, что доказывается структурами замещения оливина ортопироксеном и составами минералов. В формировании ортопироксенитов участвовали наиболее обедненные расплавы или флюид, что находит отражение в более высокой машезиальности минералов, низких содержаниях алюминия в клинопироксенах, а также более высокой хромистости шпинели.

5) Уровень содержаний ТРЗЭ в клинопироксенах из пироксенитов зависит от пространственного расположения в мантийном разрезе.

Список работ по теме диссертации

1. Batanova V.G., Belousov I.A., Savelieva G.N. and Sobolev A.V. (2011) Conséquences of channelised and diffuse melt transport in supra-subduction mantle: evidence from Voykar ophiolite (Polar Urals). Journal of Petrology, 52, 2483-2521.

2. Белоусов И. A., Батанова В. Г., Савельева Г. Н., Соболев А. В. (2009) Свидетельство надсубдукционной природы мантийных пород Войкаро-Сыньинского офиолитового массива, Полярный Урал. Доклады Академии Наук, том 429, № 2, с. 238-243.

3. Белоусов И.А., Батанова В.Г., Соболев А.В., Савельева Г.Н. (2010). Геохимические особенности минералов из пород мантийного разреза Войкаро-Сыньинского массива, Полярный Урал. Материалы конференции «Новые горизонты в изучении процессов магмо- и рудообразования», ИГЕМ РАН.

4. Белоусов И.А., Батанова В.Г., Соболев А.В., Савельева Г.Н. (2010) Процессы плавления и транспорта расплавов в мантийных условиях на примере Войкаро-

Сыньинского массива, Полярный Урал. Abstracts of XXVII Internationa! conference School «Geochemistry of Alkaline rocks».

5. Belousov I .A., Batanova V.G., Sobolev A.V., Savelieva G.N. (2010) Mechanisms of formation of mantle section pyroxenites of Voykar Ophioiite, Polar Urals, Russia. // Geophysical Research Abstracts, EGU General Assembly.

6. Белоусов И.А., Соболев A.B. (2010) Мантийный разрез Войкаро-Сыньинского офиолитового комплекса, Полярный Урал. Процессы плавления и транспорта расплавов в надсубдукционной мантии. // V МЕЖДУНАРОДНАЯ МЕЖВУЗОВСКАЯ НАУЧНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ, АСПИРАНТОВ И СТУДЕНТОВ «МОЛОДЫЕ - НАУКАМ О ЗЕМЛЕ», РГГРУ.

7. Belousov I. A., Batanova V.G., Sobolev А. V., Savelieva G. N. (2009) Mantle section pyroxenites of Voykar Ophioiite, Polar Urals, Russia. Alpine Ophiolites and Modern Analogues, Parma, Italy.

8. Belousov I.A., Batanova V.G., Sobolev A.V. (2008) Melt and fluid transport in mantle wedges: evidence from bulk-rock and mineral chemistry of mantle section rocks from Voykar Ophioiite (Polar Urals, Russia). GCA 72, A70-A70.

9. Batanova V.G., Briigmann G., Belousov I.A. Melting and Migration of Melt in the Mantle Based on the Basis of Study of Highly Siderophiie Elements and Their Isotopes. Proceedings of XVIIISymposium on Isotope Geochemistry (Moscow, 2007), p. 40-41.

10. Belousov I.A., Sobolev A.V.and Batanova V.G. (2007) Proterozoic melt percolation event in supra-subduction mantle: evidence from Voykar Ophioiite, Polar Urals. GCA 71, A76-A76.

11. Lyaskovskaya Z.E., Batanova V.G. and Belousov I.A. (2007). P-T conditions and oxygen fugacity estimates suggest supra-subduction setting of Voykar Ophioiite, Polar Urals. GCA 71, A605-A605.

12. Batanova V.G., Bruegmann G.E., Belousov I.A., G.N. Savelieva and A.V. Sobolev (2007). HSE, Os isotopes and LILE as tracers of processes in suprasuduction mantle (Voykar Complex, Polar Ural Ophiolites). Geophysical Research Abstracts, Vol. 9, 10328.

Отпечатано на ризографе В ОНТИ ГЕОХИ РЛН Тираж 120 экз.

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Белоусов, Иван Александрович, Москва

61 12-4/120

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Ленина и Ордена Октябрьской Революции Институт геохимии и аналитической химии им.В.И.Вернадского Российской Академии Наук

На правах рукописи

БЕЛОУСОВ Иван Александрович

Петрология и геохимия пород мантийного разреза Войкаро-Сыньинского

массива, Полярный Урал

Специальность:

25.00.09 - геохимия, геохимические методы поисков полезных ископаемых

Диссертация на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Научные руководители: Член-корр. РАН ГЕОХИ РАН

A.В.Соболев кандидат геол.-минерал, наук

ГЕОХИ РАН

B.Г.Батанова

Москва, 2012

Содержание

1. Введение..............................................................................5

2. Войкаро-Сыньинский массив..................................................10

3. История изучения офиолитовых комплексов, мантийного вещества и процессов в мантии...............................................................13

3.1. Офиолитовые комплексы..........................................13

3.2. Плавление мантии...................................................16

3.3. Механизмы изменения состава перидотитов после плавления.........................................................................26

3.4. Транспорт расплавов в мантийных условиях..................27

3.5. Мантийные пироксениты. Механизмы образования пироксенитов в мантии........................................................29

3.6. Высокой расплавы в зонах субдукции........................31

3.7. Окислительно-восстановительные условия в мантии.......33

4. Аналитические методы исследований.......................................36

5. Местоположение отобранных образцов и их петрография............39

6. Минералогия и геохимия.......................................................48

6.1. Гарцбургиты

6.1.1. Состав пород..................................................49

6.1.2. Состав минералов.............................................50

6.2. Дуниты

6.2.1. Состав пород..................................................59

6.2.2. Состав минералов.............................................59

6.3. Пироксениты

6.3.1. Состав пород..................................................60

6.3.2. Состав минералов.............................................62

6.4. Сравнение составов минералов для различных участков массива............................................................................79

7. Условия и обстановка образования пород мантийного разреза......91

8. Эволюция состава мантийных перидотитов

8.1. Методика моделирования плавления и диффузионно-порового транспорта расплавов..............................................95

8.2. Древний этап плавления............................................99

8.3. Изменение в надсубдукционной обстановке...................101

9. Миграция расплавов и флюидов в мантийных условиях..............106

9.1. Изменение составов минералов на контактах

9.1.1. Гарцбургит-дунит............................................110

9.1.2. Гарцбургит-пироксенит.....................................111

9.1.3. Гарцбургит-сложная пироксенит-дунитовая жила. ..112

9.2. Расчет составов равновесных расплавов.......................116

9.2.1. Дуниты..............................................................116

9.2.2. Пироксениты...........................................................117

Ю.Формирование пироксенитов Войкаро-Сынинского массива.......120

11. Выводы..............................................................................127

12.3ащищаемые положения........................................................131

Благодарности..............................................................................132

Список литературы.......................................................................132

Пр иложение..................................................................................153

Таблица 2. Список образцов

Таблица 3. Состав пород (ХМ7)

Таблица 4. Состав пироксенитов (ЬА 1СР-М8)

Таблица 5. Состав клинопироксенов

Таблица 6. Состав ортопироксенов

Таблица 7. Состав оливинов

Таблица 8. Состав шпинелей

Таблица 9. Состав амфиболов

Таблица 10. Температуры, рассчитанные для пироксенитов Войкара. Таблица 11. Параметры моделирования

Приложение А. Фото шлифов пироксенитов с отмеченными анализами минералов...................................................................................220

Душипы /

/ r

Список терминов и сокращений

СОХ - срединно-океанический хребет Абиссальный перидотит - перидотит из обстановки СОХ Надсубдукционный перидотит -перидотит из зоны мантийного клина над зоной субдукции БООД - базальты океанических островных дуг УОРВ - ультра-обедненные расплавные включения РЗЭ - редкоземельные

щ £......

Лерцолш/г

Тч

\ \

, ^ Перидотиты

\ \ ШфОКСеНИТЫ

\ \

Олиегшоеып себстерти

Орто-ппроксенпт

Bei) стерши

)У}Клпно-цшроксенит

Орх

Срх

элементы: легкие (ЛРЗЭ: La-Eu), тяжелые (ТРЗЭ: Gd-Lu и Y)

КИЛЭ - крупно-ионные литофильные элементы (К, Rb, Cs, Sr, Ва)

ВЗЭ - высоко-зарядные элементы (Zr, Nb, Hf, Та, Th, U)

Породы (см.диаграмму): Hz - гарцбургит, Dun - дунит, Pxt - пироксенит

(Cpxt - клинопироксенит, W - вебстерит, Opxt - ортопироксенит)

Минералы: Срх - клинопироксен, Орх - ортопироксен, Sp - шпинель, Amf-

амфибол, НЫ - роговая обманка, Suif - сульфид.

Введение

Актуальность темы исследования

Определение состава мантийного вещества является одной из главных задач мантийной геохимии, поскольку появляющиеся на поверхности расплавы происходят в основном из мантийных источников. Составы мантийных образцов, обнаруживаемых на поверхности, могут быть в значительной степени изменены наложенными процессами. Понимание процессов плавления мантийного вещества, миграции расплавов из мантийных источников к поверхности и реакций перидотит-расплав являются ключевыми в расшифровке состава мантийного вещества и геохимии магматических пород. Модели, описывающие декомпрессионное плавление под срединно-океаническими хребтами (СОХ), опираются на эксперименты по частичному плавлению перидотитов и кристаллизации расплавов (Takahashi 1986; Falloon and Danyushevsky 2000), а также на данные экспериментов по установлению коэффициентов распределения минерал - расплав (Hart and Dunn 1993; Hauri, Wagner et al. 1994), на основании которых была произведена интерпретация составов клинопироксенов из абиссальных перидотитов (Johnson, Dick et al. 1990; Johnson and Dick 1992) и составов ультра-деплетированных расплавных включений (Соболев и др., 1992). Наиболее правдоподобные модели миграции расплавов в областях СОХ подразумевают их инфильтрацию по сетке дунитовых каналов, обладающих повышенной проницаемостью для расплавов (Kelemen et al., 1997, Kelemen et al., 1995). Плавление в надсубдукционных обстановках происходит в значительной степени благодаря воздействию флюидов, которые отделяются от погружающейся плиты, понижают температуру плавления мантийных перидотитов и привносят значительное количество растворимых в них компонентов, большая часть которых выносится с расплавами. Кроме того, содержание водного компонента оказывает существенное влияние на коэффициенты распределения минерал-расплав (Gaetani et al., 2003, Wood & Blundy, 2002) и пропорции плавящихся фаз

(Gaetani et al., 1998), изменяя состав выплавляющихся расплавов. Помимо этого, в надсубдукционных условиях часто большое значение имеют компоненты, связанные с продуктами плавления субдуцируемых осадков (Hermann and Spandler 2008) и метабазальтов погружающейся плиты (Drummond, Defant et al. 1996). Если в обстановке СОХ реакция перидотит-расплав может приводить к образованию гарцбургитов (Kelemen, Dick et al. 1992) и дунитов (Kelemen 1990), то в надсубдукционных обстановках в связи с большим разнообразием расплавов подобные реакции имеют еще большее значение и могут значительно менять состав мантийного субстрата.

Таким образом, наличие нескольких принципиально разных источников вещества, неясность с механизмами их транспорта в мантийных условиях и большое значение реакции перидотит-расплав, а также малое количество мантийных ксенолитов в островодужных эффузивах (Kepezhinskas, Defant et al. 1996; Ionov 2010) осложняют процесс изучения плавления и миграции расплавов в надсубдукционных условиях, а также расшифровку состава исходного мантийного вещества. В этом отношении весьма перспективным является изучение мантийных разрезов офиолитовых комплексов, сформировавшихся в надсубдукционных условиях. Выбранный объект предоставляет не только возможность детального опробования, но и возможность изучить геологические соотношения между разными типами пород. В решении этих задач на основе комплексного петролого-геохимического подхода заключается актуальность и обоснование цели данной работы.

1995) также предполагали образование некоторых его частей в обстановке СОХ. Таким образом, в ходе изучения пород этого массива представляется уникальный шанс для определения обстановки формирования мантийных пород, а также изучения процессов, происходивших в мантии. Цель работы

Для достижения этих целей решались следующие задачи:

1. Оценка состава мантийных перидотитов и пути эволюции их состава.

2. Определение обстановки и условий образования пород мантийного разреза.

3. Определение составов расплавов, участвовавших в формировании дунитовых и пироксенитовых жил.

4. Разделение пироксенитовых жил на типы и определение особенностей формирования каждого из них.

Научная новизна

2. Определена и обоснована надсубдукционная обстановка формирования мантийного разреза.

4. Оценены составы расплавов, участвовавших в образовании дунитовых и пироксенитовых жил.

5. Впервые показаны вариации составов пироксенитов и минералов из них в зависимости от их формирования из расплава, либо из флюида.

Практическая ценность

Фактический материал

им.Гольдшмидта в 2007 и 2008 годах, конференции «Альпийские офиолиты и современные аналоги» в 2009, международной конференции «Геохимия магматических пород» в 2010 и конференции, посвященной 80-летию ИГЕМ РАН "Новые горизонты в изучении процессов магмо- и рудообразования" в 2010 году.

Структура и объем работы

Работа состоит из 4 разделов, введения, заключения, списка литературы и приложения. В первом разделе (Глава 2,3) приводится краткий обзор истории изучения массива, истории изучения офиолитовых комплексов, мантийного вещества и процессов в мантии, в котором оцениваются нерешенные проблемы и ставится задача исследования. Второй раздел (Глава 4) посвящен методическим вопросам. В третьем разделе (Главы 5 и 6) описываются петрография, минералогия и геохимия объекта исследования. Четвертый раздел (Главы 7-10) посвящен обсуждению полученных результатов. Главы 1-10 завершаются краткими выводами.

Текстовой и иллюстративный материал изложен на 270 страницах и включает 50 рисунков, 3 таблицы в тексте и 10 таблиц в приложении, список литературы включает 172 наименований. Защищаемые положения

1) Заключительные стадии формирования пород мантийного разреза Войкаро-Сыньинского массива происходили в надсубдукционной обстановке. Об этом свидетельствуют повышенные содержания крупно-ионных литофильных элементов относительно редкоземельных элементов в клинопироксенах, а также присутствие высокоглиноземистого амфибола в породах мантийного разреза и его состав.

4) Формирование пироксенитовых жил происходило в результате реакции проходящего расплава/флюида с вмещающими перидотитами, что доказывается структурами замещения оливина ортопироксеном и составами минералов. В формировании ортопироксенитов участвовали наиболее обедненные расплавы или флюид, что находит отражение в более высокой магнезиальности минералов, низких содержаниях алюминия в клинопироксенах, а также более высокой хромистости шпинели.

2. Войкаро-Сыньинский массив.

Офиолиты Войкаро-Сыньинского массива входят в систему аллохтонов, которые вместе с комплексами Тагило-Щучьинской (Оз-БО и Войкарской (82-Б3) островных дуг надвинуты на континентальную окраину ВосточноЕвропейской платформы. Породы офиолитовой ассоциации представляют собой гигантские фрагменты мантии и коры океанического типа, сформированной в задуговых и междуговых окраинных бассейнах, в том числе, и в надсубдукционной обстановке в ранне- и средне-палеозойское время (Савельев и др., 1980, Савельева, 1987, БауеНеуа е? а1., 2002). Уникальность данного объекта заключается в хорошей обнаженности мантийного разреза и малой-степени измененности пород, что позволяет использовать как составы минералов, так и составы самих пород для расшифровки процессов, принимавших участие в их формировании.

Габбро-ультрабазитовые массивы Полярного Урала изучались такими исследователями как Ю.Е.Молдованцев, В.Ф.Морковкина, Н.Л.Добрецов,

В.Р.Шмелев, А.Б.Макеев, A.A. Савельев и Г.Н.Савельева, которые дали подробное описание состава и строения офиолитов и ассоциирующих с ними метаморфических пород Полярного Урала. К офиолитовой ассоциации Войкаро-Сыньинского массива принадлежат только породы Пайерского покрова (Савельева, 1987), поэтому далее будут рассматриваться только породы из данного участка.

Наибольшая часть разреза офиолитового комплекса сложена мантийными перидотитами. Мантийный разрез имеет мощность до 8 километров, и почти полностью состоит из шпинелевых гарцбургитов, которые содержат многочисленные дунитовые тела и пироксенитовые жилы. На рис.5.1 приведена карта массива, а также разрезы из работы Савельевой и др., 2008, показывающие общее строение массива (рис.5.2). Дуниты могут образовывать как мелкие (от 1 см

Информация о работе

Белоусов, Иван Александрович
кандидата геолого-минералогических наук
Москва, 2012
ВАК 25.00.09

Диссертация

Петрология и геохимия пород мантийного разреза Войкаро-Сыньинского массива, Полярный Урал - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы