ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2011, том 439, № 3, с. 389-393
= ГЕОХИМИЯ =
УДК 551.12.14+550.4.42
ДЕПЛЕТИРОВАННОЕ И ОБОГАЩЕННОЕ ВЕЩЕСТВО В ВЕРХНЕЙ МАНТИИ ШПИЦБЕРГЕНА (ДАННЫЕ МАНТИЙНЫХ КСЕНОЛИТОВ)
© 2011 г. Член-корреспондент РАН В. А. Глебовицкий, Л. П. Никитина, А. Г. Гончаров, Н. В. Боровков, А. Н. Сироткин
Поступило 18.02.2011 г.
Выделение в верхней мантии (UM) различных типов резервуаров (PM, DM, EM) основано на изотопно-геохимических характеристиках мантийных магматических производных, а не на прямых данных по составу мантийного вещества. Очевидно, что наряду с изучением магматических производных необходимо исследование комплементарного им вещества мантийных ксенолитов. Ксенолиты из четвертичных базальтов Шпицбергена (вулкан Сверре и шлаковые конусы Сигурд и Халвданпигген), принадлежащие к породам пи-роксенитовой и перидотитовой серий [1—4], несут информацию о происхождении и петрогеохи-мических признаках деплетированного и обогащенного вещества в UM.
Ксенолиты перидотитовой серии представлены шпинелевыми лерцолитами, а пироксенито-вой — вебстеритами, гранатовыми вебстеритами, безамфиболовыми и амфиболсодержащими гранатовыми клинопироксенитами. Шпинелевые лерцолиты характеризуются значениями Al/Si < <0.112 и Mg/Si > 1.046, т.е. меньше и больше, чем в PM [5] соответственно (табл. 1). На диаграмме Al/Si—Mg/Si (рис. 1) их точки образуют почти линейный тренд, отражающий различную степень истощения Al и обогащения Mg относительно PM. Аналогичная картина наблюдается и на диаграммах Al/Si—Ca/Si и Al/Si—Al/Mg. Пироксени-товым ксенолитам, напротив, свойственны значения Al/Si, Ca/Si и Al/Mg больше, а Mg/Si меньше, чем в PM (табл. 1). Соответственно они представляют обедненную по Mg и обогащенную
по Al и Ca мантию. При вариации значений Al/Si от 0.15 до 0.55 значения Mg/Si и Ca/Si практически не изменяются. Вследствие этого на диаграммах Al/Si-Mg/Si, Al/Si-Ca/Si и Al/Si-Al/Mg точки ксенолитов этой серии образуют тренды, секущие таковые для расплавов, образовавшихся в процессе плавления примитивных шпинелевых перидотитов при 1270-1390°C и 1 ГПа [6] и гранатового перидотита при 1515-1950°C и 3-7 ГПа [7]. На всех диаграммах наблюдается разделение полей вебстеритов, гранатовых вебстеритов, без-амфиболовых и амфиболсодержащих гранатовых клинопироксенитов. Судя по положению на указанных диаграммах точек пироксенитов по отношению к пикритам [8], толеитовым (N-MORB, [9]) и щелочным [10] базальтам, состав пироксе-нитов не соответствует составам этих магм. Поле оливиновых щелочных базальтов - носителей рассматриваемых ксенолитов [3] - также не пересекается ксенолитовым трендом. Только вебсте-риты по отношениям Al/Si, Ca/Si, Mg/Si и Al/Mg имеют близкий к толеитовым базальтам состав.
Все перидотитовые ксенолиты обеднены РЗЭ относительно PM (рис. 2). Концентрация каждого из них закономерно уменьшается с увеличением Mg/Si. Тренды изменения концентраций подобны таковым в реститах - продуктах плавления шпинелевых перидотитов примитивного состава при 1 ГПа и 1280-1390°C [12]. Ксенолиты пирок-сенитов, напротив, обогащены РЗЭ. Концентрация Ce и Nd в них уменьшается по мере уменьшения Al/Si, а Dy, Er и Yb - увеличивается. В расплавах
Таблица 1. Характеристики химического состава ксенолитов перидотитовой (I) и пироксенитовой (II) серий Серия I Mg/Si I Al/Si Ca/Si Al/Mg Sm/Nd I Lu/Hf Gd/Yb Dy/Yb Nb/Y Zr/Y
PM [5] 1.046 0.112 0.123 0.107 0.325 0.24 1.24 1.54 0.14 2.47
I >1.046 <0.112 <0.123 <0.107 0.12-0.42 0.12-0.78 <1.24 <1.54 0.23-0.89 1.83-7.78
II <1.046 >0.112 >0.123 >0.107 0.22-0.38 0.17-0.34 >1.24 >1.54 0.06-0.49 1.2-3.56
Институт геологии и геохронологии докембрия Российской Академии наук, Санкт-Петербург
Mg/Si 1.5
* t»-
* 1
я 2
• 3
♦ 4
А 5
Т 6 * 10
V 7 Ж 11
о 8 + 12
► 9
о 13
0.5
J
0.6
Al/Si
Рис. 1. Соотношение Al/Si и Mg/Si в ксенолитах перидотитовой (1) и пироксенитовой (2—5) серий; 2 — вебстериты, 3 — гранатовые вебстериты, 4 — гранатовые клинопироксениты, 5 — амфиболсодержащие гранатовые клинопироксениты. 6—8 — расплавы, образовавшиеся в процессе плавления шпинелевых перидотитов INTA (6) и INTB (7) при 1270—1390°C и 1 ГПа [6] и гранатового перидотита (8) при 1515—1690°C и 3—7 ГПа [7]. 9 — пикриты [8], 10 — базальты СОХ [9], 11 — щелочные базальты [10], 12 — четвертичные щелочные оливиновые базальты арх. Шпицберген [3], 13 — примитивная мантия [5]. А—А' и B—B' — тренды геохимического и космохимического фракционирования соответственно [11].
же, образовавшихся при плавлении примитивных перидотитов, концентрации всех РЗЭ при возрастании Al/Si уменьшаются. Спектры распределения нормированного содержания РЗЭ в пироксе-нитах не соответствуют таковым в пикритах, то-
леитах и особенно в щелочных оливиновых базальтах вулканов Сверре и Халвданпигген.
Перидотитам также свойственно обеднение относительно РМ такими элементами, как У, Zr, V, Та (их содержание уменьшается при воз-
Таблица 2. Содержание Sr, Zr, Nb, Y, V, Ta (ppm) в перидотитовых и пироксенитовых ксенолитах, щелочных оливиновых базальтах [4] и расплавах INTA и INTB [11]
Sr Zr Nb Y V Ta
Перидотиты 7.35-18.3 4.61-10.4 0.53-1.53 1.54-3.18 5.8-54.9 0.01-0.056
Пироксениты 61.3-216 17.1-58.7 0.93-8.15 10.5-19.2 210-462 0.11-0.58
Оливиновые базальты 819-942 312-346 83.6-97.7 14.9-18.6 н/опр 2.25-3.14
Расплав (INTA + INTB) 45.6-286.6 7.0-69.2 3.9-26.0 2.6-7.0 то же н/опр
PM 20.3 10.81 0.588 4.37 86.0 0.04
ДЕПЛЕТИРОВАННОЕ И ОБОГАЩЕННОЕ ВЕЩЕСТВО
391
РЗЭ/РМ 100 г
10
La
Ce
Pr
Nd Sm Eu Gd
Tb
Dy Ho Er Tm
Yb
Lu
Рис. 2. Нормированное к РМ [5] содержание РЗЭ в ксенолитах пироксенитовой (1) и перидотитовой (2) серий. То же в базальтах: 3 — щелочные оливиновые базальты вулканов Сверре и Халвданпигген [4], 4 — пикриты [8], 5 — толеиты СОХ [9].
1
растании Mg/Si), в то время как пироксениты обогащены ими (табл. 2). Содержание Zr в пирок-сенитах больше, чем в PM, в 1.6—3.2 раза, а Y в 2.4—3.4. Зависимость концентрации этих элементов от Al/Si в пироксенитах проявлена слабо, тогда как в расплавах наблюдается закономерное уменьшение их концентрации при уменьшении Al/Si (т.е. увеличении степени плавления исходного субстрата). Превышение концентрации Nb относительно PM составляет от 1.6 до 11.0 раз. Оно максимально в амфиболсодержащих пироксенитах. Концентрация V в пироксенитах превышает таковую в PM в 2.4—5.4 раза, закономерно увеличиваясь в зависимости от Al/Si (соответственно в ряду вебстериты ^ гранатовые вебсте-риты ^ безамфиболовые гранатовые клинопи-роксениты ^ амфиболсодержащие гранатовые клинопироксениты). Оливиновые базальты вулканов Сверре и Халвданпигген демонстрируют повышенные концентрации Zr, Y и особенно Nb по сравнению с пироксенитами. Содержание Zr в
них выше среднего содержания этого элемента в кимберлитах, а Nb приблизительно одинаково.
Важной характеристикой ксенолитов рассматриваемых серий являются отношения некоторых редкоземельных и редких элементов. В продуктах плавления примитивных шпинелевых перидотитов отношение Sm/Nd меньше, чем в PM (0.325 [5]), и оно закономерно изменяется с увеличением температуры и степени плавления (увеличивается в расплавах и уменьшается в реститах). В ксенолитах обеих серий значения Sm/Nd больше и меньше 0.325. Аналогичная картина имеет место и для отношений Lu/Hf и Ce/Lu. Однако почти все ксенолиты перидотитовой серии характеризуются значениями Dy/Yb и Gd/Yb более низкими, чем в PM (1.54 и 1.24 соответственно), а пироксенитовой серии — более высокими. Отношение Nb/Y в перидотитах выше, чем в PM (0.14), а в пироксенитах оно изменяется от 0.06 до 0.49. Отношение Zr/Y в перидотитах колеблется в широких пределах от 1.83 до 7.78, т.е. ниже и выше, чем в PM (2.47). В пироксенитах оно меньше, чем в РМ,
T, °C
800 1000 1200 1400 1600
Рис. 3. РТ-диаграмма для ксенолитов пироксенитовой (1) и перидотитовой (2) серий. Кривые равновесия шпинель-гранат в системе СМЛ8 и МСгё по [14].
и только в одном образце (содержит амфибол) оно превышает 2.47. Как Nb/Y, так и Zr/Y-отно-шения в ксенолитах не зависят от Al/Si. В расплавах же такая зависимость существует: она положительная и для Nb/Y, и для Zr/Y.
Температура равновесия минеральных ассоциаций в шпинелевых лерцолитах определена с использованием двупироксенового геотермометра для хромсодержащей системы [13]. Поскольку состав оливинов, ортопироксенов, клинопирок-сенов и шпинелей из перидотитовых ксенолитов в четвертичных базальтах арх. Шпицберген и Ви-тимского плато Забайкалья близкий, для оценки давления перидотитов арх. Шпицберген была использована мантийная геотерма для Забайкальского региона [13]. Она получена по ксенолитам гранат-шпинелевых и гранатовых перидотитов с помощью гранат-ортопироксенового термобарометра и описывается уравнением: Р = —12.5 + 0.042, где Р в кбар, Т в °C, ошибка определения Р составляет ±1.4 кбар.
Условия равновесия (Т, Р) для гранатсодержа-щих пироксенитов и хромсодержащей системы
определены с помощью гранат-ортопироксеново-го термобарометра [13]. На РТ-диаграмме (рис. 3) точки пироксенитов располагаются относительно геотермы, полученной для перидотитов, в области более низких давлений: близко к кривой перехода шпинель—гранат в системах MAS и CMAS.
Состав и условия равновесия минеральных ассоциаций ксенолитов перидотитовой и пироксенитовой серий свидетельствуют об их различном генезисе. Учитывая экспериментальные данные по составу продуктов плавления примитивных шпинелевых и гранатовых перидотитов в условиях 1270—1950°C и 1.0—7.0 ГПа, можно сделать вывод, что перидотитовые ксенолиты представляют мантию, декретированную главными литофиль-ными компонентами (Al2O3, CaO и FeO), редкими (V, Sr, Y, Zr, Nb) и редкоземельными элементами. Перидотиты являются реститами, образовавшимися в процессе парциального плавления близкого к PM субстрата [15]. Степень плавления исходного вещества составляет преимущественно 10—45%. Пироксенитовые ксенолиты относятся к
ДЕПЛЕТИРОВАННОЕ И ОБОГАЩЕННОЕ ВЕЩЕСТВО
393
обедненной MgO и обогащенной Al2O3 и CaO, щелочами, редкими и редкоземельными элементами мантии. Такое обогащенное вещество — пр
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.