Особенности минералообразующих процессов при метаморфизме сверхвысоких давлений

Актуальность исследований. Породы метаморфических комплексов сверхвысоких давлений являются уникальными природными объектами, изучение которых способствует пониманию процессов, протекающих в глубинных частях литосферы. Особый интерес представляет состав флюидной фазы, существующей в экстремальных условиях (Р> 2.8 ГПа и Т> 600°). Отделение флюида из субдуцируемых осадков приводит к частичному плавлению как нижнекоровых, так и мантийных пород и является одним из ключевых факторов дифференциации Земли. В отличие от флюида, существование которого в метаморфических комплексах сверхвысоких давлений признано всеми исследователями, существование силикатных и тем более карбонатных расплавов встречает решительные возражения со стороны геологов (см. обзор Parkinson et al. 2002). Вместе с тем карбонатные, карбонатно-силикатные и карбонатно-силикатно-сульфидиые расплавы были достоверно установлены в мантийных ксенолитах (Schiano et al., 1994; Frezzotti et al., 2002), но возможность образования подобного рода расплавов в глубоко субдуцированных коровых породах все еще недостаточно изучена. Карбонатные породы практически всегда присутствуют в субдуцируемых осадках и могут служить источником для образования карбонатно-силикатных расплавов. Вместе с тем, установить следы присутствия карбонатных расплавов очень сложно, поскольку они являются весьма агрессивными реагентами и могут полностью исчезать в результате взаимодействия с вмещающими породами. Наиболее глубинные ассоциации коровых метаморфических пород формировались в поле стабильности алмаза (4.5−6.0 ГПа и 950−1000°С) (Sobolev and Shatsky, 1990; Massonne, 1999) и могут рассматриваться как эталонные объекты для доказательства существования карбонатных, карбонатно-силикатных и силикатных расплавов в глубоко субдуцированных осадках. Эти расплавы могут выступать в роли минералообразующей среды как для породообразующих минералов, так и полиморфных модификаций углерода. Их изучение очень важно для понимания процессов минералообразования (и алмаза в частности) в зонах субдукции.

Цель работы — охарактеризовать особенности минералообразующих процессов в условиях метаморфизма сверхвысоких давлений и воссоздать историю развития углеродсодержащих систем в условиях алмазной субфации метаморфизма. Для ее достижения необходимо было решить следующие задачи.

1. Реконструировать агрегатное состояние среды кристаллизации минералов в метаморфических породах сверхвысоких давлений и сформулировать минералого-геохимические критерии идентификации высокобарических расплавов и флюидов.

2. Определить влияние высокобарических флюидов и расплавов на масштаб массопереноса петрогенных, редкоземельных и рассеянных элементов в ходе метаморфизма сверхвысоких давлений в присутствии флюидов и расплавов.

3. Охарактеризовать изотопно-геохимические характеристики турмалина из высокобарических пород, как индикаторного минерала, позволяющего реконструировать особенности взаимодействия флюид/расплав — порода, и возможность использования турмалина в качестве 40Аг/39Аг геохронометра.

4. Оценить вклад высокобарических флюидов и расплавов в процессы образования полиморфных модификаций углерода (графита / алмаза).

Обоснование выбора объектов исследования. При выборе объектов исследования предпочтение было отдано трем метаморфическим комплексам сверхвысоких давлений: Кокчетавскому (Северный Казахстан), Эрц-гебирге (Германия) и Родопскому (Греция). Выбор был сделан по следующим соображениям.

Только в этих трех комплексах алмазы достоверно идентифицированы в породах, имеющих коровое происхождение, субдуцированных на глубину >120 км. Следовательно, породы этих комплексов на пике метаморфизма были преобразованы при температурах 950−1000°С) и давлениях 4.5−6 ГПа, что отвечает максимальным Р-Т оценкам, установленных для зон субдукции (Sobolev and Shatsky, 1990; Shatsky et al., 1995; Hermann et al., 2001; Mposkos and Kostopoulos, 2001; Massonne, 2003).

Эти комплексы приурочены к зонам сочленения крупных континентальных блоков и характеризуются схожим геологическим строением. Согласно терминологии, предложенной H. J1. Добрецовым с соавторами (Dobretsov et al., 1995), геологическое строение алмазеодержащих комплексов может быть охарактеризовано как «мегамеланж», в котором механически совмещены блоки и пластины, метаморфизованные в зоне субдукции на разных уровнях глубинности. Термин «nappe tectonics» является более распространенным в иностранной литературе и широко используется при описании геологического строения комплексов сверхвысоких давлений (см. Massonne and O’Brien 2003). Эти комплексы охватывают широкий временной интервал: Кокчетавский массив — 530 млн. лет (Claoue-Long et al., 1991; Shatsky et al., 1995; Hermann et al., 2001), массив Эрцгебирге — 340 млн. лет (см. Massonne and O’Brien 2003 и ссылки в этой работе), Родопский массив — >160 млн. лет (Mposkos and Krohe, 2006; Bauer et al., 2007), свидетельствуя о том, что в истории развития Земли реализация экстремальных температур и давлений не было уникальным событием. В отличие от кимберлитов и лампроитов, являющихся лишь транспортирующей средой для кристаллов алмаза (см. (Соболев, 1974; Boyd et al.,'1985) и многие другие), образование алмаза в метаморфических породах происходит in situ, что позволяет выявить особенности алмазобразования в этих породах.

Несмотря на интенсивные исследования алмазоносных пород (Sobolev and Shatsky, 1990; Dobretsov et al., 1995; Shatsky et al., 1995, 1999; Dobretsov and Shatsky, 2004; Шацкий и др., 2006a), в них до сих пор не найдено реликтов минеральных ассоциаций, сформировавшихся на прогрессивном этапе метаморфизма (Корсаков и др., 1998; Hermann et al., 2001; Korsakov et al., 2002; Mposkos and Krohe, 2006). Для объяснения этого факта впервые было предложено частичное плавление высоких степеней (Massonne, 2003). На основании вышеизложенного, алмазоносные метаморфические породы этих комплексов являются перспективным объектом для решения вопроса о составе и агрегатном состояния среды кристаллизации, принимавшей участие в процессах высокобарического мпнералообразования.

Фактический материал. В основу диссертации положен фактический материал, собранный лично автором в ходе полевых исследований 19 942 008 г. Кокчетавского массива (587 образцов), а также в 2002 г. — высокобарических пород массива Эрцгебирге (37 образцов). Четыре образца пород Родопского массива любезно предоставлены проф. М. Перраки (Афинский Политехнический Университет). Научная новизна.

• В рамках данной диссертационной работы впервые предложены минера-лого-геохимические критерии, позволяющие идентифицировать продукты раскристаллизации высокобарических карбонатных и силикатно-карбонатных расплавов. Образование этих расплавов происходит за счёт частичного плавления терригенно-осадочных толщ в поле стабильности алмаза (950−1000°С и 4.5−6 ГПа).

• На материале минеральных ассоциаций Кокчетавского массива установлено, что образование калийсодержащего клинопироксена происходит в результате реакционного взаимодействия водосодержащих силикатных расплавов с карбонатами в метаморфических породах.

• Получены первые и единственные на сегодняшний день данные о составе флюидных включений из высокобарических породообразующих минералов, образовавшихся в алмазной субфации метаморфизма. Состав этих флюидных включений является преимущественно водным с низкими концентрациями растворенного вещества, в отличие от состава флюидных включений, идентифицированных в мета-морфогонных ал л газах.

• Впервые выполнено изотопно-геохимическое исследование турмалинов из пород коэситовой и алмазной субфации метаморфизма, доказывающее, что калийсодержащий турмалин не является индекс-минералом сверхвысоких давлений, несмотря на возможные включения алмаза.

• Впервые для природных объектов показана возможность образования метастабильного графита в поле стабильности алмаза. Кристаллизация алмаза и графита в метаморфических породах происходит в кинетическом режиме.

Практическое значение. Предложен комплекс минералого-геохимических критериев, позволяющих реконструировать состав высокобарических флюидов и расплавов. Доказана возможность использования калийсодержаще-го турмалина в качестве нового 40Аг/39Аг геохронометра в широком интервале температур и давлений. Приведены убедительные доказательства того, что, в отличие от находок коэсита, находки алмаза в других минералах не являются однозначным свидетельством высокобарического происхождения минерала-хозяина. Разработана методика, позволяющая уверенно диагностировать метаморфогенные алмазы. Основные защищаемые положения.

1. Находки первичных, преимущественно водных, флюидных включений в ядрах кристаллов граната и К-содержащего клинопироксена из силикатно-карбонатных пород Кокчетавского массива свидетельствуют о существовании Н2О в виде самостоятельной флюидной фазы при Р-Т параметрах пика метаморфизма (Т = 950−1000°С и Р = 4.5−6 ГПа). Присутствие воды понижает температуру плавления мета пелитов, мстабазитов и ме га карбонатов и может приводить к появлению силикатных, силикатно-карбонатных и карбонатных расплавов уже на пике метаморфизма.

2. Кристаллизацию К-содержащего турмалина в метаморфических породах сверхвысоких давлении контролирует специфика состава флюидной фазы (обогащенность В и К), а не температура и давление. Образование К-содержащего турмалина в метаморфических породах Кокчетавского массива происходило на рубеже 491.5±4.9 млн. лет в поле стабильности кварца и значительно (~40 млн. лет) оторвано от высокобарического этапа метаморфизма. К-содержащий турмалин не является индекс-минералом сверхвысоких давлений, несмотря на возможные включения алмаза, но может использоваться в качестве надёжного 40Аг/39Аг геохронометра для датирования метасоматиче-ских процессов.

3. Морфологические и геохимические особенности поликристаллических (Mg-кaльцит) и полифазных (силикаты ± карбонаты) включений в калийсодержащем клиноппроксене и высококремнистом титаните, являющихся бесспорными минералами-индикаторами сверхвысоких давлений (Р>5ГПа), свидетельствуют об образовании карбонатных, карбонатпо-силикатных и силикатных расплавов на пике метаморфизма (950−1000°С и 4.5−6 ГПа) в терригенно-осадочных толщах, субдуцированных на глубину >120 км.

4. К-содержащий клинопироксен в метаморфических породах сверхвысоких давлений кристаллизуется при участии силикатных и карбонатных расплавов, образовавшихся в результате реакционного взаимодействия водосодержащих силикатных расплавов с доломитовыми мраморами.

5. Широко распространённые в породах Кокчетавского массива кристаллы алмаза с вростками графита в ядрах и графитовыми «рубашками» отражают сложный тренд изменения алмазгенерирующе-го потенциала среды кристаллизации. Совместный рост этих фаз в ядрах кристаллов осуществляется, вероятно, в условиях максимальных пересыщений по С0 вблизи пика метаморфизма. По мере падения пересыщения кристаллизовался исключительно алмаз. Формирование графитовых «рубашек» в поле стабильности алмаза может быть следствием роста степени плавления протолита, в результате чего силикатные, силикатно-карбонатные и карбонатные расплавы обеднялись флюидом, а их алмазгенерирующая способность резко падала. Кристаллизация графитовых «рубашек» за счёт изменения Р-Т параметров представляется маловероятной.

Публикации и апробация работы. По теме диссертации опубликованы 29 статей в журналах, рекомендованных ВАК, и тезисы 100 докладов. Отдельные положения были представлены на: 4 Международном полевом эклогитовом симпозиуме (Кокчетав, Казахстан, 1999) — 31, 32, 33 Международных геологических конгрессах (Рио-де-Жанейро, Бразилия, 2000; Флорёнция, Италия, 2004; Осло, Норвегия, 2008) — Международном совещании «Fluid/Slab/Mantle Interactions and Ultrahigh-P Minerals» (Токио, Япония, 2001) — 6, 7, 9 Между-народной эклогитовой конференции (Ниихама, Япония, 2001; Сеггау, Австрия, 2005, Лочалш, Шотландия, 2007; Синин, Китай, 2009) — 18 Общем собрании Международной минералогической ассоциации (Эдинбург, Шот-ландия, 2002) — Международных конференциях GeoRaman 2004, 2006, 2008, 2010 (Гонолулу, США, 2004; Алмунекар, Испания, 2006; Гент, Бельгия, 2008; Сидней, Австралия, 2010) — Международном (X Всероссийском) петрографическом совещание (Апатиты, 2005) — Ассамблеях EGU (Ницца, Франция, 2003; Вена, Австрия 2006; 2008) — 16 Международной конференции «Conference Deformation mechanisms, Rheology and Tectonics «(Милан, Италия, 2007) — Международной конференции Goldschmidt 2007 (Кельн, Германия, 2007) — 9 Международной кимберлитовой конференции (Франкфурт, Германия, 2008) — «Conference on MicroRaman Spectroscopy and Luminescence Studies in the Earth and Planetary Sciences» (Майнц, Германия, 2009).

Структура и объем работы. В главе 1 обобщены и систематизированы материалы о геологическом строении метаморфических комплексов сверхвысоких давлений, составе флюидной фазы и расплавов в глубоко субдуциро-ванных коровых породах, а также экспериментальные данные о положении второй критической точки для различных систем. На РТ-диаграмме выделены области, отвечающие преимущественно водному флюиду (с низким содержанием растворенных компонентов <30 мае. %) и водосодержаще-му расплаву (<35 мае. % Н20), и относительно узкая область, в пределах которой состав флюидной фазы и водосодержащего расплава становятся неразличимыми. Приведена краткая характеристика геологического строения выбранных алмазоносных комплексов. В главе 2 описаны методы и методики использованные в данном исследовании. Основное внимание уделено методике, позволяющей идентифицировать метаморфогенные алмазы и отличать их от алмазов используемых при изготовлении шлифов и полированных пластинок. В главе 3 изложены авторские данные о составе флюида в породах алмазной субфации метаморфизма, а также выполнено их сравнение с составами флюида, реконструированных для других высокобарических комплексов. Реконструкция состава флюида была выполнена с использованием следующих подходов: изучение флюидных включении, исследования состава зон интенсивной инфильтрации флюидов, анализ подвижности компонентов на контакте химически контрастных сред. Выбор критериев идентификации продуктов раскристаллизации высокобарических расплавов обоснован в главе 4. В первой части этой главы описаны необычные реакционные структуры в алмазоносных клиноцоизито-вых гнейсах, которые предлагается использовать в качестве текстурных признаков существования высокобарических карбонатно-силикатных расплавов. Во второй части приведены результаты исследования полифазных и поликристаллических включений в гранатах и клинопироксенах из высокоалмазоносных карбонатно-силикатных пород Кокчетавского массива. Использование метода 1СР-МБ с лазерной абляцией при изучении включений и содержащих их минералов, позволили реконструировать составы силикатного и карбонатного расплавов. Образование последнего происходит в результате реакционного взаимодействия между водосодержащими силикатными расплавами, сформировавшимися при частичном плавлении метапелитов, и доломитовых мраморов. Данные о внутреннем строении кристаллов алмаза и полученные автором характеристики пространственного распределения кристаллов алмаза и графита и распределения их по размеру позволили восстановить особенности процессов иуклеации и роста алмаза/графита в коровых породах при участии флюида и/или расплава (глава 5). В главе 6 на основе комплексного анализа существующих представлений о составах высокобарических флюидов и расплавов рассмотрена роль флюида и расплава в формировании и сохранении парагенезисов алмазной субфации метаморфизма и непосредственно в генезисе алмаза. Диссертация состоит из введения, 6 глав и заключения, общим объемом 367 страниц и сопровождается 95 рисунками и 29 таблицами. Список использованной литературы составляет 469 наименований.