Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Реакционные структуры и подвижность щелочей при метаморфизме и гранитизации

ВАК РФ 04.00.08, Петрография, вулканология

Автореферат диссертации по теме "Реакционные структуры и подвижность щелочей при метаморфизме и гранитизации"

О

о

С^. МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

5 ^ им. М.В. ЛОМОНОСОВА

<\/

Геологический факультет, кафедра петрологии

УДК 548.4+552.16 На правах рукописи

САФОНОВ ОЛЕГ ГЕННАДЬЕВИЧ

РЕАКЦИОННЫЕ СТРУКТУРЫ И ПОДВИЖНОСТЬ ЩЕЛОЧЕЙ ПРИ МЕТАМОРФИЗМЕ И ГРАНИТИЗАЦИИ

Специальность 04.00.08 - петрология, вулканология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Москва -1997

Работа выполнена на Геологическом факультете Московского Государственного Университета им. М.В. Ломоносова

Научный руководитель: доктор геолого-минералогических наук, профессор,

JI.JI. Перчук

Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук Зарайский Г.П. (Институт экспериментальной минералогии РАН) доктор геолого-минералогических наук Попов B.C. (Московская Государственная геологоразведочная академия)

Ведущая организация: Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН

Защита диссертации состоится 21 ноября 1997 г. в 14-30 в ауд. 608 на заседании диссертационного совета К.053.05.08 по петрографии, геохимии и геохимическим методам поисков месторождений полезных ископаемых Геологического факультета Московского Государственного Университета. Адрес: 119895Москва, Воробьевы горы, МГУ, Геологический ф-т.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Геологического факультета МГУ (зона "А", 6 этаж)

Автореферат разослан " октября 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета ст. научный сотрудник

п^ _

A.M. Батанова

Общая характеристика работы

Актуальность исследований определяется слабой изученностью роли вполне подвижного поведения щелочей при высокотемпературном метаморфизме.

Цель работы - доказать ведущую роль химических потенциалов вполне подвижных К и N8 во флюиде при гранитизации (чарнокитизации), а также в ходе протекания флюидно-минеральных реакций в условиях гранулитовой фации метаморфизма на конкретных хорошо изученных объектах.

Научная новизна работы. На примере образования пятнистых чарнокитов по ортогнейсам Шри Ланки и корон в ортопородах комплекса Адирондак (США) впервые приводятся строгие доказательства вполне подвижного поведения К и Ыа во флюиде при высокотемпературном метаморфизме и гранитизации, что практически однозначно доказывает глубинную природу флюида, производящего региональный метаморфизм и гранитизацию. Завершено создание количественной термодинамической модели (РегсЬик е1 а1., 1994) процесса чарнокитизации.

Основные защищаемые положения

1) Доказано вполне подвижное поведение калия и натрия во флюиде, которое обуславливает возникновение и эволюцию пятнистых чарнокитов Шри Ланки, а также приводит к образованию парагенезиса гранат + калиевый полевой шпат + кварц на регрессивной стадии метаморфизма гранулитов комплекса Адирондак в температурном интервале 750-600°С.

2) Минералогическими индикаторами возрастания активностей щелочей являются новообразования кайм и микрожил щелочного полевого шпата.

3) Геохимическим индикатором подвижности щелочей являются:

а) снижение глиноземистости ортопироксена и биотита в контактах с новообразованным калиевым полевым шпатом;

б) увеличение основности плагиоклаза или развитие мирмекитоподобных ~ микрожил на фронте метасоматического замещения плагиоклаза калиевым полевым шпатом;

в) увеличение кальциевосги граната в контактах с новообразованным калиевым полевым шпатом. 4) Вполне подвижное поведение калия и натрия обусловлено изначально постоянными их концетрациями во внешнем водно-углекисло-солевом флюиде, не меняющимися в ходе метасоматических реакций. При этом установлено две температурные стадии протекания этих реакций: при 750-600°С, обусловленная водно-солевыми флюидами и ниже 600°С, обусловленная водно-углекислыми флюидами с небольшими концентрациями щелочей.

Практическая ценность работы

Приведенные в диссертационной работе результаты исследований могут быть использованы для создания количественной термодинамической модели процесса гранитизации. Впервые обнаруженные и описанные реакционные структуры в породах гранулитовой фации могут быть использованы как индикаторы вполне подвижного поведения щелочей при метаморфизме. Приведенные в работе методы расчета позволяют количественно оценивать величины активностей калия и натрия при метаморфизме и гранитизации.

Фактическая основа и методы исследования

Работа выполнена на основе детального петрологического изучения ортопород комплекса Адирондак (США), собранных в ходе полевых работ (май 1993 г.) и предоставленных проф. Дж. В. Вэлли (Университет Висконсин-Мэдисон, США), а также ортогнейсов и чарнокитов Шри Ланки, образцы которых любезно предоставлены проф. JI.JI. Перчуком и Т.В. Герей. Исследования химических составов минералов проводились с помощью электронного микрозонда с EDS Link AN10/85S в лаборатории микроанализа кафедры петрологии МГУ. В процессе работы произведено около 4000 микрозондовых анализов. С целью моделирования процесса чарнокитизации при вполне подвижном поведении щелочей при высоких Т и Р в ИЭМ РАН проведено 23 эксперимента. Для подтверждения роли вполне подвижных щелочей в процессе чарнокитизации были использованы анализы флюидных включений в минералах пятнистого чарнокита из Шри Ланки, проведенные профессором Ж.Туре (Амстердамский университет, Нидерланды).

Апробация работы

По теме диссертации опубликовано и принято в печать 3 статьи и 5 тезисов докладов на международных конференциях: Международных конференциях студентов и аспирантов по фундаментальным наукам "Ленинские горы - 95, 96", Гольдшмидтовской конференции (Германия, Хайдельберг, 31 марта - 4 апреля 1996), Симпозиуме по природе гранулитовых и чарнокитовых пород (Индия, Мадрас, 29 августа - 4 сентября 1996) и Европейском геологическом конгрессе (EUG 9) (Франция, Страсбург, 23-28 марта 1997)

Объем работы

Диссертационная работа состоит из 3 глав, приложения, введения и заключения. Общий объем работы составляет /6? .страниц. Работа содержит 41 рисунок и 15 таблиц. Список литературы включает 128 названий.

Благодарности. Автор выражает свою искреннюю благодарность проф. Л.Л. Перчуку за научное руководство на всех этапах создания диссертации, доценту Т.В.Гере за предоставленный каменный и, частично, аналитический материал по пятнистым чарнокитам Шри Ланки, а также за помощь в термодинамических расчетах, H.A. Коротаевой и Е.В. Гусевой за помощь в работе на микрозонде, проф. Дж.В. Вэлли (Университет Висконсин-Мэдисон, США) за предоставленный материал по гранулитам Адирондака и участие в обсуждении результатов исследований, проф. Дж.М. МакЛелланду (Колгейт Университет, США) за литературный материал по геологии и петрологии гор Адирондак и за геологическую экскурсию в этом районе, проф. Ж.Л.Р. Туре (Амстердамский Университет, Нидерланды) за предоставленные результаты исследования флюидных включений в породах Шри Ланки.

Условные обозначения, принятые в автореферате

Символы минералов: Ab - альбит; Alm - альмандин; An - анортит; Ann - аннит; Ар - апатит; Bt -биотит; Cal - кальцит; Срх - клинопироксен; East - истонит; En - энстатит; Fs - ферросилит; GrJ-графит; Grt - гранат; Grs - гроссуляр; Gru - грюнерит; НЫ - роговая обманка; Hed - геденбергит; Ilm - ильменит; K/s - калиевый полевой шпат; Mt - магнетит; OK - ортокорунд (фиктивный ми-нал ортопироксена, А1А10з); Орх - ортопироксен; Or - ортоклаз; Phi - флогопит; PI - плагиоклаз; Tsch - чермакит (MgAhSiOí); Qlz - кварц; Zm - циркон.

Термодинамические параметры: Т- температура; Р ■ давление; аг" - активность компонента i во флюиде; у?- коэффициент активности компонента i во флюиде; |V - химический потенциал ком-

понента i во флюиде; / - фугитивность компонента i; Лели/' = 1 OOCa/(Ca+Na+K) - мольный процент /¡«-компонента в Pi, jV^^lOO KAK+Na) - мольный процент калия K/s и НЫ\ Nok01"-l00-Al/(Al+2Mg+2Fe) - мольный процент ОА'-компонснта в Орх\ Л'£ш,Я' = 100-(А1-1)/(А1-l+2Mg+2Fe) - мольный процент fail-компонента в биотите (ф.е. рассчитаны на 11 атомов О); /VMs=lOO-Mg/(Mg+Fe) - мольный процент магния в Fe-Mg минералах; ¿VCj=100-Ca/(Ca+Mg+Fe) -мольный процент кальция в Grt и Срх; Мм"Л'= 100Al/(Si+Ti+Al+Fe+Mn+Mg) - мольный процент алюминия в НЫ.

Введение

В соответствии с поставленной задачей о подвижности щелочей в высокотемпературных метаморфических процессах изучены породы двух контрастных по происхождению и геологическому положению метаморфических комплексов -комплекса пятнистых чарнокитов Центрального гранулитового пояса Шри Ланки и комплекса Адирондак (США). Этот выбор был обусловлен тем, что в петрологической литературе пятнистые чарнокиты рассматривались как продукт метаморфизма, произведенного глубинными углекислыми флюидами (например, Hansen et al., 1987). В противоположность Шри Ланке, гранулитовый комплекс Адирондак представлялся примером "сухого метаморфизма" (например, Valley et al., 1990), т.е. метаморфизма без какого-либо активного участия флюидной фазы. Ясно, что при таких моделях генезиса ни в одном из этих комплексов петрологические свидетельства вполне подвижного поведения К и Na ранее не описывались.

Глава I. Геология и характер метаморфизма изученных комплексов

В основании острова Цейлон (Шри Ланка) выделяются четыре главные ли-толого-тектонические единицы (Kroner et al., 1991): Нагорный комплекс, Юго-Западную группа (гранулитовая фация), объединенные в так называемый Центральный Гранулитовый Пояс (ЦГП), комплекс Виджаян и комплекс Ванни (+комплекс Кадуганнава) (амфиболитовая фация). Региональный гранулитовый метаморфизм в ЦГП имел место 665-550 млн. лет. назад. Гранулиты ЦГП испытали субизобарическое остывание от температур ~900°С до температур пика метаморфизма (750-850°С/7-8 кбар) (Schenk et al., 1991; Raith et al., 1991). Ретроградная стадия метаморфизма пород при 650-700°С/5-5.5 кбар отражена в образовании коронарных структур вокруг граната (Kriegsman, 1993; Schenk et al., 1991), которые характеризуют РГтренд, близкий к обобщенному /Ттренду для

гранулитовых комплексов (Perchuk, 1990). Комплекс Ванни состоит из чарноки-тизированных Bt-Hbl ортогнейсов гранитного и гранодиоритового состава, условия метаморфизма которых составляют 700-730°С и 5-6 кбар (Schenk et al., 1991).

Отличительной чертой комплекса Адирондак являются купольные массивы, центральные части которых состоят из метаанортозитов, тогда как их периферические части сложены породами мангерит-чарнокит-гранитной серии. Эти породы сформировались на глубинах порядка 10 км (Valley, O'Neil, 1982) 1160-1130 млн. лет тому назад (McLelland, 1991), образовав бимодальную анорто-зит-мангерит-чарнокит-гранитную (AMCG) свиту в условиях растяжения земной коры. В период 1.070-1.025 млрл. лет (McLelland et al., 1988) породы комплекса Адирондак испытали метаморфизм в условиях гранулитовой фации при 750-800°С/7.5-8.0 кбар и очень низких значениях/шо,/со2,/о2 (Valley et al., 1990). Ретроградная стадия знаменуется значительным этапом субизобарического остывания на 200-300°С (2-5°/бар) от температур пика метаморфизма, сменившийся затем декомпрессией (Bohlen et al., 1985). На завершающей стадии регионального метаморфизма (7 =250-450°С и Р=2-3 кбар) породы Адирондака подверглись интенсивным изменениям водно-углекислыми или водными флюидами, содержащими калий (Morrison, Valley, 1988; Eiler et al., 1995).

Глава 2. Роль щелочей при образования пятнистых чарнокитов района Курунега-ла, Шрп Ланка

Пятнистая чарнокитизация, широко проявленная в Южной Индии и Шри Ланке, является пост-тектоническим процессом, характеризующимся изохимиче-скими (чарнокитизация типа Понмуди) или неизохимическими (чарнокитизация типа Каббалдурги) реакциями разложения ассоциации Bt+Hbl+Grt с образованием Орх и K/s (Hansen et al., 1987). Существует две модели пятнистой чарпокитиза-Ц1Ш гнейсовых комплексов: метаморфическая и магматическая. Согласно углекислой модели (Friend, 1981; Janardhan et al., 1982; Hansen et al., 1984 а, 6; Newton, 1986) ведущими фактором чарнокитизации являлись углекислые флюиды. Штале и др. (Stahle et al., 1987) определили, что чарнокитизация осуществлялась одновременно с калиевым метасоматозом в условиях открытой системы. Однако, Бартон и О'Найонс (Burton, O'Nions, 1990) привели ряд доказательств магматической природы "чарнокитовых пятен" в ортогнейсах Шри Ланки. Пер-

Рис. 1. Пятнистая чарнокитизация (темные пятна) вдоль зон деформаций (белая линия) и плоскостей сланцеватости в биотит-амфиболовых гнейсах в районе Курунегала, Шри Ланка.

чук и Геря (Perchuk, Gerya, 1992, 1993) доказали решающую роль вполне подвижного поведения К и Na при региональной чарнокитизации гнейсовых комплексов (Коржинский, 1962) и высказали предположение, что пятнистые чарно-киты могут служить микромоделью чарнокитизации в целом. Поскольку прямых свидетельств вполне подвижного поведения щелочей при возникновении формации пятнистых чарнокитах в те годы найдено не было, ведущей оставалась углекислая модель чарнокитизации.

В районе Курунегала (Шри Ланка) пятнистая чарнокитизация (возраст 535±5 млн. лет, Burton, O'Nions, 1990) связана с узкими зонами деформаций и плоскостями складчатости, характеризующими последнюю региональную стадию деформаций (D3) (рис. 1) в Bt-Hbl-Pl-Kfs-Qtz ортогнейсах комплекса Кадуга-навва.

Зональность чарнокитового пятна", гнейс - переходная зона - чарнокит в карьере Удадигана, район Курунегала, ранее описывалась Милисендой и др. (Milisenda et al., 1991) и Перчуком и др. (Perchuk et al., 1994). Более детальные исследования образца диаметром 26 см. позволили различить в нем четыре зоны:

1) вмещающий ортогнейс (Hbl+Bt+Pl+Kfs+Qtz+Ilm+Mt), характеризующийся гранобластовой структурой и отчетливой гнейсовидностью;

2) меланократовая переходная зона (Hbl+Bt+Pl+Kfs+Qtz+Ilm+Mt), для которой также характерна гнейсовидность; в целом эта зона более структурно гомогенна, чем вмещающий гнейс;

3) лейкократовая (Kfs+Pl+Qtz) зона (называемая ниже KPQ), отличительной чертой которой является наличие крупных (до 1 см.) ксеноморфных зерен и кайм калиевого полевого шпата на контактах зерен плагиоклаза, кварца и ортопироксе-на; кристаллы ортопироксена появляются в непосредственном контакте зоны KPQ с чарнокитовым ядром

4) чарнокит (Opx+Kfs+Qtz+Pl+Bt+Ilm) в ядре "пятна" - структурно гомогенная порода с гипидиоморфнозернистой структурой; чарнокит содержит крупные (до 4 мм) субидиоморфные кристаллы ортопироксена, а также вторичные биотит и грюнерит; каймы калиевого полевого шпата в чарноките редки.

Плагиоклаз из чарнокитового ядра на 2-3 номера кислее (Nc/'=22-25), чем плагиоклаз из гнейса и переходной зоны (Nc/l-2S-21). В гнейсе, переходной зоне и KPQ зоне Nk.K^ составляет 85-90, тогда как в чарноките - Лгк'^=70-90.

Биотит и роговая обманка из гнейса и переходной зоны имеют одинаковые магнезиальности (Лгм3в'=42-44, Л'мвяы=38-42) и глиноземистости Ла1,/6/= 14). На контакте с КР<2 зоной происходит увеличение магнезиальностей обоих минералов (Лгмз3'=49-51, Ыи^1—47-50). Магнезиальность ортопироксена (Л'м80/,л;=45-48) в тылу КР(2 зоны близка к магнезиальностям биотита и роговой обманки на фронте КР<3 зоны. В КР<3 наблюдается систематическое снижение глиноземистости ортопироксена от центров зерен (МокОрх=0.9) к их контакту (Ь'ок°рх =0.3-0.2) с калиевым полевым шпатом. В чарноките А'м80рх=36-42 заметно ниже магнезиальности ортопироксена из КРС2 зоны, тогда как Ыок в ортопиро-ксене из чарнокита составляет 0.5-0.25. Глиноземистость биотита из чарнокита (Лг£<шг'=2.5-3.0) чуть ниже, чем глиноземистость биотита из гнейса (МЕш1в' =3.0) и переходной зоны (N£„/'=3.0-3.5), тогда как его магнезиальность значительно выше Шм/'= 50-57).

Вторичные минералы в чарноките представлены биотитом сим"

плектитами), грюнеритом и карбонатами.

Установлены следующие закономерности изменения валового состава породы от вмещающего гнейса гранодиоритового состава (68-70 вес.% БЮз) до чарнокитового ядра (71-72 вес.% 8102):

1) чарнокит обеднен РеО, М£0, ТЮг, СаО и КагО, тогда как переходная зона обогащена этими компонентами;

2) чарнокит обогащен БЮг, КлО и ВаО, тогда как переходная зона обеднена этими компонентами;

3) чарнокит является более железистой и калиевой породой по отношению к вмещающему гнейсу и переходной зоне.

Средний химический и нормативный состав породы по профилю гнейс-чарнокит близок к эвтектическому граниту. Чарнокит отличается избытком ор-токлазового компонента. Закономерное изменение валового состава породы, составов и количеств минералов вдоль профиля гнейс-чарнокит - характерные признаки метасоматической зональности (Коржинский, 1970).

Гнейс Переходная зона Зона КР<3 Чарнокит

НЬЫ-п+Виг-и+Р1 .8/49-51 +НЫ47-50 +Р1+£>П+№+Пт+М1 К/5+Р1+Ор.Х 45-48 +Пт+М( К/з+Р1+Ор:сзб-42 +ВШ-52+Пт+М1

Метаморфическая порода Метасоматическая порода Магматическая порода

Вдоль профиля гнейс-чарнокит обнаружены реакционные структуры, характеризующие три этапа эволюции чарнокитового пятна

1) Реакционные структуры чарнокитизации - реакционные каймы калиевого полевого шпата были обнаружены в лейкократовой зоне КРС2 и местами внутри чарнокитовой зоны. Рост кайм К/э (рис. 1а) сопровождается увеличением от контакта каймы с кварцем к контакту с матричным плагиоклазом при неизменном составе замещаемого плагиоклаза. На фронте замещения формировались кварц-плагиоклазовые микропрожилки, а в тылу сохранялись реликты чуть более основного плагиоклаза. Такие взаимоотношения описывает реакция хАп-(1-х)ЛЬ+4х<2к+(у+2х)К+=(1-х-у)ЛЬ(у+2х)Ог+ {хСа+2+^а+}, (1)

зависящая от активностей К, Ка и Са в метаморфическом флюиде при постоянных Г и Р. Образование чуть более основного плагиоклаза в тылу кайм происходило на самых ранних этапах роста калиевого полевого шпата по реакции Ап-пЛЬ+тК+=Ап-(п-т)АЬ+К/5 + тЫп+ (2)

Содержание алюминия в зерне ортопироксена у контакта с каймой калиевого полевого шпата (рис. 1 б) уменьшается согласно реакции 1/2Г5с/г+Зег:+{пК+-(1-п)Ка+} + 1/2Н20=(1-п)/1^п0/- + 1/2Я^+Н+, (3)

которая является индикатором изменения активностей щелочей при чарнокитизации (РегсЬик, вегуа, 1992).

Отсутствие реакционных структур замещения биотита и роговой обманки ортопироксеном вдоль профиля "гнейс-чарнокит"свидетельствует о том, что переход гнейса (В1+НЫ+Р1+()1:) в чарнокит происходил резко, в условиях стабильности парагенезиса Орх(±В[)+К/з+Р1+()1г, за счет воздействия щелочного флюида. Реакция

K(Fe,Mg)2.8sAll.24Si2.8sOlo(OH)2+3.563Si02+0.188{(K,Na)+} = = 1.453(Р^,Ре)|.982А1о.озб5п.98206+1.188(К,Ка)А151з08+0.90бН20+0.188Н+, (4)

. г Ра,Орх \ г ВиОрх

записанная с учетом реальных величин Мщ у и Д'а! , показывает, что биотит с Лг£а[,=4.0 в реакции со щелочным флюидом разлагается на низкоглиноземистый Орх (Ыок= 0.9) и К/э. Дальнейшее воздействие щелочного флюида на породу приводит к снижению Мок новообразованного метасоматического Орх в тылу КРС> зоны за счет реакции (3).

Таким образом, реакционные структуры чарнокитизации отвечают проработке гнейсов глубинными подщелоченными флюидами.

Рис. 2 Реакционные структуры в чарнокитовом пятне:

а. кайма К/я на контакте зерен Р1 и £Ьх в зоне КРС2;

б. кайма К/я на контакте зерен Орх и Р1 в зоне КР(};

в. <21г-Р1~М1 микрожила в чарнокитовом ядре. Числа в поле Орх обозначают И01Урх, в поле Р1 - Ис/\ в поле К/ч - Ыккр

2) Реакционные структуры позднего этапа чарнокитизации - ()1х-Р1 микрожилы на контактах зерен К/з с другими минералами (Р1, В1) являются более поздними по сравнению каймами К/б. Микрожилы в чарноките (рис. 1в) имеют графическую структуру и четкие контакты с матричными минералами. Реликты более основного плагиоклаза (Ысл1=2%) внутри микрожил являются свидетельствами протекания в породе реакции (2) на ранних стадиях эволюции чарнокита. Возникновение ()1:-Р1 микрожил связано с взаимодействием калиевого полевого шпата с остаточным расплавом или флюидом, насыщенным Са, К, ЗЮг, по реакции, обратной реакции (1) на стадии, последующей за кристаллизацией чарнокита в ядре "пятна".

3) Реакционные структуры дечарнокитизации - развитие ассоциаций Bt+Qtz, Сги+М1+()г: и карбонатов по ортопироксену знаменуют дестабилизацию чарно-китового парагенезиса за счет роста активностей СОг, НгО и О2 на поздних этапах эволюции чарнокитового пятна.

Первичные флюидные включения в чарноките представлены изолированными мелкими (менее 5 мкм) декрипитированными водно-солевыми (гидрокарбонаты и/или №С1) включениями, которые сопровождаются смешанными Н2О-СО2 включениями. В К/л- из переходной зоне обнаружены первичные углекислые флюидные включения, содержащие Са1 и К/б. Флюидные включения показывают, что процесс чарнокитизации обусловлен двумя несмесимыми флюидными фазами: водно-солевой и углекислой, содержащей примеси солей Са, К и Ма.

Температура процесса чарнокитизации рассчитывались по обменным равновесиям В1+Орх и Р1+К/з (РегсЬик е1 а1., 1991), а давление оценивалось по уравнению обобщенного регрессивного РТ тренда для гранулитовых комплексов (РегсЬик, 1990), характерного также для пород ЦГП Шри Ланки (Сафонов и др., 1995). Выделены три стадии температурной эволюции чарнокитового пятна (рис.

3):

I. 7=710-680°С соответствует кристаллизации биотита в чарноките совместно с ортопироксеном;

II. 7=650-580°С отвечает дальнейшему метасоматическому преобразованию пород, росту чарнокитового "пятна", гидратации и развитию биотита за счет остаточного водного флюида;

Температура, °С

Рнс.З РТаню - диаграмма для гранитного ликвидуса (Перчук, 1973) в сравнении с линиями реакции бг+(2*г=0р;с+.КУ>+Н2О. ■ - РГ-параметры равновесий Орх и Вс в чарнокитовом ядре вдоль ретроградного тренда эволюции. 1-Ш - стадии эволюции чарнокитового пятна (см. текст). Знаком (?) обозначены возможные РГ-параметры плавления в чарнокитовом ядре.

III. 7=580-470°C характеризует поздние метасоматические процессы в пятнистом чарноките, кристаллизацию кварц-плагиоклазовых микрожил.

Температуру начальной кристаллизации ортопироксена в чарноките и зоне KPQ определить не возможно. Возможно, что она была выше 710°С.

Активность воды на высокотемпературной стадии эволюции чарнокита (I), рассчитанная по равновесию Bt+Qtz^Opx+Kfs+YkO по составам сосуществующих минералов в чарноките, составляла ангс/?=0.33-0.28. На стадии остывания активность воды снижалась до 0.20-0.14 (рис. 3). Относительно низкая ангс/1 в чарнокитизирующем флюиде обусловлена понижением унх/1 за счет взаимодействия молекул Н2О во флюиде с молекулами сильных электролитов (NaCl, KCl, СаСЬ) (Аранович и др., 1987; Шмулович, 1983; Aranovich, Newton, 1997), что подтверждается находкой водно-солевых включений в минералах чарнокита и интенсивным развитием щелочного метасоматоза.

Структурные особенности чарнокита свидетельствуют о том, что эта порода могла частично или полностью кристаллизоваться из расплава, возникшего в результате метасоматического изменения состава гнейса при близости состава пород к гранитной эвтектике. Плавление могло произойти при , 7=750°С, Р=6.5 кбар и ян:с/7=0.35-0.4 (рис. 3).

Индикаторами роста активности щелочей при чарнокитизации являются зональные каймы K/s на контактах зерен PI, Орх и Bt. Субсолидусные диаграммы lg(öKCi/«Hci)/7-lg(eNaCi/aHCi/7 (рис. 4 а, б) иллюстрируют закономерности изменения составов сосуществующих минералов при вполне подвижном поведении К и Na во флюиде и эволюцию химических потенциалов К и Na при образовании пятнистых чарнокитов района Курунегала. Приток подщелоченных флюидов, привел к разложению парагенезиса ортогнейса (Bt+Qtz+Pl+Kfs,поле А на рис. 4 а) с образованием в тылу метасоматической KPQ зоны низкоглиноземистого магнезиального ортопироксена (поле В на рис. 4 а). По разные стороны от метасоматической KPQ зоны существуют парагенезисы одинаковой валовой магнези-альности, но разного минерального состава. Дальнейший рост активностей щелочей (тренд В-С) ведет к снижению глиноземистости Орх (реакция 3) и замещению PI калишпатом по реакциям (1) и (2). Координата поля С соответствуют минеральной ассоциации чарнокитового ядра. Формирование биотита в чарноките обусловлено снижением температуры и активностей щелочей (рис. 3 б). Смеще-

Г=750'С

.1В У+ & г+Р['+К/! '| \ \ \

г1* у й еи

.а

2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 ¿8

>8 Ка/ана)

(¿3

3.5

3.4

с 3.3

3.2

з.о

|Я<+Р/+.К/1+(3<г|' ' ' [Й] й] [»З]

гэ I -,-,-,-

2.6

2.8 3.0

Кс/ана)

3.2

Рис. 4. Диаграммы ^(акс/йнаУ-^яыао/лна/7 для ассоциации Орх+В1+К/з+ 2'-+.Р/+(К-Ка-Н)С1 для предполагаемого пика чарнокитизации (а); для стадии дечарнокитизации (б) (см. текст). Прямые сплошные линии - Ы0гк/\ прямые прирывистые линии - NAлp', субвертикальные сплошные линии - Мок0р'\ субвертикальные прерывистые линии - МЕаз,в'

ние дивариантного поля в область более высоких значений ^(аиас/внаУ7 соответствует кристаллизации низкотемпературных Pl-Qtz микрожил.

Расчет модельной диаграммы XMg"0!*™ - Лд|П0Р°да (Г=700°С, Р=5.5 кбар, ан2с/7=0.3 и \§(ака/анаУ =2.8) показал, что наряду с возрастанием активностей К и Na и низкой активностью воды во флюиде, метасоматическое снижение магне-зиальности породы на 10 мол. % при чарнокитизации обуславливала стабильность чарнокитового парагенезиса.

Модель образования пятнистых чарпокитов

Таким образом, пятнистая чарнокитизация тесно связана с общей историей метаморфизма пород ЦГП и смежного комплекса Ванни на регрессивной стадии метаморфизма при 7*=(750?)710-470°C. Инфильтрация внешних мантийных (Jackson et а!., 1988; Hoernes et al., 1991) флюидов обуславливала вынос в переходную зону CaO, FeO, MgO, Т1О2 и др. при увеличении в чарноките SiC>2 КгО и Fe/Mg соотношения. Одновременно на фронте чарнокитизации происходили реакции разложения ассоциации Hbl+Bt с образованием Орх и K/s. Главными факторами смены минеральных парагенезисов являлись изначально высокие активности К и Na в метаморфическом флюиде. В процессе чарнокитизации сосуществовали два несмешивающихся флюида: существенно углекислый и водно-солевой, которые характеризовались относительно низкой активностью воды (йн:с/г<0.33). Это способствовало разложению водосодержащих минералов и образованию чарнокитового парагенезиса. После кристаллизации ортопироксена в метасоматической тыловой зоне (KPQ), дальнейшие изменения вели к снижению глиноземистости новообразованного ортопироксена, увеличению количества калиевого полевого шпата. При этом в центре чарнокитового пятна при температуре порядка 750°С мог возникнуть расплав. Последующая эволюция чарнокитового "пятна" вела к расширению метасоматической и магматической зон как зон единой метасоматической колонки (Коржинский, 1970), тыловая монофазная зона которой была представлена флюидонасыщенным расплавом. Кристаллизация расплава приводила к высвобождению остаточных SiCh, Ca, Na и К содержащих водных флюидов, обусловивших интенсивную гидратацию чарнокита и формирование Pl-Qtz микрожил, грюнерита и карбонатов.

Предложенная модель формирования пятнистых чарнокитов Курунегалы аналогична модели образования региональных чарнокитовых комплексов

(РегсЬик е1 а1., 1994). Таким образом, образование чарнокитового "пятна" может служить микромоделью формирования региональных чарнокитовых комплексов.

Экспериментальное моделирование реакций при взаимодействии К-Ыа флюида с биотит-амфиболовьш гнейсом

Целью экспериментального моделирования реакций при взаимодействии К-Ма флюида с биотит-амфиболовым гнейсом являлось воспроизведение реакционных структур между минералами в зависимости от состава флюида при заданных температуре и давлении.

Флюиды, не содержащие К и Ка, не оказали значительного влияния на минеральный состав породы и на составы минералов в ней. Наиболее характерными реакционными структурами пород в опытах с хлоридными К-Ыа флюидами являются каймы и микропрожилки щелочного полевого шпата, состав К/э в которых зависит от соотношения К/На во флюиде. В ряде опытов каймы представляют собой субмикроскопические сростки ортоклаза с почти чистым анортитом, что отвечает предельному случаю реакции (2) на самых ранних этапах взаимодействия плагиоклаза с щелочным флюидом, когда натрий в структуре плагиоклаза полностью замещается на калий. Однако, подобные взаимоотношения новообразованных кайм щелочного полевого шпата с матричным плагиоклазом редки. Обычно состав плагиоклаза не изменяется и при этом не наблюдается обогащение кайм Са. Это свидетельствует в пользу реакции (1), которая обуславливает замещение плагиоклаза щелочным полевым шпатом вдоль границ зерен. Взаимодействие К-Ыа флюида с 5-20 масс. % солей (при Лка=0.5-1) с гнейсом привело к замещению биотита и роговой обманки ассоциацией Срх+К/з, т.е. образованию монцонитового парагенезиса. Снижение Хка в опытах при общем содержании щелочей около 20 мае. % привело к образованию щелочного амфибола ряда рихтерит-феррорихтерит.

Таким образом, опыты продемонстрировали возможность замещения ассоциации В1+НЫ+Р1 ассоциацией Срх+К/з за счет высоких концентраций щелочей во флюиде при РТ условиях, в которых водные минералы стабильны даже в существенно углекислом флюиде.

Глава 3. Роль щелочей при образования гранатовых коронарных структур в мета-мангеритах и метаанортозитах комплекса Адирондак (США).

Ортопороды комплекса Адирондак характеризуются коронарными структурами Grt+Qtz на контактах зерен Орх, Срх, Ilm и НЫ с PI, которые, по мнению большинства исследователей, отвечают гранулитовой фации метаморфизма при 7=600-800°С и Р=7-8 кбар на этапе субизобарического остывания (De Waard, 1965; Martingole, Schrijver, 1971; McLelland, Whitney, 1977) или на пике метаморфизма (Bohlen et al., 1985) в условиях отсутствия или незначительного воздействия флюидов. Петрографическое изучение пород показало, что гранатовые реакционные структуры в ортопородах комплекса Адирондак сопровождаются многочисленными каймами K/s внутри гранатовых корон. Это позволяет определить роль К и Na в метаморфическом флюиде при образовании этих реакционных структур методами, использованными при изучении пятнистых чарнокитов.

Изученные метамангериты принадлежат к комплексу пород, расположенному на границах анортозитового массива Марси (районы Лэйк Плесид, Са-ранак-Лэйк и Таппер-Лэйк). Образцы анортозитов были отобраны в районе Таппер-Лэйк вблизи их контакта с мангеритами.

Метамангериты состоят из PI (Nc/'=22-24), Орх, Срх, Qtz, K/s (Л'кЛ7-85-93), НЫ, Bt, Grt (jVMg&-l-4; Л'саСг-21-23; ЛГМпС'-3.5-4.5), Ilm, Mt, Sph. Породы обладают гранобластовой структурой. В некоторых образцах проявлена гнейсо-видность S2-S3 (Wiener et al., 1984). Вместе с тем в образцах сохранились реликты первичной магматической структуры. Grt+K/s+Qtz короны в метамангеритах (рис. 5а) формировались после образования Срх, НЫ, а также после развития гнейсовидности (S2-S3) в породах. Реакции коронообразования протекали неоднородно в разных участках пород и были связаны с калишпатизацией. Кроме Grt-Kfs-Qtz корон в некоторых образцах были изучены НЫ короны, структурно аналогичные Grt-Kfs-Qtz коронам.

PI

Метаанортозиты состоят из крупных кристаллов PI (Nса =43-36) и иногда содержат пироксены и титаномагнетит. Grt (Л,7м8&'=8-14; АгсаСг'=25-27; Л;мпс"=3.5-4.5) коронарные структуры в метаанортозитах развиты на контактах PI с Ар или в зонах дробления крупных кристаллов PL Коронарные структуры в метаанортозитах также связаны с новообразованиями K/s (Nk^-90-96) (рис. 56).

СапЗсап ПГЬ 02803 ЮОуп

Рис. 5 Реакционные структуры в ортопородах комплекса Адирондак: а. Сп-К/з-{: корона на контакте зерен Р1 и Срх в метамангерите; б. йп-К/з-Ар микрожила в метаанортозите.

Во всех изученных породах Nc/' снижается на 1-4 мол. % от центра зерен плагиоклаза к контактам с Grt коронами. Несмотря на узкие пределы изменения составов полевых шпатов в коронах из метамангеритов и метаанортозитов, во многих случаях обнаруживается прямая корреляция NKKfi и NAnFl. Nc^" в коронах слабо увеличивается к контактам с PI и K/s во внешних зонах корон. Во многих образцах намечается прямая связь между NcаС" и NkK/s. Таким образом, составы и зональность минералов в метамангеритах и метаанортозитах свидетельствуют о том, что рост гранатовых коронарных структур в этих породах сопровождался увеличением кальциевости граната при постоянной или слабо уменьшающейся основности PI, уменьшением глиноземистости пироксенов и увеличением содержания ортоклазовой составляющей в сосуществующем K/s.

Эти закономерности показывают, что процесс роста Grt-Kfs-Qtz корон на контакте пироксенов с плагиоклазом осуществлялся по реакциям An + 2 Fs = 1/3 Grs + IßAlm + Qtz (5)

An + Hed = 2/3 Grs + 112 Ahn + Qtz (6)

и (2). Сосуществование Grt, PI и K/s внутри корон обусловлено равновесием Лл+30/г+[4/ЗК++2/ЗН20]=4/3^+1/ЗС™+4/ЗН+. (7)

Микроструктурные особенности коронарных структур свидетельствуют о том, что гранат в метамангеритах и метаанортозитах возник после кристаллизации главного метаморфического парагенезиса Opx+Cpx+Hbl+Pl+Qtz+llm+ +Mt±Kfs и после образования гнейсовидности и линейности (S2-S3) в метамангеритах, которые характеризуют стадии деформации на пике гранулитового метаморфизма пород Адирондака (Wiener et al., 1984). Это означает, что коронарные структуры в метамангеритах характеризуют более позднюю, регрессивную стадию метаморфизма.

Расчеты температур образования изученных коронарных структур с использованием Grt-Cpx (Ellis, Green, 1979), Grt-Opx (Perchuk, Lavrent'eva, 1990), Grt-Hbl (Perchuk, 1991) и моноамфиболового (Геря и др., 1997) геотермометров показали, что они (635±70°С для интервала Р= 7.5-5 кбар) на 50-100°С ниже температур пика метаморфизма пород (Bohlen et al., 1985). Это подтверждает сделанный выше вывод о том, что гранатовые коронарные структуры в метамангеритах комплекса Адирондак возникли на регрессивной стадии метаморфизма.

Расчеты фугитивности кислорода во флюиде, равновесном с минералами корон, по равновесию Grt+Oi=Mt+Pl+Qt: показали, что в температурном интер-

вале 700-600°С (Р=6-7 кбар) рассчитанные значения -lg/c>2=16-18 близки к линии равновесия Grf+ Ог=СОг (рис. 6). Отсутствие графита в изученных образцах означает, что метаморфические флюиды содержали небольшие количества СОг. Преобладающим компонентом флюида являлась НзО. Низкие активности НгО (0.10.2) во флюиде при образовании коронарных структур в метамангеритах (Valley et al., 1990) были обусловлены значительными концентрациями солей калия в водном флюиде. Свидетельствами насыщенности метаморфических флюидов KCl в ортопородах Адирондака являются высокохлористые калиевые роговые обманки (jVkHW=36-48; до 1.5-2 мае. % хлора) и хлор-апатиты, ассоциирующиеся с гранатовыми коронарными структурами.

Субсолидусная диаграмма lg(atcci/aHCi/?-lg(aNaCi/aHciy7 (7=700°С, Р=6.5 кбар, ан2с/7=0.1 и Nc/'=\5) (рис. 7) иллюстрирует закономерности изменения составов сосуществующих Ort, PI и Kfs при вполне подвижном поведении щелочей во флюиде и общее изменение химических потенциалов щелочей при образовании гранатовых коронарных структур в метамангеритах комплекса Адирондак. Тренд на рис. 7 характеризует резкое снижение ан/ во флюиде при слабо увеличивающейся ак/7. Это означает, что короны возникли под контролем активности калия (вполне подвижное поведение калия). При этом влияние Na на протекание каких-либо реакций коронообразования установить не удалось, что позволяет сделать заключение об его инертности.

Модель образования гранатовых коронарных структур в метамангеритах и ме-таанортозитах

Микроструктурные и термобарометрические данные свидетельствуют о том, что Grt+Qtz+Kfs короны в метамангеритах и метаанортозитах сформированы на регрессивной стадии метаморфизма (субизобарическое остывание) при 7=700-600°С и Р порядка 6-7 кбар в результате взаимодействия пород с глубинным существенно водным (или водно-углекислым) восстановленным флюидом, обогащенным KCl. Минералогическим индикатором вполне подвижного калия при образовании коронарных структур в породах Адирондака являются Kfs каймы внутри корон и закономерные изменения составов сосуществующих Grt, PI и Kfs. В эволюции пород Адирондака выделяются две стадии: 1) высокотемпературная (700-600°С) проработка пород калиевыми водными флюидами; 2) низкотемпературная (ниже 500°С) стадия изменения пород водно-углекислыми флюи-

Температура, °С

Рис. 6 TAsfm диаграмма (Р=6 кбар). Ш - значения рассчитанные по равновесию Mt+Qtz+Pl=Grt+Oi для составов минералов в коронах; * - данные Дж. Вэлли и др. (Valley et al„ 1990).

3.5

Рис. 7 Субсолидусная диаграмма ^(акс/анаУ'-^^ас/ана/1 для ассоциации Сг1+0р.т+Р/+А75+()/1+(К^а-Н)С1 флюид в ортопородах Адирондака. Прямые линии - Nогк/\ субвертикальные линии - ЛгСаСг'.

дами (Morrison, Valley, 1988). Смена флюидных режимов аналогична той, что наблюдается в пятнистом чарноките (Глава 2).

Заключение

На примере двух контрастных по флюидному и РГ-режимам метаморфизма комплексов - пятнистых чарнокитов района Курунегала, Шри Ланка, и комплекса Адирондак, США, - изучена роль щелочей на протекание реакций в горных породах на регрессивной стадии метаморфического процесса.

1) Вполне подвижное поведение щелочей при метаморфизме связано с притоком глубинных подщелоченных флюидов, контролирующих реакции чарнокитизации и коронообразования в ортогнейсах при Т=750-600°С.

2) Минералогическими индикаторами вполне подвижного поведения К и Na при метаморфизме обоих комплексов являются каймы и микрожилы Kfs, а также закономерное изменение составов сосуществующих минералов при возникновении этих реакционных структур:

- к контакту с каймами калиевого полевого шпата основность плагиоклаза уве-

личивается по реакции 2;

- на контакте кайм Kfs с другими минералами образуются Qtz-Pl микрожилы (реакция 1);

- в контакте с каймами Kfs систематически снижается глиноземистость Орх (реакция 3);

- кальциевость граната в коронарных структурах систематически увеличивается в

сторону контакта с новообразованными каймами Kfs (реакция 7).

3) Ведущими факторами преобразования биотит-амфиболовых гнейсов в чарно-киты являлись возрастание химических потенциаллов К и Na во флюиде, тогда как образование Grt+Kfs+Qtz корон в метамангеритах и метаанортозитах комплекса Адирондак обусловлено субизобарическим остыванием пород при высокой активности К во флюиде. Важным фактором образования ассоциаций Opx+Kfs и Grt+Kfs+Qtz в изученных породах являлась относительно низкая с/1 ню, связанная с высокими концентрациями солей во флюиде.

4) На примере пород из Шри Ланки показано, что в процессе пятнистой чарнокитизации участвовали два несмешивающихся флюида: водно-солевой и углекислый. Воздействие этих флюидов на породы обусловило две стадии изменения пород: высокотемпературная (750(?)710-680°С) стадия изменения пород водно-

солевым» флюидами и низкотемпературная (650-470°С) стадия гидратации и карбонатизации, связанная с водно-углекислыми флюидами. В породах комплекса Адирондак также наблюдаются две последовательные стадии проработки пород водно (+ССЬ)-солевыми флюидами при 700-600°С и водно-углекислыми флюидами при Г ниже 500°С (Morrison, Valley, 1988, 1991). 5) Роль флюидных фаз, определявших протекание реакций в порода двух изученных комплексов, была несколько различна. Процесс пятнистой чарнокитизации пород Шри Ланки в основном обусловлен воздействием на ортогнейсы водно-углекислой флюидной фазы с относительно небольшими содержанием K-Na хлоридов. Метасоматические изменения в метамангеритах и метаанортозитах комплекса Адирондак вызваны второй водно-хлоридной фазой единого глубинного флюида

Сделанные выводы характеризуют вполне подвижное поведение щелочей как один из важнейших факторов эволюции минеральных парагенезисов изученных пород.

Список опубликованных и принятых к печати работ

1. Сафонов О.Г.. Вэлли Дж.В., Перчук Л.Л. (1995) Изотопная и композиционная характеристики сосуществующих минералов из метагаббро Нагорного комплекса Шри Ланки: интерпретация РТ условий. Петрология, т. 3, № 5, стр. 527-536.

2. Сафонов О.Г. (1996) Петрологическое доказательство подвижности калия и натрия при образовании пятнистых чарнокитов. Весник НСО, МГУ, Тезисы докладов на Международной конференции студентов и аспирантов "Ломоносов - 96".

3. Сафонов О.Г.. Перчук Л.Л., Геря Т.В. (1997) Уникальные реакционные структуры и режим щелочей при образовании пятнистых чарнокитов. Весник МГУ, серия 4, Геология, № 2, стр. 24-33.

4. Перчук Л.Л., Геря Т.В., ван Ринен Д.Д., Сафонов О.Г.. Смит С.А. (1996) Метаморфический пояс Лимпопо, Южная Африка: 2. Режим декомпрессии и остывания гранулитов и пород кратона Каапвааль. Петрология, т. 4, №6, стр. 619-648.

5. Safonov O.G.. Perchuk L.L., Gerya T.V. (1996) Reaction textures and mobility of alkalis and Ca during formation of patchy charnockites at Kurunegala, Sri

Lanka. International Symposium on Charnockite and Granulite Facies Rocks, Madras, India, pp. 39-40.

6. Safonov O.G.. Perchuk L.L., Gerya T.V., Touret J.L.R. (1997) Perfect mobility of K, Na and Ca during patchy (arrested) charnockite formation, Kurunegala, Sri Lanka. EUG 9 Abstaracts, Strasbourg, France, p. 454.

7. Perchuk L.L., Safonov O.G., Gerya T.V. (1996) Role of alkalis and Ca2+ mobility during formation of patchy charnockites. Goldschmidt Conference Abstracts, Heidelberg, Germany, p. 458.

8. Safonov O.G.. Perchuk L.L., Shur M.Yu. (1997) Compositional and PTevolution of Crd-Opx coronas around garnet. International meeting Mineral Equilibria and Databases, Espoo, Finland, pp. 63-64.

Закат Тип. МГУ

Тираж 100 экз.

Объем - 1 п.л.

Текст научной работыДиссертация по геологии, кандидата геолого-минералогических наук, Сафонов, Олег Геннадьевич, Москва

Московский Государственный Университет им. М.В. Ломоносова геологический факультет, кафедра петрологии

УДК 548.4+552.16 на правах рукописи

Сафонов Олег Геннадьевич

РЕАКЦИОННЫЕ СТРУКТУРЫ И ПОДВИЖНОСТЬ ЩЕЛОЧЕЙ ПРИ МЕТАМОРФИЗМЕ И ГРАНИТИЗАЦИИ

специальность 04.00.08 - петрология, вулканология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Научный руководитель: доктор геолого-минералогических наук, профессор, Л.Л. Перчук.

Москва -1997

Оглавление

стр.

Введение.................................................................................................................................................................................4

Глава 1. Геология и характер метаморфизма изученных

комплексов........................................................................................................................................................................................................................9

1.1 Геология и характер метаморфизма Центрального Гранулитового

Пояса Шри Ланки и прилегающих комплексов..................................................................................................10

1.2 Геология и характер метаморфизма комплекса Адирондак, штат Нью-

Йорк, США................................:....................................................................................................................................................17

Глава 2. Роль щелочей при образования пятнистых чарнокитов района

Курунегала, Шри Ланка............................................................................................................................................................................21

2.1 Формация пятнистых чарнокитов в Южной Индии и Шри Ланке..........................21

2.2 Существующие модели образования пятнистых чарнокитов...................... 22

2.3 Образование пятнистых чарнокитов района Курунегала, Шри Ланка............24

2.3.1 Геологическое положение и структурные особенности

процесса чарнокитизации в породах Шри Ланки..............................................................24

2.3.2 Зональность чарнокитовых пятен........................................................................................................25

2.3.3 Структурные и текстурные особенности зон....................................................................27

2.3.4 Составы минералов....................................................................................................................................................31

2.3.5 Изменение валового состава вдоль профиля гнейс-чарнокит..............44

2.3.6 Реакционные структуры и реакции чарнокитизации и дечарнокитизации..........................................................................................................................................................51

2.3.7 Флюидные включения............................................................................67

2.3.8 Термодинамические параметры чарнокитизации....................................................70

2.3.9 Модель образования пятнистых чарнокитов.................................. 86

2.3.10 Качественное экспериментальное моделирование реакций при взаимодействии К-Ыа флюида с биотит-амфиболовым гнейсом 91

Глава 3. Роль щелочей при образования гранатовых коронарных структур в

метамангеритах и метаанортозитах комплекса Адирондак (США)..................................100

3.1 Гипотезы образовании коронарных структур в породах

комплекса Адирондак..........................................................................................................................................................................101

3.2 Модель образования коронарных структур в породах

комплекса Адирондак..........................................................................................................................................................................103

3.2.1 Геологическое положение изученных образцов

метамангеритов и метаанортозитов........................................................................................................................103

3.2.2 Петрографическое описание изученных пород.......................................... 103

3.2.3 Составы и зональность минералов в метамангеритах

и метаанортозитах........................................................................................ 118

3.2.4 Реакции образования гранатовых коронарных структур в метамангеритах и метаанортозитах............................................................. 131

3.2.5 РТ и флюидные условия образования гранатовых коронарных

структур в метамангеритах и метаанортозитах.......................................... 133

3.2.6 Модель образования гранатовых коронарных структур в

145

метамангеритах и метаанортозитах.............................................................

Заключение............................................................................................................ ^

Приложения.......................................................................................................... 149

Список литературы............................................................................................... . _

Введение

Актуальность исследований. В 1962 г. Д. С. Коржинский предположил, что чарнокитизация метабазитовых комплексов может осуществляться не при повышении температуры, а за счет возрастания химической активности вполне подвижного калия в метаморфическом флюиде, обусловленного эффектом кислотно-основного взаимодействия (Коржинский, 1962). В СССР вслед за Д. С. Коржинским проблеме чарнокитизации и гранитизации вообще было уделено много внимания (например, Петрова, Левицкий, 1984). Однако за последние 30 лет прямых доказательств идеи о вполне подвижном поведении калия найти не удалось. За рубежом чарнокитизация, равно как и метаморфизм в РТ-условиях гранулитовой фации, объяснялись ведущей ролью углекислоты во флюиде, снижающей парциальное давление воды. Иными словами высокая, до 90% концентрация СОг (по данным изучения флюидных включений) во флюиде как бы осушает горные породы и приводит к реакциям дегидратации (например, Newton, 1986). Очень популярна на западе модель так называемого "сухого" метаморфизма. Эту модель, в частности, развивает Дж.Велли с сотр. (Valley et al., 1990). Эти исследователи полагают, что метаморфизм осуществляется без значительного участия внешних флюидов, а источниками углекислоты и воды являются карбонаты и водосодержащие минералы, соответственно. При прогрессивном метаморфизме эти минералы разлагаются и в какой-то мере участвуют в преобразовании горных пород.

Значительная часть российских ученых придерживается мнения, что при метаморфизме главными вполне подвижными компонентами являются НгО и СОг, а при гранитизации к ним присоединяются щелочи. Однако лишь недавно появились неоспоримые доказательства вполне подвижного поведения калия и натрия при гранитизации. Л.Л.Перчук и Т.В. Геря в большом цикле работ (Перчук, Геря, 1993, 1994; Perchuk, Gerya, 1992, 1993; Perchuk et al., 1994; Перчук, 1993 и др.) доказали, что активности калия и натрия во флюиде действительно играли ведущую роль в процессе чарнокитизации пород различного состава и образования чарнокитовых комплексов регионального масштаба (например, Побужский, Шарыжалгайский, комплексы Южной Финляндии и некоторые комплексы Южной Индии). Они также предположили, что пятнистые чарнокиты Шри Ланки и Южной Индии могут служить микромоделью формирования этих комплексов. Однако однозначных доказательств им не удалось найти, и потому формация пятнистых чарнокитов до недавнего времени считалась классическим примером углекислой модели чарнокитизации (например, Friend, 1981; Janardhan et al., 1982; Hansen et al., 1984a, 6, 1987; Newton, 1986, Yoshida, Santosh, 1994 и

многие другие). Вместе с тем, находки таких доказательств для пятнистых чарнокитов способствовали бы созданию единой модели чарнокитизации (Perchuk et al., 1994).

Несмотря на то, что свидетельства вполне подвижного поведения калия и натрия были описаны не только для чарнокитовых комплексов (например, Harlov, Franz, 1997; Harlov et al., 1997), роль щелочей при формировании других минеральных парагенезисов в гранулитовых комплексах ранее практически не изучалась. Между тем, находки в гранулитах первичных водно-солевых включений (Touret, 1995 а, Ь) свидетельствовали о повышенных концентрациях щелочей в метаморфических флюидах. Недавние теоретические и экспериментальные исследования показали, что высокотемпературный флюид может расслаиваться на углекислый и существенно водно-солевой (Аранович, 1991; Аранович и др., 1987; Шмулович, 1983; Bowers, Helgeson, 1983; Newton, 1995; Aranovich, Newton, 1997). Если первый характеризуется некоторой консервативностью, то второй флюид отличается высокой подвижностью при сравнительно низкой активности воды (Watson, Brenan, 1987). Такие флюиды играют важную роль в гранулитовом метаморфизме и, вероятно, именно водно-солевые растворы обуславливают вполне подвижное поведение щелочей. А это в свою очередь оказывает значительное влияние на ход метаморфических реакций в горных породах, обуславливая возникновение новых минеральных ассоциаций в процессе метаморфизма. Поэтому находки минеральных реакционных структур, возникших и развивавшихся за счет возрастания активностей вполне подвижных К или Na, определили главную задачу этой работы. На этом фоне возникла новая задача: роль щелочей при формировании реакционных структур в породах гранулитовой фации метаморфизма.

Изучение вполне подвижного поведения щелочей при метаморфизме и гранитизации очень актуально и с точки зрения термобарометрии минеральных парагенезисов. Так, JI.JI. Перчук (1993) доказал, что активности калия и натрия во флюиде существенно влияют на составы сосуществующих минералов. Поэтому термобарометрические исследования невозможны без независимой оценки активностей щелочей при метаморфизме.

Из рассмотренных задач со всей очевидностью вытекает цель данной диссертационной работы.

Цель работы - доказать ведущую роль химических потенциалов вполне подвижных К и Na во флюиде при гранитизации (чарнокитизации), а также в ходе протекания флюидно-минеральных реакций в условиях гранулитовой фации метаморфизма на конкретных хорошо изученных объектах:

(1) пятнистые чарнокиты Шри Ланки и

(2) гранатовые коронарные структуры в породах гранулитового комплекса Адирондак, США.

Научная новизна работы.

(1). В диссертации впервые приводятся сведения о находке реакционных структур в гнейсах Шри Ланки, микроструктурное и химическое изучение которых позволило создать систему доказательств вполне подвижного поведения калия и натрия в процессе образования пятнистых чарнокитов. Это позволило однозначно подтвердить предположение (Perchuk et al., 1994) о том, что чарнокитовое "пятно" может являться микромоделью образования региональных чарнокитовых комплексов.

(2). В диссертации впервые охарактеризована роль активностей щелочей в процессе образования гранатовых коронарных структур в ортопородах комплекса Адирондак (США). Это дало возможность доказать вполне подвижное поведение К и Na на ретроградной стадии гранулитового метаморфизма.

Основные защищаемые положения

1) Доказано вполне подвижное поведение калия и натрия во флюиде, которое обуславливает возникновение и эволюцию пятнистых чарнокитов Шри Ланки, а также приводит к образованию парагенезиса гранат+калиевый полевой шпат+кварц на регрессивной стадии метаморфизма гранулитов в температурном интервале 750-600°С.

2) Минералогическими индикаторами возрастания активностей щелочей являются новообразования кайм и микрожил щелочного полевого шпата.

3) Геохимическим индикатором подвижности щелочей являются:

а) снижение глиноземистости ортопироксена и биотита в контактах с новообразованным калиевым полевым шпатом;

б) увеличение основности плагиоклаза или развитие мирмекитоподобных микрожил на фронте метасоматического замещения плагиоклаза калиевым полевым шпатом;

в) увеличение кальциевости граната в контактах с новообразованным калиевым полевым шпатом.

4) Вполне подвижное поведение калия и натрия обусловлено изначально постоянными их концетрациями во внешнем водно-углекисло-солевом флюиде, не меняющимися в ходе метасоматических реакций. При этом установлено две температурные стадии протекания этих реакций: а) 750-600°С, обусловленная водно-солевыми флюидами и б)

ниже 600°С, обусловленная водно-углекислыми флюидами с небольшими концентрациями щелочей.

Практическая ценность работы

Результаты исследований, приведенные в диссертационной работе, могут быть использованы при изучении процессов чарнокитизации метаморфических пород и создании общей модели чарнокитизации. Обнаруженные реакционные структуры могут быть использованы как индикаторы вполне подвижного поведения щелочей при метаморфизме. Разработанные совместно с Т.В.Герей методы расчета химических потенциалов щелочей могут оказаться полезными при исследовании процессов регионального метаморфизма.

Фактическая основа и методы исследования

В работе использованы образцы метаморфических пород Шри Ланки, любезно предоставлены проф. Л. Л. Перчуком и Т. В. Герей. Использованные для исследований образцы пород Адирондака собраны автором во время геологической экспедиции в район Адирондака (май 1993). Я также воспользовался некоторыми образцами, любезно предоставленными в полное мое распоряжение проф. Дж. В. Вэлли (Университет Висконсин-Мэдисон, США). Исследования составов минералов и их зональности проводились с помощью электронного микрозонда с EDS Link AN10/85S в лаборатории микроанализа кафедры петрологии МГУ. В процессе исследований было произведено около 4000 микрозондовых анализов. Наряду с петрографическим изучением образцов, было проведено 23 модельных эксперимента. Анализ гранатов на соотношение стабильных изотопов кислорода (см. глава 1) проводился с использованием лазерной методики разделения изотопов в лаборатории изотопного анализа Университета Висконсин-Мэдисон (США) под руководством проф. Дж. В. Вэлли. Данные анализа флюидных включений в изученном чарнокитовом пятне (см. глава 2) предоставлены проф. Ж. Л. Р. Туре (Амстердамский университет, Нидерланды). Эксперименты по моделированию реакционных структур в чарнокитах (см. глава 2) проводились в Институте экспериментальной минералогии РАН.

Апробация работы

По теме диссертации опубликовано и принято в печать 4 статьи и 5 тезисов докладов на международных конференциях. Результаты исследований были представлены на Международных конференциях студентов и аспирантов по фундаментальным наукам

"Ленинские горы-95, 96", Гольдшмидтовской конференции (Германия, Хайдельберг, 31 марта-4 апреля 1996), Симпозиуме по гранулитовым и чарнокитовым породам (Индия, Мадрас, 29 августа-4 сентября 1996) и Европейском геологическом конгрессе (EUG 9) (Франция, Страсбург, 23-28 марта 1997)

Объем работы

Диссертационная работа состоит из 3 глав, введения, заключения и приложения. Общий объем работы составляет 167 страниц. Работа содержит 36 рисунков и 15 таблиц. Список литературы включает 128 названий.

Благодарности

Профессор Л.Л. Перчук поставил перед автором задачу исследования и систематически осуществлял научное руководство работой. Доцент Т.В.Геря предоставил каменный и, частично, аналитический материал по пятнистым чарнокитам Шри Ланки, а также оказал помощь в термодинамических расчетах. H.A. Коротаева и Е.В. Гусева оказали неоценимую помощь в работе на микрозонде. Профессор Дж.В. Вэлли (Университет Висконсин-Мэдисон, США) предоставил каменный материал по Адирондаку и содействовал в решении проблемы изотопного состава кислорода в гранатах из метабазитов Шри Ланки; он также принял активное участие в обсуждении результатов исследований. Профессор Дж.М. МакЛелланд (Колгейт Университет, США) возглавил экспедицию в район Адирондака, а также предоставил огромный литературный материал по геологии и петрологии этого комплекса. Профессор Ж.Л.Р. Туре (Амстердамский Университет, Нидерланды) произвел анализ флюидных включений в образце изученного чарнокитового "пятна" из Шри Ланки. Всем им автор выражает сердечную признательность.

Условные обозначения, принятые в работе

Термодинамические параметры

Т - температура; Р - давление; af - активность компонента i во флюиде; у/7 -коэффициент активности компонента i во флюиде; ¡i/1 - химический потенциал компонента i во флюиде; f\ - фугитивность компонента i; G - свободная энергия Гиббса, кал/моль; S - энтропия, кал/моль/К; V - объем, кал/бар; Н - энтальпия, кал; R =1.987 кал/моль/К; AG°r, AS°r, АН°Г, AV°r - изменение соответствующих

стандартных параметров в реакции г; W¡, j - параметр взаимодействия компонентов

Р1

i и j в твердом растворе; Nc*u„) = 100-Ca/(Ca+Na+K) - мольный процент анортитового компонента в плагиоклазе; N^(0ryKfs = 100-K/(K+Na) - мольный процент ортоклазового компонента в щелочном полевом шпате и роговой обманке; N0K0px = 100-Al/(Al+2Mg+2Fe) - мольный процент ортокорундового (А1АЮз) компонента в ортопироксене; NEn0px =Nu°px (1 -NOK0px) - мольный процент энстатитового компонента в ортопироксене; NFs0px =(1-Nms°px) (1 -N0K0px) -мольный процент ферросилитового компонента в ортопироксене; Na\Cpx = 100-Al/(Al+2Mg+2Fe+2Ca) - мольный процент алюминия в клинопироксене; NEastBt = 100-(Al-l)/(Al-l+2Mg+2Fe) - мольный процент истонитового компонента (КА170ю(0Н)2) в биотите (ф.е. рассчитаны на 11 атомов О); NPMBt -NmsBí (\-N0K0px) - мольный процент флогопитового компонента в биотите; NÁnnBt =(1-Nu°px) (1 -N0K0px) - мольный процент аннитового компонента в биотите; iVMg=100-Mg/(Mg+Fe) - мольный процент магния в железо-магнезиальных минералах; iVca=100-Ca/(Ca+Mg+Fe) - мольный процент кальция в гранате и клинопироксене; Nsim'= 1 OOSi/(Si+Ti+AI+Fe+Mn+Mg) - мольный процент кремния в роговой обманке; Nai™- 100Al/(Si+Ti+Al+Fe+Mn+Mg) - мольный процент алюминия в роговой обманке. Символы минералов:

АЬ - альбит; Aim - альмандин; A In - аланит; An - анортит; Апк - анкерит; Ann -аннит; Ар - апатит; Bt - биотит; Cal - кальцит; СМ - хлорит; Crd - кордиерит; Срх -клинопироксен; Сит - куммингтонит; Di - диопсид; East - истонит; Еп - энстат�