Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Роль редких и редкоземельных элементов в геохимии мантийных лерцолитовых нодулей

ВАК РФ 04.00.02, Геохимия

Автореферат диссертации по теме "Роль редких и редкоземельных элементов в геохимии мантийных лерцолитовых нодулей"

^ и и 3

«

Академия Наук СССР

Ордена Ленина и Ордена Октябрьской Революции Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского

На правах рукописи

ШУБИНА Нина Алексеевна

РОЛЬ РЕДКИХ И РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В ГЕОХИМИИ МАНТИЙНЫХ ЛЕРЦОЛИТОВЫХ НОДУЛЕЯ (ПО ДАННЫМ ОПТИМИЗИРОВАННОГО НЕИТРОННО-АКТИВАЦИОННОГО АНАЛИЗА)

04.00.02 - геохимия

Автореферат

диссертации на еоисканне ученой степени кандидата гвологс-минералогических наук

Москва 1991

Работа выполнена в Институте геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского АН СССР

Научные руководители: доктор геолого-минералогических наук, член-корр. АН СССР JI.H. Когарко

Кандидат химических наук

ст. науч. сотрудник Г.М. Колесов

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Ю.С. Геншафт

кандидат геолого-мннералогических наук O.A. Луканин

Ведущая организация: Институт геологии рудных месторождения.

петрографии, минералогии и геохимии (ИГЕМ АН СССР)

Защита состоится "¿ААр 1992 г. в'№ час на заседании Специализированного совета по геохимии Л 002.59.02 при Институте геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского- АН СССР по адресу: 117334, Москва, ул. Косыгина. 19.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института

Автореферат разослан 1991 г.

Ученый секретарь Специализированного совета ^

А.П. Жнднкова

Общая характеристика работы

Вопрос о составе и строении верхней мантии Земли относится к одному из важнейших в геологии и геохимии. Наблюдаемые на поверхности геологические явления - тектонические. метаморфические, магматические и т.п. - являются следствием и отражением процессов, протекающих в глубинных зонах Земли. Единственную возможность непосредтвенного исследования вещества мантии дают породы мантии, в частности, ксенолиты, выносимые лавами на земную поверхность. "оэтому они заслуживают особого внимания и подвергаются самому тщательному изучению. В настоящее время для этих целей широко используются данные геохимии редких элементов, что способствует повышению достоверности научных выводов о закономерностях распределения. Фракционирования и миграции вещества верхней мантии Земли в процессе еа эволюции. Однако сфера применимости индикаторных свойств редких элементов в значительной мере ограничивается возможностями используемых методов анализа. По сравнению с традиционно используемыми атомно-эмнсси-онным и химическими методами неятронно-активационный метод (НАА) является одним из наиболее перспективных при анализе ультраосновных пород и мантийных включения в особенности. Это связано с низкими пределами обнаружения элементов, достаточно высокой точностью. широким диапазоном определяемых содержания, возможностью проведения анализа без разложения проб, способностью определять наиболее информативные группы элементов - в частности редкоземельные (РЗЭ1. сидерофильные и др. В предлагаемой работе результаты исследования нодулея шпинелееых лерцолитов базировались на данных о химическом составе, полученных методом оптимизированного инструментального неятронно-активационного анализа.

Цель и задачи исследования. Основная цель диссертационной работы состоит в получении надежных данных о кикросоставэ мантипных нодулея. в исследовании распределения, фракционирования и миграции редкоземельных и других редких элементов в верхней мантии в холе эволюции мантиансго весества на основе изучения ее образцов

\

л

- ысдулея шпинелевых лериолитов. выносимых в щелочных базальтах на поверхность Земли а различных регионах мира. Решались следующие основные задачи: 1) усовершенствование методики инструментального нейтронно-активационного анализа (ИНАА) с целью более надежного определения геохимически информативных химических элементов и увеличения числа определяемых элементов в образцах ноду-леи шпИнелавых лерцолитов; 2) изучение геохимиии РЗЭ в процессах Фракционирования и миграции мантийного вещества; 3) исследование поведения в этих процессах когерентных (Ш. Эс. Со. Сг). некогерентных (Ва, и, 171) и рассеянных (Аи) микроэлементов.

Научная новизна. Разработан вариант оптимизации инструментального нейтронно-активационного анализа, основанный на численном моделировании гамма-спектров образцов заданного состава для наховдения наиболее благоприятных (оптимальных) условии проведения ИНАА о использованием тепловых и резонансных нейтронов. поэволиеиип одновременно определить наиболее информативные группы редких элементов. Метод применен при исследовании нодулеп ицикелевих лерцолитов в щелоч1шх базальтах ранее не изученных проявлении в семи континентальных и океанических регионах мира.

На основании полученных результов показано, что "опробованные" зоны верхней мантии сформировались при вироком развитии таких процессов, как частичное плавление, повторное метасоматическое обогащение, фракционная кристаллизация. Показана значительная гетерогенность мантии по ряду геохимических элементов, в том числа ПО Ва, Со, Сг, Ш. Пл. и.

По индикаторному значынию микроэлементов в исследовании ман-тиящгх процессов отмечена наиболее информативная группа сильноне-когерентных микроэлементов, таких как легкие РЗЭ. Ва. К, яь, Сз. и. ТЬ.

Выделено ы исследовано венество верхней мантии, близкое к среднему теоретическому составу примитивной мантии.

Практическое эначенне. Разработана методика нейтронно-актива-ционного определения около 40 различных по физико-химическим и геохимическим свойствам элементов, применимая для ультраосновных

пород и любых других природных и промышленных материалов ,■ повышена эспреоснооть и точность анализа.

Методы исследования. Для обработки гамма-спектров облученных образцов о целью получения данных об их качественном и количест-пенном составе, а также для оптимизации инструментального варианта НАД автором разработаны пакеты программ применительно к ЭВМ ЕС-1010 и адаптированных к 1ВМ РС АТ. На измерительных системах, включаюаих полупроводниковые кремння-литиеБие детекторы с анализаторами импульсов 1СА-70. ЬР-4900. №_1С-8192 выполнено около 8000 элементоопределения редких и редксземельных элементов во вмещавших породах, нодулях и минералах.

На защиту выносятся:

1. Алгоритм оптимизации инструментального нейтронно-акти-вационного анализа:

2. Вариант методики ИНДА ультраоснсвных пород с использованием тепловых и надтепловых нейтронов:

3. Данные о региональных особенностях иодулея шпинелевых лериолнтов семи районов исследования в континентальных п оке--анических областях.

4. Выводы о геохимическом поведении РЭЭ и других редких элементов в процессах эволюции вещества верхней мантии при воздействии таких процессов, как парциальное плавление, фракционная кристаллизация и метасоматическая проработка.

5. Выводы о наиболее информативных силънонехогеренткых микроэлементах. имеющих важное значение пря исследовании мантипннх процессоа.

6. Данные по исследованию относительно примитивного вепества верхней мантии.

Апробация работы и публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 10 статьях и доложены ка 7 всесоюзных семинарах и конференциях: XII семинаре "Геохимия маматнчоских пород" (Москва. !9Уь!: I Есесокэноп конференции "Математические методы и ЭВМ в аналитической химии" (Москва. 1986); I Всесоюзной конференции по аналитической химии радиоактивных элементов (Москва. 1986): Вое-

союзном сомниаре "Планирование эксперимента в радиоаналитических методах и обработка результатов на ЭВМ" (Рига, 1986),- XIII семинаре "Геохимия магматических пород" (Москва. 1987); V Всесоюзном совещании по активадионному анализу и другим радиоаналитическим методам (Ташкент, 1987); XIV семинаре "Геохимия и физико-химическая петрология магматизма" (Москва. 1988), VIII международной конференции "Современные направления в ахтивационном анализе" (Вена. 1991).

Обьем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы (главы I.III), экспериментальной части (глава II). результатов исследования (главы IV.V). выводов, списка литературы. Работа изложена ад 2QÖ страницах машинописного текста, содержит 23 таблицы. 59 рисунков. Библиография включает 234 наименования. В диссертации изложены результаты исследования, выполненных автором в период 1984-1991 г. в соответствии с планами лаборатории геохимии щелочных пород и центральной лаборатории анализа вещества.

Общая постановка задачи работы и проведение исследовании осуществлялись под научным руководством к.х.н. Г.м. Колесова и д.г,-М.Я.. чл.-кор. АН СССР, J3.H. Когарко. В процессе выполнения работы автор пользовался консультациями и помощью В.А. Туркова, Н.С. Муравьевой, п.А. Коровапкова, И.Д. Рябчикова, В.И. Коваленко, Л.В. Солольевоя. В.Г. Семеновой. Л.С. Егорова, П.Л. Хижняка, а также поддержкой творческих коллективов указанных лаборатория. Всем км, и особенно научным руководителям, автор выражает глубокую благодарность.

Содержание работы

ГЛАВА I. Физико-химические свойства и распространенность

редких и редкоземельных элементов в породах верх. ней мантин Земли (обзор литературы)

рассмотрены возможности ц роль редких и редкоземельных элемен тов как индикаторов геологических процессов.

Обсуждены данные о геохимическом поведении отдельных элементов СП. v, Сг. Мп. Со. N3. Б. Си. 2п, ба. ПЬ У, 2г. Ад, Сй. 1п. Се. Ва. РЗЭ, Нг. Та. И. Нд. Ц) .

Особое внимание обращено на распределение РЗЭ в породах мантии. Отмечается, что исследования по распределению РЗЭ в породах, происходящих из подкоровых недр, во многом определили современное представление о сложности их генезиса и геохимической неоднородности верхней мантии.

Значительно возросший интерес к геохимии РЗЭ обязан двум обстоятельствам: 1) признанию, что степень фракционирования РЗЭ в породах и минералах может быть важным геохимическим индикатором и 2) тому, что прогресс в методах анализа сделал возможным достаточно точные количественные определения, как суммы, так и отдельных РЗЭ даже в случаях весьма низких их концентрация. Дашшэ о распространенности РЗЭ используются э настоящее время для решения многих проблем, в том числе таких, как эволюция магматических пород. включая процессы частичного плавления и смешения магм. При этом сопоставление экспериментальных данных, о распространенности РЗЭ о предсказанными путем теоретического моделирования петроге-нетических процессов, позволяет существенно ограничить число возможных петрологических гипотез.

В последние де.сять лет стало обиепризнанкым допущение того, что глубинное вещество, близкое к хондрнтам по уровню концентрация РЗЭ и по характеру нх опектря, может представлять собоп недифференцированную мантию, а отклонение содержания РЗЭ в нормированном виде от горизонтальных прямых на графиках отражают степень дифференциации мантийного вещества. Таким образом, в зависимости от вида спектра горная порода мантийного происхождения рассматривается либо как тугоплавкнп остаток от выплавления, либо как кристаллический кумулат. закристаллизованная выплавка, а также и в качестве первичного недифреренцированнго вещества, претерпевшего' метасонатические изменения с привносом или еыносом РЗЭ.

Как было установлено экспериментально, при одних и тех же температурах 1! давлениях легкие РЗЭ. в сравнении о тяжелыми РЗЭ,

легче и охотное перераспределяются из кристаллическои фазы в водный флюид, .причем коэффициент распределения между паром и крис-. таллом (к быстро увеличивается с увеличением дав-

ления пара. Это объясняется тем, что среди главных породообразующих минералов лерцолита нот нн одного, благоприятного для концентрации легких РЗЭ - в отличие от 5с. тяжелых РЗЭ. а также Са и А1, способных концентрироваться именно в этих минералах. Установлено, что концентратором и носителем тяжелых РЗЭ в перидотитах а п и целевой фации'глубинности являются кли-ногшроксены. Подтверждением может служить положительная корреляция. близкая к линейной, между тяжелыми РЗЭ и СаО.

Принимается, что Земля в целом имеет относительное распределение РЗЭ аналогичное их распределению в хондритовых метеоритах. Тем самым признается, что первичная неизмененная мантия имеет одинаковую с хондрнгошми метеоритами распространенность РЗЭ. Поскольку отделившаяся от мантии земная кора относительно обогащена легкими РЗЭ, т.е. отнопенио легких РЗЭ к тяжелым РЗЭ >1. следует полагать, что мантия, являющаяся остатком такого деления, должна иметь отношение этих групп элементов <1.

/Точно определить абсолютное содержание РЗЭ в первичном мантийной материале довольно затруднительно, т.к. содержание РЗЭ в раз-_личных.типах- хоидритов. как ужо упоминалось, значительно, примерно в два раза, варьирует. Болыаинство хондрит-нормалиэованных диаграмм для РЗЭ основаны на данных для обычных хондритов. Если для опенки содержания РЗЭ для Земли в целом принимаются содержания РЗЭ в углистых хондритах, то содержание РЗЭ в первичном материале мантии должны быть выаа в 1.9-2.6 из-за потери летучих компонентов в процессах первичной аккреции Земли и некоторого дефицита РЗЭ в ядре.' '

ГЛАВА II. Определение микроэлементов в мантийных нодулях шпинелево-лерцолитового состава

в этой главе изложен принцип.оптимизации инструментального неятронно-активациомкого анализа.

?

Таблица, 1

Сравнительные условия проведения НАЛ образцов ультраосновных пород, рекомендованные в настоящей работе (1) и применяемые ранее (2) {1.91

Облучение

Параметр надтепловыми нейтронами тепловыми иеятронамн

(1) . (2) (1) (2) .

Масса,мг 400 80-100 15 15-20

160 80-100 ' 10 20

130 60-70 66 30-100

!„,»„. С 200 2000-3000 1000 . 100 300 1000

130-150 60-700 100

160-300 190-240 66-140 240-260

400-700

При использовании этого варианта метода анализа мантийного вещества возникают осложнения, связанные с появлением в гамма-спектрах исследуемых образцов высоких фоновых помех от петроген-ных и силькоактивнрующихся микроэлементов, таких, например, как Сг. Со. Зс. Поэтому при исследовании подобных образцов часто используют радиохимический вариант метода анализа, а также широко применяет методику приблизительного подбора условии проведения анализа, основанную главным образом на эмпирических данных, однако при .радиохимическом варианте метода возможны некоторые потери элементов во. время разложения образцов. При эмпирическом выборе условий трудно учесть все параметры, которые влияют на проведение анализа.

Нами предложена и разработана методика, позволяющая с учетом возможностей измерительной аппаратуры и данных о среднем составе ' анализируемых образцов, расчитать оптимальные условия проведения инструментального неятронно-ахтивационного анализа нодулея шпи-нелевых лерцолитов.

Б качестве такого критерия оптимизации выбрана величина предела обнаружения,' как наиболее полно отвечающая задачам анализа Образцов горных пород, состав которых оильно изменяется по содержанию 'макро- и микроэлементов.. Целевой функцией оптимизации является максимальное значение отношения квадрата регистрируемой наведенной активности определяемого элемента к обией регистрируемой наведенной активности! _ . ■,

где N. число импульсов в пике полного поглощения гамма-квантов,

Нг — число импульсов фона в облаоти пика. Пик считается обнару-* .

ленный при УСЛОВИИ

Поиск оптимальных условий проведения анализа состоит, таким образом, в выборе временных режимов (времени облучения, измерения и охлаждения) и в определении величины массы образца с учетом общей продолжительности анализа и суммарной активности образца; существенную роль играет и энергетический спектр нейтронов. • Приведенное уравнение решается численный методом на основе моделей гамма-спектров образцов -заданного состава, в которых

рассматриваются около 40 элементов и 70 сответствуюэдх ям основных гамма линия радионуклидов.

По предложенной методике расчетным путем вначале били определены области допустимых значения функция i*. Вияблено, что для образцов, облученных тепловыми неотронами, характерно резкое возрастание величины наведенной активности при их массе, большей 35 мг и времени облучения, большем 30 час. Для образцов, облученных резонансными нейтронами, наведенная активность резко нарастает при продолжительности облучения более 160 час и массах, больших 400 мг. Результатами решения приведенного выше уравнения являются индивидуальные для каждой матрицы оптимальные значения времени облучения образцов в реакторе, их охлаждения после облучения. измерения на детекторе и воличины массы (табл.1). Путем сравнения двух режимов облучения сделан вывод, что при анализе образцов ультраосновкого состава большинство элементов лучше определять при использовании облучения резонансными нейтронами относительно больших масс образцов.

Использование разработанной методики поэзояило снизить пределы обнаружения ряда микроэлементов в 1.5 - 150 раз в образцах горных пород ультраосновного состава.

ГЛАВА III. Ультраосновные включения а щелочных базальтах и кимберлитах.

В настоящее время основная задача исследования горных пород мантийного происхождения заключается в разработка и обосновании моделей мантии Земли, в выявления геохимических закономерностей в процессе эволюции веяества мантии. Познанию и расшифровке необратимой дифференциации Земля служит исследование нодулея из базальтов и кимберлитов.

В главе приведены краткие сведения об истории исследования ксенолитов и данные о состоянии изученности перидотитоигх включения.

Приуроченность ксеногенного материала к щелочным базальтсидам, вероятно, обусловлена не химизмом вулканитов, а механизмом поступления расплава к поверхности. Обычно, маловязкие, быстронзлн-ваюциеся базальтовые лапы, фсрмируюяие лаЕовые потоки и покровы.

не содержат глубинных нодулея, а срациальны$ разновидности базальтов. например, шлаки, пнрокласты и т.п.. локализующиеся вблизи вулканических центров, наоборот, насыщена ксенолитами.

Судествует связь между типом вмещающей магматической породы, наибольиея глубиной захваченных ею ксенолитов и возрастом геологической провинции, в которой эти породы извергались. Большее число мелкорасположенных очагов плавления в мантии наблюдается в областях с тонкой "горячей" литосферой - в областях океанических и континентальных рифтовых зон. Кагмы этих областей являются более насыщенными кремкекислотоя, а состав ксенолитов отвечает гарцсугнтам и лериолитам. В древних континентальных провинциях наьлюдаетсл более основной состав магм и пиропсодержащие ксенолита являютол более распространенными.

Выявление геохимических особенностей нодулей из различных регисиоБ мира позволяет не только оценить состав литосферы этих регионов, но и проследить ее эволюцию в течение геологического времени, понять закономерности ее изменения в вертикальном и латеральном направлениях.

В работа дается обчее описание ксенолитов и вмещающих пород из семи малоизученных местонахождения, приводятся данные по изучению их петрографических и геохимических особенностей. Очевидно, что для исследования кештшших процессов первостепенное значение имеет исследование химического состава мантийного вещества, включая распределение в нем редких и рассеянных элементов.

ГЛАВА IV. Региональные особенности лорцолитовых нодулей в щелочных базальтах

Подробно описаны иодули семи регионов исследования: вулкана Цаварыл-Царам (КНР); региона Токийского Становика; хребта Удокан (Байкальская рифтовая зона): оазиса Лжетти, Земля Мак-Робертсона, Антарктида; вулкана Сверре. архипелаг Шпицберген; островов Зеленого Мыса: архипелага Галапагоос. Приведены и систематизированы данные химического анализа главных компонентов и микроэлементов. Обсуждены данные статистической обработки аналитических данных.

а

полученных по результатам расчетов парнсп корреляции, рассмотрен подробный иллюстративный материал по петрохимии исследованных нодулеи. Показано, что особенностью нодулеп вулкана Шаварын-Царан является их относительная свежесть: процессы метасоматоза здесь проявляются в очень незначительной степени. Большинство этих нодулея можно отнести к слабодеплетированным разностям. Характерным признаком нодулея Удокана является относительно высокое содержание "базальтовых" компонентов. Нами выделена больная группа мата-соматизированных образцов этого региона. Особенно сильное проявление мантипного метасоматоза отмечено для нодулеп Токийского Становика и Антарктиды. Подули Шпицбергена характеризуются разнообразием составов, однако их эволюция, вероятно, укладывается в более простую модель по сравнению с нодулямн континентальных риф-товых зон. Особенностью нодулея островов Зеленого Мыса является их /исключительная деплетироЕанность базальтовыми компонентами и некогерентнымии микроэлементами. Нодули архипелага Галапагосс. вероятно, отражают процесс субдукцни, протекающая в этом региона.

Глава V. Результаты исследования химического состава нодулея

В данной главе обобщены полученные результаты регионального исследования нодулеп. Отмечается, что при общих закономерностях изменения составов нодулея. они гетерогенкы по составу при переходе от рапона к рапону. Установлены региональные различия по содержанию Мд. Сл. А1. 31. Зс. Основываясь на данных о вариациях состава нодулея относительно неизмененного вещества как в пределах одного региона, так и при переходе к другим регионам, а также различных степенях его проработки процессами плавления в разных регионах мира, мы показываем, что гетерогенность нодулея обусловлена тремя главными факторами: 1) изначальной гетерогенностью мантии в различных регионах: 2) межрегиональным различием термодинамических условий: 3! различием термодинамических условий в пределах отдельного региона.

Обращено вниманий, что изученные нодулн характеризуются обпеп

обеднонностью всеми микроэлементами, за исключением группы сиде-рофнльних микроэлементов (Ге, Со. Н1) и Эс. По содержанию микроэлементов нодули заметно различаются от района к району, от их положения в континентальных или океанических областях. Значительные вариации содержании наблюдаются для легких РЗЭ. Со, Сг, Зс. Еа, и. ТЬ (рис.1). Наиболее обеднены РЗЭ и другими силыюне-когерзнтными микроэлементами нодули островов Зеленого Мыса. Наиболее обогащены ими нодули региона Токийского Становика и оазиса Джетти в Антарктиде. Высокое содержание Со отмечено для части но-дулеп Антарктиды, большой разброс содержании Сг отмечен для группы нодулеа 'Гокинокого Становика.

Еа определен в основном в двух регионах - образцах вулкана Еаварын-Царам и Токийского Становика. При этом оказалось, что нодули Токинского Становика содержат Ва в среднем на порядок выше уровня содержании в нодулях вулкана Шаварын-Царам. Получены также единичные данные по содержанию Ва в нодулях Удокана и Шпицбергена, при этом обращает на себя внимание, что эти образцы отнесены к относительно неизмененному веществу или к разновидностям, претерпевши* значительное метасоматическое обогащение-сильнонекоге-рентными микроэлементами. Содержания Ва при этом в метасоматчзиг рованных Образцах в 5-10 раз превышают уровень его в оносительно недифференцированном веществе. Многие образцы из Удокана и вулкана Сверре (Шпицберген) характеризуются повышенным содержанием ТЪ и и.

В целом, литосфэрная мантия континентов является более пестрой по содержанию макрокомпонентов. Особенно это следует нэ поведения N1, Со. Сг. Зс. Очевидно, вещество мантии в пределах континентальной литосферы прошло более длительный и сложнып путь развития. включая смену процессов плавления и обогащения, чем мантийное вещество из океанических областей., На это также указывает тот факт, что когерентные микроэлементы в нодулях островов обнаруживают значительно лучше выраженные корреляционные зависимости с рестнтовыи компонентой МдО: это .соответствует модели одностадийного плавления вещества мантии.

3.5 3 2.5

1.5

0.5

п

290 2+0 220 200 1?0 160

I

Ч

а 120 '00 ео ео +о 20 о

0 2*63

(.а.ррго

Рис. 1. Сводные диаграммы содержании микроэлементов в нодулях

(А- Антарктида. С-о-ва Зеленого Мыса. С-Галапагоссы.

М-Шаварын-Парам. Б-Шпицберген, Т-Ток.Становик, . и-Удокан)

□ и

□ и аи

пи

°5 ' „и □ и

аи пи

¿а* а3

2

и.ррт

о

ОТ " '

ОТ

□ Т от ат от ат „ от ат □ т □ т ат

□ т 1Г ат •

Т-1-*-1-1-1-г

-It

Из исследояаннон коллекции нодулея (150 образцов) можно выде-' лить три характерных группы нодулеи. Первая группа - это мета-соматизированные нодули. имеющие характерный спектр РЗЭ: они обогащены легкими РЗЭ относительно хондритов от единиц до десятков раз. а содержания тяжелых РЗЭ составляют ат.0.3 до первых единиц С1. Вторая группа - относительно неизмененное вещество верхней мантии, характеризуещееся низкой магнезиальностью, высоким содержанием А1. Са, Si. Спектры РЗЭ делятся на два типа: а) обедненные легкими РЗЭ. при этом средние и тяжелые находятся в количествах, презыщающих уровень хондритов в 1.9-2.6 раза; 6) нерасаепленные спектры РЗЭ с уровнем обогащения 1.9-2.6 раза относительно хондритов. Третья группа -.деплетированные нодули. характеризующиеся высокой магнезиальностью. низким содержанием базальтовых компонентов - А1. Са. Si. Ti и низким содержанием РЗЭ. Спектры РЗЭ этой группы обычно слабо дифференцированы, уровень РЗЭ доходит до 0.3 С1.

Следует отметить, что состав абсолютного больиинства образцов отвечает составам вещества с наложенными характеристиками вышеперечисленных типов. Таким образом, состав больиинства нодулея отражает сложный процесс эволюции мантии.

Наиболее интересным для исследования процессов в верхней мантии является вещество, которое по содержанию-породообразующих элементов и микроэлементов оценивается наиболее близким к примитивному. неизмененному субстрату верхней мантии. Такие ксенолиты являются относительно редкими образованиями в общем числи изученных образцов. Они выделены в каждом изученном регионе, за исключением архипелага Галапагосс. Химический состав нодулой этого типа показывает, что по отношению к составу каменных метеоритов-хондритов они подвергались дифференциации, при которой степень плавления была незначительней. Это привело к- удалению из мантии редких и несовместимых элементов - легких РЗЭ. Еа. Rb, Сз. Н£, но но могло заметно повлиять на баланс глашгых элементов. таких как Са и А1 . По-видимому, деплетирован.чю такого типа' подверглась бол:.'¡ч'.С"Ь. если но и^еь неходкий ь-.;:л мактим*

•/Г

Для этих нодулеп отмечены высокие содержания Сг и Бс и низкие концентрации Ш и Со. Благодаря высоким содержаниям Са и А1 эти породы могут быть источниками генерации базальтовых маги. Согласно нашим данным и мнению ряда исследователей. ни один из но-дулей шпинелевых лерцолитов не эквивалентен среднему теоретическому составу примитивной мантии (Рию. Из 17 изученных модулей, состав которых отвечает относительно неизмененному вецеству верхней мантии, только 5 образцов наиболее близко подходят к составу теоретической примитивной мантии (рис.2). Это иодуль Ко-1 из вулкана Шаварын-Царзм, образец 18 из вулкана Сверре и 3 образца из Антарктиды (96. 101 н 106^. Остальные нодули характеризуются более измененным составом, т.е. претерпели процессы вторичного преобразования.

Обращают внимание различные (от 1.5 до 3) хондрптовые уровня РЗЭ в выделенных нами примитивных модулях как в разных регионах, так и в одном местонахождении. Такое- распределение может свидетельствовать о глубоком фракционировании мантшпюго вещества при дифференциации.

При исследовании процессов плавления в верхней мантии Фрес-м и Грином введен индекс тугоплавкости Мд/(Кд+Ге). Для определения степени плавления нодулеп нашеп коллекции ки так:?.е широко пользовались этой характеристикой, а также другим хорошо известным индексом тугоплавкости Сг/(Сг+А1). Значение последнего контролируется содержанием в нодулях клинопнроксека и шпинели. Нодули рассмотренных районов показызают большой разброс зтих характеристик, при этом в пяти изученных районах наблюдается корреляция между Мд/(Мд+Ре) и Сг/(Сг+А1)- (табл.2). Нодули Токийского Станс-вика и Антарктиды не обнаруживают корреляционной связи этих характеристик. что указывает на то.' что процессы плавления в зтих районах не были определяющими для состава нодулеп.

Процесс плавления хорошо отражают содержания элементов, которые являются структурными компонентами Главных минералов мантии (31, Мд. Ее. Сл. А]. Т1. Сг. Со. N1. 3=).

Из сравнения составов нодулеп исследованных регионов видно.

10

В» КЪ ТЬ К Та 1в Се N<3 Бш Ш Т1 ТЪ УЪ

—Г——т-I-г-т-Г—

—:---1-г-г—

Я 4 е В 10 1Е

Номер элемента

Образцы: + - М-Ко-1. х - Т44, * - 111

Л

/ N

\

\ »

/

10 ■*

N¡1 —г—

НГ "Г; —1-»-

3 в 10

гГомер элемента

18

14

Образны: + - А89. х - А96. * - А101 Рис. 2. распределение редких элементов в относительно неизмененном веществе нодулеп

Таблица 2

Значения коэффициентов линейной корреляции для когерентных элементов и МдО

| Регион ( СаО А1зОэ ТЮз Со N1 Зс [Мд/(Мд+Ре)]/[Сг/(Сг+А1)1

I ШаВарын | -Парам 0 96 0.98 0 87 0 50 0.72 0.66 0 90 - 0.85

! Г.Становик 0 50 0.79 0 03 0 Об 0.1 0.38 0 52 0.1

| Удокан 0 60 0.68 0 47 0 37 0.39 0. 26 . 0 59 0.16

| Антарктида 0 50 . 0.64 0 05 0 11 0.08 0 24 0.06

| Сверре 0 83 0.82 0 63 0 55 0.67 0.37 0 75 0.27

! Зел.Кыс 1 0 88 0.81 0 56 0 59 0.59 ■ 0 87 0.59

| Галапагосс 0 82 0.83 0 40 0 65 0.81 0.23 0 30 0.48 .

что с верхней мантии широко распространены слабодеплетированщге разности перидотитов с содержаниями 40-43% МдО, однако в некоторых нодулях содержания МдО достигают 48%.«В соответствии с МдО меняются и содержания базальтовых компонентов - Са. Т1. А1. Бд. Микроэлементы Со. Ш. Бс в нодулях также образуют корреляционные связи с тугоплавким компонентом МдО. Процессы плавления отражают также содержания тяжелых РЗЭ. Низкие содержания тяжелых РЗЭ в нодулях обычно соответствуют высокому содержанию в них рестито-вого компонента МдО. Очевидно, что небольшие степени плавления приводят к удалению лишь легких РЗЭ, в то время как значительное плавление мантии приводит к удалению в расплав и тяжелых РЗЭ.

Метасоматические эффекты в изверженных из- мантии ультрабази-тах. сушествуют в двух разновидностях: очевидные или явные, когда в породе содержатся очевидные метасоматические фазы (такие как амфибол, слюда или аппатит) и скрытые эффекты, когда только по распространенности некогерентных элементов можно судить о процессе обогащения. Прямым доказательством наличия явного метасоматизма в веществе нодулоя является вид их спектров РЗЭ, обогащенных легкими элементами. Кроме того, вторичный компонент значительно изменяет содержания таких сильнонекогерентных элементов, как Ва. К. КЬ, Сз: менее значительно меняются Бт. N<1. Зг. Включения, обогащенные легкими РЗЭ и другими некогерентными элементами составляют наиболее распространенную группу среди всех изученных ноду-лея опинелевых лерцолитов. Часто это вещество характеризуется высокой магнезиальностью: оно прошло сложный путь эволюции, включающий процессы плавления и повторного обогащения воздействием внутримантийных расплавов или флюидов.

Мы старались исключить из исследовании образцы нодулея с проявлениями явного метасоматизма. Поэтому большая часть метасомати-зированных образцов - это представители неявного метасоматизма, который, очевидно, имеет широкое распространение в пределах верхней мантии. Основной показатель скрытого метасоматизма в нодулях - присутствие в них повышенных количеств легких 1-33. Спектры распределения РЗЭ в таких образцах имеют характерный "диагональный"

вид. демонстрирующий значительную расщепленность РЗЭ. При этом содержание тяжелых РЗЭ. вероятно, больше связаны не с метасоматозом. а с процессами плавления.

Лалее на основе нового аналитического материала и литературных данных излагается модель состава и строения верхней мантии изученных регионов.

Верхняя мантия исследованных регионов является зональной в вертикальном разрезе. В нпжнеп части она сложена преимущественно пнроповым лерцолитом. далее преобладает четырехмннеральныи лер-цолит (оливин, ортопнроксен. клинопироксен и шпинель). В верхних зонах мантии, непосредственно прилегающих к границе мохо. содержится повышенное количество "вторичных" образовании - пироксени-тов. эклогнтов. вероятно, в виде линз и прослоев. Эта зональная мантия испытывает частичное'плавление, при котором относительно неглубоко залегавшие слои (в пределах стабильности граната) испытывают более высокие степени плавления, чем залегаюдая ниже обогащенная мантия, подверженная только незначительному плавлению. Поскольку степень плавления и отделения расплава возрастают с уменьшением глубины, возрастающие количества зарождающихся расплавов способны к движению вверх и к взаимодействию с залегающими сверху остаточными перидотитами. Эта модель может объяснить ряд характерных типов распределения РЗЭ в образцах нодулеп от обедненных до обогащенных легкими РЗЭ 18].

Исследование вещества верхнея мантии позволило отметить особую индикаторную значимость сильнонакогерентных микроэлементов (легких РЗЭ. Ва. К. Шэ. Св и др.).

Сильнонекогерентные элементы являются хорошими индикаторами метасоматического изменения вещества. Обогащенность этими элементами нодулей Шпинелевых лерцолнтов не обнаруживает систематических зависимостей ни между собой, ни с элементами других групп. Все это указывает на их значительную экстракцию в расплав при процессах частичного плавления и дальнейшее вхождение в межзерновое пространство нодулей при процессах метасоматическоп проработки. Отмечены единичные случаи положительной корреляционной

связи между U и La для части метасоматизированных нодулея То-кинского Становика и вулкана Сверре, однако обычно элементы этой группы не коррелируют между собой. Увеличение их содержании указывает на увеличение метасоматической проработки мантийного

Еещества.

Таким образом, данные о редких и редкоземельных элементах позволяют подойти к более глубокому пониманию природа уникального вещества мантийных нодулея. их происхождению и эволюции. Можно полагать, что с совершенствованием аналитических методов, в том числе непронно-активационного анализа, роль этих элементов в развитии научных представлении о подкоровом веществе Земли будет возрастать.

Выводы

1. Разработана методика оптимизации инструментального нейт-ронно-активационного анализа (ИНАА) 37 элементов во включениях ультрасновного состава, позволившая снизить пределы обнаружения ряда элементов от 1.5 до 150 раз. Путем численного моделирования гамма-спектров образцов заданного состава определены оптимальные условия проведения НАА образцов нодулеп шпинелеьых лерцолитов - время их облучения в реакторе, охлаждения после облучения, время измерения и оптимальные массы образцов. Установлено, что для определения подавляющего большинства элементов облучение образцов нужно проводить с использованием надтепловых -нейтронов. При этом целесообразно увеличить время облучения в реакторе (по отношению к традиционно используемым условиям) в 1.5. а массу образцов -примерно в 4 раза. Для определения небольшой группы коротко-живущих радионуклидов элементов следует использовать облучение тепловыми нейтронами в 1.5 - 2 раза'меньше традиционной продолжительности. Благодаря разработанной методике впервые

м

методом ИНАА получены надежные данные о микроэлементном составе ультраосновных ксенолитов, включенных в базальтах, в том числе 6-8 базовых элементов из группы РЗЭ. а также данные о содержании Во, Rb. Cs. Аз, Hf. Та. Au. Th. U.

2. По результатам исследования и выявления закономерностей распределения, фракционирования и миграции элементов в веществе верхней мантии (представленном коллекцией нодулей из 150 образцов, отобранных в семи регионах мира) показано, что нодули всех регионов представляют собой остатки от плавления различных степеней. Причем составы нодулей 5 регионов - вулкана Шаварын-Царам. плато Удокан. вулкана Свер-ре, островов Зеленого Мыса и архипелага Галапагосс отражают, главным образом, процессы частичного плавления мантийного субстрата, а нодулея двух других регионов - лавового поля Токинского Становика и- земли Мак-Робертсона в Антарктиде, -указывают на процессы значительной метасоматическоп проработки.. наложенные на процессы плавления.

3. В каждом регионе, за исключением архипелага Галапагосс, обнаружено и исследовано вещество верхней мантии, близкое к среднему теоретическому составу примитивной мантии. При низких значениях магнеэиальности эти нодули характеризуются высокими содержаниями породообразующих базальтовых компонентов (Са, А1, Ti. Si) и таких микроэлементов, как Сг и Sc, обладая при этом относительно низкими содержаниями Ni, Со. Спектры РЗЭ этих нодулей в основном характеризуются нерасч-лененным типом с уровнем обогащения относительно С1 от 1.9 до 2.6. В этих нодулях отмечены относительно высокие содержания Ва даже по сравнению с переработанным мантийным веществом в процессах метасоматоза. Среди нодулей это вещество встречается относительно редко и представляет исключи-

тельный интерес для исследования верхней дантии,

4. На примере содержаний главных породообразующих компонентов и микроэлементов в нодулях показана значительная гетерогенность опробованных областей верхней мантии. Различные степени обогащения нодулей относительно неизмененного вещества в пределах одного региона и особенно для разных регионов, а также различные степени его проработки процессами плавления в разных регионах мира указывают на то. что наблюдаемая гетерогенность нодулей обусловлена тремя главными факторами:

1) изначальной гетерогенностью мантии в различных регионах:

2) межрегиональным различием термодинамических условий: 3) различием термодинамических условий в пределах отдельного региона.

5. Распространенности микроэлементов в нодулях исследованных регионов демонстрируют значительные вариации их в нодулях континентальных регионов. Высокие значения концентраций Со характерны для нодулей Антарктиды. Для части нодулей Токийского Становика, наоборот, характерны низкие содержания Со и высокие содержания Сг. Кроме того, опробованная верхняя мантия Текинского Становика является "бариевой". на порядок превышая содержания этого элемента в нодулях других регионов. В целом, континентальная мантия представляется более неоднородной. Вероятно, вещество мантии в пределах опробованных частея континентальной литосферы прозло более сложный путь развития, включающий смену процессов плавления и обогащения, чем вещество из океанических областей.

6. По результатам комплексных химических и петрохимических исследований в каждом исследованном регионе выделены 3 типа нодулей: 1) "примитивные", с относительно неизмененным составом вещества по сравнению со средним теоретически продпо-

лагаемым составом примитивной мантии; 2) "деплетированные" -с высокими содержаниями реститовых компонентов: 3) "мета-соматизированкые". обогащенные сильнонекогерентными элементами. Установлено, что по химическому составу абсолютное большинство изученнных нодулея является образцами вещества о наложенными характеристиками всех трех типов, отражая тем самым сложность процессов в верхней мантии.

7: По информативности микроэлементов как индикаторов мантийных процессов особенно значительную роль играют сильнонекоге-рантные элементы - легкие РЗЭ. Ва, К, ЯЬ, Сз. и, ТИ. Эти элементы, обладая очень низкими коэффициентами распределения. первыми удаляются в расплав при процессах частичного плавления и затем входят в межэерновое пространство нодулея при процессах метасоматнческой проработки. Они являются четким индикатором мантипного метасоматоза.

По материалам дисоертации опубликованы следующие работы: "

1. Шубина H.A., Колесов Г.М. Комплекс программ автоматической обработки гамма-спектров радионуклидов, используемых в активационном анализе, для ЭВМ ЕС 1010. М.: N 7767-84. Деп.. 1984. 48 с.

2. Когарко Л.Н.. Турков В.А.. Рябчиков И.Д.. Колесов Г.М.. Шубина H.A. Состав первичной мантии Земли (по данным исследования нодулей) // Докл. АН СССР. 1986. Т. 290. N 1. С. 199-203.

3. Когарко Л.Н., Соловьева Л.В.. Семенова В.Г.. Колесов Г.М.. Шубина H.A. Состав верхней мантии южного обрамления Алданского вита (Гокинский Становик) // Геохимия. 1987.

N 12. С. 959-963.

4. Когарко Л.Н.. Семенова В.Г.) Соловьева Л.В.. Колесов Г.М.. Шубина H.A.. Коровкина H.A. Геохимические особенности верхней мантии южного обрамления Алданского щита // Докл. АН СССР. 1988. Т. 303. N 4. С. 959-963.

5. Турков В.А., Поляков А.И., Когарко Л.Н., Колесов Г.М., Шубина H.A., Рябчиков И.Д., Игнатенко К.И. Состав верхней мантии хребта Удокан (северо-восточная часть Байкальской ри<рговой зоны) // Докл. АН СССР. 198$. Т.ЭОЗ. N 2.

С. 476-480.

6. Турков В.А., Поляков А.И.. Когарко Л.Н.. Шубина H.A.. Игнатенко К.И. Геохимические особенности состава верхней, мантии Байкальской рисртовоп зоны (на примере хребта Удокан) по данным исследований нодулей // Геохимия. 1989. N 4. С. 499-507,_

7. Муравьева Н.С.. Поляков А.П.. Колесов Г.М.. Шубина H.A. и др. Состав верхней мантии и признаки мантийного метасоматоза в Байкальской ригртовоп зоне // Геохимия. 1989.

N 3. С. 349-364.

8. Рябчиков И.Д.. Когарко Л.Н.. Коваленко В.И.. Ионов Д.А., Колесов Г.М.. Шубина H.A. редкоземельные элементы как

индикаторы геохимическое эволюции мантииного вещества (по данным изучения перидотитовых нодулея) // Докл. АН СССР. 1988. Т. 302, N 2. С. 440-443.

9. Шубнна Н.А., Колесов Г.М. Анализ многокомпонентной смеси радионуклидов по их гамма-излучению с использованием автоматической обработки спектров на ЭВМ // Математические методы в аналитической химии. М.: Наука. 1989. С. 77-81.

10. Шубина Н.А.. Колесов Г.М. Оценка оптимальных условии нептронно-активационного анализа моделированием спектров образ'цов заданного состава. Журн. аналит. химии. 1991. Т. 46. N 3. С.468-477.

11. Shubiria N.A.. Kolesov G.M. Optimisation of neutron activation analysis of rock samples. // 8-th Intern. Konf."Modern Trends in Activation Analysis". Abstracts. Vienna. 1991. P. 111.

Подписано в печать II.12.91. Заказ 516 Формат 60x84/16 Тираж 100

Ыосква. Типография ВАС ШЭД