Главная – Журналы – Геология и геофизика 2020 номер 5-6

Обсуждена проблема взаимоотношения тектоники плит и плюм-тектоники, опираясь в основном на хорошо изученные мезокайнозойские и позднепалеозойские примеры. Рассмотрены модели нижнемантийных плюмов, Гавайский плюм как типичный пример плюмов, движение плит Пацифики, влияние на них плюмов и процессов субдукции. Рассмотрена роль плюмов в расколе континентов и образовании рифтов на примере Восточно-Африканских рифтов и расколе Гондваны. Обсуждены крупнейшие Сибирская и Таримская провинции на континентах с меймечитами и кимберлитами, образование крупных гранитных батолитов и связанных с ними рудных месторождений. Новыми элементами в предложенной работе явились совместное использование данных по сейсмотомографии нижней мантии и спутниковых данных по гравитационному полю, корреляции интенсивности плюмов и скорости движения тектонических плит, связанной с растворением части плюмов в астеносфере, соотношение зон сжатия и растяжения с образованием рифтов.

Суперконтиненты являются уникальной особенностью планеты Земля. Краткий обзор суперконтинентов, образовавшихся начиная с архея, показывает, что до позднего докембрия амальгамация суперконтинентов, в частности Гондваны и Родинии, происходила через высокотемпературные подвижные пояса, и все они имели проявления ультравысокотемпературных гранулитов. Во время последнего этапа амальгамации нижняя континентальная кора достигала магматической температуры (от ~900 до более 1000 °С) в течение интервала времени, варьирующего от менее 10 млн лет в молодых короткоживущих орогенах до более 150 млн лет в позднедокембрийских (Гондвана) или неопротерозойских (Родиния) долгоживущих орогенах. Во всем мире ультравысокотемпературные гранулиты содержат одни и те же типы флюидных включений, в частности плотные растворы CO₂ и сильносоленые водные растворы. Количество флюида на пике метаморфизма определяется количеством сохранившихся флюидных включений (в первую очередь CO₂) и вторичными эффектами, вызванными вынесенными из нижней коры флюидами, в том числе фельдшпатизацией, альбитизацией или скаполитизацией и образованием либо окисленных (кварц-карбонат), либо восстановленных (графитовые жилы) зон мегасдвига. Хотя некоторые флюиды могут образовываться локально в ходе минеральных реакций или из унаследованных седиментационных вод, углеродные изотопные характеристики и петрографические данные указывают на то, что большинство флюидов как CO₂, так и сильносоленые растворы являются производными карбонатитовых расплавов, образовавшихся при частичном плавлении метасоматизированной мантии. Метаморфизм ультравысоких температур имеет определяющее значение для амальгамации суперконтинентов, но флюид, связанный с метаморфическими процессами, вызывает их дестабилизацию и разрушение вскоре после амальгамации.

На основе детального микрозондового изучения состава и зональности сосуществующих минералов (граната, пироксена, плагиоклаза) проведено систематическое изучение РТ -параметров формирования высокобарных (HP/UHP) пород максютовского эклогит-глаукофансланцевого комплекса на Южном Урале. Выявлена периодичность его развития, определены конкретные термодинамические параметры минералообразования на каждом этапе его геодинамической истории от условий кристаллизации протолита до финальных ступеней регрессивного зеленосланцевого метаморфизма. Новые аналитические данные по составу сосуществующих фаз подтверждают высокобарный характер происхождения эклогитовых пород, которые присутствуют в нижней части комплекса в виде многочисленных линз, будин и прослоев среди глаукофановых и полевошпат-слюдистых сланцев. Термобарометрические расчеты параметров метаморфизма выполнены на основе состава минералов в парагенезисе Grt + Cpx ± Pl + Qz с использованием Grt-Cpx геотермометра и Pl-Cpx-Qz геобарометра. Гранат в эклогитах максютовского комплекса в силу своей консервативности к изменению РТ -условий обладает прямой, обратной и инверсионной химической зональностью, которая в равновесии с омфацитовым клинопироксеном фиксирует сопряженные проградные и ретроградные РТ -тренды, отражая термодинамические условия отдельных этапов развития террейна. На основе полученных данных выделяются, по крайней мере, четыре эпизода прогрессивных метаморфических преобразований максютовского комплекса: 1) Т > 800-910 °С, P ~ 2.5-3.5 Г??; 2)Па; 2) 540-790 °С, 2.0-3.5 ГПа; 3) 410-690 °С, 1.1-2.5 ГПа; 4) 310-520 °С, 1.0-1.2 ГПа. Сопряженные с ними регрессивные этапы метаморфизма оцениваются параметрами: 1) 870-625 °С, 3.5-2.5 ГПа; 2) 745-615 °С, 3.5-2.0 ГПа; 3) 690-550 °С, 1.5-1.0 ГПа; 4) 590-460 °С, 1.2-0.6 ГПа соответственно. Возрастные данные отдельных этапов в совокупности с параметрами метаморфизма образуют единый PTt -тренд развития комплекса, который определяет положение градиента метаморфического поля во время эксгумации комплекса.

Приведены результаты исследования морфологии, внутреннего строения и химического состава океанического циркона, которые показывают, что циркон является чутким индикатором происходящих в нижней океанической коре тектонических и физико-химических процессов. Кристаллизация магматического циркона в габброидах не является одномоментной, но происходит на фоне дифференциации материнских расплавов, в тектонически-активной обстановке срединно-океанического хребта (СОХ). Главным геохимическим индикатором процесса кристаллизационной дифференциации, происходящего на фоне остывания магм, является увеличение к краям зерен содержания Hf. Зональность проявлена, но менее ярко, также в магматических цирконах из океанических плагиогранитов (ОПГ), что, по-видимому, связано с более узким температурным интервалом кристаллизации циркона в этих породах. Цирконы ОПГ обеднены REE по сравнению с наименее измененными магматическими цирконами габбро, что, вероятно, обусловлено образованием ОПГ в результате частичного плавления габбро при участии концентрированного водно-солевого флюида - деривата морской воды, а также совместной кристаллизацией циркона и апатита. Высокотемпературные гидротермальные процессы в пределах медленно-спрединговых СОХ приводят к частичной или полной перекристаллизации циркона в результате растворения - переотложения. Заметно редуцированная цериевая аномалия, а также характерное для измененных цирконов присутствие в преобразованных участках микровключений ксенотима, оксидов или силикатов урана и тория и (иногда) бадделеита свидетельствуют о восстановительном характере и высокой щелочности гидротермального флюида. Эти особенности приобретаются флюидом - дериватом морской воды при циркуляции вблизи осевой зоны хребтов в результате фазовой сепарации в системе H₂O-NaCl и, главным образом, вследствие взаимодействия с абиссальными перидотитами внутренних океанических комплексов. Оценки растворимости циркона в основных расплавах указывают, что даже близсолидусная кристаллизация циркона очень маловероятна в сухих базальтовых расплавах, но вполне может происходить в дифференциатах глубинных водосодержащих основных магм. Использование геотермометра на основе концентрации Ti в цирконе должно проводиться с осторожностью, и вариации этого параметра могут быть обусловлены, помимо температуры, другими факторами, в особенности в случаях, когда минеральные включения в цирконе указывают на резкую смену условий его роста (растворения). Геотермометр, основанный на распределении Zr и Hf между цирконом и породой, имеет ряд преимуществ по сравнению с индикаторами температуры кристаллизации магматического циркона, основанными на индексе насыщения цирконом и на содержании в нем Ti. Он не зависит от состава расплава и от корректных оценок активности SiO₂ и TiO₂. Кроме того, реконструкция трендов фракционирования Zr и Hf в ходе кристаллизации циркона из гранитоидных расплавов позволяет оценить температуру, при которой происходило отделение более дифференцированных порций расплава.

Фазовые отношения и плавление субдукционного осадка изучались в двух сериях высокобарных экспериментов при Р-Т параметрах 750-900 °С и 2.9 ГПа, а также с помощью термодинамического моделирования. В экспериментах использовалась химическая смесь, соответствующая по составу глобальному субдукционному осадку (GLOSS), но с повышенным содержанием воды (Н₂О = 15.52 мас. % по сравнению с 7.29 мас. % в GLOSS). В первой серии экспериментов применялись ампулы без верхней крышки, во второй - выполненной по той же методике и при тех же Р-Т-t параметрах - закрытые (герметичные) ампулы. В продуктах опытов обеих серий отмечается хорошее согласование по Р-Т условиям плавления, присутствию в парагенезисах граната, карбоната, кианита, фазы SiO₂ и фенгита. Однако во всех опытах серии с открытыми ампулами широко развит омфацит, в том числе магматический, а в серии с закрытыми ампулами омфацит присутствует только в опыте с субсолидусными условиями (при 750 °С). Термодинамическое моделирование для состава экспериментальной смеси (H₂O-GLOSS), выполненное для условий закрытой системы, хорошо воспроизводит экспериментальные данные по водному солидусу и стабильности большинства минералов, показывая сокращение содержания омфацита при появлении расплава. Именно этот эффект, связанный с повышенным давлением водного флюида в закрытой системе, наблюдается в закрытых ампулах. Термодинамическое моделирование для состава H₂O-GLOSS также показывает возможность полного разложения карбонатов в слэбе при условиях «горячей» субдукции, но этот результат не подтверждается нашими экспериментальными данными. Поскольку в зонах субдукции процессы плавления и минерального роста контролируются мигрирующими флюидами и расплавами, представляется правильным опираться на экспериментальные результаты, полученные при использовании открытых ампул.

В настоящей работе установлены новые закономерности вязкости близликвидусных водосодержащих магм кислого, среднего и основного составов в широком диапазоне термодинамических параметров и глубин земной коры (1-30 км) с использованием нашей структурно-химической модели достоверных прогнозов и расчетов вязкости магм практически любого состава. Показано, что эти закономерности действительно являются количественной физико-химической основой, объясняющей причину относительной распространенности масс интрузивных и эффузивных пород кислого-среднего-основного составов в земной коре. Тем самым подтверждается идея В.С. Соболева о взаимосвязи относительной распространенности интрузивных и эффузивных пород кислого, среднего и основного составов в земной коре с закономерностями изменения вязкости водосодержащих магм в переменном поле температур и давлений.

Углекислый газ (СО₂) является одним из главных летучих компонентов природных магм, однако оценка его исходных концентраций остается трудной задачей. Изучение расплавных включений в минералах позволяет получить прямую оценку содержания CO₂ в расплавах. Для точного определения его содержания в расплавных включениях необходим анализ концентрации СО₂ как в стекле, так и в дочерней флюидной фазе включений. В результате данного исследования получена калибровочная зависимость между плотностью CO₂ в интервале 0.01-0.22 г/см³ и расстоянием между его характеристическими пиками (диадами Ферми). Это расстояние было измерено с помощью конфокальной рамановской спектроскопии в пузырях расплавных включений с известной плотностью СО₂. Точность определения плотности составляет ± 0.03 г/см³. Полученная калибровка была применена для оценки плотности CO₂ в газовой фазе расплавных включений в магнезиальном оливине (Fo_84.8-88.5) из базальтов Карымского вулкана, Восточная Камчатка. Расчетная плотность составила 0.03-0.21 г/см³, что позволило впервые для Карымского вулкана оценить минимальное исходное содержание CO₂ в его родоначальных магмах как 0.45 мас. %. Вместе с данными об исходном содержании воды (~4.5 мас. %) это свидетельствует о начале кристаллизации родоначальных магм Карымского вулкана при давлении не менее 7 кбар (>25 км). Для увеличения надежности метода оценки содержания СО₂ в газовой фазе расплавных включений в оливине предлагается проведение предварительного нагрева включений для полной гомогенизации флюидной фазы, а также определение размеров включений в трех измерениях. Проведенное исследование открывает перспективы надежной оценки содержания СО₂ в родоначальных магмах, глубины кристаллизации, степени дегазации магм, а также возможности сопоставления состава магматических флюидов и высокотемпературных вулканических газов.

Впервые представлено подробное описание обнажений, структуры, минералогии и состава необычных сульфидоносных троктолитов из Йоко-Довыренского расслоенного массива в Северном Прибайкалье (Россия). Этот участок разреза, названный зоной Конникова, характеризуется проявлениями пегматоидных пойкилитовых сульфидов и рассеянной сульфидной вкрапленности с разнообразной ЭПГ-минерализацией. В составе первых преобладают пирротин-троилитовые продукты распада моносульфидного твердого раствора (mss), для вторых - ассоциации кубанита и халькопирита, производные от промежуточного Ni-Cu-Fe раствора (iss). Положительные ковариации содержаний серы и халькогенов (Se, Te), а также сублинейный тип зависимости концентраций Pd, Pt, Au и Cu от теллура указывают на сульфидный контроль распределения этих элементов в троктолитовых кумулатах. При нормировке их концентраций в породах на сульфидную массу средние составы «100%-х сульфидов» в образцах подразделяются на две группы - резко обедненные платиноидами, Au, Cu и Te и в 10-50 раз обогащенные. Причем такое деление согласуется с морфологическими и минералогическими различиями. Генетическое значение имеет тот факт, что составы mss-ассоциаций несколько беднее платиноидами и Te по сравнению с примитивными сульфидами из базальной зоны Довырена; составы с преобладанием сульфидов меди заметно богаче. Этот вывод подкреплен данными LA-ICP-MS исследований микроэлементного состава сульфидных фаз. Установленные особенности указывают на ограниченные масштабы фракционирования несмесимых сульфидов по мере затвердевания троктолитовых кумулатов. Тогда как формирование богатых ЭПГ и Te ассоциаций можно связать с последовательностью кристаллизации сульфидного прекурсора, близкого наиболее примитивной жидкости. Это согласуется с известными законами кристаллизации сульфидных систем, в том числе объясняя аномально высокие отношения S/Te в богатых продуктами mss пегматоидных троктолитах. Таким образом, в качестве агента, транспортирующего благородные металлы и халькогены в толще троктолитовых кумулатов, выступали сульфидные расплавы. Этот вывод требует конкретизации физических механизмов и характеристик кумулусной среды (реология, проницаемость, смачиваемость сульфидом разных фаз и т.д.), в которой возможно пространственное разделение моносульфидного раствора и богатых ЭПГ более медистых фракций с их последующей инфильтрацией и отложением на границах критически низкой проницаемости.

Ориентация 76 минеральных включений, представленных оливином (25 включений), пиропом (13 включений) и магнезиохромитом (38 включений) измерена в 16 образцах алмазов из главных коренных месторождений алмазов Якутии, кимберлитовых трубок Мир, Удачная, Интернациональная, Айхал и Юбилейная. Новизна проведенных исследований заключается в специальном целенаправленном подходе к выбору образцов, содержащих не только включения оливина, в большом количестве изученных в самые последние годы после публикации книги «Углерод Земли» в 2013 г. Настоящая коллекция составляет более 25 % всех исследованных в мире образцов и содержит наиболее типичные минеральные включения преобладающего перидотитового парагенезиса почти во всех известных кимберлитах. Как в настоящем эксперименте, так и в подобных исследованиях, проведенных зарубежными коллегами в 2014-2019 гг., не обнаружено ни одного включения, ориентировка которого отвечала бы эпитаксиальному критерию. Только отдельные включения магнезиохромита в трех алмазах демонстрируют ориентировку, близкую к закономерной. Значимая корреляция величин изотопного состава углерода и состава минеральных включений алмазов перидотитового и эклогитового парагенезисов при полном отсутствии корреляции с другими свойствами может рассматриваться в качестве одной из геохимических особенностей. В то же время, учитывая многочисленные опубликованные и собственные данные, демонстрирующие сложную ростовую историю алмазов и в ряде случаев широкие колебания состава минеральных включений в разных зонах наряду с различием их морфологии, авторы статьи придерживаются мнения о возможности сосуществования сингенетических и протогенетических включений в одном и том же алмазе. Это также подтверждается находками ксенолитов алмазоносных перидотитов и эклогитов в кимберлитах, в которых выявлены алмазы, полностью включенные в гранат либо в оливин. Отмечается постоянное наличие тяжелых углеводородов (отн. %) от пентана (С₅Н₁₂) до гексадекана (С₁₆Н₃₄), доминирующих во флюидных включениях в алмазах кимберлитов и россыпей, а также в пиропе и оливине ксенолитов алмазоносных перидотитов.

Впервые проведено экспериментальное моделирование реакций декарбонатизации при мантийно-коровых взаимодействиях, сопряженных с образованием Mg, Fe-гранатов и СО₂-флюида, в широком интервале давлений и температур верхней мантии. Экспериментальные исследования проведены на многопуансонном аппарате высокого давления «разрезная сфера» (БАРС) в системах MgCO₃-Al₂O₃-SiO₂ и (Mg, Fe)CO₃-Al₂O₃-SiO₂ в интервалах давлений 3.0-7.5 ГПа и температур 950-1450 °C ( t = 10-60 ч). В экспериментах использована специально сконструированная буферированная ячейка высокого давления с гематитовым контейнером, предотвращающим диффузию водорода в платиновую ампулу. Экспериментально установлено, что в системе MgCO₃-SiO₂-Al₂O₃ декарбонатизация по схематической реакции MgCO₃ + SiO₂ + Al₂O₃→ Mg₃Al₂Si₃O₁₂ +_{CO2 происходит при 1100 ± 20 °С (3.0 ГПа), 1150 ± 20 °С (6.3 ГПа) и 1400 ± 20 °С (7.5 ГПа). В системе (Mg, Fe)CO3-Al2O3-SiO2 реакция (Mg, Fe)CO3 + SiO2 + Al2O3→ (Mg, Fe)3Al2Si3O12 + CO2 реализуется при 1000 ± 20 °С (3.0 ГПа), 1150 ± 20 °С (6.3 ГПа) и 1400 ± 20 °С (7.5 ГПа). В результате рамановской спектроскопической характеризации полученных гранатов определено положение основных мод R , υ 2 и υ 1 в пиропе - 364, 562, 924-925 см^-1 и пиропе-альмандине - 350-351, 556-558 и 918-919 см^-1. С применением метода масс-спектрометрии продемонстрирована эффективная работа гематитового контейнера и установлено, что во всех экспериментах состав флюида соответствовал чистому CO2. Выполнена экспериментальная реконструкция положения кривых декарбонатизации, приводящих к формированию CO2-флюида в ассоциации с пиропом и пироп-альмандином в P,T -координатах, проведено их сопоставление с положением расчетных кривых и предшествующих экспериментальных данных. Установлено, что экспериментально воспроизведенные линии реакций с образованием ассоциаций пироп + CO2 или пироп-альмандин + CO2 сдвинуты в область более низких температур на 50-150 °С относительно расчетных. При рассмотрении полученных результатов применительно к устойчивости природных карбонатов различного состава при высоких давлениях и температурах установлено, что на глубинах ~90-190 км Mg, Fe-карбонаты вступают в реакции декарбонатизации при температурах 1000-1250 °C, а на глубинах ~225 км - при 1400 °C.}

На основе результатов экспериментального моделирования в C-O-H, C-O-H-N и перидотит-C-O-H-N системах, а также исследований флюидных включений в природных алмазах выполнена комплексная оценка компонентного состава флюида, стабильного в условиях восстановленной мантии. Показано, что в верхней мантии углеводороды (УВ) могут быть генерированы как за счет реакции карбонатов с железом или вюститом и водой, так и за счет прямой реакции гидрогенизации разных фаз углерода (графита, алмаза, аморфного углерода) водородсодержащим флюидом. Источником углерода для образования УВ может быть широкий спектр мантийных минералов: алмаз, графит и карбонаты. Преимущественно легкие алканы стабильны при мантийных P-T параметрах как в C-O-H и C-O-H-N системах, так и в системе перидотит-флюид в широком интервале редокс-условий от ультравосстановленных, при фугитивности кислорода ( f _O2) ниже буфера IW (Fe-FeO), до умеренно восстановленных, при f _O2 на 1-2 лог. ед. выше IW. Некоторые кислородсодержащие УВ стабильны во флюиде даже в равновесии с карбонатсодержащим перидотитом. Значимые концентрации аммиака существуют либо в восстановленных областях субкратонной литосферы, либо в более глубинных частях металлсодержащей мантии. В бедных азотом восстановленных мантийных флюидах важную роль может играть метанимин (CH₃N). В работе проанализированы потенциально благоприятные для образования УВ условия в мантии Земли. Результаты исследований включений в алмазах из кимберлитов Якутской провинции, россыпей северо-востока Сибирской платформы и Урала являются важным доказательством того, что разнообразные УВ являются распространенными компонентами восстановленных мантийных флюидов. Флюиды из включений содержат незначительное количество H₂O, метана и других легких алканов, но повышенные концентрации кислородсодержащих УВ. При этом отношение H/(H+O) в них достаточно велико и варьирует в пределах от 0.74 до 0.93. В УВ-содержащих флюидах из некоторых алмазов эклогитового парагенезиса фиксируются высокие концентрации CO₂. Заметную роль во флюидных включениях в алмазах играет молекулярный азот и азотсодержащие соединения, хлорсодержащие УВ и серосодержащие компоненты. Экспериментальные данные и результаты изучения включений в природных алмазах свидетельствуют о стабильности углеводородов в части верхней мантии, в том числе в среде кристаллизации некоторых мантийных алмазов. Сложный комплекс преимущественно легких алканов мог образоваться в мантии из неорганических веществ. Сделан вывод, что актуальным направлением экспериментальных исследований является установление причин существенных различий в содержании метана, легких алканов, кислородсодержащих УВ и воды в природных алмазообразующих средах и экспериментальных системах. Специальное внимание необходимо уделить исследованию стабильности азот-, сера- и хлорсодержащих компонентов флюида.

Приведен обзор недавно полученных данных по минералогии фумарол окислительного типа на вулкане Толбачик (Камчатка, Россия) с акцентом на химическое своеобразие минералов. Активные фумарольные поля Толбачика - самый яркий в мире пример эксгаляционных минералообразующих систем данного типа. В отложениях этих фумарол на сегодня достоверно установлено около 350 минеральных видов, 123 из которых впервые открыты здесь. Разнообразие и своеобразие этой минерализации обусловлено уникальным для природных объектов сочетанием физико-химических условий и механизмов ее формирования: это высокие температуры, атмосферное давление, очень высокая фугитивность кислорода, газовый транспорт большинства компонентов, прямое осаждение многих высокотемпературных минералов из вулканических газов, обладающих специфической геохимией, включая сильную обогащенность щелочными и халькофильными («рудными») элементами. Кратко рассмотрены в аспекте минералогической геохимии эксгаляционные силикаты и минералы As, Cu, Zn, Mn, Ti, Sn, Sb, Se, Au, Ag, Cs, Tl, F.